随着社会经济的发展以及城市化、工业化进程的快速推进, 中国土地利用变化较大, 进而对区域生态环境产生了较大影响^[1—2]。土地利用转型与社会经济、生态环境的相互作用关系也因此成为近些年许多学者关注的热点问题^[3—4]。耕地作为山区重要的农业用地类型, 长期以来都是与人类生产、生活联系最紧密的土地利用形式^[5], 其转型对当地社会经济与生态环境的影响均十分显著^[6—7]。尤其是在山地丘陵区, 坡耕地在耕地结构中占有较大比重, 是农业生产的重要基础资源^[8], 也是水土流失最为严重的地类之一, 其水土流失导致的土壤和养分流失更是造成生态环境恶化的根本原因^[9]。因此, 研究山区坡耕地利用转型过程及其对社会经济发展和生态环境的影响, 从而正确认识坡耕地利用转型与社会经济、生态环境三者之间的相互作用关系, 对于合理利用耕地资源, 促进山区乡村经济发展, 预防可能面临的生态威胁, 协调土地利用、社会经济与生态环境系统可持续发展显得十分必要。

目前, 国内外对于整体层面土地利用转型与社会经济、生态环境相关的研究较为丰富。研究区域上包括省域^[10]、县域^[11]及丘陵山区^[12]等地理单元；研究内容上与社会经济或者生态环境两两之间主要涉及土地利用变化与社会经济驱动力^[13]、土地利用变化与生态系统服务功能^[14]及生态环境效应^[15—16]等方面, 三者之间则主要是通过统计面板数据, 采用耦合协调度等方法研究三者的耦合关系及协调发展^[10]。但是对于坡耕地这一具体地类转型与社会经济发展、生态环境演变之间的联系研究并不多见, 前者主要从建设用地占用耕地与经济发展关系^[17—18]、耕地与宅基地转型耦合关系^[19]、耕地变化与城乡结构变化的关系^[20]等方面开展；后者主要从坡耕地土壤侵蚀^[21]、生态效益^[22]、生态系统服务价值^[23]等方面开展。对于三峡库区坡耕地的研究主要与其空间格局特征^[24]、土壤侵蚀^[25]、水土流失^[26]等方面相关, 整体而言, 现有研究仍然缺乏对于典型生态脆弱区坡耕地利用转型特征以及转型后对社会经济、生态环境二者影响的综合定量研究。

三峡库区自然资源丰富, 但是生态环境脆弱^[27], 且地势起伏变化较大, 坡耕地在区域农业活动和粮食生产中占有重要地位。库区经济发展基础也较为薄弱, 腹地的广大农村区域经济发展较为缓慢^[28]。但随着城镇化和工业化的发展, 库区整体经济水平提高, 加速了土地利用转型, 以坡耕地转型最为显著, 同时生态状况也逐渐恢复^[29—30]。因此, 揭示三峡库区坡耕地利用转型特征, 探讨其对山区社会经济、生态环境产生怎样的影响对于推动社会经济-生态环境系统协调发展具有重要意义。基于此, 本文以三峡库区腹地奉节县为研究区, 分析坡耕地利用转型特征, 并探讨坡耕地利用转型对区域社会经济和生态环境的影响, 进而测量社会经济-生态环境演变的驱动因子。这对山区坡耕地资源优化利用以及对山区建设可持续的生态经济双赢产业有重要的启示意义。

1 研究区概况

奉节县(109°1′17″—109°45′58″E、30°29′19″—31°22′33″N)位于三峡库区腹地, 总面积约4087km²(图 1)。境内地貌以山地为主, 总体为东南、东北高而中部偏西稍平缓, 长江横贯中部, 南北约为对称分布, 离长江越远海拔越高, 有少量平缓河谷平坝。受亚热带季风和山地地形影响, 气候温暖湿润, 年均降水量1117mm。奉节县下辖3个街道、29个乡镇, 2020年末常住人口73.98万人, 其中农村人口40.26万人, 地区生产总值303.42亿元。三峡工程建设和社会经济发展等因素导致了奉节县土地利用方式的显著变化, 以耕地变化最为明显^[29—31], 其变化反过来对区域社会经济和生态环境也产生了一定程度的影响^[32]。因此, 本文以奉节县为研究区具有典型性和代表性。

2 研究框架、数据来源与研究方法 2.1 研究框架

土地系统通过土地利用和土地覆被分别连接社会经济系统和生态环境系统^[33], 而坡耕地作为土地系统的重要组成部分, 是人类主要社会经济活动的载体, 既与人类社会生产、生活联系密切, 又是一种具有经济、生态等多功能的特殊自然资源, 其变化对区域社会经济和生态环境均会产生一定程度的影响。而理清坡耕地利用转型与社会经济、生态环境三者之间的关系, 达到坡耕地利用转型与区域社会经济、生态环境较好状态, 对于山区社会经济-生态环境系统实现可持续发展至关重要。因此, 本文首先采用坡耕地利用转型测度和转移变化等方法, 从数量—空间结构—功能方面揭示山区坡耕地利用转型的一般规律；其次选取了与坡耕地演变密切相关的人口密度、经济密度、土地单产和夜间灯光指数4个指标^[34—35]构建社会经济模型, 以测度社会经济发展水平, 并采用生态环境质量指数测量了坡耕地利用转型对生态环境的影响；然后综合分析坡耕地利用转型对社会经济-生态环境耦合变化的影响；最后从自然和社会经济因素方面定量探究社会经济-生态环境耦合变化类型的驱动因子, 具体研究框架如图 2所示。

2.2 数据来源与处理

数据来源与处理见表 1。

2.3 研究方法 2.3.1 坡耕地利用形态转型测度

(1) 坡耕地利用形态分类

通过ArcGIS 10.2提取坡耕地斑块进行栅格重分类处理, 然后采用Guidos Toolbox2.8软件对坡耕地斑块进行MSPA分析, 从而将坡耕地利用形态分为核心、边缘、廊道、环道、离散斑块、边缘斑块6类。

(2) 坡耕地利用转型幅度

坡耕地利用转型幅度是坡耕地利用转型数量形态变化幅度的表征, 可认为是研究基期和末期坡耕地利用数量形态的相对变化值^[36]。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：X_a、X_b分别为研究基期和末期区域坡耕地面积占区域总面积的比例, S_a、S_b分别为研究基期和末期的坡耕地面积, S为研究区域的总面积, CLTA为坡耕地数量形态转型幅度, 其数值的“±”表示坡耕地利用转型方向。

(3) 坡耕地利用转型速度

坡耕地利用转型速度是表征坡耕地利用转型数量形态变化速度的指标^[36]。计算公式为：

(4)

式中：T为研究时段, X_a、X_b、CLTS数值的“±”表示坡耕地利用转型方向。

2.3.2 区域社会经济发展水平及生态环境质量评价

(1) 社会经济发展水平评价

为综合反映坡耕地利用转型对区域社会经济的影响, 本文选取了与坡耕地变化密切相关的人口密度、经济密度、土地单产、夜间灯光指数4个指标^[34—35], 构建社会经济模型。并采用熵值法确定各指标权重, 分别为0.2203、0.1937、0.2144、0.3716, 最后计算2000—2020年奉节县社会经济发展综合指数, 计算公式为^[37]：

(5)

式中：Y为社会经济总得分, w_i为指标i的权重, X_i为指标i的标准化数值, n为指标个数。

(2) 生态环境质量评价

土地利用类型的划分往往着眼于一定的生态环境视角, 不同的土地利用类型往往反映出较为明显的生态差异。因此, 综合考虑区域坡耕地所具有的生态质量及面积比例, 用区域生态环境质量指数定量表示某一区域内生态环境质量的总体状况^[38], 计算公式为：

(6)

式中：EV_t为区域第t时期生态环境质量指数；A_ki为该区域第t时期第i种土地利用类型的面积；A_k为区域总面积；R_i为第i种土地利用类型的生态环境指数；n为区域土地利用类型数量。

2.3.3 社会经济-生态环境耦合响应类型划分

本文首先对社会经济发展水平和生态环境质量运用5×5矩阵交叉方法, 构建“11(低-低)……55(高-高)”共25类社会经济发展-生态环境质量耦合组合。然后对比单元格网内社会经济发展水平与生态环境质量等级, 归纳为社会经济-生态环境同步发展型、社会经济发展-生态滞后型、社会经济滞后-生态恢复型、社会经济发展水平偏低型、生态环境质量偏低型5种耦合类型, 具体的划分标准见表 3。

2.3.4 二元逻辑回归分析

二元逻辑回归分析是探究土地利用驱动力的常见方法^[40]。本文从自然和社会经济因素两方面分别选取高程、坡度、地形起伏度、坡耕地利用强度和土地利用多样性等12个影响因子, 用于探测坡耕地利用转型对区域社会经济-生态环境耦合变化类型之间的定量关系, 其公式如下：

(7)

式中：P为因变量Y在n个自变量作用下的发生概率, P∈[0, 1], α为常数项, x₁…x_n为因变量的n个影响因素, β₁…β_n为回归系数, 若β_n为正, 表示相关的自变量x_n能增加事件i的发生率, 反之则减少, 且β_n的绝对值越大, 表示自变量x_n对事件i的发生率影响越大。

3 结果分析 3.1 坡耕地利用转型特征 3.1.1 坡耕地利用数量变化

2000—2020年奉节县坡耕地利用数量整体呈现减少的变化过程, 转型幅度为-13.43, 转型速度为-2.73%(图 3)。2000—2010年不同坡耕地利用形态数量均呈减少趋势, 其中廊道坡耕地减少最多, 减少量为27293.99hm², 转型幅度为-6.65。除离散斑块坡耕地外, 核心、边缘坡耕地等转型速度均较大, 平均转型速度为-9.56%。2010—2020年离散斑块坡耕地为主要的坡耕地利用形态类型, 仅余少量边缘斑块坡耕地, 其余坡耕地利用形态类型均已消失, 整体以离散斑块坡耕地增加较为显著, 转型幅度为1.63。边缘和边缘斑块坡耕地的转型速度较大, 分别为-10.00%和-9.55%, 离散斑块坡耕地的转型速度较小。

3.1.2 坡耕地利用空间格局变化

2000—2020年奉节县坡耕地利用空间格局呈现较为离散化的分布特征(图 4)。2000年奉节县以离散斑块、廊道和边缘斑块坡耕地分布为主, 其余类型坡耕地分布较不明显。离散斑块坡耕地分布较广, 集聚分布在长江南部, 廊道坡耕地主要集中分布在长江北部中山区, 边缘斑块坡耕地主要分布在廊道坡耕地周围。2010年以离散斑块坡耕地分布为主, 在全县境内均匀分布, 边缘斑块坡耕地在东北部草堂镇少量分布, 其余类型分布较少。2020年离散斑块坡耕地以长江为轴, 在长江北部和南部分布较密集, 在长江河谷地区分布较为散乱, 但是整体来看, 坡耕地集约化利用增强。

3.1.3 坡耕地利用功能变化

2000—2020年奉节县坡耕地利用转移变化显著, 区域差异较大(图 5)。2000—2010年奉节县长江北部坡耕地以生态恢复型转移变化为主, 转为生态类用地(有林地、灌木林地和水域等)的面积较大, 其中生活服务型(坡耕地—城乡聚落用地、公共服务用地)转换较少, 主要分布在长江沿岸地区, 这一时期坡耕地利用功能主要由生产功能向生态功能转化。2010—2020年坡耕地转移变化以生态恢复型和耕果转换型(坡耕地—园地)为主, 在长江河谷地区主要转化为园地, 长江北部与南部则主要以坡耕地转为有林地为主, 整体坡耕地利用功能主要由生产功能向生态和生态经济功能转化。

3.2 坡耕地利用转型下区域社会经济发展和生态环境质量演变特征 3.2.1 坡耕地利用转型下区域社会经济发展时空特征

基于1km×1km格网尺度分别表示2000、2010和2020年奉节县社会经济发展水平时空差异, 并采用自然断点法分为低、较低、中、较高和高发展水平5个等级(图 6)。

2000—2020年奉节县社会经济发展水平持续向好, 低和较低发展水平面积显著减少, 中、较高和高发展水平面积呈现较大幅度增长趋势。2000—2010年低发展水平向其余发展水平转换, 共计减少46700.22hm², 其中以中、较高发展水平面积增加明显, 分别增加了19207.58hm²和13841.88hm²。2010—2020年低和较低发展水平向中、较高和高发展水平转换, 以较低发展水平面积减少、中发展水平面积增加为主, 分别共计减少了75585.02hm², 增加了103386.77hm²。

从空间上看, 2000—2020年奉节县社会经济发展水平区域差异显著, 整体呈“长江河谷区高—山区低”的分布格局, 且长江北部的社会经济发展水平整体高于南部, 这与北部河网相对密集、位于经济和行政中心有关。较高和高发展水平主要集聚分布在长江河谷区, 沿长江沿岸逐渐延伸；中发展水平主要分布在较高和高发展水平区外缘, 逐渐向长江北部与南部扩张；较低与低发展水平由密集分布逐渐转为零散分布, 在南部中山区变化尤为显著。

3.2.2 坡耕地利用转型下区域生态环境质量时空特征

基于1km×1km格网尺度分别表示2000、2010和2020年奉节县生态环境质量的时空差异, 并采用自然断点法分为低、较低、中、较高和高质量区5个等级(图 7)。

2000、2010和2020年奉节县生态环境质量指数分别为0.59、0.71、0.74, 整体生态环境质量持续提升, 这与坡耕地大面积向具有生态功能的有林地和灌木林地等生态用地、具有生态经济功能的园地转换有关。2000—2010年低质量区和较低质量区面积大幅度缩减, 共计减少了82609.30hm²和55550.48hm², 中质量区面积也整体较小幅度减少, 较高质量区与高质量区则呈现增长趋势, 其中尤以高质量区增长显著, 共计增加123541.16hm²。2010—2020年则以高质量区面积的增加与中质量区面积的减少最为显著, 分别增加了55363.91hm², 减少了45172.46hm²。

2000—2020年奉节县生态环境质量空间分异显著, 整体呈“长江河谷区低—山区高”的分布格局, 且长江北部的生态环境质量整体低于南部, 这与南部山区海拔较高、人类活动较弱、生态环境指数高的林地大面积分布等因素有关。低质量区和较低质量区主要分布在河谷区域, 空间上由明显的集聚转为较零散的分布。中质量区主要镶嵌分布在低质量区和较高质量区之间；较高质量区和高质量区逐渐集聚, 主要分布在奉节县海拔高度较大的地区。

3.3 坡耕地利用转型下区域社会经济-生态环境响应 3.3.1 坡耕地利用转型下区域社会经济-生态环境响应时空演化

2000—2020年奉节县社会经济-生态环境耦合时空分布具有一定的规律性(图 8)。社会经济发展-生态环境质量耦合较高(较高-低-高-高)的区域主要集中在长江河谷区, 并且沿河谷区域逐渐向北部和南部延伸, 表明这一区域在追求社会经济增长的同时, 也注重对生态环境的保护, 生态环境质量也呈逐渐增长趋势。社会经济发展-生态环境质量耦合居中(中-低-中-高)的区域由围拢分布在耦合类型较高区域外围, 逐渐向北部和南部扩张为县内全域分布态势, 这一区域社会经济发展水平居中, 但是生态环境质量实现了由较低、居中逐渐过渡为较高的转换过程。社会经济发展-生态环境质量耦合较低(低-低-较低-高)的区域主要由集聚分布在长江北部和南部, 转为在海拔较高的地区如中山区集聚, 这一区域表现为社会经济发展水平较低, 生态环境质量呈显著增长趋势, 由低质量区经中质量区逐渐转为高质量区。

3.3.2 坡耕地利用转型下区域社会经济-生态环境响应类型演变

2000—2020年奉节县社会经济-生态环境耦合响应类型空间分布也具有一定的规律性(图 9)。社会经济发展水平和生态环境质量等级相同, 二者协同发展, 称之为社会经济-生态环境同步发展型, 该类型分布逐渐呈现零散态势, 由北部较为集中、南部散乱分布转为在低山区呈条带状分布, 符合人类活动分布特征^[41]；社会经济发展超前于生态环境质量, 前者等级高于后者, 称之为社会经济发展-生态滞后型, 该类型愈发向长江河谷地区集聚分布, 在南北低山区呈条带状分布；社会经济发展水平低于生态环境质量, 呈现大面积生态恢复的社会经济滞后-生态恢复型主要分布在南北部海拔较高、坡度较大的山区；社会经济发展水平偏低型主要镶嵌分布在社会经济超前发展和社会经济发展滞后类型之间；而社会经济发展水平略低于社会经济发展-生态滞后型的生态环境质量偏低型, 主要在河谷沟谷地区呈块状分布、在地形起伏度较大的山区呈带状分布。

4 讨论 4.1 社会经济-生态环境响应变化驱动因素分析

2000—2020年奉节县社会经济-生态环境响应变化各类型较为重要的影响因子为坡耕地利用强度、土地利用多样性、距县行政中心距离、岩性、距聚落距离、距河流距离(图 10)。其中坡耕地利用强度是最重要的影响因子, 其次是土地利用多样性和距县行政中心距离, 这间接反映了坡耕地利用转型是影响山区社会经济发展和生态环境的重要因素, 也反映了城镇化进程对社会经济发展和生态环境的影响。另外, 岩性和高程因子对社会经济-生态环境变化类型的驱动作用表明自然因素仍然是影响山区社会经济-生态环境系统演变的重要因素, 只是其作用逐渐减小, 整体弱于社会经济因素对山区社会经济-生态环境系统的影响作用；而社会经济因素的影响作用逐渐增强, 慢慢成为影响山区社会经济-生态环境系统发展的主导因素, 这与许多学者对山区社会-生态系统演变驱动研究的结论一致^{[33, 42]}。最后, 距聚落距离和距河流距离也间接表明了人类活动对山区社会经济-生态环境发展的影响。

4.2 山区与平原地区耕地利用转型对社会经济、生态环境响应对比

从传统农业时期过渡到现代农业时期, 山区坡耕地利用转型与社会经济、生态环境三者之间关系密切, 是互相作用、互为依赖的复杂关联关系^[2], 且经历了一个动态演变过程, 与平原地区的耕地利用转型^[43—45]相比, 具有其独特性(图 11)。在传统农业时期, 社会经济发展缓慢, 人口数量不断增长, 对粮食的需求也不断增加, 因此这一时期山区和平原地区均大规模开荒, 增加耕地数量以增加粮食产量, 同时粗放化的农业种植也对生态环境造成了破坏。

步入过渡转型时期, 社会经济发展快速, 山区与平原地区的耕地利用转型出现了较大的分化。山区为了满足生态安全需求, 大规模实施退耕还林政策, 大量坡耕地被迫退耕, 坡耕地面积整体缩减, 主要包括两条转型路径, 其一是由种植粮食作物为主的坡耕地逐步向经济果林转型, 其二是高山地区的坡耕地经撂荒后逐步恢复为有林地和灌木林地等生态用地, 促使坡耕地利用功能由生产功能逐渐向生态和生态经济功能转变, 余下质量好的坡耕地逐渐呈现规模化经营格局；坡耕地利用转型又反过来对社会经济和生态环境产生影响, 具体表现在坡耕地大面积向园地转换, 使土地的生态经济效益明显提高, 区域经济生产总值快速增加, 同时山区生态恢复也卓见成效, 这是由于坡耕地功能转型导致的, 也表明山区整体正在变绿, 这与许多学者对中国山区正在变绿的研究结论一致^{[29, 46]}。而平原地区耕地数量持续增加, 仍然以粮食生产为主, 且呈现大面积集中经营, 对生态环境恶化也有所减缓。

进入现代农业时期, 山区与平原地区耕地均呈现规模化、集约化经营, 二者的差异在于山区坡耕地功能由生产功能向生态经济功能转变, 坡耕地利用转型与社会经济、生态环境协调发展, 生态环境指数较低的坡耕地大面积向生态环境指数较高的有林地、灌木林地和园地转换, 在很大程度上改善了山区生态环境质量, 促使生态环境质量持续提升, 也表明了坡耕地利用转型对山区生态环境有积极的影响, 这与许多学者对土地利用转型的生态环境效应研究结论一致^{[38, 47]}。而平原地区随着城镇化和工业化不断推进, 部分耕地被建设用地占用, 大部分耕地仍然以粮食生产为主, 化肥农药的投入对生态环境也会产生一定的负面影响, 但是这一时期较为注重对生态环境的保护, 所以生态环境总体较为稳定。

整体来看, 山区坡耕地利用转型对社会经济-生态环境耦合响应包括社会经济-生态环境同步发展型、社会经济发展-生态滞后型、社会经济滞后-生态恢复型、社会经济发展水平偏低型和生态环境质量偏低型5类。这5种类型变化表明了坡耕地利用转型对山区社会经济-生态环境演变的动态影响, 即随着坡耕地利用转型, 包括数量和功能转型, 山区社会经济发展水平逐渐提高, 农户生计方式多样化, 人类活动逐渐向低海拔地区转移, 促使海拔较高、地形梯度较大的地区生态环境质量提升, 生态逐渐恢复, 山区整体社会经济-生态环境系统发展更加协调。

5 结论

本文结合奉节县2000、2010和2020年土地利用数据和社会经济数据, 揭示三峡库区坡耕地利用转型的一般规律, 综合定量探讨坡耕地利用转型对山区社会经济和生态环境的影响, 主要结论如下：

(1) 2000—2020年坡耕地利用转型特征显著, 在数量—结构—功能方面均发生了明显变化。不同坡耕地利用形态面积整体均减少, 以廊道和核心坡耕地减少为主；空间结构由离散斑块、廊道、边缘斑块坡耕地逐渐转为以离散斑块坡耕地为主；减少的坡耕地主要转为具有生态功能的有林地和灌木林地等生态用地以及具有生态经济功能的园地。

(2) 奉节县社会经济发展水平和生态环境质量均呈现持续增长趋势, 且区域差异显著。从时间上看, 低和较低发展水平的面积较大幅度缩减, 中、较高和高发展水平的面积呈现增长趋势；低、较低和中质量区的面积呈较大幅度减少, 较高和高质量区则呈现明显的增加趋势。从空间上看, 社会经济发展水平整体呈现“长江河谷区高—山区低”的分布格局；生态环境质量则呈现“长江河谷区低-山区高”的分布格局。

(3) 坡耕地利用转型引起的区域社会经济发展和生态环境质量变化二者间共存在“低-低-高-高”等25种耦合类型。其中耦合高值区(较高-低-高-高)主要集中分布在长江河谷地区, 向海拔较高的地区逐渐延伸；耦合中值区(中-低—中-高)主要围绕高值区分布；耦合低值区(低-低-较低-高)则主要集中分布在海拔较高的中山区。

(4) 社会经济-生态环境耦合响应可以归纳为社会经济-生态环境同步发展型、社会经济发展-生态滞后型、社会经济滞后-生态恢复型、社会经济发展水平偏低型和生态环境质量偏低型5类, 这5种类型变化主要受到坡耕地利用强度、土地利用多样性和距县行政中心距离等因子驱动, 也间接表明了坡耕地利用转型对山区社会经济-生态环境演变的影响。

本文也存在一定的不足之处。一方面, 由于对社会经济数据获取有限, 本文对于社会经济模型中的人口和经济密度仅落实到乡镇单元, 与本文的研究单元1km×1km有所差异；另一方面, 由于2000年土地利用数据的分辨率低于2010和2020年的分辨率, 对奉节县2000年生态环境质量的测度可能会产生一定的影响。但是本文所揭示的社会经济发展水平和生态环境质量演变规律仍符合三峡库区近年来的总体变化趋势。