清水江河谷南寨梯田“三生”空间时空演变及格局分析

王华飞,赵宇鸾,2,杨小飘,赵 佳

(1.贵州师范大学 地理与环境科学学院,贵阳 550025;2.贵州师范大学 贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地, 贵阳 550025)

0 引 言

改革开放以来,我国城市化水平日益提高,城镇化率从1978年的17.9%上升至2021年的64.72%[1]。快速城镇化背景下,山区乡村发生剧烈变迁与重构,劳动力析出现象突出,人口、耕地和环境之间的矛盾日益尖锐[2-3]。具体表现为农业用地因经济效益减弱而退耕或转为其他用地,土地利用格局发生巨大转变,成为山区乡村发展面临的重大难题[4]。在此背景下,国家发展和改革委员会要求各级人民政府在制定区域规划时,要充分考虑产业分布,同时兼顾人、空间、资源以及环境之间的相互协调[5]。“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”是国土空间规划总体要求。目前,已有学者对生产、生活、生态空间(简称“三生”空间)概念[6]、分类标准[7-8]、空间优化和重构[9-10]、格局演变特征[11]及驱动机制[12]等方面展开较为全面和系统的研究,主要集中在土地利用多功能及区域经济社会可持续发展等方面[13-14],并将其从农业领域[15-16]拓展到生态景观[17-18]等方向。

梯田作为典型的山地农业生态系统,至今仍发挥着生产功能,是山区人民勤劳与智慧的结晶,更是弥足珍贵的传统农业文化遗产[19]。随着梯田研究的不断深入,学者们结合地理学、景观生态学、土壤学、社会学以及人类学等多学科视角对梯田展开详细研究,发掘其生产、文化、美学与生态等景观多功能价值[20]。并把主题集中于梯田生态系统、梯田文化遗产、梯田旅游及梯田景观可持续发展[21-24]等方向,取得大量研究成果。但随着城镇化的快速发展,梯田区劳动力析出、耕地撂荒、宅基地私搭乱建以及地质灾害频发等现象凸显[25],引发生产空间萎缩、生活空间拥挤和生态空间恶化等系列问题,如何协调“三生”空间稳定发展成为亟待解决的关键性问题。因此,探究梯田区“三生”空间动态变化及发展规律,对山区宅基地空间利用、生态环境保护及农耕文化可持续发展具有现实意义。

目前,有关“三生”空间的研究在评价体系上,学者重点关注自然条件、生态环境及社会因素,缺乏从人口流动视角进行分析;研究尺度上受空间数据获取的限制,主要集中于全国[8,26]、省域[27-28]和市域[3],对镇村尺度关注度较低。而对于梯田的研究,概念性研究较多,定量研究较少,更缺乏从时空变化或地形分布的对比分析研究。本文以清水江河谷南寨梯田片区为研究对象,运用参与式农村评估(Participatory Rural Appraisal,PRA)、地形位分析、土地利用转移矩阵、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)空间分析等方法,揭示小尺度山区梯田“三生”空间时空演变特征与格局分析,以期为偏远山区乡村聚落农业景观的开发与保护提供参考借鉴。

1 研究区域概况

清水江发源于贵州省都匀市谷江乡西北角,是长江上游重要支系。研究区位于贵州省黔东南苗族侗族自治州,地处剑河县东部南寨镇域范围内(图1),介于26°59′N—26°71′N、108°73′E—108°84′E之间,海拔高度为368.71～1 200.14 m。该区属于中亚热带季风气候区,冬暖夏凉,雨量充沛,土壤肥沃,拥有丰富的农业和森林资源,森林覆盖率达60%以上。区域内共计18个村落,多建于缓坡,梯田主要分布于其下方。由于山峰险峻、沟谷纵横、地形复杂,交通不便,区位相对偏远,其独特的民族文化与梯田景观保存较为完整。片区是2006年国家第一批非物质文化遗产保护项目南寨锡绣的核心区。片区中展留村和柳富村同时被列入第二批中国传统村落名录。南寨梯田片区传统民族文化深厚、民风淳朴、民族风情浓郁,是我国典型的西南山地少数民族聚集区。

图1 研究区域概况

2 数据与方法

2.1 数据来源

2000年、2005年、2010年和2020年土地利用变更数据均来自贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地;2000年和2005年未能获取精度更高的土地利用数据,通过查阅历史年鉴并结合实际调研,对这2期数据进行解译调整;2015年数据源自91卫图助手软件下载的历史遥感影像,使用ENVI5.3软件对该影像进行遥感目视解译,再利用2020年土地利用数据进行反演,获取该区域2015年土地利用数据。为确保数据准确性,结合参与式农村评估(PRA)研究法、深度访谈等,获取有效信息,并对数据进行验证。构建了2000年、2005年、2010年、2015年和2020年共5期土地利用变更矢量化数据库。

2.2 研究方法

2.2.1 “三生”空间界定

研究参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)[29],结合南寨土地利用现状分析,在充分考虑各类用地功能的前提下,对生产、生活与生态空间进行精细划分,清晰表达每一个地类要素,构建合理“三生”空间分类体系(表1)。

2.2.2 地形分级

根据研究区数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据,利用ArcGIS计算出坡度与地形位指数,清晰表征不同土地利用类型在各个地形梯度上的分布情况;结合清水江河谷实际地况,将高程、坡度与地形位按自然断点法分为6个等级(表2)。

表2 地形因子分级与面积占比

2.2.3 地形位指数

地形位指数可描述空间不同坡度与高程相互关联的属性,对地形的表征能避免单一地形因子对地形特征表述不清晰的问题[30]。计算公式为

(1)

2.2.4 地形分布指数

地形分布指数可以清晰表征不同土地利用类型在不同地形梯度上的分布情况,可消除地形梯度分级和土地利用类型所占面积比重差异的影响[32]。计算公式为

(2)

式中:P为地形分布指数;S总为研究区总面积;Sie为第i种地类在第e级地形梯度内的面积;S总i为第i种地类的总面积;Se为第e级梯度的总面积。当P>1时,表示i种地类在e级地形梯度上属于优势分布,P值越大,优势度越高,反之优势度越低。

2.2.5 土地利用转移矩阵

利用转移矩阵模型[33]和弦图[34]表现“三生”空间用地结构的转换关系。

土地利用转移矩阵能将土地利用变化的类型转移面积按矩阵或表格形式列出,可作为结构分析与变化方向分析的基础,能够清晰反映研究初期不同地类转移、流失的方向与研究末期土地利用类型的变化情况。转移矩阵的数学表达式为

(3)

式中:Sij为面积;n为土地利用的类型数;i、j分别为研究初期与末期的土地利用类型。

弦图能够清晰表达多个数据之间的内在联系。连接圆上任意两点的线段可以看作不同地类之间的转移线,转移线越宽,表示转移面积越多;转移线越窄,表示转移面积越少。本文利用R语言实现土地利用转移矩阵在弦图上可视化,构建区域土地利用转移轨迹模型,使之清晰表达“三生”空间内部相互转换的情况。

3 结果与分析

3.1 “三生”空间数量演变特征

研究区“三生”空间面积与占比变化情况(表3)分析可知,2000—2020年,生产空间面积呈减少趋势,减少面积为315.244 hm2,面积占比从41.40%下降到36.49%;生活空间面积呈增长趋势,增长面积为40.945 hm2,增长占比为0.64%;生态空间面积同样呈增长趋势,增长面积为274.299 hm2,占总面积的4.27%。具体来看,2010年之前,生产空间面积呈持续减少特征,以2005—2010年面积减少幅度最大,减少面积为339.103 hm2;生活与生态空间面积则均呈持续扩张特征,扩张面积分别为44.121 hm2与327.812 hm2。2010年之后,生产空间面积呈缓缓增加趋势,其增量并不显著;生活空间面积呈先减少后扩张的趋势;而生态空间面积则呈逐渐收缩趋势,但其收缩面积较小。

表3 清水江河谷2000—2020年“三生”空间面积及占比

3.2 “三生”空间格局演变特征

结合“三生”空间分类体系,绘制土地利用现状分布,见图2。分别对生产、生活与生态空间格局演变特征进行可视化分析。结果如下:

图2 清水江河谷2000—2020年“三生”空间分布

(1)清水江河谷生产空间以梯田为主。由图2可知,清水江河谷生产空间分布在沿江两岸,呈现大聚集、小分散的阶梯式空间分布格局。2000—2005年,生产空间分布变化不显著,2005—2020年,生产空间收缩态势明显,尤其在东部和南部,生产空间有远离河流转换为生态空间的趋势。究其原因,山区农业经营收益低,农户农业收入低,导致生产空间萎缩,同时三板溪水电站建设导致大量耕地被淹没,生产空间大幅度萎缩。

(2)生活空间以分散式小斑块,沿着河谷呈散点分布。2000—2020年,生活空间整体呈由聚集中心向外围分散扩张的趋势。其中以2005—2010年扩张态势最为剧烈,随着乡村生活水平普遍提高,村民占用外围耕地建房现象日益增多,住宅用地大幅度扩张。2010—2020年,生活空间呈缓缓收缩态势。

(3)生态空间主要聚集于清水江及其周边低谷地带。在2000—2020年时段内,随着三板溪水电站建设与农业人口乡城迁移,生态空间获得进一步优化,整体向沿江两岸扩张,与生产空间和生活空间毗邻时,呈细碎化分布特征。

3.3 “三生”空间地形分布特征

对2000—2020年清水江河谷南寨梯田片区各地形等级上生产、生活与生态空间分布指数(图3)进行分析可知,“三生”空间分布格局变化较显著。整体上,生产空间优势分布区位于1级和4—6级地形等级上。2010年之前,随着地形等级递增,生产空间呈先缩减后增加趋势,2010年之后,其在低地形梯度带上的分布优势降低,整体呈现出随着地形等级增加而扩张的趋势,至5级时分布优势达到最大。生活空间主要分布在低地形梯度带。受地形变化影响,其分布随着地形等级增加呈先增后减状态,在2级时分布优势最大,但2010年生活空间在1级上扩张,P值更是达到了1.67,究其原因,在该时段内,水库移民搬迁建房、危房改造建房和其他占地等,造成在低地形梯度带上用地增加。生态空间整体受地形等级的限制性较弱,然而随着三板溪水电站的竣工,清水江水位上升,其分布呈现出向低地形等级转移的趋势。整体而言,生产空间分布向中高地形梯度带转移,生活空间分布向中低地形梯度带转移,生态空间分布则呈现出向低地形梯度带集中的趋势。

图3 清水江河谷2000—2020年各地形等级上“三生”空间分布指数

3.4 “三生”空间转移分析

为了探究“三生”空间内部转换,借助式(3),在构建面积转移矩阵的前提下绘制弦图(图4),对2000—2020年生产、生活与生态空间相互转换情况进行可视化分析。2000—2005年,“三生”空间具有较强稳定性,其变化量较小,以生产空间转为生态和生活空间为主。2005—2010年,从转移线的宽度和轨迹来看,生产空间用地转为生态空间用地面积最大,为1 187.904 hm2;其次是生态空间转为生产空间,转移面积为873.860 hm2;生活空间转入量与转出量都较小。2010—2015年,土地利用流动行为较为活跃,但生产、生活与生态空间流出与流入的面积大体上呈相互平衡状态。2015—2020年,生产、生活空间呈流入行为,生态空间呈流出行为,流动量均较小,空间稳定性较强。整体而言,2000—2020年“三生”空间相互转换行为比较活跃,受山区人口劳动力流失、农业生产入不敷出等因素的影响,土地利用类型之间的转变,以生产空间流出,生活与生态空间流入行为为主要特征。

图4 清水江河谷2000—2020年生产、生活和生态空间相互转移的可视化弦图

3.5 驱动因素分析

3.5.1 自然地理因素

地形特征与气候变化是影响“三生”空间分布的基础因素。清水江河谷南寨梯田片区为丘陵山区,地形崎岖,平地较少。海拔和坡度对于生活空间影响较为显著,表现为生活空间多分布于低海拔平缓地带,于高海拔陡坡区域则分布较少。而且地处平缓地带村落的扩展速度比陡坡区域村落扩展速度要快,说明地形因子对空间类型的转变存在一定影响。从气候变化上看,由2000—2020年5期年降水量与年平均气温变化情况(图5)可知,年降水量变化幅度较大,年平均气温随着年份增长呈持续上升趋势。随着年平均气温逐年升高,水蒸发量增加,村民用水减少,农作物缺乏灌溉用水,梯田出现撂荒现象,导致生产空间减少。

图5 清水江河谷年降水量和年平均气温的变化情况

3.5.2 人口迁移因素

快速城镇化背景下,人口数量的变动和行为是影响乡村空间发生变化的主要因素之一。根据2000—2020年南寨镇劳动力与用地变化趋势(图6)可知,南寨镇劳动力整体呈增长趋势,生活与生态空间用地面积也呈增长趋势,而生产空间面积却呈减少趋势,说明受外界非农产业吸引,当地劳动力大量外迁。再由抽取的南寨镇100户家庭外流劳动力与滞留劳动力年龄对比(表4)分析可知,当地外流务工劳动力以青壮年为主,务农劳动力以老年人居多,老人农业对远距离田地耕种较为困难,导致耕地撂荒,生产空间大幅度萎缩。

表4 南寨镇100户家庭外流劳动力与滞留劳动力不同年龄段人数对比

图6 南寨镇2000—2020年劳动力变化与用地变化趋势

3.5.3 政策调控因素

政府规划与调控是“三生”空间结构变化的关键因素。2001年位于清水江中下游三板溪水电站修建,水电站修建对库区两岸“三生”空间产生一定影响,海拔较低的村落实行易地搬迁政策,南寨镇属搬迁乡镇之一,大量人口涌入新集镇,集镇用地扩张,出现占用耕地建设现象,生产空间萎缩,生活空间扩张;同时投入资金加强库区生态环境保护,生态空间扩张。

4 结论与讨论

4.1 结 论

梯田区作为传统农耕文化的主要载体,探究其用地结构动态变化与发展规律,有利于梯田聚落农业文化景观的保护与传承。通过分析清水江河谷南寨梯田片区2000—2020年“三生”空间时空演变规律与地形分布特征,得出如下结论:

(1)从数量变化特征来看,研究区主要以生态空间为主,面积占比60%以上;其次为生产空间占比36%左右,生活空间占比最小,仅为1.2%～1.9%。2000—2020年间,生产空间用地面积大量减少,减少面积为315.244 hm2;生活空间与生态空间用地面积均增加,增加面积分别为40.945 hm2和274.299 hm2。

(2)从格局演变规律来看,生产空间主要分布于研究区东部、南部及西北部呈大聚集、小分散的分布格局,且在南部与东部有收缩趋势;生活空间呈现由聚落中心向外围分散扩张的趋势;生态空间则主要聚集于沿江两岸区域,整体向沿江两岸分散扩张。

(3)从地形分布特征来看,地形位对研究区“三生”空间分布变化具有重要影响,生产空间分布优势由低地形梯度转向中高地形梯度;生活空间分布优势主要集中于中低地形梯度上;而生态空间分布优势转向低地形梯度的趋势较为显著。

(4)从面积转移行为来看,生产、生活与生态空间之间相互转换的情况较为频繁。以生产空间面积转出行为最为显著,生活空间与生态空间面积均呈转入行为,其中生态空间转入行为比生活空间要剧烈。

4.2 讨 论

本文借鉴已有研究成果,基于2000—2020年土地利用变更数据,分别从数量变化特征、格局演变规律、地形分布特征及面积转移行为4个角度,对清水江河谷南寨梯田片区“三生”空间进行量化分析,为合理构建生产高效、生活宜居和生态优美的空间结构体系提供参考。研究结果有利于地方政府把握土地利用规划方向,并对梯田区农业文化的可持续发展具有现实意义。但受数据获取的局限性,本文对驱动机制的分析还不够全面,并缺少对“三生”空间微观尺度进行探究,未来需结合更多社会经济发展因素,对影响各阶段土地利用转型的驱动因子开展更加深入和细致的研究。此外,面对区域“三生”空间发展不稳定、不协调等问题,如何合理构建农业发展体系,优化聚落空间结构,完善生态环境保护政策等举措,将是进一步研究的重点。