多因素影响下的喀斯特山区坡耕地分布特征——以贵阳市花溪区为例

杨 懿, 高华端, 王 群, 李晓松

(贵州大学 林学院, 贵阳 550025)

耕地作为一种宝贵的自然资源，不仅承载着粮食生产的基本功能，还具有农耕景观功能，是“山水林田湖草”整个生态系统必不可少的重要部分；而坡耕地作为耕地的重要组成部分，是山地丘陵区的主要耕地类型，现已成为水土流失和面源污染最严重的地类之一，正面临着土层变薄、土地生产地下降和生态问题频发等问题[1-2]。因此明晰坡耕地分布特征，对于区域耕地保护、土壤侵蚀控制及防止环境恶化有重要意义。

自“18亿亩耕地红线”这一概念被提出以后，耕地成为全社会研究热点，主要集中在区域耕地数量时空动态变化及其驱动力[3-6]、耕地景观格局研究[7-8]、耕地质量评价[9]和耕地质量保护等[10-11]方面，耕地的重要性日益凸显。而坡耕地是自然因素和人为因素综合作用下形成的，具有独特侵蚀环境的耕地类型[12]，有众多学者都对坡耕地进行了研究，其中耿韧等认为研究坡耕地的空间分布特征有助于水土保持防治对策的制定[13]；而坡耕地的空间分布与坡耕地距居民点和道路的距离有关，同时区域气候、高程、坡度、岩性、地形起伏及土壤类型等因素也影响着坡耕地的空间分布[14-15]。在众多影响因素中，岩性是坡耕地分布的基础，决定着区域土壤类型，土壤类型进一步表现出区域土壤肥力状况，而坡位代表着坡耕地的垂直空间分布情况，居民点则是影响坡耕地分布最为显著的人为因素。现有坡耕地研究多集中在三峡库区和黄土高原区，喀斯特山区的不同因素影响下的坡耕地分布研究尚未见报道。

贵州省是西南喀斯特地貌典型区域，区内地质、地貌条件复杂，土壤类型丰富，同时也是西南山地丘陵区代表省份，山地丘陵面积高达92.5%[16]，因此坡耕地是区域主要耕地类型，坡耕地面积占总耕地面积的82.90%[17-18]，承载着区域粮食和农产品主要生产力。花溪区地层岩性、地形地貌及土壤类型多样，具有一定的代表性，同时，也是贵州省著名的风景旅游区和“国家级生态示范区”。因此本文选定贵州省贵阳市花溪区坡耕地作为研究对象，利用ArcGIS平台，系统分析在岩性、土壤类型、坡位和居民点影响下的坡耕地分布特征，为喀斯特山区坡耕地资源合理规划利用以及水土流失治理和生态环境保护等提供一定的数据参考。

1 研究区概况

花溪区位于贵州省中部，下辖5镇6乡18个社区，区内人口数量多，人为活动剧烈。全区地势呈明显的东西高、中间低特征，东南部最高；区内剥蚀丘陵与盆地、谷地、洼地相间，地貌破碎；同时泥盆纪(D)、石炭纪(C)、二叠纪(P)、三叠纪(T)、侏罗纪(J)、第四纪(Q)地层均有出露，地质构造复杂，岩石类型主要有石灰岩、白云岩、普通砂页岩和紫色砂页岩等，种类较为丰富。该区地处云贵高原东斜坡和苗岭山脉中段，是长江水系和珠江水系的分水岭地带，境内河流17条，水量主要靠自然补给。

2 材料与方法

2.1 数据来源

以 2018年谷歌地图真彩色无偏移卫星影像图(分辨率为 0.5 m)为数据源，在 ArcGIS 10.2软件环境下人工解译获得研究区土地利用图。根据实际需求，再结合国家标准《土地利用现状分类》(GB/T21010-2017)，一共设置了坡耕地、梯平地、水田、林地、住宅用地、交通运输用地、水域及其他用地8种地类。

研究区DEM数据通过BIGEMAP地图下载器下获取，然后再以该DEM为数据源，运用ArcGIS 10.2软件生成所需的地形因子。岩性和土壤类型数据是通过扫描研究区纸质版地质图和土壤图，在ArcGIS 10.2里矢量化处理，提取研究区的岩性、土壤类型数据。

2.2 研究方法

2.2.1 格网分析法 考虑研究区实际情况和数据处理难度，利用ArcGIS 10.2的 Create Fishnet功能，将研究区分为1 km×1 km共计 1 097个格网单元，受行政边界影响，共有812个完整格网和285个不规则格网。统计每个格网内的坡耕地面积占比，作为空间自相关分析的观测量。使用网格法可以避免因各乡镇面积大小的差异而导致计算结果可比性较弱的问题，使计算结果可比性更加明显[19]。

2.2.2 空间自相关性 空间自相关性通常包括全局自相关和局域自相关，全局自相关从宏观角度判断坡耕地是否有聚集性，局域相关性可以判断出某个区域内坡耕地的集聚或扩散状态。Global Moran′sI为全局自相关指标，Local Moran′sI是局域空间自相关指标。具体公式如下：

2.2.3 坡耕地比例指数 为了研究坡耕地在各因素影响下的分布情况，采用坡耕地相比占比和坡耕地绝对占比两种指数来描述，公式如下：

坡耕地相对占比=区域坡耕地面积/区域总面积×100%

坡耕地绝对占比=区域坡耕地面积/坡耕地总面积×100%

绝对占比可以表现出花溪区坡耕地的空间分布情况，但受到区域面积大小影响，所以并不足以代表坡耕地的分布趋势，相对占比是某个区域内坡耕地的分布情况，可以判断出区域内坡耕地是否属于优势地类。

一队拖拉机开了过来。张连长的口令声被拖拉机声盖住。拖拉机总共十二台,每两台一纵列,由新到旧纵向列开。不过,即使是旧拖拉机,也擦洗得干干净净。拖拉机的纵列后,是八挂大车一字排开,套在车上的马匹精神抖擞,佩戴红花、铃铛。

2.2.4 景观指数 景观空间格局可以反映出一个区域的生态状况和空间变异特征，本研究采用ArcGIS 10.2软件平台中的Patch Analyst模块进行景观分析，结合实际情况，选取了斑块平均面积和破碎度2个指数描述花溪区林地景观分布特征。

3 结果与分析

3.1 花溪区坡耕地空间分布现状

表1是花溪区土地利用现状图，从图中可以看出坡耕地主要集中分布在花溪区西部地区，从图中土地利用现状表也可以看出坡耕地分布面积仅次于林地，是花溪区第二大优势地类，占全区总面积的21.07%，占全区耕地面积的63.85%，说明坡耕地是花溪区主要耕地类型且分布面积较大。

表1 花溪区土地利用现状表

3.1.1 基于行政单元分区的坡耕地空间分布特征 一般来说，行政单元是根据政治、经济、文化、民族、地理、人口、国防、历史传统等多方面的因素划分的，但是随着现代社会生产力的发展，经济因素起着重要的作用，因此不同行政单元因其主要功能有差异，其坡耕地分布肯定也存在不同。图1是花溪区各行政单元坡耕地分布图，除图中标注出来的金竹、溪北、小孟、花孟、清溪和贵筑社区以外，其余12个社区由于行政面积较小，为了便于数据的分析和描述，本文将其统称为“社区”。其中图中所表示出的行政区包含了花溪区98.54%的坡耕地，“社区”的坡耕地面积仅占花溪区坡耕地面积的1.46%。从坡耕地分布图来看，所有行政区中，燕楼、麦坪、石板、党武和久安的坡耕地占比较高，其次是湖潮、金竹和贵筑。总体来说，花溪区坡耕地呈现出西部多东部少的空间格局。

图1 花溪区不同行政区坡耕地分布

3.1.2 基于网格单元分区的坡耕地分布特征 研究区内各网格单元内坡耕地用地比均值为20.69%，即相当于100 hm2的面积内有20.69 hm2坡耕地。如图2A所示，在空间分布上差异明显，总体表现为西部高，中部和东部低的空间格局。西部地区的麦坪、久安、石板、党武、燕楼和湖潮行政区坡耕地用地比明显高于东部地区，其中坡耕地用地比最大值出现在久安。

图2B是用ArcGIS软件中的热点分析工具做出来的研究区坡耕地热点分析图，热点代表坡耕地集聚区，冷点则代表坡耕地分布分散区；其中极热点82个网格，热点74个，较热点47个，较冷点73个，冷点83个，极冷点6个，无显著冷热点732个。从图中可以看出坡耕地的热点主要集中在花溪区西部的麦坪、久安、金竹、湖潮、党武、燕楼和石板，冷点主要在高坡、黔陶及行政面积较小的几个社区。

图2 花溪区网格单元坡耕地占比分布和热点分析

3.2 坡耕地在不同环境因素下的空间分布特征

3.2.1 不同岩组坡耕地分布特征 图3是花溪区岩性分布图，花溪区主要分布着白云岩、石灰岩、砂页岩和紫色砂页岩，煤系地层砂页岩和砾石极少量分布，因此本研究将花溪区岩石分为白云岩、石灰岩、普通砂页岩和紫色砂页岩4个岩组。从图中可以看出紫色砂页岩组分布最为集中连片，其次是普通砂页岩组和白云岩组，石灰岩组分布最为破碎，分散在花溪区各处。

图3 花溪区岩性分布

从表2中可以看出，花溪区各岩组中分布面积最大的是石灰岩组，其次是白云岩组、普通砂页岩组和紫色砂页岩组；各岩组中坡耕地的分布面积由大到小依次表现为：石灰岩组>白云岩组>普通砂页岩组>紫色砂页岩组，从绝对占比来看，石灰岩组上的坡耕地占比远高于其他3个岩组，从相对占比来看，普通砂页岩组略高于石灰岩组；4个岩组上的坡耕地的平均面积，普通砂页岩组最大，其次是白云岩组，紫色砂页岩组最小，说明普通砂页岩组上的坡耕地斑块较连片，紫色砂页岩组上的坡耕地较为分散；而破碎度指数大小表现为普通砂页岩组最小，紫色砂页岩组最大，石灰岩组和白云岩组相同，说明普通砂页岩组上坡耕地分布最为集中，紫色砂页岩组最为破碎。

表2 花溪区不同岩性区坡耕地分布特征

图4 花溪区不同土壤类型区坡耕地分布特征

3.2.3 不同坡位坡耕地分布特征 利用ArcGIS软件将研究区坡面划分为上、中、下3种坡位。图5是不同坡位区域内坡耕地的分布特征图。从图中可以看出，下坡位区域面积最大，其次是中坡位和上坡位，其中坡耕地在下坡位区域分布面积也最大，占坡耕地总面积的39.59%，其次是中坡位(34.05%)和上坡位(26.36%)，；但是从相对占比来看，中坡区域坡耕地占比为22.71%，其次是下坡(20.68%)和上坡(19.81%)；而3个坡位区域中，下坡位的坡耕地斑块平均面积最大，破碎度最小，其次是中坡位，最后是上坡位；说明下坡位区域坡耕地分布最为集中成片，上坡位区域坡耕地最为分散。

图5 花溪区不同坡位区域坡耕地分布特征

3.3 坡耕地在居民点影响下的空间分布特征

为研究人为因素对坡耕地分布的影响，选取了居民点作为影响因素，利用ArcGIS软件对居民点建立缓冲区进行分析。缓冲区距离以50 m为等间距，分为表3所示的10个等级，统计出不同距离缓冲区的坡耕地面积、数量及平均面积。由表可知，随着缓冲区距离不断增大，坡耕地面积占比不断减小，斑块数量先减小后增加，平均面积呈现出先增加后减小的趋势。在距离居民点500 m以内的区域包含了90.24%的坡耕地，在距离居民点50 m的缓冲区内坡耕地面积比重达到20.06%，而在距离居民点450～500 m这个区域内，坡耕地面积比重仅占2.81%。坡耕地面积占比不断减小说明距离越远，居民点对坡耕地的影响越小，从不同耕作距离内坡耕地的分布情况来看，居民点对坡耕地分布具有一定的控制作用。

表3 花溪区居民点缓冲区内坡耕地分布特征

利用ArcGIS软件对坡耕地和居民点分别做全局空间自相关分析，Moran′I指数分别为0.523 9，0.653 9，Z值得分分别为23.374 5，29.217 2，p值均为0；说明坡耕地和居民点均通过显著性检测，且在空间分布上具有空间正相关，出现明显的聚类特征。然后利用Geoda软件的空间分析工具对坡耕地和居民点做局部双变量自相关分析，得到图6所示的坡耕地和居民点的局部双变量LISA图，从图中可以看出，坡耕地和居民点的关系分为5种，高—高型(HH)、低—低型(LL)、高—低型(HL)、低—高型(LH)和不显著型；其中HH和LL表示两变量间存在空间正相关，具有较高的空间聚合特性，HL和LH表明两变量间存在空间负相关，且区域具有离散特性。研究区中HH共有31个网格，LL共有205个网格，HL有74个，LH有122个；其中HH代表该区域坡耕地多且居民点也多，研究区中HH型主要分布于党武、石板和金竹；LL型代表该区域坡耕地少居民点也少，多分布于黔陶、高坡和马铃；HL型则代表该区域坡耕地多但居民点少，多分布于马铃、燕楼和久安；LH型代表该区域坡耕地少但居民点多，多分布于孟关和社区中。

图6 花溪区坡耕地和居民点双变量自相关LISA图

根据坡耕地和居民点的双变量自相关分析结果，可以将上述4种关系归纳为3种类型，坡耕地偏多型、坡耕地偏少型、坡耕地—居民点均衡型。其中HH型和LL型代表坡耕地和居民点呈现正相关关系，可以认为是均衡型，HL型和LH型则表现出负相关关系，因此认定HL型为坡耕地偏多型，LH型为坡耕地偏少型。未表现出显著相关关系的网格暂不做描述。坡耕地偏多型可以考虑加速推进退耕还林还草政策的实施，也可以减轻区域水土流失；而坡耕地偏少型要根据当地实际情况，增加居民收入，缓解生存压力；不同人地关系类型区采取有针对性的措施来缓解人地关系，以带动研究区的坡耕地转型，同时也要考虑区内高坡位区域坡耕地合理利用或退耕，促进研究区人地协调发展[21]。

4 讨 论

研究结果表明地层岩性对坡耕地分布影响显著，花溪区岩石主要分为石灰岩组、白云岩组、普通砂页岩组和紫色砂页岩组，其中砂页岩发育形成的土壤厚重且肥力较好，碳酸盐类岩石发育形成的土壤则比较浅薄且不连续，因此理论上砂页岩区土壤更适合耕作；但花溪区石灰岩组上也分布着较大面积的坡耕地，是因为石灰岩组大部分区域地势较为平坦，居民点分布面积大且较为分散，因此该区域坡耕地分布面积较大；而研究区中紫色砂页岩组为城镇地带，多分布住宅用地，坡耕地面积小，分布零散；而白云岩组地势起伏大的地方多为林地，平坦区域则多为住宅用地。

此外，黄壤作为花溪区地带性土壤，土壤肥力条件较好，耐早保肥；石灰土作为喀斯特地区特有的土壤类型，土层较薄，透气性好；而水稻土则是长期淹水种稻条件下形成的，土壤下层较为黏重，保水能力强；黄壤由于土壤肥力较好，因此适合作物生长，而石灰土的在花溪区的分布面积较大，水稻土区域本应为水田，但由于多方面原因，很多水田都改为旱地，因此花溪区坡耕地多为黄壤、石灰土和水稻土。

而通过对居民点做缓冲区分析发现，当耕作距离为50 m时，斑块数量最多，当耕作距离为100 m时，斑块平均面积最大，可能是因为在居民点周围的坡耕地大多是自留地，可耕作面积较小，分布较为零碎，而当耕作距离逐渐增大时，可耕作的面积变大，土地逐渐成片被开垦，但耕作距离持续增大时，坡耕地又开始变得分散，是因为耕作距离越远，播种和收割的难度越大，因此多为只需要简单农具即可耕作的小面积耕地，由此说明居民点通过控制耕作距离对坡耕地的分布产生影响。

总体来说研究区坡耕地主要集中在麦坪、久安、金竹、湖潮、党武、燕楼和石板，同时这些区域的坡耕地分布面积广，分布也较为集中连片，出现这种现象主要有以下几个方面的原因：(1)这几个乡镇均以传统农业为主，区域内工业化程度较低，大部分人生活主要依靠耕作，因此坡耕地还承载着主要生产力；(2)这一片区域主要分布着石灰岩和普通砂页岩，土壤类型丰富，同时地势较平坦，便于耕作；(3)居民点多且分布零散，因此农户能够最大程度的利用周边的可利用地。

5 结 论

花溪区坡耕地在普通砂页岩组和石灰岩组上分布较为集中连片；坡耕地土壤主要为水稻土、石灰土和黄壤；下坡位坡耕地分布面积最大；而居民点对坡耕地分布具有一定的控制作用，通过控制耕作距离来影响坡耕地分布。

花溪区坡耕地呈现出“西部多东部少”的空间格局，是因为受岩性、土壤类型、地形和居民点的共同影响，其中久安、燕楼、湖潮、金竹、麦坪、石板和党武为坡耕地集中连片分布区，这些区域存在潜在水土流失和产沙量增大的危害，在进行区域土地资源规划和水土流失防治时应优先考虑，同时对于高坡位坡耕地应更有针对性的进行管理，有效防止水土流失。