王 權，李陽兵，胡先培，李珊珊，陳 會

(貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院，貴州 貴陽 550025)

當前中國處于由農業(yè)社會向工業(yè)社會和高度城鄉(xiāng)一體化過渡的高速發(fā)展時期，農業(yè)用地正經歷傳統(tǒng)粗放農耕向現代農業(yè)的轉變[1]。21世紀以來,以人地關系耦合協(xié)調發(fā)展為核心的土地利用/土地覆被變化(LUCC)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與模擬成為土地變化科學(land change science, LCS)的新熱點[2]。我國西南巖溶地區(qū)山地多平地少[3]，坡耕地作為人民生產生活的主要物質來源，在不同歷史背景下形成了具有明顯時空差異的農業(yè)景觀格局[4]。

由于自然環(huán)境條件和人文活動的影響，巖溶山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性高，易發(fā)生以石漠化現象和土地退化為主要表現形式的生態(tài)環(huán)境問題。在高人口增長承載壓力條件下巖溶地區(qū)坡耕地利用的初始入滲率和穩(wěn)定入滲率都顯著小于其他土地利用類型[5]，從而導致巖溶地區(qū)坡耕地易退化為以裸巖為主的石漠化覆被類型。21世紀初期石漠化現象最為嚴重的貴州省，在不同巖溶山地區(qū)域相繼實施綜合石漠化治理、退耕還林還草、封山育林等一系列生態(tài)保護工程，近年來林地面積增加，坡耕地面積呈收縮狀態(tài)[6]。已有對西南巖溶山地坡耕地的研究主要集中于分析坡耕地水土流失與巖溶石漠化的關系和綜合石漠化治理[7-8]、各項生態(tài)工程實施對坡耕地利用方式的影響[9]、坡耕地表層土壤空間變異特征[10]以及坡耕地利用對生態(tài)服務功能效應評價[11]等方面，缺少從時間和空間尺度上探討巖溶槽谷區(qū)在空間上以山-槽交替出現的典型地貌的坡耕地時空分布及其影響機制研究。

巖溶槽谷區(qū)地形地貌復雜，地形起伏多變，高差大，地貌單元呈北東向組合排列，連續(xù)的褶皺構造，山-槽在地形地貌上交替出現和地形分異明顯導致槽谷區(qū)平地少坡地多，優(yōu)質耕地資源較為缺乏[12]。槽谷區(qū)作為受自身地理要素限制的典型山地，探究其坡耕地空間分布特征對合理利用坡耕地資源和協(xié)調生態(tài)環(huán)境平衡具有重要意義。為此，選取具有代表性的貴州省德江縣、沿河縣和印江縣3縣交界處的西、中和東部3條槽谷為研究對象，揭示在我國快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的社會經濟大發(fā)展背景下的槽谷區(qū)坡耕地時空分布特征及其驅動機制，從而掌握巖溶槽谷區(qū)坡耕地資源時空演變規(guī)律及其影響因素，為巖溶槽谷山區(qū)土地規(guī)劃、土地管理和生態(tài)修復等提供科學參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省德江縣、沿河縣和印江縣3縣交界處的西部、中部和東部3條槽谷。西部槽谷位于楓香溪鎮(zhèn)和譙家鎮(zhèn)，中部槽谷位于杉樹鎮(zhèn)，東部槽谷位于沙子坡鎮(zhèn)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及地貌

3條槽谷呈北東向排列組合，地形空間分布上背斜呈山,向斜呈谷。每條槽谷分別由中間谷地和兩側坡面構成，山-槽梳狀緊密褶皺交替出現。西部槽谷長為38.96 km，寬為7.29 km，平均海拔為760 m，平均坡度為12°；中部槽谷長為42.85 km，寬為3.90 km，平均海拔為880 m，平均坡度為16°；東部槽長為3.257 km，寬為4.86 km，平均海拔為680 m，平均坡度為17°。研究區(qū)總面積為503.39 km2，其中西部槽谷區(qū)耕地面積為71.81 km2，人口為8.4萬，生產總值為8 560萬元，人均純收入為1 867元；中部槽谷耕地面積為51.89 km2，人口為2.53萬，生產總值為4 204萬元，人均純收入為1 580元；東部槽谷耕地面積為34.41 km2，人口為2.63萬，生產總值為5 321萬元，人均純收入為1 680元。研究區(qū)屬亞熱帶和暖溫帶季風山地氣候區(qū)，年平均氣溫為15 ℃，年平均降水量為1 200 mm。

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

采用2005、2010和2017年3期Google Earth 0.53 m的高清遙感影像為數據源，運用Erdas imagine 9.0軟件對影像進行幾何校正。在此基礎上將數據配準誤差控制在0.5個像元內，結合ArcGIS 10.2軟件采用人工目視解譯得到2005、2010和2017年土地利用矢量數據，再經過拓撲檢查與修改處理，并參照GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類》將研究區(qū)分為灌木林地、農村居民用地、山地旱地、水田、水域、溝渠、道路、城鎮(zhèn)用地、工礦用地、有林地、草地、裸露巖地、茶園、撂荒地和經果林15種土地利用類型。槽谷區(qū)數字高程模型(DEM)來源于ASTER GDEM數據，采用ArcGIS 10.2軟件處理得到研究區(qū)坡度數據，根據坡度數據分別提取2005、2010和2017年不同坡度耕地，從而得到槽谷區(qū)坡耕地分布圖(圖2)。

圖2 巖溶槽谷區(qū)坡耕地分布Fig.2 The distribution of slope cultivated land in karst trough valley area

2.2 研究方法

2.2.1緩沖區(qū)分析

分析坡耕地在農村居民點和4級以上道路不同層次緩沖帶的分布變化。結合研究區(qū)實際情況，將距農村居民點距離分為≤100、>100～300、>300～600、>600～900和>900 m，將距道路距離分為≤100、>100～500、>500～1 000、>1 000～2 000和>2 000 m，形成2005、2010和2017年農村居民點和道路5個緩沖帶的土地利用現狀圖，再進行疊加分析，通過相關模型指標計算，分析研究區(qū)坡耕地在不同緩沖帶的空間演變規(guī)律。

2.2.2坡耕地數量動態(tài)變化指標

參照文獻[13]，根據研究區(qū)實際特征將坡耕地定義為平坡耕地(0～5°)、緩坡耕地(>5～15°)、斜坡耕地(>15～25°)和陡坡耕地(>25°)4個等級。坡耕地動態(tài)變化率計算公式為

(1)

式(1)中，Ki為研究時段坡耕地等級i的年動態(tài)變化率，%·a-1；ΔSi,j為研究時段初期和末期坡耕地i與其他坡耕地利用類型j相互轉化后的變化面積，km2；Si為第i類坡耕地面積，km2；t1和t2分別為研究時段初期和末期，a。

2.2.3坡耕地利用轉移指標

利用土地利用轉移矩陣表征坡耕地轉型動態(tài)變化特征。土地利用轉移矩陣能很好地反映各種土地利用類型之間轉換的動態(tài)狀況，可以用來刻畫一定區(qū)域土地利用變化和轉型時空轉變的方向以及各土地利用類型的來源和組成[14]，其數學模型為

(2)

式(2)中，S為坡耕地利用面積，km2；n為坡耕地利用類型數；i、j分別為研究期初與研究期末坡耕地利用類型。

3 結果與分析

3.1 巖溶槽谷區(qū)坡耕地數量結構

不同巖溶槽谷區(qū)坡耕地數量的時序演變有所差異。由表1可知，2005—2017年西、中和東部槽谷區(qū)坡耕地利用以緩坡耕地和斜坡耕地為主，其次為平坡耕地和陡坡耕地。2005—2010年西、中部槽谷斜坡耕地面積變化最明顯，其面積變化分別為-0.47 和0.34 km2；東部槽谷緩坡耕地面積變化最明顯，其面積變化為-1.39 km2。2010—2017年西、中、東部槽谷面積變化最明顯的是緩坡耕地，其最大面積變化分別為-12.54、-0.69和-2.19 km2。由此可見，近年來貴州省實施石漠化綜合治理、退耕還林、封山育林防護林等生態(tài)工程，以及城鄉(xiāng)一體化和鄉(xiāng)村農業(yè)結構調整，使得西、中和東部槽谷區(qū)坡耕地面積均呈減少趨勢。

表1 2005-2017年巖溶槽谷區(qū)坡耕地數量變化

Table 1 The quantity change of slope cultivated land in karst trough valley area from 2005 to 2017

位置坡耕地類型2005年2010年2017年2005—2010年2010—2017年面積/km2占比/%面積/km2占比/%面積/km2占比/%變化面積/km2占比/%變化面積/km2占比/%西部槽谷平坡耕地4.566.974.767.373.807.600.20-23.26-0.966.64緩坡耕地51.8479.2851.4379.7038.9077.67-0.4147.68-12.5386.71斜坡耕地7.4811.447.0010.855.9211.82-0.4855.81-1.087.48陡坡耕地1.512.311.342.081.462.91-0.1719.770.12-0.83中部槽谷平坡耕地0.982.270.962.260.852.06-0.023.57-0.118.66緩坡耕地24.4256.6524.3457.2023.6557.29-0.0814.29-0.6954.33斜坡耕地13.8332.0913.4931.7012.9331.32-0.3460.71-0.5644.10陡坡耕地3.888.993.768.843.859.33-0.1221.430.09-7.09東部槽谷平坡耕地1.334.111.113.671.063.85-0.2210.58-0.051.88緩坡耕地19.9761.8318.5761.4516.3859.43-1.4067.31-2.1982.33斜坡耕地7.3822.857.1223.566.5423.73-0.2612.50-0.5821.80陡坡耕地3.6211.213.4211.323.5812.99-0.209.610.16-6.01

3.2 巖溶槽谷區(qū)坡耕地利用與距居民點和道路距離的關系

3.2.1坡耕地利用與距居民點距離的關系

由表2可知，2005—2010年西、中、東部槽谷距居民點不同距離的平坡耕地面積相對穩(wěn)定，而緩坡耕地、斜坡耕地和陡坡耕地面積變化隨距居民點距離變化差異明顯。

表2 巖溶槽谷區(qū)距居民點不同距離的坡耕地數量變化

Table 2 The quantity change of slope cultivated land with different buffer distance from residential areas in karst trough valley area

2005—2010年西部槽谷平坡耕地隨距居民點距離增加，其面積變化呈現先減少后增加趨勢，緩坡耕地面積變化隨距居民點距離增加呈先減少后增加再減少趨勢，而斜坡耕地和陡坡耕地呈現持續(xù)減少。其中緩坡耕地在距居民點>300～600 m處變化最大。2005—2010年中部槽谷緩坡耕地、斜坡耕地和陡坡耕地面積變化隨距居民點距離增加呈先減少后增加趨勢，其都在距居民點距離>600～900 m處變化最明顯，面積變化最大值分別為-0.16、-0.23 和-0.08 km2。2005—2010年東部槽谷緩坡耕地和斜坡耕地面積變化隨距居民點距離增加呈先減少后增加再減少趨勢，面積變化分別在距離>300～600和>100～300 m處最大，分別為-0.75和-0.24 km2。

由表2可知，2010—2017年西、中、東部槽谷平坡耕地、緩坡耕地和斜坡耕地面積變化隨距居民點距離增加都呈減少趨勢，其中西部槽谷距居民點>300～600 m處緩坡耕地和>600～900 m處斜坡耕地面積變化最明顯，中部槽谷緩坡耕地和斜坡耕地面積變化在距居民點>600～900 m處最明顯，東部槽谷緩坡耕地和斜坡耕地面積變化在距居民點>300～600 m處最明顯，平坡耕地在距居民點≤300 m處未發(fā)生面積變化?？傮w而言，西、中、東部槽谷在距農村居民點>300～900 m處緩坡耕地面積變化最大，其值分別為-4.50、-0.67和-1.51 km2。這說明距居民點距離≤900 m處緩坡耕地較多且利用程度高；隨距居民點距離逐漸增加，槽谷區(qū)總體坡耕地面積變化呈現減少趨勢。

3.2.2坡耕地利用與距道路距離的關系

選擇鄉(xiāng)鎮(zhèn)4級公路做緩沖分析得到西、中、東部槽谷坡耕地與距道路距離關系。由表3可知，2005—2010年西部槽谷平坡耕地、斜坡耕地和陡坡耕地面積變化隨距道路距離增加呈持續(xù)減少趨勢，緩坡耕地面積變化呈先增加后減少趨勢且在>100～500 m處面積變化相對其他坡耕地最大。隨道路距離增加，2005—2010年中部槽谷緩坡耕地和斜坡耕地面積變化整體波動較大，分別呈先增加后減少再增加和持續(xù)減少趨勢，陡坡耕地面積變化呈略增加后減少趨勢，而平坡耕地面積變化相對穩(wěn)定。2005—2010年東部槽谷坡耕地面積變化整體呈減少趨勢，隨距道路距離增加，平坡耕地和陡坡耕地面積減少相對不明顯，而緩坡耕地和斜坡耕地面積變化最明顯，分別在>500～1 000和>100～500 m處面積變化最大，變化最大值分別為-5.18和-1.07 km2。

表3 巖溶槽谷區(qū)距道路不同距離的坡耕數量地變化

Table 3 The quantity change of slope cultivated land with different buffer distances from roads in karst trough valley area

位置距居民點距離/m2005—2010年各類坡耕地面積/km22010—2017年各類坡耕地面積/km2平坡耕地緩坡耕地斜坡耕地陡坡耕地平坡耕地緩坡耕地斜坡耕地陡坡耕地西部槽谷≤1000.13-0.54-0.1000.330.240.450.42>100～5000.12-0.38-0.24-0.120.590.480.570.56>500～1 0000.050.04-0.23-0.130.580.410.570.31>1 000～2 0000.020.37-0.1200.710.500.631.31>2 0000-0.13-0.14-0.050.830.560.761.74中部槽谷≤1000-0.04-0.020-0.04-2.07-0.63-0.06>100～50000.04-0.110-0.15-3.53-1.11-0.11>500～1 00000.14-0.240.05-0.06-2.82-1.37-0.12>1 000～2 000-0.03-0.28-0.31-0.04-0.08-2.71-1.29-0.07>2 0000.010.16-0.03-0.16-0.07-1.21-0.81-0.06東部槽谷≤100-0.03-2.44-0.26-0.09-0.03-2.43-0.31-0.09>100～500-0.11-4.03-1.07-0.11-0.10-4.05-1.37-0.11>500～1 000-0.15-5.18-1.01-0.07-0.11-4.76-1.20-0.06>1 000～2 000-0.27-3.67-0.84-0.41-0.15-2.84-0.39-0.42>2 000-0.07-1.46-0.71-0.420.01-1.04-0.38-0.34

2010—2017年西部槽谷坡耕地面積變化隨距道路距離增加整體呈持續(xù)增加趨勢，其中陡坡耕地面積變化在距道路>1 000～2 000和>2000 m處最明顯，其面積變化最大值分別為1.31和1.74 km2，這可能是因為西部槽谷地勢平坦開闊，自然條件較好，沿道路分布的坡耕地多且利用程度較大。隨距道路距離增加，2010—2017年中、東部槽谷坡耕地面積變化整體呈減少趨勢，其中緩坡耕地和斜坡耕地面積變化最明顯；中、東部槽谷緩坡耕地面積變化分別在>100～500和>500～1 000 m處最大，分別為-3.53和-4.76 km2，斜坡耕地面積變化分別在>500～1 000和>100～500 m處最大,均為-1.37 km2，這可能是因為中、東部槽谷地形地貌崎嶇，坡耕地主要分布于山坡兩側，沿道路分布的坡耕地開墾力度弱且撂荒現象嚴重。

3.3 巖溶槽谷區(qū)坡耕地動態(tài)變化

不同階段西、中、東部槽谷坡耕地利用動態(tài)變化特征見圖3。2005—2010年西、東部槽谷坡耕地利用動態(tài)變化較大，其中東部槽谷平坡耕地和西部槽谷陡坡耕地變化動態(tài)率最大，分別為-3.22%和-2.35%，這可能是因為西、東部槽谷地勢相對平坦開闊，農村居民用地和城鎮(zhèn)用地都集中于槽壩區(qū)域[15]。2010—2017年西、東部槽谷動態(tài)變化較中部槽谷明顯，其中動態(tài)度較大的有西部槽谷緩坡耕地(-3.41%)、平坡耕地(-2.82%)和斜坡耕地(-2.16%)。2005—2017年西部槽谷緩坡耕地和東部槽谷平坡耕地動態(tài)變化最明顯，這表明隨著研究區(qū)社會經濟發(fā)展，坡耕地利用動態(tài)度逐漸增加，當地居民對坡耕地擾動強度越來越大。

圖3 巖溶槽谷區(qū)坡耕地利用動態(tài)變化

3.4 巖溶槽谷區(qū)坡耕地利用時空轉移

2005—2010年研究區(qū)巖溶槽谷區(qū)坡耕地轉出時空特征不明顯。由圖4可知，坡耕地轉出對象主要為農村居民用地、城鎮(zhèn)用地、水田、灌木林地、草地和有林地，空間分布主要位于山坡部位。其中，平坡耕地轉移為水田的面積為0.29 km2，緩坡耕地轉移為草地、農村居民用地、水田和有林地的面積分別為1.33、0.32、2.05和1.37 km2，斜坡耕地轉移為有林地、灌木林地和草地的面積分別為0.62、0.52和1.32 km2，陡坡耕地轉移為有林地、灌木林地和草地的面積分別為1.37、1.17和0.34 km2。

圖4 巖溶槽谷區(qū)坡耕地轉移狀況

2010—2017年研究區(qū)巖溶槽谷區(qū)坡耕地轉移明顯。由圖4可知，西、中、東部槽谷的槽壩部位平坡耕地轉為農村居民用地和城鎮(zhèn)用地較多，轉出面積分別為1.16和1.14 km2；山坡部位坡耕地轉移為茶園、經果林、有林地和草地較多。緩坡耕地轉出面積最大，其中轉移為經果林和茶園的面積最多，分別為6.10和4.64 km2。斜坡耕地和陡坡耕地主要轉為茶園、有林地、灌木林地和草地。隨著社會經濟快速發(fā)展和農業(yè)結構調整[16]，研究區(qū)槽谷山區(qū)坡耕地轉移速度加快且利用幅度增大。

4 討論

4.1 巖溶槽谷區(qū)坡耕地利用演變的驅動因素

坡耕地利用演變是當地自然條件、社會經濟和政策因素共同作用的結果[17]。由圖5可知，2002—2010年貴州省政策開始傾斜于生態(tài)修復，生態(tài)環(huán)境處于開始修復階段。2005年后，進行林地資源改革，實行林地保護承包制。2002—2010年，槽谷區(qū)出臺退耕還林還草和封山育林政策，使得林地覆蓋規(guī)模逐漸擴大且出現轉型，而坡耕地資源收縮且出現邊際化[18]。2012年后，槽谷區(qū)開始實施土地整治工程，坡耕地利用效率逐漸提高。2014年貴州省實施精準扶貧政策，進行生態(tài)移民致使槽谷區(qū)原居民點的坡耕地撂荒和棄耕現象嚴重。2015年貴州省完全實現縣縣通高速，交通可達性好，農民外出就業(yè)機會多，不再依賴耕地種植獲得收入，位于低海拔、低坡的耕地開始減少。

除上述驅動因素外，巖溶槽谷區(qū)高程、坡度、巖性、土壤類型和地形起伏等也決定了坡耕地空間分布。其中，西、東部槽谷區(qū)自然環(huán)境因素驅動坡耕地變化響應最大，中部槽谷受地形地貌的限制使其坡耕地時空演變出現局限性。在退耕還林、精準扶貧等多重驅動因素作用下，巖溶槽谷區(qū)坡耕地利用朝著集約化和耦合協(xié)調狀態(tài)發(fā)展[19]。

圖5 2005—2017年貴州省主要事件對槽谷區(qū)坡耕地的驅動機制

4.2 巖溶槽谷區(qū)坡耕地利用演變的啟示意義

(1)盡管2005年以來巖溶槽谷區(qū)開展了一系列生態(tài)環(huán)境保護和土地整治工程，但當地居民為了維持生計，坡度>25°的陡坡耕地仍有種植行為，并沒有進行合理的退耕還林還草。因此，積極呼應相關部門對>25°陡坡區(qū)域加大退耕還林、石漠化治理和植被修復力度[20]，積極抓住槽谷區(qū)生態(tài)環(huán)境逐步好轉的機遇，盡早實現槽谷區(qū)坡耕地高效利用及生態(tài)化轉變，實現“綠水青山就是金山銀山”。

(2)研究區(qū)坡耕地利用呈現多樣化，且在距居民點和道路距離1 000 m處利用效率最高。隨著距居民點和道路距離增加，坡耕地利用強度逐漸較低并出現撂荒現象，距道路較遠的農村居民點搬遷導致優(yōu)質坡耕地棄耕的現象也很突出。巖溶槽谷區(qū)地形崎嶇，土地人工耕作，主要以動物為動力犁田犁土，耕作效率非常低下，呼吁相關管理部門共同因地制宜合理規(guī)劃區(qū)域坡耕地利用(圖6)。

(3)巖溶槽谷區(qū)從經濟非常落后的生態(tài)破壞時期逐漸向生態(tài)恢復時期轉變，區(qū)域林地和耕地在一定程度上分別出現擴張和收縮，引發(fā)槽谷區(qū)林地和坡耕地轉型[21]。坡耕地利用轉型在一定程度上使農民利益與耕地質量保護政策相融合，在保障農民集體經濟利益不受損的前提下，提高農民土地利用保護積極性和生態(tài)環(huán)境保護意識，對提高槽谷區(qū)坡耕地利用效率和生產條件以及開展生態(tài)環(huán)境保護具有重大啟示意義。

圖6 巖溶槽谷區(qū)各管理部門對坡耕地優(yōu)化的作用啟示

5 結論

選取貴州省德江縣、沿河縣和印江縣交界處的西部槽谷、中部槽谷和東部槽谷作為研究對象，利用緩沖區(qū)分析和坡耕地動態(tài)變化模型方法，對巖溶槽谷區(qū)坡耕地利用時空演變的一般規(guī)律和差異性進行系統(tǒng)分析。主要結論如下：

(1)2005—2017年西、中、東部槽谷坡耕地利用動態(tài)演變逐漸加快，由于槽谷區(qū)山-槽交替的特點使得緩坡耕地分布最廣，其動態(tài)變化最明顯且利用擾動最強。

(2)隨距居民點和道路距離增加，2005—2017年不同巖溶槽谷區(qū)坡耕地面積變化呈相似特征和差異性，其中緩坡耕地和斜坡耕地面積變化最明顯。

(3)巖溶槽谷區(qū)西、東部槽谷坡耕地的轉移主要集中于槽壩部位，中部槽谷主要集中于山坡兩側，其中坡耕地轉移強度表現為2010—2017年>2005—2010年，西部槽谷>東部槽谷>中部槽谷。

(4)槽谷自身地形地貌的差異直接造成坡耕地時空分布不均。隨著社會經濟不斷發(fā)展和研究區(qū)相關部門加大土地整治力度，這促進了坡耕地的改造提升，農業(yè)結構調整政策的實施也促進了坡耕地利用功能的多樣性。