喀斯特山區耕地集約利用態勢及模式

趙楊茜+楊柳+楊鵬

摘要：以貴州省荔波縣為例，從投入強度、利用程度、產出效益和不持續利用狀況4個方面建立耕地集約利用評價體系，得出2010—2014年荔波縣耕地的集約利用態勢，并利用兩維圖論聚類法將荔波縣耕地集約利用情況劃分為3個圈層，根據不同區位特點提出生態旅游——多級循環耕地利用、高效節約型耕地利用和反哺型農業耕地利用3種模式，以期為今后荔波縣耕地發展提供參考。

關鍵詞：喀斯特山區；耕地集約利用；投入強度；利用程度；產出效益；可持續利用狀況；主成分分析

中圖分類號： F323.211文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0259-05

收稿日期：2017-02-28

基金項目：國家自然科學基金（編號：41401400）；貴州大學文科重大科研項目（編號：GDZT201305號）；貴州省科學技術基金（編號：黔科合J字[2012]2170號）；貴州大學引進人才科研基金[編號：貴大人基合字（2010）006號]；貴州省科技合作計劃（編號：黔科合LH字[2016]7469號）。

作者簡介：趙楊茜（1993—），女，云南大理人，碩士研究生，主要從事土地資源利用與保護研究。E-mail：1393802044@qq.com。

通信作者：楊柳，博士，副教授，主要從事土地利用與數據挖掘研究。E-mail：yang_whu.edu@163.com。耕地是人類生存的根本，保障耕地資源是保障糧食安全、國家穩定的堅實基礎，也是農民生活水平提升的關鍵。但隨著城鎮化、工業化的不斷推進，生態環境遭到破壞，生態環境相對脆弱的喀斯特地區的水土流失、土壤層變薄等環境問題更為尖銳。在新型城鎮化進程中，耕地保護與農業生產成為亟須解決的關鍵難題[1]。提高耕地集約利用度就是在保障環境壓力的同時實現可持續的最大化糧食產出[2-3]。現有的耕地集約利用研究中，多是集中在集約度評價、影響因素分析、分區研究等方面。杜國明等用壓力—狀態—響應框架（PSR）進行黑龍江省耕地集約利用評價，分析區域差異性[4]。劉玉等采用核密度曲線等對耕地集約利用評價結果進行時空上的深入研究[5]。鄧楚雄等采用遺傳算法的投影尋蹤模型對長株潭城市群進行時空評價[6]。倪超等用熵值法和變異系數法對黑龍江省耕地利用集約度時空進行評價[7]。本研究以貴州省荔波縣為例，分析2010—2014年耕地集約度的時空變化，建立喀斯特山區特色耕地集約利用的評價指標，通過兩維圖論聚類法進行耕地模式劃分，提出空間上集中連片的發展模式建議，對今后荔波縣耕地資源潛力的開發具有現實意義。

1研究區現狀分析

荔波縣位于貴州省南部，東北部與從江、榕江接壤，東部、南部與環江、南丹毗鄰，西部同獨山交界，北部與三都交界，土地總面積2 431.8 km2，年平均氣溫19.1 ℃，年總降水量 1 288.4 mm，縣域海拔在292～1 503 m之間，平均海拔 758.8 m，境內旅游資源豐富，有水春河峽谷景區、樟江風光帶、大七孔景區、小七孔景區等，景區目前已開發57個景點。地貌高低起伏，北高南低，山地面積占總面積的71.63%，丘陵面積占總面積的18.20%，平壩面積只占總面積的 10.17%，其中巖溶比較發育的石灰巖地區超過850 km2，喀斯特面積超過全縣面積的70%，其中無石漠化的只占20%左右，是喀斯特較復雜、分布廣、面積較大的巖溶山區之一。

縣域的耕地主要在海拔<1 000 m、坡度<25°的區域，以坡耕地為主。受歷史和地理因素影響，當地基礎設施薄弱，土地利用方式落后，農業發展緩慢，工業發展滯后，煤炭等資源的粗放開發，集約化程度低。隨著經濟的發展，個人建房用地的增多，城鎮、村落的不斷擴展，致使部分良田受損，同時石漠化水土流失造成耕地質量等級降低，許多地方“易澇易旱”，土地產出率低。截至2015年底，全縣農村還有51個貧困村、34 800 貧困人口，耕地是農民生存的根本，提高耕地的集約度，能進一步幫助農民提高收入，達到脫貧致富的目的。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源

本研究采用荔波縣2010—2014年土地利用變更數據，2010、2014年土地利用現狀圖，30 m×30 m分辨率的數字高程模型（DEM），2010—2014年的《荔波縣統計年鑒》《黔南州統計年鑒》《貴州省統計年鑒》、政府社會經濟公報等。

2.2耕地集約利用評價指標建立

耕地是一個復雜的生態系統，構建耕地集約利用評價指標體系要綜合考慮各個方面的系統功能。本研究根據集約利用的科學內涵，參考前人建立的耕地集約利用指標體系[4-6]，結合荔波縣的現狀，確立相應的指標體系。其中，評價指標體系分為3級，即目標層、準則層、指標層，耕地集約利用評價水平為目標層，投入強度、利用強度、產出強度和持續利用強度為準則層，選擇17個指標構成耕地集約利用的指標層（表1）。

表1中，農作物產量包括糧食作物產量、經濟作物產量和其他作物產量。根據《中國糧食問題》白皮書的預測，2033年前后中國人口將達到15億峰值，人均糧食消費量為400 kg/年，指標中采用2003年的人均糧食消費量計算糧食安全系數，人均糧食產量越高，糧食安全程度越高。表1耕地集約利用評價指標體系

目標層準則層變量標識指標層計算公式耕地集約利用耕地投入強度X1機械化動力投入農業機械總動力/耕地面積X2化肥投入化肥使用總量/耕地面積X3農藥投入農藥使用總量/耕地面積X4勞動力投入農業從業人口數/耕地面積耕地利用程度X5復種指數農作物總播種面積/耕地期末面積X6有效灌溉率有效灌溉面積/耕地面積X7地膜使用量X8糧食耕作面積占比糧食作物耕作面積/耕地面積耕地產出效益X9地均產糧糧食總產量/耕地總面積X10勞均產值種植業總產值/農業從業人口X11農民收入水平農民人均純收入X12農業產值比農業產值/總產值X13經濟作物面積占比經濟作物面積/總播種面積耕地可持續狀況X14人均耕地面積耕地總面積/總人口X15耕地平衡指數年末耕地總面積/年初耕地總面積X16安全系數人均實際糧食占有量/400 kgX17勞動力指數農村勞動力/總人口endprint

2.3主成分分析法

主成分分析法是通過將多指標綜合為較少指標的統計分析問題的方法[8]，具體步驟如下：（1）對數據進行標準化；（2）計算變量的簡單相關系數矩陣；（3）求相關系數矩陣的特征根和對應的單位特征向量；（4）計算各主成分的方差貢獻率及累積貢獻率；（5）根據貢獻率，選取主成分；（6）計算主成分的得分并進行分類和排序。

2.4兩維圖論聚類分析法

聚類分析是數理統計中研究“物以類聚”的一種方法，按照其性質的相似程度進行分類[9]。而本研究所用的兩維圖論聚類法以對區域耕地集約程度評價結果相似性為基礎，充分考慮評價單元的的可行性、迫切性等因素，保持空間上的連通性和行政區界的相對完整性，利用地理信息系統（GIS）的空間分析手段和圖論樹算法相結合進行耕地集約利用度的分類研究。

本研究以鄉（鎮）政府駐地經緯度坐標為評價單元的坐標，分析各點之間的空間位置，進行空間相關性分析，根據圖的幾何概念可知，圖是空間一些點與連接點的線集合，即G=（V，E），其中V表示點的集合，E是各單元鄰接關系的集合。若分區用無向圖來表示，則V是各評價單元的集合，E是各評價單元的鄰接關系集合，由于在考慮空間鄰接性的同時，更重要的是考慮各評價單元之間的內在相似性，因此分區需用加權連通圖來表示，即G=（V，E，D），其中D在圖論的樹算法中表示各點之間的權重，分區中采用分區單元間的鄰接關系來構造鄰接矩陣，采用各分區單元間的鄰接關系來構造鄰接矩陣 |D|，采用各分區單元間的鄰接關系來構造鄰接矩陣|E|。現在問題轉變為求加權連通圖G=（V，E，D）的合理割集，即首先采用圖論最小樹法求得1個最小生成樹，然后根據區內分異小、區間大的原則，選擇適當的A值，將最小生成樹分割成m個子樹，即將研究區域分成m個區域。

3結果與分析

3.1耕地利用時空特征

耕地主要分為水田、水澆地和旱地。從耕地總體數量上看，荔波縣整體耕地在2010—2014年得到了有效的保護。從圖1中可以看出，2010—2014年間耕地數量與人口的變化出現多次交叉，特別是2010—2011年間，人口在迅速增長時，耕地數量卻呈現下降趨勢。根據表2可以看出，2010—2014年間雖然耕地數量總量增加了75.47 hm2，但從耕地類型的變化看，減少的耕地類型以水田為主，占減少總量的75.41%，且減少的耕地數量主要流轉為城鎮村及工礦用地，其次是交通運輸用地，這與城鎮發展的需求相一致。同時，占新增耕地數量95.24%的旱地中85.67%都是由草地轉換而來的。從坡度耕地面積變化（表3）也可以看出，占用的耕地多是≤2°的壩田，而補充的耕地則多是6°～15°坡度區間的耕地，且從年份上可以看出，2012年當年大面積開始進行城鎮規劃建設，占用大量的優質耕地。綜上所述，2010—2014年間耕地數量總量增加，但耕地的總體質量呈下降趨勢，坡度平緩的水田等被大面積占用，耕地的類型卻逐漸向坡耕地轉換。

從空間上看，荔波縣耕地主要集中在西北部和中部區域，耕地面積最大的斑塊不到1 km2，最小的只有22 m2，平均值只有0.01 km2，零星耕地較多，耕地斑塊零散。在2010—2014年間，減少的耕地共有494個斑塊，主要分布在縣域中部的玉屏街道辦事處和左翼的小七孔鎮，其中減少的最大面積為0.1km2，最小的只有0.05m2，平均每個斑塊面積為

0003 km2，斑塊面積標準差達到8 639.88 m2。增加的耕地有40個斑塊，主要分布在縣域左上部的甲良鎮，其次是在右翼的茂蘭鎮和佳榮鎮，增加的斑塊最大面積為0.84 km2，最小為0.68 m2，平均每個斑塊面積0.066 km2，標準差為 166 599.20 m2（圖2）。由此可以看出，2010—2014年間，耕地減少的多為零星耕地，增加的多為成片的耕地。

表22010—2014年耕地量的轉移矩陣hm2

2010年地類2014年各地類面積水田面積園地林地草地城鎮村及工礦用地交通運輸用地水域及水利設施用地其他土地總計水田0-0.210.280.54-83.33-24.50-0.37-2.15-109.74水澆地0000-0.50000-0.50旱地-0.0216.256.69201.53-21.41-13.79-0.04-3.50185.71總計-0.0216.046.97202.07-105.24-38.29-0.41-5.6575.47注：表2中正值表示增加，負值表示減少。表3同。

3.2耕地集約利用態勢

從主成分分析的相關系數矩陣中得出，影響耕地集約利用的17個指標都存在不同程度的相關性，這說明它們之間有著因果必然性，這也是進行主成分分析的必要性。其中相關性較大的有X1與X2、X5、X11，X2與X5、X3，X3與X11，X9與X16，以上因子的相關性都大于0.950，最高達0.990。變量相關矩陣有4個最大特征值，即7.987、4.620、3.068、1.325，第一、第二、第三、第四主成分累積貢獻率達100%，所得的結果能夠對全部指標進行概括。主成分載荷表示主成分與變量之間的相關系數，其中第一主成分與X1、X2、X3、X4、X5、X9、X11、X13、X14和X16有較高的相關程度（表4）。

從評價結果可以看出，荔波縣2010—2014年耕地利用度逐漸提升，由粗放型向集約型轉變，但是整體轉變的速率較慢。從耕地集約度的4個方面分析可以看出，耕地的投入強度、產出效益與耕地整體集約度的變化保持一致，只有耕地的利用程度和可持續利用狀況在2010—2012年間有所波動（表5）。由于耕地農藥投入和化肥投入方面所占比重較大，勞力投入和電力投入所占比重相對較小，而集約化是利用勞動力、資本或技術投入替代土地以提高單位面積產出的過程，耕地集約度分為資本集約度和勞動集約度，資本集約度是指生產成本的投入，勞動集約度指人工成本的投入。由此可見，荔波縣大多是靠物質成本投入來提高糧食產量，人地矛盾突出且經濟發展相對落后地區的勞動集約度較高，資本集約度較低，省工性投入較少，增產性投入較多，區域間差異有增加趨勢，這也表明經濟落后是制約荔波縣農業發展的根本原因。endprint

3.3耕地集約利用整合分析

用主成分分析法對各個鄉鎮的耕地集約利用情況進行評價（表6），在DPS數據處理系統中，將荔波縣8個鄉鎮駐地經緯度坐標和各鄉鎮的集約利用度作橫向排列，得到二維數據表。選擇多元分析下的兩維圖論聚類工具，生成聚類圖。通過GIS軟件把圖中的點和線相互關系轉繪到地理空間位置上，再疊加到行政區劃圖數據層，得到荔波縣耕地集約利用時

圖3玉屏街道辦事處連接了3個鄉鎮，多于其他鄉鎮所連接點數，根據兩維圖論聚類的原理可知，玉屏街道辦事處的耕地集約利用度與直接連接的小七孔鎮、朝陽鎮和茂蘭鎮具有一定的相似性，但從耕地投入強度、利用程度、產出效益和可持續狀況的分值分析可知，茂蘭鎮的耕地集約度遠不如其他3個鄉鎮，反而與小七孔鎮相連的甲良鎮更有相似性，所以A圈層={甲良鎮、小七孔鎮、朝陽鎮、玉屏街道辦事處}，而剩余的4個鄉鎮根據兩維圖層聚類分析線分別分為B圈層={黎明關水族鄉、瑤山瑤族鄉}、C圈層={茂蘭鎮、佳榮鎮}。

4荔波縣耕地利用模式研究

4.1生態旅游——多級循環耕地利用模式

生態旅游——多級循環耕地集約利用模式是在充分利用自身資源優勢的基礎上，以生態旅游帶動為主，將現代化技術與傳統農業耕作充分融合，達到種植業、養殖業和林產業生物間物質和能量的循環利用， 最終通過合理的規劃管理和經營運作，實現生產、流通、商貿、休閑養老、文化旅游等為一體的現代化耕地集約利用模式。種植業是農業的基礎產業，在保障糧食安全的基礎上，可以通過推進木本油料、特色林果、林下經濟、竹藤、花卉等產業發展，實現更高的經濟價值，同時在生產過程中產生的副產品如桔梗、糠等經過加工，可以作為養

殖業的原料，養殖中產生的糞便、尿等經過多重發酵、處理，作為種植的肥料，實現生態循環種養模式。荔波縣A圈層的甲良鎮、小七孔鎮、朝陽鎮、玉屏街道辦事處正好處于大小七孔和漳江河為軸線的旅游中心區域，以周邊的淇江、觀音峰、水浦河、荔波古城、黃河江國家濕地公園等為連線，加強休閑農業聚集村、休閑農業園等配套服務設施建設，培育扶持休閑農業新型經營主體，促進農業與旅游觀光、健康養老等產業深度融合，可以實現A圈層整個區域“農旅結合，以農助旅，以旅促農”的目標。例如，荔波縣縣城西南2.5 km處犀牛湖打造的農家休閑、農事體驗、三農旅游、農業科普等項目生態田園景觀和山野風光為一體的觀光園，在實現人與自然協調發展的同時提升耕地的產出率。而相對農產品產出率低的區域如朝陽鎮腳村—拉柳一線通過花卉的種植可以提升單位土地產值，甲良鎮通過茶園、藍莓園、精品水果園等的規劃種植建立農業產業園，達到提升坡耕地產出效率的目的。

4.2高效節約型耕地利用模式

高效節約型耕地利用模式主要依賴節水灌溉改造技術、土地整理與復墾技術、坡改田、水土保持技術及小流域綜合治理技術等進行耕地的節約利用和合理發展。荔波縣B圈層的黎明關水族鄉和瑤山瑤族鄉主要以第一產業為主要生產經營方式，但該區域以山地為主，坡耕地占比大，且耕地等級比其他圈層略低，其中瑤山瑤族約80%耕地板塊面積都在

30 m2 左右，而黎明關水族鄉約80%在100 m2左右，耕地分布相對離散。同時區域內資源匱乏，災害頻繁，要保證該區域耕地的產值，就必須提高水、電、路等基礎設施建設，改變靠天吃飯的落后經營方式。根據當地的區域條件，進行耕地基礎設施改良，適當轉變傳統耕作方式，開展多元化的耕作模式。如發展瑤山鄉高橋村四季花海等農旅項目。

4.3反哺型農業耕地利用模式

反哺型農業耕地利用模式主要針對交通便利、其他產業發展較好的區域，充分運用當地豐富的礦產資源、水資源、森林資源等帶動農業發展，實現工業反哺農業或第三產業反哺農業的耕地發展模式。荔波縣C圈層中的茂蘭鎮相對其他鄉鎮，耕地質量較差，產量較低，但境內交通便捷，礦產資源豐富，煤炭資源探明儲存量近億噸。隨著工業的帶動、經濟實力的提升，耕地的整治也能逐步實現，耕地的質量提升為長期耕作提供了堅實的基礎。同時，建立以特色農產品加工、旅游商品和民族工藝品加工、承接東部輕工業轉移產業以及高新技術等產業為主導產業的園區，打開農業產品的市場，帶動當地農業生產的積極性。而C圈層的佳榮鎮樟江發源地的森林覆蓋率達80%，旅游資源豐富，如月亮山探險、甲料河谷風光帶、桫欏群、坤地村軍民相思洞，同時該區域城鎮建設及功能完善，市場商品交易繁榮，鎮域經濟發展潛力較大，城鎮化率達到48%。通過農田改造，開展農旅結合的產業模式，實現第三產業反哺農業的方式，從而提升了耕地集約度。

5結論

荔波縣耕地的質量等級整體不高，以坡耕地為主，2010—2014年間耕地數量有所增加，耕地集約度也得到提升，但整體水平還較低，各鄉鎮耕地集約度參差不齊，要提高荔波縣整體的耕地集約度，就要因地制宜，采取不同的耕地利用模式。本研究根據荔波縣現有的自然社會經濟現狀，進行3個圈層的劃分，提出生態旅游——多級循環耕地利用模式、高效節約型耕地利用模式和反哺型農業耕地利用模式3種模式，實現美化農業環境，耕地質量、農業基礎設施整體的提升，同時根據區域特色發展不同的耕地利用類型，進行適度規模化經營，提高人均耕作效率，實現耕地集約化利用，達到農民收入水平長久的提升。

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