藏-羌聚落交錯區(qū)耕地坡譜與信息熵變化特征

張淑杰，郭亞琳，樊 敏，王 青

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

伴隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，多民族地區(qū)居民生計與生活方式逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變，岷江上游農(nóng)村聚落人口空心化背景下耕地撂荒已成為普遍現(xiàn)象。山區(qū)耕地的撂荒是在中國鄉(xiāng)村轉(zhuǎn)型發(fā)展和土地利用轉(zhuǎn)型大背景下出現(xiàn)的人地關(guān)系新變化，隨著鄉(xiāng)村勞動力資源的進一步析出和留守勞動力老齡化程度的進一步加重[1-2]，山區(qū)耕地的撂荒可能繼續(xù)加劇。因此，了解耕地質(zhì)量與耕地的合理利用情況和科學(xué)流轉(zhuǎn)是事關(guān)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3-4]。保持一定規(guī)模糧食作物種植，對應(yīng)對特定自然災(zāi)害影響脅迫下的糧食危機具有重要的現(xiàn)實意義。

坡譜和信息熵是揭示耕地在不同坡度上利用變化特征的有效手段。目前，坡譜方法已經(jīng)涉及應(yīng)用條件[5-6]、坡度分級[7]、水土流失[8]等內(nèi)容；信息熵技術(shù)作為測度系統(tǒng)復(fù)雜性和均衡性的手段[9-10]，在地貌演化特征分析[11]、土地利用結(jié)構(gòu)變化[12-16]等領(lǐng)域得到較廣泛應(yīng)用。本文選取位于岷江上游藏-羌聚落交錯區(qū)為研究單元，基于遙感資料和野外實地考察，運用GIS技術(shù)提取1999、2009年和2014年研究區(qū)耕地的空間信息，利用坡譜和信息熵技術(shù)定量刻畫區(qū)域耕地分布的坡度特征與變化趨勢，揭示區(qū)域耕地利用狀態(tài)及其變化動因。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

岷江上游多民族地區(qū)地處干旱河谷區(qū)，在干旱河谷上線高半山半干旱緩坡區(qū)域分布有常綠、落葉闊葉林與針闊葉混交林。受地理環(huán)境所限，耕地分布與聚落分布具有趨同性。其中藏族聚落多分布于高山及河流干支流流域上部(海拔1 100～3 200 m)，羌族聚落則多見于河谷地和半山,主要分布在海拔1 180～3 200 m之間的干旱河谷和V型河谷上部低半山緩坡地帶[17]。藏族聚落共計835個，居民生計方式以農(nóng)業(yè)為主，亦有少量半農(nóng)半牧家庭；羌族聚落有666個，居民生計以農(nóng)業(yè)為主。藏-羌聚落交錯區(qū)位于31°19′N～32°24′N，103°11′E～103°52′E之間，共3個區(qū)域，行政區(qū)劃上包括理縣的薛城鎮(zhèn)和蒲溪鄉(xiāng)、黑水縣的色爾古鄉(xiāng)和瓦缽梁子鄉(xiāng)、松潘縣的鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1)，這5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均位于山原高原地帶，屬于高原季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫隨海拔上升而明顯下降，農(nóng)村居民居住半山和高半山，村寨分散且相距較遠，耕地多為坡耕地[18]。

圖1 研究區(qū)在岷江上游的分布Fig. 1 The spatial distributions of the investigated regions in the upper reaches of Min River

1.2 數(shù)據(jù)來源與分析

采用的數(shù)據(jù)主要包括：1999年SPOT-2、4的10 m全色波段影像和20 m多光譜影像，2009年SPOT-5的5 m全色波段影像和10 m多光譜影像以及2014年SPOT-6的1.5 m全色波段影像和6 m多光譜影像；空間分辨率30 m的ASTER GDEM V002數(shù)據(jù)。

利用ENVI 5.1軟件對遙感影像進行正射校正、配準、融合、鑲嵌，完成遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理；結(jié)合耕地光譜特征和野外GPS定位調(diào)查，建立解譯標志，利用ArcGIS 9.3軟件目視解譯研究區(qū)耕地信息(圖2)；基于數(shù)字高程模型提取耕地坡度，對耕地以3°等差分級進行坡度重分類。由于研究區(qū)耕地斑塊破碎，耕地的投影面積與坡面表面積相差不大，統(tǒng)計各坡度段耕地的投影面積及其占比，計算并繪制耕地3°等差分級坡譜，計算相應(yīng)的信息熵。

圖2 研究區(qū)的耕地信息Fig. 2 The cultivated land information on the investigated regions in three different periods

1.3 研究方法

1.3.1 坡譜 坡譜是以微地形因子的定量刻畫為基礎(chǔ)來揭示區(qū)域地形特征的有效途徑之一。通常坡譜可以用特定區(qū)域內(nèi)各個坡度段的面積頻率構(gòu)成的圖表來表示[7]，計算公式如下：

(1)

式中，Pi為以特定坡度分級標準得到的第i級坡度段耕地的面積頻率，ni為某一坡度段的耕地面積，n為研究區(qū)耕地總面積。

3°等差分級可以得到較為光滑、特征也較明顯的坡譜曲線，分級結(jié)果令人滿意[19]，故本文采取了3°等差分級繪制藏-羌聚落交錯區(qū)耕地坡譜曲線。

1.3.2 信息熵 在區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)中，信息熵用來反映土地利用的動態(tài)變化以及轉(zhuǎn)化的程度，熵值由小變大，表明土地利用系統(tǒng)由低級有序向高級無序轉(zhuǎn)變[20]。耕地系統(tǒng)作為一個耗散結(jié)構(gòu)體系，可以用信息熵來度量其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序程度。耕地信息熵反映按照一定的坡度分級的耕地在各個坡度段的面積頻率的差異程度，頻率越接近，其信息熵越大[21]，即耕地在不同分級坡段間的分布越均勻。信息熵計算公式如下：

(2)

式中，H為研究區(qū)耕地的信息熵，Pi為以特定坡度分級標準得到的第i級坡度段的耕地的面積頻率，m為分級總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地面積變化

基于耕地的光譜特征，并經(jīng)實地調(diào)查驗證，通過對3期遙感數(shù)據(jù)進行目視解譯，得到各個研究區(qū)在研究期內(nèi)的耕地變化情況(表1)。

表1 研究區(qū)1999，2009年與2014年耕地面積及其變化量與變化率

表1所示，1999-2014年15年間，研究區(qū)耕地面積整體呈下降趨勢，降幅為48.36%，耕地減少總量達1 236.39 km2。1999-2009年間耕地總面積下降796.11 km2，降幅達31.14%；其中，薛城鎮(zhèn)-蒲溪鄉(xiāng)耕地數(shù)量下降達49.99%，居3個區(qū)域之首，同時其耕地數(shù)量的變化也是造成該時段區(qū)域總體耕地數(shù)量減少最主要的原因，色尓谷鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)和鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)降幅依次為17.69%和28.75%。2009-2014年耕地總面積下降440.28 km2，降幅為25.01%。色尓谷鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)的耕地面積降幅為44.65%，鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)耕地面積降幅10.73%，理縣薛城鎮(zhèn)-蒲溪鄉(xiāng)則基本保持不變，對該時期區(qū)域總體耕地面積變化影響最大是色尓谷鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)的耕地數(shù)量變化情況。綜合1999-2014年，對區(qū)域耕地面積變化的貢獻由大到小依次為色尓谷鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)、薛城鎮(zhèn)-蒲溪鄉(xiāng)和鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)。

2.2 耕地坡譜

基于1999—2009—2014年3期遙感影像的目視解譯結(jié)果，利用DEM提取區(qū)域耕地坡度信息，采用3°等差分級繪制藏-羌聚落交錯區(qū)：理縣薛城鎮(zhèn)-蒲溪鄉(xiāng)、黑水縣色爾古鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)和松潘縣鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)的耕地坡譜曲線(圖3)。

圖3 研究區(qū)耕地坡譜Fig. 3 The information on slope spectrum curves of cultivated land in investigated regions

2.2.1 坡譜曲線特征 三個區(qū)域不同年份坡譜移動方向一致，均整體左移，即向緩坡方向移動，這表明藏-羌聚落交錯區(qū)各研究區(qū)坡耕地利用變化趨勢大致相同，陡坡耕地耕作率下降。

2.2.2 坡譜峰值特征 耕地主要分布于坡譜峰值附近，因此，坡譜峰值的移動可以在一定程度上反映坡譜的整體變動情況，反映出相應(yīng)區(qū)域耕地系統(tǒng)的不同坡度土地利用現(xiàn)狀及變化。1999年，黑水縣色尓古鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)耕地坡譜峰值的坡度區(qū)間為24°～26°，較理縣薛城鎮(zhèn)-蒲溪鄉(xiāng)和松潘縣鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)略高，后兩者的坡譜峰值所在坡度區(qū)間均為21°～23°；2014年，理縣薛城鎮(zhèn)-蒲溪鄉(xiāng)、黑水縣色尓古鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)和松潘縣鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)耕地分布最大坡度段均有所下降，依次分別降至18°～20°、15°～17°和9°～11°。這說明在退耕還林的15年內(nèi)，松潘縣鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)耕地坡譜峰值所在的坡度由陡變緩的程度最大，其耕地系統(tǒng)利用的合理化程度改善最大，黑水縣色尓古鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)次之。

2.2.3 坡譜分段特征 結(jié)合表1與圖3能夠得到①理縣薛城鎮(zhèn)-蒲溪鄉(xiāng)：超過70%的耕地分布于12°～29°坡度范圍(每一坡度段占比≥5%)，15年間，坡度≤14°范圍的耕地占比由11.89%增至16.97%，再達35.14%，而耕地面積由100.71 km2先下降為71.19 km2后大幅上升至150.03 km2；15°～20°坡度區(qū)間的耕地面積及其占比則先減少后增加，占比變化為從23.27%先降至18.31%，而后又增至26.26%，面積則由197.09 km2依次變化為77.58 km2和112.14 km2；坡度≥21°的耕地占比從64.85%微降為64.50%，后降至38.60%，面積由549.34 km2降至273.24 km2，最后到164.79 km2。②黑水縣色尓古鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)：66%的耕地主要分布在坡度為12°～29°地帶。坡度≤17°范圍的耕地占比由22.51%先增至31.21%后又增到55.65%，但面積變幅不大，三年間依次為241.92，276.12km2和272.52 km2；18°～23°的坡度區(qū)間，耕地面積從261.18 km2略減為237.33 km2,進而持續(xù)減少為115.74 km2，但其占比在24.30%的范圍內(nèi)先升至26.82%后降到23.64%；≥24°坡度范圍的耕地面積及其占比均持續(xù)顯著下降，占比由52.20%降到41.97%，繼續(xù)降到20.71%，面積則依次為571.86 、371.34 km2和101.43 km2。③松潘縣鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)：約68%耕地的主要坡度分布范圍為9°～26°。至2014年，在≤14°的坡度段上，區(qū)域耕地面積由158.49 km2上升為234.18 km2最后達到235.08 km2，而占比由24.98%依次迅速增至51.80%和58.25%，15°～17°坡段的耕地占比和面積則先由10.50%和66.60 km2降到9.72%和43.92 km2后略升高至11.33%和45.72 km2，而在≥18°坡度段耕地占比與面積下降情況依次從64.52%和409.41 km2占比和面積迅速降到38.48%和173.97 km2，進而降至30.42%和122.76 km2。

2.3 坡耕地信息熵

耕地坡度影響耕地的利用情況。在坡耕地上，為防止因順坡耕作造成的水土流失，需要采用不同的種植方式或采取綜合治理措施，因此了解當(dāng)?shù)馗仄露确之愄卣骷白兓癄顩r就顯得尤為必要。用信息熵來度量藏-羌聚落交錯區(qū)坡耕地結(jié)構(gòu)的有序程度，需要對耕地坡度進行分級處理。3°等差分級得到的信息熵雖然可以詳盡描述研究區(qū)對不同坡度耕地利用均衡與否的情況，但不能按照坡度對耕地利用的限制程度和影響情況而進行有針對性的說明，為此對3°等差分級進行改動，調(diào)整為0°～2°～5°～8°～11°～15°～25°以及>25°這7個坡度段。前五個坡度段依然采用3°等差分級，15°～25°和>25°兩個坡度段是1984年中國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會頒發(fā)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[22]對陡坡耕地的劃分，25°為《水土保持法》[23]中開荒限制坡度，>25°則為不準種植農(nóng)作物。本文按此分級方法并依據(jù)公式(2)計算得到坡耕地的信息熵(表2)。

表2 研究區(qū)耕地信息熵/nat

在耕地利用系統(tǒng)中，信息熵越小則表示耕地越集中在某些坡度范圍內(nèi)，耕地在不同坡度段分布就越不均勻。藏-羌聚落交錯區(qū)坡耕地的信息熵在研究期總體上呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，各研究區(qū)的坡耕地信息熵變化略有不同：理縣薛城鎮(zhèn)-蒲溪鄉(xiāng)與黑水縣色尓谷鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)的坡耕地信息熵有相似的變化趨勢，均逐漸增大，但程度不盡相同；松潘縣鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)的坡耕地信息熵則表現(xiàn)為先增加然后基本保持穩(wěn)定。

截止到1999年(結(jié)合表1與圖2)，藏-羌聚落交錯區(qū)的陡坡耕地(≥15°)占比和面積遠多于緩坡耕地(<15°)，陡坡耕地和緩坡耕地的占比分別是86.67%和16.33%；隨后，退耕還林工程在陡坡實施使緩坡耕地與陡坡耕地的占比差距縮小，陡坡耕地和緩坡耕地的占比為71.97%和28.03%；同時受地質(zhì)災(zāi)害的影響，坡度≥15°的耕地面積及其占比出現(xiàn)較為顯著的下降，坡度<15°的耕地數(shù)量因災(zāi)后復(fù)墾、撂荒復(fù)耕而緩慢上升，占比則上升較明顯，使得耕地在不同坡度段分布較退耕前均勻，進而使區(qū)域耕地信息熵由1.253增加至1.515。各個研究區(qū)的信息熵變化情況及原因與區(qū)域總體的情況相近。

2009-2014年間，區(qū)域總體的耕地信息熵繼續(xù)呈增加態(tài)勢，陡坡耕地的耕作率持續(xù)下降，由2009年的71.97%降至55.03%。其中理縣薛城鎮(zhèn)-蒲溪鄉(xiāng)與黑水縣色尓谷鄉(xiāng)-瓦缽梁子鄉(xiāng)<15°坡段的耕地占比與≥15°坡段的耕地占比差距持續(xù)減小，即兩不同坡度范圍耕地依然向著更加均勻的方向發(fā)展，顯示出與區(qū)域總體類似的變化趨勢。松潘縣鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)研究區(qū)≥15°坡段的耕地面積繼續(xù)減少，其占比與<15°坡段的耕地占比相比由1999年的大于(75.02%>24.98%)變?yōu)?009年的小于(48.20%<51.80%)，在2014年，≥15°坡段的耕地占比小于<15°坡段的耕地占比的程度進一步增大(41.75%<58.25%)，從而使得該區(qū)域坡耕地信息熵較2009年有所減少，即2014年松潘縣鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)研究區(qū)耕地在不同坡度段分布較2009年更不均勻。但與1999年的不均勻不同，1999年松潘縣鎮(zhèn)坪鄉(xiāng)的耕地是陡坡耕地遠大于緩坡耕地占比，而2014年則相反，該時期其耕地是緩坡耕地大于陡坡耕地占比，因此，其坡耕地信息熵則表現(xiàn)為基本不變，穩(wěn)定在1.8左右。

3 討 論

1)由于耕地面積的變化引起不同坡度耕地占比的變化，進而造成了坡譜和信息熵的變化。通過文獻調(diào)研并進行野外調(diào)查和農(nóng)戶走訪，將耕地坡譜與信息熵變化的原因歸納為以下幾方面：①岷江上游山區(qū)1999年開始實施退耕還林工程，陡坡耕地因此大量減少，這與2008年四川省退耕還林調(diào)查報告[24]得出的山區(qū)實施退耕還林使大批陡坡耕地得到有效治理的結(jié)論相一致；2009-2014年間受到汶川地震及其次生地質(zhì)災(zāi)害，特別是2013年“7.10特大泥石流”的影響，堵江潰決威脅的存在[25]造成河谷區(qū)兩側(cè)耕地面積顯著下降，這在蒲溪溝等地的走訪調(diào)查中也得以證實。②“十二五”期間隨著四川省的城鎮(zhèn)化水平的逐步提高和農(nóng)村空心化的進一步加劇[26]，當(dāng)?shù)剞r(nóng)村聚落年輕勞動力不斷外流與留守勞動力老齡化，加上震后村子陸續(xù)搬遷引起耕地可達性降低，導(dǎo)致研究區(qū)當(dāng)?shù)夭糠指乇黄攘袒?。③陡坡耕地退耕后，耕地生態(tài)系統(tǒng)供給生態(tài)服務(wù)價值降低[27]，生態(tài)補償?shù)陀诰用裆嬓枨?，因此在河壩等區(qū)域出現(xiàn)耕地復(fù)耕、復(fù)墾現(xiàn)象，同時也使耕地棄耕情況得到一定緩解[28]。

2)坡譜是地學(xué)圖譜中用來反映現(xiàn)象或事物的空間結(jié)構(gòu)的方法之一[29]，目前在黃土高原地貌和水土保持研究的成功運用[30-32]已充分證明其可有效反映地貌形態(tài)的空間分異特征并可用來獲取地形地貌信息。本文通過適當(dāng)?shù)钠露确旨壏椒ǖ玫窖芯繀^(qū)耕地坡譜，獲取了耕地在不同坡度上的空間分布信息，其中，三個研究區(qū)在1999年均呈現(xiàn)近似正態(tài)的分布態(tài)勢，即隨坡度的升高，不同坡度耕地面積呈兩頭小中間大的分布趨勢，這反映了研究初期區(qū)域在不同坡度下耕地的利用情況。同時，基于圖譜反演過去、預(yù)測未來的特點[33]，本文將研究區(qū)不同時段耕地坡譜進行了對比分析，得到研究區(qū)對耕地利用的發(fā)展變化趨勢，即與1999年相比，研究區(qū)在2009年和2014年陡坡耕地耕作率均下降，緩坡耕地面積占比較小的情況逐步好轉(zhuǎn)。這樣的結(jié)果與李富程等[34]得到的不同坡度的耕地面積整體呈減小趨勢且耕地減少量隨坡度增大而增加研究結(jié)論相一致。

信息熵是對系統(tǒng)有序與否的量度手段之一，在土地利用結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中其演變情況可以反映區(qū)域土地的分布和不同土地利用類別的動態(tài)演變規(guī)律。在量化地面坡譜后，信息熵及其變化情況可進一步表征地貌形態(tài)的時空變化特征[30，32]。本文基于研究區(qū)耕地坡譜信息，借助信息熵探究得出耕地在不同坡度區(qū)間上的分布均勻程度有所改善；并通過信息熵在時間尺度上由小到大的變化，分析得到區(qū)域坡耕經(jīng)歷由陡坡耕地多于緩坡耕地演變?yōu)閮烧邤?shù)量接近再發(fā)展到緩坡耕地逐漸多于陡坡耕地的變化。在本文中坡譜信息熵的變化表明耕地在不同分級坡度區(qū)間的分布逐漸趨于均勻，而陳佳音等[32]的研究得出坡譜信息熵由小變大能夠反映地形起伏由緩和向劇烈的變化趨勢的結(jié)論，兩者均是通過坡譜信息熵的變化來反映相應(yīng)研究對象的時空變化規(guī)律，但研究結(jié)果的差異性因受到研究對象及其在研究期內(nèi)分布的始末狀態(tài)和計算信息熵時所選取的坡度分級方法的影響而有所不同。

因此，通過分析坡譜和信息熵的變化原因來反映研究區(qū)耕地的時空變化狀況，進而判定研究區(qū)對坡耕地的利用情況，對減少水土流失、確保山區(qū)糧食種植面積[35]，緩解山區(qū)人地矛盾和保障退耕還林的生態(tài)效益具有重要意義。

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明：1)1999～2014年間，藏-羌聚落交錯區(qū)≥24°的耕地坡譜段遞減明顯，陡坡耕地耕作率由1999年的83.67%到2009年的71.97%再到2014年的55.03%，發(fā)生幅度較為明顯地下降；坡度≤14°的耕地坡譜段呈現(xiàn)上升趨勢，緩坡耕作率從1999年到2009年再到2014年分別為16.33%，28.03%和44.97%，說明交錯區(qū)耕地利用逐漸向坡度緩和的方向移動，緩坡耕地將會逐步成為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物集中分布區(qū)，耕地的利用更加合理。2)在退耕還林和5·12地震及其次生地質(zhì)災(zāi)害的雙重影響下，藏-羌聚落交錯區(qū)耕地信息熵由1999年的1.253增加為2009年的1.515，進一步增至1.707，呈逐漸增加的態(tài)勢，這表明緩坡耕地與陡坡耕地的占比差距縮小，耕地在不同分級坡段間的分布趨于均勻，相較于當(dāng)?shù)馗呱缴罟鹊牡匦闻c研究初期的主要集中于陡坡的耕作狀態(tài)，這樣的變化有利于當(dāng)?shù)氐乃帘３峙c生態(tài)環(huán)境的保護。利用坡譜對區(qū)域耕地系統(tǒng)微地貌進行刻畫，結(jié)合坡譜信息熵的變化分析耕地的空間分異特征，有助于評價區(qū)域耕地的時空變化狀況，為山區(qū)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考和依據(jù)。