康县耕地资源时空演化及优化研究

江 翀，张其成

（河海大学水文水资源学院，南京 210098）

随着当前社会经济发展，城市化进程不断加快，耕地作为人类生存最基本的生产资料，其与建设用地之间的矛盾不断激化［1-3］，耕地质量的降低与数量的减少在所难免［4］，提高耕地资源的数量和质量对保障地区人口承载力和可持续发展的能力具有重要意义［5，6］。与平原地区不同，山区发展受地形条件影响较大，从聚居地的产生、城镇空间的拓展到最后区域用地格局的形成，地形因素特别是坡度起到了至关重要的作用［7，8］。因此，进行山区的人地关系研究时重点关注地形条件，更容易抓住山区发展的脉络，在此基础上能够为地区发展提供对策［9］。

耕地资源的时空演化分析一直是学者研究的热点领域，相关研究主要包括分析耕地资源数量、质量和空间格局的动态变化［10，11］，通过引入相关社会经济指标、自然地理条件、景观格局指数等维度指标，全方位地进行耕地资源演化特征和趋势的分析［12，13］，并深入探讨了耕地资源动态变化的驱动机制。相关研究一般集中在全国、省、市级等大、中尺度范围［14-17］，在小尺度范围内进行耕地资源的时空演化分析并结合现状条件分析能够更加有效地提出具有针对性的区域耕地资源优化对策［18］。

康县作为典型的山地丘陵地区，区域发展的关键是处理好不同地形条件下耕地与其他用地的关系。本研究以甘肃省陇南市康县为例，基于1985—2020 年的土地利用数据，通过对耕地资源的时空演化分析，揭示了耕地资源的动态变化规律，并在此基础上选取2020 年的土地利用数据，耦合资源配置情况和坡耕地特征指数两方面条件对耕地资源的现状进行了分析，并针对不同类型区域提出了耕地资源优化策略，以期为康县土地资源规划、水土保持工作提供指导。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

康县隶属甘肃省陇南市，位于甘肃省东南部，处于甘肃、四川、陕西三省交界地带。康县总面积为2 967.29 km2，截至2020 年总人口为33.68 万人。康县属亚热带向暖温带过渡区，境内温和湿润，雨量充沛。全境处西秦岭南侧陇南山中，地质构造为昆仑秦岭地槽褶皱地带，地势西高东低，中部高、南北低，最高海拔为2 436 m，最低海拔为579 m。

1.2 数据来源

基于1985—2020 年GLC_FCS30 土地利用数据（1985 年、1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010年、2015 年、2020 年共8 期），结合康县的土地利用现状矢量图人工校验，进行研究区用地动态变化研究，并对研究区的土地利用现状进行分析，在此基础上提出耕地资源的优化建议。其中，多年土地利用数据来源于中国科学院空天信息创新研究院，康县土地利用现状矢量图来源于康县相关政府部门，DEM数据来源于地理空间数据云。

2 研究方法

基于康县多期土地利用数据，通过ArcGIS 等软件进行数据处理，分别采取土地转移矩阵、耕地利用动态度和核密度分析法进行研究区耕地资源的时空演化分析，在此基础上以网格法耦合分析不同单元的耕地资源配置情况和耕作难度现状，并提出了研究区的耕地资源优化策略。

2.1 土地转移矩阵

通过叠加分析研究区两期土地利用数据能够得到土地利用转移矩阵，该矩阵能够表示一定区域在特定时间段不同土地利用类型之间转入和转出的数量，揭示区域土地利用格局的演化特征［19］。土地利用转移矩阵如式（1）所示。

式中，S表示不同类型的土地面积；n表示统计土地利用类型总数；i、j分别代表不同的土地利用类型。

2.2 耕地利用动态度

耕地利用动态度能够表征一定区域内耕地动态变化的强度大小，本研究分别计算了每隔5 年研究区内不同乡镇和不同网格单元内的耕地利用动态度，耕地利用动态度计算式如式（2）所示。

式中，Aa、Ab分别为研究初期a及研究末期b的土地利用类型面积；T为研究时段末期和初期间隔时间。

2.3 核密度分析法

核密度估计是一个基于已有样本生成一个平滑密度曲线的非参数方法。首先以1 km×1 km 的网格为统计单元来区分每隔5 年耕地数量变化的区域，并综合考虑变化量和变化幅度，分为耕地增加和减少两大类进行核密度分析，将研究期间内不同地区的耕地资源变化趋势可视化，变化幅度越大的地区所得到的值越大，计算式如式（3）所示。

式中，f（x，y）为区域（x，y）的核密度值；h为带宽；n为点所在区域内的耕地动态度赋值；k为核函数；di为区域（x，y）距已知存在耕地变化的区域i的距离。

2.4 聚耕比指数

聚耕比指数是一个区域聚落、耕地之间数量关系的直观反映，同时是一个区域内人地矛盾关系的体现［20］，其计算式如式（4）所示。

式中，J为区域的聚耕比指数；S聚为区域内的聚落面积；S耕为区域内的耕地面积。

2.5 坡耕地特征指数

坡耕地特征指数可反映坡耕地坡度大小和开发利用的难易程度，其值越大表明坡耕地坡度越大，开发利用及治理越难，计算式如式（5）所示。

式中，Si为第i类坡度特征的坡耕地面积，坡耕地坡度特征此处按［6°，15°）、［15°，25°）、≥25°三级分别统计；S为坡耕地总面积；wi为不同坡度特征类型权重，根据相关研究［21］，分别把［6°，15°）、［15°，25°）、≥25°坡度特征值的权重设定为0.1、0.3、0.6。

3 结果与分析

3.1 耕地资源时空演化分析

3.1.1 研究区整体变化特征

1）数量和坡度变化。基于8 期土地数据进行康县的用地动态变化研究，并通过ArcGIS 软件统计不同年份下不同类型地块的面积和平均坡度。结果显示（图1），耕地面积最大值为1985 年的524.74 km2，最小值为2020 年的212.65 km2，总体上呈减小趋势，1995—2000 年变化幅度最大，约减小了50%的耕地面积，主要原因是1999 年甘肃作为试点推广了退耕还林政策；同时耕地地块的平均坡度呈降低趋势，由1985 年最大值的19.09°降低为2020 的16.34°，突变值同样出现在2000 年。

图1 耕地面积和平均坡度多年变化

2）土地转移特征。选择1985 年和2020 年两期土地数据进行康县的土地转移特征分析，经由Arc-GIS 软件对两期的土地数据进行处理后得到的土地转移矩阵如表1 所示。1985—2020 年，耕地资源主要转出为林地，有321.22 km2的耕地转化为林地，转化为耕地的土地利用类型主要为建设用地和林地，有3.57 km2建设用地和38.48 km2的林地转化为耕地。转化为建设用地的主要为耕地和林地，说明康县城乡空间的拓展主要侵占了耕地和林地资源。

表1 1985—2020 年康县土地利用转移矩阵 （单位：km2）

3.1.2 时空变化特征

1）坡度结构变化特征。按照［0°，6°）、［6°，15°）、［15°，25°）、≥25°的坡度划分标准将研究区内的耕地资源分为4 类，并分别统计不同年份下耕地资源的坡度构成。结果（图2）显示，［0°，6°）的耕地总体数量变化不大，略有减少，15°及以上的耕地资源总量减少最大，其中［15°，25°）的耕地变化程度最大，关键节点为1999 年的退耕还林政策实施，2000年的15°及以上的耕地数量大幅减少，2000—2020年的耕地总体数量变化不大，趋于稳定。

图2 耕地坡度分级特征变化

2）耕地变化的空间分异分析。以100 m×100 m的网格为最小单元统计1985—2020 年每隔5 年不同网格内的耕地变化，将结果分为无变化、耕地减少、耕地增加3 类，并通过ArcGIS 软件可视化显示（图3）。同时将其中的耕地减少和耕地增加的网格分别进行基于耕地利用动态度的核密度分析，以此来分析研究期限内不同地区耕地资源变化的趋向性和剧烈程度。核密度分析的结果显示，耕地资源增加频率和幅度最大的地区主要分布在研究区东南部的白杨镇、两河镇和铜钱镇与西南部的三河坝镇和店子乡，同时大堡镇、长坝镇和城关镇的接壤地区耕地增加的频率和幅度较大（图4a）；耕地资源减少频率和幅度最大的地区主要分布在研究区东北部的大堡镇、云台镇、大南峪镇和王坝镇以及中部的岸门口镇和三河坝镇（图4b）。其主要原因是康县北部的耕地资源较多，该地的耕地在地区发展的过程中因退耕还林、耕作难度和城镇空间拓展等因素逐渐转化为其他用地；康县南部地区的耕地数量较少，同时因为城镇发展带来的地区可达性的提高，有不少耕地的开垦，但总体上退耕还林的面积要大于耕地增加的面积。

图3 单位时间内研究区耕地变化空间分异

图4 研究区耕地变化核密度分析

3）不同乡镇耕地变化分析。1985—2020 年面积变化量最大的乡镇为云台镇，减少了40.03 km2，变化量最小的为店子乡，增加了0.10 km2（图5a）；变化程度最大的乡镇为大南峪镇，耕地动态度为2.30%/年，最小的乡镇为店子乡，动态度为0.07%/年（图5b）。从空间位置来看，北部的周家坝镇、长坝镇、大堡镇、云台镇和大南峪镇的耕地变化量较大，中部和南部的乡镇变化量较小，东北部的耕地变化程度最大，东南部的变化程度次之；以店子乡为主的地区耕地资源变化较小。

图5 各乡镇耕地面积变化和动态度

3.2 耕地资源优化分析

3.2.1 资源配置分析 聚耕比指数能够表征不同地区的耕地资源配置现状，且能够反映各统计单元内的耕地资源和人地矛盾问题。根据世界人均建设用地与人均耕地面积的比值（0.04）和中国人均建设用地与世界人均耕地警戒线比值（0.28），将聚耕比指数J划分为<0.04、0.04~0.28、≥0.28 三个范围［22］，分别代表耕地资源富余地区、人口耕地资源协调地区、耕地资源紧缺地区。以1 km×1 km 的网格为统计单元进行可视化分析，结果如图6a 显示，耕地资源较为紧缺地区主要分布在研究区北部的城关镇、云台镇和大南峪镇以及南部的铜钱镇和阳坝镇，耕地资源协调区主要分布在研究区北部和东南部，耕地资源富余区分布较少。整体上研究区内耕地资源配置情况空间差异较大，仍有不少耕地资源紧缺的地区，因此康县的耕地资源优化对策需要考虑耕地资源的配置情况。

图6 耕地资源耦合分析

3.2.2 耕作难度分析 通过计算不同乡镇的坡耕地特征指数，以此来进行研究区的耕作难度分析，通过自然断点法将所有网格的坡耕地划分为耕作难度低、适中和高3 个等级，结果如图6b 显示。耕作难度高和适中的地区主要分布在研究区北部和东南部，耕作难度低的地区主要分布在研究区中部和南部。耕作难度直接影响了农耕业的效率，因此为了最大化利用土地资源，对区域的耕地资源进行优化时需要考虑耕地的耕作难度。

3.2.3 耕地资源优化 综合分析耕地资源配置和耕作难易度，耦合两者结果得到研究区各乡镇的耕地资源优化类型，将研究区内的土地单元分为耕地限制、产业转型、退耕还林、集约利用、耕地保护共5类，结果如图6c 所示。耕地限制区的林地分布较多，坡度较大，耕作适宜性较低，需要对耕地开垦做出一定的限制，主要分布在研究区的南部；退耕还林区现有耕地的耕作难度较大，需要转化一部分不适宜耕作的耕地，主要分布在西北部的平洛镇和东南部的阳坝镇；产业转型区的耕地资源紧张，并且耕作难度较大，可以进行农业产业结构调整，以农旅结合的形式发展园地为主的其他农业经济，主要分布在东南部的阳坝镇和铜钱镇；集约利用区的耕地资源配置较为合理，耕作难度适中，可以通过积极转化农业生产方式和经营模式来提高经济效益，主要分布在研究区的北部；耕地保护区的耕地适宜性较高，需要避免其他类型用地对耕地的侵占，主要分布在研究区东北部的云台镇、大南峪镇，中部的碾坝镇和城关镇以及东南部的铜钱镇和阳坝镇。从面积上看，其中耕地限制区最多，涵盖1 065 个网格，占整个研究区的33.27%，最少的为产业转型区，共计79 个网格单元，占研究区的2.47%（表2）。

表2 耕地资源优化分类标准

4 小结与讨论

本研究基于陇南市康县1985—2020 年土地利用数据，对康县耕地的多年演化特征和现状条件进行分析，在揭示研究期内耕地资源时空分异特征和驱动力因子的基础上，对康县耕地资源的分配和耕作难度进行耦合分析，得到主要结果如下。

1）总体上康县耕地面积减少，平均坡度降低，耕地资源主要转出为林地，转化为耕地的土地利用类型主要为建设用地和林地，同时转化为建设用地的主要为耕地和林地。

2）从不同坡度分级来看研究区耕地的动态变化，［0°，6°）的耕地总体数量变化不大，15°及以上的耕地资源总量减少最大，其中［15°，25°）的耕地变化程度最大，1995—2000 年坡度在15°及以上的耕地数量大幅减少，2000—2020 年的耕地总体数量变化不大，趋于稳定。

3）耕地资源减少频率和幅度最大的地区主要分布在研究区的东北部以及中部；耕地资源增加频率和幅度最大的地区主要分布在研究区的东南部与西南部。在研究年限内，面积变化量最大的乡镇为云台镇，变化量最小的为店子乡，变化程度最大的乡镇为大南峪镇，最小的乡镇为店子乡。从空间位置来看，北部的耕地变化量较大，中部和南部的乡镇变化量较小；东北部的耕地变化程度最大，东南部的变化程度次之，以店子乡为主的地区耕地资源变化较小。

4）综合聚耕比指数、坡耕地特征指数对康县各乡镇进行耕地发展类型划分，耕地资源较为紧缺地区主要分布在研究区北部的城关镇、云台镇和大南峪镇以及南部的铜钱镇和阳坝镇，耕地资源协调区主要分布在研究区北部和东南部，耕地资源富余区分布较少；耕作难度高和适中的地区主要分布在研究区的北部和东南部，耕作难度低的地区主要分布在研究区的中部和南部。综合分析耕地资源配置和耕作难易度，耦合二者结果得到研究区各乡镇的耕地资源优化类型，将研究区内的土地单元分为耕地限制、产业转型、退耕还林、集约利用、耕地保护共5类，从面积上看，耕地限制区最多，最少的为产业转型区。

本研究通过对康县耕地资源时空分布规律的分析，深入探讨了康县土地资源配置的现状及成因，以期为康县未来的山区发展以及土地利用规划提供参考。在当前中国实行最严格耕地保护制度的大背景下，康县在未来的区域发展中，要着重关注耕地与其他用地之间的关系，在守住耕地红线的同时要合理划分土地资源，在坡度较大的区域实施退耕还林，在地势平坦的地区将利用效率低的建设用地重新划分为耕地［23］。同时康县应当充分发挥自身的资源优势，依据本地的地形条件合理分配土地资源，在整体坡度偏小的北部区域，如长坝镇、大堡镇、云台镇等地区，发展以耕地为主的传统农耕业，在坡度较大的南部地区，例如阳坝镇、铜钱镇等地区，发展以山区园地、林地为主的经济产业。