楊 懿, 高華端, 王 群, 李曉松

(貴州大學 林學院, 貴陽 550025)

耕地作為一種寶貴的自然資源，不僅承載著糧食生產的基本功能，還具有農耕景觀功能，是“山水林田湖草”整個生態(tài)系統必不可少的重要部分；而坡耕地作為耕地的重要組成部分，是山地丘陵區(qū)的主要耕地類型，現已成為水土流失和面源污染最嚴重的地類之一，正面臨著土層變薄、土地生產地下降和生態(tài)問題頻發(fā)等問題[1-2]。因此明晰坡耕地分布特征，對于區(qū)域耕地保護、土壤侵蝕控制及防止環(huán)境惡化有重要意義。

自“18億畝耕地紅線”這一概念被提出以后，耕地成為全社會研究熱點，主要集中在區(qū)域耕地數量時空動態(tài)變化及其驅動力[3-6]、耕地景觀格局研究[7-8]、耕地質量評價[9]和耕地質量保護等[10-11]方面，耕地的重要性日益凸顯。而坡耕地是自然因素和人為因素綜合作用下形成的，具有獨特侵蝕環(huán)境的耕地類型[12]，有眾多學者都對坡耕地進行了研究，其中耿韌等認為研究坡耕地的空間分布特征有助于水土保持防治對策的制定[13]；而坡耕地的空間分布與坡耕地距居民點和道路的距離有關，同時區(qū)域氣候、高程、坡度、巖性、地形起伏及土壤類型等因素也影響著坡耕地的空間分布[14-15]。在眾多影響因素中，巖性是坡耕地分布的基礎，決定著區(qū)域土壤類型，土壤類型進一步表現出區(qū)域土壤肥力狀況，而坡位代表著坡耕地的垂直空間分布情況，居民點則是影響坡耕地分布最為顯著的人為因素?，F有坡耕地研究多集中在三峽庫區(qū)和黃土高原區(qū)，喀斯特山區(qū)的不同因素影響下的坡耕地分布研究尚未見報道。

貴州省是西南喀斯特地貌典型區(qū)域，區(qū)內地質、地貌條件復雜，土壤類型豐富，同時也是西南山地丘陵區(qū)代表省份，山地丘陵面積高達92.5%[16]，因此坡耕地是區(qū)域主要耕地類型，坡耕地面積占總耕地面積的82.90%[17-18]，承載著區(qū)域糧食和農產品主要生產力?；ㄏ獏^(qū)地層巖性、地形地貌及土壤類型多樣，具有一定的代表性，同時，也是貴州省著名的風景旅游區(qū)和“國家級生態(tài)示范區(qū)”。因此本文選定貴州省貴陽市花溪區(qū)坡耕地作為研究對象，利用ArcGIS平臺，系統分析在巖性、土壤類型、坡位和居民點影響下的坡耕地分布特征，為喀斯特山區(qū)坡耕地資源合理規(guī)劃利用以及水土流失治理和生態(tài)環(huán)境保護等提供一定的數據參考。

1 研究區(qū)概況

花溪區(qū)位于貴州省中部，下轄5鎮(zhèn)6鄉(xiāng)18個社區(qū)，區(qū)內人口數量多，人為活動劇烈。全區(qū)地勢呈明顯的東西高、中間低特征，東南部最高；區(qū)內剝蝕丘陵與盆地、谷地、洼地相間，地貌破碎；同時泥盆紀(D)、石炭紀(C)、二疊紀(P)、三疊紀(T)、侏羅紀(J)、第四紀(Q)地層均有出露，地質構造復雜，巖石類型主要有石灰?guī)r、白云巖、普通砂頁巖和紫色砂頁巖等，種類較為豐富。該區(qū)地處云貴高原東斜坡和苗嶺山脈中段，是長江水系和珠江水系的分水嶺地帶，境內河流17條，水量主要靠自然補給。

2 材料與方法

2.1 數據來源

以 2018年谷歌地圖真彩色無偏移衛(wèi)星影像圖(分辨率為 0.5 m)為數據源，在 ArcGIS 10.2軟件環(huán)境下人工解譯獲得研究區(qū)土地利用圖。根據實際需求，再結合國家標準《土地利用現狀分類》(GB/T21010-2017)，一共設置了坡耕地、梯平地、水田、林地、住宅用地、交通運輸用地、水域及其他用地8種地類。

研究區(qū)DEM數據通過BIGEMAP地圖下載器下獲取，然后再以該DEM為數據源，運用ArcGIS 10.2軟件生成所需的地形因子。巖性和土壤類型數據是通過掃描研究區(qū)紙質版地質圖和土壤圖，在ArcGIS 10.2里矢量化處理，提取研究區(qū)的巖性、土壤類型數據。

2.2 研究方法

2.2.1 格網分析法 考慮研究區(qū)實際情況和數據處理難度，利用ArcGIS 10.2的 Create Fishnet功能，將研究區(qū)分為1 km×1 km共計 1 097個格網單元，受行政邊界影響，共有812個完整格網和285個不規(guī)則格網。統計每個格網內的坡耕地面積占比，作為空間自相關分析的觀測量。使用網格法可以避免因各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積大小的差異而導致計算結果可比性較弱的問題，使計算結果可比性更加明顯[19]。

2.2.2 空間自相關性 空間自相關性通常包括全局自相關和局域自相關，全局自相關從宏觀角度判斷坡耕地是否有聚集性，局域相關性可以判斷出某個區(qū)域內坡耕地的集聚或擴散狀態(tài)。Global Moran′sI為全局自相關指標，Local Moran′sI是局域空間自相關指標。具體公式如下：

2.2.3 坡耕地比例指數 為了研究坡耕地在各因素影響下的分布情況，采用坡耕地相比占比和坡耕地絕對占比兩種指數來描述，公式如下：

坡耕地相對占比=區(qū)域坡耕地面積/區(qū)域總面積×100%

坡耕地絕對占比=區(qū)域坡耕地面積/坡耕地總面積×100%

絕對占比可以表現出花溪區(qū)坡耕地的空間分布情況，但受到區(qū)域面積大小影響，所以并不足以代表坡耕地的分布趨勢，相對占比是某個區(qū)域內坡耕地的分布情況，可以判斷出區(qū)域內坡耕地是否屬于優(yōu)勢地類。

一隊拖拉機開了過來。張連長的口令聲被拖拉機聲蓋住。拖拉機總共十二臺,每兩臺一縱列,由新到舊縱向列開。不過,即使是舊拖拉機,也擦洗得干干凈凈。拖拉機的縱列后,是八掛大車一字排開,套在車上的馬匹精神抖擻,佩戴紅花、鈴鐺。

2.2.4 景觀指數 景觀空間格局可以反映出一個區(qū)域的生態(tài)狀況和空間變異特征，本研究采用ArcGIS 10.2軟件平臺中的Patch Analyst模塊進行景觀分析，結合實際情況，選取了斑塊平均面積和破碎度2個指數描述花溪區(qū)林地景觀分布特征。

3 結果與分析

3.1 花溪區(qū)坡耕地空間分布現狀

表1是花溪區(qū)土地利用現狀圖，從圖中可以看出坡耕地主要集中分布在花溪區(qū)西部地區(qū)，從圖中土地利用現狀表也可以看出坡耕地分布面積僅次于林地，是花溪區(qū)第二大優(yōu)勢地類，占全區(qū)總面積的21.07%，占全區(qū)耕地面積的63.85%，說明坡耕地是花溪區(qū)主要耕地類型且分布面積較大。

表1 花溪區(qū)土地利用現狀表

3.1.1 基于行政單元分區(qū)的坡耕地空間分布特征 一般來說，行政單元是根據政治、經濟、文化、民族、地理、人口、國防、歷史傳統等多方面的因素劃分的，但是隨著現代社會生產力的發(fā)展，經濟因素起著重要的作用，因此不同行政單元因其主要功能有差異，其坡耕地分布肯定也存在不同。圖1是花溪區(qū)各行政單元坡耕地分布圖，除圖中標注出來的金竹、溪北、小孟、花孟、清溪和貴筑社區(qū)以外，其余12個社區(qū)由于行政面積較小，為了便于數據的分析和描述，本文將其統稱為“社區(qū)”。其中圖中所表示出的行政區(qū)包含了花溪區(qū)98.54%的坡耕地，“社區(qū)”的坡耕地面積僅占花溪區(qū)坡耕地面積的1.46%。從坡耕地分布圖來看，所有行政區(qū)中，燕樓、麥坪、石板、黨武和久安的坡耕地占比較高，其次是湖潮、金竹和貴筑。總體來說，花溪區(qū)坡耕地呈現出西部多東部少的空間格局。

圖1 花溪區(qū)不同行政區(qū)坡耕地分布

3.1.2 基于網格單元分區(qū)的坡耕地分布特征 研究區(qū)內各網格單元內坡耕地用地比均值為20.69%，即相當于100 hm2的面積內有20.69 hm2坡耕地。如圖2A所示，在空間分布上差異明顯，總體表現為西部高，中部和東部低的空間格局。西部地區(qū)的麥坪、久安、石板、黨武、燕樓和湖潮行政區(qū)坡耕地用地比明顯高于東部地區(qū)，其中坡耕地用地比最大值出現在久安。

圖2B是用ArcGIS軟件中的熱點分析工具做出來的研究區(qū)坡耕地熱點分析圖，熱點代表坡耕地集聚區(qū)，冷點則代表坡耕地分布分散區(qū)；其中極熱點82個網格，熱點74個，較熱點47個，較冷點73個，冷點83個，極冷點6個，無顯著冷熱點732個。從圖中可以看出坡耕地的熱點主要集中在花溪區(qū)西部的麥坪、久安、金竹、湖潮、黨武、燕樓和石板，冷點主要在高坡、黔陶及行政面積較小的幾個社區(qū)。

圖2 花溪區(qū)網格單元坡耕地占比分布和熱點分析

3.2 坡耕地在不同環(huán)境因素下的空間分布特征

3.2.1 不同巖組坡耕地分布特征 圖3是花溪區(qū)巖性分布圖，花溪區(qū)主要分布著白云巖、石灰?guī)r、砂頁巖和紫色砂頁巖，煤系地層砂頁巖和礫石極少量分布，因此本研究將花溪區(qū)巖石分為白云巖、石灰?guī)r、普通砂頁巖和紫色砂頁巖4個巖組。從圖中可以看出紫色砂頁巖組分布最為集中連片，其次是普通砂頁巖組和白云巖組，石灰?guī)r組分布最為破碎，分散在花溪區(qū)各處。

圖3 花溪區(qū)巖性分布

從表2中可以看出，花溪區(qū)各巖組中分布面積最大的是石灰?guī)r組，其次是白云巖組、普通砂頁巖組和紫色砂頁巖組；各巖組中坡耕地的分布面積由大到小依次表現為：石灰?guī)r組>白云巖組>普通砂頁巖組>紫色砂頁巖組，從絕對占比來看，石灰?guī)r組上的坡耕地占比遠高于其他3個巖組，從相對占比來看，普通砂頁巖組略高于石灰?guī)r組；4個巖組上的坡耕地的平均面積，普通砂頁巖組最大，其次是白云巖組，紫色砂頁巖組最小，說明普通砂頁巖組上的坡耕地斑塊較連片，紫色砂頁巖組上的坡耕地較為分散；而破碎度指數大小表現為普通砂頁巖組最小，紫色砂頁巖組最大，石灰?guī)r組和白云巖組相同，說明普通砂頁巖組上坡耕地分布最為集中，紫色砂頁巖組最為破碎。

表2 花溪區(qū)不同巖性區(qū)坡耕地分布特征

圖4 花溪區(qū)不同土壤類型區(qū)坡耕地分布特征

3.2.3 不同坡位坡耕地分布特征 利用ArcGIS軟件將研究區(qū)坡面劃分為上、中、下3種坡位。圖5是不同坡位區(qū)域內坡耕地的分布特征圖。從圖中可以看出，下坡位區(qū)域面積最大，其次是中坡位和上坡位，其中坡耕地在下坡位區(qū)域分布面積也最大，占坡耕地總面積的39.59%，其次是中坡位(34.05%)和上坡位(26.36%)，；但是從相對占比來看，中坡區(qū)域坡耕地占比為22.71%，其次是下坡(20.68%)和上坡(19.81%)；而3個坡位區(qū)域中，下坡位的坡耕地斑塊平均面積最大，破碎度最小，其次是中坡位，最后是上坡位；說明下坡位區(qū)域坡耕地分布最為集中成片，上坡位區(qū)域坡耕地最為分散。

圖5 花溪區(qū)不同坡位區(qū)域坡耕地分布特征

3.3 坡耕地在居民點影響下的空間分布特征

為研究人為因素對坡耕地分布的影響，選取了居民點作為影響因素，利用ArcGIS軟件對居民點建立緩沖區(qū)進行分析。緩沖區(qū)距離以50 m為等間距，分為表3所示的10個等級，統計出不同距離緩沖區(qū)的坡耕地面積、數量及平均面積。由表可知，隨著緩沖區(qū)距離不斷增大，坡耕地面積占比不斷減小，斑塊數量先減小后增加，平均面積呈現出先增加后減小的趨勢。在距離居民點500 m以內的區(qū)域包含了90.24%的坡耕地，在距離居民點50 m的緩沖區(qū)內坡耕地面積比重達到20.06%，而在距離居民點450～500 m這個區(qū)域內，坡耕地面積比重僅占2.81%。坡耕地面積占比不斷減小說明距離越遠，居民點對坡耕地的影響越小，從不同耕作距離內坡耕地的分布情況來看，居民點對坡耕地分布具有一定的控制作用。

表3 花溪區(qū)居民點緩沖區(qū)內坡耕地分布特征

利用ArcGIS軟件對坡耕地和居民點分別做全局空間自相關分析，Moran′I指數分別為0.523 9，0.653 9，Z值得分分別為23.374 5，29.217 2，p值均為0；說明坡耕地和居民點均通過顯著性檢測，且在空間分布上具有空間正相關，出現明顯的聚類特征。然后利用Geoda軟件的空間分析工具對坡耕地和居民點做局部雙變量自相關分析，得到圖6所示的坡耕地和居民點的局部雙變量LISA圖，從圖中可以看出，坡耕地和居民點的關系分為5種，高—高型(HH)、低—低型(LL)、高—低型(HL)、低—高型(LH)和不顯著型；其中HH和LL表示兩變量間存在空間正相關，具有較高的空間聚合特性，HL和LH表明兩變量間存在空間負相關，且區(qū)域具有離散特性。研究區(qū)中HH共有31個網格，LL共有205個網格，HL有74個，LH有122個；其中HH代表該區(qū)域坡耕地多且居民點也多，研究區(qū)中HH型主要分布于黨武、石板和金竹；LL型代表該區(qū)域坡耕地少居民點也少，多分布于黔陶、高坡和馬鈴；HL型則代表該區(qū)域坡耕地多但居民點少，多分布于馬鈴、燕樓和久安；LH型代表該區(qū)域坡耕地少但居民點多，多分布于孟關和社區(qū)中。

圖6 花溪區(qū)坡耕地和居民點雙變量自相關LISA圖

根據坡耕地和居民點的雙變量自相關分析結果，可以將上述4種關系歸納為3種類型，坡耕地偏多型、坡耕地偏少型、坡耕地—居民點均衡型。其中HH型和LL型代表坡耕地和居民點呈現正相關關系，可以認為是均衡型，HL型和LH型則表現出負相關關系，因此認定HL型為坡耕地偏多型，LH型為坡耕地偏少型。未表現出顯著相關關系的網格暫不做描述。坡耕地偏多型可以考慮加速推進退耕還林還草政策的實施，也可以減輕區(qū)域水土流失；而坡耕地偏少型要根據當地實際情況，增加居民收入，緩解生存壓力；不同人地關系類型區(qū)采取有針對性的措施來緩解人地關系，以帶動研究區(qū)的坡耕地轉型，同時也要考慮區(qū)內高坡位區(qū)域坡耕地合理利用或退耕，促進研究區(qū)人地協調發(fā)展[21]。

4 討 論

研究結果表明地層巖性對坡耕地分布影響顯著，花溪區(qū)巖石主要分為石灰?guī)r組、白云巖組、普通砂頁巖組和紫色砂頁巖組，其中砂頁巖發(fā)育形成的土壤厚重且肥力較好，碳酸鹽類巖石發(fā)育形成的土壤則比較淺薄且不連續(xù)，因此理論上砂頁巖區(qū)土壤更適合耕作；但花溪區(qū)石灰?guī)r組上也分布著較大面積的坡耕地，是因為石灰?guī)r組大部分區(qū)域地勢較為平坦，居民點分布面積大且較為分散，因此該區(qū)域坡耕地分布面積較大；而研究區(qū)中紫色砂頁巖組為城鎮(zhèn)地帶，多分布住宅用地，坡耕地面積小，分布零散；而白云巖組地勢起伏大的地方多為林地，平坦區(qū)域則多為住宅用地。

此外，黃壤作為花溪區(qū)地帶性土壤，土壤肥力條件較好，耐早保肥；石灰土作為喀斯特地區(qū)特有的土壤類型，土層較薄，透氣性好；而水稻土則是長期淹水種稻條件下形成的，土壤下層較為黏重，保水能力強；黃壤由于土壤肥力較好，因此適合作物生長，而石灰土的在花溪區(qū)的分布面積較大，水稻土區(qū)域本應為水田，但由于多方面原因，很多水田都改為旱地，因此花溪區(qū)坡耕地多為黃壤、石灰土和水稻土。

而通過對居民點做緩沖區(qū)分析發(fā)現，當耕作距離為50 m時，斑塊數量最多，當耕作距離為100 m時，斑塊平均面積最大，可能是因為在居民點周圍的坡耕地大多是自留地，可耕作面積較小，分布較為零碎，而當耕作距離逐漸增大時，可耕作的面積變大，土地逐漸成片被開墾，但耕作距離持續(xù)增大時，坡耕地又開始變得分散，是因為耕作距離越遠，播種和收割的難度越大，因此多為只需要簡單農具即可耕作的小面積耕地，由此說明居民點通過控制耕作距離對坡耕地的分布產生影響。

總體來說研究區(qū)坡耕地主要集中在麥坪、久安、金竹、湖潮、黨武、燕樓和石板，同時這些區(qū)域的坡耕地分布面積廣，分布也較為集中連片，出現這種現象主要有以下幾個方面的原因：(1)這幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均以傳統農業(yè)為主，區(qū)域內工業(yè)化程度較低，大部分人生活主要依靠耕作，因此坡耕地還承載著主要生產力；(2)這一片區(qū)域主要分布著石灰?guī)r和普通砂頁巖，土壤類型豐富，同時地勢較平坦，便于耕作；(3)居民點多且分布零散，因此農戶能夠最大程度的利用周邊的可利用地。

5 結 論

花溪區(qū)坡耕地在普通砂頁巖組和石灰?guī)r組上分布較為集中連片；坡耕地土壤主要為水稻土、石灰土和黃壤；下坡位坡耕地分布面積最大；而居民點對坡耕地分布具有一定的控制作用，通過控制耕作距離來影響坡耕地分布。

花溪區(qū)坡耕地呈現出“西部多東部少”的空間格局，是因為受巖性、土壤類型、地形和居民點的共同影響，其中久安、燕樓、湖潮、金竹、麥坪、石板和黨武為坡耕地集中連片分布區(qū)，這些區(qū)域存在潛在水土流失和產沙量增大的危害，在進行區(qū)域土地資源規(guī)劃和水土流失防治時應優(yōu)先考慮，同時對于高坡位坡耕地應更有針對性的進行管理，有效防止水土流失。