江 翀，張其成

（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098）

隨著當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，耕地作為人類生存最基本的生產(chǎn)資料，其與建設(shè)用地之間的矛盾不斷激化［1-3］，耕地質(zhì)量的降低與數(shù)量的減少在所難免［4］，提高耕地資源的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)保障地區(qū)人口承載力和可持續(xù)發(fā)展的能力具有重要意義［5，6］。與平原地區(qū)不同，山區(qū)發(fā)展受地形條件影響較大，從聚居地的產(chǎn)生、城鎮(zhèn)空間的拓展到最后區(qū)域用地格局的形成，地形因素特別是坡度起到了至關(guān)重要的作用［7，8］。因此，進(jìn)行山區(qū)的人地關(guān)系研究時(shí)重點(diǎn)關(guān)注地形條件，更容易抓住山區(qū)發(fā)展的脈絡(luò)，在此基礎(chǔ)上能夠?yàn)榈貐^(qū)發(fā)展提供對(duì)策［9］。

耕地資源的時(shí)空演化分析一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，相關(guān)研究主要包括分析耕地資源數(shù)量、質(zhì)量和空間格局的動(dòng)態(tài)變化［10，11］，通過引入相關(guān)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、自然地理?xiàng)l件、景觀格局指數(shù)等維度指標(biāo)，全方位地進(jìn)行耕地資源演化特征和趨勢(shì)的分析［12，13］，并深入探討了耕地資源動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。相關(guān)研究一般集中在全國(guó)、省、市級(jí)等大、中尺度范圍［14-17］，在小尺度范圍內(nèi)進(jìn)行耕地資源的時(shí)空演化分析并結(jié)合現(xiàn)狀條件分析能夠更加有效地提出具有針對(duì)性的區(qū)域耕地資源優(yōu)化對(duì)策［18］。

康縣作為典型的山地丘陵地區(qū)，區(qū)域發(fā)展的關(guān)鍵是處理好不同地形條件下耕地與其他用地的關(guān)系。本研究以甘肅省隴南市康縣為例，基于1985—2020 年的土地利用數(shù)據(jù)，通過對(duì)耕地資源的時(shí)空演化分析，揭示了耕地資源的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上選取2020 年的土地利用數(shù)據(jù)，耦合資源配置情況和坡耕地特征指數(shù)兩方面條件對(duì)耕地資源的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并針對(duì)不同類型區(qū)域提出了耕地資源優(yōu)化策略，以期為康縣土地資源規(guī)劃、水土保持工作提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

康縣隸屬甘肅省隴南市，位于甘肅省東南部，處于甘肅、四川、陜西三省交界地帶?？悼h總面積為2 967.29 km2，截至2020 年總?cè)丝跒?3.68 萬人。康縣屬亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，境內(nèi)溫和濕潤(rùn)，雨量充沛。全境處西秦嶺南側(cè)隴南山中，地質(zhì)構(gòu)造為昆侖秦嶺地槽褶皺地帶，地勢(shì)西高東低，中部高、南北低，最高海拔為2 436 m，最低海拔為579 m。

1.2 數(shù)據(jù)來源

基于1985—2020 年GLC_FCS30 土地利用數(shù)據(jù)（1985 年、1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010年、2015 年、2020 年共8 期），結(jié)合康縣的土地利用現(xiàn)狀矢量圖人工校驗(yàn)，進(jìn)行研究區(qū)用地動(dòng)態(tài)變化研究，并對(duì)研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出耕地資源的優(yōu)化建議。其中，多年土地利用數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，康縣土地利用現(xiàn)狀矢量圖來源于康縣相關(guān)政府部門，DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云。

2 研究方法

基于康縣多期土地利用數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分別采取土地轉(zhuǎn)移矩陣、耕地利用動(dòng)態(tài)度和核密度分析法進(jìn)行研究區(qū)耕地資源的時(shí)空演化分析，在此基礎(chǔ)上以網(wǎng)格法耦合分析不同單元的耕地資源配置情況和耕作難度現(xiàn)狀，并提出了研究區(qū)的耕地資源優(yōu)化策略。

2.1 土地轉(zhuǎn)移矩陣

通過疊加分析研究區(qū)兩期土地利用數(shù)據(jù)能夠得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，該矩陣能夠表示一定區(qū)域在特定時(shí)間段不同土地利用類型之間轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的數(shù)量，揭示區(qū)域土地利用格局的演化特征［19］。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如式（1）所示。

式中，S表示不同類型的土地面積；n表示統(tǒng)計(jì)土地利用類型總數(shù)；i、j分別代表不同的土地利用類型。

2.2 耕地利用動(dòng)態(tài)度

耕地利用動(dòng)態(tài)度能夠表征一定區(qū)域內(nèi)耕地動(dòng)態(tài)變化的強(qiáng)度大小，本研究分別計(jì)算了每隔5 年研究區(qū)內(nèi)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)和不同網(wǎng)格單元內(nèi)的耕地利用動(dòng)態(tài)度，耕地利用動(dòng)態(tài)度計(jì)算式如式（2）所示。

式中，Aa、Ab分別為研究初期a及研究末期b的土地利用類型面積；T為研究時(shí)段末期和初期間隔時(shí)間。

2.3 核密度分析法

核密度估計(jì)是一個(gè)基于已有樣本生成一個(gè)平滑密度曲線的非參數(shù)方法。首先以1 km×1 km 的網(wǎng)格為統(tǒng)計(jì)單元來區(qū)分每隔5 年耕地?cái)?shù)量變化的區(qū)域，并綜合考慮變化量和變化幅度，分為耕地增加和減少兩大類進(jìn)行核密度分析，將研究期間內(nèi)不同地區(qū)的耕地資源變化趨勢(shì)可視化，變化幅度越大的地區(qū)所得到的值越大，計(jì)算式如式（3）所示。

式中，f（x，y）為區(qū)域（x，y）的核密度值；h為帶寬；n為點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)的耕地動(dòng)態(tài)度賦值；k為核函數(shù)；di為區(qū)域（x，y）距已知存在耕地變化的區(qū)域i的距離。

2.4 聚耕比指數(shù)

聚耕比指數(shù)是一個(gè)區(qū)域聚落、耕地之間數(shù)量關(guān)系的直觀反映，同時(shí)是一個(gè)區(qū)域內(nèi)人地矛盾關(guān)系的體現(xiàn)［20］，其計(jì)算式如式（4）所示。

式中，J為區(qū)域的聚耕比指數(shù)；S聚為區(qū)域內(nèi)的聚落面積；S耕為區(qū)域內(nèi)的耕地面積。

2.5 坡耕地特征指數(shù)

坡耕地特征指數(shù)可反映坡耕地坡度大小和開發(fā)利用的難易程度，其值越大表明坡耕地坡度越大，開發(fā)利用及治理越難，計(jì)算式如式（5）所示。

式中，Si為第i類坡度特征的坡耕地面積，坡耕地坡度特征此處按［6°，15°）、［15°，25°）、≥25°三級(jí)分別統(tǒng)計(jì)；S為坡耕地總面積；wi為不同坡度特征類型權(quán)重，根據(jù)相關(guān)研究［21］，分別把［6°，15°）、［15°，25°）、≥25°坡度特征值的權(quán)重設(shè)定為0.1、0.3、0.6。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地資源時(shí)空演化分析

3.1.1 研究區(qū)整體變化特征

1）數(shù)量和坡度變化。基于8 期土地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行康縣的用地動(dòng)態(tài)變化研究，并通過ArcGIS 軟件統(tǒng)計(jì)不同年份下不同類型地塊的面積和平均坡度。結(jié)果顯示（圖1），耕地面積最大值為1985 年的524.74 km2，最小值為2020 年的212.65 km2，總體上呈減小趨勢(shì)，1995—2000 年變化幅度最大，約減小了50%的耕地面積，主要原因是1999 年甘肅作為試點(diǎn)推廣了退耕還林政策；同時(shí)耕地地塊的平均坡度呈降低趨勢(shì)，由1985 年最大值的19.09°降低為2020 的16.34°，突變值同樣出現(xiàn)在2000 年。

圖1 耕地面積和平均坡度多年變化

2）土地轉(zhuǎn)移特征。選擇1985 年和2020 年兩期土地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行康縣的土地轉(zhuǎn)移特征分析，經(jīng)由Arc-GIS 軟件對(duì)兩期的土地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到的土地轉(zhuǎn)移矩陣如表1 所示。1985—2020 年，耕地資源主要轉(zhuǎn)出為林地，有321.22 km2的耕地轉(zhuǎn)化為林地，轉(zhuǎn)化為耕地的土地利用類型主要為建設(shè)用地和林地，有3.57 km2建設(shè)用地和38.48 km2的林地轉(zhuǎn)化為耕地。轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的主要為耕地和林地，說明康縣城鄉(xiāng)空間的拓展主要侵占了耕地和林地資源。

表1 1985—2020 年康縣土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

3.1.2 時(shí)空變化特征

1）坡度結(jié)構(gòu)變化特征。按照［0°，6°）、［6°，15°）、［15°，25°）、≥25°的坡度劃分標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)內(nèi)的耕地資源分為4 類，并分別統(tǒng)計(jì)不同年份下耕地資源的坡度構(gòu)成。結(jié)果（圖2）顯示，［0°，6°）的耕地總體數(shù)量變化不大，略有減少，15°及以上的耕地資源總量減少最大，其中［15°，25°）的耕地變化程度最大，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為1999 年的退耕還林政策實(shí)施，2000年的15°及以上的耕地?cái)?shù)量大幅減少，2000—2020年的耕地總體數(shù)量變化不大，趨于穩(wěn)定。

圖2 耕地坡度分級(jí)特征變化

2）耕地變化的空間分異分析。以100 m×100 m的網(wǎng)格為最小單元統(tǒng)計(jì)1985—2020 年每隔5 年不同網(wǎng)格內(nèi)的耕地變化，將結(jié)果分為無變化、耕地減少、耕地增加3 類，并通過ArcGIS 軟件可視化顯示（圖3）。同時(shí)將其中的耕地減少和耕地增加的網(wǎng)格分別進(jìn)行基于耕地利用動(dòng)態(tài)度的核密度分析，以此來分析研究期限內(nèi)不同地區(qū)耕地資源變化的趨向性和劇烈程度。核密度分析的結(jié)果顯示，耕地資源增加頻率和幅度最大的地區(qū)主要分布在研究區(qū)東南部的白楊鎮(zhèn)、兩河鎮(zhèn)和銅錢鎮(zhèn)與西南部的三河壩鎮(zhèn)和店子鄉(xiāng)，同時(shí)大堡鎮(zhèn)、長(zhǎng)壩鎮(zhèn)和城關(guān)鎮(zhèn)的接壤地區(qū)耕地增加的頻率和幅度較大（圖4a）；耕地資源減少頻率和幅度最大的地區(qū)主要分布在研究區(qū)東北部的大堡鎮(zhèn)、云臺(tái)鎮(zhèn)、大南峪鎮(zhèn)和王壩鎮(zhèn)以及中部的岸門口鎮(zhèn)和三河壩鎮(zhèn)（圖4b）。其主要原因是康縣北部的耕地資源較多，該地的耕地在地區(qū)發(fā)展的過程中因退耕還林、耕作難度和城鎮(zhèn)空間拓展等因素逐漸轉(zhuǎn)化為其他用地；康縣南部地區(qū)的耕地?cái)?shù)量較少，同時(shí)因?yàn)槌擎?zhèn)發(fā)展帶來的地區(qū)可達(dá)性的提高，有不少耕地的開墾，但總體上退耕還林的面積要大于耕地增加的面積。

圖3 單位時(shí)間內(nèi)研究區(qū)耕地變化空間分異

圖4 研究區(qū)耕地變化核密度分析

3）不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地變化分析。1985—2020 年面積變化量最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為云臺(tái)鎮(zhèn)，減少了40.03 km2，變化量最小的為店子鄉(xiāng)，增加了0.10 km2（圖5a）；變化程度最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為大南峪鎮(zhèn)，耕地動(dòng)態(tài)度為2.30%/年，最小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為店子鄉(xiāng)，動(dòng)態(tài)度為0.07%/年（圖5b）。從空間位置來看，北部的周家壩鎮(zhèn)、長(zhǎng)壩鎮(zhèn)、大堡鎮(zhèn)、云臺(tái)鎮(zhèn)和大南峪鎮(zhèn)的耕地變化量較大，中部和南部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化量較小，東北部的耕地變化程度最大，東南部的變化程度次之；以店子鄉(xiāng)為主的地區(qū)耕地資源變化較小。

圖5 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積變化和動(dòng)態(tài)度

3.2 耕地資源優(yōu)化分析

3.2.1 資源配置分析 聚耕比指數(shù)能夠表征不同地區(qū)的耕地資源配置現(xiàn)狀，且能夠反映各統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)的耕地資源和人地矛盾問題。根據(jù)世界人均建設(shè)用地與人均耕地面積的比值（0.04）和中國(guó)人均建設(shè)用地與世界人均耕地警戒線比值（0.28），將聚耕比指數(shù)J劃分為<0.04、0.04~0.28、≥0.28 三個(gè)范圍［22］，分別代表耕地資源富余地區(qū)、人口耕地資源協(xié)調(diào)地區(qū)、耕地資源緊缺地區(qū)。以1 km×1 km 的網(wǎng)格為統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行可視化分析，結(jié)果如圖6a 顯示，耕地資源較為緊缺地區(qū)主要分布在研究區(qū)北部的城關(guān)鎮(zhèn)、云臺(tái)鎮(zhèn)和大南峪鎮(zhèn)以及南部的銅錢鎮(zhèn)和陽壩鎮(zhèn)，耕地資源協(xié)調(diào)區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和東南部，耕地資源富余區(qū)分布較少。整體上研究區(qū)內(nèi)耕地資源配置情況空間差異較大，仍有不少耕地資源緊缺的地區(qū)，因此康縣的耕地資源優(yōu)化對(duì)策需要考慮耕地資源的配置情況。

圖6 耕地資源耦合分析

3.2.2 耕作難度分析 通過計(jì)算不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的坡耕地特征指數(shù)，以此來進(jìn)行研究區(qū)的耕作難度分析，通過自然斷點(diǎn)法將所有網(wǎng)格的坡耕地劃分為耕作難度低、適中和高3 個(gè)等級(jí)，結(jié)果如圖6b 顯示。耕作難度高和適中的地區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和東南部，耕作難度低的地區(qū)主要分布在研究區(qū)中部和南部。耕作難度直接影響了農(nóng)耕業(yè)的效率，因此為了最大化利用土地資源，對(duì)區(qū)域的耕地資源進(jìn)行優(yōu)化時(shí)需要考慮耕地的耕作難度。

3.2.3 耕地資源優(yōu)化 綜合分析耕地資源配置和耕作難易度，耦合兩者結(jié)果得到研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地資源優(yōu)化類型，將研究區(qū)內(nèi)的土地單元分為耕地限制、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、退耕還林、集約利用、耕地保護(hù)共5類，結(jié)果如圖6c 所示。耕地限制區(qū)的林地分布較多，坡度較大，耕作適宜性較低，需要對(duì)耕地開墾做出一定的限制，主要分布在研究區(qū)的南部；退耕還林區(qū)現(xiàn)有耕地的耕作難度較大，需要轉(zhuǎn)化一部分不適宜耕作的耕地，主要分布在西北部的平洛鎮(zhèn)和東南部的陽壩鎮(zhèn)；產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型區(qū)的耕地資源緊張，并且耕作難度較大，可以進(jìn)行農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，以農(nóng)旅結(jié)合的形式發(fā)展園地為主的其他農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，主要分布在東南部的陽壩鎮(zhèn)和銅錢鎮(zhèn)；集約利用區(qū)的耕地資源配置較為合理，耕作難度適中，可以通過積極轉(zhuǎn)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和經(jīng)營(yíng)模式來提高經(jīng)濟(jì)效益，主要分布在研究區(qū)的北部；耕地保護(hù)區(qū)的耕地適宜性較高，需要避免其他類型用地對(duì)耕地的侵占，主要分布在研究區(qū)東北部的云臺(tái)鎮(zhèn)、大南峪鎮(zhèn)，中部的碾壩鎮(zhèn)和城關(guān)鎮(zhèn)以及東南部的銅錢鎮(zhèn)和陽壩鎮(zhèn)。從面積上看，其中耕地限制區(qū)最多，涵蓋1 065 個(gè)網(wǎng)格，占整個(gè)研究區(qū)的33.27%，最少的為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型區(qū)，共計(jì)79 個(gè)網(wǎng)格單元，占研究區(qū)的2.47%（表2）。

表2 耕地資源優(yōu)化分類標(biāo)準(zhǔn)

4 小結(jié)與討論

本研究基于隴南市康縣1985—2020 年土地利用數(shù)據(jù)，對(duì)康縣耕地的多年演化特征和現(xiàn)狀條件進(jìn)行分析，在揭示研究期內(nèi)耕地資源時(shí)空分異特征和驅(qū)動(dòng)力因子的基礎(chǔ)上，對(duì)康縣耕地資源的分配和耕作難度進(jìn)行耦合分析，得到主要結(jié)果如下。

1）總體上康縣耕地面積減少，平均坡度降低，耕地資源主要轉(zhuǎn)出為林地，轉(zhuǎn)化為耕地的土地利用類型主要為建設(shè)用地和林地，同時(shí)轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的主要為耕地和林地。

2）從不同坡度分級(jí)來看研究區(qū)耕地的動(dòng)態(tài)變化，［0°，6°）的耕地總體數(shù)量變化不大，15°及以上的耕地資源總量減少最大，其中［15°，25°）的耕地變化程度最大，1995—2000 年坡度在15°及以上的耕地?cái)?shù)量大幅減少，2000—2020 年的耕地總體數(shù)量變化不大，趨于穩(wěn)定。

3）耕地資源減少頻率和幅度最大的地區(qū)主要分布在研究區(qū)的東北部以及中部；耕地資源增加頻率和幅度最大的地區(qū)主要分布在研究區(qū)的東南部與西南部。在研究年限內(nèi)，面積變化量最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為云臺(tái)鎮(zhèn)，變化量最小的為店子鄉(xiāng)，變化程度最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為大南峪鎮(zhèn)，最小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為店子鄉(xiāng)。從空間位置來看，北部的耕地變化量較大，中部和南部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)變化量較?。粬|北部的耕地變化程度最大，東南部的變化程度次之，以店子鄉(xiāng)為主的地區(qū)耕地資源變化較小。

4）綜合聚耕比指數(shù)、坡耕地特征指數(shù)對(duì)康縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行耕地發(fā)展類型劃分，耕地資源較為緊缺地區(qū)主要分布在研究區(qū)北部的城關(guān)鎮(zhèn)、云臺(tái)鎮(zhèn)和大南峪鎮(zhèn)以及南部的銅錢鎮(zhèn)和陽壩鎮(zhèn)，耕地資源協(xié)調(diào)區(qū)主要分布在研究區(qū)北部和東南部，耕地資源富余區(qū)分布較少；耕作難度高和適中的地區(qū)主要分布在研究區(qū)的北部和東南部，耕作難度低的地區(qū)主要分布在研究區(qū)的中部和南部。綜合分析耕地資源配置和耕作難易度，耦合二者結(jié)果得到研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地資源優(yōu)化類型，將研究區(qū)內(nèi)的土地單元分為耕地限制、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、退耕還林、集約利用、耕地保護(hù)共5類，從面積上看，耕地限制區(qū)最多，最少的為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型區(qū)。

本研究通過對(duì)康縣耕地資源時(shí)空分布規(guī)律的分析，深入探討了康縣土地資源配置的現(xiàn)狀及成因，以期為康縣未來的山區(qū)發(fā)展以及土地利用規(guī)劃提供參考。在當(dāng)前中國(guó)實(shí)行最嚴(yán)格耕地保護(hù)制度的大背景下，康縣在未來的區(qū)域發(fā)展中，要著重關(guān)注耕地與其他用地之間的關(guān)系，在守住耕地紅線的同時(shí)要合理劃分土地資源，在坡度較大的區(qū)域?qū)嵤┩烁€林，在地勢(shì)平坦的地區(qū)將利用效率低的建設(shè)用地重新劃分為耕地［23］。同時(shí)康縣應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮自身的資源優(yōu)勢(shì)，依據(jù)本地的地形條件合理分配土地資源，在整體坡度偏小的北部區(qū)域，如長(zhǎng)壩鎮(zhèn)、大堡鎮(zhèn)、云臺(tái)鎮(zhèn)等地區(qū)，發(fā)展以耕地為主的傳統(tǒng)農(nóng)耕業(yè)，在坡度較大的南部地區(qū)，例如陽壩鎮(zhèn)、銅錢鎮(zhèn)等地區(qū)，發(fā)展以山區(qū)園地、林地為主的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。