四川涼山州孫水河流域耕地撂荒時空格局分析

秦小敏,熊東紅,趙冬梅,張寶軍,張聞多,劉琳

(1.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室,成都 610041;2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,成都 610041;3.中國科學院大學,北京 100049;4.中國科學院加德滿都科教中心山地可持續發展分中心,加德滿都 44613)

土地作為人類賴以生存的物質基礎,具有承載、倉儲、養育等功能[1],在人類社會經濟發展中發揮了至關重要的作用。對土地進行規范化管理,可改善土地資源利用方式,提高土地使用率[2]以及增強土地資源對可持續發展的保障能力。近年來隨著我國社會經濟快速發展,耕地撂荒現象正越發變得普遍,在一定程度上改變了農村土地利用格局。在我國部分經濟不發達地區撂荒地的出現往往導致土地不能得到有效利用,種植收益降低,難以實現鄉村振興的目標。有學者研究發現,在當前國際形勢下,中國應保證短期(2035年內)可撂荒量不得高于9.29%[3]。因此了解和掌握區域撂荒地時空分布格局,分析土地撂荒產生的主要原因,對于保障土地資源可持續發展與糧食安全具有重要的現實意義。

撂荒是由于社會經濟因素[4]、武裝沖突[5]、土地管理制度變革[6]、城鎮化的快速發展以及政策驅動下[7],土地經營者主動或被動放棄農業耕種而逐步形成的現象。由于撂荒地沒有完善的統計信息且定義模糊,研究人員對撂荒地的時空格局信息研究較少。李升發等[7]通過實地抽樣調查發現1992—2017年中國的耕地撂荒呈現“T”字形的格局分布;鄧欣雨[8]基于時序遙感數據獲取黑龍江省撂荒地時空格局信息,分析發現時間上的撂荒分布變化與黑龍江省一系列的氣候災害發生時間有關;綜合學者們的研究發現撂荒地多分布在缺乏灌溉設施、距離產業重心近、耕地坡度大、土地肥力低的地塊或區域[9-10],耕地立地條件、區位條件、水土流失情況、自然災害、野生動物破壞均在不同程度上加深了耕地撂荒[11-13]。此外撂荒地造成的影響方面以負面效應居多[14-16]:嚴重影響國家糧食安全、顯著負向影響糧食主產區糧食產量、影響自然物種恢復、降低土壤質量、加速水土流失等方面。

四川作為我國的糧食主產區之一,耕地利用情況一定程度上影響了我國糧食產量。多名學者就四川省內耕地撂荒現象開展過較多研究,如李娟娟等[17]針對川東平行嶺谷區撂荒地空間格局的研究中指出地形因素對撂荒地的影響顯著;馮茂秋等[18]通過對川中丘陵地區撂荒地的目視解譯與實地調查發現農業生產條件是重要影響因素。四川省涼山州孫水河是安寧河的一級支流,長期以來孫水河流域坡耕地分布廣泛,近年來隨著入城打工、貧困移民搬遷等現象日漸普遍,出現了大量撂荒地,一定程度上改變了當地土地利用空間格局,如何保護、利用好大面積的撂荒地資源,是該區鄉村振興戰略實施面臨的一個新課題。鑒于此,本文擬通過CART 決策樹分類算法獲取孫水河流域撂荒地分布數據,從撂荒地動態變化分析其演化趨勢與影響因素,以期為當地撂荒地的整治調控、川西南山區撂荒地資源保護利用及糧食安全等提供一定的科學依據。

1 研究區概況

孫水河地處四川省涼山彝族自治州,位于東經102°11′—102°42′,北緯27°54′—28°29′,是金沙江水系安寧河中游左岸的一條支流,也是涼山州境內徑流泥沙含量最高河流之一。該河發源于昭覺縣尼地鄉經喜德縣、冕寧縣瀘沽鎮匯入安寧河,流域總面積1 679 km2。孫水河一般為深切河谷,沿岸平坦地帶狹窄。流域內多為深切割的中、高山,其最高海拔3 491 m,部分河谷地帶海拔低于1 500 m。流域氣候屬亞熱帶季風氣候,溫和濕潤,降水豐富,多年平均降雨量為1 069.7 mm,年均氣溫17～19℃。植被覆蓋程度較好,流域內土壤主要為紫色土、水稻土、山地草甸土、紅壤等。境內農業人口占90%以上,彝族占據總人口80%左右。高海拔區域“空心村”現象較為普遍,多數居民選擇搬遷至農業條件好的河谷地帶,導致高山耕地面積逐漸減少。耕地以集中連片的坡耕地為主,河谷農田面積較小,作物多為玉米(ZeamaysL.)、蕎麥(Fagopyrum esculentumMoench.)、花椒(Zanthoxylumbungeanummaxim.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)和水稻(OryzasativaL.)。

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

本研究所用的地物識別數據為來源于地理空間數據云(https:∥www.gscloud.cn/)2009—2018 年30 m 分辨率Landsat數據,基礎數據包括DEM 數據、全國二調耕地數據、孫水河行政界線矢量數據與水系數據。其中DEM 數據來源于地理空間數據云(https:∥www.gscloud.cn/),全國二調耕地數據來源于國土調查成果共享應用服務平臺(https:∥gtdc.mnr.gov.cn/),孫水河行政界線矢量數據與水系數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統(https:∥www.webmap.cn/)。首先通過遙感影像預處理(輻射定標、快速大氣校正),使地物的反射信息從大氣和太陽中分離出來。經實地調查發現2009年以前僅有少部分耕地出現撂荒情況,遂使用處理過的二調數據提取耕地范圍以排除其他地物對影像識別的干擾?；贏rcGIS平臺將預處理后遙感影像與NDVI、非監督分類結果圖層、DEM 進行波段組合作為CART決策樹數據源,通過已有經驗訓練樣本進行CART決策樹自動計算分類,后續根據真實情況進行相應的決策樹剪枝,執行決策樹模型獲得2009—2018年影像分類結果。最后基于變化檢測法的撂荒地識別規則[19]:將由耕地圖斑轉變為非耕地圖斑(草地)并持續兩年未變更為其他地類的圖斑識別為撂荒地,即耕地—草地—草地,由此得到耕地撂荒分布圖。

2.2 研究方法

2.2.1 撂荒率 撂荒率可以定量反映研究區當年的撂荒程度,撂荒率是指每年該研究區撂荒面積與本底耕地面積的比值[19],即:

式中:K為撂荒率;Ai為第i年撂荒地面積;A為本底耕地面積。

2.2.2 CART 決策樹 Classification and regression tree,即分類回歸樹算法,簡稱CART 算法,它是決策樹的一種實現。CART 算法采用一種二分遞歸分割的技術對數據進行處理,利用歸納算法基于數據生成可讀的規則和決策樹。其最大的特點是數據多源性,使用多種數據可有效消除“異物同譜”“同物異譜”的干擾,從而提高數據分類結果精度[20]。CART 算法采用基尼系數(Gini index)為最佳測試變量選擇準則,選擇標準即每個子節點所能達到最高純度,并選取Gini系數最小的屬性作為根節點的分裂屬性。假定數據集S中的因變量有n個要素類別,則數據集S的基尼系數表示為:

式中:pi為數據集S中元組xi類出現的概率;n為分類的數目為對n個類別計算求和。

2.2.3 標準差橢圓 標準差橢圓(standard deviational ellipse,SDE),用來度量一組數據的方向和分布的,生成的結果會輸出一個橢圓。其中SDE 中心表示地理要素空間分布的平均中心在二維空間上的相對位置;方位角反映其在二維空間上分布的主趨勢方向;長短半軸的軸長可以反映耕地撂荒在二維空間上分布的主趨勢方向;扁率為長、短軸的比值,可以體現耕地撂荒的空間分布的形態,扁率越大表明撂荒數據分布越集聚,反之越分散。標準差橢圓公式如下:

X軸標準差:

Y軸標準差:

平均中心:

方位角:

式中:(xi,yi)為研究對象的空間區位;wi為權重;為加權平均中心;θ為橢圓方位角,由正北方向順時針旋轉到橢圓長軸所形成的夾角;分別為各研究對象區位到平均中心的坐標偏差;σx,σy分別為沿x軸和y軸的標準差[21]。

3 結果與分析

3.1 撂荒地年際變化特征

采用實地調查(20 個樣本數據)結合Google Earth(每個年份30個樣本數據)采集的方式進行土地利用數據精度驗證。經混淆矩陣精度評價法驗證(表1),本次試驗提取結果平均精度達到87%,符合撂荒地數據提取試驗要求,證明CART 決策樹分類法對該尺度大小的區域土地利用數據提取具有良好的適用性。孫水河流域撂荒地總體呈現上升趨勢,由中低山區零星分布逐步向河谷平原地帶匯聚,隨著年限延長上、中、下游撂荒地面積均有增加趨勢,其中上、中游撂荒面積增加最為顯著。如上、中游平均撂荒面積為1 716,2 260.50 hm2,平均撂荒率分別為19%,15%,2009—2011年期間其撂荒面積與撂荒率均呈逐年降低趨勢,2012—2016年隨年限延長均呈波動增加趨勢;下游撂荒面積明顯低于上中游,僅2012年時撂荒程度更高(表2)?？傮w而言上、中游撂荒率提升較大,2013年后高海拔撂荒耕地增加,整體撂荒率大幅提升,2016年時上游撂荒率達到36%,說明此部分區域撂荒現象十分嚴重。流域下游撂荒率升高幅度較小,總體呈平緩發展趨勢,僅增加了7%的撂荒率。

表1 混淆矩陣精度評價結果Table 1 Evaluation results of confusion matrix precision

表2 孫水河流域撂荒地逐年面積Table 2 Abandoned land area of Sunshuihe River Basin hm2

3.2 撂荒地空間演變方向分析

為進一步揭示撂荒地空間分布變化以及重心的遷移,采用SDE法進行補充探討。由圖1可知,孫水河流域撂荒地主要呈現流域中部緊密-四周分散的空間格局,其重心多集中于中上游(且拖鄉、依洛鄉)。重心的遷移過程可以分為兩個階段:第一個階段為2009—2012年,該階段主要表現為撂荒地沿東南至西北方向擴散,扁率較低且呈現縮小趨勢,方位角在123°～166°范圍內波動;另一個階段則為2013—2016年,撂荒地中心發生逆向變化,遷移方向由西北方向轉為東南方向,扁率呈現增大趨勢,方位角波動更為明顯(98°～174°)。撂荒地中心的經度變化范圍為102.42°～102.5°,緯度變化范圍為28.17°～28.27°,其經度、緯度上的變化范圍相近,緯度變化范圍略大于經度變化范圍,說明南北方向上的撂荒勢力略大于東西方向。從整體的演變歷程上看,其重心以東南部為主,說明該區域東南部(上游)的撂荒勢頭整體強于西北部,撂荒的變化主要沿水系走向為主,由上游向下游發展。在2013年撂荒范圍有明顯向南部移動的趨勢且后期扁率增加,說明撂荒方向性更為明顯,空間分布更為集聚,此時中上游地區撂荒現象明顯增多,這可能與移民扶貧政策的實施相關,說明重心的遷移過程與扁率的階段性變化則由多種因素共同影響。

圖1 孫水河流域撂荒地標準差橢圓參數Fig.1 Standard deviation ellipse parameters of abandoned land in Sunshuihe River Basin

3.3 撂荒地變化影響因素分析

流域內撂荒地面積與高程存在明顯的線性相關,總體表現為隨著海拔的升高,撂荒地面積逐漸減少,撂荒地主要分布在＞2 800 m 范圍內(圖2),且該范圍撂荒率最高,平均撂荒率為35.7%。在此期間該范圍撂荒面積由4 096 hm2下降為3 336 hm2,下降比例為18.5%,表明該時段內撂荒現象得到明顯遏制。2009—2016年,流域內不同海拔帶撂荒面積、撂荒率呈逐漸升高趨勢,分布在2 600～2 800 m 范圍內的撂荒面積增加量最高,由187 hm2增加至3 397 hm2,增幅為1 715%。在總體海拔較高起伏較大的孫水河流域,特別是高海拔地區,其天氣寒冷、熱量條件差,農作物產量相對較低,加之耕地面積基數小,因此在海拔2 800 m 以上區域撂荒率最高。

圖2 孫水河流域撂荒面積變化Fig.2 Change of abandoned area in the Sunshuihe River Basin

2009—2016 年5 個坡度等級帶均有撂荒地分布,各坡度帶撂荒面積、撂荒率差異顯著,且撂荒面積與撂荒率隨年份呈總體增加趨勢。其中平地(2°以下)與平坡(2°～6°)撂荒面積最小,年均撂荒面積分別為21,189 hm2。斜坡(15°～25°)撂荒面積最大且增量最高,由1 990 hm2增加至5 018 hm2,增幅為152%。緩坡(6°～15°)撂荒面積增量僅次于斜坡,共計增加1 553 hm2,增幅為114%。平地撂荒率最低,年均撂荒率僅為2%。以平坡為分界點,年均撂荒率維持在15%左右。約45%的撂荒地位于斜坡,撂荒率由12%增加至30%,增幅為150%。緩坡與陡坡(25°以上)年均撂荒率相差不大,分別為15.76%與15.87%。

流域撂荒地不同坡向分布存在差異,陽坡撂荒面積增幅更為明顯。根據圖2顯示,該流域每個坡向都有不同數量的撂荒地分布,陰坡撂荒面積較小,北坡年均撂荒面積為400 hm2,增幅為80%。陽坡撂荒面積相對于整體最大,東南坡年均撂荒面積為1 156 hm2,撂荒面積由675 hm2增加至2 420 hm2。坡向年均撂荒率在18%～21%不等,相差不大且每年撂荒情況各不相同,表明研究區坡向對撂荒地的分布情況影響較小。

孫水河流域水系形狀呈樹枝狀,雨季降雨量大時容易產生超滲產流現象[22],加上土層薄、土體結構松散,導致水系附近洪水、泥石流滑坡等自然災害頻發,對附近耕地農業生產安全造成威脅。2009—2016年不同水系距離范圍內撂荒面積均有所增加,隨著年份增加,由集中于0.5～2 km 逐漸轉變為距水系越遠撂荒面積逐漸減少、撂荒率逐漸增加趨勢(圖3)。0～0.5 km范圍內撂荒面積變化最為劇烈,由383 hm2增加至3 260 hm2,增幅為751%;距離水系2～2.5 km 范圍內的撂荒面積呈現減少趨勢,減少率為14%。流域內年均撂荒率與水系距離呈線性相關關系,即距離水系越遠,撂荒率越高。通常距離水系越遠的地帶,其灌溉與耕作成本相對較高,這可能是撂荒率逐漸升高的主要原因。

圖3 孫水河流域撂荒率變化Fig.3 Change of abandonment rate in the Sunshuihe River Basin

4 討論

孫水河作為川西南山區的典型小流域,其地理環境、農業生產條件相較其他地區更具特色,研究其空間分布特征及影響因素對當地政府施策具有指導意義。本文研究結果表明,撂荒地多分布于坡度大、海拔高的地方,這與文華成[23]2003年對于四川丘區農村耕地撂荒問題的研究結果一致,自然條件差(坡度大、不便機耕)與農村勞動力外出多的地方撂荒情況更為嚴重,同時陳心佩等[24]也指出山區農業基礎設施落后、路況較差、不便耕作等特點,容易出現農民對土地的粗放經營與撂荒行為。此外孫水河流域撂荒地與水系的分布規律與牛繼強等[9]在河南省子路鎮的研究結果有所出入。河南省子路鎮地勢起伏較小,灌溉條件的優劣對于耕地作業的影響程度更深。而孫水河流域距離水系近的區域由于土質條件差、地形起伏大、水力侵蝕強且地質災害沿河流兩岸帶狀分布等[25]原因,加上耕地破碎且耕作條件嚴重受限,導致撂荒。對于這類生態環境脆弱和水土流失嚴重的區域,需要正確對待山區撂荒,部分坡耕地撂荒在一定程度上是促進自然生態系統恢復和生物多樣性保護的良好契機[26],結合當地氣候條件可以適當進行撂荒地再利用以獲取更好的生態價值與經濟價值。

除了受自然因素的影響,社會影響因素的改變也會使撂荒產生變化。據統計,喜德縣2012—2015年人口遷移最為明顯(圖4),遷移情況與撂荒地重心演變(2012年后撂荒程度明顯增強且重心回移)高度相關,說明人口遷移可能會影響撂荒。當地政府考慮到移民扶貧有利于當地生態保護、產業經濟發展、教育發展以及移風易俗等[27]因素,遂在2012年左右開始有組織地引導高寒山區居民往河谷平原地區遷移,雖然遷移不是造成耕地撂荒的主要原因,但遷移所產生的農業勞動力短缺現象是山區撂荒的直接原因以及顯著特征[28]。經過遷移后,高海拔區域大量土地沒有得到及時流轉而被閑置,造成短時間內撂荒面積大幅新增。經實地考察發現上游住戶極少,隨著觀念的轉變絕大多數居民已經搬遷至河谷平原地區,河谷平原地區出現復墾現象,糧食安全得到保障,因此呈現出撂荒重心回移至上游的規律。由于本研究流域尺度較小,難以獲取鄉鎮級相關數據,未能考慮灌溉條件、經濟、農戶教育程度等社會影響因素,期待后續的研究中能進一步補充和深化,達到對該區域耕地撂荒更全面的認識。

圖4 喜德縣人口遷移情況Fig.4 Population migration and emigration in Xide County

5 結論

(1)流域整體撂荒程度較高,撂荒地主要分布在中高山區域,并向河谷平原地區逐漸聚攏。上中下游呈現不同的撂荒情況:中游撂荒面積最大,上游次之,上游撂荒率最高,中游次之,下游撂荒最不明顯。2009—2016年流域撂荒情況呈現兩個主要階段:2009—2011年撂荒面積與撂荒率緩慢降低,2012—2016年由于社會經濟變化的影響而快速增加。流域上、中游變化情況一致,表現為先緩慢減少后增加趨勢,下游總體表現為緩慢增長趨勢。

(2)流域撂荒地其重心多集中于中上游,標準差橢圓整體主趨勢為兩個階段:2009—2012年表現為“東南—西北”的方向分布,2013—2016年重心回移至下游,主要在“西北—東南”方向移動且空間聚集程度增加?？傮w來看,流域東南部撂荒明顯且更為集聚。

(3)撂荒地傾向于分布在海拔＞2 800 m、坡度15°～25°、距水系500 m 內的地形單元,服從于水系的分布特征。孫水河流域撂荒地受地形變化影響較大,流域撂荒地與坡度和高程之間大致呈現正相關的關系,隨著坡度和高程的增大,撂荒率升高。除此之外移民搬遷、水土流失治理工程、農田基礎建設等政策的實施都使得該年撂荒面積變化率有所浮動。