河北涉县旱作石堰梯田农业文化遗产景观特征及演变

杨荣娟，刘 洋，闵庆文刘荣高焦雯珺

刘某承1，李禾尧1，2，贺献林3

（1. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；2. 中国科学院大学，北京100049； 3. 涉县农业农村局，河北涉县056400）

0 引言

农业文化遗产是人类适应自然的长期农业活动中所创造的“活态”、“复合”的技术与知识集成［1］。现代农业快速发展在提高生产力［2］的同时导致了环境破坏、生态多样性减少、食品安全等问题［3-4］，引发了人们对现代农业技术的反思和对传统农业的关 注［5］。2002年，世界粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）发起了全球重要农业遗产项目（Globally Important Agricultural Heritage Systems，GIAHS），引导对传统农业方式的保护［1，6］。农业景观作为农业文化遗产的主要内容之一，是系统实现生物多样性保护、粮食生产和文化传承等功能的重要承载体［1，7-8］。研究遗产地景观结构和特征，充分认识景观的演变特征和驱动机制，对保护和发展农业文化遗产具有重要意义。

梯田景观作为一种重要的农业景观，是山区居民治理坡耕地水土流失、保障山区粮食生产的有效措施，具有生态、经济和社会效益［8-9］。我国是世界上最早修建梯田的国家之一，在南方丘陵、西北黄土高原和华北山区分布有大量的稻作梯田和旱作梯田［10-11］。目前我国已有多个稻作梯田系统列入全球重要农业文化遗产，如云南红河哈尼梯田、福建尤溪联合梯田、广西龙胜龙脊梯田等［12］。学者们针对稻作梯田，从梯田系统的生态特征［13］、景观空间格局［14］、文化内涵、旅游价值［15］等多方面展开了研究，并提出挖掘农业遗产的历史文化内涵、发展农业生态产品、开展文化旅游等梯田保护和发展措施［2］。但当前研究多关注遗产地的景观现状，缺乏对遗产地景观演变特征的研究，这制约了对系统动态发展的认识，影响遗产保护和利用的科学性。Landsat等高分辨率遥感影像提供了1980年以来30 m分辨率的卫星观测，为定量化研究景观要素结构特征及其空间分布关系提供了数据支撑，已被用于梯田的景观空间格局现状研究［16-17］。基于长时间序列遥感影像的景观格局分析，能够进一步掌握景观要素和景观格局的动态变化过程，揭示遗产地景观演变规律，为农业景观遗产的保护和可持续发展提供参考依据。

河北涉县分布着27万km2旱作石堰梯田，其修筑历史最早可追溯到1290年，是当地山民适应和改造缺水少土的自然环境的一大创举，也是北方旱作石堰梯田的杰出代 表［18-19］。河北涉县旱作石堰梯田系统于2014年被列为“中国重要农业文化遗产”，目前已成为全球重要农业文化遗产遴选地。文章从农业文化遗产角度出发，分析遗产地的梯田景观形态特征、空间分布和结构特征，基于Landsat卫星影像提取并分析1990—2017年的景观演变，并结合自然与社会经济数据探讨景观演变的驱动机制，以期为当地有效保护和合理开发旱作石堰梯田景观提供定量数据和科学依据。

1 研究区概况

涉县位于河北省西南部（36°17′N～36°55′N，113°26′E～114°E）（图1），地处晋冀豫3省交界处，是太行山地区典型全山地区。区内海拔在200～1 600 m，坡度最大达66°，清漳河和浊漳河贯流全境。涉县地属暖温带半湿润大陆性季风气候区，年均温12.4℃，多年平均年降水量540.5 mm，降水多集中于7、8月份，夏季雨涝灾害频发而其他季节干旱少雨。遗产地位于涉县东南部的井店镇、更乐镇和关防乡，分布着涉县乃至整个太行山规模最大、分布最为密集的旱作石堰梯田景观，包括井店镇15个行政村、更乐镇15个行政村和关防乡全部16个行政村，土地总面积204.35 km2。相较于涉县其他地区，该区山势陡峭，缺水少土，所有耕地均为旱作石堰梯田。

2 材料与方法

2.1 数据

该文使用的影像主要包括涉县土地利用数据和地形数据。涉县土地利用原始数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，包括1990、2000、2010和2017年4期。该数

图1 遗产地位置示意图Fig.1 The location of the study area

据基于Landsat影像目视解译获得，空间分辨率为30 m，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6个地类。遗产地未利用土地斑块面积极小、分布零散，多邻近草地，而区内河流为季节性，在枯水期为河滩地。根据遗产地土地利用特点对各类用地进行了归并，将未利用土地归为草地，将遗产地分为梯田、林地、草地、河流/河滩地、建设用地等5类。为了提高分类数据的质量，结合Google Earth高分辨率影像、历史Landsat影像和实地调研，通过对林地、草地误判区域的重分类和破碎梯田的识别，对数据进行修正，提高土地利用数据的分类精度。

另外，为探讨涉县旱作石堰梯田景观演变的驱动力，从涉县气象局获取涉县气象站（36.34°N，113.4°E）1990—2017年每日降水和气温数据，并从邯郸市统计年鉴和涉县的县区统计资料获取劳动力等社会经济统计数据，部分社会经济数据来源于知网空间共享的统计年鉴等资料［20］。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用转移分析法

土地利用类型间转移矩阵能够直观地反映研究区不同土地利用类型之间的相互转化，并且对类型间的转化量进行定量化描述。其计算公式为［21］：

式（1）中，Nt和Nt+Δt分别为t和t+Δt时刻的状态向量，p为转化概率矩阵。pij（0≤pij≤1）为从t到t+Δt时刻斑块类型i转化为斑块类型j的概率，斑块发生转化时保持总面积不变，只发生内部转化，转化概率和为1。

2.2.2 景观指数

利用Fragstats软件基于土地利用数据分别计算不同时期的景观指数（表1），通过分析景观面积、形状和结构变化，揭示遗产地石堰梯田景观特征随时间演变的规律。为了反映梯田及其他各类型景观的空间分布特征变化，在类型水平上选取斑块密度（PD）、平均斑块面积（MPS）、最大斑块面积指数（LPI）、景观形状指数（LSI）、斑块破碎度指数（SPLIT），在景观水平上选取香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）和蔓延度指数（CONTAG）对各类型景观的特征和系统内景观多样性变化进行定量描 述［22］。

表1 景观指数与含义Table 1 Landscape index

3 结果与分析

3.1 石堰梯田景观特征

3.1.1 景观形态特征

我国的梯田以西南、黄土高原、青藏地区和华北山区分布最为集中［23］，主要包括南方丘陵地区的稻作梯田和西北、华北地区的旱作梯田（表2），梯田随地理环境和气候差异呈现不同的形态特征［24］。稻作梯田分布在亚热带季风气候区，海拔跨度大，为 200～2 000 m，区域降水丰沛，梯田多以土为埂（极少数地区以土石混合的方式筑埂），田面平整、土层较厚，田间有季节性水覆盖，种植水稻为主。西北黄土高原上分布的土埂梯田和河北涉县旱作石堰梯田是我国旱作梯田的典型代表，种植旱作作物为主。土埂梯田主要分布在温带半干旱气候区，海拔为1 500～2 600 m［19］，黄土层深厚而降水稀少，田、埂一体，梯田弧线完整而连续。涉县旱作石堰梯田地处温带大陆性季风气候区，降水有限，石灰岩山坡地土层稀薄，“叠石相次，包土成田”［18］，以石灰石堆砌而成的灰白色石埂和田间镶嵌的石庵子为典型特征。

表2 我国稻作和旱作梯田系统对比Table 2 Comparison of rice terraces and dryland terraces system

3.1.2 景观结构特征

遗产地由高至低形成了“山顶林地—灌丛—石堰梯田—村落—河流/河滩地”的复合景观结构（图2），这种结构是当地居民长期适应和改造当地缺土缺水环境的产物，实现了当地有限水土资源的充分利用和保护。山谷中的河流为系统提供水源；村落分布在地势平坦的沟谷地带，保存了极具特色的石板街和石头房屋，临近梯田与河流，便于梯田的管理和日常生活；梯田沿村落边缘向海拔更高的山地延伸，田中散布有方便田间野炊的石庵子，70%以上的坡面都得到了充分利用［18］，在生产粮食的同时，实现了水土保持和生物多样性保护的功能；山顶海拔高达1 142 m，地形更为陡峭，一般为森林和灌丛，具有加固水土、涵养水源的作用。系统各景观要素密切相关、和谐共处，在水土资源有限的太行山区发挥了保持山地水土、提升粮食产量和承载农业文化等重要 功能。

图2 涉县旱作石堰梯田遗产地景观结构Fig.2 Landscape structure of Shexian stone-ridge terraces heritage site

3.2 石堰梯田景观演变分析

3.2.1 梯田分布及面积变化

2017年Landsat遥感影像显示，遗产地石堰梯田面积达27.68 km2，主要分布在沿河谷的山坡上（图3）。遗产地优势土地类型为林地和石堰梯田，分别占遗产地土地总面积的77.4%和13.6%；草地、建设用地和河流/河滩地分别占4.6%、2.8%和1.6%。井店镇王金庄5个村和更乐镇张家庄5个村的石堰梯田最为连续密集；关防乡的石堰梯田散布在沟谷间，主要分布在东北部的后池村、前池村以及东南部的岭底村。

遗产地土地利用分布图表明，林地和梯田是遗产地两大优势景观，随着时间的推移，梯田和林地的优势地位发生了变化：20世纪90年代，林地和草地是遗产地的两大主要土地覆盖类型；2000年以后，草地大幅度缩减，梯田成为遗产地的第二大景观类型；林地的优势地位更加突出，成为遗产地面积最大的景观类型［25］。

图3 1990、2000、2010、2017年涉县旱作梯田遗产地土地利用分布Fig.3 Distribution of land use in Shexian stone-ridge terraces heritage site in 1990、2000、2010 and 2017

各类型景观面积统计（图4）显示，1990年以来，旱作梯田农业文化遗产地的土地利用结构发生了明显的改变：1990年以来，梯田面积不断缩减，面积由49.874 km2减少到27.682 km2；林地面积显著增大，由69.242 km2增至158.204 km2；草地面积由80.088 km2锐减为9.451 km2；建设用地不断扩张，由2.140 km2增至5.819 km2；河滩地无明显变化。

图4 1990、2000、2010、2017年涉县旱作梯田遗产地各时期景观类型面积统计Fig.4 Landscape type area statistics of Shexian stone-ridge terraces heritage site for various periods in 1990、2000、2010 and 2017

3.2.2 景观转移特征分析

根据土地利用数据计算的3个时期土地利用类型间转移矩阵（表3）表明，20世纪末遗产地的地类之间整体上转移现象较少。96.73%（48.25 km2）的旱作梯田保持稳定，1.53%（0.76 km2）的梯田转换为建设用地，占2000年建设用地面积的25.93%，是建设用地扩张的主要来源。其间最显著的转移现象发生在林地和草地之间，10年有58.97%（47.23 km2）的草地转化为林地。

21世纪以来，各地类之间的相互转移现象显著加剧。2000—2010年，旱作梯田面积大幅度缩减，26.40%（12.77 km2）的梯田转换为林地，是梯田缩减最主要的形式，占转出梯田面积的64.43%；建设用地面积迅速增长，2.32%（1.12 km2）的旱作梯田被建设用地扩张侵占；11.41%（5.52 km2）的梯田抛荒为草地。2010—2017年，旱作梯田面积持续缩减，有40.76%（17.55 km2）的梯田转换为林地，占转出梯田面积的79.31%；3.05%（1.10 km2）的梯田转换为建设用地，占2017年建设用地面积的18.92%；另有7.56%（2.73 km2）的梯田抛荒为草地。同时有3.51 km2（16.27%）的草地和6.41 km2（4.61%）的林地开垦为梯田，梯田总面积仍在下降。

表3 1990—2017年涉县旱作梯田遗产地景观类型间转移矩阵 Table 3 Land use type transfer matrix of Shexian stone-ridge terraces heritage site from 1990 to 2017 km2

3.2.3 景观格局演变分析

景观格局指数显示，28年来涉县旱作石堰梯田遗产地梯田、草地和林地变化显著（图5）。梯田景观和草地景观斑块平均面积（图5b）和最大斑块指数（图5c）减小、而斑块密度（图5a）和形状指数（图5d）增大，表明其受到人类活动影响破碎化程度增加，斑块形状趋向复杂化，其中草地随着林地扩张破碎化程度增加趋势最为显著。林地最大斑块指数显著增大、形状指数减小、斑块破碎度最低，表明林地景观斑块形状简单，破碎化程度低且优势地位增强。建筑用地最大斑块指数和形状指数增大、斑块破碎度显著减小，这表明建筑用地扩张过程中破碎化程度降低，但斑块形状趋向复杂化。河流/河滩地受到人类活动干扰较小，几乎维持不变。

图5 1990、2000、2010、2017年涉县旱作梯田遗产地景观指数变化Fig.5 Landscape index of Shexian stone-ridge terraces heritage site in 1990、2000、2010 and 2017

遗产地整体景观格局也发生了显著变化。多样性指数（SHDI）和均匀度指数（SHEI）持续减小，这主要是因为林地不断扩张和草地缩减导致遗产地土地利用类型趋于

简单化，且各类景观斑块的分布不均匀［24］。蔓延度指数（CONTAG）大于50且有上升趋势，表明林地、梯田等优势景观斑块间的连通性良好。

3.3 景观演变驱动要素分析

农业文化遗产是人与自然协调下形成的动态性复合系统，系统景观受人类活动和自然要素影响会发生演变［25-26］。当地景观变化与相关政策实施高度吻合，说明政策可能是景观演变的重要驱动要素。涉县在20世纪末响应太行山绿化工程开展植树造林活动，21世纪初期全县域实施退耕还林［27］。同时期气温略微升高，降水保持稳定（图6），这有利于树苗存活和生长，有助于退耕还林等政策的顺利推进，使得遗产地大量草地转变为林地，部分旱作梯田也转变为林地，森林景观的优势地位加强。同时，遗产地也经历了城镇化发展，建设用地扩张入侵临近的梯田用地，也是导致石堰梯田景观面积缩减的一个因素。

图6 1990—2017年涉县气温和降水变化（a）年平均气温（b）年降水量和暴雨频次变化Fig.6 Changes of temperature and precipitation in Shexian from 1990 to 2017

劳动力是与梯田联系最为紧密的社会因素，遗产地劳动力统计数据（图7）显示，当地劳动力结构发生了深刻变化，2000年后农林牧渔业劳动力显著减少，非农劳动力增加。区域经济发展促使地区产业结构和劳动力结构调整，青年一代农业劳动力向外流失，这导致梯田荒置现象增多。另外，涉县夏季降水集中，暴雨可能引发洪涝灾害（图6b），造成梯田石堰损毁，劳动力流失也导致损毁梯田得不到及时维修进而荒废。

图7 1990 —2016年涉县旱作梯田遗产地劳动力变化Fig.7 Changes of labor in Shexian dryland stone-ridge terrace system heritage site from 1990 to 2016

4 结论与讨论

该文分析了涉县旱作梯田农业文化遗产地的梯田形态特征、景观分布和结构，探讨了1990 —2017年景观演变及其驱动因素。

（1）涉县旱作石堰梯田作为山民长期适应和改造当地“缺水、少土、多石”的自然环境形成的复合型活态农业文化遗产，具有以石作埂、田间土石混合、土层薄等独特形态特征；

（2）遗产地形成了“山顶林地—灌丛—石堰梯田—村落—河流/河滩地”的景观结构，这种结构是当地居民长期适应和改造当地缺土缺水环境的产物，实现了当地有限水土资源的有效利用和保护；

（3）1990年以来，遗产地景观发生了深刻变化，梯田和草地面积减少，林地面积显著增加，建设用地扩张。旱作石堰梯田景观作为遗产地的重要景观类型，与其他景观之间转换关系密切，面积占比由1990年的24.41%减少到2017年的13.55%，主要转出为林地和建设用地；

（4）涉县旱作石堰梯田景观系统景观整体多样性和景观均匀度持续降低。森林景观优势地位不断增强，梯田景观扩张，而梯田和草地景观面积和斑块密度不断减小、景观破碎度加剧；

（5）遗产地景观演变主要由人为因素驱动，“退耕还林”政策、城镇化发展等是当地景观变化的主要驱动因素。

涉县旱作梯田景观正面临面积缩减［28］、梯田撂荒等威胁。对于农业文化遗产地来说，旱作石堰梯田景观保护是农业文化遗产保护的重要内容［11］，林地的适度增加有助于山地水土保持和水源涵养，但应注意保证梯田景观的稳定性和规模。在后续梯田开发利用过程中［29-30］，应建立健全梯田管理体系，尽力维护旱作梯田景观的连续性和稳定性，激励当地居民维护传统旱作梯田耕作方式。