亚热带季风区水稻梯田景观格局及其自然影响因素分异

张兆年,刘澄静,角媛梅,徐秋娥,张洪森,陶 妍

(云南师范大学地理学部,昆明 650500)

【研究意义】农业作为中国的第一产业,是保障人类生产和生活的重要条件,随着城市化的推进,农业用地大量减少已成为全国乃至全球关注的重点问题,也是当前研究的热点问题[1-2]。相关研究表明,弃耕现象在耕地资源较少的山地地区表现更加明显[3-5]。因此,揭示山地地区耕地的空间分布格局并探讨影响其分布的自然因素,对保障国家粮食安全,实现共同富裕具有重要的现实意义[6-7]。【前人研究进展】农业景观是人类从事农业活动的重要表现形式,是耕地与非耕地等多种景观斑块组成的镶嵌体。从研究内容上来看,国内外对农业景观的研究热点基本相似,早期研究主要侧重对农业景观的概念和分类等方面的定性分析,近年来,在遥感、GIS等空间分析技术支持下,对农业景观格局及变化特征、农业景观格局变化驱动因素和农业景观格局变化效应等定量分析成为主要的研究趋势[8-10],为区域农业可持续发展奠定了理论基础。从研究区域上看,目前主要侧重于平原地带、农牧交错带、黄河流域、城市边缘等区域,但是对山地地区农业景观的研究尚有不足[11-12]。【本研究切入点】梯田作为山地地区特有的农业景观类型,不仅能够提供粮食,还具有保持水土、维持农业生物多样性和美学服务等多种功能[13-14]。中国亚热带季风区因气候适宜、降水丰沛成为梯田的集中分布区域,也是对梯田展开研究的集中区域。目前针对梯田景观的研究主要是从空间格局和影响要素等方面展开,其中,从空间格局来看,大多数研究者以遥感和地理信息技术为手段,从斑块类型或土地利用类型来对梯田水平格局进行研究[15-17],以此来揭示梯田的形成和分布格局,而在垂直景观构成上的分析较少见。从影响要素来看,气候、地形、土壤和岩性等自然因素都会对梯田的空间分布产生不同程度的影响[18-20],由于空间及时间段上存在差异,不同地区的研究结果并不一致,缺乏对同一时期多个对象及多种自然要素影响的综合考量。【拟解决的关键问题】在综合运用遥感影像处理和ArcGIS空间分析方法基础上,以贵州加榜、广西龙脊、湖南紫鹊界、福建联合梯田和云南哈尼梯田为研究对象,明晰各梯田的景观分布格局,并进一步探究地形、土壤和岩性等自然要素对梯田景观格局的影响,为山区土地利用管理,实现中国可持续农业生态系统建设提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

哈尼、加榜、龙脊、紫鹊界和联合梯田分别位于中国的云南、贵州、广西、湖南和福建,均属于中国亚热带季风气候区,因此,在气温、降水等方面都较为相似,都处在水稻生长的适宜区域。受构造运动的影响,各梯田区境内以低山丘陵为主,地形地貌较复杂,由此形成了不同的垂直分布格局。各梯田区域内土壤和岩石多样,也较为复杂,主要的土壤类型包括红壤、黄壤和水稻土;岩石类型主要包括砂岩、板岩、砾岩和花岗岩等。研究区基本情况[21]及位置见表1和图1。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

表1 中国南方典型梯田区域基本情况Table 1 Basic information of typical terrace areas in southern China

1.2 数据来源与处理

研究所用的数据及处理方法主要包括:①行政区划数据。来源于中国科学院资源环境科学数据中心(https://www.resdc.cn/)。②土地利用数据。来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)2018年美国陆地卫星Landsat-8OLI的遥感影像,空间分辨率为30 m,采用监督分类法根据各梯田区土地利用情况,依次划分为耕地、林地、建设用地、水域和其他用地5种类型。之后,再通过ArcGIS进行计算。③地形数据。来源于地理空间数据云的DEM数字高程模型(Digital elevenation model),利用ArcGIS软件对海拔、坡度和坡向等地理信息进行提取分析。海拔因子依据各梯田区梯田的海拔分布状况,将海拔划分为6个区间;坡度因子参照《森林资源规划设计调查技术规程》,将梯田坡度划分为6个等级;坡向因子利用ArcGIS坡向分析将梯田坡向划分为10个类型。④土壤数据。来源于全国土壤普查办公室编制并出版的《1∶100万中华人民共和国土壤图》数字化生成,采用传统的“土壤发生分类”系统,基本制图单元为亚类,共分出12个土纲,61个土类,227个亚类。经过ArcGIS软件提取、重分类、栅格转面、裁剪得到各梯田区土壤类型的空间分布图。⑤地质岩性数据。来源于全国地质资料馆(http://dcc.cgs.gov.cn/)提供的全国1∶200 000数字地质图(公开版)空间数据,先通过MapGIS软件对数据格式进行转化,再利用ArcGIS软件进行几何修复、合并、裁剪等方式得到梯田岩类分布图。

2 结果与分析

2.1 各梯田景观的水平分布格局

从各梯田景观的土地利用类型分布(图2)来看,5个地区的水平分布格局基本一致,表现为建筑用地沿着河流等水域分布,梯田沿着建筑用地分布,而林地又围绕着梯田分布。其中,林地作为各区域内的基质,其面积最大,梯田和建筑用地次之,水域分布面积最小(表2)。

图2 各梯田景观土地利用分布Fig.2 Landscape land use distribution of each terrace

表2 各梯田景观土地利用类型面积Table 2 Area of landscape land use types of terraces

从梯田来看,哈尼梯田区分布的梯田面积最大(418.01 km2),紫鹊界(46.29 km2)、加榜(34.09 km2)和龙脊(25.69 km2)梯田区次之,联合(11.96 km2)梯田区最小。由图2可以看出,加榜梯田区东部是梯田的集中区,尤其在东北部片区规模最大、分布连续且集中,西部和西南部等其他区域分布的梯田规模均不如东北部片区;龙脊梯田区中部和东北部是梯田的集中区,南部、东部和西部等其他区域分布梯田规模小且零星分散,远不如中部和东北部地区;联合梯田同哈尼和紫鹊界梯田区的梯田分布特征相似,中部分布区域面积大且连续,其他区域呈小斑块分布,但在集中程度及规模上均不如哈尼和紫鹊界梯田。

2.2 各梯田景观的垂直分布格局

在山地地区,由地形而导致的景观格局垂直分布特征最明显。以各梯田景观分布相对集中的区域从山顶到河谷作垂直剖面线,如图3所示,哈尼梯田景观从全福庄南部山顶到山脚的红河河谷,加榜梯田景观从北部的乌税山山顶到南部山脚的加车河谷,龙脊梯田景观从北部山顶到南部山脚的和平河谷,紫鹊界梯田景观从北部山顶到南部山脚河谷,联合梯田景观从西部金鸡山山顶到东部山脚。各景观结构剖面线占比都是“梯田>林地>村寨”(表3),其中加榜梯田景观结构占比最大(约64%),龙脊梯田景观结构占比最小(约42%)。

图3 各梯田景观的垂直分布格局Fig.3 Vertical distribution pattern of each terrace landscape

表3 各梯田景观垂直分布情况Table 3 Vertical distribution of terrace landscape

总的来看,各梯田景观的垂直分布格局基本上表现为水源林在上、村寨和梯田在中、河流在下。上部林地能够存储大量水源,一方面通过地表径流提供给下方的村寨和梯田,另一方面通过土壤孔隙和岩石裂隙将下渗的水对梯田进行补给;中部地区,受山地降水规律的影响,且靠近居民点,适宜水稻的生长和管理;而下部地区,由于靠近河谷地势较平,水源较为充足,因此成为水田、旱地以及村寨的复合分布区域。

2.3 梯田分布的地形特征

2.3.1 海拔分布 从各梯田景观不同海拔梯田分布(表4)可以看出,加榜、龙脊、紫鹊界和联合梯田区分布的梯田主要在海拔1500 m以下,而哈尼梯田主要在海拔1800 m以下。其中,加榜和龙脊梯田区在海拔800～1200 m各分布有18.03和13.12 km2

表4 梯田的海拔分布Table 4 Altitude distribution of terraces

的梯田,分别占研究区梯田总面积的53.03%、51.29%,是梯田的集中分布区域;紫鹊界和联合梯田区梯田分布的集中区域主要在海拔800 m以下,各分布64.50%和98.25%的梯田;哈尼梯田主要集中在海拔800～1800 m,共分布89.21%的梯田。

2.3.2 坡度分布 从各梯田景观不同坡度梯田分布情况(表5)可以看出,5个地区的梯田都主要分布在坡度较平缓(Ⅳ级以下)的区域。其中,加榜、龙脊和哈尼梯田在Ⅲ级(16～25°)坡度上分布最集中,各分布45.20%、51.40%和47.32%的梯田;而紫鹊界和联合梯田主要分布在Ⅱ级(6～15°)坡度上,各分布梯田总面积的45.25%和45.29%。总体上来看各梯田在坡度上的分布特征相差不大,集中区域较明显。

表5 梯田的坡度分布Table 5 Slope distribution of terraces

长期以来,梯田随山势地形变化,依据坡度的大小设计梯田的宽窄和长度,其形态特征和规模大小与坡度密切相关,缓坡地开垦大田,坡陡地开垦小田。从各梯田景观的集中分布情况来看,斜坡和缓坡地区地势起伏平缓、开发条件优越,不易造成水土流失,因此分布的梯田面积大且集中。而在坡度较大的地方,地形起伏也较大,不利于耕作与管理,梯田只能以小斑块状分布。

2.3.3 坡向分布 从各梯田景观不同海拔梯田坡向分布情况(表6)可以看出,加榜、龙脊、紫鹊界以及联合梯田区的梯田主要集中在东南、南、东和西南坡向上,各分布61.02%、75.60%、65.97%和86.67%的梯田。其中,梯田面积分布比重最大的都在东南坡方向,分布最小的都在北坡方向,总体上来看,梯田分布面积南坡大于北坡。这主要是因为温度和光照是影响水稻生长发育重要的环境影响因子,在相同海拔条件下,南坡温度和光照最高,其余坡向次之,北坡最低。因此,加榜、龙脊、紫鹊界以及联合梯田区的梯田主要集中在偏南的方向上。但从哈尼梯田的分布可以看出,受地形地势影响,哈尼梯田并不是集中分布在光热条件较好的南坡方向,而是在东北、东、东南、西、西北等地势平缓方向上集中分布63.54%的梯田,北坡梯田大于南坡。

表6 梯田的坡向分布Table 6 Slope aspect distribution of terrace

综上,通过将地形因素统一叠加分析(图4)可以看出,加榜、龙脊、紫鹊界和联合梯田在地形上的空间分布特征相似,即海拔200～1500 m、坡度5～25°的东、东南、南、西南和西方向是梯田的主要分布区域。从海拔分布来看,加榜梯田主要集中在海拔600～1000 m,龙脊梯田跨度较大,在海拔200～1500 m分布较为均匀,而紫鹊界和联合梯田都集中在海拔300～600 m。但同属亚热带季风区的哈尼梯田海拔分布则不同,与加榜、龙脊、紫鹊界和联合梯田相比,哈尼梯田受暖湿气流的影响,温度高降水多,梯田最高可达1900 m以上,意味着在自然条件适宜的情况下,山区耕地资源得到更大的开发利用。

图4 各梯田在地形上的空间分布Fig.4 Spatial distribution of each terrace

2.4 梯田分布的土壤与岩性特征

2.4.1 土壤特征 根据各梯田景观土壤类型分布(图5)可以看出,加榜、龙脊、紫鹊界、联合和哈尼梯田区都是以红壤(赤红壤)、黄壤和水稻土等土壤类型为主。其中,加榜梯田黄壤分布区共分布79.02%(26.85 km2)的梯田,是该梯田的主要土壤类型;紫鹊界梯田区有水稻土、红壤和黄壤3种土壤类型,在中部地区共分布87.46%(40.42 km2)的梯田;龙脊和联合梯田区都是在红壤类型中分布的梯田面积最大,各占梯田总面积的39.90%(10.21 km2)、74.04%(8.84 km2),远远超过其他土类面积;哈尼梯田区在红壤(赤红壤)、黄壤和水稻土分布区共分布78.2%(326.56 km2)的梯田,红壤地区分布面积最大(表7)。

图5 各梯田景观土壤类型分布Fig.5 Distribution of landscape soil types of each terrace

从土壤性状上来看,红壤和黄壤都具有土壤深厚、质地黏重的特点,但因风化程度不同,黄壤有机质含量比红壤高,保水保肥能力也比较好。红壤虽然进行脱硅、盐基淋失和富铁铝化过程,但同时也进行生物与土壤间物质、能量转化交换和强烈的生物富集,丰富土壤养分物质来源。水稻土在种植水稻或以植稻为主的耕作制下,长期淹水以及频繁的人为管理措施影响下形成,其综合肥力较高。在长期生产过程中,各梯田区创造出的传统耕作模式、管理技术方法,对减少冲刷、积累有机质和提高土壤生产力具有深远意义。

次要土壤类型包括黄壤性土、黄棕壤、黄棕壤性土和山地灌丛草甸土。从性状上看,黄壤性土成土条件与典型黄壤基本相同,质地为粘壤土,含有多量母岩碎块,质地轻,土体松散,通透性好,但保水保肥差,由于地处坡面较陡,易遭受侵蚀,土体浅薄。黄棕壤为砂页岩风化残积物,虽然土壤磷、钾含量较高,自然肥力相对较高,但土壤中的粘化和淋溶作用都较强烈,使易溶盐分和游离碳酸钙被淋失。黄棕壤性土是黄棕壤发育的初级阶段,成土母质主要为千枚岩、黑色板岩和硅质页岩的残坡积物。土体中普遍含有较多的岩石碎片,土层薄,有机质含量低,淀积层仅有少量粘粒和胶膜淀积,养分缺乏。山地灌丛草甸土由于所处地势高,气候寒冷,而且土体浅薄,土壤过湿,含有小石块,所以不适宜农垦。因此,在各梯田分布区内,红壤、黄壤和水稻土所处地区有大面积的水稻种植。

2.4.2 岩性特征 根据各梯田景观岩石类型分布(图6)来看,加榜梯田区主要岩石类型为砂岩类(占区域总面积的78.22%),集中分布在东部和西部,共分布79.84%的梯田。其他地区以板岩类(占梯田区总面积的18.38%)和砾岩类岩石(占梯田区总面积的1.11%)为主,共分布17.60%的梯田。从岩石的性质而言,砂砾岩孔隙度相对较大,岩石的透水性较强,会造成水体大量下渗,不易保留,表层疏松,易造成田埂垮塌,不利于梯田耕作[22]。但是,在长期的耕作过程中,加榜地区形成独特的灌排系统及不同类型(腰带梯田、鱼鳞梯田和石砌梯田)的梯田模式,可有效避免塌方和水土流失,能够最大限度地获取可耕面积。

图6 各梯田景观岩石类型分布Fig.6 Distribution of rock types in each terrace landscape

龙脊梯田区的主要岩石类型包括砂岩和板岩(共占梯田区总面积的74.84%),集中分布在东部,而梯田就主要集中在这一区域内(图6),分布81.64%的梯田。其他地区分布的岩石类型主要是硅质岩、泥岩和页岩类,共占梯田区总面积的18.89%,分布12.91%的梯田。从岩石的水理性质来看,板岩耐水性较砂岩好,致密,不易透水,因此,以板岩为基质的地区,储水性较好。龙脊梯田由于岩层的弱透水性和岩石的裂隙发育,从而保障梯田在聚水与渗水灌溉之间的平衡与协调。同时,受变质碎屑岩发育影响,梯田表面土层较薄,不能开挖大的沟渠引水对梯田进行灌溉,因此,当地居民人为地创造了山沟细流、竹筒连接这样的灌溉模式和水稻“间歇灌溉”技术。

紫鹊界梯田区主要岩石类型为花岗岩(占梯田区总面积的79.91%),从表7可以看出,大片的花岗岩构成了中部梯田区的主要岩类背景,发育89.65%的梯田。东部和西部等其他地区主要以板岩、灰岩类、砂岩类和石英岩等岩类为主,共占梯田区总面积的19.23%,零散分布且规模小,发育有9.68%的梯田。受风化作用影响,紫鹊界梯田地区表层是土壤花岗岩风化而成的沙壤土,结构松散,高孔隙比,具有良好的渗透性,为地下水的补给和排泄提供了良好的物理条件,另一方面,以大块花岗岩为基岩,隔水性能较好,使得下渗的水只能沿着花岗岩裂隙向四周流出,因此梯田区年年可种水稻,而且旱涝保收。

联合梯田区主要岩石类型包括流纹岩和砂岩,各占梯田区总面积的40.27%、35.70%,发育70.60%的梯田,是此地红壤和黄壤的主要母岩。从图6可以看出,流纹岩主要集中在中部地区,而梯田就集中分布在这一区域附近。砂岩及其他类岩石主要分布在北部和东南部地区,分布梯田面积小且规模不大。从岩石的水理性质来看,流纹岩同花岗岩都是火成岩,质地坚硬,透水性较弱,成为梯田区大面积的不透水基岩,因此,除降雨外,地下径流和山泉水是最主要的灌溉水源。

哈尼梯田区主要岩石类型包括片麻岩和石灰岩,主要分布在中部、南部、东南和西南部(图6),各占梯田区总面积的51.89%、23.54%,分布78.12%共326.3 km2的梯田。其他地区分布的岩石类型主要是页岩和砂岩类,共占梯田区总面积的24.57%,分布了21.88%的梯田。从岩石水理性质来看,片麻岩结构致密且坚固,蓄水、保水性能好,其上部风化土层深厚,土壤肥力高,也易于开发,因此,在片麻岩分布的地区能够给梯田水体提供良好的调蓄和补给作用。由于石灰岩水溶作用较为明显、砂岩和页岩密度较小,透水性强,因此难以满足梯田所需的灌溉水源,且稳定性差。因此在片麻岩地区分布的梯田面积大且集中,而在其他类岩石地区分布的梯田斑块较小。

3 讨 论

3.1 主要自然因素对亚热带季风区水稻梯田分布的影响

梯田的形成是山区耕地资源优化配置、保障粮食安全、协调人地关系的必然选择[23],其空间分布规律及变化特征是由多种要素综合作用的结果。一般来讲,海拔越低、坡度越小、光热条件越好、土壤肥沃且地质条件较为稳定的地区越适宜耕作,本研究进一步证明这一发展规律。Liang等[24]指出,自然条件对山地地区耕地的空间分异及时间演变至关重要,其中地形地貌等条件不仅会直接影响梯田的分布范围、面积规模和格局形态,还会通过作用于土壤含水量和植被覆盖度等间接影响梯田斑块的空间分布格局[25-28]。此外,气温和降水量作为稻作生产的必要条件,也是造成梯田空间分异的重要因素[29],然而,由于加榜、龙脊、紫鹊界和联合这4个梯田的区域范围比较小,温度和降水量在空间上的变异较小,因此未能进行更加深入的分析。

3.2 亚热带季风区水稻梯田景观格局与自然因素的关系

与常见的农业景观有所不同,从水平分布格局来看,梯田和林地在整个景观中占有绝对优势,林地>梯田>建筑用地>水域>其他用地。其中各居民点沿河流分布,梯田围绕居民点分布,而林地又围绕梯田分布,即“由内到外、层层分布”的状态。这主要是因为山地地区、平地少,靠近河谷地区的相对平缓地区是居民点的最佳位置;农田的耕作易造成水土流失,因此围绕居民点的区域内坡度较小,既能满足耕作的需求,又能减少水土流失量,这种特有的景观格局兼具美学价值和科学意义。

从垂直分布格局来看,在山地地区,坡度和高程基本上决定山地地区土地资源的利用方式。由于耕地、建设用地和水域分布受地形因子影响明显,而林地在不同地形上具有很强的适应性,基本不受地形限制。因此,在海拔较低、坡度较小的区域内,梯田、建设用地和水域分布的面积较大;在海拔较高、坡度较大的区域内,林地分布的面积较大;由于坡向影响热量的分配,所以梯田、居民点以及林地在热量较好的阳坡分布的面积最大。由此,加榜、龙脊、紫鹊界和联合梯田在空间上形成的垂直分布模式与哈尼梯田的“森林—村寨—梯田”、菲律宾科迪勒拉高山水稻梯田的“森林—木涌—聚落—梯田—水系”垂直景观格局相似[30]。这种立体型生态系统,集“生产”“生活”“生态”三位一体,是人与自然高度协调的生态景观系统。位于山顶的大面积水源林地通过树冠、叶面及根系对天然降水的吸收和截留,能够为下方的村庄和梯田提供水源,梯田又为处于较低海拔的森林提供水源,再养育位于更低海拔的梯田,形成林养田、田育林的物质和能量循环格局。因此,如何量化区域空间格局与可持续发展之间的关系,保障梯田系统完整性,是未来亟须解决的一个重要问题。

4 结 论

(1)各梯田景观中主要包括林地、梯田、建筑用地、水域和未利用地。从梯田分布面积来看,哈尼梯田(418.01 km2)>紫鹊界梯田(46.29 km2)>加榜梯田(34.09 km2)>龙脊梯田(25.69 km2)>联合梯田(11.96 km2),并且各梯田都主要集中分布在中部地区。

(2)各梯田景观的立体分布格局较明显,从上到下依次为水源林—村寨—梯田—河谷。其中梯田面积比重最大,林地次之,村寨最小,这种垂直分布格局兼具美学价值和科学意义。

(3)受地形影响,加榜、龙脊、紫鹊界和联合梯田都集中分布在海拔1200 m以下(>80%)、坡度5～24°(>70%)光热条件较好的东、东南和南坡方向(>60%)。而面积较大的哈尼梯田分布特征不同,主要分布在海拔1900 m以下(>90%)、地势较为平缓的东北、东、东南、西、西北方向(>60%)。

(4)土壤(包括矿物成分、理化性状等)是维系梯田生长发育的基础因素,土壤的肥沃、厚薄与否决定了梯田景观的发育程度,哈尼、加榜、龙脊、紫鹊界和联合梯田区都以红壤、黄壤和水稻土为主。这些土类都具有质地粘重、持水性强的特点,利于水稻的种植发展,分别发育78.2%、97.8%、71.63%、87.66%和99.9%的梯田。

(5)岩性的水理性质与梯田的蓄水保水密切相关。哈尼和紫鹊界梯田分别以蓄水性较好的片麻岩(59.04%)和花岗岩(89.65%)为主,联合梯田以保水性能中等的流纹岩(40.27%)为主,加榜梯田和龙脊梯田都以透水性较强的砂岩(79.84%和51.74%)为主。