楊榮娟，劉 洋，閔慶文劉榮高焦雯珺

劉某承1，李禾堯1，2，賀獻林3

（1. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；2. 中國科學院大學，北京100049； 3. 涉縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北涉縣056400）

0 引言

農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)是人類適應(yīng)自然的長期農(nóng)業(yè)活動中所創(chuàng)造的“活態(tài)”、“復(fù)合”的技術(shù)與知識集成［1］?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展在提高生產(chǎn)力［2］的同時導(dǎo)致了環(huán)境破壞、生態(tài)多樣性減少、食品安全等問題［3-4］，引發(fā)了人們對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的反思和對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的關(guān) 注［5］。2002年，世界糧農(nóng)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）發(fā)起了全球重要農(nóng)業(yè)遺產(chǎn)項目（Globally Important Agricultural Heritage Systems，GIAHS），引導(dǎo)對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式的保護［1，6］。農(nóng)業(yè)景觀作為農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的主要內(nèi)容之一，是系統(tǒng)實現(xiàn)生物多樣性保護、糧食生產(chǎn)和文化傳承等功能的重要承載體［1，7-8］。研究遺產(chǎn)地景觀結(jié)構(gòu)和特征，充分認識景觀的演變特征和驅(qū)動機制，對保護和發(fā)展農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)具有重要意義。

梯田景觀作為一種重要的農(nóng)業(yè)景觀，是山區(qū)居民治理坡耕地水土流失、保障山區(qū)糧食生產(chǎn)的有效措施，具有生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益［8-9］。我國是世界上最早修建梯田的國家之一，在南方丘陵、西北黃土高原和華北山區(qū)分布有大量的稻作梯田和旱作梯田［10-11］。目前我國已有多個稻作梯田系統(tǒng)列入全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)，如云南紅河哈尼梯田、福建尤溪聯(lián)合梯田、廣西龍勝龍脊梯田等［12］。學者們針對稻作梯田，從梯田系統(tǒng)的生態(tài)特征［13］、景觀空間格局［14］、文化內(nèi)涵、旅游價值［15］等多方面展開了研究，并提出挖掘農(nóng)業(yè)遺產(chǎn)的歷史文化內(nèi)涵、發(fā)展農(nóng)業(yè)生態(tài)產(chǎn)品、開展文化旅游等梯田保護和發(fā)展措施［2］。但當前研究多關(guān)注遺產(chǎn)地的景觀現(xiàn)狀，缺乏對遺產(chǎn)地景觀演變特征的研究，這制約了對系統(tǒng)動態(tài)發(fā)展的認識，影響遺產(chǎn)保護和利用的科學性。Landsat等高分辨率遙感影像提供了1980年以來30 m分辨率的衛(wèi)星觀測，為定量化研究景觀要素結(jié)構(gòu)特征及其空間分布關(guān)系提供了數(shù)據(jù)支撐，已被用于梯田的景觀空間格局現(xiàn)狀研究［16-17］?；陂L時間序列遙感影像的景觀格局分析，能夠進一步掌握景觀要素和景觀格局的動態(tài)變化過程，揭示遺產(chǎn)地景觀演變規(guī)律，為農(nóng)業(yè)景觀遺產(chǎn)的保護和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

河北涉縣分布著27萬km2旱作石堰梯田，其修筑歷史最早可追溯到1290年，是當?shù)厣矫襁m應(yīng)和改造缺水少土的自然環(huán)境的一大創(chuàng)舉，也是北方旱作石堰梯田的杰出代 表［18-19］。河北涉縣旱作石堰梯田系統(tǒng)于2014年被列為“中國重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)”，目前已成為全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)遴選地。文章從農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)角度出發(fā)，分析遺產(chǎn)地的梯田景觀形態(tài)特征、空間分布和結(jié)構(gòu)特征，基于Landsat衛(wèi)星影像提取并分析1990—2017年的景觀演變，并結(jié)合自然與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)探討景觀演變的驅(qū)動機制，以期為當?shù)赜行ПＷo和合理開發(fā)旱作石堰梯田景觀提供定量數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

涉縣位于河北省西南部（36°17′N～36°55′N，113°26′E～114°E）（圖1），地處晉冀豫3省交界處，是太行山地區(qū)典型全山地區(qū)。區(qū)內(nèi)海拔在200～1 600 m，坡度最大達66°，清漳河和濁漳河貫流全境。涉縣地屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，年均溫12.4℃，多年平均年降水量540.5 mm，降水多集中于7、8月份，夏季雨澇災(zāi)害頻發(fā)而其他季節(jié)干旱少雨。遺產(chǎn)地位于涉縣東南部的井店鎮(zhèn)、更樂鎮(zhèn)和關(guān)防鄉(xiāng)，分布著涉縣乃至整個太行山規(guī)模最大、分布最為密集的旱作石堰梯田景觀，包括井店鎮(zhèn)15個行政村、更樂鎮(zhèn)15個行政村和關(guān)防鄉(xiāng)全部16個行政村，土地總面積204.35 km2。相較于涉縣其他地區(qū)，該區(qū)山勢陡峭，缺水少土，所有耕地均為旱作石堰梯田。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)

該文使用的影像主要包括涉縣土地利用數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)。涉縣土地利用原始數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，包括1990、2000、2010和2017年4期。該數(shù)

圖1 遺產(chǎn)地位置示意圖Fig.1 The location of the study area

據(jù)基于Landsat影像目視解譯獲得，空間分辨率為30 m，分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6個地類。遺產(chǎn)地未利用土地斑塊面積極小、分布零散，多鄰近草地，而區(qū)內(nèi)河流為季節(jié)性，在枯水期為河灘地。根據(jù)遺產(chǎn)地土地利用特點對各類用地進行了歸并，將未利用土地歸為草地，將遺產(chǎn)地分為梯田、林地、草地、河流/河灘地、建設(shè)用地等5類。為了提高分類數(shù)據(jù)的質(zhì)量，結(jié)合Google Earth高分辨率影像、歷史Landsat影像和實地調(diào)研，通過對林地、草地誤判區(qū)域的重分類和破碎梯田的識別，對數(shù)據(jù)進行修正，提高土地利用數(shù)據(jù)的分類精度。

另外，為探討涉縣旱作石堰梯田景觀演變的驅(qū)動力，從涉縣氣象局獲取涉縣氣象站（36.34°N，113.4°E）1990—2017年每日降水和氣溫數(shù)據(jù)，并從邯鄲市統(tǒng)計年鑒和涉縣的縣區(qū)統(tǒng)計資料獲取勞動力等社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，部分社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于知網(wǎng)空間共享的統(tǒng)計年鑒等資料［20］。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移分析法

土地利用類型間轉(zhuǎn)移矩陣能夠直觀地反映研究區(qū)不同土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化，并且對類型間的轉(zhuǎn)化量進行定量化描述。其計算公式為［21］：

式（1）中，Nt和Nt+Δt分別為t和t+Δt時刻的狀態(tài)向量，p為轉(zhuǎn)化概率矩陣。pij（0≤pij≤1）為從t到t+Δt時刻斑塊類型i轉(zhuǎn)化為斑塊類型j的概率，斑塊發(fā)生轉(zhuǎn)化時保持總面積不變，只發(fā)生內(nèi)部轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化概率和為1。

2.2.2 景觀指數(shù)

利用Fragstats軟件基于土地利用數(shù)據(jù)分別計算不同時期的景觀指數(shù)（表1），通過分析景觀面積、形狀和結(jié)構(gòu)變化，揭示遺產(chǎn)地石堰梯田景觀特征隨時間演變的規(guī)律。為了反映梯田及其他各類型景觀的空間分布特征變化，在類型水平上選取斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊面積指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、斑塊破碎度指數(shù)（SPLIT），在景觀水平上選取香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）和蔓延度指數(shù)（CONTAG）對各類型景觀的特征和系統(tǒng)內(nèi)景觀多樣性變化進行定量描 述［22］。

表1 景觀指數(shù)與含義Table 1 Landscape index

3 結(jié)果與分析

3.1 石堰梯田景觀特征

3.1.1 景觀形態(tài)特征

我國的梯田以西南、黃土高原、青藏地區(qū)和華北山區(qū)分布最為集中［23］，主要包括南方丘陵地區(qū)的稻作梯田和西北、華北地區(qū)的旱作梯田（表2），梯田隨地理環(huán)境和氣候差異呈現(xiàn)不同的形態(tài)特征［24］。稻作梯田分布在亞熱帶季風氣候區(qū)，海拔跨度大，為 200～2 000 m，區(qū)域降水豐沛，梯田多以土為?。O少數(shù)地區(qū)以土石混合的方式筑?。锩嫫秸?、土層較厚，田間有季節(jié)性水覆蓋，種植水稻為主。西北黃土高原上分布的土埂梯田和河北涉縣旱作石堰梯田是我國旱作梯田的典型代表，種植旱作作物為主。土埂梯田主要分布在溫帶半干旱氣候區(qū)，海拔為1 500～2 600 m［19］，黃土層深厚而降水稀少，田、埂一體，梯田弧線完整而連續(xù)。涉縣旱作石堰梯田地處溫帶大陸性季風氣候區(qū)，降水有限，石灰?guī)r山坡地土層稀薄，“疊石相次，包土成田”［18］，以石灰石堆砌而成的灰白色石埂和田間鑲嵌的石庵子為典型特征。

表2 我國稻作和旱作梯田系統(tǒng)對比Table 2 Comparison of rice terraces and dryland terraces system

3.1.2 景觀結(jié)構(gòu)特征

遺產(chǎn)地由高至低形成了“山頂林地—灌叢—石堰梯田—村落—河流/河灘地”的復(fù)合景觀結(jié)構(gòu)（圖2），這種結(jié)構(gòu)是當?shù)鼐用耖L期適應(yīng)和改造當?shù)厝蓖寥彼h(huán)境的產(chǎn)物，實現(xiàn)了當?shù)赜邢匏临Y源的充分利用和保護。山谷中的河流為系統(tǒng)提供水源；村落分布在地勢平坦的溝谷地帶，保存了極具特色的石板街和石頭房屋，臨近梯田與河流，便于梯田的管理和日常生活；梯田沿村落邊緣向海拔更高的山地延伸，田中散布有方便田間野炊的石庵子，70%以上的坡面都得到了充分利用［18］，在生產(chǎn)糧食的同時，實現(xiàn)了水土保持和生物多樣性保護的功能；山頂海拔高達1 142 m，地形更為陡峭，一般為森林和灌叢，具有加固水土、涵養(yǎng)水源的作用。系統(tǒng)各景觀要素密切相關(guān)、和諧共處，在水土資源有限的太行山區(qū)發(fā)揮了保持山地水土、提升糧食產(chǎn)量和承載農(nóng)業(yè)文化等重要 功能。

圖2 涉縣旱作石堰梯田遺產(chǎn)地景觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Landscape structure of Shexian stone-ridge terraces heritage site

3.2 石堰梯田景觀演變分析

3.2.1 梯田分布及面積變化

2017年Landsat遙感影像顯示，遺產(chǎn)地石堰梯田面積達27.68 km2，主要分布在沿河谷的山坡上（圖3）。遺產(chǎn)地優(yōu)勢土地類型為林地和石堰梯田，分別占遺產(chǎn)地土地總面積的77.4%和13.6%；草地、建設(shè)用地和河流/河灘地分別占4.6%、2.8%和1.6%。井店鎮(zhèn)王金莊5個村和更樂鎮(zhèn)張家莊5個村的石堰梯田最為連續(xù)密集；關(guān)防鄉(xiāng)的石堰梯田散布在溝谷間，主要分布在東北部的后池村、前池村以及東南部的嶺底村。

遺產(chǎn)地土地利用分布圖表明，林地和梯田是遺產(chǎn)地兩大優(yōu)勢景觀，隨著時間的推移，梯田和林地的優(yōu)勢地位發(fā)生了變化：20世紀90年代，林地和草地是遺產(chǎn)地的兩大主要土地覆蓋類型；2000年以后，草地大幅度縮減，梯田成為遺產(chǎn)地的第二大景觀類型；林地的優(yōu)勢地位更加突出，成為遺產(chǎn)地面積最大的景觀類型［25］。

圖3 1990、2000、2010、2017年涉縣旱作梯田遺產(chǎn)地土地利用分布Fig.3 Distribution of land use in Shexian stone-ridge terraces heritage site in 1990、2000、2010 and 2017

各類型景觀面積統(tǒng)計（圖4）顯示，1990年以來，旱作梯田農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地的土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變：1990年以來，梯田面積不斷縮減，面積由49.874 km2減少到27.682 km2；林地面積顯著增大，由69.242 km2增至158.204 km2；草地面積由80.088 km2銳減為9.451 km2；建設(shè)用地不斷擴張，由2.140 km2增至5.819 km2；河灘地無明顯變化。

圖4 1990、2000、2010、2017年涉縣旱作梯田遺產(chǎn)地各時期景觀類型面積統(tǒng)計Fig.4 Landscape type area statistics of Shexian stone-ridge terraces heritage site for various periods in 1990、2000、2010 and 2017

3.2.2 景觀轉(zhuǎn)移特征分析

根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)計算的3個時期土地利用類型間轉(zhuǎn)移矩陣（表3）表明，20世紀末遺產(chǎn)地的地類之間整體上轉(zhuǎn)移現(xiàn)象較少。96.73%（48.25 km2）的旱作梯田保持穩(wěn)定，1.53%（0.76 km2）的梯田轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，占2000年建設(shè)用地面積的25.93%，是建設(shè)用地擴張的主要來源。其間最顯著的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象發(fā)生在林地和草地之間，10年有58.97%（47.23 km2）的草地轉(zhuǎn)化為林地。

21世紀以來，各地類之間的相互轉(zhuǎn)移現(xiàn)象顯著加劇。2000—2010年，旱作梯田面積大幅度縮減，26.40%（12.77 km2）的梯田轉(zhuǎn)換為林地，是梯田縮減最主要的形式，占轉(zhuǎn)出梯田面積的64.43%；建設(shè)用地面積迅速增長，2.32%（1.12 km2）的旱作梯田被建設(shè)用地擴張侵占；11.41%（5.52 km2）的梯田拋荒為草地。2010—2017年，旱作梯田面積持續(xù)縮減，有40.76%（17.55 km2）的梯田轉(zhuǎn)換為林地，占轉(zhuǎn)出梯田面積的79.31%；3.05%（1.10 km2）的梯田轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，占2017年建設(shè)用地面積的18.92%；另有7.56%（2.73 km2）的梯田拋荒為草地。同時有3.51 km2（16.27%）的草地和6.41 km2（4.61%）的林地開墾為梯田，梯田總面積仍在下降。

表3 1990—2017年涉縣旱作梯田遺產(chǎn)地景觀類型間轉(zhuǎn)移矩陣 Table 3 Land use type transfer matrix of Shexian stone-ridge terraces heritage site from 1990 to 2017 km2

3.2.3 景觀格局演變分析

景觀格局指數(shù)顯示，28年來涉縣旱作石堰梯田遺產(chǎn)地梯田、草地和林地變化顯著（圖5）。梯田景觀和草地景觀斑塊平均面積（圖5b）和最大斑塊指數(shù)（圖5c）減小、而斑塊密度（圖5a）和形狀指數(shù)（圖5d）增大，表明其受到人類活動影響破碎化程度增加，斑塊形狀趨向復(fù)雜化，其中草地隨著林地擴張破碎化程度增加趨勢最為顯著。林地最大斑塊指數(shù)顯著增大、形狀指數(shù)減小、斑塊破碎度最低，表明林地景觀斑塊形狀簡單，破碎化程度低且優(yōu)勢地位增強。建筑用地最大斑塊指數(shù)和形狀指數(shù)增大、斑塊破碎度顯著減小，這表明建筑用地擴張過程中破碎化程度降低，但斑塊形狀趨向復(fù)雜化。河流/河灘地受到人類活動干擾較小，幾乎維持不變。

圖5 1990、2000、2010、2017年涉縣旱作梯田遺產(chǎn)地景觀指數(shù)變化Fig.5 Landscape index of Shexian stone-ridge terraces heritage site in 1990、2000、2010 and 2017

遺產(chǎn)地整體景觀格局也發(fā)生了顯著變化。多樣性指數(shù)（SHDI）和均勻度指數(shù)（SHEI）持續(xù)減小，這主要是因為林地不斷擴張和草地縮減導(dǎo)致遺產(chǎn)地土地利用類型趨于

簡單化，且各類景觀斑塊的分布不均勻［24］。蔓延度指數(shù)（CONTAG）大于50且有上升趨勢，表明林地、梯田等優(yōu)勢景觀斑塊間的連通性良好。

3.3 景觀演變驅(qū)動要素分析

農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)是人與自然協(xié)調(diào)下形成的動態(tài)性復(fù)合系統(tǒng)，系統(tǒng)景觀受人類活動和自然要素影響會發(fā)生演變［25-26］。當?shù)鼐坝^變化與相關(guān)政策實施高度吻合，說明政策可能是景觀演變的重要驅(qū)動要素。涉縣在20世紀末響應(yīng)太行山綠化工程開展植樹造林活動，21世紀初期全縣域?qū)嵤┩烁€林［27］。同時期氣溫略微升高，降水保持穩(wěn)定（圖6），這有利于樹苗存活和生長，有助于退耕還林等政策的順利推進，使得遺產(chǎn)地大量草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀糠趾底魈萏镆厕D(zhuǎn)變?yōu)榱值?，森林景觀的優(yōu)勢地位加強。同時，遺產(chǎn)地也經(jīng)歷了城鎮(zhèn)化發(fā)展，建設(shè)用地擴張入侵臨近的梯田用地，也是導(dǎo)致石堰梯田景觀面積縮減的一個因素。

圖6 1990—2017年涉縣氣溫和降水變化（a）年平均氣溫（b）年降水量和暴雨頻次變化Fig.6 Changes of temperature and precipitation in Shexian from 1990 to 2017

勞動力是與梯田聯(lián)系最為緊密的社會因素，遺產(chǎn)地勞動力統(tǒng)計數(shù)據(jù)（圖7）顯示，當?shù)貏趧恿Y(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻變化，2000年后農(nóng)林牧漁業(yè)勞動力顯著減少，非農(nóng)勞動力增加。區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展促使地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和勞動力結(jié)構(gòu)調(diào)整，青年一代農(nóng)業(yè)勞動力向外流失，這導(dǎo)致梯田荒置現(xiàn)象增多。另外，涉縣夏季降水集中，暴雨可能引發(fā)洪澇災(zāi)害（圖6b），造成梯田石堰損毀，勞動力流失也導(dǎo)致?lián)p毀梯田得不到及時維修進而荒廢。

圖7 1990 —2016年涉縣旱作梯田遺產(chǎn)地勞動力變化Fig.7 Changes of labor in Shexian dryland stone-ridge terrace system heritage site from 1990 to 2016

4 結(jié)論與討論

該文分析了涉縣旱作梯田農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地的梯田形態(tài)特征、景觀分布和結(jié)構(gòu)，探討了1990 —2017年景觀演變及其驅(qū)動因素。

（1）涉縣旱作石堰梯田作為山民長期適應(yīng)和改造當?shù)亍叭彼?、少土、多石”的自然環(huán)境形成的復(fù)合型活態(tài)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)，具有以石作埂、田間土石混合、土層薄等獨特形態(tài)特征；

（2）遺產(chǎn)地形成了“山頂林地—灌叢—石堰梯田—村落—河流/河灘地”的景觀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是當?shù)鼐用耖L期適應(yīng)和改造當?shù)厝蓖寥彼h(huán)境的產(chǎn)物，實現(xiàn)了當?shù)赜邢匏临Y源的有效利用和保護；

（3）1990年以來，遺產(chǎn)地景觀發(fā)生了深刻變化，梯田和草地面積減少，林地面積顯著增加，建設(shè)用地擴張。旱作石堰梯田景觀作為遺產(chǎn)地的重要景觀類型，與其他景觀之間轉(zhuǎn)換關(guān)系密切，面積占比由1990年的24.41%減少到2017年的13.55%，主要轉(zhuǎn)出為林地和建設(shè)用地；

（4）涉縣旱作石堰梯田景觀系統(tǒng)景觀整體多樣性和景觀均勻度持續(xù)降低。森林景觀優(yōu)勢地位不斷增強，梯田景觀擴張，而梯田和草地景觀面積和斑塊密度不斷減小、景觀破碎度加?。?/p>

（5）遺產(chǎn)地景觀演變主要由人為因素驅(qū)動，“退耕還林”政策、城鎮(zhèn)化發(fā)展等是當?shù)鼐坝^變化的主要驅(qū)動因素。

涉縣旱作梯田景觀正面臨面積縮減［28］、梯田撂荒等威脅。對于農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地來說，旱作石堰梯田景觀保護是農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)保護的重要內(nèi)容［11］，林地的適度增加有助于山地水土保持和水源涵養(yǎng)，但應(yīng)注意保證梯田景觀的穩(wěn)定性和規(guī)模。在后續(xù)梯田開發(fā)利用過程中［29-30］，應(yīng)建立健全梯田管理體系，盡力維護旱作梯田景觀的連續(xù)性和穩(wěn)定性，激勵當?shù)鼐用窬S護傳統(tǒng)旱作梯田耕作方式。