岩溶山区耕地时空演变及影响因素

施厚军 王洪 兰安军 杨恩林

摘要：以贵州省贞丰县2010—2020年耕地数据为对象，运用核密度和转移矩阵法对岩溶山区耕地时空演變及影响因素进行分析。结果表明，2010—2020年，耕地面积由56 754.16 hm2减少至39 715.85 hm2，共减少17 038.31 hm2，破碎化程度加剧。研究期内，耕地主要转化为林地、园地，主要发生于研究区中部的白层镇、鲁容乡和鲁贡镇一带；其次建设用地持续占用耕地，加速耕地面积减少。自然因素和社会因素共同影响耕地面积分布及其变化；耕地主要分布于坡度6°～25°及道路和居民点缓冲带100 m范围内。

关键词：耕地；时空演变；影响因素；岩溶山区

中图分类号：F301.24         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）04-0049-07

Spatial-temporal evolution and influencing factors of cultivated land

in karst mountainous area

Abstracts： The spatial-temporal evolution and influencing factors of cultivated land in the karst mountainous area were analyzed using kernel density and transfer matrix methods with cultivated land data of Zhenfeng County， Guizhou Province from 2010 to 2020 as the object. The results showed that from 2010 to 2020， the cultivated land area decreased from 56 754.16 hm2 to 39 715.85 hm2， a total decrease of 17 038.31 hm2， and the degree of fragmentation increased. During the study period， cultivated land was mainly converted into forest and garden land， which mainly occurred in the central part of the study area around Baiceng Township， Lurong Township， and Lugong Township， followed by the continuous occupation of cultivated land by construction land， which accelerated the reduction of cultivated land area. Natural and social factors jointly influenced the distribution of cultivated land and its changes， and cultivated land was mainly distributed on slopes of 6° to 25° and within 100 m of the buffer zone of roads and settlements.

Key words： cultivated land； spatial-temporal evolution； influencing factors； karst mountainous area

耕地是粮食生产的载体，是决定一个国家或地区人口承载能力和可持续发展能力的关键因素［1］。粮食供给平衡问题在短期内可以通过国内或国际市场解决，但是在人多地少且国际环境极为复杂的状况下，中国如何以相对较少的土地解决较多人口的吃饭难题成为当下重任［2］。人类活动与自然相互作用促使土地利用发生变化，改变了耕地的数量、质量及种植结构等属性，导致耕地生产力发生改变［3］、面积下降、空间破碎、生态问题加剧［4］。城乡建设、生态文明建设持续侵占耕地［5，6］，导致耕地面积减少，而耕地保护政策推行下的土地开发、整治带来的区域耕地面积增加也影响着区域粮食生产能力［7］。尤其是在自然环境复杂多样的岩溶山区，耕地资源量少、质量差且破碎化程度高，往往是区域保障发展与保护安全的矛盾所在［8，9］。因此，将岩溶山区耕地作为研究对象，探讨耕地的时空演变规律及影响因素，已成为政府层面耕地保护策略及农业资源配置优化的重要途径，对研究区域可持续发展和区域粮食安全具有重要指导意义。

国内外研究成果丰富，内容上，主要集中于耕地时空演变、驱动机制、利用效率评价、区域差异、耕地多功能收敛等研究［10，11］。研究方法主要为模型评价法、动态度、核密度、地理探测器、转移矩阵等方法［12，13］。研究尺度主要涉及国家、省域、市县、乡镇及流域等尺度［14，15］。岩溶山区地理环境复杂多样，整体上的土地利用研究理论较丰富，但针对单一的耕地利用情况研究较少，岩溶山区的耕地时空演变规律及影响因素仍是学术界及社会关注的焦点。因此，探讨2010—2020 年岩溶山区耕地时空演变及影响因素，对探索岩溶地区社会、经济、生态协调发展模式，促进岩溶山区协同发展具有重要意义。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

贞丰县隶属于贵州省黔西南州，地处西南岩溶腹地，东邻镇宁县和望谟县，南部接安龙县、册亨县，西与兴仁县接壤，北与关岭县毗邻［16］。下辖1街道5镇7乡，总面积1 511 km2，截至2021年末，常驻人口为30.49万人。如图1所示，研究区海拔西北高东南低，西北地势相对平坦，而研究区南部和中部白层镇、鲁容乡等区域坡度较大，地形复杂多样，属岩溶盆地，低山丘陵带。域内有北盘江，水资源丰富，土壤肥沃，是区域的粮食主产区。传统产业有玉米、水稻、豆类等农作物，新型农产品有火龙果、百香果、花椒等。

1.2 研究方法

本研究主要以2010年、2015年、2020年ALOS、高分一號、高分二号遥感影像为数据源，其影像分辨率为1～2 m，DEM数据来源于地理空间数据云，分辨率为30 m。基于ArcGIS平台，依据《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）标准，结合研究区实际情况，采用人机交互提取研究区耕地、园地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地7种土地利用类型。为了保证数据的精度，经过内外实地验证，精度达到95%以上，满足研究要求。

1.2.1 核密度分析 利用核密度分析方法对耕地的空间分布状态进行估算，计算式如下。

式中，k为核函数；h为带宽度（k>0）；（[x-xi]）为估计点到样本处的距离。估算时，当h增加，空间上点密度的变化更为光滑，但会掩盖密度的结构；反之，估计点密度变化会突兀不平［17］。

1.2.2 耕地利用转移矩阵 耕地利用转移矩阵是指同一区域不同时段耕地利用类型的变化量与各土地利用类型间的转化量［18，19］，统计耕地利用类型转移的趋向、面积及转化率，分析各研究阶段耕地利用的转移特征。其计算式如下。

式中，S为耕地面积；n为转移前后的土地利用类型数；i、j分别表示转移为研究初期和末期的耕地利用类型。

2 结果与分析

2.1 耕地区域分布及变化特征

由图2可知，研究区耕地主要分布于中部的龙场镇、小屯乡、永丰街道、白层镇、鲁容乡一带，北部次之，南部耕地面积分布相对较少。耕地面积整体呈降低趋势，2010年耕地面积为56 754.16 hm2，2015年降至47 275.68 hm2，2020年降至39 715.85 hm2，2010—2020年共减少17 038.31 hm2。

从变化程度分析，研究区中部和南部各乡镇的耕地面积除挽澜乡和沙坪乡呈波动降低外，其余乡镇的耕地面积呈持续性降低。整个研究区内以中部的白层镇、鲁容乡、鲁贡镇、永丰街道减少最明显，且主要在研究时段2010—2015年内降低最明显，分别减少2 900.12、3 528.56、1 990.90、790.33 hm2。北部耕地面积除北盘江镇波动增长外，平街乡、长田乡、者相镇呈波动降低，减少幅度相对较小，其中北盘江镇2010—2020年耕地面积增加498.97 hm2。

2.2 耕地核密度分布

将研究区耕地的核密度图分成低密度（≤10 piont/km2）、较低密度（10～20 point/km2）、中密度（20～30 point/km2）、较高密度（30～40 point/km2）、高密度（>40 point/km2）5个等级，各时间段密度特征差异明显，如图3所示。在2010年只有低密度、较低密度和中密度3种类型，且中密度区域极少，相较于北部平街乡、北盘江镇、长田乡等，南部鲁贡镇、沙坪乡、连环乡和中部龙场镇、永丰街镇、白层镇等耕地核密度相对较大；到2015年低密度区减少，中密度和较高密度区增加，较高密度区主要位于南部的连环乡、鲁贡镇和沙坪乡一带；2020年研究区耕地核密度的变化在空间和数量上均发生较大变化，北部出现了大面积的较高密度区和高密度区，南部鲁贡镇和沙坪乡的较高密度区面积有扩大趋势。但这些区域的耕地面积呈降低趋势，核密度呈增加趋势，说明耕地受人为因素影响明显。现代化种植技术的应用促进种植模式多样化，生产要素增加，相应的配套设施道路、沟渠、水池等用地增加，导致原有地块分割成多块，促使耕地破碎化程度逐渐增加。

2.3 岩溶山区耕地时空演变

由图4和图5可知，耕地与各地类的转换以耕地与林地、园地、草地等地类间的相互转换为主，但各时期的时空转移特征差异化明显。

2010—2015年，耕地主要转向林地，面积达   15 031.46 hm2，空间上主要发生于研究区中部的白层镇、鲁容乡、鲁贡镇等区域；其次是向草地演化，面积达7 746.11 hm2，空间上以中部的鲁容乡和鲁贡镇最明显。城镇建设用地扩张侵占耕地，2010—2015年耕地向建设用地转移1 770.73 hm2。2010—2015年，耕地的转入以林地、未利用地和草地为主，转入面积分别为6 994.99、3 817.21、2 962.60 hm2；在空间上林地除中部的永丰街道、者相镇外，其余乡镇的林地向耕地转移明显，草地向耕地的流入以北部平街乡、北盘江镇和南部的沙坪乡最明显。

2015—2020年，耕地主要流向园地，面积高达  9 293.47 hm2，其中北部平街乡、中部永丰街道、连环乡转移量较大；其次是耕地流向林地，面积达           6 733.77 hm2，空间上与2010—2015年相似。与2010—2015年相比，2015—2020年耕地转向草地的面积较少，仅80.39 hm2。在中部的城乡结合部，随着城镇用地扩张明显，2015—2020年研究区城镇建设共占用耕地2 242.63 hm2。2015—2020年，耕地的流入以林地和草地为主，面积分别为5 779.66、        4 446.99 hm2，其中草地向耕地转移主要发生在中部鲁容乡。

总体而言，2010—2020年耕地与林地、草地、园地、建设用地频繁转移，空间上以中部的白层镇、鲁容乡和鲁贡镇最明显，转出以大面积转向林地、园地、草地为主，转入以林地、草地转为耕地为主，其中研究期内耕地转为林地、园地面积分别达17 736.89、9 394.23 hm2。随着城镇化率提高，城镇人口增加，城镇建设用地紧张占用了大量耕地，研究期内建设用地共占用耕地3 635.48 hm2，以城区永丰街道和周边的龙场镇、者相镇最明显。区域内的生态退耕还林还草、石漠化治理工程等政策促使大量耕地向林地、草地等生态用地转换，农业产业结构的调整加速了耕作条件较差的耕地流向园地，城镇和农村建设用地扩张侵占耕地，也导致耕地持续减少。

2.4 耕地变化的影响因素

2.4.1 自然因素对耕地的影响 从表1可以看出，研究区耕地面积在不同坡度上分布差异明显，耕地面积主要分布在6°～25°的坡度上，其面积占比均超过65.00%。从不同坡度耕地面积变化上来看，2010—2015年耕地面积变化量最大的是在坡度15°～25°上，变化量为4 707.42 hm2，占耕地减少量的49.66%；其次是坡度25°以上的耕地减少量，占44.31%。2015—2020年耕地面积变化与2010—2015年相似。由此可以看出，研究区耕地面积分布和减少主要是在较高的坡度上，其不同坡度上的面积减少体现出研究区退耕还林、还草政策的成效显著。

2010—2020年研究区耕地面积在不同海拔范围内的耕地面积分布如表2所示，总体上，各时期的耕地面积在不同海拔范围内变化不同，1 100～1 400 m海拔范围内的耕地面积呈先增后减的趋势，>1700 m海拔的耕地虽呈小幅增加趋势，但其耕地面积占比较少，其他海拔范围内的耕地面积都呈减少趋势。3个时期的耕地面积主要分布在500～1 400 m的海拔范围内，其中1 100～1 400 m海拔范围内的耕地面积占比最大，2010年、2015年、2020年分别占耕地总体面积的38.28%、46.61%、46.47%，其次为800～1 100 m海拔和500～800 m海拔范围。从时间尺度分析，2010—2020年，耕地面积减少最大的在500～800 m的低海拔区，减少了6 401.00 hm2，其次为800～1 100 m海拔区，耕地面积减少了5 622.85 hm2。500～1 100 m海拔带主要位于研究区中部的白层镇、鲁容乡、鲁贡乡，这些区域海拔较低、热量较高，但耕地大面积减少主要是该区域地势较陡，不利于机械化耕作，加速了耕地的生态退化，说明该区域海拔不是耕地减少的主要因素。

2.4.2 社会因素对耕地的影响 耕作距离对耕地利用的变化具有重要影响，距离道路、居民点越远，越容易被撂荒［20］。对研究区居民点进行间隔100 m的缓冲区分析，如表3所示，各时期耕地面积主要分布在距离居民点400 m范围内；其中小于100 m范围内的耕地面积占比最大，2010年、2015年、2020年分别占总面積的23.59%、31.83%、34.14%；其次为100～200 m范围内的耕地面积，2010年、2015年、2020年分别占总面积的21.28%、23.53%、22.22%。从时间尺度上看，2010—2020年距离居民点100 m范围内的耕地面积具有增加趋势，而大于100 m范围的耕地面积均呈减少趋势，且减少最多的是与居民点距离≥600 m的耕地，面积减少3 504.12 hm2。

在距离道路600 m范围内做100 m的缓冲区分析研究区耕地面积分布及变化情况，如表4所示，从不同距离范围内的分布面积来看，小于100 m范围内的耕地面积占比最大，2010年占34.27%，2015年占36.65%，2020年占62.45%；其次为100～200 m范围内的耕地面积，2010年、2015年、2020年分别占总面积的21.24%、23.34%、22.48%。研究期内除了距道路100 m范围内的耕地面积呈先减后增的变化趋势外，其他缓冲范围内的耕地面积都呈减少趋势。这说明不同缓冲距离内的耕地面积变化与农村道路设施的逐渐完善有密切关系，随着缓冲区距离的增加，耕作成本增加，促使农户自发弃耕行为加剧，缓冲区距离越大，耕地面积越小。

3 小结

本研究以典型岩溶山区贞丰县为例，对2010—2020年该区耕地面积时空演变进行了县域尺度的分析，并同时探究自然因素（高程、坡度）、社会因素（与道路距离、与居民点距离）对耕地空间分布的影响，得出如下结果。

1）研究期内，耕地面积由56 754.16 hm2减少至39 715.85 hm2，共减少17 038.31 hm2。2010—2020年耕地面积呈减少趋势，空间上以中部的白层镇、鲁容乡和鲁贡镇减少最明显。耕地受人为影响因素明显，核密度增加，破碎化程度加剧。

2）研究期内，耕地主要向林地、园地、草地等生态用地转移，其中转向林地和园地面积分别达17 736.89、9 394.23 hm2，而耕地与草地转入与转出的面积大致相当。建设用地扩张持续侵占耕地，加速耕地面积减少。

3）研究区耕地受自然因素和社会因素共同影响，导致耕地面积迅速减少。从自然因素分析，耕地主要分布于坡度6°～25°和海拔500～1 400 m，中部坡度较大，不利于机械化耕作，促使耕地向生态用地演化，是影响耕地减少的重要因素。从社会因素分析，不同道路和居民点缓冲带上的耕地分布相似，在距道路和居民点缓冲带100 m范围内耕地面积分布最大，当距离增加时增加了交通运输成本和时间成本，促使耕地极易被退耕或撂荒，逐渐向草地和林地演化。

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