基于遙感和GIS的平原和山區貧困縣農村耕地利用演變對比

謝 臻，張鳳榮 ，高 陽，張天柱，張佰林，周 建

（1.中國農業大學土地科學與技術學院，北京 100193；2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京 100193；3.天津工業大學管理學院，天津 300387；4.陜西師范大學西北國土資源研究中心，西安 710119）

0 引 言

貧困縣農村農業發展困境是贏得脫貧攻堅戰役必須攻下的壁壘。貧困尤其是農村地區的貧困，受自然地理環境影響巨大[1-2]。近年來國內外學者從地理學視角對此進行了研究。Kam 等[3]分析孟加拉國農區貧困類型后發現，地形、土壤侵蝕等自然要素是直接導致區域貧窮的要素，而地形、土地破碎度、坡度對貧困化有顯著的正相關關系。羅慶和李小建[4]認為，在絕大多數貧困農區，農業生產潛力直接影響到農戶的活動類型和福利水平，而農業生產潛力又與地形、土壤、降雨、溫度等密切相關。王永華[5]將中國貧困農村陷入“貧困陷阱”歸結于農業發展中存在土地可持續利用能力低（掠奪性經營）和土地規模不經濟（農地細碎化）等現象。其他已有的研究也表明，中國貧困地區與深石山區、生態脆弱區、限制或禁止開發區等資源環境承載能力弱的地區呈現出空間上的高度疊合[2,6-7]。所以，耕地資源是人口承載力的關鍵，而地形作為資源稟賦的關鍵要素之一決定耕地資源微觀地理環境下地形決定光、熱、水、土資源的再分配[8]，進而影響耕地的數量、質量、分布乃至社會經濟發展。

著名貧困問題研究專家阿馬蒂亞·森[9]認為貧困的根源在于農民基本可行能力受限，即自生能力被剝奪。在自由的活動環境下，貧困又會激發內生性的活動擴張，表現為勞動力的外拓、外流等。中國1996年以后進入加速發展階段[10]，內生性的勞動力轉移以及農業現代化快速推進使得不同地形區的耕地利用發生了巨變[11-13]。在此背景下關于山地[14]、丘陵[15]、平原[16-17]地區耕地利用變化及其社會、環境效應的研究一直是學術界討論的熱點[18-20]。然而，目前對于不同地形的貧困區耕地利用的對比研究尚不多見，研究在貧困驅使下地形因素對農村農業發展現狀的影響對指導農業現代化建設和精準扶貧具有重要意義。

地處平原區的內蒙古科爾沁左翼后旗（下簡稱“科左后旗”）和山區的重慶市酉陽土家族苗族自治縣（下簡稱“酉陽縣”）均為少數民族聚集區，也同屬于國家級貧困縣，21世紀初期兩縣在產業結構和農（牧）民人均收入、農牧業人口占比等社會經濟因素方面均有相似的背景，然而，由于地形的差異，如今其農業發展迥異。本文以兩縣作為典型區，在實地調研的基礎上，分析平原區和山區農村耕地數量、質量、空間分布及種植結構的變化差異，揭示貧困縣地區耕地利用變化規律與驅動機理，為實現針對性的耕地管理和精準扶貧提供科學依據。

1 研究區概況

科左后旗地處科爾沁沙地（121°30′－123°42′E，42°40′－43°42′N），位于內蒙古自治區通遼市南部，地勢雖由西南向東北、東南逐漸降低，但地形較為平緩（圖1），地形以堆積平原為主。屬中溫帶亞濕潤大陸性季風氣候，土壤以風沙土、草甸土為主，植被屬典型草原植被。全縣有行政村262個，2001－2015年三次產結構由48:20:32轉變為21:40:39，農（牧）民年人均純收入由1 418元提高至10 776元，全縣農（牧）業人口占比由90.86%變為76.46%，是一個蒙古族、滿族、回族占比約 78%的少數民族聚集縣。

酉陽縣位于重慶市渝東南武陵山區（108°18′－109°19′E，28°19′－29°24′N），地勢中部高，東西兩側低，地形起伏較大，以山地（占76%）為主（圖1），喀斯特地貌發育明顯。酉陽縣屬中亞熱帶濕潤季風氣候，土壤以黃壤和水稻土為主，但因過度開墾，水土流失現象嚴重。全縣有行政村278個，2001－2015年三次產業結構由43:23:34轉變為24:39:37，農民年人均純收入由1358元變為13 700，全縣農業人口由91.37%變為71.7%，是一個土家族、苗族占比84%的少數民族聚集縣。

圖1 科左后旗和酉陽縣地理區位Fig.1 Geographical location of Horqin Left Rear Banner and Youyang County

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

遙感影像數據來源于美國地質勘探局官方網站（http://glovis.usgs.gov/），平均云量均在 5%以下，空間分辨率為30m（表1）。利用ENVI5.1軟件，影像完成輻射定標、大氣校正、鑲嵌、幾何校正和裁剪等預處理工作。由于Landsat-7 ETM+掃描行校正器故障導致酉陽縣2015年4月29日數據存在數據條帶丟失，故對其進行條帶修復。在此基礎上，按照耕地、草地、林地、裸地/沙地、水域、建設用地共 6大地類的分類體系，采用面向對象分類法、基于極大似然法的監督分類法和人工目視解譯相結合提取研究區土地利用/覆被信息，獲得土地利用圖斑數據庫和屬性數據庫。使用Google Earth影像對解譯結果進行精度檢驗（表 1），解譯結果均滿足土地利用精度要求（圖 2）。在 Arc GIS10.2軟件支持下，形成 4期土地利用/覆被數據，并存儲為GRID格式，便于分類統計、空間疊加等運算處理。

表1 遙感影像數據介紹及分類精度檢驗結果Table 1 Introduction of remote sensing image data and test of classification accuracy

DEM高程數據選用ASTER GDEM V2全球數字高程數據，來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)，利用Arc GIS10.2軟件的鑲嵌、填洼、裁剪等工具進行預處理，使用表面分析工具生成坡度數據。

農用地（耕地）分等成果數據分別來源于2008年《中國農用地（耕地）等別調查與評定》內蒙古和重慶數據成果。其中國家自然質量等數據1～15等表示耕地質量由高到低，由于數據的年份與首尾年份有偏差，耕地中存在少量未定等的地塊，本研究使用就近賦值的方法予以處理。

農村勞動力、農民人均收入、農業種植結構和農業機械化總動力等數據均來自當地統計年鑒，作物單產、成本、凈收入數據由實地調研獲得。

2.2 研究方法

本文用不同維度指標來定量描述耕地的空間集散特征、規模形態特征、分布區位特征（表2）。

表2 類型劃分指標體系Table 2 Indicators system of type division

2.2.1 聚集度指數

聚集度指數（CI）是反映不同斑塊類型的非隨機性的聚集程度[21]。公式為:

式中，m為斑塊類型總數，Pij為隨機選擇的兩個相鄰柵格細胞屬于類型i與j的概率。聚集度指數通常度量同一類型斑塊的聚集程度。若一類景觀由許多離散的小斑塊組成，其聚集度的值則較小；當景觀中以少數大斑塊為主或同一類型斑塊高度連接時，其聚集度的值則較大，取值范圍：0＜CONT≤100。

2.2.2 景觀指數

選取斑塊數量（NP）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數（LPI）、面積加權平均斑塊分維數（AWMPFD）表征耕地斑塊的規模形態特征。其中AWMPFD是對每一個斑塊的分維數進行面積加權平均的結果，更能反映景觀中主體斑塊的邊界形態的特征，值越低說明主體斑塊的幾何形狀趨于簡單、規則；反之則趨向復雜、不規則。研究應用Fragstats4.0軟件計算研究區內耕地斑塊的CI、NP、MPS、LPI及AWMPFD等指數。

2.2.3 地形位指數及梯度劃分

選用地形位指數（TNI）作為地形指標，該指標是反映高程與坡度的復合地形因子，公式為[17,22-23]：

式中，T為地形位；E和S分別表示某點的高程（m）和坡度（°）；E0和S0分別表示所在區域的平均高程（m）和平均坡度（°）。值越大說明該點的高程與坡度越大，反之則越小。

根據研究區實際情況，本文運用ArcGIS10.2軟件的自然間斷點分級法（Jenks）將對地形位指數（科左后旗：0.35～3.98、酉陽縣：0.34～2.67）分別分為30個等級，并使用空間分析功能對其重分類為1～30級，并統一為Cell size為30m的柵格數據。

2.2.4 地形梯度效應分析

選用分布指數（Distribution index）反映土地利用類型在不同地形梯度的分布特征，公式為[7,24]：

式中，DI為分布指數；i表示第i種土地利用類型；j表示第j級梯度區；Ai、Aij則分別表示第i種地類的總面積及其在第j級梯度區的分布面積；Aj表示第j級梯度區的土地總面積；TA為研究區總面積。若DI＞1，該土地利用類型在該區呈優勢分布，DI值越大，優勢度越高；若DI＜1，則表現為劣勢分布，分布指數越小，優勢度越低。本文運用Arc GIS10.2軟件的Spatial Analyst模塊，計算DEM數據和坡度數據并生成TNI結果，并將耕地柵格數據與TNI數據疊加，計算耕地在地形梯度上的分布指數與數量分布情況，揭示耕地利用空間格局時空演變的地形梯度特征。

3 結果與分析

3.1 耕地數量變化特征

圖3統計了科左后旗與酉陽縣2001年和2015年的土地利用結構。兩縣耕地面積的變化趨勢相反，平原縣耕地面積由 29.68×104hm2增加至 35.02×104hm2，增幅為19.97%，耕地年增加量為3810.33hm2，山區縣耕地面積則由 12.47×104hm2減少至 10.07×104hm2，降幅為19.25%，耕地年減少量為1714.82hm2。由表3可知，平原縣增加的耕地中98.63%來自草地，說明新增耕地主要是通過開墾草地的方式獲得；山區縣減少的耕地主要轉為草地和林地，各占26.43%和66.81%，轉為建設用地的數量僅占4.52%，說明耕地減少主要由于轉化為林草地，而非建設用地擴張。

從勞均耕地數量層面，基于耕地與農村勞動力總量可知2001年和2015年平原縣勞均耕地面積分別為3.2、2.26hm2；山區縣為0.39，0.42hm2。平原縣勞均耕地數量下降，山區勞均耕地數量略有上升，但平原縣勞動力擁有的耕地數量仍遠大于山區縣。

3.2 耕地質量變化特征

圖 4統計了研究期內兩縣耕地的國家自然質量等別變化情況。平原縣耕地等別主要為 13～15等，質量等別較低，研究期內14和15等耕地增加明顯，其中14等耕地由 5.91×104hm2增加至 7.87×104hm2，15等耕地由23.08×104hm2增加至26.40×104hm2；從變化特征上看，質量最差的15等耕地的變化最為劇烈，分別占新增與減少總量的80.36%、91.95%，可見，平原縣存在低等耕地“隨開隨荒”現象。相比之下，山區縣耕地質量等別略高，主要為8～11等，研究期內11等耕地面積減少最為明顯，由 4.87×104hm2減少至 3.02×104hm2；從變化特征上看，增加最劇烈的是 10等耕地，占新增總量的61.74%，減少最劇烈的是10和11等耕地，占減少總量的91.34%，可見，山區縣新墾耕地以中等地為主，而撂荒耕地以中低等地為主。

表3 科左后旗、酉陽縣土地利用轉移矩陣Table 3 Land use transfer matrix of Horqin Left Rear Banner and Youyang County 102 hm2

圖3 科左后旗和酉陽縣土地利用變化Fig.3 Land use change of Horqin Left Rear Banner and Youyang County

圖4 科左后旗和酉陽縣耕地國家自然質量等別變化Fig.4 Natural grade change of Horqin Left Rear Banner and Youyang County

3.3 耕地空間分布特征

本文用景觀聚集度指數和耕作半徑分別表征耕地在空間分布上的聚散程度及其與農村聚落的疏近關系。

平原縣耕地聚集度指數由94.48升至96.80，山區縣則從75.05升至78.30。從變化特征上看，兩縣耕地的空間分布均朝著集聚式方向發展；從總體空間分布看，平原耕地具有更高的空間聚集度，山區耕地受地形限制呈“滿天星式”散狀分布，而平原耕地因無此限制而呈“地毯式”集團分布。

平原縣與山區縣平均村域面積分別為 42.52×102hm2、19.26×102hm2，將其分別視為半徑為3.64km、2.48km的圓，以聚落圖斑為中心，分別統計各聚落圖斑的質心到其所在圓內耕地圖斑質心的平均距離，將其視作耕作半徑[25]。得到結果，研究期內平原縣農村聚落的平均耕作半徑由2 293m上升至2 371m，向外擴張了78m；山區縣農村聚落的平均耕作半徑則由1 698m下降至1627m，向內收縮了71m。山區縣與平原縣耕地利用半徑的變化趨勢截然相反。

圖 5統計了兩縣不同耕作半徑內聚落斑塊的數量分布結構。平原縣各耕作半徑區聚落斑塊占比結構變化并不顯著，即不同耕作半徑內的耕地的變化量率相近，說明耕作距離并非影響其耕地利用變化的因素。酉陽縣聚落斑塊在1 400～1 600m半徑區內增加了18.06%，1 600～1800m區內減少了12.48%，山區耕地利用有明顯由高半徑區向低半徑區轉移的趨勢，也說明耕作距離對山區耕地利用變化影響顯著。

圖5 科左后旗和酉陽縣耕作半徑與聚落斑塊數量關系Fig. 5 Relation between farming radius and rural settlement plaques of Horqin Left Rear Banner and Youyang County

3.4 耕地規模形態特征

表4是反映耕地景觀規模和形態特征的4類景觀指數的分析結果。

表4 耕地規模形態特征景觀指數Table 4 Landscape indexes of farmland scale and morphological characteristics

1）平原縣耕地NP值略有增加，增幅為10.95%，而山區縣減小顯著，降幅為42.31%。2）平原縣LPI值遠大于山區縣，且增大明顯，增幅達118.72%，山區縣增加緩慢，增幅僅1.72%。3）平原縣耕地MPS值明顯大于山區縣耕地，且均有所增大。4）平原縣AWMPFD值略有增大，其整體耕地斑塊邊界形態趨于復雜；山區縣AWMPFD值略有減小，其整體耕地斑塊邊界形態趨于規整。

3.5 耕地地形區位分布特征

地形位對兩縣耕地分布影響差異顯著（圖6）。平原縣耕地主要分布在地形位梯度1～15區內，研究期內各梯度區耕地面積均有增加；1～3區為耕地的優勢分布區，2001年和2015年耕地梯度分布指數曲線基本吻合，表明平原縣耕地面積的變化與地形梯度無關。山區縣耕地分布區間呈正態分布，研究內各梯度區耕地均有減少；

1～13區為耕地的優勢分布區，且優勢分布區內耕地的優勢度在升高，14～30區為耕地劣勢分布區，該區耕地的優勢度呈下降趨勢，說明山區低地形位梯度區耕地下降速度緩慢低于平均下降速度，甚至存在上升，因而優勢度上升；而高地形位梯度區耕地下降速度明顯高于平均下降速度，因而優勢度下降。

圖6 科左后旗與酉陽縣耕地地形位梯度分布Fig. 6 Distribution of farmland on terrain niche gradient in Horqin Left Rear Banner and Youyang County

3.6 種植業結構特征

種植業結構能夠間接反映地區不同生產要素的比較優勢。平原縣主要糧食作物為稻谷、玉米、豆類、高粱等，2001－2015年糧食作物播種面積平均占比86.45%，其中2007年占比最高為91.89%，2002年最低為82.44%，經濟作物占比小，主要為油料、蔬菜等，反映該區農業主要發展土地密集型大田作物；山區縣主要糧食作物以玉米、水稻、小麥等為主，糧食作物播種面積占比由2001年的最高78.69%逐年遞減至2015年的63.03%，經濟作物主要為油料、烤煙、藥材、蔬菜等，播種面積以平均每年0.63%的增長速度在增加，反映該區農業逐漸朝著高經濟效益的勞動密集型農業轉型。

4 討論

4.1 耕地變化差異機理分析

1）自然地理因素

貧困山區縣地形崎嶇，耕地資源匱乏，勞均耕地0.39～0.42 hm2遠低于平原縣2.26～3.2 hm2，無法實現農業規模化生產；空間分布零散，聚集度75.05～78.30遠低于平原縣 94.48～96.80；加之土層薄、礫石多、肥力差，耕地質量主要為 10～11等地，農業生產僅能勉強維持溫飽需求，僅靠農業無法脫貧。工業社會，機械逐漸取代勞動力進行生產，迅速提高了農業生產效率，機耕、機播、機收成為現代高效農業的代名詞。然而，現代科技仍無法克服地形環境給農業帶來的桎梏，能在平原區運行的大功率農機卻無法在零散的山區耕地上使用，故而山區勞動力耕作效率低下。

2004年底生效的《中華人民共和國農業機械化促進法》是中國農業機械化發展的里程碑，國家對農民和農業生產經營組織購買國家支持推廣的先進適用的農業機械給予補貼。圖 7反映了研究區農業機械化總動力的增長曲線，2001－2005年兩縣農業機械化總動力相近，在22～31萬千瓦之間，2005年起，科左后旗農業機械化總動力驟然上升，2015年達到將近140萬kW，10a間增長了109.40萬kW；而酉陽縣2005年后農業機械化總動力只是“踱步”上漲，到2015年僅達到約50萬kW，10a間僅增加了20.68萬kW。“惡劣”的耕地資源稟賦與耕作條件使山區農民無法從農業中實現脫貧，因此農民“離土又離鄉”、耕地撂荒的現象在山區便屢現不止。

圖7 2001-2015年科左后旗、酉陽縣農業機械化總動力Fig. 7 Total power of agricultural mechanization of Horqin Left Rear Banner and Youyang County from 2001 to 2015

2）社會經濟因素

社會經濟因素是“經濟理性”農民行為的驅動因素。務農機會成本的出現使農民以追求勞動力收益最大化為目的。科左后旗按勞均耕地2.7 hm2計算，種植水稻產量可達到 4 750～7 500kg/hm2，成本為 7 050～7 200元/hm2，凈收入約15 600元/hm2，若全種水稻每年可獲利42 120元，不低于務工收入。相比之下，酉陽縣按勞均耕地0.48hm2計算，種植水稻產量僅8 250～9 000kg/hm2，成本為10 500～13 500元/hm2，凈收入僅12 000元/hm2，種植糧食作物年收益僅5 760元，與務工收入相去甚遠，由圖8可知，科左后旗農民人均收入始終高于酉陽縣，且收入差距不斷增大，2015年差距達3513元。再進行城鄉收入和省（市）農民收入對比，科左后旗農民人均收入與內蒙古自治區農民收入平均水平差距較小，2013年甚至高于自治區平均水平；酉陽縣則與重慶市農民收入平均水平有較大差距，平均差距約45.61%。雖然兩縣城鄉收入差距均不斷拉大，但較之其各自的農民收入水平，酉陽縣農民表現出更大勞動力機會成本差距。由此，酉陽縣農村勞動力不斷外流，而科左后旗卻不降反升，在此情況下，山區分散、零星、陡峭、遠離居民點的耕地因勞動力收益率低首先被撂荒，而平原農民則通過不斷地開墾耕地增加收入。

由于勞均耕地數量受限，為彌補土地數量的劣勢，山區耕地種植結構也在發生轉型，以種植烤煙為例，酉陽縣凈收益可達60 000元/hm2，遠高于種植糧食作物，因而山區土地農業趨于在有限的土地資源下精耕細作，種植“單產”價值高的經濟作物；而平原區農業更傾向于生產利于機械化耕作的大田作物，以發揮其地形和勞均耕地數量的優勢。

圖8 2001-2015年科左后旗和酉陽縣農民人均收入與農村勞動力變化情況Fig. 8 Changes of farmers’ per capita income and rural labor force in Horqin Left Rear Banner and Youyang County from 2001 to 2015

3）政策制度因素

政策制度對于農民行為活動及耕地利用具有導向性。在農村承包地“三權分置”的背景下，土地經營權流轉，一方面，緩解了農民“離土又離鄉”地區平整連片耕地的撂荒；另一方面也促進了耕地的規模化經營，出現大規模連片式耕地。

以2006年農業稅減免為伊始，乃至之后的糧食直補、農機補貼等一系列惠農政策，都旨在調動農民種糧積極性、提高糧食產量，以緩解“三農問題”。而此類政策在促進平原地區農地集約化、規模化、種糧化的同時，還促進了平原區耕地的開墾，使耕地數量不斷上升；但對于山區農民種糧的調動效果不佳，補貼對山區農地“單產”的提高收效甚微，耕地仍被撂荒，農民依靠農業仍無法脫貧。

4.2 不同地形區農業精準扶貧建議

農業發展仍是貧困區脫貧的主要抓手，而農業發展的本質是加速農業產出和生產率的提高[26]。扶貧必須要維持農業的持續增長，了解地區耕地利用演變特征，為提出具有科學性的建議，消除由無彈性的土地或勞動力供給造成的生產約束提供了可能。

科左后旗所在平原區受氣候環境影響耕地質量不高，農地生產追求耕地數量優勢長期處于粗放利用，今后農業發展模式要從資源開發轉為資源保持型的開發，一方面推廣噴灌、滴灌等節水灌溉技術，節約地下水的利用；另一方面做好保護性耕作與秸稈還田等工作，避免“隨墾隨荒”現象造成土壤沙化、耕地質量下降等[27]，加大輪作休耕補償力度，提高地力，保證農民穩產的同時實現農民收入的提高。酉陽縣所在山區農業發展必須選擇一條緩解資源稟賦和耕作條件限制的技術增進型路徑，通過技術變革轉變傳統農業生產方式提高耕地“單產”價值。一方面，加強技術扶貧，在低地形位區加強農業生產基礎設施建設投入、提高農民農藝技術，種植高經濟價值的作物；在中地形位區發展特色林果業或園林苗木等，利用起撂荒耕地。另一方面，加強生態扶貧，對于高地形位區不宜耕作地區，通過提高退耕還林還草、石漠化防治補貼等形式提高農民收入。

5 結論與討論

1）研究期內平原區科左后旗農民勞均耕地數由3.2hm2降至2.26hm2，但耕地總量增加5.34×104hm2，主要由開墾草地獲得；耕地質量較低，且低質量耕地變化劇烈，存在“隨開隨荒”現象；空間分布朝聚集化方向發展，耕作半徑向外擴張；斑塊數、最大斑塊指數與平均斑塊面積均有提高，整體耕地邊界形態趨于復雜；耕地集中分布在中低地形位區，僅低梯度區呈優勢分布區，優勢度整體變化不顯著；種植結構以糧食作物為主，經濟作物占比小。

2）研究期內山區酉陽縣農民勞均耕地數由 0.39hm2升至0.42hm2，但耕地總量減少2.23×104hm2，主要原因是耕地撂荒后恢復為草地、林地；耕地質量相對較高，中低質量耕地減少明顯；耕地空間分布呈現相互聚集，但耕作半徑向內收縮；零星斑塊的驟減也使最大斑塊與平均斑塊面積提高，整體耕地邊界趨于規整；耕地在地形位梯度區中呈正態分布，中低梯度區為優勢區，其優勢度不斷增加，中高梯度區為劣勢區，優勢度不斷下降；種植結構以糧食作物為主但經濟作物比重較大。

3）平原與山區耕地資源稟賦與耕作條件的差異是影響農業生產方式和耕地利用模式的根本因素；貧困地區勞動力收益率是農民行為活動的驅動力，省（市）農民平均收入水平及城鄉收入差距影響農村勞動力的流動，進而影響耕地的利用；一系列傾向于平原區大田種植的利好政策推動了平原耕地的擴張，但無法遏制山區傳統農業的衰敗與耕地撂荒。

由于缺乏數據，本文未考慮退耕還林還草政策對研究區耕地變化的影響，但退耕政策能夠實施必然與退耕的選址、補貼符合自然、社會、經濟規律密切相關，與本文研究思路相一致，故不會對結論的準確性造成影響。其次，本文使用的耕作半徑測算方法更適用于地形均質、聚落分布距離相當的平原區，而山區聚落多分布于溝壑區，不同大小聚落的耕作半徑不盡相同；但囿于目前測算方法的局限性，且此方法尚能在一定程度上反映耕作半徑的變化情況，但仍待改進。最后，由于缺乏耕地質量等別更新評價數據，耕地質量分析未能體現不變耕地的質量變化情況，但能體現區域耕地質量總體情況及新增與減少耕地的質量，符合本文研究需求。