工程设计视角下山区梯田撂荒影响因素分析

2020-05-19张天柱郑亚楠张凤荣黄敬文常玉旸

农业工程学报 2020年7期

张天柱，郑亚楠，张凤荣，黄敬文，常玉旸

（1. 中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193；2. 自然资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193）

0 引言

中国山地、丘陵面积广大，坡耕地分布较广，第二次全国土地调查结果显示，全国6°以上的坡耕地面积占全国耕地总面积的27%，由此所产生的土壤流失量约为15×109t/a，占水土流失总量的30%左右。大量的水土流失及其导致的生态环境恶化成为制约生态重建和保护的关键因素[1-2]。因此，加强治理坡耕地水土流失，稳定和保护坡耕地粮食产量，对确保中国粮食安全和生态安全都具有重大意义[3-4]。一方面，梯田具有保土、蓄水、增产的功能[5-6]；另一方面，梯田的通风透光条件较好，有利于农作物的生长和营养物质的积累[7]。因此，山地丘陵区坡耕地修建梯田（简称坡改梯）是保持水土的一项重要举措，也是增强地力、提高粮食产量的有效手段[8]。

现阶段，已有研究表明中国耕地撂荒现象不断出现，并且主要集中于地形条件复杂、耕作条件较差的山区、丘陵地带[1,9]。然而，在耕地占补平衡政策的驱使下，地方政府在山区仍然大规模地修建梯田。但随着工业化、城镇化的快速发展，农村人口的不断减少，越来越多的农村劳动力开始由农业生产向非农产业部门转移[10]，再加之山区耕地的自然资源禀赋较差、农产品收益较低，因此大量山区耕地被抛荒。山区耕地的大面积撂荒会对全国的粮食安全、社会经济、生态环境等方面产生诸多的影响[11]。

目前，国内外关于梯田的相关研究主要集中在梯田的环境效应、梯田修建的设计方法等角度。其中，在梯田的环境效应方面，多数学者从梯田的水土保持效应[12-14]，以及景观生态环境效应[15-17]等角度进行研究。在梯田修建的相关设计方法方面，主要集中在“坡改梯”的工程技术方面[18-20]。在研究区域方面，大多数研究都集中在黄土高原等水土流失多发区[20-22]，以及西南地区的哈尼梯田[23]、龙脊梯田[24]等地。综合上述分析发现，目前以山区梯田为研究对象，关于撂荒信息提取及影响因素分析的相关研究还较少。明确山区撂荒梯田的空间分布并分析其影响因素对于提高山区农村耕地资源利用效率、保障国家粮食安全具有至关重要的作用。近年来，随着遥感技术的迅速发展，农作物种植及生长情况的提取和监测逐渐成为农业遥感重要的研究内容之一[25-26]，通过遥感技术提取农作物的分布情况是目前获取撂荒耕地最直接有效的手段。

鉴于此，本研究以河南省林州市、山东省沂水县、云南省寻甸县、甘肃省华池县为研究区，采用实地调研结合遥感解译的方式识别山区撂荒梯田，通过梯田实地勘测数据分析不同地区梯田的基本参数特征及撂荒现状，并从工程设计的角度分析山区梯田撂荒的影响因素，以期为山区梯田的建设提供相关建议，并为国家相关部门制定政策提供理论依据。

1 研究区域概况

中国的梯田多集中分布在中部的低山丘陵区、西北的高原区和西南山区等。因此，本文在中国中部的沂蒙山区、太行山区、黄土高原区、西南部的云贵高原等区域，选取沂水县、林州市、华池县、寻甸县四县作为研究区，进行山区梯田撂荒的分析。沂水县位于118°13′－119°03′E，35°36′－36°13′N，地处鲁中南地区、沂蒙山腹地，隶属于山东省临沂市。全县为低山丘陵区，境内主要的岩石类型主要是石灰岩和花岗岩，地势自西北向东南倾斜，属于暖温带季风气候，具有显著的温带大陆性季风气候。林州市位于113°37′－114°51′E，35°40′－36°21′N，地处太行山脉东麓，隶属于河南省安阳市。境内主要岩石类型主要是石灰岩，山地和丘陵面积占全县的86%，地势西北高东南低，属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。华池县位于107°29′－108°33′E，36°07′－36°51′N，地处陇东黄土高原，隶属于庆阳市东北部。全县地势北高南低，黄土深厚，梁峁相连，沟壑纵横，高差较大，属于大陆性气候，冬季常吹西北风，夏季多行东南风，冬冷常睛，夏热丰雨。寻甸回族彝族自治县（简称寻甸县），位于102°41′－103°33′E，25°20′－26°01′N，地处云贵高原，隶属于云南省昆明市。全县山区和高寒山区占总面积的87.5%，其岩石类型主要是砂页岩，属于低纬高原季风气候，冬春干旱少雨；夏秋湿润多雨。

通过实地调研了解到，林州市和沂水县属于典型的石质山区，由于岩石较难风化，当地的土层厚度较薄。而寻甸县当地的主要岩石类型为砂页岩，由于其易风化的特点，当地坡耕地土层较厚，和位于黄土高原的华池县类似，属于典型的土质山区。

图1 研究区域分布 Fig.1 Location of the study area

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理

1）梯田实地测量数据

2018 年8－12 月，本研究课题组分别在河南省林州市、山东省沂水县、甘肃省华池县、云南省寻甸县进行梯田实地调研，利用手持GPS 实地定位。共计实地测量141 个梯田田面采样点，主要的测量内容包括梯田的田面宽度、地面坡度、土层厚度、经纬度、海拔等。研究区的调研地点分布情况如表1 和图2 所示。

表1 调研样点分布 Table 1 Distribution of survey samples

图2 梯田实地图像 Fig. 2 Terraced field images

2）遥感影像数据

本研究所利用的遥感影像数据为哨兵 2 号（Sentinel-2A/B）影像，该数据来源于欧洲航天局的“全球环境与安全监测”哥白尼计划（GMES）（网址：https://scihub.copernicus.eu/），其空间分辨率均为10 m，作为提取撂荒耕地的基础数据。

考虑到研究区的主要种植作物及耕作制度，根据当地主要农作物的播种期和封垄期，选取易于分辨植被特征的时期下载遥感影像，将连续两年同时段的遥感影像中农作物的生长情况进行对比，即可分析出研究区连续两年尚未耕种的耕地，及其实际的耕地范围，其中各个研究区的主要农作物类型及选取影像的成像时间及其解译精度如表2 所示。

表2 研究区影像获取时间及分类精度 Table 2 Image acquisition time and classification accuracy in the study area

3）相关统计数据及农户调研数据

统计数据包括2007—2017 年《全国农产品成本收益汇编》其中包括各个省份主要农作物的成本（物质与服务费用、人工成本、土地成本等）、收益等相关信息。

此外，2018 年8—12 月，本研究课题组在研究区进行梯田数据采样时，针对性地调查记录了近两年当地主要农作物类型及其种植情况。并从农业局等有关部门获取了研究区最近几年农作物种植情况资料，用作梯田撂荒提取的辅助材料。

2.2 研究方法

1）山区撂荒耕地的界定及识别

通过查阅相关文献了解到，当前关于撂荒耕地的概念学术界尚无统一定论，部分学者认为耕地闲置一年以上可以定义为撂荒，还有部分学者认为耕地荒芜一季或一季以上的就可视为撂荒[27-29]。本研究认为一年未耕种的耕地有可能是农户的休耕行为，不能简单地将其认定为撂荒耕地。此外，由于本研究的采样区均位于山区坡地，当地的耕地均表现为梯田的形态，所以文中的“撂荒耕地”和“撂荒梯田”不做特定区分。综上所述，本文中的撂荒耕地，即撂荒梯田，是指连续2a 尚未耕种的梯田。

山区撂荒梯田识别方法主要采取实地调研+遥感解译的方式。其中遥感解译的主要步骤包括，①采用欧洲航天局SNAP 软件对4 个研究区的哨兵二号遥感影像进行辐射定标、大气校正等预处理，进行波段融合并导出ENVI 影像；②在ENVI 5.3 中对上述影像进行监督分类，分为林地、耕地、裸地、草地、水域和建设用地6 类，并采用混淆矩阵法对分类结果进行精度验证，其结果如表2 所示，16 期遥感影像的解译总体分类精度介于78.11%～93.12%之间，在此基础上通过后期的人工目视解译，可以满足本研究的要求；③在每个研究区的梯田采样点周围生成500 m 缓冲区作为影像采样区，利用影像采样区矢量结果对监督分类结果进行裁剪，得到采样区的影像解译结果；④结合影像特征及实地调研情况，并参照Google 高分影像图对监督分类结果进行人工目视解译，最后得出采样区的土地利用现状图。

撂荒梯田识别的具体步骤如下：梯田撂荒之后一般会表现为裸地的特征，而少部分长期撂荒的梯田则可能会转化为草地，因此将采样区解译结果和哨兵2 号影像叠加，并结合临近时期的Google Earth 高分辨率影像以及实地调研情况将裸地及带有田块特征的草地进行认定为当年未耕种的梯田。将连续2a 未耕种的梯田叠加分析，其重合部分即可认定为撂荒梯田。最后，结合实地调研中获取的采样区梯田农作物种植情况，对遥感解译结果进行适当修正，最终得出各研究区的采样区域撂荒梯田范围（图3）。

2）梯田撂荒率的计算

根据前文对撂荒梯田的界定，并参考部分学者对撂荒率计算的方法[1]，本文中的撂荒率是以研究时期内全部梯田面积（包括撂荒的梯田面积、正在种植的梯田面积，不包括退耕还林还草以及作为其他用途的梯田）作为分母，撂荒梯田的面积作为分子，其计算公式如下

式中RT为某一研究时期的梯田撂荒率，%；Aa、Ac 分别为当年撂荒的梯田面积以及尚未撂荒的梯田面积，hm2。

图3 山区撂荒梯田提取流程 Fig.3 Extraction process of abandoned terrace in mountainous area

3 结果分析

3.1 研究区梯田撂荒现状

采用监督分类+实地调研+人工目视解译的方法对4个研究区中各个影像采样区进行遥感解译，并在解译结果中提取出撂荒梯田分布范围（图4），其中各个采样区影像撂荒情况以及其中采样点梯田的基本参数如表3 所示（由于华池县和寻甸县属于土质山区，土层深厚，难以实地勘测当地梯田的土层厚度，因此文中的分析不涉及上述2 个研究区的土层厚度数据）。

表3 研究区梯田基本参数及撂荒现状 Table 3 Basic parameters of terraced fields in study area and the status of abandoned land

图4 部分采样区撂荒梯田提取结果 Fig.4 Extraction results of abandoned terraces in part of the sampling area

分析结果表明，沂水县、林州市、华池县、寻甸县4县采样区梯田的平均撂荒率分别为 4.11%、7.68%、24.03%、9.46%。其中，沂水县、林州市和寻甸县梯田的撂荒率较低，均在10%以下，而华池县采样区的梯田撂荒率高达24.03%。

3.2 工程设计视角下山区梯田撂荒影响因素分析

一般而言，山区梯田的撂荒主要受到两方面因素的影响，一是梯田的自然资源禀赋，梯田修建时，土层厚度、地面坡度等因素是制约梯田宽度的主要自然地理因素，而梯田宽度过窄的话则会导致无法机械化耕种，也就不能规模经营，容易被边际化，因此更容易发生撂荒。二是梯田的利用方式、收益水平，以及当地的社会经济发展水平等一系列社会经济因素。

梯田根据断面形式不同，可分为水平梯田、坡式梯田、隔坡式梯田、反坡梯田等多种形态。而水平梯田在我国的分布最为广泛，本研究的4 个研究区的梯田类型均为水平梯田。水平梯田建设作为改造坡地、控制水土流失、建设基本农田的措施，是可以通过改变局部地形实现的。根据国家标准GB/T 16453.1—2008《水土保持综合治理技术规范坡耕地治理技术》，水平梯田的断面示意图[30]如图5 所示。

图5 水平梯田断面示意图 Fig.5 Schematic diagram of horizontal terraces

从梯田工程设计的角度来看，山区梯田的建设只有符合当地的自然地理条件才能最大限度地发挥其功能。梯田断面设计首要考虑的因素是：设计合适的田面宽度，以满足机耕和灌溉的需要。田面净宽偏窄，将难以满足小型农业机械作业的要求；田面净宽过宽，将增大土方量和用工量，增加了项目区的建设成本。所以，在水平梯田修建时，其基本原则是：其田面宽度应尽可能地满足小型农业机械耕作的要求。在这种情况下，理论上可以保证耕作、种植施肥、田间管理机械的正常运行，提高机械化程度的效率，方便后期的经营管理。

图6 小型农业机械耕作转弯示意图 Fig.6 Schematic diagram of small agricultural machinery farming turning

由小型农业机械耕作转弯示意图（图6）可知，在满足小型机械机耕的条件下，梯田的最小宽度，K = 2 (R +L)。因此，通过理论分析可知，对于山区的梯田而言，梯田越窄，则越难满足机械化耕作的要求，因此可能越容易发生撂荒的情况。

对4 个县的梯田采样区域进行遥感解译，分析其梯田撂荒率及梯田宽度的关系，其结果如图7 所示。

由结果可知，4 个研究区域中，沂水、林州、寻甸的梯田撂荒率和梯田宽度均呈现出比较明显的负相关趋势，梯田田面宽度越窄，则其撂荒率越高。而华池县的梯田宽度和撂荒率的相关关系不明显，究其原因，主要是华池县梯田较宽，其梯田的平均田面宽度普遍在10m以上，相对而言更容易实现机械化。因此，梯田的田面宽度则不再是影响其撂荒的主要因素。在这种条件下，区域社会经济发展水平、农产品成本收益情况以及相关政策等一系列的社会经济因素则是影响华池县梯田撂荒的主要因素。

前文分析可知，梯田宽度与其撂荒情况存在明显的相关关系。而根据水平梯田断面示意图（图5）可以推断，地面坡度和土层厚度是制约梯田宽度的最主要的自然地理因素。一般而言，土层越薄、坡度越大，则梯田的宽度越窄。通过对研究区实地勘测印证了这一点。4 个研究区梯田采样点的地面坡度及梯田宽度的散点图如图8 所示。从图中可以明显地看出，4 个研究区域中，地面坡度和梯田宽度均呈现出明显的负相关关系，地面坡度越大，则梯田宽度越窄。

图7 采样区梯田宽度与撂荒率关系 Fig.7 Relationship between terrace width and abandonment rate in sampling area

在以华池县和寻甸县为代表的土质山区，由于土层深厚（华池县所在的黄土高原地区土层一般可达数十米深），一般土层厚度不会作为梯田的宽度的限制因素，而在土层较薄的石质山区，土层厚度则会显著影响梯田的宽度，一般而言，土层厚度越厚，则建设的梯田所能达到的宽度越宽。因此，本文主要以林州市和沂水县为代表的石质山区为例，分析土层厚度对梯田宽度的影响，采用Excel 软件对林州市和沂水县的相关实地调研数据进行处理，得出其梯田宽度与土层厚度之间存在的数量关系（图9）。分析结果表明，属于石质山区的沂水县和林州市的梯田宽度和土层厚度均呈现出一定程度的正相关的关系。

图8 山区梯田宽度和地面坡度关系 Fig.8 Relationship between terrace width and ground slope in mountainous areas

图9 山区梯田宽度和土层厚度的关系 Fig.9 Relationship between terrace width and soil thickness in mountainous areas

上述分析表明，以林州和沂水为代表的石质山区，梯田的田面宽度受土层厚度和地面坡度的制约。而以寻甸县和华池县为代表的土质山区，由于土层较厚，因此土层厚度不再是梯田宽度的制约因素，地面坡度是制约梯田宽度的主要自然地理因素。在地面坡度和土层厚度的制约下，山区梯田修建的宽度受到影响，并进一步影响着山区梯田的撂荒。

4 讨论

本研究通过实地调研、遥感解译的方法分析了山区梯田撂荒现状，并从梯田工程设计的角度对山区梯田撂荒的影响因素进行了分析。但除了上述因素以外，区域社会经济发展情况，农产品收益水平以及地方政策等一系列社会经济因素也会在一定程度上影响山区梯田的撂荒情况。据研究区实地调研情况可知，由于山东省沂水县拥有生姜这一优势产业，再加上长期以来小麦、玉米等粮食作物的收益水平较低（图10）。因此，当地很少种植粮食作物，一般农户仅种植少量玉米供自家使用。尽管地处花岗岩石质山区的沂水县梯田宽度较窄，但得益于生姜等经济作物的单位面积的收益尚可，当地的梯田撂荒情况并不多见，研究样区的梯田平均撂荒率仅4.11%。相反的是，尽管华池县梯田田面宽度较宽，一般均在10 m 以上，但由于当地主要农作物是玉米，其收益水平相对较低，因此，当地梯田仍存在大量撂荒的现象，华池县研究样区的平均撂荒率达24.03%，为4 个研究区的最高水平。

图10 2006—2016 年山东省玉米和小麦单位面积净利润 Fig.10 Net profit per unit area of maize and wheat in Shandong Province from 2006 to 2016

在调研过程中，通过对比林州市耕地新增项目修建的梯田和农民人工修建的梯田，可以发现，农民为了减少成本，其自发修建的梯田一般均位于坡度较缓的地区，这能在一定程度上降低梯田建设的成本，尽管这些梯田的土层厚度相对较薄，梯田周边设施不够完善，但其利用程度相对较高；而政府新增耕地项目修建的梯田一般位于海拔较高、地面坡度较大的地区，修建时需要较大的工程量，在耕地占补平衡政策的支持下，仍然通过人工客土的方法修建成田面较宽、土层较厚的梯田，但这种方式的成本较高，据林州市新增耕地项目负责人介绍，当地新增耕地的造价约300×103元/hm2。在如今技术、经济、政策条件均满足的情况下，绝大多数地区都可以修建出优质梯田，但梯田修建之后是否会被撂荒，这才是更值得我们关注的问题。“十三五”规划建议提出了实施藏粮于地、藏粮于技战略，体现出中央对确保粮食产能的高度重视，更体现出确保产能的粮食安全新思路。在未来，仅仅单纯地依靠新增耕地并不一定能够有效的保障粮食安全，因此，藏粮于技则显得尤为重要。

本研究应用10m 分辨率的哨兵2 号影像进行遥感解译并结合实地调研情况提取撂荒梯田信息，受遥感影像分辨率限制，部分草地和农作物可能较难区分。针对此问题，本研究借助临近时期的Google 高分影像进行辅助验证，但这种方式会花费大量的人力与时间，在今后的研究中，可以考虑采用其他空间分辨率更高、光谱信息更为丰富的遥感数据源进行解译，以便更大程度减少上述类似的误差。此外，进行研究区及调研点选取时，由于时间和精力有限，选择研究区和调研样点的数量不够丰富。山区梯田的撂荒除了受到本文分析的地面坡度、土层厚度等自然地理因素以及农产品经营收益等经济学因素的影响以外，还可能会受到灌溉条件、城镇化发展水平、地方政策水平等其他因素的影响，但因目前获取的资料有限，上述因素并未进行具体分析。针对上述问题，在后期会进一步丰富研究区和样点数量及相关数据资料，进行更加深入地研究。

山区梯田的修建应因地制宜。中国山区已经开发过度，适合开发的后备资源更是已经殆尽，大多数新建梯田是过去开发剩下的所谓未利用地，其自然资源禀赋更差，将来极有可能发生撂荒。因此，笔者认为山区梯田的建设应主要依据当地的自然地理条件，对于土层厚度较薄、坡度较大的地区，不必花费大量人力物力继续修建梯田。