三峡库区腹地既是三峡移民区，又是生态环境敏感区，还是全国贫困集聚区^[1]，也是库区水环境保护的红区^[2]，故成为众多学者们的研究热点。三峡库区坡耕地面积占耕地面积70%以上，坡度较大，一般在20°以上，部分县25°以上的坡耕地占总耕地的面积大于50%^{[3, 4]}。关于坡耕地退耕压力和粮食安全的研究表明三峡库区存在明显粮食安全隐患的地区主要分布在巫溪、巫山、奉节、云阳、开县、石柱、兴山、武隆等地，这些县山高坡陡，自然条件差、交通不便，超过一半面积坡耕地受到退耕压力的影响^[5]；在退耕压力指数为40%时潜在环境移民数量高达89 万^[6]；还有研究认为库区腹地耕地数量承载力总体超载205.09 万人^[7]；也有研究认为这些区域水土资源承载潜力较大，处于可盈余承载或向可盈余承载转化状态^[8]。经测算三峡库区坡耕地占耕地比重超过40%的村级单元的平均耕作半径约为1.5 km^[9]，纯农户弃耕主要基于家庭及自身条件，由于年龄、健康状况等方面处在劣势，迫不得已而选择将离家远、耕作条件差的耕地弃耕^[10]。

陡坡耕地是土壤侵蚀源^[11]，也是土地压力的直接反映，陡坡耕地和生态建设用地之间的进退很大程度上决定了未来区域生态环境的变化方向，是协调库区腹地人地关系的核心^[1]。一方面，库区腹地坡耕地大量存在，另一方面库区腹地>25°的陡坡耕地全部退耕还林难度很大，也不现实^[12]，同时还存在农户自发弃耕撂荒现象^[13]。但目前相关研究内容集中在耕地数量演变、坡耕地利用的水保措施，关于坡耕地退耕虽也涉及到，但是只探讨到退耕压力空间分布与粮食安全层面，意识到了陡坡耕地存在的严重性采取了相应的水保措施，对有限的坡耕地如何优化利用与调控仍缺乏深入研究。坡耕地优化退耕时如何才能准确定位落实到每个坡耕地斑块？如何把库区腹地坡耕地形成的内在机理、演变过程与机制及与生态退化恢复耦合协进的机制落实到空间优化调控？如何把农户的需求愿望与坡耕地优化结合起来？坡耕地优化之所以一直未见立竿见影的效果归结起来缺乏的是一套坡耕地优化调控的合理体系和方法。因此，在库区腹地生态建设、土壤侵蚀防治、土地管理、新农村建设等多方面需求背景下，有必要深入探讨库区腹地不同地域特征下坡耕地优化调控的理论与方法。鉴于此，本文以库区腹地典型小流域为例，研究库区腹地坡耕地数量优化和空间格局优化配置的理论与方法，旨在为库区腹地坡耕地优化调控提供理论依据和技术手段。

坡耕地开垦受自然、社会、经济和环境等因素的综合影响，随着人口迅速增长，山地稀缺的土地资源和脆弱的生态环境即会产生瓶颈作用，最突出的就是陡坡开垦，生态迅速恶化^[14]。库区腹地的地域特征空间变化大，既集中了经济欠发达、生态脆弱、人口过剩等西部地区的普遍性，又具有处于城乡统筹发展经济试验区、长江上游生态屏障区以及三峡工程、移民大区等诸多特殊性。一方面，不同岩石出露区形成不同的地形地貌和土地资源组合格局，另一方面，近20 年来库区腹地土地利用变化的主导驱动因子和社会经济条件也在不断变化。

对库区腹地坡耕地而言，移民开垦、农户生计多样化、常住人口变化、农户自发撂荒和生态建设等多方面的原因都会促使坡耕地格局和数量发生复杂的变化。因此，在了解不同地域特征下坡耕地演变、人口压力、土地撂荒、土地利用结构调整对土地承载力影响的背景下，把坡耕地数量优化和空间优化配置结合起来，有可能在既不增加坡耕地压力，又退耕部分坡耕地，以致达到减少土壤侵蚀，实现社会、经济和生态可持续发展的目标。

库区腹地坡耕地主要分布在海拔高坡度陡的区域，土壤侵蚀严重，生态功能脆弱，农户自发撂荒现象已出现，所以坡耕地优化调控必须结合坡耕地的空间分布格局现状、生态功能以及坡耕地的未来发展趋势，需要把坡耕地的空间优化适宜性和供需压力需求结合起来，具体有以下原则：

(1)退耕后耕地压力不增加；

(2)坡耕地适宜耕作、无生态退化且方便农户耕作；

(3)考虑经济林对土地承载力的补充作用，尊重农户意愿；

(4)数量调控与格局优化相结合；

(5)落实到斑块，确定每一坡耕地斑块的优化调控类型；

(6)通过情景分析得出比选方案。

(1)坡耕地数量结构优化方法

坡耕地压力评价考虑到土地承载力、最小人均耕地面积、人口变迁和聚落的空心化、经济承载力(经济林-果园)对粮食承载力的可能补充情况等，评价各空间单元实际人均耕地面积是否超过最小人均耕地面积、是否有经济承载力的补充及是否有坡耕地撂荒，以评价各单元的耕地压力，揭示坡耕地斑块压力的空间分布。

(2)坡耕地空间优化适宜性方法

选择影响坡耕地的可达性、生态功能重要性和坡改梯的适宜性3个因素层，应用特尔斐法确定各评价指标权重，每个因素层再确定关联性较高的指标层，最终建立坡耕地斑块的空间优化适宜性评价指标体系，评价各单元坡耕地斑块调控等级类型。

(3)斑块水平上坡耕地优化退耕原则

坡耕地退耕后会造成粮食供求关系的空间分异不均，坡耕地优化退耕要注意以下几个方面：(1)退耕坡地空间分布的差异性，导致新的粮食需求的空间差异性。未退耕坡耕地集中的地区，粮食供给能力强，减轻粮食需求压力的能力就越强；如果退耕坡地集中而周围的耕地又少，则粮食需求压力就更显突出。(2)把空间优化适宜性评价结果和实际农户需求压力、农户意愿的空间分布结合起来，综合考虑数量优化和格局优化以确定坡耕地的最终优化结构。

本研究选择草堂溪小流域作为研究区(图 1)。流域面积为191 km²，研究区地层全部为沉积层，以三叠系中统巴东组地层出露较多，该流域的主要地貌类型是低山沟谷或低中山。坡度在15°以上的面积占整个研究区的86.60%，高程在500—1500 m范围内的面积占研究区77.38%。研究区人口密度较大，耕地资源缺乏，主要经济林为脐橙^[15]。

本研究土地利用数据来源于研究区2012 年的高分辨率影像(分辨率为1 m)，用研究区边界进行裁剪后，再运用ArcGIS中的Georeferencing命令进行配准，然后建立矢量化图层进行数字化，提取土地利用信息。根据研究需要和小流域的实际土地覆被情况，把土地利用类型主要划分为坡耕地，撂荒地，有林地，灌木林地，果园，水体，居民点等(图 2)。并于2012 年5 月对样区进行实地野外踏勘，经统计解译精度达到90%。粮食单产、粮食播种比重、复种指数数据来源于奉节县统计年鉴。坡度和坡向则利用ArcGIS 软件的分析功能由DEM生成。

图 1 研究区示意图 Fig. 1 Location of study area in the center region of Three Gorges Reservoir

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图 2 研究区土地利用图 Fig. 2 The land use of study area

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评价因子的标准、分值和权重的确定是整个评价过程最核心的内容。本文把空间优化适宜性评价值分为5 级，用5、4、3、2、1代表适宜程度的高低。坡耕地供需压力评价指标也分为5 级，5到1分别代表无压力到压力最大，根据实际情况和已有相关研究成果，邀请20位相关专家打分，应用特尔斐法确定各评价指标权重，确定评价因子的分级指数，并根据评价指标对耕地适宜程度的重要性确定权重系数(表 2)。分别建立各指标的栅格图层，在此基础上进行图层运算，得到各坡耕地斑块的适宜性等级和压力等级；再根据两者的综合调控等级确定各坡耕地斑块的优化。

根据研究区实际情况，可达性用离道路(为了充分反映农户开垦坡耕地的条件，本文的道路指农用车能通行的乡、村道)和离乡村居民点的距离来衡量；生态功能重要性用退化性(侵蚀程度)、距水体和生态敏感区的距离(用距河流、湖泊和大型林地斑块的距离来表示)；坡改梯的适宜性用坡耕地斑块大小等级、坡向和坡度来评价；各单因子分级是在结合相关研究成果的基础上^[16]，再结合研究区的实际情况来进行(表 1)。

选择耕地压力指数和果园对粮食需求的补充能力(用每个网格内果园面积所占比例来衡量)作为评价指标。

最小人均耕地面积(S_min)采用下式计算^[17]：

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式中,S_min为最小人均耕地面积( hm²/人)，β为食物自给率(%)，Gr为人均食物需求量( kg/人)；P为食物单产(kg/hm²)，q为食物播种面积占总播种面积之比(%)；k为复种指数(%)。式(2)中耕地压力指数K反映最小人均耕地面积与实际人均耕地面积之比^[18]，S 为实际人均耕地面积( hm²/人)，当K≤1时，人均耕地实际值大于最小人均耕地面积值，耕地无明显压力；K＞1时，耕地压力明显，粮食的生产不能保证正常需求。

依据研究区人民生活水平及相关研究资料，将人均粮食需求量定为385 kg；粮食自给率定为1。由于草堂溪小流域不仅包括草堂镇，还包括白帝镇的小部分，该流域人口数据只有实地调查才能获取，本研究借鉴以往学者关于居民点面积和人口数关系的研究成果估算整个流域的人口数^[19]，并拿草堂镇人口统计数据做验证。用公式计算出的草堂镇的人口和统计年鉴相比，经验证准确率达到90%以上。

在蓄水、移民、退耕还林、生态建设的大背景下研究区坡耕地在1990—2007年研究区坡耕地面积的变化总体上呈先增加后减少趋势^[20]。由图 3可知2012年坡耕地在不同坡度带的分布来看，坡耕地主要分布在15—25°坡度带，其次是25—35°坡度带，0—6°坡度带分布面积最小。从高程带上可以看出在500—1000 m高程级别上处于绝对优势地位，0—150 m高程带坡耕地分布面积最小。

撂荒地主要是分布在25—35°坡度带，其次是15—25°坡度带，0—6°坡度带分布面积最小。从高程带上可以看出在500—1000 m高程级别上处于绝对优势地位，其次是1000—1500 m面积最大。据统计撂荒地的斑块平均面积将近0.3 hm²。由此可以看出撂荒地主要分布在坡度陡、海拔高、土壤侵蚀严重、可达性差和生态脆弱的区域，不适宜种植。农户由于开拓别的收入渠道产生了自发撂荒现象，这也可能成为未来库区不适宜坡耕地的一种发展趋势。

图 3 研究区坡耕地和撂荒地在不同坡度下及不同高程下的数量分布 Fig. 3 Distribution of slope-cultivated land and abandoned land under different slope and different elevation in the study area

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以道路和居民点做缓冲区，统计各缓冲区内坡耕地斑块的数量，同时考虑研究区农户的实际耕作半径来进行适宜性分级，最终把离道路和居民点近的赋以高度适宜，以道路和居民点所做的缓冲区的适宜度分级图层乘以各自的权重进行图层运算后，得到坡耕地的空间可达性分布(图 4)。可以看出可达性较好的坡耕地的斑块占优势，坡耕地斑块的可达性高度适宜占18.46%，中度适宜占68.91%，低度适宜11.04%，勉强适宜1.23%，不适宜0.37%，研究区将近80%的坡耕地分布在距道路1500 m以内，离居民点800 m之内，结合研究区的地形可知可达性较低的坡耕地则主要分布在地形较高或者较陡的区域。

用退化性(土壤侵蚀程度)、距水体和大型林地斑块的距离来度量生态功能强弱程度，离水源较近的地方，生产和生活环境较好；土壤侵蚀状况一定程度可以反映土壤质地和土层厚度，表征被开垦为坡耕地的适宜度。由图 5可以看出生态功能较强区域主要分布在河流两侧，离河流越远的生态功能越弱。研究区坡耕地斑块生态功能高度适宜占21.97%，中度适宜占32.75%，低度适宜22.85%，勉强适宜17.07%，不适宜5.35%，高度适宜和中度适宜占到50%以上，说明研究区坡耕地斑块以微度和轻度侵蚀为主，离水体2000 m和大型林地斑块600 m以内的占优势。

选取坡度、坡向、规模(坡耕地斑块大小等级)等指标评价坡改梯适宜性。坡度越大土壤侵蚀作用越明显，水土流失越严重，且越难被改为梯地；坡向反映阳光照射对坡耕地分布的影响，坡向从南到北，坡耕地开垦的适宜度越来越低；坡耕地斑块大相应坡改梯的成本较低。把图 6采取自然断点法进行分类，坡改梯高度适宜占10.51%，中度适宜占16.15%，低度适宜28.56%，勉强适宜29.98%，不适宜14.80%，研究区坡耕地适宜坡改梯的斑块面积不到30%，反映出库区腹地坡耕地的破碎化和陡坡开垦的现象。

把空间适宜性评价结果采用自然断点法分为高度适宜、中度适宜和低度适宜3级(图 7)，研究区高度适宜的坡耕地占36.27%，中度适宜占49.16%，低度适宜占14.56%，研究区坡耕地以中度适宜为主。高度适宜区主要沿河谷两侧分布，低度适宜区主要分布在山高坡陡的离研究区河流较远地区，中度适宜区介于其中。

图 4 研究区坡耕地的可达性评价等级指数 Fig. 4 The accessibility evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

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图 5 研究区坡耕地生态功能评价等级指数 Fig. 5 The ecological function evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

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图 6 研究区坡耕地坡改梯适宜性等级指数 Fig. 6 Terrace suitability evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

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图 7 研究区坡耕地空间适宜性评价等级指数 Fig. 7 Spatial suitability evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

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把耕地压力指数和果园对农户需求的补充能力综合成的数量调控等级(图 8)，采用自然断点法分为压力小、压力中等和压力大3级，研究区坡耕地斑块压力小的占10.25%，压力中等占43.86%，压力大的占45.89%，可以看出农户需求压力大，人口和坡耕地之间的分布耦合性较差，研究区坡耕地进行整治优化调控的任务很紧迫。

图 8 研究区坡耕地供需压力评价等级 Fig. 8 Pressure evaluation class index of slope-cultivated land in the study area

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运用频率突变点划分等级，并结合实地调查资料的验证，采用自然断点法分别把适宜性评价和压力评价分为3级，根据以上空间适宜性和压力分布的分级进行排列组合，将研究区坡耕地斑块划分为4个类型，其中将低度适宜和压力小、低度适宜和压力中等这两种组合的坡耕地斑块归为优先退耕型区；低度适宜和压力大，中度适宜和压力大两种组合归为逐步退耕型；高度适宜和压力大，高度适宜和压力中等两种组合归为重点整治型；高度适宜和压力小、中度适宜和压力小以及中度适宜和中等压力3种组合归为优化利用型(图 9)。

(1)优化利用型斑块 主要分布在河谷里面，大部分该类型坡耕地斑块离道路和居民地较近、土壤质地好退化性不明显且坡度较小、海拔较低，耕地的生产能力强。该类型坡耕地斑块总面积为1327.36 hm²，占总坡耕地的30.5%，说明草堂溪流域尚有较大空间适宜耕地配置利用，但是该类型斑块最大斑块面积达77 hm²，最小才不到0.001 hm²，平均1.01 hm²，斑块特征差异大。应根据该区域坡耕地斑块的大小来调整种植结构，使更多坡耕地处于最佳利用状态。

(2)重点整治型斑块 该类型坡耕地斑块属于格局适宜性等级高，耕地压力大的区域，离道路和居民地较近、土壤质地较好退化性不明显，分布在研究区的北部以及河谷附近。但是坡耕地配置不能满足该区域人口的需求，该类型坡耕地斑块的总面积为1432.58 hm²，占坡耕地总量的32.9%。斑块大小差异较大，对于斑块较大的坡耕地应重点采取耕作技术提高作物产量，并且通过加大农村劳动力转移的力度，缓解人地矛盾，减轻生态脆弱区域的环境压力。

(3)逐步退耕型斑块 适宜性差，离道路和居民地较远、土壤质地较差退化性明显，分布在坡度较陡海拔较低的区域，缺少农业发展的动力支撑；同时粮食需求压力大，该类型坡耕地斑块的总面积为1293.38 hm²，占坡耕地总量的29.7%。斑块大小差异较大，对该区域可以维持其现状，不再新增耕地，同时根据坡耕地斑块特征的不同，采取不同的措施。对于小斑块坡耕地，政府可采取适当的政策和限制发展措施，给予农民相应的补偿，推动耕地与其他经济林进行置换，逐步减少耕地的规模，使其自然衰退。

图 9 研究区坡耕地综合等级指数及坡耕地斑块类型划分 Fig. 9 Comprehensive rating index and patch types division of slope-cultivated land in the study area

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(4)优先退耕型斑块 该类型坡耕地主要分布在地势陡峭，坡度大，农业生产条件差的边缘地带；同时耕地布局分散，规模小，交通不便，不利于耕作，加之该区域压力较小，因此对于该区域应退耕还园、还林、还草，加强生态保护建设。该类型坡耕地斑块的总面积为302.18 hm²，占坡耕地总量的6.9%。

根据综合评价结果，考虑到研究区随研究区社会经济发展和生态建设，坡耕地需要分区分步骤地进行，本文设置4种坡耕地优化退耕情景(图 10)。

情景一 优先退耕型坡耕地斑块全部退耕。优先退耕型属于适宜性较低压力偏小的区域，而且和撂荒地的斑块特征较相似，分布在撂荒地的周边，符合农户的自愿弃耕意愿，这样可以保证在不增加耕地压力的情况下把坡耕地改为草地或者果园，减少土壤侵蚀。

情景二 优先退耕型坡耕地全部退耕和逐步退耕型坡耕地斑块中<0.1 hm²的斑块退耕。逐步退耕型适宜性低且人口对粮食需求压力大，只能采取逐步退耕的方式来减轻土壤侵蚀。逐步退耕型斑块面积呈两极化，逐步退耕型坡耕地斑块平均面积为0.8 hm²，其中<0.1 hm²的斑块属于小斑块，分布较零散。小而零碎的坡耕地斑块宜先退耕，因为这些零碎的小斑块大部分离道路和居民点较远，且分布在坡度大的区域，和撂荒地斑块特征相近，退掉这些小斑块不会增加农户的需求压力。

情景三 随着农户生计多样化和劳动力的析出，可以退掉逐步退耕型斑块中的较小斑块，据统计农户自发的撂荒地斑块平均面积约为0.3 hm²，逐步退耕型坡耕地斑块平均面积为0.8 hm²，考虑到两者的综合情况，所以此情景设置为优先退耕型的坡耕地全部退耕的同时把逐步退耕区<0.3 hm²的坡耕地斑块也退耕。

情景四 优先退耕型斑块全部退耕和逐步退耕型斑块中<0.8 hm²的坡耕地斑块退耕，同时把重点整治型斑块中<0.05 hm²和优化利用区的<0.1 hm²小斑块进行退耕。这样被保留的坡耕地是适宜性较高的重点保护型、优化利用型及逐步退耕型中的较大及大型斑块，有助于坡改梯的可实施性，进而减少土壤侵蚀，恢复生态功能。

图 10 研究区坡耕地退耕情景 Fig. 10 Conversion scenarios of slope-cultivated land in the study area

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由表 3可以看出，情景一到情景四被退掉的坡耕地依次为302、305、395 hm²和600 hm²，被保留下来的坡耕地占坡耕地总面积的百分比依次为93.06%、93.00%、6.19%和86.17%。以第4种退耕情景进行退耕情景合理性的验证，在不考虑经济林及外出务工等经济补充能力的情况下，发现整个流域的耕地压力指数约为0.96，表明无压力，所以本研究所设置的退耕情景是合理可行的，在保持耕地压力不增加的情况下，减少了陡坡耕地，减少了土壤侵蚀，实现了坡耕地优化调控。

前人关于土地利用优化配置已有大量研究，但主要侧重单一的土地利用数量结构优化或者土地利用空间优化配置^{[21, 22, 23]}；对于库区坡耕地治理研究也很多^{[24, 25, 26]}，但大都是从工程措施方面来进行水土流失防治。库区腹地相当部分农民仍过着“靠山吃山”的生活，所以进行坡耕地优化时必须考虑农户需求。本文建立了库区腹地坡耕地斑块级别上的数量需求和空间优化相结合的优化调控理论与方法。与前人所研究土地利用优化相比来说是一种改进，能适用于所有坡耕地斑块。本文以库区典型流域为案例的研究结果揭示了库区腹地坡耕地的现状和适宜性，为当前坡耕地优化布局提供理论基础，同时对库区腹地生态建设、土地整理和新农村建设有指导意义。随着本文所设置的退耕情景逐步实现，库区腹地的水源涵养、水土保持的生态服务功能也会随之恢复。

库区移民安置开垦陡坡耕地造成的生态问题急需解决^[27]。相关资料表明库区腹地日益出现坡耕地自发撂荒的现象^[13]。由图 9可知撂荒地一般分布在优先退耕型和逐步退耕型的周边，这说明撂荒地和适宜退耕区之间的吻合性，表现出农户的自发撂荒意愿，一定程度上也验证了评价指标体系建立的正确性。另一方面，在考虑当地农户撂荒的背景下，一定程度上反映了农户意愿。

根据全国第五次和第六次人口普查数据可知2000 年草堂镇常住人口为11540人，总人口11886人，而2010 年常住人口为10058人，总人口10683人，可以看出从2000年到2010 年十年间无论是总人口还是常住人口都是呈减少的趋势。因此，研究区出现自然撂荒现象是常住人口减少、城镇化及聚落向低海拔迁移背景的响应，自然撂荒的趋势为坡耕地的退耕及优化调控提供了可能，同时也能说明本文提出的坡耕地优化理论的可行性。

(1)库区有复杂的地质地貌组合，本文只研究了紫色岩小流域；库区腹地的地域特征空间变化大，一方面，不同岩石出露区形成不同的地形地貌和土地资源组合格局，另一方面，近20 年来库区腹地土地利用变化的主导驱动因子也在不断变化；我们只是选取了其中影响力较大的几个指标，没有把所有因素完全考虑进去。

(2)由于调查撂荒地必须要分块编号进行调查，需大量的人力物力，所以没有实地一一调查每块撂荒地撂荒的原因，只进行了典型调查。

(1)本文把空间优化适宜性评价和坡耕地的供需压力数量评价结合起来，建立了坡耕地斑块空间优化适宜性等级指数，对坡耕地适宜性进行综合优化调控，在方法上有所创新。

(2) 以草堂溪为例，进行了案例研究，根据空间格局高度适宜、中度适宜和低度适宜，以及数量调控的压力小、压力中等和压力大等进行排列组合，最终把坡耕地斑块分为优化利用型、重点整治型、逐步退耕型和优先退耕型4 种类型,

(3) 根据综合评价结果，在保持耕地压力不增加的情况下，本文设置4种坡耕地优化逐步退耕情景。并根据自发撂荒地的分布特征和研究案例人口和需求压力的变化对本文提出的坡耕地优化方法进行了合理性验证。