典型山區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展不可或缺的重要組成部分，陡坡耕地的存在與生態環境息息相關。基于云南省文山壯族苗族自治州馬關縣仁和鎮2000、2007、2010、2015年4個時期的Landsat5 TM或Landsat8 TM影像，進行陡坡耕地的解譯和提取，研究仁和鎮近15年的陡坡耕地動態變化情況，探討其動態變化特征和規律。研究期間仁和鎮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。2015年的陡坡耕地數量相比2000、2007、2010年有所減少，但整體形勢依然嚴峻，集中連片分布問題依然突出。通過對陡坡耕地的研究，可準確掌握其時空格局變化規律，為今后陡坡耕地治理、改善耕地質量和生態環境奠定堅實的基礎。

關鍵詞：陡坡耕地;Landsat TM影像;時空格局;坡度;坡向

中圖分類號：F323.211 ??文獻標志碼： 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，碩士生導師，主要從事土地資源管理與環境地質研究。E-mail：hyizhong@163.com。

進入21世紀以來，我國人口數量不斷增多，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]，陡坡耕地產出低且水土流失嚴重[2-3]，可導致土壤侵蝕[4-5]、土壤流失[6]、土層變薄，并且存在拋荒的現象[7]。我國的耕地保護局面十分危急，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境因素和社會經濟因素為指標，全面調查評價陡坡耕地質量、宜耕性[8-9]，確定陡坡耕地退耕還林還草的潛力、面積、空間分布及產生的影響[10-11]等。基于土地利用數據和衛星遙感數據，利用當前熱點景觀生態學原理，定量分析陡坡耕地景觀格局變化[12-13]以及對陡坡耕地進行動態監測[14]等，可實現對陡坡耕地多角度、多層次的深入研究。

云南省馬關縣仁和鎮屬于典型的山區鄉（鎮），關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查和研究。以馬關縣仁和鎮2000—2015年內4個時期的Landsat TM影像為基礎，通過對陡坡耕地時空演變格局的動態變化進行研究，獲得陡坡耕地的數量特征、分布特征及質量狀況特征，進而得出存在的背景和原因以及發展變化規律，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。研究馬關縣仁和鎮陡坡耕地的分布特征以及動態演變，對山區土地整治、扶貧開發、生態建設等具有重要的參考價值。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

仁和鎮位于云南省文山壯族苗族自治州馬關縣的南部，距離縣城20 km，地理位置為22°50′～23°03′N、104°12′～104°22′E（圖1）。全鎮地形大致上呈葫蘆形，北窄南寬。中部和北部地區大多屬于山區，地勢較高，東南部屬于河谷地區，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，東部、南部邊緣有咪湖河、響水河圍繞。仁和鎮南部地勢由北向南逐漸降低，傾斜延伸至咪湖河、響水河，自然條件和農業分布垂直變化明顯，具有立體農業的特點。

仁和鎮有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，全鎮以農業為主，主要糧食作物有小麥、稻谷、玉米，經濟作物有甘蔗、烤煙、蔬菜、茶葉，全鎮的重要支柱產業是烤煙。仁和鎮地理條件優越，交通發達，海拔較高、氣候涼爽，東南部河谷區氣溫較高，濕度較大，

具有巨大的熱資源開發利用價值。

1.2 數據來源

研究基礎為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量較好。

1.3 數據預處理

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影像分別進行幾何校正、正射校正、大氣校正、輻射定標、圖像裁剪[16-17]等操作。將研究區行政區劃圖的坐標系與遙感影像的坐標系相統一，完成影像的預處理操作，預處理后的遙感影像見圖2。

2 研究方法

2.1 監督分類

監督分類又稱訓練場地法，它的本質是建立判

別函數，依據具有代表性的樣本訓練方式進行圖像劃分，屬于模式識別的一種[18]。在形成監督分類訓練樣本的工作中，要求訓練樣本要具有典型性和代表性[19]。判別規則如果滿足歸類精度要求，則規則成立;反之，就需要重新創建監督分類的決策規則，直到滿足歸類精度的要求為止。常用的監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，白色影像為建設用地，在研究區中選擇滿足條件的像元。在樣本像元選擇過程中，應當遵循均勻選點的原則，并且所選的像元個數不宜過少，這樣才能保證監督分類訓練樣本選取的準確性和科學性[20]。完成監督分類樣本選取后，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，才能確保監督分類訓練樣本選擇的準確度和誤差大小在合理的范圍內，為監督分類結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。利用研究區數字高程模型（DEM）生成坡度，并將坡度圖按照默認的分類標準分為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，地圖代數表達式為：（“坡度圖.tif”>=25） & （“分類圖.tif”==1），“1”代表耕地[此時需要區分代表耕地的Value是“0”還是“1”，如果是“0”，則地圖代數表達式為：（“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 結果與分析

3.1 陡坡耕地分布

如圖3所示，馬關縣仁和鎮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，尤其是南部地區陡坡耕地分布最為明顯。陡坡耕地的數量在15年間起伏變化，但變化幅度較小，2010年、2015年相比2000年、2007年陡坡耕地數量有所減少，但陡坡耕地的整體情況依然十分嚴重，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現，Value為“0”和“1”都分別代表其他用地和陡坡耕地。為了后續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就變為了“0”和“10”，但它們仍然分別代表其他用

地和陡坡耕地。

在分析相鄰2個時期的陡坡耕地變化時，筆者發現了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，此時發現陡坡耕地分布圖屬性表中的Value變為“0”“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“陡坡耕地變為其他用地”、前一時期到后一時期“其他用地變為陡坡耕地”、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現，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，結果（圖6）發現，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 結論與討論

云南省是一個山地占70%的地區，平原較少，海拔普遍較高。長期以來，大多數農民生活在山坡上，他們的耕地難免也在山坡上。由于人口快速增長，耕地的發展空間嚴重受限，當地老百姓不得不依靠開墾陡坡耕地來滿足基本生存需求，導致陡坡耕地的數量一直居高不下，這是陡坡耕地存在的根本原因。陡坡耕地存在的地區多為貧困落后的山村，由于當地村民知識文化水平較低，生態環境保護意識不強，只顧自身以及眼前的利益，盲目地進行陡坡開荒，忽略了對環境造成的影響。政府的管理力度不強，導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實情況依然嚴峻。

不合理的耕種方式，導致耕地質量低下，產量低，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量下降的耕地，來開墾坡度較高的坡地進行耕種。陡坡耕地的存在與諸多因素有關，例如土壤質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量，但是隨著向陽面陡坡耕地的增加，數量逐漸趨于飽和，于是便會選擇那些條件相對較差的地區進行開墾，陡坡耕地的分布也隨之發生變化，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行全面的研究，全面系統的分析是提出陡坡耕地治理可行性方法的基礎。

根據上述分析，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重要，可以通過一系列措施來控制和治理陡坡耕地。鼓勵農戶植樹造林并按照一定的標準給予生活補助，以滿足農戶的基本生活需求;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，提高治理的質量和成效，形成規模效應，造就治理陡坡耕地的良好風氣。（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，同時配備農田水利設施和田間道路，實現科學合理耕種，切實提高產量，滿足糧食需求。將陡坡耕地建設為水平梯田，可以防止水土流失和實現山區農業可持續發展，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上，可以對陡坡耕地有計劃地退耕還林還草。根據實際需求可以建造木材林、水土保持林和各種經濟林，對生活在比較惡劣環境中的農戶進行異地搬遷，不僅可以逐漸恢復植被，加快退耕還林的進程，恢復生態環境，同時可促進經濟的可持續發展，實現人與自然健康和諧發展。

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