基于GIS的貴州省冬季耕地利用空間分布

蒲紅梅，楊 琴，趙正學，趙學春，黃其河，陳玉連，董 瑞，陳 超，程 華，何 進，金寶成

（1.貴州大學動物科學學院，貴州貴陽 550025；2.貴州大學昆蟲研究所，貴州貴陽 550025；3.蘭州大學生命科學學院，甘肅蘭州 730000；4.貴州大學農學院，貴州貴陽 550025）

中國南方熱帶和亞熱帶地區冬季水熱資源豐富，第1年秋季作物收獲后至第2年播種前，有長至5～6個月的冬季耕地可供開發利用[1-2]，充分利用這部分資源可以提高耕地復種指數和土壤肥力、促進糧食增產和農民增收、改善土壤結構和降低水土流失[1-6]。但目前仍存在大量未利用的冬季耕地[6-9]，因此探索冬季耕地利用效率及其影響因素，對進一步合理開發利用冬季耕地資源具有重要意義。

冬閑田的利用方式多樣，種植蔬菜收益較高[8-9]。辛國榮等[1]和楊中藝[2]提出“黑麥草–水稻”草田輪作系統，既能在冬閑田生產青飼料黑麥草(Lolium multiflorum)，又能提高水稻(Oryza sativa)田土壤肥力和水稻產量。冬種綠肥可以改良土壤，提高土壤綜合質量[5,10]。Ntakirutimana 等[11]認為在冬閑田種植綠肥可以帶來經濟效益和環境效益，包括促進糧食生產、碳捕獲與碳儲存、水土保持、防止沙塵暴和為生物多樣性提供棲息地等。我國長江流域冬季作物主要為冬油菜(Brassica campestris)，該區域光照、溫度和水土資源充足，有利于油菜生長[12-13]，并且農戶生產經營油菜的規模在0.7～1 hm2時，能獲得最高效益[12]。在冬閑田種植水稻和豆類作物可以在增加糧食和飼料產量的同時，也為農民帶來收入[6]。因此，分析不同地區適宜的冬季耕地利用方式，有利于針對性地推廣相應冬季耕地利用方式，以提高冬季耕地的利用率。

冬季耕地利用主要受勞動力結構和氣候因素影響。務農勞動力數量的減少，會降低耕地復種指數和耕地面積，甚至引起拋荒[14-16]，尤其是大量中青年勞動力從農業向非農產業轉移，造成農業勞動力老齡化，導致土地粗放經營，降低了耕地利用率[16-18]。在貴州省，冬閑田集中在低海拔和低坡度的地區[19]，在湖北省，冬季未利用耕地主要分布于冬季溫度相對較低的鄂東南低山丘陵地帶和江漢平原地區[20]。冬季溫度低和冬季作物收益低等原因導致形成冬閑田，但溫度和降水量等氣候因素對貴州省冬季耕地利用的影響尚未見報道。

貴州省位于中國西南，冬季水熱資源充足，大部分地區為喀斯特地貌，耕地面積為4 530 200 hm2，占全省土地面積的26.4%[21]。調查貴州省冬季耕地利用與分布，對于合理開發利用冬閑田、提高耕地利用率和增加農民收入具有重要意義。為此，采用問卷調查和地理信息系統技術(geographic information system,GIS)相結合的方式，調查貴州省61個縣(區)的冬季耕地利用情況，目的：1)定量分析貴州省冬季耕地利用率及其利用方式；2)分析貴州冬季耕地利用的影響因素；3)探索提高貴州冬季耕地利用效率的可能政策措施。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

貴州省位于中國西南地區、云貴高原東部，103°36′–109°35′ E、24°37′–29°13′N，海拔148～2 900 m，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫15.6℃，年均降水量1 197.6 mm，最冷月為1月，平均氣溫最低1.9℃(大方縣)，最高10.4℃(望謨縣、冊亨縣和羅甸縣)；最熱月為7月，平均氣溫最低17.7℃(威寧縣)，最高27.9℃(銅仁市)，無霜期325～363 d[22]。土壤類型有黃壤、黃棕壤、紅壤、磚紅壤性紅壤、紅褐色土、石灰土、紫色土、水稻土和山地灌叢草甸土[23]。貴州省總人口3 475萬(2018年)，其中農村人口2 300萬，占總人口的66.3%，貴州省耕地面積6 795.3萬畝(4 530 200 hm2)，主要農作物有土豆1 095萬畝(730 000 hm2)、水稻1 008萬畝(672 000 hm2)、玉米903萬畝(602 000 hm2)和油菜747萬畝(498 000 hm2)[24]。

1.2 數據收集和處理

以問卷形式調查了貴州省61個縣(區)2019年冬季耕地利用情況(圖1)。按家庭耕地面積0～0.7 hm2(A1)、0.7～2 hm2(A2)和2 hm2以上(A3)3個面積范圍進行調查。調查問卷包含家庭基本情況、冬季耕地種植作物類型和冬季耕地利用原因3個部分，家庭地址、家庭總人口數、家庭務農人數、務農中男/女人數、務農者年齡、土地總面積、自有/承包土地面積、冬季耕地利用面積、冬季耕地作物及種植時間、前茬/后茬作物及種植時間和冬季耕地利用/未利用原因11個問題。獲得有效調查問卷444份，其中A1、A2和A3分別為157份、152份和135份，調查土地面積5153266.7 hm2。從全球氣候數據網(https://www.worldclim.org)下載61個縣(區)多年(1970?2000年)平均逐月氣溫、降水量和太陽輻射數據，同時下載61個縣(區)的海拔數據，空間分辨率約1 km。使用ArcMap區域統計功能，計算每個縣(區)逐月氣溫、降水量和太陽輻射數據的平均值，以縣為單元，分析貴州省冬季耕地利用情況與氣候數據的相關關系。

圖1 貴州省調查縣(區)分布圖Figure 1 A map showing the distribution of the counties surveyed in Guizhou Province

使用Office 2019整理、統計數據，SPSS 20.0進行配對t檢驗和方差分析，SigmaPlot 14.0和ArcMap 10.8制圖。

2 結果與分析

2.1 冬季耕地利用率分析

貴州省冬季耕地平均利用率為46.4%。其中A1的利用率為49.8%，A2的利用率為42.7%，A3的利用率為49.2%，3個面積范圍的利用率沒有顯著差異(圖2)，但利用率頻率分布不同(圖3)。A1利用率在0～20% (11.7%)和80%～100% (11.7%)較少，在20%～40% (30.0%)、40%～60% (21.7%)和60%～80% (25.0%)較多，呈兩邊低而中間高的趨勢。A2的利用率在0～20%最多(29.1%)，且隨利用率增加，占比逐漸減少，呈逐漸降低趨勢。A3的利用率在0～20% (35.7%)和80%～100%(31.0%)較多，在20%～40%(7.1%)、40%～60%(14.3%)和60%～80%(11.9%)較少，呈兩邊高而中間低的趨勢(圖3)。

圖2 貴州冬季耕地利用率Figure 2 The utilization ratesof winter farmlandsin Guizhou Province

圖3 貴州省家庭耕地冬季利用率頻率分布Figure 3 The frequency distribution of winter farmland utilization in Guizhou Province

家庭耕地面積為A1，其利用率在貴州省西北部的七星關和納雍等縣(區)以及東南部的榕江和黎平縣較高；A2和A3，其利用率在西北部的織金和納雍等縣(區)較高，在其他地區較低。總體上東北部的德江和松桃等縣(區)家庭耕地利用率較低，而西北部的織金和金沙等縣(區)利用率較高(圖4)。

圖4 貴州省家庭耕地冬季利用率空間分布Figure 4 The spatial distribution of winter farmland utilization in Guizhou Province

貴州冬季耕地利用的主要方式是種植蔬菜(占比63.0%)，蔬菜種類包括白菜(Brassica pekinensis)(25.7%)、土 豆(Solanum tuberosum)(8.0%)、蘿 卜(Raphanus sativus)(5.5%)、豌豆(Pisum sativum)(3.5%)、蒜(Allium sativum)(3.2%)、蠶豆(Vicia faba)(2.8%)、蔥(Allium fistulosum)(2.8%)、青菜(Brassica rapavar.chinensis)(2.6%)、香菜(Coriandrum sativum)(2.2%)、芹 菜(Apium graveolens)(0.8%)、胡 蘿 卜(Daucus carotavar.sativa)(0.7%)和甘藍(Brassica oleracea)(0.7%)。其次為油菜(Brassica napus)(26.8%)、養魚(3.5%)、冬小麥(Triticum aestivum)(2.9%)、中藥材(1.6%)、牧草(0.7%)、家禽(0.6%)、水果(0.3%)和綠肥(0.2%)，其他利用方式占0.5%。

根據各縣(區)冬季耕地的主要利用方式，將貴州省冬季耕地劃分為4個區：白菜種植區、油菜種植區、土豆種植區和養魚區(圖5)。白菜種植區的面積最大，主要在東北部的德江、沿河、思南和松桃縣(區)以及貴陽和羅甸等縣(區)，油菜種植區主要分布在南部的平塘、都勻、貞豐、紫云和鎮遠等縣(區)，土豆種植區主要分布在西北部的威寧、織金、息烽和仁懷等縣(區)，養魚區主要在東南部的黎平和從江等縣(區)。

圖5 貴州冬季耕地利用方式區劃Figure 5 The regional distribution of different winter farmland utilization in Guizhou Province

2.2 影響冬季耕地利用率的因素

冬季耕地利用率與務農人口數呈正相關關系，隨務農人口數增加而顯著增加(P<0.05)。利用率與務農人員年齡呈負相關關系，隨著務農人員年齡的增加顯著降低(P<0.05)。利用率與務農男性比例有關，當男性比例為25%時利用率達到最高，為69.5%，但男性人數比例為0和100%時，利用率分別為45.8%和39.4%，均低于50%。冬季耕地利用率與海拔、太陽輻射、冬季(12月–次年2月)氣溫和降水量均無顯著相關性(P>0.05)。土地面積隨務農人口數增加顯著增加(P<0.05)(圖6)。

圖6 家庭結構和氣候條件對貴州省冬季耕地利用率的影響Figure 6 The influence of household labor force and climatic conditions on the utilization of winter farmlands in Guizhou Province

冬季耕地未利用的主要原因是土地收益少和田地生產力低，所占比例分別為26.6%和18.6%，其次是勞動力缺乏，占17.0%，而地塊距離遠占15.6%，技術缺乏占11.9%，資金缺乏占5.1%，信息缺乏占3.9%，其他原因占1.2%。

3 討論

3.1 貴州省冬季耕地利用特征

貴州省冬季耕地平均利用率為46.4%，其中家庭耕地面積為0～0.7 hm2的利用率為49.8%，0.7～2 hm2的利用率為42.7%，2 hm2以上的利用率為49.2%(圖2)，三者雖然無顯著差異，但頻率分布不同(圖3)，家庭耕地面積為0～0.7 hm2的冬季耕地利用 率 呈 倒“V ”字 型，集 中 在20%～80%；0.7～2 hm2的利用率呈逐漸降趨勢，在0～20%最高；大于2 hm2的利用率呈“V”字型，低于20%和高于80%的最高(圖3)。緬甸位于熱帶，水熱資源充足，Gumma 等[6]研究發現緬甸冬季耕地利用率為56.5%，主要種植水稻和豆類。而貴州省冬季氣候較溫暖，平均氣溫約6.0℃，適合蔬菜和油菜等作物生長，除種植蔬菜(63.0%)外，還用于種植油菜、冬小麥、中藥材、牧草、水果、綠肥，此外還養魚和飼喂家禽等。

目前也有很多研究推廣冬閑田種草[1-2,10-11,25]，冬閑田種草可以為牲畜提供青綠飼料，同時減少地表徑流、降低水土流失、改善土壤結構、提高土壤肥力以及促進糧食增產[1-5]。但是研究發現，冬季耕地種植蔬菜和油菜的面積接近90%，而牧草和綠肥占比小于1%。種植牧草主要用于飼喂牲畜，雖然種草養畜能夠提高冬季牲畜高品質蛋白攝入，有利于其安全越冬，減少飼料購買投入，但是利潤較低且獲取時間過長。而且貴州野生牧草資源豐富，可作為牲畜飼料的有86科1 410種[25-26]，小規模飼養牲畜的農戶可以采取直接刈割野生牧草的方式獲取飼草料，進一步降低了農民對牧草的種植意愿。貴州省道真縣冬閑田種植一年生黑麥草每公頃可獲利潤4 185元[27]。李福奪和尹昌斌[10]研究發現，南方稻區冬閑田種植綠肥紫云英(Astragalus sinicus)每公頃成本在1 730元，種植綠肥雖然可產生生態效益，但沒有直接經濟收益。綠肥改良土壤可能需要長期種植才有效果[28]，且種植綠肥的成本降低了農民的種植意愿[11]。蔬菜和油菜種植能夠產生較高的直接經濟效益，孔令奎[8]發現，重慶市永川區冬閑田種植蔬菜每公頃可獲純收益14 700 元，種植油菜可獲收益5 400元，黃煜[9]發現，貴州省黔南州冬閑田種植蔬菜每公頃可獲純收益7 500～37 500元，種植油菜每公頃可獲收益10 125元。陳莎莎[12]也發現，長江流域種植油菜每公頃可獲收益12 000元。研究結果顯示，收益少是貴州省冬季耕地未利用的主要原因，可見直接經濟收益是影響農民冬季耕地利用率和具體利用方式選擇的核心。所以未來應進一步探索冬閑田種草技術和政策措施，提高冬閑田種草養畜的生態和經濟效益；在農藝措施方面，可探索使用覆膜等技術，以保墑增溫，提高冬季作物產量[29-30]。目前貴州省推廣冬季作物時應以利潤較高的蔬菜和油菜為主。

3.2 家庭勞動力結構對冬季耕地利用的影響

冬季耕地利用情況受家庭務農人口數、務農者年齡和務農男性人數比例影響，利用率與務農人口數呈正相關關系，與務農人員年齡呈負相關關系(圖6)。已有研究發現勞動力投入對耕地利用程度有著直接影響，務農勞動力數量減少會減少耕地復種指數和耕地面積，甚至引起拋荒[14-16]。研究也發現務農人口數越多，其家庭耕地面積越大(圖6)。特別是大量中青年勞動力從農業轉移到非農業，造成了農業勞動力老齡化[16-18]，老齡勞動力的體力、精力和接受新事物能力均下降，在作物播種面積、產量和收入等方面均低于非老齡勞動力[31]，農業老齡化還導致土地粗放經營[16,18]。因此，務農勞動力轉移和農業生產老齡化現象可能會降低貴州省冬季耕地利用率。貴州省冬季耕地利用率約46.4%，還有超過一半的冬季耕地未利用，說明冬閑田可吸收就業困難的返鄉農民工，改善農民工就業問題，王西玉等[32]研究發現，有近一半返鄉農民工仍然選擇傳統種植業。同時，農民工返鄉也可能促進貴州省冬閑田的高效利用。未來應該加強農民工返鄉對冬閑田利用率影響方面的研究。

當務農女性比例接近75%時，貴州冬季耕地利用率最高(69.5%)，而女性人數比例為0和100%時，利用率分別為39.4%和45.8%，均低于50% (圖6)。李旻和趙連閣[33]研究發現當女性從事農業生產的時間在農戶總農業生產時間的25%～75%時，農戶在農業生產結構、農業生產技術應用和農業生產經營收入等方面具有明顯優勢，這與本研究結果類似。Woolley 等[34]研究也發現，團隊中女性比例越高，集體智慧越高，因為女性社會敏感度更高，能夠最大限度地利用團隊成員的知識和技能。因此以女性勞動力為主的耕地利用率高于以男性勞動力為主的利用率，但務農人員均為女性時，冬季耕地利用率也較低，可能是由于女性體力低于男性[33]。未來冬閑田技術培訓時應傾向于女性，可以通過機械化等方式彌補女性勞動力的體力不足，提高冬季耕地利用率。

3.3 貴州省冬季耕地利用空間分布分析

研究發現氣溫、降水量、太陽輻射和海拔等因素對貴州省冬季耕地利用率均無顯著影響(圖6)。進一步研究發現貴州省不同地區冬季耕地可劃分為東北部白菜區、南部油菜區、氣溫較低的西北部土豆區、降水量較大的東南部養魚區(圖5)。貴州省冬季作物以白菜和油菜居多，大部分縣(區)均有分布(圖5)。東北部銅仁市德江和沿河等縣(區)冬季氣溫較低，除白菜外種植蘿卜最多，多在10月 –11月播種，蘿卜屬于冷季型作物，低溫環境下會增加根中碳水化合物的積累和加速蘿卜生長[35]。西北部畢節市威寧和金沙等縣(區)氣候冷涼，海拔較高，全年平均氣溫在13.8～18.6℃，除油菜白菜外，種植土豆較多。因為土豆為喜涼作物，最適生長氣溫為15～18℃[36]，低溫會限制莖的生長，促進塊莖中干物質的積累，增加塊莖產量[37-38]。東南部黔東南州黎平和從江等縣(區)除油菜外，養魚較多。因為東南部地區海拔較低、冬季降水量較多以及冬季較溫暖，前茬農作物以種水稻為主，農民在水稻插秧后或收割后投放魚種，來年插秧前收魚，既蓄水養田又增加了收入。所以貴州省未來應在不同的地區推廣不同冬季耕地利用方式，以冬季耕地提高利用率。

4 結論

貴州省冬季耕地平均利用率為46.4%，利用方式主要是種植蔬菜(63.0%)，其次為油菜(26.8%)，而牧草和綠肥占比小于1%。冬閑田種草的利潤較低且獲取時間過長，蔬菜和油菜種植能夠產生較高的直接經濟效益。利用率與務農人數呈正相關關系，與務農者年齡呈負相關關系。務農勞動力數量的減少會降低耕地復種指數和耕地面積，老齡勞動力的體力和精力與接受新事物能力均下降，造成了耕地粗放經營。務農勞動力中女性比例越高其集體智慧越高，在農業生產中具有優勢。未來應該加強農民工返鄉對冬閑田利用率影響方面的研究，冬閑田技術培訓時應傾向于女性，同時通過機械化耕作彌補女性體力方面的不足。貴州冬季耕地利用率雖然與冬季氣溫、降水量、太陽輻射和海拔等因素無關，但不同地區冬季耕地利用方式不同，貴州省不同地區冬季耕地可劃分為東北部白菜區、南部油菜區、氣溫較低的西北部土豆區和降水量較大的東南部養魚區。貴州省冬季作物以油菜和白菜為主，在大部分縣(區)均有分布。在氣溫較低的西北部威寧和金沙等縣(區)主要種植土豆，而在降水量較多的東南部黎平和從江等縣(區)養殖魚較多。未來應根據不同地區的經濟社會和氣候條件推廣不同的冬季耕地利用方式，以提高農民收入，促進冬季耕地資源的合理開發利用。