基于斑塊評(píng)價(jià)的三峽庫區(qū)腹地坡耕地優(yōu)化調(diào)控方法與案例研究

王永艷,李陽兵， 邵景安，李 源，楊 華,2

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047; 2.重慶師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400047)

基于斑塊評(píng)價(jià)的三峽庫區(qū)腹地坡耕地優(yōu)化調(diào)控方法與案例研究

王永艷1,2,李陽兵1,2,*， 邵景安1，李 源1，楊 華1,2

(1.重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 400047; 2.重慶師范大學(xué)地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400047)

三峽庫區(qū)腹地坡耕地大量存在，且 >25°的陡坡耕地實(shí)現(xiàn)全部退耕還林難度很大，同時(shí)還存在農(nóng)戶自發(fā)棄耕撂荒現(xiàn)象。有必要深入探討庫區(qū)腹地不同地域特征下坡耕地優(yōu)化調(diào)控的理論與方法。在充分考慮坡耕地的分布現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)的前提下，設(shè)定了坡耕地優(yōu)化調(diào)控的6個(gè)原則，提出空間優(yōu)化適宜性評(píng)價(jià)和農(nóng)戶對(duì)坡耕地資源的需求壓力數(shù)量評(píng)價(jià)相結(jié)合的坡耕地綜合優(yōu)化調(diào)控方法。選取庫區(qū)腹地典型流域草堂溪流域進(jìn)行案例研究。根據(jù)草堂溪流域特點(diǎn)以及坡耕地分布特征,從坡耕地可達(dá)性、生態(tài)功能和坡改梯適宜性3方面選取相關(guān)指標(biāo)作為格局適宜性調(diào)控體系，選取耕地壓力指數(shù)和果園對(duì)農(nóng)戶需求的補(bǔ)充能力作為數(shù)量調(diào)控體系。綜合優(yōu)化將研究區(qū)坡耕地分為優(yōu)化利用型、重點(diǎn)整治型、逐步退耕型和優(yōu)先退耕型4種類型,結(jié)合研究區(qū)坡耕地特點(diǎn)在保持耕地壓力不增加、減少陡坡不適宜耕地和土壤侵蝕的前提下設(shè)置了4種退耕情景。最后根據(jù)農(nóng)戶自發(fā)撂荒地的空間分布特征，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的合理性和正確性。

坡耕地；斑塊尺度；優(yōu)化調(diào)控；三峽庫區(qū)

三峽庫區(qū)腹地既是三峽移民區(qū)，又是生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)，還是全國(guó)貧困集聚區(qū)[1]，也是庫區(qū)水環(huán)境保護(hù)的紅區(qū)[2]，故成為眾多學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。三峽庫區(qū)坡耕地面積占耕地面積70%以上，坡度較大，一般在20°以上，部分縣25°以上的坡耕地占總耕地的面積大于50%[3- 4]。關(guān)于坡耕地退耕壓力和糧食安全的研究表明三峽庫區(qū)存在明顯糧食安全隱患的地區(qū)主要分布在巫溪、巫山、奉節(jié)、云陽、開縣、石柱、興山、武隆等地，這些縣山高坡陡，自然條件差、交通不便，超過一半面積坡耕地受到退耕壓力的影響[5]；在退耕壓力指數(shù)為40%時(shí)潛在環(huán)境移民數(shù)量高達(dá)89 萬[6]；還有研究認(rèn)為庫區(qū)腹地耕地?cái)?shù)量承載力總體超載205.09 萬人[7]；也有研究認(rèn)為這些區(qū)域水土資源承載潛力較大，處于可盈余承載或向可盈余承載轉(zhuǎn)化狀態(tài)[8]。經(jīng)測(cè)算三峽庫區(qū)坡耕地占耕地比重超過40%的村級(jí)單元的平均耕作半徑約為1.5 km[9]，純農(nóng)戶棄耕主要基于家庭及自身?xiàng)l件，由于年齡、健康狀況等方面處在劣勢(shì)，迫不得已而選擇將離家遠(yuǎn)、耕作條件差的耕地棄耕[10]。

陡坡耕地是土壤侵蝕源[11]，也是土地壓力的直接反映，陡坡耕地和生態(tài)建設(shè)用地之間的進(jìn)退很大程度上決定了未來區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化方向，是協(xié)調(diào)庫區(qū)腹地人地關(guān)系的核心[1]。一方面，庫區(qū)腹地坡耕地大量存在，另一方面庫區(qū)腹地>25°的陡坡耕地全部退耕還林難度很大，也不現(xiàn)實(shí)[12]，同時(shí)還存在農(nóng)戶自發(fā)棄耕撂荒現(xiàn)象[13]。但目前相關(guān)研究?jī)?nèi)容集中在耕地?cái)?shù)量演變、坡耕地利用的水保措施，關(guān)于坡耕地退耕雖也涉及到，但是只探討到退耕壓力空間分布與糧食安全層面，意識(shí)到了陡坡耕地存在的嚴(yán)重性采取了相應(yīng)的水保措施，對(duì)有限的坡耕地如何優(yōu)化利用與調(diào)控仍缺乏深入研究。坡耕地優(yōu)化退耕時(shí)如何才能準(zhǔn)確定位落實(shí)到每個(gè)坡耕地斑塊？如何把庫區(qū)腹地坡耕地形成的內(nèi)在機(jī)理、演變過程與機(jī)制及與生態(tài)退化恢復(fù)耦合協(xié)進(jìn)的機(jī)制落實(shí)到空間優(yōu)化調(diào)控？如何把農(nóng)戶的需求愿望與坡耕地優(yōu)化結(jié)合起來？坡耕地優(yōu)化之所以一直未見立竿見影的效果歸結(jié)起來缺乏的是一套坡耕地優(yōu)化調(diào)控的合理體系和方法。因此，在庫區(qū)腹地生態(tài)建設(shè)、土壤侵蝕防治、土地管理、新農(nóng)村建設(shè)等多方面需求背景下，有必要深入探討庫區(qū)腹地不同地域特征下坡耕地優(yōu)化調(diào)控的理論與方法。鑒于此，本文以庫區(qū)腹地典型小流域?yàn)槔?，研究庫區(qū)腹地坡耕地?cái)?shù)量?jī)?yōu)化和空間格局優(yōu)化配置的理論與方法，旨在為庫區(qū)腹地坡耕地優(yōu)化調(diào)控提供理論依據(jù)和技術(shù)手段。

1 庫區(qū)坡耕地調(diào)控理論

1.1 庫區(qū)腹地坡耕地調(diào)控理論基礎(chǔ)

坡耕地開墾受自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等因素的綜合影響，隨著人口迅速增長(zhǎng)，山地稀缺的土地資源和脆弱的生態(tài)環(huán)境即會(huì)產(chǎn)生瓶頸作用，最突出的就是陡坡開墾，生態(tài)迅速惡化[14]。庫區(qū)腹地的地域特征空間變化大，既集中了經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、生態(tài)脆弱、人口過剩等西部地區(qū)的普遍性，又具有處于城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展經(jīng)濟(jì)試驗(yàn)區(qū)、長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障區(qū)以及三峽工程、移民大區(qū)等諸多特殊性。一方面，不同巖石出露區(qū)形成不同的地形地貌和土地資源組合格局，另一方面，近20 年來庫區(qū)腹地土地利用變化的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件也在不斷變化。

對(duì)庫區(qū)腹地坡耕地而言，移民開墾、農(nóng)戶生計(jì)多樣化、常住人口變化、農(nóng)戶自發(fā)撂荒和生態(tài)建設(shè)等多方面的原因都會(huì)促使坡耕地格局和數(shù)量發(fā)生復(fù)雜的變化。因此，在了解不同地域特征下坡耕地演變、人口壓力、土地撂荒、土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)土地承載力影響的背景下，把坡耕地?cái)?shù)量?jī)?yōu)化和空間優(yōu)化配置結(jié)合起來，有可能在既不增加坡耕地壓力，又退耕部分坡耕地，以致達(dá)到減少土壤侵蝕，實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

1.2 庫區(qū)腹地坡耕地調(diào)控理論框架

1.2.1 坡耕地優(yōu)化調(diào)控原則

庫區(qū)腹地坡耕地主要分布在海拔高坡度陡的區(qū)域，土壤侵蝕嚴(yán)重，生態(tài)功能脆弱，農(nóng)戶自發(fā)撂荒現(xiàn)象已出現(xiàn)，所以坡耕地優(yōu)化調(diào)控必須結(jié)合坡耕地的空間分布格局現(xiàn)狀、生態(tài)功能以及坡耕地的未來發(fā)展趨勢(shì)，需要把坡耕地的空間優(yōu)化適宜性和供需壓力需求結(jié)合起來，具體有以下原則：

(1)退耕后耕地壓力不增加；

(2)坡耕地適宜耕作、無生態(tài)退化且方便農(nóng)戶耕作；

(3)考慮經(jīng)濟(jì)林對(duì)土地承載力的補(bǔ)充作用，尊重農(nóng)戶意愿；

(4)數(shù)量調(diào)控與格局優(yōu)化相結(jié)合；

(5)落實(shí)到斑塊，確定每一坡耕地斑塊的優(yōu)化調(diào)控類型；

(6)通過情景分析得出比選方案。

1.2.2 坡耕地優(yōu)化調(diào)控方法

(1)坡耕地?cái)?shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

坡耕地壓力評(píng)價(jià)考慮到土地承載力、最小人均耕地面積、人口變遷和聚落的空心化、經(jīng)濟(jì)承載力(經(jīng)濟(jì)林-果園)對(duì)糧食承載力的可能補(bǔ)充情況等，評(píng)價(jià)各空間單元實(shí)際人均耕地面積是否超過最小人均耕地面積、是否有經(jīng)濟(jì)承載力的補(bǔ)充及是否有坡耕地撂荒，以評(píng)價(jià)各單元的耕地壓力，揭示坡耕地斑塊壓力的空間分布。

(2)坡耕地空間優(yōu)化適宜性方法

選擇影響坡耕地的可達(dá)性、生態(tài)功能重要性和坡改梯的適宜性3個(gè)因素層，應(yīng)用特爾斐法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，每個(gè)因素層再確定關(guān)聯(lián)性較高的指標(biāo)層，最終建立坡耕地斑塊的空間優(yōu)化適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)價(jià)各單元坡耕地斑塊調(diào)控等級(jí)類型。

(3)斑塊水平上坡耕地優(yōu)化退耕原則

坡耕地退耕后會(huì)造成糧食供求關(guān)系的空間分異不均，坡耕地優(yōu)化退耕要注意以下幾個(gè)方面：(1)退耕坡地空間分布的差異性，導(dǎo)致新的糧食需求的空間差異性。未退耕坡耕地集中的地區(qū)，糧食供給能力強(qiáng)，減輕糧食需求壓力的能力就越強(qiáng)；如果退耕坡地集中而周圍的耕地又少，則糧食需求壓力就更顯突出。(2)把空間優(yōu)化適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)際農(nóng)戶需求壓力、農(nóng)戶意愿的空間分布結(jié)合起來，綜合考慮數(shù)量?jī)?yōu)化和格局優(yōu)化以確定坡耕地的最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2 研究區(qū)概況

本研究選擇草堂溪小流域作為研究區(qū)(圖1)。流域面積為191 km2，研究區(qū)地層全部為沉積層，以三疊系中統(tǒng)巴東組地層出露較多，該流域的主要地貌類型是低山溝谷或低中山。坡度在15°以上的面積占整個(gè)研究區(qū)的86.60%，高程在500—1500 m范圍內(nèi)的面積占研究區(qū)77.38%。研究區(qū)人口密度較大，耕地資源缺乏，主要經(jīng)濟(jì)林為臍橙[15]。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究土地利用數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)2012 年的高分辨率影像(分辨率為1 m)，用研究區(qū)邊界進(jìn)行裁剪后，再運(yùn)用ArcGIS中的Georeferencing命令進(jìn)行配準(zhǔn)，然后建立矢量化圖層進(jìn)行數(shù)字化，提取土地利用信息。根據(jù)研究需要和小流域的實(shí)際土地覆被情況，把土地利用類型主要?jiǎng)澐譃槠赂?，撂荒地，有林地，灌木林地，果園，水體，居民點(diǎn)等(圖2)。并于2012 年5 月對(duì)樣區(qū)進(jìn)行實(shí)地野外踏勘，經(jīng)統(tǒng)計(jì)解譯精度達(dá)到90%。糧食單產(chǎn)、糧食播種比重、復(fù)種指數(shù)數(shù)據(jù)來源于奉節(jié)縣統(tǒng)計(jì)年鑒。坡度和坡向則利用ArcGIS 軟件的分析功能由DEM生成。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Location of study area in the center region of Three Gorges Reservoir

圖2 研究區(qū)土地利用圖Fig.2 The land use of study area

3.2空間優(yōu)化適宜性評(píng)價(jià)和數(shù)量調(diào)控等級(jí)指數(shù)建立

評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)、分值和權(quán)重的確定是整個(gè)評(píng)價(jià)過程最核心的內(nèi)容。本文把空間優(yōu)化適宜性評(píng)價(jià)值分為5 級(jí)，用5、4、3、2、1代表適宜程度的高低。坡耕地供需壓力評(píng)價(jià)指標(biāo)也分為5 級(jí)，5到1分別代表無壓力到壓力最大，根據(jù)實(shí)際情況和已有相關(guān)研究成果，邀請(qǐng)20位相關(guān)專家打分，應(yīng)用特爾斐法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，確定評(píng)價(jià)因子的分級(jí)指數(shù)，并根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)耕地適宜程度的重要性確定權(quán)重系數(shù)(表2)。分別建立各指標(biāo)的柵格圖層，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行圖層運(yùn)算，得到各坡耕地斑塊的適宜性等級(jí)和壓力等級(jí)；再根據(jù)兩者的綜合調(diào)控等級(jí)確定各坡耕地斑塊的優(yōu)化。

3.2.1 坡耕地斑塊空間優(yōu)化適宜性等級(jí)指數(shù)

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，可達(dá)性用離道路(為了充分反映農(nóng)戶開墾坡耕地的條件，本文的道路指農(nóng)用車能通行的鄉(xiāng)、村道)和離鄉(xiāng)村居民點(diǎn)的距離來衡量；生態(tài)功能重要性用退化性(侵蝕程度)、距水體和生態(tài)敏感區(qū)的距離(用距河流、湖泊和大型林地斑塊的距離來表示)；坡改梯的適宜性用坡耕地斑塊大小等級(jí)、坡向和坡度來評(píng)價(jià)；各單因子分級(jí)是在結(jié)合相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[16]，再結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況來進(jìn)行(表1)。

表1 研究區(qū)坡耕地斑塊的空間優(yōu)化適宜性等級(jí)指標(biāo)體系

3.2.2 坡耕地斑塊供需壓力等級(jí)指數(shù)

選擇耕地壓力指數(shù)和果園對(duì)糧食需求的補(bǔ)充能力(用每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)果園面積所占比例來衡量)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

最小人均耕地面積(Smin)采用下式計(jì)算[17]：

(1)

(2)

式中,Smin為最小人均耕地面積( hm2/人)，β為食物自給率(%)，Gr為人均食物需求量( kg/人)；P為食物單產(chǎn)(kg/hm2)，q為食物播種面積占總播種面積之比(%)；k為復(fù)種指數(shù)(%)。式(2)中耕地壓力指數(shù)K反映最小人均耕地面積與實(shí)際人均耕地面積之比[18]，S為實(shí)際人均耕地面積( hm2/人)，當(dāng)K≤1時(shí)，人均耕地實(shí)際值大于最小人均耕地面積值，耕地?zé)o明顯壓力；K>1時(shí)，耕地壓力明顯，糧食的生產(chǎn)不能保證正常需求。

依據(jù)研究區(qū)人民生活水平及相關(guān)研究資料，將人均糧食需求量定為385 kg；糧食自給率定為1。由于草堂溪小流域不僅包括草堂鎮(zhèn)，還包括白帝鎮(zhèn)的小部分，該流域人口數(shù)據(jù)只有實(shí)地調(diào)查才能獲取，本研究借鑒以往學(xué)者關(guān)于居民點(diǎn)面積和人口數(shù)關(guān)系的研究成果估算整個(gè)流域的人口數(shù)[19]，并拿草堂鎮(zhèn)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做驗(yàn)證。用公式計(jì)算出的草堂鎮(zhèn)的人口和統(tǒng)計(jì)年鑒相比，經(jīng)驗(yàn)證準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

表2 研究區(qū)坡耕地斑塊的數(shù)量調(diào)控等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4 結(jié)果分析

4.1研究區(qū)坡耕地與撂荒地的空間分布特征

在蓄水、移民、退耕還林、生態(tài)建設(shè)的大背景下研究區(qū)坡耕地在1990—2007年研究區(qū)坡耕地面積的變化總體上呈先增加后減少趨勢(shì)[20]。由圖3可知2012年坡耕地在不同坡度帶的分布來看，坡耕地主要分布在15—25°坡度帶，其次是25—35°坡度帶，0—6°坡度帶分布面積最小。從高程帶上可以看出在500—1000 m高程級(jí)別上處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，0—150 m高程帶坡耕地分布面積最小。

撂荒地主要是分布在25—35°坡度帶，其次是15—25°坡度帶，0—6°坡度帶分布面積最小。從高程帶上可以看出在500—1000 m高程級(jí)別上處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，其次是1000—1500 m面積最大。據(jù)統(tǒng)計(jì)撂荒地的斑塊平均面積將近0.3 hm2。由此可以看出撂荒地主要分布在坡度陡、海拔高、土壤侵蝕嚴(yán)重、可達(dá)性差和生態(tài)脆弱的區(qū)域，不適宜種植。農(nóng)戶由于開拓別的收入渠道產(chǎn)生了自發(fā)撂荒現(xiàn)象，這也可能成為未來庫區(qū)不適宜坡耕地的一種發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 研究區(qū)坡耕地和撂荒地在不同坡度下及不同高程下的數(shù)量分布Fig.3 Distribution of slope-cultivated land and abandoned land under different slope and different elevation in the study area

4.2 研究區(qū)坡耕地空間優(yōu)化適宜性評(píng)價(jià)

4.2.1 坡耕地斑塊的可達(dá)性

以道路和居民點(diǎn)做緩沖區(qū)，統(tǒng)計(jì)各緩沖區(qū)內(nèi)坡耕地斑塊的數(shù)量，同時(shí)考慮研究區(qū)農(nóng)戶的實(shí)際耕作半徑來進(jìn)行適宜性分級(jí)，最終把離道路和居民點(diǎn)近的賦以高度適宜，以道路和居民點(diǎn)所做的緩沖區(qū)的適宜度分級(jí)圖層乘以各自的權(quán)重進(jìn)行圖層運(yùn)算后，得到坡耕地的空間可達(dá)性分布(圖4)?？梢钥闯隹蛇_(dá)性較好的坡耕地的斑塊占優(yōu)勢(shì)，坡耕地斑塊的可達(dá)性高度適宜占18.46%，中度適宜占68.91%，低度適宜11.04%，勉強(qiáng)適宜1.23%，不適宜0.37%，研究區(qū)將近80%的坡耕地分布在距道路1500 m以內(nèi)，離居民點(diǎn)800 m之內(nèi)，結(jié)合研究區(qū)的地形可知可達(dá)性較低的坡耕地則主要分布在地形較高或者較陡的區(qū)域。

4.2.2 生態(tài)功能重要性

用退化性(土壤侵蝕程度)、距水體和大型林地斑塊的距離來度量生態(tài)功能強(qiáng)弱程度，離水源較近的地方，生產(chǎn)和生活環(huán)境較好；土壤侵蝕狀況一定程度可以反映土壤質(zhì)地和土層厚度，表征被開墾為坡耕地的適宜度。由圖5可以看出生態(tài)功能較強(qiáng)區(qū)域主要分布在河流兩側(cè)，離河流越遠(yuǎn)的生態(tài)功能越弱。研究區(qū)坡耕地斑塊生態(tài)功能高度適宜占21.97%，中度適宜占32.75%，低度適宜22.85%，勉強(qiáng)適宜17.07%，不適宜5.35%，高度適宜和中度適宜占到50%以上，說明研究區(qū)坡耕地斑塊以微度和輕度侵蝕為主，離水體2000 m和大型林地斑塊600 m以內(nèi)的占優(yōu)勢(shì)。

4.2.3 坡改梯的適宜性

選取坡度、坡向、規(guī)模(坡耕地斑塊大小等級(jí))等指標(biāo)評(píng)價(jià)坡改梯適宜性。坡度越大土壤侵蝕作用越明顯，水土流失越嚴(yán)重，且越難被改為梯地；坡向反映陽光照射對(duì)坡耕地分布的影響，坡向從南到北，坡耕地開墾的適宜度越來越低；坡耕地斑塊大相應(yīng)坡改梯的成本較低。把圖6采取自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分類，坡改梯高度適宜占10.51%，中度適宜占16.15%，低度適宜28.56%，勉強(qiáng)適宜29.98%，不適宜14.80%，研究區(qū)坡耕地適宜坡改梯的斑塊面積不到30%，反映出庫區(qū)腹地坡耕地的破碎化和陡坡開墾的現(xiàn)象。

4.2.4 坡耕地空間優(yōu)化適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

把空間適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果采用自然斷點(diǎn)法分為高度適宜、中度適宜和低度適宜3級(jí)(圖7)，研究區(qū)高度適宜的坡耕地占36.27%，中度適宜占49.16%，低度適宜占14.56%，研究區(qū)坡耕地以中度適宜為主。高度適宜區(qū)主要沿河谷兩側(cè)分布，低度適宜區(qū)主要分布在山高坡陡的離研究區(qū)河流較遠(yuǎn)地區(qū)，中度適宜區(qū)介于其中。

圖4 研究區(qū)坡耕地的可達(dá)性評(píng)價(jià)等級(jí)指數(shù)Fig.4 The accessibility evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

圖5 研究區(qū)坡耕地生態(tài)功能評(píng)價(jià)等級(jí)指數(shù)Fig.5 The ecological function evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

圖6 研究區(qū)坡耕地坡改梯適宜性等級(jí)指數(shù)Fig.6 Terrace suitability evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

圖7 研究區(qū)坡耕地空間適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)指數(shù)Fig.7 Spatial suitability evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

4.3 坡耕地供需壓力評(píng)價(jià)

把耕地壓力指數(shù)和果園對(duì)農(nóng)戶需求的補(bǔ)充能力綜合成的數(shù)量調(diào)控等級(jí)(圖8)，采用自然斷點(diǎn)法分為壓力小、壓力中等和壓力大3級(jí)，研究區(qū)坡耕地斑塊壓力小的占10.25%，壓力中等占43.86%，壓力大的占45.89%，可以看出農(nóng)戶需求壓力大，人口和坡耕地之間的分布耦合性較差，研究區(qū)坡耕地進(jìn)行整治優(yōu)化調(diào)控的任務(wù)很緊迫。

圖8 研究區(qū)坡耕地供需壓力評(píng)價(jià)等級(jí)Fig.8 Pressure evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

4.4坡耕地綜合等級(jí)指數(shù)的空間分布及斑塊類型劃分

運(yùn)用頻率突變點(diǎn)劃分等級(jí)，并結(jié)合實(shí)地調(diào)查資料的驗(yàn)證，采用自然斷點(diǎn)法分別把適宜性評(píng)價(jià)和壓力評(píng)價(jià)分為3級(jí)，根據(jù)以上空間適宜性和壓力分布的分級(jí)進(jìn)行排列組合，將研究區(qū)坡耕地斑塊劃分為4個(gè)類型，其中將低度適宜和壓力小、低度適宜和壓力中等這兩種組合的坡耕地斑塊歸為優(yōu)先退耕型區(qū)；低度適宜和壓力大，中度適宜和壓力大兩種組合歸為逐步退耕型；高度適宜和壓力大，高度適宜和壓力中等兩種組合歸為重點(diǎn)整治型；高度適宜和壓力小、中度適宜和壓力小以及中度適宜和中等壓力3種組合歸為優(yōu)化利用型(圖9)。

(1)優(yōu)化利用型斑塊 主要分布在河谷里面，

大部分該類型坡耕地斑塊離道路和居民地較近、土壤質(zhì)地好退化性不明顯且坡度較小、海拔較低，耕地的生產(chǎn)能力強(qiáng)。該類型坡耕地斑塊總面積為1327.36 hm2，占總坡耕地的30.5%，說明草堂溪流域尚有較大空間適宜耕地配置利用，但是該類型斑塊最大斑塊面積達(dá)77 hm2，最小才不到0.001 hm2，平均1.01 hm2，斑塊特征差異大。應(yīng)根據(jù)該區(qū)域坡耕地斑塊的大小來調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，使更多坡耕地處于最佳利用狀態(tài)。

(2)重點(diǎn)整治型斑塊 該類型坡耕地斑塊屬于格局適宜性等級(jí)高，耕地壓力大的區(qū)域，離道路和居民地較近、土壤質(zhì)地較好退化性不明顯，分布在研究區(qū)的北部以及河谷附近。但是坡耕地配置不能滿足該區(qū)域人口的需求，該類型坡耕地斑塊的總面積為1432.58 hm2，占坡耕地總量的32.9%。斑塊大小差異較大，對(duì)于斑塊較大的坡耕地應(yīng)重點(diǎn)采取耕作技術(shù)提高作物產(chǎn)量，并且通過加大農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移的力度，緩解人地矛盾，減輕生態(tài)脆弱區(qū)域的環(huán)境壓力。

(3)逐步退耕型斑塊 適宜性差，離道路和居民地較遠(yuǎn)、土壤質(zhì)地較差退化性明顯，分布在坡度較陡海拔較低的區(qū)域，缺少農(nóng)業(yè)發(fā)展的動(dòng)力支撐；同時(shí)糧食需求壓力大，該類型坡耕地斑塊的總面積為1293.38 hm2，占坡耕地總量的29.7%。斑塊大小差異較大，對(duì)該區(qū)域可以維持其現(xiàn)狀，不再新增耕地，同時(shí)根據(jù)坡耕地斑塊特征的不同，采取不同的措施。對(duì)于小斑塊坡耕地，政府可采取適當(dāng)?shù)恼吆拖拗瓢l(fā)展措施，給予農(nóng)民相應(yīng)的補(bǔ)償，推動(dòng)耕地與其他經(jīng)濟(jì)林進(jìn)行置換，逐步減少耕地的規(guī)模，使其自然衰退。

圖9 研究區(qū)坡耕地綜合等級(jí)指數(shù)及坡耕地斑塊類型劃分Fig.9 Comprehensive rating index and patch types division of slope-cultivated land in the study area

(4)優(yōu)先退耕型斑塊 該類型坡耕地主要分布在地勢(shì)陡峭，坡度大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差的邊緣地帶；同時(shí)耕地布局分散，規(guī)模小，交通不便，不利于耕作，加之該區(qū)域壓力較小，因此對(duì)于該區(qū)域應(yīng)退耕還園、還林、還草，加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)建設(shè)。該類型坡耕地斑塊的總面積為302.18 hm2，占坡耕地總量的6.9%。

4.5基于適宜性分區(qū)的坡耕地優(yōu)化調(diào)控情景設(shè)置

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，考慮到研究區(qū)隨研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)，坡耕地需要分區(qū)分步驟地進(jìn)行，本文設(shè)置4種坡耕地優(yōu)化退耕情景(圖10)。

情景一 優(yōu)先退耕型坡耕地斑塊全部退耕。優(yōu)先退耕型屬于適宜性較低壓力偏小的區(qū)域，而且和撂荒地的斑塊特征較相似，分布在撂荒地的周邊，符合農(nóng)戶的自愿棄耕意愿，這樣可以保證在不增加耕地壓力的情況下把坡耕地改為草地或者果園，減少土壤侵蝕。

情景二 優(yōu)先退耕型坡耕地全部退耕和逐步退耕型坡耕地斑塊中<0.1 hm2的斑塊退耕。逐步退耕型適宜性低且人口對(duì)糧食需求壓力大，只能采取逐步退耕的方式來減輕土壤侵蝕。逐步退耕型斑塊面積呈兩極化，逐步退耕型坡耕地斑塊平均面積為0.8 hm2，其中<0.1 hm2的斑塊屬于小斑塊，分布較零散。小而零碎的坡耕地斑塊宜先退耕，因?yàn)檫@些零碎的小斑塊大部分離道路和居民點(diǎn)較遠(yuǎn)，且分布在坡度大的區(qū)域，和撂荒地斑塊特征相近，退掉這些小斑塊不會(huì)增加農(nóng)戶的需求壓力。

情景三 隨著農(nóng)戶生計(jì)多樣化和勞動(dòng)力的析出，可以退掉逐步退耕型斑塊中的較小斑塊，據(jù)統(tǒng)計(jì)農(nóng)戶自發(fā)的撂荒地斑塊平均面積約為0.3 hm2，逐步退耕型坡耕地斑塊平均面積為0.8 hm2，考慮到兩者的綜合情況，所以此情景設(shè)置為優(yōu)先退耕型的坡耕地全部退耕的同時(shí)把逐步退耕區(qū)<0.3 hm2的坡耕地斑塊也退耕。

情景四 優(yōu)先退耕型斑塊全部退耕和逐步退耕型斑塊中<0.8 hm2的坡耕地斑塊退耕，同時(shí)把重點(diǎn)整治型斑塊中<0.05 hm2和優(yōu)化利用區(qū)的<0.1 hm2小斑塊進(jìn)行退耕。這樣被保留的坡耕地是適宜性較高的重點(diǎn)保護(hù)型、優(yōu)化利用型及逐步退耕型中的較大及大型斑塊，有助于坡改梯的可實(shí)施性，進(jìn)而減少土壤侵蝕，恢復(fù)生態(tài)功能。

圖10 研究區(qū)坡耕地退耕情景Fig.10 Conversion scenarios of slope-cultivated land in the study area

由表3可以看出，情景一到情景四被退掉的坡耕地依次為302、305、395 hm2和600 hm2，被保留下來的坡耕地占坡耕地總面積的百分比依次為93.06%、93.00%、6.19%和86.17%。以第4種退耕情景進(jìn)行退耕情景合理性的驗(yàn)證，在不考慮經(jīng)濟(jì)林及外出務(wù)工等經(jīng)濟(jì)補(bǔ)充能力的情況下，發(fā)現(xiàn)整個(gè)流域的耕地壓力指數(shù)約為0.96，表明無壓力，所以本研究所設(shè)置的退耕情景是合理可行的，在保持耕地壓力不增加的情況下，減少了陡坡耕地，減少了土壤侵蝕，實(shí)現(xiàn)了坡耕地優(yōu)化調(diào)控。

5 討論

5.1 本文所提理論和方法的應(yīng)用意義

前人關(guān)于土地利用優(yōu)化配置已有大量研究，但主要側(cè)重單一的土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化或者土地利用空間優(yōu)化配置[21- 23]；對(duì)于庫區(qū)坡耕地治理研究也很多[24- 26]，但大都是從工程措施方面來進(jìn)行水土流失防治。庫區(qū)腹地相當(dāng)部分農(nóng)民仍過著“靠山吃山”的生活，所以進(jìn)行坡耕地優(yōu)化時(shí)必須考慮農(nóng)戶需求。本文建立了庫區(qū)腹地坡耕地斑塊級(jí)別上的數(shù)量需求和空間優(yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化調(diào)控理論與方法。與前人所研究土地利用優(yōu)化相比來說是一種改進(jìn)，能適用于所有坡耕地斑塊。本文以庫區(qū)典型流域?yàn)榘咐难芯拷Y(jié)果揭示了庫區(qū)腹地坡耕地的現(xiàn)狀和適宜性，為當(dāng)前坡耕地優(yōu)化布局提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)庫區(qū)腹地生態(tài)建設(shè)、土地整理和新農(nóng)村建設(shè)有指導(dǎo)意義。隨著本文所設(shè)置的退耕情景逐步實(shí)現(xiàn)，庫區(qū)腹地的水源涵養(yǎng)、水土保持的生態(tài)服務(wù)功能也會(huì)隨之恢復(fù)。

表3 不同退耕情景下被保留坡耕地的面積

5.2本文建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系比較合理

庫區(qū)移民安置開墾陡坡耕地造成的生態(tài)問題急需解決[27]。相關(guān)資料表明庫區(qū)腹地日益出現(xiàn)坡耕地自發(fā)撂荒的現(xiàn)象[13]。由圖9可知撂荒地一般分布在優(yōu)先退耕型和逐步退耕型的周邊，這說明撂荒地和適宜退耕區(qū)之間的吻合性，表現(xiàn)出農(nóng)戶的自發(fā)撂荒意愿，一定程度上也驗(yàn)證了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的正確性。另一方面，在考慮當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶撂荒的背景下，一定程度上反映了農(nóng)戶意愿。

根據(jù)全國(guó)第五次和第六次人口普查數(shù)據(jù)可知2000 年草堂鎮(zhèn)常住人口為11540人，總?cè)丝?1886人，而2010 年常住人口為10058人，總?cè)丝?0683人，可以看出從2000年到2010 年十年間無論是總?cè)丝谶€是常住人口都是呈減少的趨勢(shì)。因此，研究區(qū)出現(xiàn)自然撂荒現(xiàn)象是常住人口減少、城鎮(zhèn)化及聚落向低海拔遷移背景的響應(yīng)，自然撂荒的趨勢(shì)為坡耕地的退耕及優(yōu)化調(diào)控提供了可能，同時(shí)也能說明本文提出的坡耕地優(yōu)化理論的可行性。

5.3 本文的不足之處

(1)庫區(qū)有復(fù)雜的地質(zhì)地貌組合，本文只研究了紫色巖小流域；庫區(qū)腹地的地域特征空間變化大，一方面，不同巖石出露區(qū)形成不同的地形地貌和土地資源組合格局，另一方面，近20 年來庫區(qū)腹地土地利用變化的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子也在不斷變化；我們只是選取了其中影響力較大的幾個(gè)指標(biāo)，沒有把所有因素完全考慮進(jìn)去。

(2)由于調(diào)查撂荒地必須要分塊編號(hào)進(jìn)行調(diào)查，需大量的人力物力，所以沒有實(shí)地一一調(diào)查每塊撂荒地撂荒的原因，只進(jìn)行了典型調(diào)查。

6 結(jié)論

(1)本文把空間優(yōu)化適宜性評(píng)價(jià)和坡耕地的供需壓力數(shù)量評(píng)價(jià)結(jié)合起來，建立了坡耕地斑塊空間優(yōu)化適宜性等級(jí)指數(shù)，對(duì)坡耕地適宜性進(jìn)行綜合優(yōu)化調(diào)控，在方法上有所創(chuàng)新。

(2) 以草堂溪為例，進(jìn)行了案例研究，根據(jù)空間格局高度適宜、中度適宜和低度適宜，以及數(shù)量調(diào)控的壓力小、壓力中等和壓力大等進(jìn)行排列組合，最終把坡耕地斑塊分為優(yōu)化利用型、重點(diǎn)整治型、逐步退耕型和優(yōu)先退耕型4 種類型,

(3) 根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，在保持耕地壓力不增加的情況下，本文設(shè)置4種坡耕地優(yōu)化逐步退耕情景。并根據(jù)自發(fā)撂荒地的分布特征和研究案例人口和需求壓力的變化對(duì)本文提出的坡耕地優(yōu)化方法進(jìn)行了合理性驗(yàn)證。

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Optimizingtheoryandcasestudiesofcultivatedslopelandinthecenterofthreegorgesreservoirareabasedonpatch-scalelandevaluation

WANG Yongyan1,2,LI Yangbing1,2,*, SHAO Jingan1,LI Yuan1,YANG Hua1,2

1CollegeofGeographicalandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China2ThekeyLaboratoryofGISApplicationResearch,ChongqingNormalUniversity,Chongqing400047,China

The center of the Three Gorges Reservoir area is an ecologically sensitive, economically poorest, and environmentally fragile region, and hence become a research hotspot for many researchers.There is a large amount of cultivated slope land (part of them being abandoned by local farmer) in the region and it is very difficult and sometimes impossible to return the lands with gradient > 25° to forests.So, it is necessary to explore the optimization control theory and methods for the slop land with different characteristics in this region.Cultivated slope land optimization should consider the demands of local people′s production and living, and it is also a selection process of the combined efforts of natural resources, geographical accessibility and socio-economic conditions.This paper suggested that the control and optimization scheme should not only combine the spatial distribution pattern and the ecological functions of cultivated slope land, but also consider the current distribution and future trends of sloping farmland.In addition, this paper promoted six principles about how to control and optimize thecultivated slope land, plus the evaluation methods integrating the spatial pattern suitability to quantitatively assess farmers demand pressures.By applying the principles and evaluation, this paper chose Caotangxi watershed, a typical watershed in thecenter of the Three Gorges reservoir area, as a case study.According to the characteristics of the watershed three indices were selected to evaluate the suitability of the system, namely, the accessibility, the ecological functions and the feasibility of changing slope land into terrace.The accessibility means the distance from the settlements roads to the land; the ecological function means the land degradation (the soil erosion) and the distance from water and the large forest patches (that is the distance away from the rivers and ecological sensitive area); while the feasibility from slope land to terrace means the size of the farmland patches, aspect and the slope gradient At the same time, the pressure index of cultivated land and supplementary capability of orchards to farmer′s demand were selected as evaluation indexes of the quantity regulation system.Accordingly, the cultivated slope land of the Caotangxi watershed were divided into four types, namely, the optimization utilization type, the key consolidation type,the type of gradually returning (farmland to forest) and the type of preferentially returning, which accounted for 30.5%, 32.9%, 29.7% and 30.5% respectively.Finally, at the premise of reducing steep inappropriate cultivated land and soil erosion, this paper suggested four returning scenarios without increasing the pressure of cultivated land, based on the distribution of abandoned land of local farmers.The rational and validity were verified according to the indices for these scenarios.The result of this study provides a theoretical basis for the current cultivated slope land optimization as well as a certain guidance to the cultivated slope land regulation in the Three Gorges Reservoir area.

cultivated slope land; patch scale; optimization and regulation; Three Gorges reservoir area

國(guó)家自然科學(xué)基金委重大國(guó)際合作基金課題3(41161140352); 重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ080818); 重慶市地理學(xué)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(2011)

2013- 09- 29;

2014- 04- 01

10.5846/stxb201309292391

*通訊作者Corresponding author.E-mail: li-yapin@sohu.com

王永艷，李陽兵， 邵景安，李源，楊華.基于斑塊評(píng)價(jià)的三峽庫區(qū)腹地坡耕地優(yōu)化調(diào)控方法與案例研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(12):3245- 3256.

Wang Y Y,Li Y B, Shao J A,Li Y,Yang H.Optimizing theory and case studies of cultivated slope land in the center of three gorges reservoir area based on patch-scale land evaluation.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3245- 3256.