典型山區(qū)陡坡耕地時空格局演變研究

蔣紅娟 黃義忠

摘要：耕地是人類生存和發(fā)展不可或缺的重要組成部分，陡坡耕地的存在與生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)。基于云南省文山壯族苗族自治州馬關(guān)縣仁和鎮(zhèn)2000、2007、2010、2015年4個時期的Landsat5 TM或Landsat8 TM影像，進(jìn)行陡坡耕地的解譯和提取，研究仁和鎮(zhèn)近15年的陡坡耕地動態(tài)變化情況，探討其動態(tài)變化特征和規(guī)律。研究期間仁和鎮(zhèn)的陡坡耕地起伏變化，分布較廣，集中分布于南部、西南部和東北部地區(qū)。2015年的陡坡耕地數(shù)量相比2000、2007、2010年有所減少，但整體形勢依然嚴(yán)峻，集中連片分布問題依然突出。通過對陡坡耕地的研究，可準(zhǔn)確掌握其時空格局變化規(guī)律，為今后陡坡耕地治理、改善耕地質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境奠定堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：陡坡耕地;Landsat TM影像;時空格局;坡度;坡向

中圖分類號：F323.211 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）10-0281-06

收稿日期：2019-05-19

作者簡介：蔣紅娟（1995—），女，云南大理人，碩士研究生，主要從事國土資源信息化研究。E-mail：2081076845@qq.com。

通信作者：黃義忠，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事土地資源管理與環(huán)境地質(zhì)研究。E-mail：hyizhong@163.com。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國人口數(shù)量不斷增多，耕地面積逐漸減少。云南省以山地為主，陡坡耕地普遍存在，且占有面積較大，其中有80多萬hm2坡度為25°以上的陡坡耕地[1]，陡坡耕地產(chǎn)出低且水土流失嚴(yán)重[2-3]，可導(dǎo)致土壤侵蝕[4-5]、土壤流失[6]、土層變薄，并且存在拋荒的現(xiàn)象[7]。我國的耕地保護(hù)局面十分危急，耕地減少的趨勢仍未得到妥善解決。有資料顯示，全國大約有4 200萬hm2陡坡耕地，并且急需退耕還林，可供開發(fā)利用的后備耕地資源十分有限。

目前對陡坡耕地的研究主要通過選取自然環(huán)境因素和社會經(jīng)濟(jì)因素為指標(biāo)，全面調(diào)查評價陡坡耕地質(zhì)量、宜耕性[8-9]，確定陡坡耕地退耕還林還草的潛力、面積、空間分布及產(chǎn)生的影響[10-11]等?；谕恋乩脭?shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用當(dāng)前熱點景觀生態(tài)學(xué)原理，定量分析陡坡耕地景觀格局變化[12-13]以及對陡坡耕地進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測[14]等，可實現(xiàn)對陡坡耕地多角度、多層次的深入研究。

云南省馬關(guān)縣仁和鎮(zhèn)屬于典型的山區(qū)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），關(guān)于其陡坡耕地的空間分布格局及演變特征目前還沒有針對性的調(diào)查和研究。以馬關(guān)縣仁和鎮(zhèn)2000—2015年內(nèi)4個時期的Landsat TM影像為基礎(chǔ)，通過對陡坡耕地時空演變格局的動態(tài)變化進(jìn)行研究，獲得陡坡耕地的數(shù)量特征、分布特征及質(zhì)量狀況特征，進(jìn)而得出存在的背景和原因以及發(fā)展變化規(guī)律，以期為今后陡坡耕地治理和退耕還林提供可行性分析依據(jù)。研究馬關(guān)縣仁和鎮(zhèn)陡坡耕地的分布特征以及動態(tài)演變，對山區(qū)土地整治、扶貧開發(fā)、生態(tài)建設(shè)等具有重要的參考價值。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

仁和鎮(zhèn)位于云南省文山壯族苗族自治州馬關(guān)縣的南部，距離縣城20 km，地理位置為22°50′～23°03′N、104°12′～104°22′E（圖1）。全鎮(zhèn)地形大致上呈葫蘆形，北窄南寬。中部和北部地區(qū)大多屬于山區(qū)，地勢較高，東南部屬于河谷地區(qū)，海拔在 458.0～1 761.4 m之間，年平均氣溫為15.6～18.2 ℃，年降水量為1 600 mm[15]。北部有木臘河由西向東橫穿境內(nèi)，東部、南部邊緣有咪湖河、響水河圍繞。仁和鎮(zhèn)南部地勢由北向南逐漸降低，傾斜延伸至咪湖河、響水河，自然條件和農(nóng)業(yè)分布垂直變化明顯，具有立體農(nóng)業(yè)的特點。

仁和鎮(zhèn)有14個村民委員會、185個村民小組，面積為191 km2，人均占有耕地約973 m2，全鎮(zhèn)以農(nóng)業(yè)為主，主要糧食作物有小麥、稻谷、玉米，經(jīng)濟(jì)作物有甘蔗、烤煙、蔬菜、茶葉，全鎮(zhèn)的重要支柱產(chǎn)業(yè)是烤煙。仁和鎮(zhèn)地理條件優(yōu)越，交通發(fā)達(dá)，海拔較高、氣候涼爽，東南部河谷區(qū)氣溫較高，濕度較大，

具有巨大的熱資源開發(fā)利用價值。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究基礎(chǔ)為2000年3月8日、2007年9月20日、2010年1月15日的Landsat4-5 TM和2015年7月7日的Landsat8 TM影像，空間分辨率為30 m，所選的影像云量均<5%，說明所選遙感影像符合條件且質(zhì)量較好。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對2000年3月8日、2007年9月20日、2010年1月15日的Landsat4-5 TM和2015年7月7日的Landsat8 TM影像分別進(jìn)行幾何校正、正射校正、大氣校正、輻射定標(biāo)、圖像裁剪[16-17]等操作。將研究區(qū)行政區(qū)劃圖的坐標(biāo)系與遙感影像的坐標(biāo)系相統(tǒng)一，完成影像的預(yù)處理操作，預(yù)處理后的遙感影像見圖2。

2 研究方法

2.1 監(jiān)督分類

監(jiān)督分類又稱訓(xùn)練場地法，它的本質(zhì)是建立判

別函數(shù)，依據(jù)具有代表性的樣本訓(xùn)練方式進(jìn)行圖像劃分，屬于模式識別的一種[18]。在形成監(jiān)督分類訓(xùn)練樣本的工作中，要求訓(xùn)練樣本要具有典型性和代表性[19]。判別規(guī)則如果滿足歸類精度要求，則規(guī)則成立;反之，就需要重新創(chuàng)建監(jiān)督分類的決策規(guī)則，直到滿足歸類精度的要求為止。常用的監(jiān)督分類方法有判別分析、特征分析、最大似然分析、序貫分析和圖形識別等。

本研究采用最大似然分類方法，分別建立樣本“耕地”和“其他用地”，選擇對應(yīng)顏色為“Yellow（黃色）”和“Green（綠色）”。在選擇4（近紅外）、3（紅光）、2（綠光）波段的遙感影像中，紅色影像為植被，綠色影像為耕地，白色影像為建設(shè)用地，在研究區(qū)中選擇滿足條件的像元。在樣本像元選擇過程中，應(yīng)當(dāng)遵循均勻選點的原則，并且所選的像元個數(shù)不宜過少，這樣才能保證監(jiān)督分類訓(xùn)練樣本選取的準(zhǔn)確性和科學(xué)性[20]。完成監(jiān)督分類樣本選取后，查看樣本屬性，只有耕地和其他用地的可分離性都不低于1.8時，才能確保監(jiān)督分類訓(xùn)練樣本選擇的準(zhǔn)確度和誤差大小在合理的范圍內(nèi)，為監(jiān)督分類結(jié)果的接近度和精確度提供保證。

2.2 陡坡耕地提取

將坡度為25°以上的耕地定義為陡坡耕地，所以陡坡耕地的提取條件既要滿足是耕地，又要滿足坡度在25°以上。利用研究區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）生成坡度，并將坡度圖按照默認(rèn)的分類標(biāo)準(zhǔn)分為5類，分別為≤2°、2°～8°、8°～15°、15°～25°、≥25°。在ArcGIS中，用柵格計算器提取陡坡耕地，地圖代數(shù)表達(dá)式為：（“坡度圖.tif”>=25） & （“分類圖.tif”==1），“1”代表耕地[此時需要區(qū)分代表耕地的Value是“0”還是“1”，如果是“0”，則地圖代數(shù)表達(dá)式為：（“坡度圖.tif”>=25） & （“分類圖.tif”==0）]。通過上述計算，分別得到2000年、2007年、2010年、2015年的陡坡耕地分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 陡坡耕地分布

如圖3所示，馬關(guān)縣仁和鎮(zhèn)各個時期的陡坡耕地分布較廣，集中分布在南部、西南部、東北部地區(qū)，尤其是南部地區(qū)陡坡耕地分布最為明顯。陡坡耕地的數(shù)量在15年間起伏變化，但變化幅度較小，2010年、2015年相比2000年、2007年陡坡耕地數(shù)量有所減少，但陡坡耕地的整體情況依然十分嚴(yán)重，并且在南部、東北部、西南部集中連片分布問題依然突出，須要對陡坡耕地進(jìn)行治理。

3.2 相鄰時期陡坡耕地變化

從2000、2007、2010、2015年的4個陡坡耕地分布圖的屬性表中發(fā)現(xiàn)，Value為“0”和“1”都分別代表其他用地和陡坡耕地。為了后續(xù)便捷計算分析的需要，將2007、2010、2015年的陡坡耕地分布圖屬性表中的Value乘以10，此時這3個時期的Value就變?yōu)榱恕?”和“10”，但它們?nèi)匀环謩e代表其他用

地和陡坡耕地。

在分析相鄰2個時期的陡坡耕地變化時，筆者發(fā)現(xiàn)了1種簡便、直觀并且容易理解的方法。該方法的基本思想是將前一時期陡坡耕地的Value與后一時期陡坡耕地的Value乘以10后再相加，得到前一時期陡坡耕地到后一時期陡坡耕地變化，此時發(fā)現(xiàn)陡坡耕地分布圖屬性表中的Value變?yōu)椤?”“1”“10”“11”4個值，這4個值分別代表了前一時期到后一時期“一直都是其他用地”、前一時期到后一時期“陡坡耕地變?yōu)槠渌玫亍薄⑶耙粫r期到后一時期“其他用地變?yōu)槎钙赂亍?、前一時期到后一時期“一直都是陡坡耕地”這4種變化情況。筆者將4種演變形式的顏色分別設(shè)為無色、綠色、黃色、紅色，圖4為相鄰2個時期陡坡耕地變化示意，可以看出，陡坡耕地及其他用地在這15年間起伏變化，在這3個階段的陡坡耕地和其他用地互相變化中，陡坡耕地的面積逐年減少。

3.3 陡坡耕地坡度分析

研究各個坡度的陡坡耕地，對上述≥25°的坡度重分類為25°～30°、30°～35°、≥35°。通過分析 25°～30°、30°～35°、≥35°的陡坡耕地變化情況發(fā)現(xiàn)，4個時期的陡坡耕地在各個坡度上的面積分布比較均勻。如圖5所示，2000年和2007年陡坡耕地主要分布在25°～30°的坡地上，其次分布在 30°～35°的坡地上，坡度≥35°的陡坡耕地面積最少。2010年和2015年， 坡度25°～30°、30°～35°的

陡坡耕地面積減少，2010年，坡度≥35°的陡坡耕地面積有所增加。相比2010年，2015年25°～30°、30°～35°、≥35°的陡坡耕地面積都有所減少，陡坡耕地在各個坡度上的分布存在減少的趨勢。

3.4 陡坡耕地坡向分析

研究各個坡向的陡坡耕地，利用研究區(qū)DEM生成坡向圖，分為北、東北、東、東南、南、西南、西、西北8個方向。分析4個時期的陡坡耕地在8個坡向上的變化情況，結(jié)果（圖6）發(fā)現(xiàn)，陡坡耕地在各個坡向上都有分布，并且在15年間起伏變化，但變化幅度較小。2000年的陡坡耕地主要分布在西、西北、北面，2007年的陡坡耕地主要分布在西南、西、西北面，2010年的陡坡耕地主要分布在東南、西、西北面，2015年的陡坡耕地主要分布在東南、南、西、西北面。從這4個時期陡坡耕地的坡向上看，陡坡耕地在坡的西面和西北面分布最多且較為穩(wěn)定，在坡的東北、東面分布最少。在2000—2007年東南、南、西南面的陡坡耕地逐漸增多，2007—2010年西南、西面的陡坡耕地減少。

4 結(jié)論與討論

云南省是一個山地占70%的地區(qū)，平原較少，海拔普遍較高。長期以來，大多數(shù)農(nóng)民生活在山坡上，他們的耕地難免也在山坡上。由于人口快速增長，耕地的發(fā)展空間嚴(yán)重受限，當(dāng)?shù)乩习傩詹坏貌灰揽块_墾陡坡耕地來滿足基本生存需求，導(dǎo)致陡坡耕地的數(shù)量一直居高不下，這是陡坡耕地存在的根本原因。陡坡耕地存在的地區(qū)多為貧困落后的山村，由于當(dāng)?shù)卮迕裰R文化水平較低，生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識不強(qiáng)，只顧自身以及眼前的利益，盲目地進(jìn)行陡坡開荒，忽略了對環(huán)境造成的影響。政府的管理力度不強(qiáng)，導(dǎo)致開墾陡坡耕地的情況依然存在，有效的管理措施難以實施，使得陡坡耕地存在的現(xiàn)實情況依然嚴(yán)峻。

不合理的耕種方式，導(dǎo)致耕地質(zhì)量低下，產(chǎn)量低，難以滿足基本的生活需求，所以人們就會放棄那些坡度較低卻質(zhì)量下降的耕地，來開墾坡度較高的坡地進(jìn)行耕種。陡坡耕地的存在與諸多因素有關(guān)，例如土壤質(zhì)量和土層厚度就是其中非常重要的因素，人們開墾陡坡耕地一般都會選擇土壤肥力和保水能力較好的地方進(jìn)行耕種，這也是影響陡坡耕地空間分布格局的一個因素。另外一個非常重要的因素就是坡向，人們一般會選擇山坡向陽面開墾耕地進(jìn)行耕種。由于向陽面陽光充足且日照時間較長，能夠保證作物健康生長和獲得較高產(chǎn)量，但是隨著向陽面陡坡耕地的增加，數(shù)量逐漸趨于飽和，于是便會選擇那些條件相對較差的地區(qū)進(jìn)行開墾，陡坡耕地的分布也隨之發(fā)生變化，這也是影響陡坡耕地空間分布格局的另一個重要因素。因此，影響陡坡耕地空間分布格局的因素多種多樣，須要對引起這些變化的因素進(jìn)行全面的研究，全面系統(tǒng)的分析是提出陡坡耕地治理可行性方法的基礎(chǔ)。

根據(jù)上述分析，可采用以下措施改善和治理陡坡耕地。（1）政策措施。在陡坡耕地治理中政府的作用至關(guān)重要，可以通過一系列措施來控制和治理陡坡耕地。鼓勵農(nóng)戶植樹造林并按照一定的標(biāo)準(zhǔn)給予生活補(bǔ)助，以滿足農(nóng)戶的基本生活需求;申請專項基金用于陡坡耕地治理，鼓勵和支持社會參與陡坡耕地治理，提高治理的質(zhì)量和成效，形成規(guī)模效應(yīng)，造就治理陡坡耕地的良好風(fēng)氣。（2）將陡坡耕地改為水平梯田。將陡坡耕地改造成可以保水、保土、保肥的梯田、梯地，同時配備農(nóng)田水利設(shè)施和田間道路，實現(xiàn)科學(xué)合理耕種，切實提高產(chǎn)量，滿足糧食需求。將陡坡耕地建設(shè)為水平梯田，可以防止水土流失和實現(xiàn)山區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，在陡坡耕地綜合治理中具有突破作用。（3）將陡坡耕地退耕還林還草。在上述治理措施的基礎(chǔ)上，可以對陡坡耕地有計劃地退耕還林還草。根據(jù)實際需求可以建造木材林、水土保持林和各種經(jīng)濟(jì)林，對生活在比較惡劣環(huán)境中的農(nóng)戶進(jìn)行異地搬遷，不僅可以逐漸恢復(fù)植被，加快退耕還林的進(jìn)程，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，同時可促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)人與自然健康和諧發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王 云. “十二五”云南將完成四百萬畝陡坡退耕還林[J]. 云南農(nóng)業(yè)，2012（12）：3.

[2]馬紅萍. 四川省旱坡耕地特征與生產(chǎn)潛力研究[D]. 雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[3]王道杰，柴宗新，崔 鵬，等. 長江上游坡耕地水土流失及其治理措施[C]//中國水土保持學(xué)會規(guī)劃設(shè)計專業(yè)委員會換屆暨學(xué)術(shù)研討會. 烏魯木齊：中國水土保持學(xué)會，2006.

[4]鄭粉莉，武 敏，張玉斌，等. 黃土陡坡裸露坡耕地淺溝發(fā)育過程研究[J]. 地理科學(xué)，2006（4）：4438-4442.

[5]趙龍山，侯 瑞，吳發(fā)啟，等. 水蝕過程中裸露陡坡耕地土壤侵蝕特征[J]. 水土保持學(xué)報，2018，32（1）：74-79.

[6]嚴(yán)冬春，文安邦，龔長文，等. 紫色土陡坡耕地順坡壟作條件下的土壤及其流失特征[J]. 山地學(xué)報，2014，32（3）：314-319.

[7]王慶民. 未來十年，陡坡耕地面臨拋荒——以重慶市涪陵區(qū)為例[J]. 科教導(dǎo)刊（上旬刊），2010（8）：216，218.

[8]劉學(xué)全，崔鴻俠，馮 雯，等. 湖北省坡耕地資源評價[J]. 湖北林業(yè)科技，2008（4）：52-55.

[9]Liu L，Wang Y J，Han J F. GIS-based quality analysis on the cultivated land resources in poor areas of China[C]//PIAGENG 2009：Remote Sensing and Geoscience for Agricultural Engineering，2009.

[10]方 民. 基于GIS對烏蘭花鎮(zhèn)陡坡耕地還林還草決策分析[J]. 經(jīng)緯天地，2016（6）：19-23.

[11]Dawson R. Characteristics of steep cultivated land and the impact of the grain-for-green policy in China[J]. Pedosphere，2006（2）：215-223.

[12]尹 龍，顧治家，汪 南. 元江干熱河谷區(qū)坡耕地景觀格局變化研究[J]. 云南地理環(huán)境研究，2017，29（2）：48-56.

[13]Gao X H，F(xiàn)eng S C，Xie J A，et al. Analysis of cultivated land change by remote sensing data in the Huangshui River watershed，northwestern China[J]. Proceedings of SPIE，2011，8181（1）：32.

[14]Zhou J M，Zhou Q G，Huang Z Q. Monitoring the cultivated slope land in the three gorges reservoir area based on remote sensing and GIS[J]. Wuhan University Journal of Natural Sciences，2006，11（4）：915-921.

[15]張建林，龍紀(jì)峰. 從民族文化角度探尋馬關(guān)縣阿峨新寨壯族農(nóng)民版畫的發(fā)展[J]. 文山學(xué)院學(xué)報，2010，23（1）：19-23.

[16]宋偉東，趙芳杰，趙開會. 基于遙感影像的交通專題圖制作[J]. 測繪與空間地理信息，2018，41（10）：12-14，17.

[17]姚雪花，王玉琴. 應(yīng)用ENVI遙感影像解譯及GIS制圖研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2018（15）：47-48.

[18]劉二磊. 基于Matlab的遙感影像監(jiān)督分類[J]. 技術(shù)與市場，2018，25（8）：75-77.

[19]成淑艷，曹生奎，曹廣超，等. 基于高分辨率遙感影像的青海湖沙柳河流域土地覆蓋監(jiān)督分類方法對比[J]. 水土保持通報，2018，38（5）：261-268，353.

[20]張 森，馬 迪，王 滔，等. 基于監(jiān)督分類的土地利用遙感影像提取方法研究——以武漢市為例[J]. 綠色科技，2018（14）：223-225.