喀斯特山區耕地損失空間分布規律及其影響因素研究

［KH－*3D］范婷，潘洪義*，崔綠葉，朱晚秋

(1．四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，四川成都610068;2．四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都610068)

喀斯特山區耕地損失空間分布規律及其影響因素研究

［KH－*3D］范婷1，2，潘洪義1，2*，崔綠葉1，2，朱晚秋1，2

(1．四川師范大學西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，四川成都610068;2．四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都610068)

耕地是保障人類生存和發展的基本條件，是土地資源中最重要的組成部分。本文利用凱里市2003年和2013年的遙感影像，基于Erdas和ArcGIS平臺，經過圖像分類、數字化以及空間數據疊加分析與統計，研究耕地損失在高程和坡度影響下的空間分布情況。結果表明:①凱里市海拔普遍較高，其土地利用/覆被變化主要發生在700～1000 m高程范圍內;而地形約束使其土地利用方式在5°～25°的坡度范圍內變化最大;②總體上耕地損失量占對應高程范圍總面積的比例隨著高程增加呈現出逐漸減少的趨勢;③隨著坡度增加耕地損失量呈現出先急劇增加而后急劇減少的態勢，在5°～15°坡度范圍內達到最大值。

喀斯特山區;土地利用變化;耕地損失;空間分布;凱里市

土地資源是城市建設和經濟發展的物質基礎［1］。在我國城市化發展速度不斷加快和社會經濟迅猛發展的影響下，土地利用結構不斷發生變化，而耕地作為區域土地利用的主體部分，其數量的動態消長，特別是耕地流失的問題受到政府和學術界的廣泛關注［2］。在一定時期和區域內保持一定數量的耕地，不僅關系著國家與地區的發展，也是保障土地安全、糧食安全乃至生態安全的前提［3－5］。目前，有學者立足于城市化背景，以遙感影像或統計數據為基礎分析耕地的數量、空間結構、轉移情況及其變化機制［5－9］;有報道從分析區域耕地變化出發定量研究耕地變化與人口、經濟發展、糧食生產乃至耕地相關政策之間的關系［10－13］;有學者則在分析耕地變化的基礎上進一步對未來一定時間的耕地面積、糧食產量、最小人均耕地面積以及耕地壓力指數等進行了預測［14－16］;同時也有學者對非農占用耕地的間接損失部分進行了估算［17］。綜合已有的研究成果，大多是從驅動力和相關關系著手來探討耕地變化，而從自然因素角度分析耕地損失空間分布的研究文獻鮮有出現。因此，本文選擇具有地域特色的喀斯特地貌區作為研究區域，通過提取損失耕地的空間分布及損失規模來研究不同高程和坡度對耕地的影響，以此揭示在城市化進程中喀斯特山區耕地損失的方向差異及其分布特征，以期為可持續利用管理耕地提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 研究區概況

凱里市是貴州省東部區域性中心城市，是黔東南苗族侗族自治州首府。地跨東經107°40'58″～108°12'09″，北緯26°24'13″～26°48'11″，處于云貴高原東側階梯狀大斜坡(向中部丘陵過渡地帶)的苗嶺山麓，清水江畔。屬中亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫16．1℃，年均降水量1243 mm。全市總面積約1556 km2，市轄5個街道、8個鎮、2個鄉。凱里是一個以苗、侗、漢族為主體的多民族聚居城市，其中少數民族占了總人口的74%。截至2013年，總人口達106萬，戶籍人口67萬。凱里資源豐富。森林覆蓋率達到53．28%;境內有清水江、重安江、巴拉河等大小河溪153條;主要礦藏有煤、鐵、鉛、鋅、鋁土礦、硅石巖等，其中硅石中二氧化硅含量高達98 %。

1．2 數據獲取與處理

本研究采用2003年與2013年的TM(30 m×30 m)遙感影像數據，在凱里市行政區劃圖和Google高清衛星地圖等數據資料的輔助下，以Erdas8．5和 ArcGIS10．1為軟件平臺進行數據處理。首先利用Erdas8．5對遙感影像進行預處理，然后參照輔助資料建立分類模板，進而對圖像進行監督分類。在研究區土地用途、利用方式和覆蓋特征的綜合影響下，將土地利用劃分為耕地、林地、水體、建設用地和其他用地5種類型。最后結合DEM數據運用Arc-GIS10．1對兩個時期的土地利用圖進行數字化與空間疊加統計。

圖1 凱里市高程分級Fig．1The grading map of elevation of Kaili

2 結果與分析

2．1 不同高程等級下土地利用變化綜合分析

凱里市的海拔普遍較高，為了能更好地反映高程對凱里市土地利用的影響，故根據其高程范圍制定凱里市高程分級標準:700 m以下為第一級，700～800 m為第二級，800～900 m為第三級，900～1000 m為第四級，1000 m以上為第五級。按照該標準對凱里市的DEM數據進行重分類(圖1)，并用ArcGIS統計凱里市在2003－2013年間在每一高程等級下的土地轉移面積、比例及主要轉移類型見表1。

表1 凱里市2003－2013年不同高程的土地轉移面積與變化Table 1Land transfer area and change of different elevation in Kaili from 2003 to 2013

凱里市在研究期間的土地利用/覆被變化主要發生在700～1000 m高程范圍內(表1)，而主要的轉移類型為林地轉其他用地和耕地、耕地轉其他用地和建設用地。具體來看，由于受地理位置及交通條件的影響，土地利用變化類型為耕地－建設用地的區域主要位于海拔較低的700～800 m高程范圍內，且大多屬于平緩的山谷地帶;而考慮到耕作的可行性以及農作物的產量，林地－耕地大部分則位于800～1000 m海拔區域，但由于可耕作面積的有限性，為滿足需求當地農民則只能向1000 m海拔以上的區域尋找耕地;耕地－其他用地在1000 m以下的各高程范圍內都廣泛分布，是地方征用耕地但尚未開發利用以及生態環境退化的共同結果;林地－其他用地的分布遍布全市，是凱里在研究區內土地利用變化最為活躍的一種類型。

因此，在800 m內高程對土地在耕地與建設用地之間變化的影響最大，其次是對林地、耕地和其他用地之間的影響。高程因影響氣壓、空氣密度和氣溫的變化，對人類生產生活所能到達的海拔高度具有決定性作用，使人類的活動和居住多分布在海拔較低、氣溫較高區域，故土地利用/覆被變化也主要在這高程范圍內發生。

2．2 不同高程等級下耕地損失分析

耕地是喀斯特山區尤為重要的一種土地資源。為了能更加充分地反映出高程對喀斯特山區土地利用變化的影響，故選取耕地作為研究對象，對耕地在2003－2013年間不同高程的損失情況進行了統計(表2)。

總體上看，凱里市耕地損失量占比隨著高程增加呈現出逐漸減少的趨勢，這反映出凱里市的大多數人類活動都集中在高程低的區域。當高程超過800 m后，由于人口分布稀少以及改變難度加大，耕地損失數量急劇減少。

從在不同高程影響下損失耕地向不同地類的轉化量及其空間分布來看，轉建設用地的區域主要集中在高程＜800 m范圍(圖2)，占比達到74．02%。在600～650 m內耕地損失于建設用地的面積達最大值，占該高程范圍耕地總面積的32．6%，主要分布在主城區向西南方向鴨塘鎮延伸的干道上，“凱麻同城化”的推進及所帶來的輻射效應是使建設用地沿著320國道擴展的主導力量。在650～850 m高程區間耕地轉建設用地數量逐漸減小，零星分布于凱開大道兩側以及市下轄的鄉鎮。而在850～950 m的區間又出現折點是由于在近10年間三棵樹鎮與爐山鎮通過占用耕地來大力發展區域經濟出現的結果。耕地轉林地零星分布于整個市域內(圖3)，除在800～850、950～1000 m區間發生小幅突變外，在＜1150 m范圍內變化都比較和緩，劇烈變化主要集中發生在＞1150 m范圍，變化面積占該區域耕地總面積的75．43%，充分反映了喀斯特山區在低海拔地域以及隨著高程增加地形變陡利用強度減小而出現的生態退耕現象。耕地轉其他用地在＜550 m和＞1250 m 2個極端高程區轉化面積比例較大(圖4)，主要是由于該范圍的耕地面積本身較小造成的;在550～1250 m內耕地轉為其他用地的變化平緩，且其間主要表現為大面積經過削峰填谷后待開發的裸地和少部分質量較低的棄耕地。

表2 凱里市2003－2013年不同高程的耕地損失情況Table 2The situation of loss of cultivated land at different elevations in Kaili from 2003 to 2013

圖2 不同高程下耕地轉建設用地面積占比及空間分布Fig．2The proportion of cultivated land converted into construction land and spatial distribution map under different elevation

圖3 不同高程下耕地轉林地面積占比及空間分布Fig．3The proportion of cultivated land converted into forest and spatial distribution map under different elevation

圖4 不同高程下耕地轉其他用地面積占比及空間分布Fig．4The proportion of cultivated land converted into other land and spatial distribution map under different elevation

2．3 不同坡度等級下土地利用變化綜合分析

根據凱里市的坡度范圍將其分為五個等級，具體分級標準為:小于5°為第一級，5°～15°為第二級，16°～25°為第三級，26°～35°為第四級，35°以上為第五級。按照該標準對凱里市的坡度進行重分類(圖5)，并進一步統計凱里市在2003－2013年間在每一坡度等級下的土地轉移面積、比例及主要轉移類型(表3)。

圖5 凱里市坡度分級Fig．5The grading map of slope of Kaili

表3 凱里市2003－2013年不同坡度等級的土地轉移面積與變化Table 3Land transfer area and change of different slope in Kaili from 2003 to 2013

研究區在2003－2013年間土地利用/覆被變化在5°～25°的坡度范圍內變化最大，在小于5°以及26°～35°的范圍內次之，而在坡度達35°以上區域變化最小。坡度小于5°區域主要發生的是耕地－建設用地的變化，在坡度5°～35°區域內是林地、耕地、其他用地之間的交互變化，而坡度在35°以上則變化甚小。表明在0°～35°范圍內坡度因子主要影響土地利用/覆被在耕地、建設用地、林地以及其他用地之間的變化，就耕地－建設用地這一變化來說，結合凱里自身的發展實際，一個位于“地無三尺平”的山區并正處于城市化大力發展階段的城市，亟需占用大量坡度小的土地來滿足整個城市的發展需求，因而坡度在0°～15°范圍內的平坦地區發生土地利用變化現象尤為明顯。

2．4 不同坡度等級下耕地損失分析

總體上看，凱里市耕地損失量隨著坡度增加呈現出先急劇增加而后急劇減少的趨勢(表4)，而其占比呈現出先減少后增加的現象。在5°～15°坡度范圍內耕地損失面積達到最大值，同時＜5°區域耕地損失面積所占比例最大，表明凱里市的人類活動大多都集中于＜15°坡度范圍。

從在不同坡度影響下損失耕地向不同地類的轉化量及其空間分布來看，轉建設用地所占比例隨著坡度增加逐漸下降(圖6)，在坡度5°～15°范圍內耕地轉為建設用地的面積最多達4856．24 hm2，其中的4185 hm2都集中位于10°～15°坡度范圍，當坡度大于26°后，耕地轉建設用地的規模極小甚至為0，反映出喀斯特山區地形對區域建設的嚴重阻礙作用。發生轉移變化的區域主要分布在凱里城區以及在地方政府扶持下大力發展的鴨塘、三棵樹以及爐山鎮。耕地轉林地在空間上零星分布于整個市域(圖7)，由于坡度15°以下區域是喀斯特山區人為活動的活躍地帶且隨坡度增加耕地本身面積增加，故使得耕地轉林地的面積較小且所占比例逐漸減小，當坡度大于15°后，隨著人類作用強度減弱，耕地自然轉林地的比例也逐漸增大，當坡度達30°后耕地轉林地的比例高達31．81%。耕地轉其他用地主要分布在研究區的東北部(圖8)，且集中于坡度15°以下，面積多達7718．84 hm2，占該坡度區耕地總面積的32．13%。從以上折線圖可以看出在＜30°坡度范圍內耕地轉其他用地占比不斷增大，而當大于30°后占比便大幅降低且主要以無法利用的山間裸地形式存在。

表4 凱里市2003－2013年不同坡度的耕地損失情況Table 4The situation of loss of cultivated land at different slope in Kaili from 2003 to 2013

圖6 不同坡度下耕地轉建設用地面積占比及空間分布Fig．6The proportion of cultivated land converted into construction land and spatial distribution map under different slope

圖7 不同坡度下耕地轉林地面積占比及空間分布Fig．7The proportion of cultivated land converted into forest and spatial distribution map under different slope

圖8 不同坡度下耕地轉其他用地面積占比及空間分布Fig．8The proportion of cultivated land converted into other land and spatial distribution map under different slope

3 討論與結論

本文以凱里市作為研究區域，在2003年與2013年遙感影像以及DEM數據的基礎上，運用Erdas8．5和ArcGIS10．1進行圖像分類、數字化處理以及空間數據疊加分析與統計，分析在高程和坡度等因素影響下耕地損失的空間分布特征。

(1)凱里市位于喀斯特地貌區，海拔與坡度對土地利用有著重大影響。凱里市的海拔普遍較高，土地利用/覆被變化主要發生在700～1000 m高程范圍內，其間轉移類型主要為林地轉其他用地和耕地、耕地轉其他用地和建設用地。其中耕地－建設用地大多分布于平緩的700～800 m高程范圍內，林地－耕地大部分位于800～1000 m海拔區域，耕地－其他用地在1000 m以下的各高程范圍內都廣泛分布，而林地－其他用地的分布則遍至全市。而10年間土地利用方式在5°～25°的坡度范圍內變化最大，＜5°以及26°～35°范圍內的變化次之，在坡度＞35°區域變化最小，且變化大多都是耕地、林地、建設用地和其他用地之間的交互轉化。

(2)凱里市耕地損失量占比隨著高程增加呈現出逐漸減少的趨勢，耕地損失轉為建設用地的區域集中在高程＜800 m范圍，且在600～650 m間達最大值;耕地轉林地在＜1150 m范圍內變化都比較和緩，劇烈變化主要集中發生在＞1150 m區域;耕地轉其他用地在＜550 m和＞1250 m兩個極端高程區轉化面積比例較大，在550～1250 m內變化平緩。

(3)凱里市耕地損失量隨著坡度增加呈現出先急劇增加而后急劇減少的趨勢，在5°～15°坡度范圍內達到最大值。轉建設用地所占比例隨著坡度增加逐漸下降，在坡度5°～15°范圍內耕地轉建設用地的面積最多且其間高度集中于10°～15°坡度范圍，大于26°后轉移規模極小甚至為0;耕地轉林地在空間上零星分布于整個市域，坡度15°以下轉移面積較小，當大于15°后耕地自然轉林地的比例逐漸增大，當坡度達30°后耕地轉林地的比例高達31．81%;耕地轉其他用地主要分布在東北部且集中于坡度15°以下，在＜30°坡度范圍內耕地轉其他用地占比不斷增大，而30°后便迅速降低。

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(責任編輯 李潔)

Study on Spatial Distribution Law and Its Affecting Factors of Loss of Cultivated Land in Karst Mountains

FAN Ting1，2，PAN Hong-yi1，2*，CUI Lv-ye1，2，ZHU Wan-qiu1，2
(1．Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest，Ministry of Education，Sichuan Normal University，Sichuan Chengdu 610068，China;2．Geography and Resources Science College，Sichuan Chengdu 610068，China)

As the most important constitutional part of land resources，cultivated land guaranteed the survival and the development of human race．The spatial distribution of cultivated land loss under the influence of elevation and slope was analyzed，using digital image classification techniques and the results of overlaying spatial data based on Erdas and ArcGIS，with the remote sensing images of the city of Kaili in 2003 and 2013．The main results were shown as below:(i)As the altitude of Kaili was high，the change of land use/cover occurred mainly in the elevation range of 700－1000 meters．While the way of land use had great change in the slope range of 5°to 25°with terrain constraints．(ii)On the whole，the proportion of cultivated land loss taking up the corresponding total area in the elevation range presented a trend of decreasing with elevation increasing．(iii)With the increase of slope，the amount of cultivated land loss shows a tendency of increasing sharply at first and then decreasing dramatically．And cultivated land loss reached a maximum value within the slope range of 5°to 15°．

Karst mountains;Land use change;Loss of cultivated land;Spatial distribution;Kaili

F301．2

A

1001－4829(2017)1－0162－07

10．16213/j．cnki．scjas．2017．1．028

2016－02－12

國家自然科學基金(41371125);四川省教育廳課題(16ZB0061)

范婷(1993－)，女，四川西充人，碩士研究生，主要從事土地利用與評價研究，E-mail:fanting93@163．com，*為通訊作者:潘洪義，副教授，主要從事土地利用與評價研究，E-mail:panhongyi80@163．com。