亞洲耕地利用格局十年變化特征研究

陳迪，吳文斌，周清波，胡瓊，項銘濤，陸苗，余強毅

（中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/農業(yè)部農業(yè)遙感重點實驗室，北京 100081）

0　引言

【研究意義】作為人類社會賴以生存和發(fā)展的重要資源，耕地是提供糧食的基本保障[1]。耕地變化會直接影響糧食產量波動，進而影響糧食安全[2]。因此，耕地利用時空格局變化及其機制一直是國際土地系統(tǒng)科學的研究焦點之一[3-4]。擁有世界最高的人口密度的亞洲，其耕地面積占全球耕地總面積的1/3[5]，耕地集約化程度高[6]。近幾十年來，隨著人口的日益增長和快速的經濟發(fā)展，亞洲糧食產量需求剛性增加，驅動著亞洲耕地資源數量、分布及其集約化利用發(fā)生變化[6]。同時，亞洲耕地破碎化程度總體較高[7]，耕地的分散與破碎狀態(tài)會阻礙農業(yè)大規(guī)模生產，減緩農業(yè)現代化進程，耕地破碎化成為亞洲各發(fā)展中國家農業(yè)發(fā)展的一大問題[8]。這種耕地資源數量分布、利用集約度及破碎度的變化會影響糧食產量，進一步關系到亞洲各國乃至全球的糧食安全[9-13]。因此，亞洲耕地利用格局變化受到國內外的高度關注。【前人研究進展】已有的亞洲耕地研究多集中于部分國家或區(qū)域，如中國[14-17]，印度[18]、孟加拉國[19]、哈薩克斯坦[20]、烏茲別克斯坦[21]、尼泊爾[22]、東南亞各國[12]的耕地或后備耕地資源的數量、分布和空間變化研究。Dubovyk等[21]利用時序MODIS NDVI數據和 logistic回歸模型對烏茲別克斯坦灌溉低地2000— 2010年的耕地退化時空格局變化做出歸因。ISLAM等[19]利用Landsat TM數據對孟加拉國沿海區(qū)域1990— 2010年的土地利用及土地覆蓋變化進行分析，發(fā)現沿海地區(qū)農田與蝦養(yǎng)殖區(qū)域的轉換變動比較劇烈。同時，有關耕地利用格局如集約度和破碎度的研究，多是利用統(tǒng)計資料對耕地集約度和破碎度進行計量分析[8,23-25]；利用遙感數據的研究也多以中國或者更小區(qū)域為研究對象，計算復種指數、平均地塊大小、地塊密度等指標，反映集約化與破碎化[26-30]。利用遙感等空間觀測技術的亞洲耕地集約度及破碎度的研究較少[6-7]，如GRAY等利用MODIS數據在像元尺度和國家尺度計算亞洲的復種指數，并對耕地平均種植強度進行制圖。FRITZ等利用 Geo-Wiki眾包競賽獲取足夠的地塊樣本點，通過插值方法得到1 km的全球耕地地塊大小分布圖。遙感技術因其高時效、大范圍和低成本等特點，被廣泛應用于對地觀測活動中[31-32]。目前，中國最新研制的2000年和2010年兩期全球30 m地表覆蓋遙感數據產品（GlobeLand30）已免費對外發(fā)布[33]，為大區(qū)域尺度耕地時空格局變化研究提供了高精度數據源[6,34-36]。已有學者對GlobeLand30的耕地遙感制圖精度進行評估分析[37-38]，各大洲耕地總體制圖精度達到 83%以上[39]。此外，2000和 2010年耕地數據產品在東北亞及中亞總體精度分別為93.63%和 94.75%，在東南亞及西亞分別為 95.31%和96.88%[37]；在中國區(qū)域與全球其他地表覆蓋數據集進行對比[40-41]，GlobeLand30有著相對最高的精度。此外，也有學者利用 GlobeLand30對西伯利亞地區(qū)地表覆蓋變化特征[42]、全球水體空間格局及波動特征[43]、全球城鄉(xiāng)建設用地分布與變化[44]進行分析。【本研究切入點】盡管在國家及區(qū)域尺度耕地利用格局變化研究眾多，但在亞洲區(qū)域大尺度上的耕地時空格局變化研究較少；已有研究以數量和空間特征為主，對耕地的集約化利用和景觀格局變化的研究較為薄弱。因此，迫切需要系統(tǒng)、綜合地開展亞洲耕地利用格局變化特征研究，科學掌握其變化特征和規(guī)律。【擬解決的關鍵問題】基于此，本研究利用GlobeLand30，從耕地變化的數量、集約化利用和景觀格局等方面，綜合分析2000—2010年亞洲耕地利用格局的時空變化，為亞洲農業(yè)土地系統(tǒng)研究提供依據。

1　材料與方法

1.1　數據源與預處理

GlobeLand30（http://www.globeland30.com）是目前全球首套30 m空間分辨率的地表覆蓋數據產品，利用美國陸地資源衛(wèi)星（Landsat） TM5、ETM+多光譜影像和國產環(huán)境減災星（HJ-1）多光譜影像，采用像元分類、對象分類與知識規(guī)則等綜合集成方法（POK,Pixel-Object-Knowledge）研制[33,38]。該數據產品采用UTM投影和WGS-84坐標系，覆蓋全球80°S—80°N的陸地范圍，包括耕地、草地、森林、灌木地、濕地、水體、人造地表、苔原、裸地、冰川和永久積雪 10種一級土地覆蓋類別[33,45]。GlobeLand30的耕地定義主要指用來種植農作物的土地，是通過播種耕作生產糧食和纖維的地表覆蓋，包括開荒地、休閑土地、輪歇地和草田輪作地；以種植農作物為主的間有零星果樹、桑樹或其他樹木的土地；耕種3年以上的灘地和灘涂[37-38]。GlobeLand30耕地定義不同于已有國內外土地利用分類系統(tǒng)，與這些已有土地分類系統(tǒng)劃分的類型以及耕地定義有較大差異[46]。

本研究選取亞洲區(qū)域的2000和2010年兩個基準年的GlobeLand30數據，兩期共484幅覆蓋亞洲范圍的全要素數據。由于研究的數據量較大，采用Python語言調用 ArcGIS進行批量預處理。首先利用接圖表對原始數據進行批量裁剪，保證圖幅之間沒有重疊。其次，進行批量屬性提取，得到兩期亞洲范圍的所有耕地數據。再次，為了準確計算各個地類的面積，將全要素數據和耕地數據的原始 UTM投影批量轉換為圓柱等面積投影（Cylindrical Equal Area），WGS-84坐標系統(tǒng)保持不變。

1.2　分析指標與方法

為全面分析 2000—2010年亞洲耕地利用時空動態(tài)變化特征，本研究采用面積數量和利用格局兩個指標群。面積數量指標包括耕地面積及其變化幅度；利用格局指標包括表征集約化的復種指數及其變化幅度，表征景觀格局的耕地破碎度及其變化幅度。

表1列出兩種耕地分析指標群下各個分析指標的含義、計算公式及對應的研究尺度。耕地面積數量指標計算利用ArcGIS10.2中的面積制表（TabulateArea）工具，計算不同國家的耕地面積，匯總得到亞洲不同區(qū)域和全洲域的耕地總面積，并進一步計算耕地面積變化量和變化幅度。本研究將亞洲按照地理區(qū)劃分為東亞、南亞、東南亞、中亞和西亞五大區(qū)域，并不包含俄羅斯。耕地復種指數的計算基于國家尺度，采用統(tǒng)計數據的方法[47]，使用的播種面積來自 FAOSTAT的收獲面積。為與GlobeLand30耕地定義相吻合，收獲面積的統(tǒng)計不僅包括了農作物收獲面積，也包括了水果、蔬菜、茶園等的收獲面積[48]。耕地破碎度計算利用Fragstats4.2軟件，首先計算出統(tǒng)計單元內（縣級和國家）的地塊個數（NP）和平均地塊大小（MPS），再利用破碎度的定義[49]間接計算不同統(tǒng)計單元內的耕地破碎度。上述分析指標計算通過Python語言編程調用ArcGIS10.2和Fragstats4.2實現。

表1　耕地分析指標與尺度Table 1　Indicators and scales of cultivated land analysis

2　結果

2.1　亞洲耕地面積變化特征

表2可見，2010年亞洲耕地面積為69 827.94×104hm2，10年間耕地面積增長62.62×104hm2，增幅為0.09%。總體來說，亞洲耕地面積變化較為平穩(wěn)，10年間略有增加。圖1顯示了30 m像元尺度亞洲耕地分布及變化。亞洲耕地主要分布于東亞東部，東南亞及南亞，西亞和中亞的北部地區(qū)。圖1-b、1-c、1-d、1-e、1-f分別為東亞、東南亞、中亞、西亞和南亞范圍內耕地變化顯著地區(qū)的空間分布。中國長江三角洲附近的耕地減少較為明顯；越南與柬埔寨、老撾接壤處耕地增加較為劇烈；哈薩克斯坦南部地區(qū)耕地增長較為集中；伊朗西南部耕地變化較為顯著；印度東北部耕地增加較為顯著。

從五大地理分區(qū)看（表2），2010年亞洲耕地面積最大的區(qū)域是南亞，達到23 853.02×104hm2，排名第2的為東亞21 782.06×104hm2，而面積最小的區(qū)域為中亞5 709.83×104hm2。10年間，5個區(qū)域中僅東亞耕地呈減少趨勢，降幅為-0.86%；其余4個區(qū)域的耕地增加，其中東南亞的增幅最高，達到 1.11%；中亞和西亞的增幅相當，分別為 0.55%和 0.51%；南亞增幅最低，為0.29%。東亞五國中有3個國家（中國、朝鮮、蒙古）耕地減少，導致東亞耕地面積整體降低。東南亞僅泰國耕地略有減少（-0.82%），其余國家全部增加，因此東南亞耕地增幅最明顯。南亞和中亞耕地減少的國家極少，分別是孟加拉國（南亞）、尼泊爾（南亞）和烏茲別克斯坦（中亞）。西亞雖然不是5個區(qū)域中耕地變化幅度最劇烈的地區(qū)，但卻是耕地增減最活躍的地區(qū)，其中10個國家耕地減少，9個國家耕地增加，國家之間的耕地變化差異明顯。

圖1　亞洲國家耕地分布及五大地理分區(qū)耕地變化Fig. 1　Distribution of cultivated land and its changes in five geographical zones of Asian countries over 2000-2010

從國家尺度來看，2010年亞洲耕地面積最大的5個國家依次是中國、印度、哈薩克斯坦、土耳其、巴基斯坦；耕地面積最小的5個國家依次是馬爾代夫、巴林、文萊、新加坡、卡塔爾。10年間，17個國家耕地減少，32個國家耕地增加。其中面積增幅最高的 5個國家依次是不丹（20.25%）、文萊（15.83%）、老撾（12.24%）、阿曼（10.50%）、阿聯酋（6.44%）；降幅最大的5個國家依次是以色列（-18.92%）、約旦（-11.18%）、黎巴嫩（-7.31%）、也門（-3.16%）、孟加拉國（-2.53%）。總體來說，各國面積變化幅度大部分集中在-5.00%—5.00%，耕地面積大的國家變化都較平穩(wěn)，而耕地面積小的國家變化較劇烈。

表2　亞洲不同區(qū)域和國家2010年耕地面積，2000—2010年耕地面積、復種指數和破碎度變化幅度Table 2　Cultivated land area in 2010, changing rate of cultivated land area, multiple cropping index and fragmentation index over 2000-2010 at country and regional levels in Asia

續(xù)表2　Continued table 2

2.2　亞洲耕地利用格局變化特征

2.2.1耕地復種指數變化復種指數是衡量耕地利用率和耕地資源利用集約化程度的基礎性指標，復種指數變化反映一個區(qū)域內耕地利用程度變化的強弱。2000年亞洲耕地復種指數為 86.34%，2010年為94.11%，10年來增長量為7.77%，增長率為9.00%。

從地理分區(qū)來看，2010年東南亞地區(qū)復種指數最高，達到 120.52%；其次南亞達到 103.48%，東亞地區(qū)為97.52%，均高于亞洲平均水平；西亞、中亞均不到60.00%。表3給出了亞洲各國2010年復種指數高低的分布情況。復種指數高于 200.00%的國家，如馬來西亞、菲律賓、文萊等都分布在東南亞南部；100.00%—200.00%之間的國家，如印度尼西亞、越南、緬甸、印度、中國等多位于東南亞、南亞、東亞及西亞南部；小于 100.00%的國家包括了東亞、西亞及中亞的大部分國家，南亞的個別國家，還有幾個無耕地的印度洋小島國。總體來看，亞洲復種指數分布呈現“南高北低”的特征。

2000—2010年，亞洲各國復種指數變化如圖 2和表2所示。可以看出，亞洲復種指數總體呈現出增長的趨勢。五大地理分區(qū)中，東南亞復種指數提升幅度最大，達到 20.40%；中亞國家次之，為14.72%；東亞和南亞增長 5.00%—8.00%左右；西亞國家表現為一半增加一半減少的特征，但整體而言西亞復種指數增加 2.14%。亞洲所有地理分區(qū)的復種指數全部為增加狀態(tài)。復種增加最多的國家?guī)缀醵嘉挥跂|南亞，如緬甸、印度尼西亞、老撾、柬埔寨等國復種指數增加量都在20.00%以上；復種指數降低的國家多數位于西亞，如土耳其、塞浦路斯、黎巴嫩等國復種指數降低 5.00%—30.00%，同時這些國家的耕地面積也降低，說明耕地利用程度有所下降。

圖2　亞洲各國耕地復種指數及2000—2010年的變化Fig. 2　Multiple cropping index and its changes over 2000-2010 in Asia’s countries

圖3　2010年亞洲各國耕地破碎度（a）及其2000—2010年變化幅度（b）Fig. 3　Fragmentation index of cultivated land in 2010 (a) and its changing rate over 2000-2010(b) in Asia’s countries

2.2.2耕地破碎度變化耕地破碎度表征耕地被分割的破碎程度，反映耕地空間結構的復雜性，在一定程度上反映了人類對土地的干擾程度。歐美發(fā)達國家耕地規(guī)模化程度較高，亞非發(fā)展中國家耕地破碎化程度較高[7]。耕地破碎化可能會導致農業(yè)生產成本提高、生產效率下降及農村勞動力的浪費，從而阻礙農業(yè)大規(guī)模生產效益的提高與農業(yè)現代化進程。圖3-a給出2010年亞洲國家尺度上耕地破碎度分布。東亞、東南亞及西亞南部國家耕地破碎度較高，如中國、日本、菲律賓、阿曼、阿聯酋；而南亞、中亞和西亞中部國家耕地破碎度較低，如印度、巴基斯坦、伊拉克、敘利亞、土庫曼斯坦。圖3-b顯示了國家單元上的耕地破碎度變化幅度的空間分布。2000—2010年亞洲耕地破碎度略有上升，增幅 1.12%。五大地理分區(qū)中，南亞和中亞的破碎度大幅降低，分別為-16.67%和-14.28%；東南亞耕地破碎度增加明顯，達到10.47%；西亞的耕地破碎度出現 4.17%的小幅上揚；只有東亞的耕地破碎程度變化平穩(wěn)，有1.77%的提升。就國家尺度而言，亞洲19個國家耕地破碎度增加，24個國家耕地破碎度減少。由表2知，印度尼西亞、阿聯酋、土耳其等國10年來耕地破碎化增幅顯著；中國、日本、巴基斯坦等增幅較小；而也門、印度、朝鮮、以色列耕地破碎化程度明顯降低；哈薩克斯坦、緬甸、柬埔寨、伊朗、菲律賓、沙特阿拉伯等國有不同程度的減少。

圖4　2010年中國縣級尺度耕地破碎度(a)及其2000—2010年變化幅度(b)Fig. 4　Fragmentation index of cultivated land in 2010 (a) and its changing rate over 2000-2010 (b) in China

2.3　重點國家耕地利用格局變化特征

作為全球人口和農業(yè)大國，中國耕地利用格局變化一直受到高度關注。21世紀初以來，由于“退耕還林”和“退耕還草”政策的實施以及工業(yè)化城市化進程加快，中國耕地的數量與空間格局必會發(fā)生巨大變化[50]。隨著化肥農藥的大量投入，農業(yè)機械化水平的大幅提高，中國耕地利用集約化水平有較大幅度提高[25]。同時，耕地破碎化一直是中國農業(yè)長期存在的問題，且這種破碎存在地域差異，與自然地形條件、農作物種植格局[51]、農戶行為[52]、土地產權制度等因素息息相關。從表2和圖4發(fā)現，2000—2010年，中國耕地面積減少194.97×104hm2，降幅為0.95%，耕地數量整體上處于緩慢下降的狀態(tài)。在耕地數量減少的背景下，中國耕地復種指數10年間提高了5.69%，漲幅達到6.01%，這表明耕地利用率有較大幅度的提升。同時，10年間耕地破碎度略微增長了 2.17%。中國耕地利用格局呈現出面積減少并伴隨破碎化加劇的趨勢。中國糧食主產區(qū)如華北平原、東北農墾區(qū)和成都平原耕地破碎度較低，而南方地區(qū)如浙江、福建、湖南、廣東、貴州等地普遍耕地破碎度較高。就破碎度變化幅度而言，華東地區(qū)的浙江和江蘇、山東西部、河南中部、內蒙古中部及京津冀耕地破碎程度增加明顯，而湖南、江西、兩廣、閩南等地耕地破碎程度有所下降。作為亞洲農業(yè)代表性的特色區(qū)域，中國耕地利用格局的變化與亞洲耕地利用總體格局變化具有一定相似性，從側面反映了亞洲耕地利用格局的現狀與變化特征。

3　討論

2000—2010年，亞洲耕地面積變化平緩，只有東亞地區(qū)呈現耕地減少的趨勢。中國作為東亞耕地面積最大的國家，其耕地減少在很大程度上導致了東亞耕地面積的下降。2000—2010年中國城鎮(zhèn)飛速擴張，速度達到1990—2000年的兩倍，特別是東南沿海地區(qū)，城市擴張導致耕地侵占[53]，大量耕地被征用為建設用地[54]，導致一部分優(yōu)質耕地的流失及破碎[53]。雖然政府頒布了一系列耕地保護政策，但這種現象還是屢有發(fā)生[53]。“西部大開發(fā)”政策和“東部振興”政策都使城鄉(xiāng)建設用地增加[14]，占用了部分耕地資源。再加上“生態(tài)退耕”和近年頻發(fā)的一些自然災害，10年來耕地面積呈現減少趨勢[16]。東南亞耕地面積增幅領先亞洲其他區(qū)域，可能與東南亞各國政府大力發(fā)展農業(yè)有關[55]，如文萊政府實行農業(yè)扶持政策，發(fā)展基礎農業(yè)，耕地面積大幅提升[56]。西亞各國耕地面積波動較大，很大程度上與石油爭端、領土紛爭等國家安全問題有關，國家安全無法保障，耕地安全岌岌可危；如以色列、約旦、黎巴嫩等西亞國家，由于中東問題導致爭端，使耕地數量降幅偏大[57]。

10年間，亞洲耕地復種指數的變化呈現“東南增西北減”的特點。東南亞及南亞各國地理位置偏南，地處低緯度地區(qū)，溫暖濕潤，水熱肥資源豐富，自身的氣候條件有利于耕地多熟種植，加上近10年重視農業(yè)發(fā)展，集約化程度有顯著提升。西亞及中亞部分區(qū)域，由于地理位置偏北，處在中高緯度地區(qū)，氣候干燥少雨，水熱條件及土壤條件受到限制。加之近些年來中東問題不斷，戰(zhàn)亂頻發(fā)，西亞部分國家土地利用率呈現下降趨勢[57]。耕地的集約利用與粗放經營是兩種相對的概念[58]。粗放經營往往只追求數量，耕地利用率低下，是一種落后的耕地利用模式。而耕地集約化則依靠現代化管理和高科技的技術，合理高效利用耕地資源，是走可持續(xù)發(fā)展道路、解決全球糧食安全問題的必要途徑。亞洲耕地復種指數的大范圍提高表明大部分亞洲國家耕地利用強度的普遍提升。

耕地破碎化一直是困擾發(fā)展中國家農業(yè)的一大問題。一方面，耕地破碎化有利于農作物的多樣化種植，降低農業(yè)生產的風險，減少機械投入及資金投入；另一方面，耕地破碎化加大了勞動力投入，增加生產成本，降低了農業(yè)生產效率。亞洲發(fā)展中國家眾多，不同國家耕地破碎化的原因不同，與社會現狀、政策實施、經濟發(fā)展、自然條件、地理環(huán)境等多重因素相關。如中國耕地破碎度高主要與家庭聯產承包制有關[59]。農戶要求平等分配土地，經營土地規(guī)模小，加之地形條件和自然災害的影響[8]，導致整體耕地破碎度較高。尤其是中國南方地區(qū)多山地，耕作規(guī)模小，農作物多樣化種植，地塊細碎程度較北方更高；華北平原、東北農墾區(qū)和四川盆地由于是糧食主產區(qū)，耕地機械化和規(guī)模化程度較南方高，耕地地塊較大，破碎度相對較低。近10年中國東部沿海的經濟發(fā)達地區(qū)，城鎮(zhèn)化水平提升，良田流失嚴重且更加細碎[60]。隨著世界人口數量的不斷攀升，對糧食的需求也日益加劇。耕地破碎化增加農產品生產成本、降低土地生產率及農業(yè)經濟效益的弊端已不可避免地成為減緩農業(yè)現代化進程、阻礙農業(yè)新技術推廣及可持續(xù)發(fā)展的一大絆腳石。亞洲2000—2010年耕地破碎度變化幅度來看，半數以上的國家耕地破碎化程度有所降低，逐步向規(guī)模化發(fā)展。但是由于經濟發(fā)展的需求，城市化和工業(yè)化侵占耕地速度的加快，戰(zhàn)亂頻發(fā)社會動蕩以及政策制度實施等眾多原因，部分亞洲國家的耕地破碎化狀況有愈演愈烈之勢。

目前，已有研究在全球及區(qū)域尺度上對GlobeLand30等多套地表覆蓋數據產品精度進行了比較，結果表明GlobeLand30數據集精度較高[39-41]。不可否認的是，這些全球尺度的遙感數據產品在生產過程中勢必會受到地形、遙感云量、制圖方法等多因素的影響，使數據產品的區(qū)域一致性受到影響，如影像時相不一致、制圖方法的普適性等[37]。這種不一致性會對耕地時空變化分析帶來一定影響，尤其是對于國土面積小、耕地分布少的國家或區(qū)域。需要說明的是，GlobeLand30耕地定義不僅包括主要農作物，還包括牧草種植地、灌木類經濟作物等，而且其耕地制圖方法未涉及耕地系數，導致其計算出來的耕地面積不能與統(tǒng)計數據相比較[37]。綜合考慮耕地定義、耕地系數、分類體系及精度、空間分辨率等因素，GlobeLand30與UMD-GLC、GlobCover2009、BU-MODIS等中低分辨率全球地表覆蓋產品以及FAO統(tǒng)計數據之間都存在較大差異。因此，進一步進行耕地細化，考慮耕地系數的計算也是未來需要深入研究的方面。

4　結論

2000—2010年，亞洲耕地面積增長62.62×104hm2，增幅 0.09%。東亞耕地面積減少，東南亞增幅最大，西亞耕地增減最活躍。60%的國家耕地增加，80%的國家變化幅度在-5.00%—5.00%。亞洲耕地復種指數總體呈現“南高北低”“東南增西北減”的特點，10年增幅9.00%，超過2/3的國家復種指數增加。亞洲耕地破碎度高的區(qū)域主要集中在中國南方、日本、菲律賓、阿富汗，而印度、中國華北平原及東北農墾區(qū)則耕地破碎度低。亞洲耕地10年破碎度增幅為1.12%，東南亞和西亞耕地破碎度增加明顯，中亞和南亞破碎度大幅下降，東亞則略微增加。超過一半的國家耕地破碎度降低，一定程度上反映了耕地規(guī)模化程度的提升。中國作為全球和亞洲重要的農業(yè)大國，2000—2010年耕地面積減少 0.95%，耕地破碎度增加，復種指數漲幅達6.01%。總體看，亞洲耕地數量10年來變化平穩(wěn)，耕地破碎度略有增加，耕地利用率有較高的提升。耕地雖然由粗放轉向集約，但規(guī)模化程度遠遠不夠，且一些國家的破碎度有愈發(fā)嚴重的態(tài)勢。

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