1990-2015年三峽庫區重慶段水田時空分布及演變特征*

羅曉虹，王鎣燕，王 舒，鄭杰炳，王 丹，王子芳，高 明※

（1.西南大學資源環境學院，重慶 400715；2.重慶地質礦產研究院，重慶 400042）

0 引言

土地利用/覆被變化是人類活動對全球環境變化與可持續發展影響的重要研究內容[1-3]，耕地作為重要的土地利用方式，是人類進行農業生產活動的資源基礎，在保障糧食和生態安全、穩定經濟社會秩序等方面發揮著重要的作用[4]。水田不僅是長江經濟帶農業耕作系統的重要組成部分，也是一種重要的濕地類型，作為“山水林田湖草系統”中重要的一環，其在降解污染物、調蓄洪水、凈化水質、調節氣候、維持生物多樣性和區域生態安全等方面具有重要的作用，因此，水田面積的變化對區域的農業生產功能和農業生態系統具有重要影響[7-8]。

三峽庫區作為我國東部經濟發達地區支援西部地區發展的橋頭堡，同時也是西南地區重要的生態屏障，具有重大的戰略意義[9-10]。三峽庫區重慶段位于長江上游，耕地在其景觀格局內占主導地位，對維護三峽庫區重慶段的糧食安全和生態安全起著重要作用。黨的十八大以來，中央高度重視耕地保護工作，要求堅持最嚴格的耕地保護制度和最嚴格的節約用地制度，像保護大熊貓一樣保護耕地，著力加強耕地數量、質量、生態“三位一體”保護，全面落實“占優補優、占水田補水田”制度。受20世紀90年代三峽庫區修建后水位上漲，以及城市擴張、工業化發展的影響，研究區內土地利用形式變化劇烈[9]，城鎮化建設和工業化發展使大量水田轉為建設用地，勞動力的流失使務農成本上升，大量水田轉為種植經濟作物的旱地，水田景觀破碎化加劇。因此，研究三峽庫區重慶段的水田時空分布及演變特征對農業結構調整、水田經營政策的制定以及保障庫區生態系統的安全具有重要意義。

長期以來，國內外眾多學者對水田的演變進行了大量的實例研究，主要集中于驅動力因素分析[11]、水田與旱地的相互轉化特征[12]、對氣候的響應[13-14]等方面。水田作為重要的耕地和濕地資源，其變化受到人類活動的影響，空間表現為區域內水田種植面積的擴張或者縮小。周銳等[15]對蘇南典型城鎮辛莊鎮的研究表明，受社會經濟等因素的影響，1991—2009 年辛莊鎮水田景觀面積比例減少了30.5%，且呈加速下降趨勢，減少的水田主要被工業用地、魚塘和居住用地占用。張文琦[11]等研究指出，1989—2015 年富錦市受政策、土壤類型及河流等因素影響，大量旱地轉為水田，該地已基本實現水田化。可見，人類活動是影響水田面積變化的主要因素。目前學者對水田變化的研究多集中于東北平原地區[16-17]，已有的對三峽庫區重慶段的研究內容也多集中于植被活動[18]、生態安全格局[19]、景觀格局[20]等方面，針對三峽庫區水田變化的研究較為少見。因此，文章以三峽庫區重慶段水田為研究對象，利用1990—2015 年3 個時相土地利用圖像，基于GIS分析技術，利用土地利用轉移矩陣、核密度分析和景觀指數模型等方法，對三峽庫區水田的時空分布及演變特征進行系統分析，以期為三峽庫區重慶段農業結構的調整、水田經營政策的制定以及保障庫區生態系統的安全提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

三峽庫區重慶庫段（105°49′E～110°12′E、28°31′N～31°44′N）位于長江上游，占三峽庫區總面積的85%，東鄰鄂西，西南與川黔接壤，西北與川陜相鄰，包含巫山縣、巫溪縣、奉節縣、云陽縣、開縣、萬州區、忠縣、涪陵區、豐都縣、武隆縣、石柱縣、長壽區、渝北區、巴南區、江津區及重慶核心城區（包括渝中區、北碚區、沙坪壩區、南岸區、九龍坡區、大渡口區和江北區）等22個區縣。該區域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，雨量充沛，四季分明，年均溫16℃～18℃，光溫水同季，氣候資源豐富。區內以山地、丘陵地貌為主，自然條件復雜，植被層次豐富，種類繁多，土地利用類型多樣，其中林地（亞熱帶常綠闊葉林、暖性針葉林）和耕地（旱坡地、水田）是區域內最主要的土地利用方式。三峽庫區重慶段行政區及高程圖和土地利用現狀圖如圖1所示。

圖1 三峽庫區重慶段行政區、數字高程圖（a）和2015年土地利用現狀圖（b）

1.2 數據來源與處理

該研究的基礎數據依據中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn）提供的1990 年、2005 年Landsat-TM 遙感圖像以及2015 年Landsat-8OLI 遙感數據（數據空間分辨率均為30 m）為主要數據源，結合重慶市地形圖、土地利用現狀圖等數據，利用人機交互目視判讀解譯的方法獲得單幅土地利用圖。基于重慶的氣候和水田的耕作期，選擇3月下旬到5月中旬的遙感圖像用于解譯。圖幅解譯完成后用利用ARCINFO 的ARCEDIT模塊編輯圖形檢查、修改錯誤并整理匯總，最終生成研究區土地利用/覆被解譯成果數據。土地利用分類包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6個一級類型以及21個二級類型。根據解譯結果進行實地調查隨機抽樣核查，耕地和建設用地的正確率大于95%，而草地、林地和水域的正確率在90%以上[21]，因此，解譯結果能夠達到精度要求，滿足該次研究的需要。

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣

轉移矩陣是反映數據結構和類型轉換的一種非常有效的方法，土地利用轉移矩陣通過將不同類型土地間的轉移面積以矩陣的形式加以列出，反映期內各類土地減少的去向以及增加的來源，是分析土地利用動態變化，研究土地利用格局的重要方法。土地利用矩陣為：

式（1）中，S代表土地面積（km2），n代表轉移前后的土地利用類型數，i、j分別代表轉移前與轉移后的土地利用類型。

2.2 核密度估計模型

核密度估計（kernel density estimation，KDE）是探測數據整體分布特征的一種方法，適用于分析點狀、線狀地理要素，通過計算空間點或空間線在周圍鄰域中的密度，對要素密度分布進行優化模擬，最終根據核密度值反映要素的空間分布特征[22-23]。核密度估計計算方式為：

式（2）中，f(x)為x處的核密度估計值；r為搜索半徑；n為樣本總數；dix為估計點i與x間的距離；φ為距離的權重。

基于ArcGIS 10.4 軟件中的Create Fishnet 工具對研究區域建立1 km×1 km 的格網，分區統計每個格網中水田的面積，再依此展開水田分布的核密度估計。在核密度分析中，不同的搜索半徑會導致核密度估計結果表面光滑度的不同，半徑越大，結果表面越光滑[24]。該文根據ArcGIS 中核密度分析自動生成的默認帶寬和研究區實際情況，分別設置6 000 m、8 000 m、10 000 m 與12 000 m 搜索半徑進行對比分析，綜合核密度估計結果的整體效應和局部識別效果，選取最優搜索半徑。

2.3 景觀指數分析

為了反映三峽庫區重慶段水田及轉化地類的空間變化特征，該研究從斑塊類型水平指數和景觀類型水平指數中選取斑塊類型百分比（PLAND）、最大斑塊指數（LPI）、斑塊密度（PD）、邊界密度（ED）、平均斑塊面積（MPS）5個景觀指數進行分析，借助FFRAGSTATS 4.2完成（表1）。

表1 景觀指數及其含義

3 結果與分析

3.1 水田空間分布特征

以2015 年的土地利用圖代表現狀土地利用數據，計算可得三峽庫區重慶段水田面積為5 267.94 km2。1990—2015年三峽庫區重慶段的水田面積持續減少，共減少了1 018.53 km2，變化率為40.74 km2/年。截止2015 年，三峽庫區重慶段的水田面積占耕地面積的26.7 %，25 年水田面積占耕地面積的比例減少了3.9%。

依據三峽庫區重慶段特殊的地形，水田類型主要分為山地水田、丘陵水田以及平原水田，圖2為三峽庫區重慶段2015 年的水田空間分布圖。從圖2 中可以看出，丘陵水田是三峽庫區重慶段區內分布最廣的水田類型，占70%以上，平原水田分布最少，僅占不到2%。庫段內各個區縣均有水田分布，但空間分布極不均勻，西南地區的主城區、長壽、涪陵等區縣水田分布較為密集，并且以丘陵水田為主；山地水田主要分布庫區西北部的在開縣、云陽以及石柱土家族自治縣；平原水田主要分布在長壽及開縣；而庫區東南部的武隆及東北部的巫溪、巫山、奉節等區縣水田分布較少。從水田空間格局來看，三峽庫區重慶段的水田空間分布呈現出明顯的破碎化分布特征，集中連片效應較差。

圖2 2015年三峽庫區重慶段水田空間分布

三峽庫區重慶段各區縣水田面積及平均坡度數據，見表2。從表2中可以看出，14個不同區縣間水田面積分布差異顯著，面積分布在24.37～1 210.26 km2，其大小關系為：主城區＞涪陵＞長壽＞開縣＞萬州＞江津＞豐都＞忠縣＞云陽＞石柱＞奉節＞武隆＞巫溪＞巫山，總的來說南部大于北部，西部大于東部。從水田面積占耕地面積的比例來看，不同區縣水田占耕地面積比例分布在2.34%～55.75%，其中長壽的水田面積占耕地面積比例最大。就水田類型分布而言，長壽、涪陵、江津、主城區、忠縣、萬州及豐都以丘陵水田為主，其余7 個區縣均以山地水田為主。從坡度來看，不同區縣水田總平均坡度分布在6.99°～18.62°，其中奉節水田平均坡度最大，云陽、武隆次之，主城區、長壽、江津水田平均坡度較小（＜10°）。總的來說，各區縣3種水田類型平均坡度的大小關系為：山地水田＞丘陵水田＞平原水田，山地水田各區縣平均坡度均大于10°。

表2 三峽庫區重慶段各區縣水田面積及平均坡度

3.2 水田空間轉移特征

該研究基于1990年、2005年、2015年三峽庫區重慶段土地利用/覆被變化及轉移矩陣（表3、4）來反映水田的空間轉移特征，為便于研究水田的空間轉移，該文將耕地分為旱地和水田兩個二級地類進行分析，其他地類皆按一級地類進行統計，共7個土地利用類型。從表3、4可以看出，從1990—2015林地、水域和建設用地持續增加，水田、草地和未利用地持續減少，旱地則呈現先增加后減少的趨勢。水田轉化的特征如下。

1990—2015年除未利用地外，5類非水田土地類型流向水田，水田轉入的地類以旱地、林地和草地為主。1990—2005 時段流入水田的地類總面積較小，為38 km2，其中旱地和林地是主要轉入來源；2005—2015時段旱地、林地、草地和建設用地轉入水田的面積都在增加，其中旱地轉入面積最多，占78.75%。

水田主要轉向除未利用地外的5 種土地利用類型，以旱地和建設用地為主。從表2 和表3 可知，1990—2005 時段水田主要轉向旱地，旱地占水田轉出面積的81.78%，其次為建設用地和林地，較少轉為草地。而在2005—2015時段，建設用地轉換的面積占水田轉換總面積的87.9%。

表3 1990—2005年三峽庫區重慶段土地利用轉移矩陣 km2

在1990—2015 年研究區水田轉出的面積大于轉入的面積，1990—2005 時段水田面積減少681.82 km2，2005—2015時段減少336.72 km2。水田轉入、轉出的變化幅度不同程度地減小。

3.3 水田的核密度估計

為了更加直觀地反映不同時點研究區水田的空間分布狀況，基于30 m 精度水田分布柵格數據，建立1 km×1 km 網格的水田面積點狀分布圖，進行水田分布核密度估計。通過對搜索半徑進行對比研究，選取10 000 m 作為搜索半徑研究三峽庫區重慶庫段水田面積分布的空間格局特征。根據KDE 法，對水田面積進行核函數計算，得到水田的核密度值分布在0～75。采用自然斷點法，將水田面積分布密度區劃分為3 個等級區：核密度值＜21為低密度區，核密度值21～42為中密度區，核密度值＞42為高密度區。

由圖3 可知，不同時段下，三峽庫區重慶段大部分區域水田分布都屬于低密度區，其次為中密度區，高密度區所占面積比例最小，整體呈現“西密東疏”“南密北疏”的分布格局。1990—2015年隨著水田時空分布的演變，水田的核密度分布也發生了顯著的變化。1990年水田面積分布的聚集區呈現為2個顯著的核心分布帶：江津核心分布帶和長壽核心分布帶；到2005 年，西南部的江津水田面積顯著減少，核密度由高聚集區轉變為低密度區；至2015年，高聚集區僅剩長壽核心分布帶。

圖3 三峽庫區重慶段1990年（a）、2005年（b）和2015年（c）3個時期水田分布的核密度估計

3.4 水田分布的景觀格局變化

1990—2015年三峽庫區重慶段不同土地利用類型景觀指數，如表5。三峽庫區重慶段各景觀類型都處于動態變化之中，不同景觀類型表現出一定的空間分布差異性。土地利用類型景觀優勢度（P）和最大斑塊指數（LPI）分別反映某種類型斑塊所占整個景觀面積的百分比與某種類型的最大斑塊面積占該種類型斑塊總面積的百分比，是度量景觀優勢度的重要方式。1990—2015 年林地的P 指數和LPI 指數均為最大，其次是旱地。這在一定程度說明林地和旱地是整個土地利用格局中的優勢景觀類型，水域、建設用地和未利用地的景觀優勢度較小，水田和草地的景觀優勢度居于中間位置。

表5 1990—2015 年三峽庫區重慶段不同土地利用類型景觀指數變化

斑塊密度（PD）、斑塊邊界密度（ED）和平均斑塊面積（MPS）反映了土地利用類型的景觀破碎化程度，當PD、ED 指數越大，或MPS 越小，說明景觀的破碎度越高。由表4可知，1990—2015年7種土地利用類型中，旱地景觀格局破碎化特征最為顯著。從1990—2015 年景觀指數變化來看，水田景觀優勢度（P 和LPI 指數）呈小幅減小趨勢，而景觀破碎化程度（PD、ED和MPS 指數）則呈小幅增加趨勢，表明近25 年來三峽庫區重慶段水田景觀破碎化程度增加，隨著水田面積不斷減少，水田景觀的破碎化進一步擴大。

表4 2005—2015年三峽庫區重慶段土地利用轉移矩陣 km2

4 討論

（1）土地利用是人類對土地進行的長期性或周期性的經營活動，受到人為和自然的雙重影響[25]。而地形是影響土地利用類型結構與變化的一個重要因素[26-27]。水稻作為我國三大糧食作物之一，其耕作制度是長江經濟帶整個農業耕作制度的重要組成部分，它的生產受自然條件和人為管理的共同影響。其中，地形因素決定了水稻生長必須的光熱等資源的再分配。因此，地形因素對水田分布的空間格局影響非常明顯[28]。三峽庫區重慶段位于長江上游，屬亞熱帶季風氣候，降雨和熱量較豐富、灌溉水源較充足，自然條件適宜水田的發展，且長江流域自古就有種植水稻的歷史，但三峽庫區重慶段內的水田類型主要為丘陵水田，坡度較大，且分布極不均衡，呈現西多東少、南多北少的分布格局。這主要是由于在重慶的地形分布中，山地面積占76 %，丘陵占22 %，河谷平壩僅占2 %，而東南部的石柱、武隆以及北部的奉節、巫山、巫溪等區縣位于山地地貌區，海拔較高，在一定程度上影響了土地的開發利用；此外，研究也表明，海拔通過影響區域溫度、水分和光照的分布影響耕地自然質量等別，進而影響作物的產量[29]，因此，三峽庫區重慶段內的水田主要分布在丘陵地帶，東南部和北部區域水田分布較少。

（2）土地利用/覆被變化是人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式，土地利用變化的空間格局表征了一段時間內人—地關系的作用強度與作用模式[30]。水田作為我國西南地區重要的耕地利用類型與濕地景觀類型，受人類活動和農業發展狀況影響，其空間分布不斷變化[31]。近25 年來三峽庫區重慶段內的水田面積逐漸縮減，縮減的范圍和面積在時空上有所差異。1990—2005 年土地利用/覆蓋變化的主要方向是耕地向林地和建設用地轉化，水田向旱地轉化。這主要是由于重慶實施退耕還林政策以來，坡耕地面積減少，林地面積增加；城市化和工業化的發展和建設用地需求的不斷擴大，大量耕地轉為建設用地[32];同時由于城鎮化的推進使農村勞動力不斷減少，水田耕作的成本上升，從而使水田向種植經濟作物的旱地轉化[33-34]。2005—2015年水田的轉移方向主要是向建設用地轉化，同時水域轉入面積較1990—2005 年也大幅增加，這主要由于是重慶市直轄以來城市化建設的擴張以及三峽庫區蓄水導致耕地、林地、草地被淹沒，大量土地轉向水域和建設用地[35]。總的來說，近25 年來研究區水田與水域轉出面積大于轉入面積，表明研究區濕地面積不斷縮減。

（3）景觀格局變化是土地利用/覆蓋變化和景觀異質性在時空上的直接表現[36]。已有研究指出，受多方面的影響，耕地景觀在空間上往往表現出顯著的破碎化特征[37]。水田作為耕地的重要組成部分，同時也是重要的人工濕地，一定時間內的水田變化能夠反映區域景觀變化的方向[38]。該研究發現，三峽庫區重慶段7種土地利用類型中，均表現為旱地的景觀破碎化程度最大。同時，隨著水田面積的大幅減少，水田景觀的破碎化也進一步擴大。這主要是因為三峽工程的實施導致庫區大量耕地被水淹沒，同時移民搬遷和城鎮重建占用耕地，耕地斑塊數量隨之減少趨于破碎[39]，此外，城市的擴張以及重慶的丘陵山區地貌也是導致耕地破碎化的重要原因。旱地和水田的破碎化導致農業生產率和效率降低，耕地的生產能力下降，同時限制了耕地機械化和規模化的發展，不利于研究區農業現代化的發展[40-41]。此外，有研究指出，景觀破碎化會導致保護區與周邊區域原有的景觀生態聯系被中斷或削弱，從而影響區域的景觀生態功能[42]。水田作為濕地系統的重要組成部分，其破碎化不僅會影響農業生產，也會帶來生態系統退化、生物多樣性下降、自然保護功能受損等問題。

（4）三峽庫區重慶段是我國西南地區重要的生態屏障，同時也承載著重要的農業生產功能[43]。通過研究水田時空分布及演變特征，分析近25 年水田資源的動態變化，為農業的結構調整、水田的經營政策制定以及保障庫區生態系統的安全提供參考。針對三峽庫區重慶段水田分布存在地形坡度較大、轉出面積比重大、破碎化顯著的特征，提出合理規劃、利用和保護水田的建議如下：①加強管控，減少建設用地對耕地的占用，穩定一定數量的水田面積；②全面落實“占優補優、占水田補水田”的制度，不僅做到水田數量的平衡，更要保證水田質量的平衡，建設高標準農田；③推動旱地改水田工程的實施，充分挖掘土地的資源價值，將瘠薄分散的旱地改造成優質集中的規模化水田，改善農田耕作條件，提高農作物產量，增加農民收入；④推進水田耕作田塊改造和機械化配套設施的建設，引進和開發適宜山區作業的農業機械，促進水田的機械化和規模化發展，提高耕作效率，推動農業現代化的發展；⑤推進“山水林田湖草”的綜合治理，改善生態環境。

5 結論

（1）三峽庫區重慶段水田分布面積為5 267.94 km2，占耕地總面積的26.70%，平均坡度為11.87°，其中丘陵水田分布最廣。受地形影響，水田分布呈現“西密東疏”“南密北疏”的格局。

（2）近25 年來草地、建設用地和水田等土地利用類型發生了顯著的轉移，水田轉出的面積大于轉入的面積，水田的總面積持續減少。水田與水域轉出面積大于轉入面積，濕地面積不斷縮減。

（3）近25 年來三峽庫區重慶段的核密度分布發生顯著的變化。1990 年水田面積分布的聚集區呈現為2個顯著的核心分布帶：江津核心分布帶和長壽核心分布帶；1990—2005年江津區的核密度由高密度區轉變為低密度區；2005—2015年水田主要集聚分布在長壽。

（4）景觀格局指數表明，近25 年來三峽庫區重慶段水田景觀破碎化程度增加，隨著水田面積不斷減少，水田景觀的破碎化進一步擴大。