基于地形梯度的重庆市近40年水田及旱地时空演变特征

2021-12-14唐荣莉王春萍李经勇方立魁雷开荣

西南农业学报 2021年9期

唐荣莉，姚雄，王春萍，吴红，李经勇，方立魁，雷开荣*

(1.重庆市农业科学院，重庆 401329；2.逆境农业研究重庆市重点实验室，重庆 401329；3.重庆市农业技术推广总站，重庆 401121)

【研究意义】耕地是最宝贵的自然资源，同时也是土地利用变化最为敏感的类型之一。耕地保护是农业可持续发展的关键，也是国家的重要战略需求。【前人研究进展】近年来，大量学者利用Spot、Landsat TM/ETM+、CBERS等遥感数据对不同区域及尺度的耕地变化及影响因素进行了监测与分析[1-3]。研究涵盖耕地动态变化及驱动机制[4-5]、耕地景观时空演变[6]、耕地随地形变化的空间分异特征、耕地变化与社会经济发展关系[7-8]、耕地资源安全与预警[9-10]、耕地压力空间分布及影响因素[11-12]、区域土地利用可持续发展等重要内容。其中，地形特征作为影响耕地分布和变化的重要因素，因其对耕地数量、质量及生态系统健康的重要影响受到广泛关注。地形因素主要通过影响地表水分和热量的分配影响耕地土壤养分、物理性质、耕地破碎化程度，进而影响耕地质量、开发难度及农业产值，制约耕地利用的形式和成效[13-15]。海拔、坡度、坡向直接影响着农业用地的开垦与利用，导致耕地在不同地形条件下呈现出不同的分布规律和特定的景观格局[16]。针对川东平行岭谷区的研究表明，耕地高密度区和耕地利用率呈现“高-高”聚集的类型区主要分布于地形起伏小、交通条件和灌溉条件便利区域[14]；黄土高原地区的优质耕地主要分布在地势平坦、肥力较高的黄土塬面上[17]。粤北山区地耕地在坡度2°～4°和海拔0～200 m的平缓区域分布频率最高[16]。中国耕地主要分布在平原地区，台地、丘陵次之[18]。在不同地形条件下，耕地呈现出不同的演变规律[14]。西昌市土地利用随高程、坡度分级呈现阶梯变化规律[19]，凯里地区耕地损失量随着高程增加逐渐减少，随着坡度增加先增加而后急剧减少[20]。位于高原地区的贵州省盘县土地利用变化呈现垂直分异特征[21]。上述研究均表明地形特约束人类活动，导致土地的利用方式及用地类型的转变具有选择性。【本研究切入点】水田和旱地是最为重要的两类农业耕地资源，对比其地形分异特征及动态演变规律是评估区域发展对农业耕作环境的影响、制定耕地保护措施的前提。现阶段的研究大多关注耕地大类的变化[6,22]，对比水田与旱地的分布规律及随时间转移的趋势是否一致、变化强度及特征是否类似，以及其转移过程是否具有地形分异的研究尚不多见。【拟解决的关键问题】重庆是我国面积最大、地域环境条件最复杂、农业比重最大的直辖市，该地区地形以山地丘陵为主，是中国农业生产上最不稳定的地带之一。近年来受城市化、工业化及农业结构调整等影响，重庆域内土地利用变化强烈[9]。本研究以LandsatTM系列影像解译得到的重庆区域1980、2000、2018年3个历史时期的土地利用数据为基础，利用地理空间信息技术分析1980—2000和2000—2018年这2个阶段水田和旱地用地的时空动态特征及转变规律；对比水田和旱地在不同海拔、坡度、坡向条件下的转变特征，以期能为西南脆弱山地地区的耕地利用及区域粮食安全保障提供数据支撑和管理依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源及分类

数据主要包括1980、2000、2018年3个时相的土地利用分类数据，重庆市行政边界，以及25 m精度的数字DEM图，数据均获取自中国科学院资源环境科学数据中心[23]。其中土地利用数据以Landsat5/7/8-30 m分辨率多光谱波段为主要数据源，参考现行土地利用分类系统，通过人工目视解译生成[24-25]，共包含水田、旱地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地7个地类，各类型面积及包含的子类型列于表1。水田和旱地的统计包含了种植农作物的所有土地[24]，故其面积高于自然资源部门的耕地测绘面积。

1.2 数据处理及计算

使用ArcGIS10.0软件为工作平台，集成应用空间叠加、栅格条件计算等方法获得重庆地区1980—2000、2000—2018年共近40年间的土地利用转移矩阵。依据重庆地区DEM数据进行高程、坡度的提取及分级，其中海拔主要考虑区域主粮作物的适宜性海拔及分布情况，划分为<300 m、300～400 m、400～600 m、600～800 m、>800 m共5个梯度；坡度参考耕作适宜性划分为0°～3°、3°～7°、7°～15°、15°～25°、25°～35°和>35°共6个等级[24,26]；坡向划分为北、东北、东、东南、南、西南、西、西北共8类。将海拔、坡度、坡向等数据与1980、2000、2018年3期的土地利用数据进行叠加分析，从而得到重庆市不同的地形条件下水田和旱地的分布以及1980—2000、2000—2018年不同地形条件下的耕地转移格局。

2 结果与分析

2.1 耕地时空动态特征

2.1.1 耕地总量及空间分布变化图1所示为1980、2000、2018年3个时期的土地利用情况。研究区内林地的面积最大，旱地次之，水田、草地、建筑用地和水域面积依次减小。从空间分布来看，重庆市域内水田和旱地主要分布在西南、西北区域。这些区域属于由长江及其支流冲积形成的盆谷地平原、台地、以及低山丘陵地带，该地带地势起伏较低、水源充足、土壤肥力较高，有良好的农业耕作基础。随着东北、东南区域地形起伏加剧，水田和旱地数量逐渐减少。从数量上来看(表1)，重庆地区1980、2000、2018年水田的面积分别为119.10×104、118.14×104、112.41×104hm2，旱地的面积分别为274.03×104、272.40×104、263.92×104hm2。近40年来，两类耕地面积均呈现下降趋势。与1980年相比，2018年水田和旱地分别减少了6.69×104和10.11×104hm2，分别占水田、旱地比例的5.62%、3.69%。耕地前20年的变化有别于近20年的变化趋势，水田、旱地2000年以前年均减少速率分别为0.04%、0.03%，2000年以后年均减少速率增加到0.26%、0.16%，流失速率分别是2000年以前的6.65和5.78倍。

表1 土地利用分类体系及重庆市不同年份对应地类面积

续表1 Continued table 1

2.1.2 不同时期耕地转移特征图2展示了1980—2000及2000—2018年重庆地区水田和旱地的空间转移特征。总体而言，水田和旱地在两个时期均以转出为主，后一个时期的变化较前一个时期更为频繁和剧烈。水田的转移主要集中在位于渝西的主城以及城镇周边，但旱地的转移在整个空间上表现出数量更多，分布更广泛的特点。

耕地流向分析能够反映社会经济发展的基本格局和趋势，2000—2018年新增耕地的来源结构、变化强度均有别于1980—2000年(表2)。1980—2000年，水田新增的总面积为3096.54 hm2，被占用的总面积为12 649.41 hm2，即转变为其他用地类型的数量为其他类型转变为水田面积的4.09倍。其中，新增的类型主要由旱地(68.35%)、林地(25.27%)转换而成。被占用的水田主要转变为建设用地(70.54%)，其次为旱地(13.89%)和林地(10.18%)，少部分为水域(3.03%)、草地(2.34%)。1980—2000年，旱地新增的总面积为6712.02 hm2，被占用的总面积为22 967.63 hm2，即转变为其他用地类型的数量为其他类型转变为旱地面积的3.42倍。其中，由林地、水田、草地转换而来占新增旱地的52.84%、26.18%和20.04%。被占用的旱地主要转变为建设用地(51.40%)和林地(29.96%)，水田(9.21%)和水域(6.69%)也占有一定比例。2000—2018年，水田新增的总面积仅为1725.03 hm2，被占用的总面积为59 004.72 hm2，即转变为其他用地类型的数量达到其他类型转变为水田面积的34.21倍。其中，新增的水田以旱地(64.06%)、草地(25.87%)转换成为主，少量由林地(6.51%)、水域(3.37%)转移而来。被占用的面积大部分转变为建设用地(86.51%)，其次为林地(6.32%)和水域(4.70%)。旱地新增的总面积为16 816.68 hm2，占用的总面积为101 574.02 hm2，即转变为其他用地类型的数量为其他类型转变为水田面积的6.04倍。其中，新增的类型以草地(71.28%)、林地(23.20%)转换为主，少量为水田(3.96%)转移而来。被占用的面积主要是转变为建设用地(46.23%)，其次为林地(34.25%)和草地(12.70%)，少部分为水域(5.72%)、水田(1.09%)。

表2 重庆地区近40年耕地转移统计特征

总体而言，旱地的变化比水田更为复杂。在两个历史阶段建设占用均是水田减少的主要因素，旱地、林地的转入是水田新增的主要因素。而旱地变化在两个阶段存在较大差异，1980—2000年，建设占用、退耕还林是旱地减少的最主要的原因，林地、水田、草地转换而来是旱地新增的主要因素。而2000—2018年旱地减少还增加了退耕还草因素，草地、林地是该时期旱地新增的主要因素。

2.2 不同地形条件下水田及旱地时空演变特点

2.2.1 水田及旱地随地形变化特征表3展示了水田和旱地在3个时间节点随海拔、坡度、坡向的分布情况。水田和旱地随地形分级的起伏较大，表明水田和旱地在不同海拔、坡度、坡向的分布及变化特征存在明显的地理分异，两类耕地对某些地形条件具有较强偏好性。

表3 1980，2000，和2018年不同地形条件下耕地分布情况

就分布而言，水田面积随海拔增加而降低，分布于600 m以下区域的水田在不同时期占其总面积的80.19%～80.94%，其中<300 m，300～400 m区域所占比例最高，分别接近总面积的30%。旱地在400～600 m、>800 m、300～400 m的面积均超过其总面积的20%，其次为<300 m区域，接近20%，600～800 m区域分布比例最低，不到15%。水田和旱地随坡度分布存在差异，85.73%～86.09%的水田分布在坡度<15°区域，87.47%～87.81%的旱地分布在<25°区域。其中水田、旱地出现频率最高的坡度范围分别为3°～7°和7°～15°，均接近总面积的1/3；0°～3°坡度范围内的水田和旱地分别其总面积的25.89%～26.24%和11.67%～11.88%；即与旱地相比，水田更偏向分布于缓坡及平坦区域。受光温条件等制约，耕地在各个方向上并非均匀分布。水田在西北、东、北、西方向的分布比例最高，均超过13%；其次为东北、东南方向，比例在12%～13%；南、西南方向分布比例较少，不到11%。旱地在东南、南、东分布比例最高，均超过13%；其次为西、西南、西北；比例在12%～13%；东北、北方向分布比例较少，约为11%左右。即旱地主要偏向于分布在光热条件更高的阳坡区域，而水田在阴坡区域分布数量更高。

水田在不同海拔均有所降低，其中2000—2018年<300 m的水田减少的面积最多，为34 189.65 hm2，占该海拔水田的10.05%。旱地1980—2000年面积变化不大，2000—2018年，旱地在不同海拔均有所降低，但主要发生在<300 m的低海拔地区和>800 m高海拔地区，分别为32 869.98和2936.61 hm2，分别占该海拔旱地的6.31%和4.76%。1980—2000年，水田和旱地的流失主要发生在0°～15°范围，而2000—2018年，15°～25°范围的旱地流失程度提高。1980—2000年，0°～3°、3°～7°、7°～15°坡度范围水田的流失面积分别为3104.91、3293.46、1930.50 hm2，2000—2018年分别为18 261.63、21 086.73和13 875.12 hm2。1980—2000年，对应坡度范围的旱地流失面积分别为3855.06、5065.20、3370.68 hm2，其余坡度范围的流失面积在1018.08～1709.28 hm2，而2000—2018年，0°～3°、3°～7°、7°～15°、15°～25°坡地范围旱地的流失面积分别13 714.74、21 117.51、22 531.41、13 549.50 hm2。1980—2000年，水田和旱地在各方向上平均降低了0.80%和0.59%，2000—2018年，这一比例分别提高到4.84%和3.12%，其中水田面积减少最多的坡向在两个时期一致，分别为西北、北、西，1980—2000年分别减少了1598.94、1427.13、1237.95 hm2，2000—2018年分别减少了7926.93、7800.3、7121.16 hm2。旱地面积减少最多的坡向在两个时期存在差异，1980—2000年，旱地面积在南、东南、东方向上降低最快，分别减少了2493.9、2477.79、2190.87 hm2，2000—2018年，旱地面积在西北、西、东南方向上降低最快，分别减少了11 993.85、11 411.46、11 304.45 hm2。

2.2.2 水田及旱地沿海拔的转移特征高程是影响土地利用方向与方式发生变化的重要因素[28]。1980—2000年及2000—2018年两个时期，在不同海拔上水田和旱地的来源地类、随海拔变化趋势存在较大差异。由图3(a)可见，1980—2000年，增加的水田主要由旱地和林地转入构成，其中水田由旱地转入主要发生在400～600 m区域，其次为<300 m区域；水田由林地转入主要发生在<300 m、300～400 m、400～600 m这3个海拔梯度，占其总量的97.56%。由图3(b)可见，2000—2018年，增加的水田主要由旱地和草地转入，且随海拔变化呈现规律性变化；在<300 m、300～400 m、400～600 m、600～800 m海拔地区，水田由旱地转变而来的面积依次增加；由草地转变成的水田面积在300～400 m、400～600 m、600～800 m、>800 m海拔地区依次增加；各海拔范围均有一定数量水田由林地转换而成，但随着海拔变化无明显规律；在<300 m的低海拔地区有少量水体转为水田。1980—2000年，各海拔均有一定数量的林地、水田、草地变为旱地，旱地由林地、草地转入在>800 m区域面积最高，其次为400～600 m。由图3(c)可见，旱地由水田转入主要发生在<300 m、300～400 m、400～600 m的较低海拔地区，且随海拔升高数量逐渐降低。由图3(d)可见，2000—2018年时期，林地、草地转变为旱地的数量大大提高，且主要发生在400～600 m，其次为600～800 m和>800 m的区域。

由图3(e)可见，1980—2000年，减少的水田主要转变为建设用地，少量转变为林地和旱地，其中转变为建设用地和旱地的水田面积均随着海拔升高而降低。由图3(f)可见，2000—2018年，减少的水田主要转变为建设用地，且该转变类型的85.95%发生在<300 m的区域，此外，94.22%的水田转变水域用地发生在<300 m的低海拔区域，70.21%的水田转林地发生在>800 m区域。由图3(g)可见，1980—2000年，减少的旱地主要转变为建设用地，其次为林地和水田。在<300 m、300～400 m、400～600 m，转为建设用地的旱地数量分别为6642.81、3132.27、1716.57 hm2；旱地转变为林地主要发生在>800 m的高海拔地区，其次为400～600 m和600～800 m区域；减少的旱地转变为水田主要发生在<300 m、300～400 m、400～600 m地区，且数量相当。由图3(h)可见，2000—2018年，旱地转变为建设用地的面积随海拔升高而减少，58.44%的旱地转变为建设用地发生在<300 m地区，与该趋势相反，旱地转变为林地和草地的面积随着海拔升高而逐渐升高，其中69.75%的旱地转为林地和62.23%的旱地转为草地发生在>800 m区域。

2.2.3 水田及旱地沿坡度的转移特征耕地及与之相关的地类的变化在不同的坡度段差别很大。由图4(a～b)可见，两个时期，大部分水田的转入发生在坡度低于25°以内的区域。其中，旱地转为水田发生主要发生在<15°的坡度范围内，转变面积最高的坡度范围在1980—2000年和2000—2018年分别为7°～15°和3°～7°。后一个时期，旱地偏向于在更平缓区域转变为水田。1980—2000年，有较多的林地转为水田，且主要发生在3°～7°和7°～15°坡度范围。2000—2018年，草地成为除旱地转入外，水田增加的另一因素，且主要发生在7°～15°和15°～25°的较陡区域。由图4(c～d)可见，旱地的转入主要发生在7°～25°坡度范围内。1980—2000年，林地、草地、水田转入是旱地增加的主要因素，且均在7°～15°发生频率最高。2000—2018年，草地、林地为旱地的主要来源，且发生频率最高的坡度为15°～25°。

由图4(e～f)可见，不同时期，水田的流失均主要发生在坡度低于15°的区域。水田转出主要为建设用地占用，发生频率最高的坡度范围依次为3°～7°、0°～3°和7°～15°；1980—2000年，一定数量的水田转变为旱地和林地，其中，向旱地转变主要发生在<25°坡度范围，向林地转变主要发生在15°～25°和7°～15°范围。2000—2018年，水田转出的趋势与前一时期类似，但转为建设用地的水田数量大大增加，仍有部分水田在7°～15°和15°～25°坡度范围转变为林地。由图4(g～h)可见，旱地与水田的流失特征在不同坡度范围存在差异。两个时期，大量旱地在<15°的缓坡区域转变为建设用地，15°～25°坡度范围仍有一定数量的旱地转变为建设用地；转变为林地是旱地流失的第2大因素，且随坡度增加呈现正态分布的特点，两个时期均在15°～25°发生频率最高，旱地转变为林地在2000—2018时期更倾向于发生在较低坡度范围内。1980—2000年，旱地转变为水田主要发生在0°～25°范围内，且发生频率最高的坡度范围为7°～15°。2000—2018年，旱地转变为草地的面积大量增加。且主要发生在>7°的区域。

2.2.4 水田及旱地沿坡向的转移特征水田与旱地的转入在不同坡向存在较大差异。1980—2000年，水田主要由旱地、林地转入。由图5(a)可见，新增水田由旱地转换而来主要发生在西北和东向，分别为301.86和284.22 hm2。由林地转换而来面积最大的坡向为东(127.26 hm2)、东南(124.83 hm2)，是西、西南坡向的2倍。同时期，新增旱地主要由林地转入，且主要发生在西北坡向(657.09 hm2)，东北、西南等坡向发生的转换不足西北坡向的一半；水田、草地转入为旱地增加的重要因素。其中，水田改旱地主要发生在西北、北向，分别为308.97和275.04 hm2；草地转为旱地主要发生在东南和西北，分别为213.57和178.38 hm2[图5(c)]。由图5(a)可见，2000—2018年，水田转入面积较上一时期降低，其的来源主要为旱地，且主要发生在西(161.19 hm2)、西北(158.31 hm2)坡向。旱地转入面积较上一时期增加，草地转为旱地面积最多，且主要发生在东南(1806.03 hm2)、南(1848.33 hm2)；林地转变为旱地的面积在各坡向上变幅不大，范围为426.78～554.94 hm2，东南(554.94 hm2)最大；水田转为旱地的面积较上一时期降低，水改旱主要发生在东和东南坡向，分别为115.65和126.36 hm2[图5(d)]。

由图5(e～f)可见，两个时期，水田转出变化最为剧烈的区域均为西北、北坡向，而南、西南变化最为缓和。1980—2000年，水田在西北向建设用地、旱地、林地转换的数量最高，分别为1360.26、308.97和225.9 hm2。2000—2018年，水田在西北坡向转为建设用地、林地、草地的面积最高，分别为6953.13、626.49和138.51 hm2；转变为水体的面积在北向最高，为448.92 hm2；水田转换为旱地主要发生在东南(126.36 hm2)、东(115.65 hm2)坡向，且转变的面积较上个历史时期降低。旱地转出变化最为剧烈的坡向与水田存在较大差异，两个时期，旱地向建设用地转变均主要发生在东南和南坡，旱地向草地转变主要发生在西、西北坡向。旱地向其余地类的转变在两个时期的数量和坡向上均不同。由图5(g)(h)可见，1980—2000年，旱地向林地转移均主要发生在东南(1050.66 hm2)、南坡向(1040.13 hm2)，向水田转移主要发生在西北(301.86 hm2)、东坡向(284.22 hm2)，向水体转移主要发生在东北(265.95 hm2)、北(262.98 hm2)坡向；2000—2018年，旱地向林地、水田转换均主要发生在西(分别为4712.31和161.19 hm2)、西北(分别为4743.45 hm2和158.31 hm2)坡向，旱地向水体转移主要发生在西北(989.01 hm2)、北(905.85 hm2)坡向。

3 讨论

3.1 水田和旱地的变化特征

重庆地区1980—2018年耕地变化的主要特点为总量的相对减少和变动的复杂多样。主要特点如下：①前20年和近20年的转变速率不同。两个时期水田、旱地均以转出为主，但1980—2000年时期变化慢于2000—2018年时期。2000年以前，水田转出的面积为转入面积的4.09倍，旱地转出的面积为其转入面积的3.42倍。随着城镇化过程持续加速，2000—2018年，水田转出面积为转入面积的34.21倍，而旱地转变为其他用地类型的面积为其他类型转变为旱地面积的6.04倍。②旱地在时间和空间上变化的异质程度更高。水田的转变较为简单，流失的水田大部分转变为建设用地，新增水田主要来源于旱地转入。旱地的变化叠加了城市建设占用、生态脆弱区保护、经济驱动等因素，其转移在整个空间分布上表现出数量更多，与其他地类之间的转换更频繁，分布更广的特点。③经济驱动和生态政策是重庆地区水田和旱地变化的主要原因，两个时期转变的驱动因素存在差异。20世纪80年代以来，重庆地区经济发展、城市化与工业化的进程加速，耕地资源不断被占用。2000年以前水田和旱地的转变主要以建筑占用为主，土地利用变化相对缓和；20世纪末是重庆直辖、大规模生态退耕政策实施、流域经济发展及“西部大开发”战略的时间节点，建设用地对水田和旱地的占用持续加强，空间上呈现以各主要城区为中心向外围继续铺开的特征，生态用地建设导致部分耕地转变为林地和草地，呈现在渝东北和渝东南的高海拔地区水田和旱地持续减少的特点。

3.2 地形对水田和旱地分布的影响

受资源条件和生产力条件影响，水田和旱地的分布受地形条件限制。主要表现在：①地形影响水田和旱地的原始分布特征。自然地形条件影响土地利用开发历史、人口数量、交通条件等，从而对土地利用的区域分布及演变具有较强的作用[29]。与旱地相比，水田的分布对地形更加敏感。②低海拔地区地势平坦，水源充足，光热条件较好，适合水稻耕作，故80.19%～80.94%的水田分布于600 m以下较低海拔区域；旱地受资源环境约束更小，在各个海拔的分布更为均匀，300～400 m、400～600 m、>800 m海拔范围的面积均超过总面积的20%。③水田、旱地出现频率最高的坡度范围分别为3°～7°和7°～15°，与旱地相比，水田对保水性的要求更高，故主要分布在坡度更为缓和区域。④受光温条件等制约，水田在西北、东、北、西方向的分布比例最高，旱地在东南、南、东分布比例最高。即旱地主要偏向于分布在光热条件更佳的阳坡区域，而水田在阴坡区域分布数量更高。

3.3 地形对水田和旱地变化的影响

水田和旱地的转变在不同地形空间上表现出复杂性和差异性。随着时间推移，重庆地区水田和旱地的用地优势分布地形范围发生了较大调整, 并呈现如下特征：①低海拔，缓坡区域的水田和旱地优势分布范围不断被挤占，转为建设用地和水域主要发生在<300 m和坡度<15°的区域。②地形对水田及旱地用地分布的限制有所降低，水田和旱地的分布范围逐渐扩大。随着建设用地的挤占、区域交通建设、农业配套设施完善、机械化程度提高等多因素的影响的原因，水田及旱地优势分布地形区不断扩宽，水田的优势分布范围有从低海拔缓坡地区朝海拔较高、坡度更大区域迁移的特点，而旱地的优势分布范围主要向中海拔和中度坡度转移的特点。③从近40年水田和旱地调整的结果看，地形条件对农业生产活动的约束性影响仍然十分显著。大尺度的地形差异仍然是水田和旱地利用格局形成的基本骨架。在近40年的水田和旱地变化过程中，低地形区域可供转移的耕地资源接近极限，耕作条件和退耕还林还草等生态政策的影响对水田和旱地向中高地形区域的扩张形成了一定限制。