基于GIS的元陽梯田空間分布及其自然要素分異研究

劉 敬, 劉澄靜, 角媛梅, 劉志林, 許漢華,

張 華3, 趙冬梅1, 吳常潤1, 馮志娟1, 劉 歡1

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 昆明 650500;2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司, 昆明 650051; 3.云南省地質環境監測院, 昆明 650216)

梯田是廣泛存在于世界山地地區的農業耕種模式之一，不同地區的梯田形成歷史和影響因素不同。舉世聞名的元陽梯田，是我國西南山區少數民族農耕文明的典型代表。作為耕地資源的一種，梯田為哈尼先民繁衍、生存提供了堅實保障；但在工業化、城鎮化過程中，這種耕地資源不可避免被占用[1-2]，其完整性不斷受到破壞。因此弄清楚梯田空間分布、明晰其自然影響因素而有針對性進行保護，對更好傳承梯田農耕文明、有效維系稻作梯田的完整性、以及保持稻作梯田靈動多變的景觀格局具有重要意義。在耕地空間分布方面，陳丹等[3]從居民點、公路、農村道路和水域4個要素進行了研究；何昌華等[4]則從距離和地形兩個因素進行了探討；目前對于梯田這一特殊耕地的空間分布，劉宗濱等[5]以紅河(南部四縣)哈尼梯田為對象從地形因子進行了研究；以元陽梯田為對象目前較少，在元陽梯田形成的自然因素方面，陳燕[6]、劉衛紅[7]、角媛梅等[8-9]學者從地形地貌、氣候植被以及土壤水文方面進行了定性研究；在自然因素對元陽梯田空間分布的影響研究方面，只有王妍[10]、張超[11]等從地形因子出發進行了遙感識別分析，其他影響因子的研究未見報道。本文還選取除地形外巖性、土壤為研究因子，綜合運用ArcGIS空間分析技術，對梯田、地形、巖性以及土壤進行疊加，統計并分析各自然要素分區的梯田面積，定性和定量分析典型山地農業耕種區域元陽梯田的空間分布、以及各自然要素對梯田空間分布的影響機理。旨在為我國區域農耕文化的傳承提供一個新的參考，為元陽梯田開發利用與保護的研究者和相關管理人員提供依據，同時也為其他地區梯田的保護提供新的研究思路和方法。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

元陽梯田研究區位于云南省紅河哈尼族彝族自治州南部、紅河南岸的元陽縣，地理坐標為102°27′—103°13′E，22°49′—23°19′N，總面積2 189.88 km2。元陽縣地處哀牢山脈中段，基巖全系元古界深變質的哀牢山群。自中生代特別是新構造運動以來，境內發生較大幅度的間隙性抬升和夷平，形成復雜的地形地貌，最高海拔2 936.6 m，最低海拔144 m，海拔差異明顯；地貌總體西北高、東南低。境內主要為亞熱帶山地季風氣候，具有“一山分四季，隔里不同天”的獨特高原立體氣候特征[12]，從河谷到中山山區氣候差異明顯。研究區內巖石組成較為復雜，可劃分為片麻巖類、(石)灰巖類、砂巖類、頁巖類4種主要類型；土壤為紅壤(麻黃紅土)、赤紅壤(麻黃赤紅土)、黃壤(麻黃土)以及燥紅土等。元陽梯田在空間分布上具有明顯區域特征，中部規模大而集中，其他區域面積廣大卻分布較少。

1.2 數據來源與研究方法

研究數據來源主要包括：(1) 梯田數據。來源于國家地理信息中心提供的0.6 m高分辨率的Landsat 8影像遙感數據，采用監督分類法將元陽縣土地利用類型進行劃分，從中提取梯田分布信息；(2) 地形數據。來源于地理空間數據云的數字高程模型(Digital elevenation Model,DEM)，分辨率為30 m×30 m；(3) 地質巖類信息數據。由云南省地質環境監測院提供的1∶5萬《云南地質圖》在ArcGIS 10.4平臺數字化得到；(4) 土壤數據。來于云南省測繪局1∶75萬幅《云南土壤圖》，經ArcGIS 10.4數字化而來。

研究方法：利用軟件制圖、文獻和已有資料進行綜合分析；將梯田、地形、巖石、土壤4個因子經GIS處理分別疊加繪制梯田和地形、巖石、土壤的空間分布圖。地形因子由DEM數據經3D分析后提取；巖性和土壤因子分別由紙質圖件《云南地質圖》、《云南土壤圖》數字化處理、然后在GIS軟件進行地理配準、柵格化得到；以上諸自然因子，均經重分類、柵格轉面、裁剪梯田空間分布，最后得到梯田和各因子的空間分布圖；由雙精度計算、統計后得到梯田在各因子分區中面積占比，最后分析梯田空間分布的自然要素特征；此外，所有柵格圖層坐標統一為WGS_1984_UTM_Zone_48N。

在各自然因素分級體系上，地形方面海拔因子依據《云南省農業地理》劃分氣候帶的標準將梯田分成6類；坡度因子根據2017年修訂《土地變更調查技術規程(使用)》中耕地坡度分級表，將元陽梯田坡度劃分為5類；坡向經GIS地形分析共分為10類；巖性因子因研究區范圍較小故在老師指導下依據主要性質劃分為4類；土壤因子依據云南省第二次土壤普查《云南省土壤分類系統》共分為32個土屬共11類。此外，因研究區范圍較小，下載的氣象數據精度不高，且當地自然環境變異大而氣象觀測點很難覆蓋全境；同時山區海拔一定程度上可以表征氣溫和降水，而且地形綜合表征可用海拔獲取，因此在自然要素選擇上也就不考慮氣候因子。

2 結果與分析

2.1 梯田空間分布

元陽中部是梯田的集中區，也是本研究的重點區域，包括全福莊、壩達、多依樹等在內幾個大的核心片區(圖1) ；面積規模大、空間集中連續，邊界分明；東南部、南部、西南部和西北部的其他區域的梯田，面積、規模均不如中部。

在地形上，海拔800～1 500 m的中部亞熱帶山地季風氣候區因地形平緩、水熱條件組合好，發育了梯田的72.23%；中部梯田集中區海拔就位于這一范圍內(附圖5)；中部區域在片麻巖類母質基礎上沿高線修筑了長度不一、拾級而上的層層梯田，面積達246.59 km2，占梯田的58.99%(附圖6)；如同細長的銀帶懸掛在連綿起伏的山體上，受海拔分區影響該區土壤帶譜為紅壤與黃壤，共分布221.25 km2梯田，占52.93%(附圖7)，其中中部麻黃紅土(紅壤)、麻黃赤紅土(赤紅壤)兩個土屬，分布了梯田總面積的32.04%。

圖1 元陽梯田空間分布

2.2 梯田的地形分異

作為人工生態系統的一種，水稻的生長發育受自然條件影響顯著。高程適中、坡度平緩、坡向適宜的地形最適宜水稻種植，不僅表現在生長上，同時對生產管理、空間布局具有重要意義。

不同海拔接收的太陽輻射、大氣降水具有明顯差異，進而影響水稻的生長發育和空間分布。適宜的海拔利于梯田的修筑，同時方便生產管理。元陽梯田在空間上呈現出明顯的分帶性(附圖5)，海拔800～1 200 m南亞熱帶中山梯田區(分布34.98%)，1 200～1 500 m的中亞熱帶中山梯田區(占37.25%)以及1 500～1 800 m的北亞熱帶中山梯田區(16.98%)，3個亞熱氣候帶分布了梯田的89.21%(表1)，800 m以下的熱帶河谷區蒸發大而降水少、高于1 800 m的溫帶山區熱量不足，盡管面積廣大卻只分布梯田的10.79%。

表1 各地形要素分區梯田面積統計

從附圖5與表1可以看出，海拔區間800～1 500 m的中部分布了梯田的72.23%。從地貌等級上看，這一海拔區間屬于亞熱帶中山地貌，水汽爬升冷凝極易產生“地形雨”，降水總量、頻率明顯豐于其他區間，這對需水量大的水稻是一個重要保障。此外，中間海拔區氣候適宜，利于農業生產。從海拔140 m的紅河谷至2 000 m的觀音山上，上千級梯田依山體等高線分布，形成了全世界規模最大、分布最為集中壯觀的稻作梯田地理景觀。沿等高線修筑梯田是哈尼先民繁衍發展與生存的一個重要保障，逐級抬升不僅提高了太陽輻射面積、充分利用光熱資源，而且避免了大面積土方搬運所需的極大投入，同時也降低了因梯田面積過大、田埂過高誘發的垮塌、滑坡幾率，以及由此帶來維修時的人力、物力以及時間等成本。

坡度的大小直接影響著梯田的形態和面積規模；同時適宜的坡度亦使含水巖土有著良好的給水性，形成了梯田區廣泛出露的地下水，為梯田提供了穩定補給水源。15°內為平耕地、緩坡耕地，分布了梯田的75.35%(表1)，中部梯田區在坡度上就處于這一區間，地勢起伏平緩、開發條件優越，梯田面積大且集中連續(附圖5)；中部以外廣大地區因地形起伏跨度大，只是斑塊狀分布了24.65%的梯田。梯田隨山勢地形變化，因地制宜，坡緩地大則開墾大田，坡陡地小則開墾小田，甚至在溝邊坎下石隙也開田，梯田大者有數畝，小者僅有簸箕大，一坡就有成千上萬畝[13]；依據坡度的大小，設計梯田的寬窄和長度，把高處的土方往低處搬運，臺地不人為拉直，而是沿山勢自然彎曲伸長[14]，最終形成自山腳河谷到山腰寬窄不同、層層疊疊的梯田。這種在原有自然基礎上依坡度小幅度改造的稻作方式，對于生產技術落后、勞動力短缺的哈尼先民而言是因地制宜的選擇，是人與自然高度和諧的典范。

坡向對梯田的影響主要表現于日照時長、接受太陽輻射的多少，以及對地下水和地表水的控制；偏南或朝南坡向陽光輻射充足，蒸發量大，表層滯水和淺層地下水量相對較少。受南北走向山脈和地形坡度的影響，元陽梯田在分布上并不是光熱較好的南坡，而是東北、東、東南、西、西北方向(附圖5)，分布了梯田總面積的63.54%(表1)。受平緩地勢影響，一方面開發利用難度小，工程量不大；另一方面，發生滑坡等自然災害的概率要小得多，這是哈尼先民的現實考量。坡向偏北同時意味著太陽輻射相對不足，為彌補對水稻生長的不利影響，當地采取降低種植密度、早種晚收延長生長周期、勤施肥等措施以保障水稻產量。坡向的影響還表現在對地表水和地下水的調蓄上，偏北坡向表層滯水和淺層地下水較為豐富，為梯田提供了穩定水源；尤其是冬季，在上部森林的調蓄下，源源不斷的水流保障了泡田所需，為來年耕作做好了準備。

2.3 梯田的巖性分異

不同基巖水理性質不盡相同，所發育的土壤也不一樣。片麻巖是中部主要巖類，面積達1 132.998 km2，占巖石面積的51.49%；以片麻巖類為母質，發育土壤為單一的紅壤(麻黃紅土)、赤紅壤(麻黃赤紅土)。其他地區主要以灰巖類(474.95 km2，占總面積21.58%)、砂(礫)巖類(196.78 km2，占8.94%)以及頁巖類(350.34 km2，占15.92%)等為主，土壤多為水稻土、沼澤土以及棕燥土等。從附圖6可以看出，大面積的片麻巖類是中部梯田區特殊的巖石背景。其他巖石分布地區梯田面積較小，零星分布規模不大。

不同基巖水理性質，對水體保蓄能力不盡相同。片麻巖類巖石分布了246.59 km2梯田，占總面積的58.99%，是元陽縣最主要巖類，也是中部梯田區特殊巖石背景。在濕熱的山地立體氣候環境下片麻母巖風化強烈，所含長石、云母等風化成細小顆粒物。同時，片麻巖山區是土層和風化層深厚，蓄水、保水性能好，土壤肥力高，土石方工程實施難度小，易于開發的區域[15]，經過長期的人為耕作影響，上部不斷熟化最終變成深厚耕作土體，顆粒細膩、粘度高、可塑性強，保蓄水能力大大提高。同時，底部基巖因上覆深厚土層、缺乏植物根系足夠干擾而保持良好完整性，基巖裂隙不甚發育，相對密度大、透水性差(表2)，基巖隔水性能良好。因此，中部梯田區得益于片麻巖底部隔水性和上部容水性為梯田水體起到良好的補給、調蓄作用，梯田景觀的完整性從水源上得到保障。

南部、東南部、西南部的(石)灰巖類共474.95 km2，占總面積的21.58%；分布了19.07%共79.71 km2的梯田。(石)灰巖屬碳酸鹽類巖石，具有很強的可溶性和滲透性；加之區域氣候濕潤植被茂密，土壤和流水中有機酸的含量較高，水溶蝕作用明顯，底部基巖不斷受到侵蝕；山高谷深的地形又導致水具有很強的流動性，在氣候、巖性等因素綜合作用下該地區的喀斯特作用強烈，巖石滲透系數大(表2)，降水和地表徑流以“喀斯特水”滲漏到地下深處無法有效利用，自然也就難以滿足梯田所需的灌溉水源。

東南部和西南部的頁巖類、砂巖類巖石，面積分別為350.34，196.78 km2，占比15.92%，8.94%，分布的梯田面積為52.80，32.35 km2，占12.63%，7.74%。與中部梯田區的片麻巖相比，砂頁巖類孔隙度明顯偏大，相對密度偏小(表2)，滲透系數高，透水性強(表2)，導致水體下滲嚴重不能很好保留，無法為梯田提供穩定、充足的灌溉水源。此外，砂巖和頁巖的軟化因數明顯小于其他巖類(表2)，軟化因數值愈小，表示巖石在水的作用下的強度和穩定性愈差[16]，這從巖性的角度說明砂巖和頁巖所發育的土體缺乏足夠穩定性，易于發生垮塌、滑坡等地質災害；尤其是砂礫巖，土體粒徑大、砂性強，團聚體缺乏粘性而下滲量巨大，在利用上被用作梯田外的其他方向。

頁巖類、(礫)砂巖類巖石受較高海拔的影響而抗凍性較差，尤其在冬春交替之際溫度變化劇烈，巖石反復凍融基巖裂隙不斷加大，原本不多的水體進一步加大了下滲量；尤其是石灰巖類分布區，下滲更為明顯。此外，這類巖石因含石英等較難風化顆粒物，風化產物大多質地偏砂、土體孔隙直徑過大、團聚體結構疏松透水性能良好；同時粘性結構弱，對水體的保持能力較差。尤其是砂巖分布區，土體良好通透性利于根系生長發育的同時，也會導致的嚴重透水，這對水稻生長是不利的。

表2 元陽縣主要巖類基本情況及所分布梯田統計

注：表中“—”代表未發現。

2.4 梯田的土壤分異

土壤性狀受母巖性質影響極大，同時不同海拔分區也存在分異明顯的土壤垂直帶譜。中部梯田區主要受片麻巖類母質和亞熱帶海拔區間影響，發育為單一的紅壤(麻黃紅土)、赤紅壤(麻黃赤紅土)，空間上集中連續分布(附圖7)。

中部梯田集中區的麻黃紅土、麻黃赤紅土，土類上屬紅壤、赤紅壤，兩個土屬面積為316.93，421.18 km2，分別占元陽縣土壤面積的14.41%，19.16%；所分布梯田面積為57.4，76.55 km2，占總面積的18.31%，13.73%。麻黃紅土屬砂質黏壤土，顆粒細小、基鹽物質含量高(表3)；黏粒對鉀、鈣等離子養分有較強的吸附能力，降雨或灌溉時營養元素不至受淋洗而流失。本區另一種麻黃赤紅土，土層深結構好，除速效磷較低外其他各種養分含量屬中上，質地細膩，多粉砂質黏壤土。

表3 元陽縣各類土壤梯田面積

從研究區范圍看，紅壤和赤紅壤分布了221.25 km2的梯田，占52.93%(表3)，兩類土壤具有土層厚、黏土含量高的特性。黏土不僅陽離子養分多，而且腐殖質也較多，常常和黏粒緊密結合，增強了土壤的穩定性，進一步增強了養分的保持，是梯田可持續開發利用的重要保障。此外，黏粒粒間孔隙很小，互相聯通成為曲折的毛細管而保水力強，水分進入土壤時滲漏很慢，但土壤中水分也不易蒸發，地下水能沿著毛管緩慢上升，在地下水位高時能增加土壤水分供應，抗旱力較強[17]。在長時間的生產實踐中，哈尼先民逐漸探索出“三季節(冷季、暖季、雨季，每季4個月)”的勞作節律，每年除收獲時短暫排水外其余大部分時間梯田都處于浸泡狀態，這利于土壤中鉀元素充分水解生成可溶性鉀鹽為作物吸收利用，同時也使得土壤內有機物與無機物不斷進行遷移轉化與合成，原有理化性質不斷發生分異，對持水性能產生深遠影響。尤其是整個冷季的蓄水泡田，使得土粒越發細膩、粘度不斷增強。此外，上部森林在帶來補給徑流水體的同時，由于梯田修成水平面，并有一高出水平面的田埂，地表徑流及其攜帶的泥沙在梯田中被截留，并逐級沉淀，從而達成保持水土的效果[18]。經過哈尼人民千百年的辛勤耕作，土壤自然屬性發生極大變化，逐步演化成現在保水性能良好、養分含量高的黏土梯田區。

其他地區主要發育黃壤(麻黃土、棕黃泥土)、(潴育)水稻土、紅壤(棕黃紅土、黃紅泥)以及燥紅土等土壤，梯田空間上呈斑狀分布面積規模不大。南部和東南部分布較多的是為黃紅泥、棕黃紅土、棕黃泥土，所發育的梯田面積較小(表3)。從性狀上看，黃紅泥土體含石英砂粒較多，多為砂質壤土或砂質黏壤土，土壤結持力較差[19]；棕黃紅土土體厚薄不一，層次分異較明顯，因地處坡地水土流失較重而熟化度低。另一類棕黃泥土質地層次“下重上輕”，因缺乏有效鋅、硼、鋁等微量元素而供肥能力弱；受區域地形影響灌溉條件困難，雨季未到易發生季節性干旱缺水，雨季則容易發生垮塌、滑坡等自然災害。本區還存在一定量砂質土壤，一方面顆粒大而比表面積小，毛管水上升高度很低，水的作用難以得到充分發揮；另一方面砂質土熱容量比較小，土溫晝夜溫差大利于有機質積累的同時也極易引發凍害，這對水稻是一個潛在的威脅。西部、西南部和西北部土壤以麻黃土、潴育水稻土以及棕燥紅土為主。麻黃土多處于坡地，土體薄、養分含量低且保水保肥力較差；因受區域洼地地形影響，潴育水稻土亞氟化鐵含量高，水面表層明顯鐵銹斑紋，阻擋水下氣體交換，易產生硫化氫(H2S)毒害植物根系，當地較少用于水稻種植。棕燥紅土質地多為粉砂質黏土至黏土，有“晴天一把刀，下雨一包糟”的特點，耕性不良，當地多以旱地利用為主。西北部干熱河谷地區降水少而蒸發大，同時干熱氣候會使土壤團聚體穩定性變異系數擴大；不穩定的團聚體因形成可遷移的細小顆粒，阻斷土壤水、肥、氣的傳輸，同時加劇土壤侵蝕程度[20]，加之受地形坡度影響，因此盡管位于河谷沿岸，但卻沒有發育為梯田。

因此，除中部以外其地區，也就沒有發育大規模的梯田分布。

3 結 論

元陽梯田在地形、巖性與土壤等諸自然要素的相互作用下，空間分布呈現出明顯區域性。中部梯田區受片麻巖類母質和海拔影響，多垂直分布粘性較強、保水性能良好的麻黃紅土(紅壤)、麻黃赤紅土(赤紅壤)，保障了梯田景觀的水源完整性；同時，坡度與坡向通過影響梯田的修筑進而影響梯田的形狀與面積。

(1) 地形影響并制約著梯田的形態和規模，在地形因素影響下梯田空間分布呈現明顯集中性，在海拔800～1 500 m的中山地區沿高線分布了梯田的72.23%、坡度15°內的平耕地、緩坡耕地分布了75.35%，同時受地形起伏影響，東北、西北等平緩方向梯田分布較多。

(2) 地質巖性通過影響保水蓄水的巖石水理性質進而影響到元陽梯田景觀的完整性；中部地區的片麻巖類占巖石的51.49%，分布了梯田的58.99%；片麻巖底部基巖透水性極弱形成良好隔水層，基巖上部則儲水性良好成為穩定含水層；隔水層與含水層的相互結合形成了良好的儲水構造，能夠較好保存梯田所需的水體。在梯田零星分布的其他地區主要分布砂巖類、灰巖類以及頁巖類，或是粒徑大孔隙發育保水性能差，或是以喀斯特水形式下滲而無法有效利用，或是缺乏粘性而容易垮塌、滑坡，始終沒有發育為像中部一樣連續的梯田區。

(3) 土壤礦物成分、理化性狀制約著水稻的生長發育，其粘性、保水性以及可塑性制約著梯田景觀的完整性。與巖石一樣，土壤和梯田的空間分布具有明顯對應性：① 中部梯田集中區的紅壤(麻黃紅土)、赤紅壤(麻黃赤紅土)，二者占總面積的33.57%、分布了梯田的32.04%，土質地偏粘可塑性強，顆粒細小孔隙致密，具有較好的持水性；同時鉀、鈣、鎂等元素和基鹽物質含量高可以有效降低投入成本，利于梯田可持續開發；② 其他地區梯田土壤或是質地偏砂粘性結構弱、土體薄，對水體的保持能力較差，且因為難以凝聚成微團聚體而可塑性差，提高了垮塌、滑坡發生的幾率；或是土粒粗大不易風化，多以單粒出現在水中，迅速沉降極易板結，導致產量不高。

(4) 在地形、巖性以及土壤綜合影響下，尤其是巖石(片麻巖類)以及巖石發育而來的土壤影響下，元陽梯田空間分布上呈現出明顯區域性，集中連續分布于元陽中部，其他地區零星分布，規模不大；對元陽梯田形成的自然因素及空間分布研究，巖性是一個重要考量因素。

正是在多重自然因素綜合影響作用下，元陽梯田呈現出中部集中連續、其他區域零星分布的空間景觀格局。