湖北省坡耕地現狀分析及宜耕性評價

陳 芳, 高寶林, 李 杰, 劉 琨, 徐 昕

(湖北省水利水電規劃勘測設計院, 武漢 430000)

耕地資源是糧食生產的載體[1]，耕地的數量和質量決定了一個國家的人口承載力和實現可持續發展的能力。人多地少的基本國情，決定了中國必須落實最嚴格的耕地保護制度，從數量、質量、生態方面實施“三位一體”耕地資源保護。為此，全面準確摸清耕地資源的數量及其空間分布，并通過宜耕性評價研究掌握現有耕地在質量、生態狀況及利用方面存在的問題，可為區域生態環境保護和耕地資源質量提升提供科學參考，在制定農業發展和糧食安全戰略、實施國土資源整治和開發以及生態建設等方面都具有重要意義[2-3]。

目前，耕地資源的宜耕性評價常見方法是分級賦值法[4-9]，選取不同指標，通過層次分析法確定權重，根據加權得分對耕地適宜性劃分不同等級，由于這種方法計算結果為單個綜合評分，不便獲取影響宜耕性的關鍵指標信息，故此類研究多側重于不同宜耕等級的耕地空間分布研究，但對耕地不宜耕的產生原因及其潛力提升措施的剖析不夠深入。限制性因子評價法多用于耕地后備資源的宜耕性評價[10-13]，若選取的任一項指標滿足不宜耕的條件，則劃分為不宜耕耕地，可直觀揭示現有耕地資源不宜耕的主要原因。

湖北是全國13個糧食主產省份之一，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；坡耕地不僅產量低而且水土流失嚴重，威脅到區域生態與糧食安全[14]。湖北省坡耕地數量及分布特征情況在西部大開發土地資源調查成果中有過統計[15]，該成果僅調查了15°以上坡耕地面積，沒有涉及全域坡耕地，且調查距今多年；另外聶斌斌等[16]在鄂西山區對坡耕地分布進行了區域調查，但缺乏省域整體把握。本文對湖北省坡耕地開展全面調查，查明湖北省坡耕地資源的數量、理化性狀及其土地利用、水土流失等狀況，在此基礎上再采取限制因子法實施宜耕性評價，分析宜耕性坡耕地資源，以期對坡耕地資源的開發利用和保護及其質量提升方向提供科學依據。

1 湖北省概況

湖北省位于我國中部，地處長江中游的洞庭湖以北，地理位置處于北緯29°05′—33°20′，東經108°21′—116°07′。東西長約740 km，南北寬約470 km，全省總土地面積18.59萬km2。省內貫穿長江和漢江兩大水系，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、武當山、桐柏山、大別山、幕阜山等山地環繞，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。氣候屬亞熱帶季風氣候，具有四季分明，雨熱同季，光、熱、水資源較豐富的特點，年平均降水量800～1 600 mm，年平均日照時數一般為1 100～2 150 h，年平均氣溫15～17℃。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源和預處理

湖北省耕地及耕地坡度和耕地屬性數據來源于湖北省國土調查2019年土地利用矢量數據，土壤侵蝕現狀數據來源于湖北省2019年水土流失動態監測成果，分辨率為10 m；土壤圖來源于世界土壤數據庫(HWSD)土壤數據集(v1.2)，分辨率為1 km。

本研究的坡耕地是指種植農作物的自然坡度≥6°的耕地(不包括梯田)，耕地的定義為《土地利用現狀分類》(GB/T21010—2017)中的類型。利用GIS軟件從國土調查數據中提取坡度≥6°(即坡度級≥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據圖斑；將土壤侵蝕圖和土壤圖進行柵格轉換為矢量，與坡耕地圖斑進行疊加，則每一個坡耕地圖斑包含了本研究所需的坡度、種植屬性、土壤侵蝕、土壤理化性質等方面的屬性數據，從而構建了本研究所需的湖北省坡耕地數據庫。

2.2 研究方法

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

(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°三級分別統計;S為坡耕地總面積;ωi為不同坡度特征類型權重值,根據專家評分法,分別把6°～15°,15°～25°，>25°坡度特征值的權重設定為0.1,0.3,0.6。

2.2.2 坡耕地土壤侵蝕綜合指數 該指數可反映不同坡度坡耕地水土流失危害的嚴重程度[17]，其值越大表明該坡度級耕地受到的土壤侵蝕危害就越大，本研究僅考慮水力侵蝕，計算公式可簡化為：

(2)

式中:Wj為第j級土壤侵蝕強度的分級值,其中輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈的分級值分布設計為1,2,4,6,8;Aj為第j級土壤侵蝕強度面積比重。

2.2.3 坡耕地資源宜耕性評價 土地地力評價可選取的指標一般有氣象、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]，并綜合考慮本項目區的實際情況及數據的可獲取性，有所側重地進行指標選取。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，滿足作物生長要求，因此不構成限制性因素；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、經濟效益和生態風險，故選取坡度、土壤侵蝕程度2個指標進行評價；剖面性狀主要有剖面構型、質地構型、土層厚度等，選擇具有代表性且易獲取的土層厚度指標進行評價；土壤理化性狀中選擇土壤質地和土壤pH值作為評價指標，最終選定的評價指標及其數據要求見表1。以湖北省坡耕地圖斑為評價單元，采取“限制性因子”評價法，對評價單元進行評價，只要有一個因素指標達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價指標

3 結果與分析

3.1 坡耕地空間分布及特征指數分析

(1) 坡耕地空間分布及坡度構成。根據調查結果(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，涉及全省縣級行政區共有99個，且主要集中分布在鄂西山區和鄂東北山區兩大片。鄂西山區主要包括宜昌市、襄陽市、十堰市、恩施州、神農架林區，鄂東北山區主要包括黃岡市，其中鄂西山區的恩施州、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成分析

湖北省坡耕地的坡度構成以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和鄂東北山區，全省90%以上的≥25°坡耕地也分布在鄂西山區。

(2) 坡耕地特征指數分析。從坡耕地特征指數方面來看(表2)，湖北省坡耕地特征指數平均值為0.22，超過平均值的地區主要包括鄂西山區的神農架林區、十堰市、恩施州和宜昌市，分別達到0.29，0.28，0.27，0.26，表明以上地區坡耕地開發利用相對較難；特征指數值較低的地市有仙潛天地區(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，說明該地區坡耕地坡度集中在6°～15°之間，開發利用相對容易。

3.2 坡耕地土壤侵蝕分布及土壤侵蝕綜合指數分析

調查結果表明，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%；強烈、極強烈、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(表3)可知，湖北省≥25°坡耕地土壤侵蝕危害是最嚴重的，其土壤侵蝕綜合指數為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。

從各行政區不同坡度的土壤侵蝕綜合指數來看，6°～15°，15°～25°和≥25°坡耕地土壤侵蝕綜合指數排名前三的行政區均為鄂西山區的恩施州、宜昌市和鄂東北地區的黃岡市，這3個行政區的平均坡耕地土壤侵蝕綜合指數也是全省前三，分別為2.48，2.42，2.37，遠超全省的平均坡耕地土壤侵蝕綜合指數2.04，表明以上地區的坡耕地土壤侵蝕危害程度較高，以上區域應作為坡耕地水土流失綜合治理的重點對象。恩施州和宜昌市的坡耕地侵蝕程度嚴重主要是由于該地區位于鄂西山區，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致；黃岡市位于南方紅壤山區，降雨豐富，土壤母質為花崗片麻巖，風化層厚，易發崩崗，且人均耕地面積較小，坡耕地利用程度高，坡耕地水土流失嚴重，因此坡耕地土壤侵蝕綜合指數值較大。

總體來說，坡耕地土壤侵蝕綜合指數隨著坡度的增大而增加，個別區域出現例外，如恩施州、仙潛天地區的坡耕地土壤侵蝕綜合指數表現為隨坡度增加而減少的趨勢，主要是因為恩施州境內高山較多，高海拔地區居住環境惡劣，人口較少，耕作需求也較少[16]，坡度大的坡耕地耕作不易，受到人為擾動更少，導致坡度大的坡耕地土壤侵蝕綜合指數反而較小。仙潛天地區則因為位于平原區，坡耕地數量較少，且主要分布在6°～15°，高強度耕種導致坡耕地反復被擾動，故6°～15°坡耕地土壤侵蝕更為嚴重。

表3 湖北省坡耕地土壤侵蝕綜合指數

3.3 坡耕地資源宜耕性評價分析

宜耕坡耕地的構成結果表明(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。從各行政區來看，宜耕坡耕地占各行政區坡耕地面積比例最大的地市為仙潛天地區、隨州市、孝感市和荊門市，均達到90%以上；不宜耕坡耕地占各行政區坡耕地面積比例較大的地市為鄂西山區的恩施州、宜昌市和神農架林區，其比例分別為32.59%，30.93%和23.23%，上述地區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；土壤侵蝕嚴重(極強烈以上侵蝕強度)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，土壤侵蝕嚴重和土層淺薄的坡耕地也主要分布在鄂西山區。坡耕地不宜耕是多種不利因素協同作用的結果，除仙潛天地區主要由于土壤侵蝕較嚴重造成不宜耕外，其余區域均達到多個不宜耕限制條件；在鄂西山區，礫石含量過高和坡度過陡往往同時出現，造成坡耕地的不宜耕；而在鄂東北山區的黃岡市，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價結果

4 結 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，對存量坡耕地的有效利用是嚴守耕地紅線、保障糧食安全的重要手段。坡耕地主要分布在鄂西山區的恩施州、十堰市、宜昌市和襄陽市，以及鄂東北山區的黃岡市。坡耕地特征指數表明鄂西山區的神農架林區、十堰市、恩施州和宜昌市耕地開發利用相對較困難，仙潛天地區、武漢市、鄂州市、荊門市和隨州市開發較為容易，可因地制宜對坡耕地進行開發利用；坡耕地土壤侵蝕綜合指數表明水土流失危害嚴重的區域有恩施州、宜昌市和黃岡市，可作為坡耕地水土流失治理重點區域。

(2) 根據坡耕地宜耕性評價結果，湖北省不宜耕坡耕地總面積為2 178.36 km2，占現有坡耕地面積的23.08%；不宜耕坡耕地占各行政區坡耕地總面積比例較大的行政區有鄂西山區的恩施州、宜昌市和神農架林區，該區域的特點是坡度較陡，地形破碎、巖石易風化、土層淺薄、礫石含量較高，水土流失嚴重，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、襄陽市和神農架林區；其次占主導因素的有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，同時還受到肥料結構和酸化降雨的影響[19-20]。坡耕地不宜耕是多種不利因素協同影響造成的，需多途徑綜合改善不宜耕坡耕地，如進行土壤改良、加強水土流失治理和加快高標準農田建設等，全方位提升耕地質量。同時，對于位于鄂西山區重要生態功能區，如三峽庫區、丹江口庫區以及清江水源區，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，必要時可考慮進行生態退耕，以保證水源涵養功能[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區域。本研究通過GIS技術，構建湖北省坡耕地數據庫，對坡度、土壤侵蝕特性進行特征分析，并開展坡耕地宜耕性評價，可用來指導本省不宜耕坡耕地進行耕地質量提升和土地利用結構調整，以及因地制宜制定相關坡耕地水土流失防治策略，對于維護改善生態環境，促進區域經濟社會可持續發展和實現生態文明戰略等方面具有重要意義。