喀斯特山区耕地损失空间分布规律及其影响因素研究

［KH－*3D］范婷，潘洪义*，崔绿叶，朱晚秋

(1．四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068;2．四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068)

喀斯特山区耕地损失空间分布规律及其影响因素研究

［KH－*3D］范婷1，2，潘洪义1，2*，崔绿叶1，2，朱晚秋1，2

(1．四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068;2．四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068)

耕地是保障人类生存和发展的基本条件，是土地资源中最重要的组成部分。本文利用凯里市2003年和2013年的遥感影像，基于Erdas和ArcGIS平台，经过图像分类、数字化以及空间数据叠加分析与统计，研究耕地损失在高程和坡度影响下的空间分布情况。结果表明:①凯里市海拔普遍较高，其土地利用/覆被变化主要发生在700～1000 m高程范围内;而地形约束使其土地利用方式在5°～25°的坡度范围内变化最大;②总体上耕地损失量占对应高程范围总面积的比例随着高程增加呈现出逐渐减少的趋势;③随着坡度增加耕地损失量呈现出先急剧增加而后急剧减少的态势，在5°～15°坡度范围内达到最大值。

喀斯特山区;土地利用变化;耕地损失;空间分布;凯里市

土地资源是城市建设和经济发展的物质基础［1］。在我国城市化发展速度不断加快和社会经济迅猛发展的影响下，土地利用结构不断发生变化，而耕地作为区域土地利用的主体部分，其数量的动态消长，特别是耕地流失的问题受到政府和学术界的广泛关注［2］。在一定时期和区域内保持一定数量的耕地，不仅关系着国家与地区的发展，也是保障土地安全、粮食安全乃至生态安全的前提［3－5］。目前，有学者立足于城市化背景，以遥感影像或统计数据为基础分析耕地的数量、空间结构、转移情况及其变化机制［5－9］;有报道从分析区域耕地变化出发定量研究耕地变化与人口、经济发展、粮食生产乃至耕地相关政策之间的关系［10－13］;有学者则在分析耕地变化的基础上进一步对未来一定时间的耕地面积、粮食产量、最小人均耕地面积以及耕地压力指数等进行了预测［14－16］;同时也有学者对非农占用耕地的间接损失部分进行了估算［17］。综合已有的研究成果，大多是从驱动力和相关关系着手来探讨耕地变化，而从自然因素角度分析耕地损失空间分布的研究文献鲜有出现。因此，本文选择具有地域特色的喀斯特地貌区作为研究区域，通过提取损失耕地的空间分布及损失规模来研究不同高程和坡度对耕地的影响，以此揭示在城市化进程中喀斯特山区耕地损失的方向差异及其分布特征，以期为可持续利用管理耕地提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 研究区概况

凯里市是贵州省东部区域性中心城市，是黔东南苗族侗族自治州首府。地跨东经107°40'58″～108°12'09″，北纬26°24'13″～26°48'11″，处于云贵高原东侧阶梯状大斜坡(向中部丘陵过渡地带)的苗岭山麓，清水江畔。属中亚热带湿润季风气候，年平均气温16．1℃，年均降水量1243 mm。全市总面积约1556 km2，市辖5个街道、8个镇、2个乡。凯里是一个以苗、侗、汉族为主体的多民族聚居城市，其中少数民族占了总人口的74%。截至2013年，总人口达106万，户籍人口67万。凯里资源丰富。森林覆盖率达到53．28%;境内有清水江、重安江、巴拉河等大小河溪153条;主要矿藏有煤、铁、铅、锌、铝土矿、硅石岩等，其中硅石中二氧化硅含量高达98 %。

1．2 数据获取与处理

本研究采用2003年与2013年的TM(30 m×30 m)遥感影像数据，在凯里市行政区划图和Google高清卫星地图等数据资料的辅助下，以Erdas8．5和 ArcGIS10．1为软件平台进行数据处理。首先利用Erdas8．5对遥感影像进行预处理，然后参照辅助资料建立分类模板，进而对图像进行监督分类。在研究区土地用途、利用方式和覆盖特征的综合影响下，将土地利用划分为耕地、林地、水体、建设用地和其他用地5种类型。最后结合DEM数据运用Arc-GIS10．1对两个时期的土地利用图进行数字化与空间叠加统计。

图1 凯里市高程分级Fig．1The grading map of elevation of Kaili

2 结果与分析

2．1 不同高程等级下土地利用变化综合分析

凯里市的海拔普遍较高，为了能更好地反映高程对凯里市土地利用的影响，故根据其高程范围制定凯里市高程分级标准:700 m以下为第一级，700～800 m为第二级，800～900 m为第三级，900～1000 m为第四级，1000 m以上为第五级。按照该标准对凯里市的DEM数据进行重分类(图1)，并用ArcGIS统计凯里市在2003－2013年间在每一高程等级下的土地转移面积、比例及主要转移类型见表1。

表1 凯里市2003－2013年不同高程的土地转移面积与变化Table 1Land transfer area and change of different elevation in Kaili from 2003 to 2013

凯里市在研究期间的土地利用/覆被变化主要发生在700～1000 m高程范围内(表1)，而主要的转移类型为林地转其他用地和耕地、耕地转其他用地和建设用地。具体来看，由于受地理位置及交通条件的影响，土地利用变化类型为耕地－建设用地的区域主要位于海拔较低的700～800 m高程范围内，且大多属于平缓的山谷地带;而考虑到耕作的可行性以及农作物的产量，林地－耕地大部分则位于800～1000 m海拔区域，但由于可耕作面积的有限性，为满足需求当地农民则只能向1000 m海拔以上的区域寻找耕地;耕地－其他用地在1000 m以下的各高程范围内都广泛分布，是地方征用耕地但尚未开发利用以及生态环境退化的共同结果;林地－其他用地的分布遍布全市，是凯里在研究区内土地利用变化最为活跃的一种类型。

因此，在800 m内高程对土地在耕地与建设用地之间变化的影响最大，其次是对林地、耕地和其他用地之间的影响。高程因影响气压、空气密度和气温的变化，对人类生产生活所能到达的海拔高度具有决定性作用，使人类的活动和居住多分布在海拔较低、气温较高区域，故土地利用/覆被变化也主要在这高程范围内发生。

2．2 不同高程等级下耕地损失分析

耕地是喀斯特山区尤为重要的一种土地资源。为了能更加充分地反映出高程对喀斯特山区土地利用变化的影响，故选取耕地作为研究对象，对耕地在2003－2013年间不同高程的损失情况进行了统计(表2)。

总体上看，凯里市耕地损失量占比随着高程增加呈现出逐渐减少的趋势，这反映出凯里市的大多数人类活动都集中在高程低的区域。当高程超过800 m后，由于人口分布稀少以及改变难度加大，耕地损失数量急剧减少。

从在不同高程影响下损失耕地向不同地类的转化量及其空间分布来看，转建设用地的区域主要集中在高程＜800 m范围(图2)，占比达到74．02%。在600～650 m内耕地损失于建设用地的面积达最大值，占该高程范围耕地总面积的32．6%，主要分布在主城区向西南方向鸭塘镇延伸的干道上，“凯麻同城化”的推进及所带来的辐射效应是使建设用地沿着320国道扩展的主导力量。在650～850 m高程区间耕地转建设用地数量逐渐减小，零星分布于凯开大道两侧以及市下辖的乡镇。而在850～950 m的区间又出现折点是由于在近10年间三棵树镇与炉山镇通过占用耕地来大力发展区域经济出现的结果。耕地转林地零星分布于整个市域内(图3)，除在800～850、950～1000 m区间发生小幅突变外，在＜1150 m范围内变化都比较和缓，剧烈变化主要集中发生在＞1150 m范围，变化面积占该区域耕地总面积的75．43%，充分反映了喀斯特山区在低海拔地域以及随着高程增加地形变陡利用强度减小而出现的生态退耕现象。耕地转其他用地在＜550 m和＞1250 m 2个极端高程区转化面积比例较大(图4)，主要是由于该范围的耕地面积本身较小造成的;在550～1250 m内耕地转为其他用地的变化平缓，且其间主要表现为大面积经过削峰填谷后待开发的裸地和少部分质量较低的弃耕地。

表2 凯里市2003－2013年不同高程的耕地损失情况Table 2The situation of loss of cultivated land at different elevations in Kaili from 2003 to 2013

图2 不同高程下耕地转建设用地面积占比及空间分布Fig．2The proportion of cultivated land converted into construction land and spatial distribution map under different elevation

图3 不同高程下耕地转林地面积占比及空间分布Fig．3The proportion of cultivated land converted into forest and spatial distribution map under different elevation

图4 不同高程下耕地转其他用地面积占比及空间分布Fig．4The proportion of cultivated land converted into other land and spatial distribution map under different elevation

2．3 不同坡度等级下土地利用变化综合分析

根据凯里市的坡度范围将其分为五个等级，具体分级标准为:小于5°为第一级，5°～15°为第二级，16°～25°为第三级，26°～35°为第四级，35°以上为第五级。按照该标准对凯里市的坡度进行重分类(图5)，并进一步统计凯里市在2003－2013年间在每一坡度等级下的土地转移面积、比例及主要转移类型(表3)。

图5 凯里市坡度分级Fig．5The grading map of slope of Kaili

表3 凯里市2003－2013年不同坡度等级的土地转移面积与变化Table 3Land transfer area and change of different slope in Kaili from 2003 to 2013

研究区在2003－2013年间土地利用/覆被变化在5°～25°的坡度范围内变化最大，在小于5°以及26°～35°的范围内次之，而在坡度达35°以上区域变化最小。坡度小于5°区域主要发生的是耕地－建设用地的变化，在坡度5°～35°区域内是林地、耕地、其他用地之间的交互变化，而坡度在35°以上则变化甚小。表明在0°～35°范围内坡度因子主要影响土地利用/覆被在耕地、建设用地、林地以及其他用地之间的变化，就耕地－建设用地这一变化来说，结合凯里自身的发展实际，一个位于“地无三尺平”的山区并正处于城市化大力发展阶段的城市，亟需占用大量坡度小的土地来满足整个城市的发展需求，因而坡度在0°～15°范围内的平坦地区发生土地利用变化现象尤为明显。

2．4 不同坡度等级下耕地损失分析

总体上看，凯里市耕地损失量随着坡度增加呈现出先急剧增加而后急剧减少的趋势(表4)，而其占比呈现出先减少后增加的现象。在5°～15°坡度范围内耕地损失面积达到最大值，同时＜5°区域耕地损失面积所占比例最大，表明凯里市的人类活动大多都集中于＜15°坡度范围。

从在不同坡度影响下损失耕地向不同地类的转化量及其空间分布来看，转建设用地所占比例随着坡度增加逐渐下降(图6)，在坡度5°～15°范围内耕地转为建设用地的面积最多达4856．24 hm2，其中的4185 hm2都集中位于10°～15°坡度范围，当坡度大于26°后，耕地转建设用地的规模极小甚至为0，反映出喀斯特山区地形对区域建设的严重阻碍作用。发生转移变化的区域主要分布在凯里城区以及在地方政府扶持下大力发展的鸭塘、三棵树以及炉山镇。耕地转林地在空间上零星分布于整个市域(图7)，由于坡度15°以下区域是喀斯特山区人为活动的活跃地带且随坡度增加耕地本身面积增加，故使得耕地转林地的面积较小且所占比例逐渐减小，当坡度大于15°后，随着人类作用强度减弱，耕地自然转林地的比例也逐渐增大，当坡度达30°后耕地转林地的比例高达31．81%。耕地转其他用地主要分布在研究区的东北部(图8)，且集中于坡度15°以下，面积多达7718．84 hm2，占该坡度区耕地总面积的32．13%。从以上折线图可以看出在＜30°坡度范围内耕地转其他用地占比不断增大，而当大于30°后占比便大幅降低且主要以无法利用的山间裸地形式存在。

表4 凯里市2003－2013年不同坡度的耕地损失情况Table 4The situation of loss of cultivated land at different slope in Kaili from 2003 to 2013

图6 不同坡度下耕地转建设用地面积占比及空间分布Fig．6The proportion of cultivated land converted into construction land and spatial distribution map under different slope

图7 不同坡度下耕地转林地面积占比及空间分布Fig．7The proportion of cultivated land converted into forest and spatial distribution map under different slope

图8 不同坡度下耕地转其他用地面积占比及空间分布Fig．8The proportion of cultivated land converted into other land and spatial distribution map under different slope

3 讨论与结论

本文以凯里市作为研究区域，在2003年与2013年遥感影像以及DEM数据的基础上，运用Erdas8．5和ArcGIS10．1进行图像分类、数字化处理以及空间数据叠加分析与统计，分析在高程和坡度等因素影响下耕地损失的空间分布特征。

(1)凯里市位于喀斯特地貌区，海拔与坡度对土地利用有着重大影响。凯里市的海拔普遍较高，土地利用/覆被变化主要发生在700～1000 m高程范围内，其间转移类型主要为林地转其他用地和耕地、耕地转其他用地和建设用地。其中耕地－建设用地大多分布于平缓的700～800 m高程范围内，林地－耕地大部分位于800～1000 m海拔区域，耕地－其他用地在1000 m以下的各高程范围内都广泛分布，而林地－其他用地的分布则遍至全市。而10年间土地利用方式在5°～25°的坡度范围内变化最大，＜5°以及26°～35°范围内的变化次之，在坡度＞35°区域变化最小，且变化大多都是耕地、林地、建设用地和其他用地之间的交互转化。

(2)凯里市耕地损失量占比随着高程增加呈现出逐渐减少的趋势，耕地损失转为建设用地的区域集中在高程＜800 m范围，且在600～650 m间达最大值;耕地转林地在＜1150 m范围内变化都比较和缓，剧烈变化主要集中发生在＞1150 m区域;耕地转其他用地在＜550 m和＞1250 m两个极端高程区转化面积比例较大，在550～1250 m内变化平缓。

(3)凯里市耕地损失量随着坡度增加呈现出先急剧增加而后急剧减少的趋势，在5°～15°坡度范围内达到最大值。转建设用地所占比例随着坡度增加逐渐下降，在坡度5°～15°范围内耕地转建设用地的面积最多且其间高度集中于10°～15°坡度范围，大于26°后转移规模极小甚至为0;耕地转林地在空间上零星分布于整个市域，坡度15°以下转移面积较小，当大于15°后耕地自然转林地的比例逐渐增大，当坡度达30°后耕地转林地的比例高达31．81%;耕地转其他用地主要分布在东北部且集中于坡度15°以下，在＜30°坡度范围内耕地转其他用地占比不断增大，而30°后便迅速降低。

［1］牛乐德，鲁敏，王大力，等．昆明市耕地变化特征及驱动机制研究［J］．中国农学通报，2015，31(7):251－255．

［2］李晓文，方精云．近10年来长江下游地区耕地动态变化特征［J］．自然资源学报，2003，18(5):562－567．

［3］刘新平，吕晓，罗桥顺．1996－2005年新疆耕地数量变化分析［J］．水土保持研究，2008，15(1):128－130．

［4］巴哈尔古丽·吾甫尔，瓦哈甫·哈力克．基于主成分分析的巴州耕地变化趋势与驱动力［J］．干旱区资源与环境，2012，26(3): 105－110．

［5］张冰玢，焦利民．快速城镇化背景下江汉平原耕地变化分析［J］．湖北农业科学，2015，54(18):4468－4472．

［6］张军岩，贾绍凤，高婷．石家庄城市化进程中的耕地变化［J］．地理学报，2003，58(4):620－628．

［7］杜云霞，张树文．长春市城市化进程中耕地变化分析［J］．中国农学通报，2011，27(8):269－273．

［8］王成军，费喜敏．基于四十二国样本的工业化、城市化与耕地变化机制研究［J］．地域研究与开发，2013，32(4):117－122．

［9］吴克宁，李晶辉，吕巧灵，等．城市化过程中郊区耕地变化及驱动力分析——以郑州市为例［J］．河南农业科学，2006(6):1004－3268．

［10］白丽月，邱昌颖，黄曦，等．福建省耕地变化与人口及经济增长的关系分析［J］．中国农业资源与区划，2013，34(4):28－31．

［11］朱琳，杨伟．基于计量经济模型的耕地变化与经济发展关系研究［J］．西南师范大学学报(自然科学版)，2012，37(7):109－113．

［12］石淑芹，陈佑启，姚艳敏，等．中国区域性耕地变化与粮食生产的关系研究——以东北地区为例［J］．自然资源学报，2008，23 (3):361－368．

［13］许丽丽，李宝林，袁烨城，等．2000－2010年中国耕地变化与耕地占补平衡政策效果分析［J］．资源科学，2015，37(8):1543－1551．

［14］曹银贵，王静，程烨，等．山峡库区耕地变化研究［J］．地理科学进展，2006，25(6):117－125．

［15］李玉平，蔡运龙．浙江省耕地变化与粮食安全的分析及预测［J］．长江流域资源与环境，2007，16(4):466－470．

［16］潘佩佩，杨桂山，苏伟忠，等．1985年以来太湖流域耕地变化与粮食生产研究［J］．长江流域资源与环境，2013，22(10):1289－1296．

［17］刘友兆，曾志强，钟太洋．非农占用耕地损失估算［J］．地域研究与开发，2003，22(1):14－16．

(责任编辑 李洁)

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

国家自然科学基金(41371125);四川省教育厅课题(16ZB0061)

范婷(1993－)，女，四川西充人，硕士研究生，主要从事土地利用与评价研究，E-mail:fanting93@163．com，*为通讯作者:潘洪义，副教授，主要从事土地利用与评价研究，E-mail:panhongyi80@163．com。