湖北省坡耕地現(xiàn)狀分析及宜耕性評(píng)價(jià)

陳 芳, 高寶林, 李 杰, 劉 琨, 徐 昕

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 武漢 430000)

耕地資源是糧食生產(chǎn)的載體[1]，耕地的數(shù)量和質(zhì)量決定了一個(gè)國(guó)家的人口承載力和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的能力。人多地少的基本國(guó)情，決定了中國(guó)必須落實(shí)最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度，從數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)方面實(shí)施“三位一體”耕地資源保護(hù)。為此，全面準(zhǔn)確摸清耕地資源的數(shù)量及其空間分布，并通過宜耕性評(píng)價(jià)研究掌握現(xiàn)有耕地在質(zhì)量、生態(tài)狀況及利用方面存在的問題，可為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和耕地資源質(zhì)量提升提供科學(xué)參考，在制定農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全戰(zhàn)略、實(shí)施國(guó)土資源整治和開發(fā)以及生態(tài)建設(shè)等方面都具有重要意義[2-3]。

目前，耕地資源的宜耕性評(píng)價(jià)常見方法是分級(jí)賦值法[4-9]，選取不同指標(biāo)，通過層次分析法確定權(quán)重，根據(jù)加權(quán)得分對(duì)耕地適宜性劃分不同等級(jí)，由于這種方法計(jì)算結(jié)果為單個(gè)綜合評(píng)分，不便獲取影響宜耕性的關(guān)鍵指標(biāo)信息，故此類研究多側(cè)重于不同宜耕等級(jí)的耕地空間分布研究，但對(duì)耕地不宜耕的產(chǎn)生原因及其潛力提升措施的剖析不夠深入。限制性因子評(píng)價(jià)法多用于耕地后備資源的宜耕性評(píng)價(jià)[10-13]，若選取的任一項(xiàng)指標(biāo)滿足不宜耕的條件，則劃分為不宜耕耕地，可直觀揭示現(xiàn)有耕地資源不宜耕的主要原因。

湖北是全國(guó)13個(gè)糧食主產(chǎn)省份之一，坡耕地的面積分布較為廣泛，坡耕地占耕地的比例高于全國(guó)平均水平，坡耕地也是湖北省耕地資源的重要組成部分；坡耕地不僅產(chǎn)量低而且水土流失嚴(yán)重，威脅到區(qū)域生態(tài)與糧食安全[14]。湖北省坡耕地?cái)?shù)量及分布特征情況在西部大開發(fā)土地資源調(diào)查成果中有過統(tǒng)計(jì)[15]，該成果僅調(diào)查了15°以上坡耕地面積，沒有涉及全域坡耕地，且調(diào)查距今多年；另外聶斌斌等[16]在鄂西山區(qū)對(duì)坡耕地分布進(jìn)行了區(qū)域調(diào)查，但缺乏省域整體把握。本文對(duì)湖北省坡耕地開展全面調(diào)查，查明湖北省坡耕地資源的數(shù)量、理化性狀及其土地利用、水土流失等狀況，在此基礎(chǔ)上再采取限制因子法實(shí)施宜耕性評(píng)價(jià)，分析宜耕性坡耕地資源，以期對(duì)坡耕地資源的開發(fā)利用和保護(hù)及其質(zhì)量提升方向提供科學(xué)依據(jù)。

1 湖北省概況

湖北省位于我國(guó)中部，地處長(zhǎng)江中游的洞庭湖以北，地理位置處于北緯29°05′—33°20′，東經(jīng)108°21′—116°07′。東西長(zhǎng)約740 km，南北寬約470 km，全省總土地面積18.59萬km2。省內(nèi)貫穿長(zhǎng)江和漢江兩大水系，河湖眾多，土地資源類型豐富。全省山地、丘陵崗地和平原湖區(qū)各占湖北省總面積的56%，24%和20%。西、北、東三面被武陵山、巫山、大巴山、武當(dāng)山、桐柏山、大別山、幕阜山等山地環(huán)繞，最高海拔為3 106 m；中南部為江漢平原，與湖南省洞庭湖平原連成一片，地勢(shì)平坦，除平原邊緣崗地外，海拔多在35 m以下，略呈由西北向東南傾斜的趨勢(shì)。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，具有四季分明，雨熱同季，光、熱、水資源較豐富的特點(diǎn)，年平均降水量800～1 600 mm，年平均日照時(shí)數(shù)一般為1 100～2 150 h，年平均氣溫15～17℃。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和預(yù)處理

湖北省耕地及耕地坡度和耕地屬性數(shù)據(jù)來源于湖北省國(guó)土調(diào)查2019年土地利用矢量數(shù)據(jù)，土壤侵蝕現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于湖北省2019年水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果，分辨率為10 m；土壤圖來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)土壤數(shù)據(jù)集(v1.2)，分辨率為1 km。

本研究的坡耕地是指種植農(nóng)作物的自然坡度≥6°的耕地(不包括梯田)，耕地的定義為《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2017)中的類型。利用GIS軟件從國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)中提取坡度≥6°(即坡度級(jí)≥3)、地類屬性為耕地、耕地類型為坡地的圖斑即為坡耕地矢量數(shù)據(jù)圖斑；將土壤侵蝕圖和土壤圖進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換為矢量，與坡耕地圖斑進(jìn)行疊加，則每一個(gè)坡耕地圖斑包含了本研究所需的坡度、種植屬性、土壤侵蝕、土壤理化性質(zhì)等方面的屬性數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建了本研究所需的湖北省坡耕地?cái)?shù)據(jù)庫。

2.2 研究方法

2.2.1 坡耕地特征指數(shù) 該指數(shù)可反映坡耕地坡度大小和開發(fā)利用的難易程度[2-3]，其值越大表明坡耕地坡度越大，開發(fā)利用及治理越難，計(jì)算公式為：

(1)

式中:Si為第i類坡度特征的坡耕地面積,坡耕地坡度特征按6°～15°,15°～25°，>25°三級(jí)分別統(tǒng)計(jì);S為坡耕地總面積;ωi為不同坡度特征類型權(quán)重值,根據(jù)專家評(píng)分法,分別把6°～15°,15°～25°，>25°坡度特征值的權(quán)重設(shè)定為0.1,0.3,0.6。

2.2.2 坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù) 該指數(shù)可反映不同坡度坡耕地水土流失危害的嚴(yán)重程度[17]，其值越大表明該坡度級(jí)耕地受到的土壤侵蝕危害就越大，本研究?jī)H考慮水力侵蝕，計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

(2)

式中:Wj為第j級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)值,其中輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈的分級(jí)值分布設(shè)計(jì)為1,2,4,6,8;Aj為第j級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度面積比重。

2.2.3 坡耕地資源宜耕性評(píng)價(jià) 土地地力評(píng)價(jià)可選取的指標(biāo)一般有氣象、立地條件、剖面性狀、土壤理化性狀、土壤管理等因子。參考已有研究成果[13,18]，并綜合考慮本項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際情況及數(shù)據(jù)的可獲取性，有所側(cè)重地進(jìn)行指標(biāo)選取。氣象因子主要有年降水量和積溫等，但湖北省雨熱資源豐富，降雨、日照和氣溫條件適宜，滿足作物生長(zhǎng)要求，因此不構(gòu)成限制性因素；立地條件主要有地形、土壤和排水狀況等，坡度和土壤侵蝕程度影響耕地利用的難易程度、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，故選取坡度、土壤侵蝕程度2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)；剖面性狀主要有剖面構(gòu)型、質(zhì)地構(gòu)型、土層厚度等，選擇具有代表性且易獲取的土層厚度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)；土壤理化性狀中選擇土壤質(zhì)地和土壤pH值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其數(shù)據(jù)要求見表1。以湖北省坡耕地圖斑為評(píng)價(jià)單元，采取“限制性因子”評(píng)價(jià)法，對(duì)評(píng)價(jià)單元進(jìn)行評(píng)價(jià)，只要有一個(gè)因素指標(biāo)達(dá)到不宜耕的限制條件，即為不宜耕坡耕地。

表1 湖北省坡耕地資源宜耕性評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 結(jié)果與分析

3.1 坡耕地空間分布及特征指數(shù)分析

(1) 坡耕地空間分布及坡度構(gòu)成。根據(jù)調(diào)查結(jié)果(表2)，湖北省耕地總面積為50 029.75 km2，坡耕地面積為9 438.64 km2，坡耕地面積占總耕地面積的18.87%。從湖北省坡耕地的空間分布來看，坡耕地分布廣泛，涉及全省縣級(jí)行政區(qū)共有99個(gè)，且主要集中分布在鄂西山區(qū)和鄂東北山區(qū)兩大片。鄂西山區(qū)主要包括宜昌市、襄陽市、十堰市、恩施州、神農(nóng)架林區(qū)，鄂東北山區(qū)主要包括黃岡市，其中鄂西山區(qū)的恩施州、十堰市、宜昌市和襄陽市坡耕地面積分別為2 871.33 km2、1 306.73 km2、1 269.21 km2和1 069.15 km2，全部超過了1 000 km2，分別占全省坡耕地面積的30.42%，13.84%，13.45%和11.33%；鄂東北山區(qū)的黃岡市坡耕地面積為880.12 km2，占全省坡耕地面積的9.32%。

表2 湖北省坡耕地分布及坡度構(gòu)成分析

湖北省坡耕地的坡度構(gòu)成以6°～15°坡耕地為主，6°～15°坡耕地面積為5 488.31 km2，占坡耕地總面積的58.15%，15°～25°坡耕地面積為2 853.01 km2，占坡耕地面積30.23%，≥25°坡耕地面積為1 097.32 km2，占坡耕地面積11.63%。其中，6°～15°坡耕地主要分布在恩施州、襄陽市和黃岡市，分別占全省6°～15°坡耕地的22.81%，13.26%和12.70%；15°～25°坡耕地主要分布在恩施州、十堰市和宜昌市，分別占全省15°～25°坡耕地的38.59%，20.77%和16.83%；≥25°坡耕地也主要分布在恩施州、十堰市和宜昌市，分別占全省≥25°坡耕地的47.24%，20.66%和20.15%。

由此可見，湖北省75%以上坡耕地分布在鄂西山區(qū)和鄂東北山區(qū)，全省90%以上的≥25°坡耕地也分布在鄂西山區(qū)。

(2) 坡耕地特征指數(shù)分析。從坡耕地特征指數(shù)方面來看(表2)，湖北省坡耕地特征指數(shù)平均值為0.22，超過平均值的地區(qū)主要包括鄂西山區(qū)的神農(nóng)架林區(qū)、十堰市、恩施州和宜昌市，分別達(dá)到0.29，0.28，0.27，0.26，表明以上地區(qū)坡耕地開發(fā)利用相對(duì)較難；特征指數(shù)值較低的地市有仙潛天地區(qū)(仙桃市、潛江市和天門市)、武漢市、鄂州市、荊門市和隨州市，均只有0.11，說明該地區(qū)坡耕地坡度集中在6°～15°之間，開發(fā)利用相對(duì)容易。

3.2 坡耕地土壤侵蝕分布及土壤侵蝕綜合指數(shù)分析

調(diào)查結(jié)果表明，湖北省坡耕地土壤侵蝕總面積為3 770.42 km2，占坡耕地總面積的39.95%。其中，輕度侵蝕面積最大，為2 042.04 km2，占土壤侵蝕總面積的21.63%；中度侵蝕面積次之，為939.54 km2，占土壤侵蝕總面積的9.95%；強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積之和為788.84 km2，占土壤侵蝕總面積的8.36%。

比較湖北省不同坡度土壤侵蝕綜合指數(shù)(表3)可知，湖北省≥25°坡耕地土壤侵蝕危害是最嚴(yán)重的，其土壤侵蝕綜合指數(shù)為2.36，15°～25°坡耕地土壤侵蝕危害次之，綜合值為2.28，均大于全省的平均值2.07。6°～15°坡耕地土壤侵蝕危害程度相對(duì)較低，但6°～15°坡耕地的土壤侵蝕面積總體較大，因此該坡度的總體水土流失危害仍需要重視。

從各行政區(qū)不同坡度的土壤侵蝕綜合指數(shù)來看，6°～15°，15°～25°和≥25°坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù)排名前三的行政區(qū)均為鄂西山區(qū)的恩施州、宜昌市和鄂東北地區(qū)的黃岡市，這3個(gè)行政區(qū)的平均坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù)也是全省前三，分別為2.48，2.42，2.37，遠(yuǎn)超全省的平均坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù)2.04，表明以上地區(qū)的坡耕地土壤侵蝕危害程度較高，以上區(qū)域應(yīng)作為坡耕地水土流失綜合治理的重點(diǎn)對(duì)象。恩施州和宜昌市的坡耕地侵蝕程度嚴(yán)重主要是由于該地區(qū)位于鄂西山區(qū)，地形較陡，土壤類型以紫色土為主，土層淺薄，水土流失面積和土壤侵蝕程度都較大導(dǎo)致；黃岡市位于南方紅壤山區(qū)，降雨豐富，土壤母質(zhì)為花崗片麻巖，風(fēng)化層厚，易發(fā)崩崗，且人均耕地面積較小，坡耕地利用程度高，坡耕地水土流失嚴(yán)重，因此坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù)值較大。

總體來說，坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù)隨著坡度的增大而增加，個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)例外，如恩施州、仙潛天地區(qū)的坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù)表現(xiàn)為隨坡度增加而減少的趨勢(shì)，主要是因?yàn)槎魇┲菥硟?nèi)高山較多，高海拔地區(qū)居住環(huán)境惡劣，人口較少，耕作需求也較少[16]，坡度大的坡耕地耕作不易，受到人為擾動(dòng)更少，導(dǎo)致坡度大的坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù)反而較小。仙潛天地區(qū)則因?yàn)槲挥谄皆瓍^(qū)，坡耕地?cái)?shù)量較少，且主要分布在6°～15°，高強(qiáng)度耕種導(dǎo)致坡耕地反復(fù)被擾動(dòng)，故6°～15°坡耕地土壤侵蝕更為嚴(yán)重。

表3 湖北省坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù)

3.3 坡耕地資源宜耕性評(píng)價(jià)分析

宜耕坡耕地的構(gòu)成結(jié)果表明(表4)，湖北省宜耕坡耕地總面積為7 260.28 km2，不宜耕坡耕地面積為2 178.36 km2。從各行政區(qū)來看，宜耕坡耕地占各行政區(qū)坡耕地面積比例最大的地市為仙潛天地區(qū)、隨州市、孝感市和荊門市，均達(dá)到90%以上；不宜耕坡耕地占各行政區(qū)坡耕地面積比例較大的地市為鄂西山區(qū)的恩施州、宜昌市和神農(nóng)架林區(qū)，其比例分別為32.59%，30.93%和23.23%，上述地區(qū)不宜耕坡耕地面積之和為1 399.77 km2，占全省不宜耕坡耕地面積的61.50%。

從不宜耕坡耕地的組成來看，礫石含量和坡度過高是造成坡耕地不宜耕的主要因素，其中礫石含量>15%的坡耕地總面積為1 205.72 km2，坡度≥25°的坡耕地總面積為1 097.32 km2，礫石含量>15%和坡度≥25°的坡耕地均主要分布在鄂西山區(qū)的十堰市、宜昌市、襄陽市和恩施州；湖北省不存在土壤pH值≥9.5的過堿性坡耕地，但土壤過酸(pH值≤4.5)造成一定量的坡耕地不宜耕，其面積為669.60 km2，過酸土壤主要分布在恩施州、黃岡市和黃石市；土壤侵蝕嚴(yán)重(極強(qiáng)烈以上侵蝕強(qiáng)度)和土層淺薄(土層厚度<30 cm)造成的不宜耕坡耕地面積分別為336.48 km2和67.55 km2，土壤侵蝕嚴(yán)重和土層淺薄的坡耕地也主要分布在鄂西山區(qū)。坡耕地不宜耕是多種不利因素協(xié)同作用的結(jié)果，除仙潛天地區(qū)主要由于土壤侵蝕較嚴(yán)重造成不宜耕外，其余區(qū)域均達(dá)到多個(gè)不宜耕限制條件；在鄂西山區(qū)，礫石含量過高和坡度過陡往往同時(shí)出現(xiàn)，造成坡耕地的不宜耕；而在鄂東北山區(qū)的黃岡市，不宜耕的主要原因則為pH值過低和礫石含量過高。

表4 湖北省坡耕地宜耕性評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 湖北省耕地總面積為50 029.75 km2，坡耕地總面積為9 438.64 km2，占總耕地面積的18.87%。湖北省耕地紅線面積為48 586.67 km2，對(duì)存量坡耕地的有效利用是嚴(yán)守耕地紅線、保障糧食安全的重要手段。坡耕地主要分布在鄂西山區(qū)的恩施州、十堰市、宜昌市和襄陽市，以及鄂東北山區(qū)的黃岡市。坡耕地特征指數(shù)表明鄂西山區(qū)的神農(nóng)架林區(qū)、十堰市、恩施州和宜昌市耕地開發(fā)利用相對(duì)較困難，仙潛天地區(qū)、武漢市、鄂州市、荊門市和隨州市開發(fā)較為容易，可因地制宜對(duì)坡耕地進(jìn)行開發(fā)利用；坡耕地土壤侵蝕綜合指數(shù)表明水土流失危害嚴(yán)重的區(qū)域有恩施州、宜昌市和黃岡市，可作為坡耕地水土流失治理重點(diǎn)區(qū)域。

(2) 根據(jù)坡耕地宜耕性評(píng)價(jià)結(jié)果，湖北省不宜耕坡耕地總面積為2 178.36 km2，占現(xiàn)有坡耕地面積的23.08%；不宜耕坡耕地占各行政區(qū)坡耕地總面積比例較大的行政區(qū)有鄂西山區(qū)的恩施州、宜昌市和神農(nóng)架林區(qū)，該區(qū)域的特點(diǎn)是坡度較陡，地形破碎、巖石易風(fēng)化、土層淺薄、礫石含量較高，水土流失嚴(yán)重，耕作方式粗放，因此宜耕性較差。從各不宜耕限制因素來看，湖北省大部分坡耕地不宜耕的主要原因是礫石含量過高和坡度過陡，如十堰市、宜昌市、襄陽市和神農(nóng)架林區(qū)；其次占主導(dǎo)因素的有pH值過低，如恩施州、黃岡市和黃石市等地，土壤過酸的成因主要是土壤類型和土壤母質(zhì)，同時(shí)還受到肥料結(jié)構(gòu)和酸化降雨的影響[19-20]。坡耕地不宜耕是多種不利因素協(xié)同影響造成的，需多途徑綜合改善不宜耕坡耕地，如進(jìn)行土壤改良、加強(qiáng)水土流失治理和加快高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)等，全方位提升耕地質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)于位于鄂西山區(qū)重要生態(tài)功能區(qū)，如三峽庫區(qū)、丹江口庫區(qū)以及清江水源區(qū)，坡度較陡的不宜耕坡耕地，除大力開展水土流失和石漠化綜合治理外，必要時(shí)可考慮進(jìn)行生態(tài)退耕，以保證水源涵養(yǎng)功能[21]。

(3) 坡耕地是耕地資源的重要組成部分，也是水土流失的策源地和水土保持的重點(diǎn)區(qū)域。本研究通過GIS技術(shù)，構(gòu)建湖北省坡耕地?cái)?shù)據(jù)庫，對(duì)坡度、土壤侵蝕特性進(jìn)行特征分析，并開展坡耕地宜耕性評(píng)價(jià)，可用來指導(dǎo)本省不宜耕坡耕地進(jìn)行耕地質(zhì)量提升和土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整，以及因地制宜制定相關(guān)坡耕地水土流失防治策略，對(duì)于維護(hù)改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明戰(zhàn)略等方面具有重要意義。