基于GIS的贵州省冬季耕地利用空间分布

蒲红梅，杨 琴，赵正学，赵学春，黄其河，陈玉连，董 瑞，陈 超，程 华，何 进，金宝成

（1.贵州大学动物科学学院，贵州贵阳 550025；2.贵州大学昆虫研究所，贵州贵阳 550025；3.兰州大学生命科学学院，甘肃兰州 730000；4.贵州大学农学院，贵州贵阳 550025）

中国南方热带和亚热带地区冬季水热资源丰富，第1年秋季作物收获后至第2年播种前，有长至5～6个月的冬季耕地可供开发利用[1-2]，充分利用这部分资源可以提高耕地复种指数和土壤肥力、促进粮食增产和农民增收、改善土壤结构和降低水土流失[1-6]。但目前仍存在大量未利用的冬季耕地[6-9]，因此探索冬季耕地利用效率及其影响因素，对进一步合理开发利用冬季耕地资源具有重要意义。

冬闲田的利用方式多样，种植蔬菜收益较高[8-9]。辛国荣等[1]和杨中艺[2]提出“黑麦草–水稻”草田轮作系统，既能在冬闲田生产青饲料黑麦草(Lolium multiflorum)，又能提高水稻(Oryza sativa)田土壤肥力和水稻产量。冬种绿肥可以改良土壤，提高土壤综合质量[5,10]。Ntakirutimana 等[11]认为在冬闲田种植绿肥可以带来经济效益和环境效益，包括促进粮食生产、碳捕获与碳储存、水土保持、防止沙尘暴和为生物多样性提供栖息地等。我国长江流域冬季作物主要为冬油菜(Brassica campestris)，该区域光照、温度和水土资源充足，有利于油菜生长[12-13]，并且农户生产经营油菜的规模在0.7～1 hm2时，能获得最高效益[12]。在冬闲田种植水稻和豆类作物可以在增加粮食和饲料产量的同时，也为农民带来收入[6]。因此，分析不同地区适宜的冬季耕地利用方式，有利于针对性地推广相应冬季耕地利用方式，以提高冬季耕地的利用率。

冬季耕地利用主要受劳动力结构和气候因素影响。务农劳动力数量的减少，会降低耕地复种指数和耕地面积，甚至引起抛荒[14-16]，尤其是大量中青年劳动力从农业向非农产业转移，造成农业劳动力老龄化，导致土地粗放经营，降低了耕地利用率[16-18]。在贵州省，冬闲田集中在低海拔和低坡度的地区[19]，在湖北省，冬季未利用耕地主要分布于冬季温度相对较低的鄂东南低山丘陵地带和江汉平原地区[20]。冬季温度低和冬季作物收益低等原因导致形成冬闲田，但温度和降水量等气候因素对贵州省冬季耕地利用的影响尚未见报道。

贵州省位于中国西南，冬季水热资源充足，大部分地区为喀斯特地貌，耕地面积为4 530 200 hm2，占全省土地面积的26.4%[21]。调查贵州省冬季耕地利用与分布，对于合理开发利用冬闲田、提高耕地利用率和增加农民收入具有重要意义。为此，采用问卷调查和地理信息系统技术(geographic information system,GIS)相结合的方式，调查贵州省61个县(区)的冬季耕地利用情况，目的：1)定量分析贵州省冬季耕地利用率及其利用方式；2)分析贵州冬季耕地利用的影响因素；3)探索提高贵州冬季耕地利用效率的可能政策措施。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

贵州省位于中国西南地区、云贵高原东部，103°36′–109°35′ E、24°37′–29°13′N，海拔148～2 900 m，属于亚热带湿润季风气候，年均温15.6℃，年均降水量1 197.6 mm，最冷月为1月，平均气温最低1.9℃(大方县)，最高10.4℃(望谟县、册亨县和罗甸县)；最热月为7月，平均气温最低17.7℃(威宁县)，最高27.9℃(铜仁市)，无霜期325～363 d[22]。土壤类型有黄壤、黄棕壤、红壤、砖红壤性红壤、红褐色土、石灰土、紫色土、水稻土和山地灌丛草甸土[23]。贵州省总人口3 475万(2018年)，其中农村人口2 300万，占总人口的66.3%，贵州省耕地面积6 795.3万亩(4 530 200 hm2)，主要农作物有土豆1 095万亩(730 000 hm2)、水稻1 008万亩(672 000 hm2)、玉米903万亩(602 000 hm2)和油菜747万亩(498 000 hm2)[24]。

1.2 数据收集和处理

以问卷形式调查了贵州省61个县(区)2019年冬季耕地利用情况(图1)。按家庭耕地面积0～0.7 hm2(A1)、0.7～2 hm2(A2)和2 hm2以上(A3)3个面积范围进行调查。调查问卷包含家庭基本情况、冬季耕地种植作物类型和冬季耕地利用原因3个部分，家庭地址、家庭总人口数、家庭务农人数、务农中男/女人数、务农者年龄、土地总面积、自有/承包土地面积、冬季耕地利用面积、冬季耕地作物及种植时间、前茬/后茬作物及种植时间和冬季耕地利用/未利用原因11个问题。获得有效调查问卷444份，其中A1、A2和A3分别为157份、152份和135份，调查土地面积5153266.7 hm2。从全球气候数据网(https://www.worldclim.org)下载61个县(区)多年(1970−2000年)平均逐月气温、降水量和太阳辐射数据，同时下载61个县(区)的海拔数据，空间分辨率约1 km。使用ArcMap区域统计功能，计算每个县(区)逐月气温、降水量和太阳辐射数据的平均值，以县为单元，分析贵州省冬季耕地利用情况与气候数据的相关关系。

图1 贵州省调查县(区)分布图Figure 1 A map showing the distribution of the counties surveyed in Guizhou Province

使用Office 2019整理、统计数据，SPSS 20.0进行配对t检验和方差分析，SigmaPlot 14.0和ArcMap 10.8制图。

2 结果与分析

2.1 冬季耕地利用率分析

贵州省冬季耕地平均利用率为46.4%。其中A1的利用率为49.8%，A2的利用率为42.7%，A3的利用率为49.2%，3个面积范围的利用率没有显著差异(图2)，但利用率频率分布不同(图3)。A1利用率在0～20% (11.7%)和80%～100% (11.7%)较少，在20%～40% (30.0%)、40%～60% (21.7%)和60%～80% (25.0%)较多，呈两边低而中间高的趋势。A2的利用率在0～20%最多(29.1%)，且随利用率增加，占比逐渐减少，呈逐渐降低趋势。A3的利用率在0～20% (35.7%)和80%～100%(31.0%)较多，在20%～40%(7.1%)、40%～60%(14.3%)和60%～80%(11.9%)较少，呈两边高而中间低的趋势(图3)。

图2 贵州冬季耕地利用率Figure 2 The utilization ratesof winter farmlandsin Guizhou Province

图3 贵州省家庭耕地冬季利用率频率分布Figure 3 The frequency distribution of winter farmland utilization in Guizhou Province

家庭耕地面积为A1，其利用率在贵州省西北部的七星关和纳雍等县(区)以及东南部的榕江和黎平县较高；A2和A3，其利用率在西北部的织金和纳雍等县(区)较高，在其他地区较低。总体上东北部的德江和松桃等县(区)家庭耕地利用率较低，而西北部的织金和金沙等县(区)利用率较高(图4)。

图4 贵州省家庭耕地冬季利用率空间分布Figure 4 The spatial distribution of winter farmland utilization in Guizhou Province

贵州冬季耕地利用的主要方式是种植蔬菜(占比63.0%)，蔬菜种类包括白菜(Brassica pekinensis)(25.7%)、土 豆(Solanum tuberosum)(8.0%)、萝 卜(Raphanus sativus)(5.5%)、豌豆(Pisum sativum)(3.5%)、蒜(Allium sativum)(3.2%)、蚕豆(Vicia faba)(2.8%)、葱(Allium fistulosum)(2.8%)、青菜(Brassica rapavar.chinensis)(2.6%)、香菜(Coriandrum sativum)(2.2%)、芹 菜(Apium graveolens)(0.8%)、胡 萝 卜(Daucus carotavar.sativa)(0.7%)和甘蓝(Brassica oleracea)(0.7%)。其次为油菜(Brassica napus)(26.8%)、养鱼(3.5%)、冬小麦(Triticum aestivum)(2.9%)、中药材(1.6%)、牧草(0.7%)、家禽(0.6%)、水果(0.3%)和绿肥(0.2%)，其他利用方式占0.5%。

根据各县(区)冬季耕地的主要利用方式，将贵州省冬季耕地划分为4个区：白菜种植区、油菜种植区、土豆种植区和养鱼区(图5)。白菜种植区的面积最大，主要在东北部的德江、沿河、思南和松桃县(区)以及贵阳和罗甸等县(区)，油菜种植区主要分布在南部的平塘、都匀、贞丰、紫云和镇远等县(区)，土豆种植区主要分布在西北部的威宁、织金、息烽和仁怀等县(区)，养鱼区主要在东南部的黎平和从江等县(区)。

图5 贵州冬季耕地利用方式区划Figure 5 The regional distribution of different winter farmland utilization in Guizhou Province

2.2 影响冬季耕地利用率的因素

冬季耕地利用率与务农人口数呈正相关关系，随务农人口数增加而显著增加(P<0.05)。利用率与务农人员年龄呈负相关关系，随着务农人员年龄的增加显著降低(P<0.05)。利用率与务农男性比例有关，当男性比例为25%时利用率达到最高，为69.5%，但男性人数比例为0和100%时，利用率分别为45.8%和39.4%，均低于50%。冬季耕地利用率与海拔、太阳辐射、冬季(12月–次年2月)气温和降水量均无显著相关性(P>0.05)。土地面积随务农人口数增加显著增加(P<0.05)(图6)。

图6 家庭结构和气候条件对贵州省冬季耕地利用率的影响Figure 6 The influence of household labor force and climatic conditions on the utilization of winter farmlands in Guizhou Province

冬季耕地未利用的主要原因是土地收益少和田地生产力低，所占比例分别为26.6%和18.6%，其次是劳动力缺乏，占17.0%，而地块距离远占15.6%，技术缺乏占11.9%，资金缺乏占5.1%，信息缺乏占3.9%，其他原因占1.2%。

3 讨论

3.1 贵州省冬季耕地利用特征

贵州省冬季耕地平均利用率为46.4%，其中家庭耕地面积为0～0.7 hm2的利用率为49.8%，0.7～2 hm2的利用率为42.7%，2 hm2以上的利用率为49.2%(图2)，三者虽然无显著差异，但频率分布不同(图3)，家庭耕地面积为0～0.7 hm2的冬季耕地利用 率 呈 倒“V ”字 型，集 中 在20%～80%；0.7～2 hm2的利用率呈逐渐降趋势，在0～20%最高；大于2 hm2的利用率呈“V”字型，低于20%和高于80%的最高(图3)。缅甸位于热带，水热资源充足，Gumma 等[6]研究发现缅甸冬季耕地利用率为56.5%，主要种植水稻和豆类。而贵州省冬季气候较温暖，平均气温约6.0℃，适合蔬菜和油菜等作物生长，除种植蔬菜(63.0%)外，还用于种植油菜、冬小麦、中药材、牧草、水果、绿肥，此外还养鱼和饲喂家禽等。

目前也有很多研究推广冬闲田种草[1-2,10-11,25]，冬闲田种草可以为牲畜提供青绿饲料，同时减少地表径流、降低水土流失、改善土壤结构、提高土壤肥力以及促进粮食增产[1-5]。但是研究发现，冬季耕地种植蔬菜和油菜的面积接近90%，而牧草和绿肥占比小于1%。种植牧草主要用于饲喂牲畜，虽然种草养畜能够提高冬季牲畜高品质蛋白摄入，有利于其安全越冬，减少饲料购买投入，但是利润较低且获取时间过长。而且贵州野生牧草资源丰富，可作为牲畜饲料的有86科1 410种[25-26]，小规模饲养牲畜的农户可以采取直接刈割野生牧草的方式获取饲草料，进一步降低了农民对牧草的种植意愿。贵州省道真县冬闲田种植一年生黑麦草每公顷可获利润4 185元[27]。李福夺和尹昌斌[10]研究发现，南方稻区冬闲田种植绿肥紫云英(Astragalus sinicus)每公顷成本在1 730元，种植绿肥虽然可产生生态效益，但没有直接经济收益。绿肥改良土壤可能需要长期种植才有效果[28]，且种植绿肥的成本降低了农民的种植意愿[11]。蔬菜和油菜种植能够产生较高的直接经济效益，孔令奎[8]发现，重庆市永川区冬闲田种植蔬菜每公顷可获纯收益14 700 元，种植油菜可获收益5 400元，黄煜[9]发现，贵州省黔南州冬闲田种植蔬菜每公顷可获纯收益7 500～37 500元，种植油菜每公顷可获收益10 125元。陈莎莎[12]也发现，长江流域种植油菜每公顷可获收益12 000元。研究结果显示，收益少是贵州省冬季耕地未利用的主要原因，可见直接经济收益是影响农民冬季耕地利用率和具体利用方式选择的核心。所以未来应进一步探索冬闲田种草技术和政策措施，提高冬闲田种草养畜的生态和经济效益；在农艺措施方面，可探索使用覆膜等技术，以保墒增温，提高冬季作物产量[29-30]。目前贵州省推广冬季作物时应以利润较高的蔬菜和油菜为主。

3.2 家庭劳动力结构对冬季耕地利用的影响

冬季耕地利用情况受家庭务农人口数、务农者年龄和务农男性人数比例影响，利用率与务农人口数呈正相关关系，与务农人员年龄呈负相关关系(图6)。已有研究发现劳动力投入对耕地利用程度有着直接影响，务农劳动力数量减少会减少耕地复种指数和耕地面积，甚至引起抛荒[14-16]。研究也发现务农人口数越多，其家庭耕地面积越大(图6)。特别是大量中青年劳动力从农业转移到非农业，造成了农业劳动力老龄化[16-18]，老龄劳动力的体力、精力和接受新事物能力均下降，在作物播种面积、产量和收入等方面均低于非老龄劳动力[31]，农业老龄化还导致土地粗放经营[16,18]。因此，务农劳动力转移和农业生产老龄化现象可能会降低贵州省冬季耕地利用率。贵州省冬季耕地利用率约46.4%，还有超过一半的冬季耕地未利用，说明冬闲田可吸收就业困难的返乡农民工，改善农民工就业问题，王西玉等[32]研究发现，有近一半返乡农民工仍然选择传统种植业。同时，农民工返乡也可能促进贵州省冬闲田的高效利用。未来应该加强农民工返乡对冬闲田利用率影响方面的研究。

当务农女性比例接近75%时，贵州冬季耕地利用率最高(69.5%)，而女性人数比例为0和100%时，利用率分别为39.4%和45.8%，均低于50% (图6)。李旻和赵连阁[33]研究发现当女性从事农业生产的时间在农户总农业生产时间的25%～75%时，农户在农业生产结构、农业生产技术应用和农业生产经营收入等方面具有明显优势，这与本研究结果类似。Woolley 等[34]研究也发现，团队中女性比例越高，集体智慧越高，因为女性社会敏感度更高，能够最大限度地利用团队成员的知识和技能。因此以女性劳动力为主的耕地利用率高于以男性劳动力为主的利用率，但务农人员均为女性时，冬季耕地利用率也较低，可能是由于女性体力低于男性[33]。未来冬闲田技术培训时应倾向于女性，可以通过机械化等方式弥补女性劳动力的体力不足，提高冬季耕地利用率。

3.3 贵州省冬季耕地利用空间分布分析

研究发现气温、降水量、太阳辐射和海拔等因素对贵州省冬季耕地利用率均无显著影响(图6)。进一步研究发现贵州省不同地区冬季耕地可划分为东北部白菜区、南部油菜区、气温较低的西北部土豆区、降水量较大的东南部养鱼区(图5)。贵州省冬季作物以白菜和油菜居多，大部分县(区)均有分布(图5)。东北部铜仁市德江和沿河等县(区)冬季气温较低，除白菜外种植萝卜最多，多在10月 –11月播种，萝卜属于冷季型作物，低温环境下会增加根中碳水化合物的积累和加速萝卜生长[35]。西北部毕节市威宁和金沙等县(区)气候冷凉，海拔较高，全年平均气温在13.8～18.6℃，除油菜白菜外，种植土豆较多。因为土豆为喜凉作物，最适生长气温为15～18℃[36]，低温会限制茎的生长，促进块茎中干物质的积累，增加块茎产量[37-38]。东南部黔东南州黎平和从江等县(区)除油菜外，养鱼较多。因为东南部地区海拔较低、冬季降水量较多以及冬季较温暖，前茬农作物以种水稻为主，农民在水稻插秧后或收割后投放鱼种，来年插秧前收鱼，既蓄水养田又增加了收入。所以贵州省未来应在不同的地区推广不同冬季耕地利用方式，以冬季耕地提高利用率。

4 结论

贵州省冬季耕地平均利用率为46.4%，利用方式主要是种植蔬菜(63.0%)，其次为油菜(26.8%)，而牧草和绿肥占比小于1%。冬闲田种草的利润较低且获取时间过长，蔬菜和油菜种植能够产生较高的直接经济效益。利用率与务农人数呈正相关关系，与务农者年龄呈负相关关系。务农劳动力数量的减少会降低耕地复种指数和耕地面积，老龄劳动力的体力和精力与接受新事物能力均下降，造成了耕地粗放经营。务农劳动力中女性比例越高其集体智慧越高，在农业生产中具有优势。未来应该加强农民工返乡对冬闲田利用率影响方面的研究，冬闲田技术培训时应倾向于女性，同时通过机械化耕作弥补女性体力方面的不足。贵州冬季耕地利用率虽然与冬季气温、降水量、太阳辐射和海拔等因素无关，但不同地区冬季耕地利用方式不同，贵州省不同地区冬季耕地可划分为东北部白菜区、南部油菜区、气温较低的西北部土豆区和降水量较大的东南部养鱼区。贵州省冬季作物以油菜和白菜为主，在大部分县(区)均有分布。在气温较低的西北部威宁和金沙等县(区)主要种植土豆，而在降水量较多的东南部黎平和从江等县(区)养殖鱼较多。未来应根据不同地区的经济社会和气候条件推广不同的冬季耕地利用方式，以提高农民收入，促进冬季耕地资源的合理开发利用。