基于GlobeLand30的耕地資源損失過程研究
——以環渤海地區為例

楊 洋，麻馨月，何春陽

（1.中國海洋大學法政學院，山東 青島 266100；2.地表過程與資源生態國家重點實驗室（北京師范大學），北京 100875；3.北京師范大學人與環境系統可持續性研究中心，北京 100875）

基于GlobeLand30的耕地資源損失過程研究
——以環渤海地區為例

楊 洋1，麻馨月1，何春陽2，3

（1.中國海洋大學法政學院，山東 青島 266100；2.地表過程與資源生態國家重點實驗室（北京師范大學），北京 100875；3.北京師范大學人與環境系統可持續性研究中心，北京 100875）

研究目的：認識和理解耕地資源損失過程。研究方法：基于中國成功研制出的世界上首套30 m分辨率2000—2010年GlobeLand 30數據，利用GIS空間分析方法，綜合分析環渤海地區耕地資源損失流向、質量和空間特征。研究結果：2000—2010年，環渤海地區土地利用/覆蓋變化劇烈，耕地資源明顯減少，主要損失流向為人造覆蓋、草地、水體和森林；耕地資源損失區域主要位于降水量較少、海拔較高等耕作條件較差的地區；耕地資源重心總體向東南方向移動，破碎化程度日趨嚴重。研究結論：基于GlobeLand30數據的耕地資源損失過程研究能有效揭示耕地資源損失流向、質量和空間特征，為區域耕地資源利用與保護提供了積極借鑒和參考。

土地利用；耕地資源損失；流向；質量；空間；GlobeLand30；環渤海地區

1 引言

耕地資源是土地資源的精華，是保障國家糧食安全的重要基礎［1］。在中國，雖然有廣大的草原和草地，也有可觀的海洋和內陸水面，但耕地資源仍然承載著人類生存的基本食物來源［2-3］。隨著經濟的高速發展，人口數量的迅速增長，城市化進程的不斷推進，中國耕地資源數量損失、質量降低的現象屢有發生［4-6］。及時揭示耕地資源時空變化特征，對于耕地資源保護和國家糧食安全具有重要意義。

覆蓋了京津冀、山東半島和遼中南三大城市群的環渤海地區，是中國繼長三角、珠三角之后的第三大增長極，已經進入了城鄉發展轉型的關鍵時期［7］。伴隨著城市化進程的加快、城市建設用地的增加，環渤海地區耕地資源數量損失和質量下降等問題已引起了多方關注，學者們在耕地被占用態勢、耕地變化對糧食生產的影響、耕地利用集約度以及耕地重心轉移格局等方面開展了一系列有益的研究［8-11］。然而，這些研究多采用統計數據或較小比例尺遙感數據獲取該地區土地利用情況，不僅費時費力而且精度較低。因此，快速準確地獲取研究區地表覆蓋數據尤為重要。

免費對外發布的全球地表覆蓋數據產品Globeland 30為土地利用變化相關研究提供了新的數據手段［12-13］，科學雜志Nature也對該數據進行了報道［14］。目前，已有不少學者成功開展了該數據的應用研究［15-17］。例如，利用該數據，陳軍等對全球城鄉建設用地空間分布與變化進行了統計分析［15］，曹鑫等對全球陸表水體空間格局與波動進行了初步分析［19］，張宇碩等對西伯利亞2000—2010年地表覆蓋變化特征進行了綜合分析等［17］。此外，該數據在對外公開發布之前開展了基于知識的GlobeLand 30耕地數據質量檢查方法與工程實踐研究，耕地精度高達83.06%［18］?？梢?，利用GlobeLand 30數據開展區域耕地資源時空變化特征研究是具有可行性和可靠性的。

因此，本文以全球地表覆蓋數據產品GlobeLand 30為基礎，利用GIS空間分析方法，揭示環渤海地區耕地資源時空動態變化特征，目的在于豐富GlobeLand 30數據的應用案例，為區域耕地資源的合理利用與保護提出參考，為區域土地資源可持續利用與調控提供依據。

2 數據和方法

2.1研究數據

（1）GlobeLand 30數據。該數據是中國成功研制出的世界上首套30 m分辨率全球地表覆蓋數據，比同類全球產品的空間分辨率提高了10倍左右。該數據包含2000年和2010年兩個時相，包括耕地、林地、水體、人造覆蓋等10大類型，全球總體分類精度達80%以上［12-13］，可免費下載使用（http://www.globallandcover.com/ GLC30Download/index.aspx）。本文從GlobeLand 30數據中獲取環渤海地區的地表覆蓋數據進行使用（圖1，封三）。

（2）氣象站點數據。該數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http://cdc.nmic.cn/home.do）。環渤海地區共有90個氣象站點，選用其中62個具有2000—2010年完整數據的氣象站點的數據資料。氣象站點數據包括2000年和2010年62個氣象站點的經、緯度，各站點的地面月平均溫度及月降水量。

（3）DEM數據。該數據來源于美國航空航天局（NASA）與日本國際經貿商業部（METI）合作開發的全球DEM數據產品（ASTER GDEM），空間分辨率為30 m。

2.2研究方法

本文基于2000—2010年GlobeLand 30數據分析環渤海地區土地利用/覆蓋總體特征，在此基礎上從三個方面來表征其耕地資源損失過程：首先，采用變化量和變化率兩個指標，分行政區統計耕地資源面積總體變化和變化劇烈程度，以揭示耕地資源損失流向特征，確定耕地增減的熱點區域；其次，通過將耕地資源數據與平均氣溫、平均降水量數據和高程、坡度數據疊加，分別從氣候和地形兩個方面分析耕地資源損失質量特征，確定耕地損失區域的質量高低；最后，通過計算耕地資源重心、耕地資源斑塊數量、斑塊密度、最大斑塊指數、聚集度和平均最近距離等來分析研究區耕地資源空間變化特征及耕地資源損失景觀特征（表1）。

（1）分析LUCC總體特征。根據環渤海地區土地利用/覆蓋情況，將土地利用/覆蓋類型劃分為：耕地、森林、草地、灌叢地、濕地、水體、人造覆蓋、裸地、海域9類，代號依次為1—9。對2000年和2010年土地利用/覆蓋圖和按照下列的地圖代數方法，求得土地利用變化圖Ci×j來表征土地利用變化的類型及其空間分布：

據此可以求得土地利用類型相互轉化的數量關系的轉移矩陣。

（2）分析耕地資源損失流向特征。采用變化量和變化率指數對耕地資源流向特征進行分析，公式如下：

式（2）中，ΔF為2000—2010年耕地資源面積變化量，Fb為2010年耕地資源面積，Fa為2000年耕地資源面積。

式（3）中，P為耕地資源面積變化率，ΔF為2000—2010年耕地資源面積變化量，Fa為2000年耕地資源面積。

（3）分析耕地資源損失質量特征。首先，利用氣象數據計算并生成30 m分辨率的平均氣溫和平均降水量數據，分別與耕地資源數據疊加，從氣候方面分析環渤海地區2000—2010年耕地資源損失區域的土地質量特征。其次，利用DEM數據產品生成環渤海地區30 m分辨率的高程和坡度數據，分別與耕地資源數據疊加，從地形方面分析環渤海地區2000—2010年耕地資源損失區域的土地質量特征。

（4）分析耕地資源損失空間特征。首先，計算耕地資源重心［19］，通過分析耕地資源重心的移動情況揭示耕地資源空間聚集及其位移規律。其次，在GIS技術支持下，統計耕地資源斑塊數量并計算其斑塊密度指數［4］，揭示環渤海地區耕地資源空間破碎化情況及其變化特征。再次，將環渤海地區2000年和2010年GlobeLand30數據及省級行政區劃柵格數據進行疊置分析，分別得到耕地資源損失主要流向類型、不同區域的柵格數據。進一步利用FRAGSTATS軟件，從耕地資源損失主要流向類型和區域兩個維度出發，計算耕地資源損失最大斑塊指數、平均最近距離和聚集度等指數并分析耕地資源損失主要流向類型、不同區域的景觀格局特征。

表1 景觀指數及其描述Tab.1 Landscape indices and their description

3 結果分析

3.1環渤海地區LUCC總體特征

環渤海地區2000—2010年土地利用/覆蓋變化的基本特征是：（1）耕地資源和濕地資源明顯減少，凈損失面積分別為6223.47 km2和1538.73 km2，所占比例分別從2000年的60.97%和0.56%下降到2010年的59.75%和0.26%，損失率分別為1.99%和53.12%；（2）人造覆蓋、草地和森林均有較大幅度的增加，面積分別增加了4726.82 km2、1360.16 km2和390.68 km2，所占比例分別從2000年的7.56%、11.92%和16.74%上升至2010年的8.48%、12.19%和16.82%，增加率分別為12.19%、2.22%和0.46%；（3）土地利用/覆蓋變化的位置主要集中在城市擴張地區，尤其是北京、天津等大城市周邊的擴張地帶（圖1，封三）。

3.2環渤海地區耕地資源損失流向特征

對于整個環渤海地區耕地資源而言，2000—2010年合計損失17376.03 km2，損失流向主要表現為耕地轉變為人造覆蓋、草地、水體和森林4種類型。其中，耕地轉化為人造覆蓋的面積為8682.58 km2，轉化為草地的面積為5133.77 km2，轉化為水體的面積為1911.14 km2；轉化面積占耕地流失總面積的比重依次為49.97%、29.55%和11.00%（表3）。盡管如此，在環渤海地區，耕地資源仍然是絕對主導景觀類型。

對于環渤海地區5個省級行政區而言，2000—2010年耕地資源流失數量由大到小依次為山東、河北、遼寧、天津和北京。其中，山東和河北的耕地資源流失面積分別高達6357.38 km2和6164.81 km2，依次占到了環渤海地區耕地流失總面積的36.59 %和35.48 %（表2）。具體如下：（1）對于北京而言，耕地主要轉變為人造覆蓋、草地和森林，轉化面積分別為487.76 km2、63.86 km2和51.00 km2；轉化面積占北京耕地流失總面積的比重依次為78.67%、10.30%和8.23%，占整個環渤海地區耕地流失總面積的比重依次為2.81%、0.37%和0.29%。（2）對于天津而言，耕地主要轉變為人造覆蓋和水體，轉化面積分別為602.42 km2和293.05 km2；轉化面積占天津耕地流失總面積的比重依次為63.35%和30.82%，占整個環渤海地區耕地流失總面積的比重依次為3.47%和1.69%。（3）對于河北而言，耕地主要轉變為草地、人造覆蓋、森林和水體，轉化面積分別為3143.62 km2、2182.56 km2、384.00 km2和368.09 km2；轉化面積占河北耕地流失總面積的比重依次為50.99%、35.40%、6.23%和5.97%，占整個環渤海地區耕地流失總面積的比重依次為18.09%、12.56%、2.21%和2.12%。（4）對于遼寧而言，耕地主要轉變為草地、森林和人造覆蓋，轉化面積分別為1532.43 km2、811.52 km2和768.05 km2；轉化面積占遼寧耕地流失總面積的比重依次為46.68%、24.72%和23.40%，占整個環渤海地區耕地流失總面積的比重依次為8.82%、4.67%和4.42%。（5）對于山東而言，耕地主要轉變為人造覆蓋、水體和草地，轉化面積分別為4641.78 km2、1076.73 km2和372.36 km2；轉化面積占山東耕地流失總面積的比重依次為73.01%、16.94%和5.86%，占整個環渤海地區耕地流失總面積的比重依次為26.71%、6.20%和2.14%。

3.3環渤海地區耕地資源損失質量特征

從氣候條件來看，環渤海地區2000—2010年耕地資源損失區域主要集中分布于年降水量較少、年均氣溫較高的地區，且所占比例更大（表3）。具體而言，年降水量少于800 mm的地區耕地資源損失嚴重，耕地資源所占比例由2000年的98.61%降至2010年的78.72%，共計降低了19.89%；年均氣溫高于10°C的地區耕地資源存在一定的損失，耕地資源所占比例由2000年的66.41%降至2010年的64.16%，共計降低了2.25%。

從地形條件來看，環渤海地區2000—2010年耕地資源損失區域主要集中分布于高海拔地區，不同坡度的耕地資源所占比例基本未發生變化（表4）。具體而言，高程高于1000 m的地區耕地資源存在一定的損失，耕地資源所占比例由2000年的4.83%降至2010年的4.40%，共計降低了0.43%；坡度小于25°的地區耕地資源發生了微弱的損失，耕地資源所占比例由98.64%降至2010年的98.63%，共計降低了0.01%。

由上可見，氣候因素比地形因素對環渤海地區2000—2010年耕地資源質量的限制性程度更大，耕地資源損失區域主要位于年降水量較少、海拔較高等耕作條件較差的地區，但年降水量較少地區的耕地資源損失比例最大。不難看出，干旱化是影響環渤海地區耕地資源質量的關鍵性制約因素。

表2 環渤海地區各省區2000—2010年耕地損失流向Tab.2 The flow direction of the cultivated land loss in Bohai Rim at the provincial level from 2000 to 2010

表3 環渤海地區不同氣候條件下的耕地資源分布Tab.3 The distribution of cultivated land resources in different climate conditions in Bohai Rim

表4 環渤海地區不同地形條件下的耕地資源分布Tab.4 The distribution of cultivated land resources in different terrain conditions in Bohai Rim

3.4環渤海地區耕地資源損失空間特征

環渤海地區2000—2010年耕地資源重心總體上在向東南方向移動（表5）。具體而言，從地理坐標來看，環渤海地區耕地資源重心向東移動了0.03°，向南移動了0.01°；從平面坐標來看，環渤海地區耕地資源重心向東移動了1033.13 m，向南移動了1324.75 m。環渤海地區東南部主要為廣闊的平原，是區域主要的糧食生產基地［15］，可見，環渤海地區2000—2010年耕地資源重心在空間上呈現出向糧食生產基地移動的趨勢。

表5 環渤海地區2000—2010年耕地資源重心位置Tab.5 The gravity center position of cultivated land resources in Bohai Rim from 2000 to 2010

環渤海地區2000—2010年耕地資源空間破碎化程度在增大（表6）。具體而言，從斑塊數量來看，環渤海地區耕地資源斑塊數量增長迅速，從2000年的125487.00個增至2010年的141188.00個，增長了15701.00個，增長率約為12.51%；從斑塊密度來看，環渤海地區耕地資源斑塊密集程度迅速增大，由2000年的0.40個/km2增至2010年的0.46個/km2，增長率約為15.00%?？梢姡M管區域耕地資源面積總量在減小，但其破碎化程度卻在增大，連通性、完整性和團聚性呈現出下降趨勢，不利于耕地資源規?；?、產業化生產，亟需采取有力措施緩解這一局面。

表6 環渤海地區2000—2010年耕地資源空間破碎化特征Tab.6 The spatial fragmentation of cultivated land resources in Bohai Rim from 2000 to 2010

在環渤海地區2000—2010年耕地資源損失的4種主要類型中，耕地資源轉變為草地的斑塊在空間分布上較為集中，耕地資源轉變為人造覆蓋、水體和森林的斑塊則均在空間分布上呈現出分散的狀態（表7）。具體而言：（1）耕地資源轉變為人造覆蓋的斑塊平均最近距離最小，遠小于轉變為水體和森林的斑塊平均最近距離，斑塊團聚性不強，在空間分布上較為分散；（2）耕地資源轉變為草地的斑塊聚集度最高，斑塊密度最小，其斑塊連通性較強，在空間分布上較為集中；（3）耕地資源轉變為水體的最大斑塊指數、平均最近距離指數均明顯高于其他耕地資源損失類型，具有優勢程度較高的大斑塊，但在空間分布上較為分散；（4）耕地資源轉變為森林的斑塊聚集度和最大斑塊指數均明顯小于其他類型，斑塊密度明顯大于其他類型，其景觀優勢程度較低，斑塊較小且在空間分布上極為分散。

表7 環渤海地區2000—2010年耕地資源損失主要類型的景觀格局特征Tab.7 The landscape pattern of cultivated land loss on main types in Bohai Rim from 2000 to 2010

在環渤海地區5個省級行政區中，2000—2010年耕地資源損失景觀格局特征主要可分為三大類：（1）對于北京和天津而言，北京耕地資源損失斑塊的最大斑塊指數和聚集度均遠大于其他省區，且斑塊密度明顯小于其他省區；天津耕地資源損失斑塊的平均最近距離比其他省區都小，且最大斑塊指數和聚集度均僅次于北京。這表明，北京和天津耕地資源損失斑塊中均含有優勢程度較高的大斑塊，且在空間分布上較為集中。（2）對于遼寧而言，耕地資源損失斑塊的最大斑塊指數和聚集度都明顯低于其他省區，而斑塊密度和平均最近距離則均高于其他省區。這表明，遼寧耕地資源損失斑塊的景觀優勢程度較低，斑塊較小且在空間分布上較為分散。（3）對于河北和山東而言，耕地資源損失斑塊的斑塊密度、最大斑塊指數、聚集度和平均最近距離在5個省級行政區中均處于中等水平，即河北和山東耕地資源損失斑塊的景觀格局特征主要介于第（1）類和第（2）類之間。

4 結論與討論

4.1結論

本文基于從2000—2010年GlobeLand30數據中獲取的環渤海地區地表覆蓋數據，利用GIS空間分析方法，借助Fragstats 3.3軟件，運用土地利用類型相互轉化的數量關系轉移矩陣、耕地資源面積變化量和變化率指數、氣候和地形條件下耕地資源分布、重心變化以及多種景觀指數，明確研究區土地利用/覆蓋總體特征，綜合分析耕地資源損失流向、質量和空間特征。結果表明：（1）環渤海地區2000—2010年耕地資源損失嚴重，共損失了6223.47 km2，損失率為1.99%。其中，山東、河北耕地資源損失數量最多，由于基數原因，北京耕地資源損失數量最少。耕地主要轉變為人造覆蓋、草地、水體和森林，雖然也有其他用地類型轉變為耕地，但由于占多補少，耕地資源處于赤字狀態。（2）環渤海地區2000—2010年耕地資源損失區域主要位于降水量較少、海拔較高等耕作條件較差的地區。從氣候條件看，主要分布在年降水量較少、年均氣溫較高的地區，且年降水量較少的地區所占比例更大；從地形條件看，主要分布在高海拔地區，分布在不同坡度條件下的耕地資源比例基本未發生變化。相比較而言，氣候因素比地形因素對研究區耕地資源質量限制性程度更大，干旱化是影響研究區耕地資源質量的關鍵性制約因素。（3）環渤海地區2000—2010年耕地資源重心整體向東南方向移動，由于東南部主要為廣闊的平原，是研究區主要的耕地分布與糧食生產基地，耕地資源重心在空間上呈現出向糧食生產基地移動的趨勢；耕地資源斑塊數量、斑塊密度指數均有較大幅度的增長，斑塊密集度增加，耕地田塊規模變小。耕地資源的連通性、完整性、團聚性呈下降趨勢，破碎化程度日趨嚴重，不利于集中連片作業，降低了耕地資源生產力。連通性較強、空間上較為集中的耕地資源損失斑塊主要流向類型為草地，多分布于北京市和天津市內。

4.2討論

耕地資源損失主要受自然因素和人文因素兩大方面的影響，其中，自然因素主要包括氣候變化、自然災害等，人文因素主要包括政策、經濟、人口等。雖然自然因素是土地利用/覆蓋變化的客觀物質基礎，但在中國經濟增長的“第三極”，環渤海地區耕地資源損失過程中的人文因素影響不容忽視。

首先，相關土地管理政策尤其是退耕還林還草政策的實施，對環渤海地區耕地資源變化具有強制性和指導性的作用。為保護和改善生態環境，國家發布了《國務院關于進一步做好退耕還林還草試點工作的若干意見》等一系列政策，北京、天津、河北和遼寧均在《退耕還林工程規劃》（2001—2010年）中的工程建設范圍之列。

其次，環渤海地區作為中國主體功能區劃中進行城市化開發的國家級重點地區，對于城市建設用地具有巨大的需求，而城市周邊的耕地資源則成為了城市化進程中的重要土地來源。在環渤海地區2000—2010年耕地資源損失數量中，被人造覆蓋占用的耕地資源面積多達8682.58 km2，占到了耕地資源損失總量的49.97%。

再次，人口的迅速增長和經濟的快速發展，也極大地加劇了環渤海地區耕地資源損失過程。2000—2010年，環渤海地區人口增長了1500余萬，GDP增長了約7.89 萬億元，二、三產業迅猛發展，對居民點、公共設施和交通用地等建設用地的需求量急劇增加，從而間接驅動了耕地資源損失過程。

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（本文責編：陳美景）

The Loss Process of Cultivated Land based on GlobeLand 30: A Case Study of Bohai Rim

YANG Yang1， MA Xin-yue1， HE Chun-yang2，3
（1. Law & Politics School， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 2. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology（Beijing Normal University）， Beijing 100875， China； 3. Center for Human-Environment System Sustainability， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）

The purpose of this paper is to recognize and understand the loss process of cultivated land. The loss process of cultivated land in Bohai Rim is synthetically analyzed by GIS spatial analysis method from three aspects，namely flow direction， quality and spatial characteristics. The GlobeLand30 data developed by China， which is the first land use/cover data from 2000 to 2010 with 30 m resolution in the world， is used in the paper. The results showed that the land use/cover experienced drastic change in Bohai Rim from 2000 to 2010. The cultivated land resources reduced obviously and mainly converted to artificial surfaces， grass lands， water areas and forests. The loss areas of cultivated land were mainly located in the district with tillage conditions， where had less precipitation with higher altitude. The gravity center of cultivated land generally moved towards the southeast while the fragmentation of cultivated land wasaggravated. The conclusion is that the research based on GlobeLand30 can effectively reveal the flow direction， quality and spatial characteristics of cultivated land loss. It provides positive references for the utilization and protection of regional cultivated land.

land use； loss of cultivated land； flow direction； quality； space； GlobeLand 30； Bohai Rim

F301.21

A

1001-8158（2016）07-0072-08

10.11994/zgtdkx.20160817.134456

2016-04-15；

2016-06-23

國家自然科學基金項目（41401174）；青島市博士后人員應用研究項目（82214250）。

楊洋（1984-），女，湖北黃岡人，博士，副教授，碩士生導師。主要研究方向為土地資源可持續利用。E-mail: yangyang@ouc.edu.cn