1990—2020年延邊地區(qū)坡耕地的時(shí)空分布及演變特征分析

常健， 劉潤(rùn)霏， 金藝華

(延邊大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 吉林 延吉 133002)

0 引言

坡耕地是指坡度大于5°的耕地，是我國(guó)重要的耕地資源，對(duì)其進(jìn)行合理的開發(fā)與利用對(duì)山區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[1].目前，學(xué)者對(duì)坡耕地的研究多集中在土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)方面.例如：婁義寶等研究了土壤侵蝕對(duì)坡耕地土壤水分及入滲特性的影響[2]；史冬梅等研究了土壤侵蝕因素對(duì)紫色丘陵區(qū)坡耕地耕層質(zhì)量的影響[3]；郭云周等研究了土壤侵蝕對(duì)坡耕地生產(chǎn)力的影響[4]；張淑英研究了坡耕地土壤侵蝕對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響[5]；羅光杰等研究了坡耕地時(shí)空動(dòng)態(tài)變化對(duì)區(qū)域生態(tài)效益的影響[6]；吳小扁[7]和梁增芳[8]研究了綜合治理坡耕地的方法.目前，學(xué)者們對(duì)坡耕地的空間分布及其演變特征研究得較少.在相關(guān)的研究中，楊懿等[9]、聶斌斌等[10]僅探討了環(huán)境因子對(duì)坡耕地分布的影響，王權(quán)等[11]僅探討了坡耕地的時(shí)空演變特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制.由于坡耕地的變化會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響，因此本文基于延邊地區(qū)1990—2020年4個(gè)時(shí)點(diǎn)的土地利用數(shù)據(jù)以及DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS分析技術(shù)和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)延邊地區(qū)坡耕地的空間分布及其演變特征進(jìn)行系統(tǒng)分析，以為延邊地區(qū)坡耕地資源的合理規(guī)劃和利用提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

延邊朝鮮族自治州位于吉林省東部(127°27′E ～131°18′E、 41°59′N ～44°30′N)，土地總面積為4.33萬(wàn)km2，其中山地占全州總面積的54.8%，高原占6.4%，谷地占13.2%，丘陵占13.3%.延邊朝鮮族自治州共轄8個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，分別為延吉市、圖們市、敦化市、琿春市、龍井市、和龍市、汪清縣、安圖縣.全州地貌呈山地、丘陵、盆地3個(gè)梯度，其中全州海拔500 m以下的土地面積占總土地面積的20%，海拔500～<1 000 m的土地面積占總土地面積的78%，海拔1 000～<2 000 m的土地面積占總土地面積的1.9%，海拔2 000 m以上的土地面積占總土地面積的0.19%.2020年延邊地區(qū)的耕地、林地、草地、水體、人造表面的面積分別為6 409.67、34 753.63、1 184.38、257.15、642.17 km2(該數(shù)據(jù)是根據(jù)2020年的遙感數(shù)據(jù)[12]及對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理和計(jì)算獲得的).

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m.1990—2020年延邊地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)(4個(gè)時(shí)點(diǎn)，分別為1990年、2000年、2010年、2020年)來(lái)源于Globeland30全球地理信息網(wǎng)站(http://www.globallandcover.com)，空間分辨率為30 m.土地利用類型一般包括耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造表面、裸地、冰川和永久積雪等10種類型，但由于在4個(gè)時(shí)點(diǎn)中均無(wú)灌木地和苔原，且僅在1990年和2000年的時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了裸地、冰川和永久積雪；因此，為了便于研究，本文在4個(gè)時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)中剔除了裸地、冰川和永久積雪的數(shù)據(jù)，并將濕地與水體結(jié)合.依據(jù)上述本文將4個(gè)時(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)重新分類為耕地、林地、草地、水體、人造表面5類.

2 研究方法

2.1 坡耕地的提取方法

本文參考《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》將延邊地區(qū)的坡耕地分為3種類型： 5°～<15°的坡耕地、15°～≤25°的坡耕地以及大于25°的坡耕地.其中5°～<15°的坡耕地易發(fā)生中度水土流失，15°～≤25°的坡耕地易發(fā)生嚴(yán)重水土流失，大于25°的坡耕地是國(guó)家限制的開荒坡度.由于利用的源數(shù)據(jù)無(wú)法直接用于分析，因此本文對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理.首先為確保數(shù)據(jù)的提取精度，在ArcGIS中將所有柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一為30 m×30 m的空間分辨率，并轉(zhuǎn)換為相同的地理坐標(biāo)系；其次，利用坡度工具和重分類工具對(duì)DEM圖進(jìn)行分析，以此獲取延邊地區(qū)土地的3個(gè)坡度范圍(5°～<15°、 15°～≤25°、 大于25°)；再次，利用重分類工具將延邊地區(qū)4個(gè)時(shí)點(diǎn)的土地利用數(shù)據(jù)分為本文研究所需的5類土地利用類型(耕地、林地、草地、水體、人造表面)；最后，利用柵格計(jì)算器工具和上述獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算延邊地區(qū)4個(gè)時(shí)點(diǎn)的各土地利用類型的面積，并繪制這4個(gè)時(shí)點(diǎn)的土地利用圖.

2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

由于利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能夠準(zhǔn)確刻畫區(qū)域土地利用的結(jié)構(gòu)特征和變化過(guò)程，以及了解土地利用類型內(nèi)部的變化趨勢(shì)，因此本文將土地利用類型面積作為轉(zhuǎn)移矩陣中的向量來(lái)分析區(qū)域內(nèi)的各土地利用類型的格局特征和時(shí)空演變特征[12].土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的表達(dá)式[13]為：

(1)

式中S為面積，i和j分別為研究期內(nèi)初期和末期的土地利用類型，n為土地利用類型總數(shù)量，Sij為研究時(shí)間段內(nèi)第i類土地利用類型向第j類土地利用類型轉(zhuǎn)移的面積.

Sij的計(jì)算方法為：首先在ArcGIS中利用公式(1)分別計(jì)算已重分類的4個(gè)時(shí)點(diǎn)(1990年、2000年、2010年、2020年)的土地利用數(shù)據(jù)中的2個(gè)相鄰時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)的S值；其次，利用柵格轉(zhuǎn)面工具將相鄰時(shí)點(diǎn)的土地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成面數(shù)據(jù)；再次，利用融合字段工具融合面數(shù)據(jù)中相同的土地利用類型字段；最后，利用疊加分析工具將融合后的相鄰時(shí)點(diǎn)的土地利用面數(shù)據(jù)進(jìn)行相交，由此得到相應(yīng)的Sij值.

3 結(jié)果與分析

3.1 坡耕地的分布特征

圖1為延邊地區(qū)各類坡耕地4個(gè)時(shí)點(diǎn)的分布圖.由圖1可以看出，延邊地區(qū)的各類坡耕地均圍繞城鎮(zhèn)、河流以及道路分布，其中在研究區(qū)的西北部、中部、東部和南部分布得較少，在研究區(qū)的西部、東北部、東南部和西南部分布得較多.

圖1 延邊地區(qū)各類坡耕地在4個(gè)時(shí)點(diǎn)時(shí)的分布

3.2 坡耕地的空間轉(zhuǎn)移特征

由于延邊地區(qū)的坡耕地主要分布在城鎮(zhèn)和道路周邊，因此其分布演變易受到人為活動(dòng)的影響.為探究延邊地區(qū)坡耕地的轉(zhuǎn)移特征，本文分別建立了1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣.

表1為1990—2000年延邊地區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣.由表1可以看出：1990—2000年，坡耕地的總面積增加明顯(增加了610.71 km2)，其中林地、草地、水體、人造表面轉(zhuǎn)化為坡耕地的面積共為1 426.23 km2(林地轉(zhuǎn)化為坡耕地的面積為1 173.91 km2，其他3種土地利用類型轉(zhuǎn)化為坡耕地的面積共為252.32 m2)；坡耕地轉(zhuǎn)為林地的面積為655.87 km2.該時(shí)間段坡耕地總面積明顯增加的主要原因?yàn)椋阂皇窃摃r(shí)間段內(nèi)研究區(qū)的人口數(shù)量增加顯著(由1990年的207.99萬(wàn)增加到2000年的220.96萬(wàn)[14])，進(jìn)而增加了對(duì)耕地和糧食的需求；二是該時(shí)間段內(nèi)我國(guó)的耕地保護(hù)政策未能有效實(shí)施，部分農(nóng)民保護(hù)耕地的意識(shí)較弱，進(jìn)而使得開墾坡耕地的現(xiàn)象較多.

表2為2000—2010年延邊地區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣.由表2可以看出：2000—2010年，坡耕地的總面積仍有一定的增加(增加了204.06 km2)，其中林地、草地、水體、人造表面轉(zhuǎn)化為坡耕地的面積共為258.77 km2(林地轉(zhuǎn)化為坡耕地的面積為215.79 km2，其他3種土地利用類型轉(zhuǎn)化為坡耕地的面積共為42.95 km2)；坡耕地轉(zhuǎn)化為林地的面積為40.63 km2.該時(shí)間段內(nèi)坡耕地總面積增加相對(duì)較少的原因?yàn)椋阂皇窃摃r(shí)間段內(nèi)研究區(qū)的人口數(shù)量增加得相對(duì)較少(由2000年的220.96萬(wàn)增加到2010年的227.08萬(wàn)[14])，進(jìn)而相對(duì)減少了對(duì)耕地和糧食的需求；二是國(guó)家在此時(shí)間實(shí)施了改造坡耕地等政策；三是農(nóng)民保護(hù)耕地的意識(shí)逐漸增強(qiáng).

表1 1990—2000年延邊地區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表2 2000—2010年延邊地區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3為2010—2020年延邊地區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣.從表3可以看出： 2010—2020年，坡耕地的總面積減少了582.00 km2，其中林地、草地、水體、人造表面轉(zhuǎn)化為坡耕地的面積共為367.96 km2(其中林地和草地轉(zhuǎn)化為坡耕地的面積分別為291.69、 33.67 km2，其他2種土地利用類型轉(zhuǎn)為坡耕地的面積為42.60 km2)；坡耕地轉(zhuǎn)為林地、草地的總面積為780.38 km2(林地為726.93 km2、草地為53.45 km2).該時(shí)間段內(nèi)坡耕地面積減少的主要原因?yàn)椋阂皇窃摃r(shí)間段內(nèi)政府大力實(shí)施了退耕還林還草的政策；二是該時(shí)間段內(nèi)研究區(qū)的人口數(shù)量減少(由2010年的227.08萬(wàn)減少到2020年的194.17萬(wàn)[14])，進(jìn)而導(dǎo)致糧食需求減少，使得部分坡耕地處于撂荒狀態(tài)后逐步轉(zhuǎn)入水體和人造表面.

3.3 坡耕地的分級(jí)演變特征

由表1—表3可以看出，在4個(gè)時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)中，坡度為5°～<15°和15°～≤25°的坡耕地分別占總坡耕地面積的85%、12%，而>25°的坡耕地僅占3%.這表明延邊地區(qū)大部分坡耕地的坡度較為合理.

圖2為1990—2020年延邊地區(qū)各類坡耕地的動(dòng)態(tài)變化圖.由圖2可以看出，該時(shí)間段內(nèi)各類坡耕地的面積均處于動(dòng)態(tài)變化之中，其中坡耕地主要轉(zhuǎn)化來(lái)源大小依次為林地、草地、水體與人造表面，而轉(zhuǎn)化為林地的主要來(lái)源為坡耕地(表3).

表3 2010—2020年延邊地區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣 km2

圖2 1990—2020年延邊地區(qū)各類坡耕地的動(dòng)態(tài)變化

4 結(jié)論

對(duì)延邊地區(qū)1990—2020年坡耕地的時(shí)空演變進(jìn)行研究表明，延邊地區(qū)的坡耕地與其他4類土地利用類型發(fā)生了顯著的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移，其中坡耕地和草地面積總體呈先上升后下降的趨勢(shì)，林地、水體和人造表面面積總體呈先下降后上升的趨勢(shì).引起以上變化的主要原因與研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口數(shù)量的變化、農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步、耕地政策的實(shí)施有關(guān).本文研究結(jié)果可為相關(guān)部門治理規(guī)劃坡耕地提供參考.今后我們將結(jié)合土壤侵蝕模型及研究區(qū)的土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等，對(duì)延邊地區(qū)坡耕地的土壤侵蝕效應(yīng)做進(jìn)一步研究，以更好地為研究區(qū)坡耕地的治理和規(guī)劃提供參考.