藏-羌聚落交错区耕地坡谱与信息熵变化特征

张淑杰，郭亚琳，樊 敏，王 青

(西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

伴随着我国工业化和城镇化的快速发展，多民族地区居民生计与生活方式逐渐发生转变，岷江上游农村聚落人口空心化背景下耕地撂荒已成为普遍现象。山区耕地的撂荒是在中国乡村转型发展和土地利用转型大背景下出现的人地关系新变化，随着乡村劳动力资源的进一步析出和留守劳动力老龄化程度的进一步加重[1-2]，山区耕地的撂荒可能继续加剧。因此，了解耕地质量与耕地的合理利用情况和科学流转是事关农业与农村可持续发展的关键环节[3-4]。保持一定规模粮食作物种植，对应对特定自然灾害影响胁迫下的粮食危机具有重要的现实意义。

坡谱和信息熵是揭示耕地在不同坡度上利用变化特征的有效手段。目前，坡谱方法已经涉及应用条件[5-6]、坡度分级[7]、水土流失[8]等内容；信息熵技术作为测度系统复杂性和均衡性的手段[9-10]，在地貌演化特征分析[11]、土地利用结构变化[12-16]等领域得到较广泛应用。本文选取位于岷江上游藏-羌聚落交错区为研究单元，基于遥感资料和野外实地考察，运用GIS技术提取1999、2009年和2014年研究区耕地的空间信息，利用坡谱和信息熵技术定量刻画区域耕地分布的坡度特征与变化趋势，揭示区域耕地利用状态及其变化动因。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

岷江上游多民族地区地处干旱河谷区，在干旱河谷上线高半山半干旱缓坡区域分布有常绿、落叶阔叶林与针阔叶混交林。受地理环境所限，耕地分布与聚落分布具有趋同性。其中藏族聚落多分布于高山及河流干支流流域上部(海拔1 100～3 200 m)，羌族聚落则多见于河谷地和半山,主要分布在海拔1 180～3 200 m之间的干旱河谷和V型河谷上部低半山缓坡地带[17]。藏族聚落共计835个，居民生计方式以农业为主，亦有少量半农半牧家庭；羌族聚落有666个，居民生计以农业为主。藏-羌聚落交错区位于31°19′N～32°24′N，103°11′E～103°52′E之间，共3个区域，行政区划上包括理县的薛城镇和蒲溪乡、黑水县的色尔古乡和瓦钵梁子乡、松潘县的镇坪乡5个乡镇(图1)，这5个乡镇均位于山原高原地带，属于高原季风气候区，气温随海拔上升而明显下降，农村居民居住半山和高半山，村寨分散且相距较远，耕地多为坡耕地[18]。

图1 研究区在岷江上游的分布Fig. 1 The spatial distributions of the investigated regions in the upper reaches of Min River

1.2 数据来源与分析

采用的数据主要包括：1999年SPOT-2、4的10 m全色波段影像和20 m多光谱影像，2009年SPOT-5的5 m全色波段影像和10 m多光谱影像以及2014年SPOT-6的1.5 m全色波段影像和6 m多光谱影像；空间分辨率30 m的ASTER GDEM V002数据。

利用ENVI 5.1软件对遥感影像进行正射校正、配准、融合、镶嵌，完成遥感数据预处理；结合耕地光谱特征和野外GPS定位调查，建立解译标志，利用ArcGIS 9.3软件目视解译研究区耕地信息(图2)；基于数字高程模型提取耕地坡度，对耕地以3°等差分级进行坡度重分类。由于研究区耕地斑块破碎，耕地的投影面积与坡面表面积相差不大，统计各坡度段耕地的投影面积及其占比，计算并绘制耕地3°等差分级坡谱，计算相应的信息熵。

图2 研究区的耕地信息Fig. 2 The cultivated land information on the investigated regions in three different periods

1.3 研究方法

1.3.1 坡谱 坡谱是以微地形因子的定量刻画为基础来揭示区域地形特征的有效途径之一。通常坡谱可以用特定区域内各个坡度段的面积频率构成的图表来表示[7]，计算公式如下：

(1)

式中，Pi为以特定坡度分级标准得到的第i级坡度段耕地的面积频率，ni为某一坡度段的耕地面积，n为研究区耕地总面积。

3°等差分级可以得到较为光滑、特征也较明显的坡谱曲线，分级结果令人满意[19]，故本文采取了3°等差分级绘制藏-羌聚落交错区耕地坡谱曲线。

1.3.2 信息熵 在区域土地利用结构中，信息熵用来反映土地利用的动态变化以及转化的程度，熵值由小变大，表明土地利用系统由低级有序向高级无序转变[20]。耕地系统作为一个耗散结构体系，可以用信息熵来度量其内部结构的有序程度。耕地信息熵反映按照一定的坡度分级的耕地在各个坡度段的面积频率的差异程度，频率越接近，其信息熵越大[21]，即耕地在不同分级坡段间的分布越均匀。信息熵计算公式如下：

(2)

式中，H为研究区耕地的信息熵，Pi为以特定坡度分级标准得到的第i级坡度段的耕地的面积频率，m为分级总数。

2 结果与分析

2.1 耕地面积变化

基于耕地的光谱特征，并经实地调查验证，通过对3期遥感数据进行目视解译，得到各个研究区在研究期内的耕地变化情况(表1)。

表1 研究区1999，2009年与2014年耕地面积及其变化量与变化率

表1所示，1999-2014年15年间，研究区耕地面积整体呈下降趋势，降幅为48.36%，耕地减少总量达1 236.39 km2。1999-2009年间耕地总面积下降796.11 km2，降幅达31.14%；其中，薛城镇-蒲溪乡耕地数量下降达49.99%，居3个区域之首，同时其耕地数量的变化也是造成该时段区域总体耕地数量减少最主要的原因，色尓谷乡-瓦钵梁子乡和镇坪乡降幅依次为17.69%和28.75%。2009-2014年耕地总面积下降440.28 km2，降幅为25.01%。色尓谷乡-瓦钵梁子乡的耕地面积降幅为44.65%，镇坪乡耕地面积降幅10.73%，理县薛城镇-蒲溪乡则基本保持不变，对该时期区域总体耕地面积变化影响最大是色尓谷乡-瓦钵梁子乡的耕地数量变化情况。综合1999-2014年，对区域耕地面积变化的贡献由大到小依次为色尓谷乡-瓦钵梁子乡、薛城镇-蒲溪乡和镇坪乡。

2.2 耕地坡谱

基于1999—2009—2014年3期遥感影像的目视解译结果，利用DEM提取区域耕地坡度信息，采用3°等差分级绘制藏-羌聚落交错区：理县薛城镇-蒲溪乡、黑水县色尔古乡-瓦钵梁子乡和松潘县镇坪乡的耕地坡谱曲线(图3)。

图3 研究区耕地坡谱Fig. 3 The information on slope spectrum curves of cultivated land in investigated regions

2.2.1 坡谱曲线特征 三个区域不同年份坡谱移动方向一致，均整体左移，即向缓坡方向移动，这表明藏-羌聚落交错区各研究区坡耕地利用变化趋势大致相同，陡坡耕地耕作率下降。

2.2.2 坡谱峰值特征 耕地主要分布于坡谱峰值附近，因此，坡谱峰值的移动可以在一定程度上反映坡谱的整体变动情况，反映出相应区域耕地系统的不同坡度土地利用现状及变化。1999年，黑水县色尓古乡-瓦钵梁子乡耕地坡谱峰值的坡度区间为24°～26°，较理县薛城镇-蒲溪乡和松潘县镇坪乡略高，后两者的坡谱峰值所在坡度区间均为21°～23°；2014年，理县薛城镇-蒲溪乡、黑水县色尓古乡-瓦钵梁子乡和松潘县镇坪乡耕地分布最大坡度段均有所下降，依次分别降至18°～20°、15°～17°和9°～11°。这说明在退耕还林的15年内，松潘县镇坪乡耕地坡谱峰值所在的坡度由陡变缓的程度最大，其耕地系统利用的合理化程度改善最大，黑水县色尓古乡-瓦钵梁子乡次之。

2.2.3 坡谱分段特征 结合表1与图3能够得到①理县薛城镇-蒲溪乡：超过70%的耕地分布于12°～29°坡度范围(每一坡度段占比≥5%)，15年间，坡度≤14°范围的耕地占比由11.89%增至16.97%，再达35.14%，而耕地面积由100.71 km2先下降为71.19 km2后大幅上升至150.03 km2；15°～20°坡度区间的耕地面积及其占比则先减少后增加，占比变化为从23.27%先降至18.31%，而后又增至26.26%，面积则由197.09 km2依次变化为77.58 km2和112.14 km2；坡度≥21°的耕地占比从64.85%微降为64.50%，后降至38.60%，面积由549.34 km2降至273.24 km2，最后到164.79 km2。②黑水县色尓古乡-瓦钵梁子乡：66%的耕地主要分布在坡度为12°～29°地带。坡度≤17°范围的耕地占比由22.51%先增至31.21%后又增到55.65%，但面积变幅不大，三年间依次为241.92，276.12km2和272.52 km2；18°～23°的坡度区间，耕地面积从261.18 km2略减为237.33 km2,进而持续减少为115.74 km2，但其占比在24.30%的范围内先升至26.82%后降到23.64%；≥24°坡度范围的耕地面积及其占比均持续显著下降，占比由52.20%降到41.97%，继续降到20.71%，面积则依次为571.86 、371.34 km2和101.43 km2。③松潘县镇坪乡：约68%耕地的主要坡度分布范围为9°～26°。至2014年，在≤14°的坡度段上，区域耕地面积由158.49 km2上升为234.18 km2最后达到235.08 km2，而占比由24.98%依次迅速增至51.80%和58.25%，15°～17°坡段的耕地占比和面积则先由10.50%和66.60 km2降到9.72%和43.92 km2后略升高至11.33%和45.72 km2，而在≥18°坡度段耕地占比与面积下降情况依次从64.52%和409.41 km2占比和面积迅速降到38.48%和173.97 km2，进而降至30.42%和122.76 km2。

2.3 坡耕地信息熵

耕地坡度影响耕地的利用情况。在坡耕地上，为防止因顺坡耕作造成的水土流失，需要采用不同的种植方式或采取综合治理措施，因此了解当地耕地坡度分异特征及变化状况就显得尤为必要。用信息熵来度量藏-羌聚落交错区坡耕地结构的有序程度，需要对耕地坡度进行分级处理。3°等差分级得到的信息熵虽然可以详尽描述研究区对不同坡度耕地利用均衡与否的情况，但不能按照坡度对耕地利用的限制程度和影响情况而进行有针对性的说明，为此对3°等差分级进行改动，调整为0°～2°～5°～8°～11°～15°～25°以及>25°这7个坡度段。前五个坡度段依然采用3°等差分级，15°～25°和>25°两个坡度段是1984年中国农业区划委员会颁发《土地利用现状调查技术规程》[22]对陡坡耕地的划分，25°为《水土保持法》[23]中开荒限制坡度，>25°则为不准种植农作物。本文按此分级方法并依据公式(2)计算得到坡耕地的信息熵(表2)。

表2 研究区耕地信息熵/nat

在耕地利用系统中，信息熵越小则表示耕地越集中在某些坡度范围内，耕地在不同坡度段分布就越不均匀。藏-羌聚落交错区坡耕地的信息熵在研究期总体上呈现逐渐增加趋势，各研究区的坡耕地信息熵变化略有不同：理县薛城镇-蒲溪乡与黑水县色尓谷乡-瓦钵梁子乡的坡耕地信息熵有相似的变化趋势，均逐渐增大，但程度不尽相同；松潘县镇坪乡的坡耕地信息熵则表现为先增加然后基本保持稳定。

截止到1999年(结合表1与图2)，藏-羌聚落交错区的陡坡耕地(≥15°)占比和面积远多于缓坡耕地(<15°)，陡坡耕地和缓坡耕地的占比分别是86.67%和16.33%；随后，退耕还林工程在陡坡实施使缓坡耕地与陡坡耕地的占比差距缩小，陡坡耕地和缓坡耕地的占比为71.97%和28.03%；同时受地质灾害的影响，坡度≥15°的耕地面积及其占比出现较为显著的下降，坡度<15°的耕地数量因灾后复垦、撂荒复耕而缓慢上升，占比则上升较明显，使得耕地在不同坡度段分布较退耕前均匀，进而使区域耕地信息熵由1.253增加至1.515。各个研究区的信息熵变化情况及原因与区域总体的情况相近。

2009-2014年间，区域总体的耕地信息熵继续呈增加态势，陡坡耕地的耕作率持续下降，由2009年的71.97%降至55.03%。其中理县薛城镇-蒲溪乡与黑水县色尓谷乡-瓦钵梁子乡<15°坡段的耕地占比与≥15°坡段的耕地占比差距持续减小，即两不同坡度范围耕地依然向着更加均匀的方向发展，显示出与区域总体类似的变化趋势。松潘县镇坪乡研究区≥15°坡段的耕地面积继续减少，其占比与<15°坡段的耕地占比相比由1999年的大于(75.02%>24.98%)变为2009年的小于(48.20%<51.80%)，在2014年，≥15°坡段的耕地占比小于<15°坡段的耕地占比的程度进一步增大(41.75%<58.25%)，从而使得该区域坡耕地信息熵较2009年有所减少，即2014年松潘县镇坪乡研究区耕地在不同坡度段分布较2009年更不均匀。但与1999年的不均匀不同，1999年松潘县镇坪乡的耕地是陡坡耕地远大于缓坡耕地占比，而2014年则相反，该时期其耕地是缓坡耕地大于陡坡耕地占比，因此，其坡耕地信息熵则表现为基本不变，稳定在1.8左右。

3 讨 论

1)由于耕地面积的变化引起不同坡度耕地占比的变化，进而造成了坡谱和信息熵的变化。通过文献调研并进行野外调查和农户走访，将耕地坡谱与信息熵变化的原因归纳为以下几方面：①岷江上游山区1999年开始实施退耕还林工程，陡坡耕地因此大量减少，这与2008年四川省退耕还林调查报告[24]得出的山区实施退耕还林使大批陡坡耕地得到有效治理的结论相一致；2009-2014年间受到汶川地震及其次生地质灾害，特别是2013年“7.10特大泥石流”的影响，堵江溃决威胁的存在[25]造成河谷区两侧耕地面积显著下降，这在蒲溪沟等地的走访调查中也得以证实。②“十二五”期间随着四川省的城镇化水平的逐步提高和农村空心化的进一步加剧[26]，当地农村聚落年轻劳动力不断外流与留守劳动力老龄化，加上震后村子陆续搬迁引起耕地可达性降低，导致研究区当地部分耕地被迫撂荒。③陡坡耕地退耕后，耕地生态系统供给生态服务价值降低[27]，生态补偿低于居民生计需求，因此在河坝等区域出现耕地复耕、复垦现象，同时也使耕地弃耕情况得到一定缓解[28]。

2)坡谱是地学图谱中用来反映现象或事物的空间结构的方法之一[29]，目前在黄土高原地貌和水土保持研究的成功运用[30-32]已充分证明其可有效反映地貌形态的空间分异特征并可用来获取地形地貌信息。本文通过适当的坡度分级方法得到研究区耕地坡谱，获取了耕地在不同坡度上的空间分布信息，其中，三个研究区在1999年均呈现近似正态的分布态势，即随坡度的升高，不同坡度耕地面积呈两头小中间大的分布趋势，这反映了研究初期区域在不同坡度下耕地的利用情况。同时，基于图谱反演过去、预测未来的特点[33]，本文将研究区不同时段耕地坡谱进行了对比分析，得到研究区对耕地利用的发展变化趋势，即与1999年相比，研究区在2009年和2014年陡坡耕地耕作率均下降，缓坡耕地面积占比较小的情况逐步好转。这样的结果与李富程等[34]得到的不同坡度的耕地面积整体呈减小趋势且耕地减少量随坡度增大而增加研究结论相一致。

信息熵是对系统有序与否的量度手段之一，在土地利用结构的应用中其演变情况可以反映区域土地的分布和不同土地利用类别的动态演变规律。在量化地面坡谱后，信息熵及其变化情况可进一步表征地貌形态的时空变化特征[30，32]。本文基于研究区耕地坡谱信息，借助信息熵探究得出耕地在不同坡度区间上的分布均匀程度有所改善；并通过信息熵在时间尺度上由小到大的变化，分析得到区域坡耕经历由陡坡耕地多于缓坡耕地演变为两者数量接近再发展到缓坡耕地逐渐多于陡坡耕地的变化。在本文中坡谱信息熵的变化表明耕地在不同分级坡度区间的分布逐渐趋于均匀，而陈佳音等[32]的研究得出坡谱信息熵由小变大能够反映地形起伏由缓和向剧烈的变化趋势的结论，两者均是通过坡谱信息熵的变化来反映相应研究对象的时空变化规律，但研究结果的差异性因受到研究对象及其在研究期内分布的始末状态和计算信息熵时所选取的坡度分级方法的影响而有所不同。

因此，通过分析坡谱和信息熵的变化原因来反映研究区耕地的时空变化状况，进而判定研究区对坡耕地的利用情况，对减少水土流失、确保山区粮食种植面积[35]，缓解山区人地矛盾和保障退耕还林的生态效益具有重要意义。

4 结 论

本研究结果表明：1)1999～2014年间，藏-羌聚落交错区≥24°的耕地坡谱段递减明显，陡坡耕地耕作率由1999年的83.67%到2009年的71.97%再到2014年的55.03%，发生幅度较为明显地下降；坡度≤14°的耕地坡谱段呈现上升趋势，缓坡耕作率从1999年到2009年再到2014年分别为16.33%，28.03%和44.97%，说明交错区耕地利用逐渐向坡度缓和的方向移动，缓坡耕地将会逐步成为当地的农作物集中分布区，耕地的利用更加合理。2)在退耕还林和5·12地震及其次生地质灾害的双重影响下，藏-羌聚落交错区耕地信息熵由1999年的1.253增加为2009年的1.515，进一步增至1.707，呈逐渐增加的态势，这表明缓坡耕地与陡坡耕地的占比差距缩小，耕地在不同分级坡段间的分布趋于均匀，相较于当地高山深谷的地形与研究初期的主要集中于陡坡的耕作状态，这样的变化有利于当地的水土保持与生态环境的保护。利用坡谱对区域耕地系统微地貌进行刻画，结合坡谱信息熵的变化分析耕地的空间分异特征，有助于评价区域耕地的时空变化状况，为山区可持续发展和生态环境建设提供参考和依据。