2000—2010年歐洲耕地時空格局變化分析

項銘濤，吳文斌，胡瓊，陳迪，陸苗，余強毅

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部農業遙感重點實驗室，北京100081）

0　引言

【研究意義】耕地是人類社會生存和發展的基礎，確保足夠數量和相當質量的耕地是國家穩定、社會經濟發展的重要保障[1]。歐洲位于亞歐大陸西部，其陸地總面積約占世界陸地總面積的 7.69%，是世界和中國農產品的重要貿易區。近年來由于政治體制更替、經濟全球化等影響，耕地時空格局發生了明顯變化。科學掌握歐洲耕地資源數量、空間分布狀況及其時空變化[2-4]，對于指導中國農產品貿易、“農業走出去”[5-6]、利用國際國內兩種資源[7-8]以及推進“一帶一路”國家戰略等都具有重要意義[9-14]。【前人研究進展】遙感觀測因其大范圍、低成本和高效率等特征成為全球或洲域耕地空間分布制圖和變化分析的主要手段。早期的歐洲耕地格局研究多采用低空間分辨率的遙感數據。如TEMME等[3]利用繪制了1 km空間分辨率的歐洲耕地利用強度，并分析其變化特征及其驅動力；胡云峰等[15]比較了 Globcover-2005、Globcover-2009、GLC2000和MODIS2000等4套1 km全球地表覆蓋產品對歐洲耕地制圖一致性和差異性的影響；ESTEL等基于500 m MODIS NDVI時序數據，選取復種指數、休耕周期、種植年份時長和墾殖指數4個指標，對歐洲耕地利用集約化進行計算及空間分布制圖[16]；其進一步采用隨機森林分類器分析發現，歐洲2001—2012年耕地持續撂荒主要集中于東歐、斯堪的納維亞半島南部和歐洲山區[17]；MACDONALD 等[18]通過歐洲24個山區案例比較，分析評估耕地撂荒和減少的環境影響以及農業環境政策響應。【本研究切入點】這些基于低空間分辨率遙感影像的研究往往側重于分析歐洲耕地的宏觀總體特征，數據分辨率限制了耕地變化的地理差異性分析和空間細節的描述。隨著全球變化研究的不斷深入，高空間分辨率的地表覆蓋遙感制圖提上日程。2014年中國成功研制出首套全球 30 m空間分辨率的全球地表覆蓋數據產品（GlobeLand30）[19-21]，該套產品包括2000年和2010年兩個基期年，將同類全球產品的空間分辨率提高了10倍以上，總體分類精度達80%以上[22-23]，為研究全球或洲域范圍地表覆蓋動態變化提供了高質量的數據資料。已有學者利用 GlobeLand30數據在全球尺度上開展城鄉建設用地和陸表水體空間分布及變化分析[24-25]，有關歐洲耕地時空變化研究多圍繞小區域或國家尺度開展[26-28]，歐洲全域的耕地時空變化系統性研究仍較缺乏，難以總體上科學揭示歐洲耕地時空變化特征、趨勢和規律。【擬解決的關鍵問題】基于此，本研究擬利用GlobeLand30數據產品，利用多維度指標系統闡明2000—2010年歐洲耕地變化的數量、幅度、空間、利用程度和類型特征，科學描述歐洲耕地10年變化的總體特征。

1　材料與方法

1.1　數據源

本研究中使用的遙感數據為2000年和2010 年兩個基準年的GlobeLand30產品[20-21]，該產品采用美國Landsat TM/ETM+、北京一號小衛星（BJ-1）和國產環境減災星（HJ-1）影像，采用像元分類、對象分類與知識規則等綜合集成方法（POK）研制，包括耕地、水體、森林、苔原、草地、人造地表、灌木地、裸地、濕地、冰川和永久積雪等 10類一級地表覆蓋類別。GlobeLand30的耕地定義不同于已有的地表覆蓋數據產品的定義，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[22]。該產品分類總體精度為 80%以上，其中耕地數據層的空間精度達83.06%[23,25,30-31]。為進一步驗證GlobeLand30數據的可靠性，利用其計算歐洲不同國家的耕地面積，并與FAO耕地統計數據進行回歸分析，發現兩年的相關關系決定系數R2都達到了0.99，表明GlobeLand30數據與FAO統計數據擬合度較高。

1.2　分析指標

本研究重點分析 2000—2010年歐洲耕地變化空間位置、面積數量、利用程度和類型轉移特征。耕地變化空間位置直觀描述耕地增加或減少等變化、以及保持不變的地理空間分布。耕地面積數量變化采用面積變化量、變化幅度和變化方差等指標描述。耕地面積變化量和變化幅度是常用的統計指標，變化量反映一個時間段內特定區域內耕地面積變化絕對量，變化幅度反映一個時間段內特定區域內耕地面積變化相對量。

式中，Areat2為統計單元 t2時間（2010年）耕地總面積，Areat1為t1時間（2000年）耕地總面積，Pc為耕地變化總面積，Pa為耕地面積變化率。

變化方差指一定統計單元內耕地面積變化幅度在格網空間上的離散程度，方差越大說明數據的波動越大，其計算公式如下：

式中，Xi為覆蓋統計單元的第 i個格網的耕地面積變化幅度，n為覆蓋統計單元的格網的個數，為覆蓋統計單元的所有格網耕地面積變化幅度的平均值，S2為統計單元內所有格網耕地面積變化幅度的方差。

墾殖指數是耕地在一定區域面積上所占的比例，衡量一個地區土地資源開發利用程度，墾殖指數越高說明該地區耕地開發利用程度越高。其計算公式為：

式中，Area為統計單元內耕地總面積，LA為統計單元內土地總面積，I為耕地墾殖指數。

類型轉移描述了耕地和其他地表覆蓋類型之間的轉換，包括耕地面積轉入率和面積轉出率兩個指標。耕地轉入面積是一個時間段內其他類別轉變成耕地的面積，而耕地轉出面積是一個時間段內耕地轉變為其他類別面積，分別利用Cin和Cout進行表示，其計算公式為：

式中，InAreajt1-it2表示t1時間內某地表覆蓋類型j在相應地理位置上 t2時間內轉變成耕地面積，Areat2為 t2時間的耕地總面積。

式中，Outareait1-jt2表示t1時間內耕地在相應地理位置上t2時間內轉變成其他地表覆蓋類型j的面積，Areat1為t1時間的耕地總面積。

1.3　分析方法

利用ERDAS軟件平臺對歐洲GlobeLand30數據進行處理，得到2000年和2010年30 m分辨率耕地分布數據，將兩年的耕地分布數據進行空間疊加，在柵格單位上計算 10年耕地增加、減少和不變的空間分布。耕地面積數量變化分析在洲域、區域和國家3個尺度進行。歐洲共有47個國家或地區，按照地理分區可以劃分為北歐、東歐、南歐、西歐和中歐等5個區域。為準確計算耕地面積，將GlobeLand30數據的原始投影系統 UTM WGS84批量轉為圓柱等面積投影（Cylindrical Equal Area）。基于Python 2.7平臺，利用1∶100萬比例尺國家行政區矢量數據，逐圖幅自動統計耕地面積并按國家統計單元進行圖幅匯總，得到2000年和2010年兩期的不同國家的耕地面積，在此基礎上計算10年間國家、區域和洲域3個尺度上的耕地面積變化量和變化幅度。將1°×1°經緯格網與國家行政區矢量數據相疊加，利用不同國家內的格網中的耕地面積變化幅度計算每個國家的耕地面積變化方差。綜合利用不同國家國土面積和耕地面積，計算耕地墾殖指數和10年間變化量。耕地類型轉換則選擇耕地轉移類型，對兩年歐洲全要素數據進行重分類，將重分類后的兩年歐洲全要素數據進行空間疊加，通過柵格計算得到10年間耕地逐像素變化的空間分布，從而得到10年間耕地轉出或轉入面積。

表1　歐洲不同區域和國家的2010年耕地總面積、2010年墾殖指數、2000-2010年耕地面積變化幅度、2000-2010年耕地墾殖指數變化幅度Table 1　Cultivated land area and cultivation index in 2010, percentage change in cultivated land area and cultivation index during 2000-2010 at continental, regional and country levels in Europe

2　結果

2.1　2010年歐洲耕地空間分布特征

從表1可以看出，2010年歐洲耕地總面積為42 820.84×104hm2。不同地理分區耕地面積占歐洲耕地總面積比例依次為：東歐（51.17%）、南歐（19.07%）、中歐（13.62%）、西歐（13. 31%）、北歐（2.83%）。其中，東歐的耕地面積占歐洲的1/2以上。從不同國家看，耕地總面積位于前10的國家是俄羅斯、烏克蘭、法國、西班牙、德國、波蘭、意大利、英國、羅馬尼亞、白俄羅斯。這10個國家耕地總面積為35 184.20×104hm2，占歐洲耕地總面積的82.17%。俄羅斯是歐洲耕地面積最多的國家，約為15 706.44×104hm2，占歐洲耕地總面積的36.50%。耕地面積排名第二的是位于東歐的烏克蘭，占歐洲耕地總面積的 9.46%。耕地面積較小的國家主要是一些分布在島嶼上或山地地區或氣候寒冷區的國家。

圖1　2000—2010年歐洲國家耕地空間分布變化Fig. 1　Spatial changes in cultivated land over 2000-2010 in European countries

2.2　2000—2010年歐洲耕地時空變化特征

2.2.110年耕地的空間變化歐洲全域耕地總體變化普遍平緩，耕地面積不變的區域占絕大部分，但是部分區域仍具有顯著的變化（圖1-a）。圖1-b為南歐伊比利亞半島西南部，西部海拔較低處為耕地擴展區域，中部海拔較高處耕地呈減少趨勢。西歐的威爾士坎布里亞山脈（圖 1-c）山腳處為耕地擴展區域。圖1-d中，阿爾卑斯山北側的苔原氣候山區耕地減少，而南側的波河流域兩岸的耕地顯著增加，法國與瑞士交界處日內瓦湖沿岸的耕地也有所增加。北歐的芬蘭東南部（圖1-e）氣候寒冷，耕作條件差，耕地破碎且變化劇烈，細碎的耕地增減情況隨處可見，主要以河流沿岸處耕地增加為主。東歐平原（圖1-f）的耕地有明顯的大幅度減少。

2.2.210年耕地面積數量變化由表 1可知，10年間歐洲耕地面積增加220.90×104hm2，變化幅度為 0.52%。其中，北歐、東歐、西歐的耕地面積呈不同程度的增加，南歐、中歐則減少。各地理分區耕地面積的變化幅度依次為：北歐（1.25%）、東歐（0.88%）、西歐（0.64%）、南歐（-0.03%）、中歐（-0.34%）。其中，北歐、東歐、西歐的變化幅度高于歐洲平均水平，北歐變化幅度最高，為1.25%。由于東歐耕地面積變化的基數大，對歐洲耕地面積增量的貢獻率最大，達80.28%，遠遠高于其他地理分區。

俄羅斯、烏克蘭、法國、西班牙、德國、波蘭、意大利、英國、羅馬尼亞和白俄羅斯的耕地面積都大于1 000×104hm2，為歐洲耕地面積最大的前10名國家。10年間，俄羅斯、烏克蘭、法國、德國、意大利、羅馬尼亞的耕地呈增加趨勢，西班牙、波蘭、英國、白俄羅斯則呈減少趨勢。這10個國家中，除俄羅斯、烏克蘭、白俄羅斯這3個國家的變化幅度大于1.00%外，其他各國變化幅度均小于 1.00%。從增量所占比例來看，俄羅斯擁有最大的耕地基數，其對耕地面積增量的貢獻率最大。

耕地面積變化幅度的方差可反映一個國家內部變化的劇烈程度。圖2可知，歐洲各國內部耕地面積變化劇烈程度總體較低，但仍具有顯著的區域差異性。北歐、東歐國家國土面積較大，耕地面積分布廣闊，由于受常濕冷溫氣候和冬干冷溫氣候的影響，國家內部耕地面積變化十分劇烈，如俄羅斯、瑞典。西歐、中歐國家內部耕地面積變化平緩，變化方差普遍低于25%，尤其中歐國家耕地利用程度較低，內部耕地面積變化十分細微，變化方差整體低于 3%。南歐各國耕地面積變化差異較大，西部耕地面積較大的國家如西班牙內部耕地面積變化劇烈，東部面積較小國家的變化方差則普遍低于3%。

圖2　2000-2010年歐洲國家耕地面積變化幅度方差Fig. 2　Area change variance of cultivated land over 2000-2010 at country level in European countries

2.3　2000—2010年歐洲耕地墾殖指數變化特征

墾殖指數衡量一個區域土地資源開發利用程度。歐洲耕地墾殖指數整體較高，具有顯著的區域差異性（表1、圖3）。2010年歐洲全域的總體墾殖指數為18.71%，各地理分區耕地墾殖指數從高到低依次為：西歐（61.17%）、中歐（57.64%）、南歐（49.24%）、東歐（12.20%）、北歐（9.16%）。10年間耕地墾殖指數變化總體細微，變化量基本在一個百分點以內。大部分國家的耕地墾殖指數呈增加趨勢，少部分國家減少。個別國家變化相對較大，如瑞典、芬蘭、烏克蘭、白俄羅斯、愛爾蘭等。

圖3　2000-2010年歐洲國家墾殖指數變化量Fig. 3　The changes cultivation of index over 2000-2010 at country level in European countries

2.4　2000—2010年歐洲耕地變化類型

10年間歐洲耕地總體變化較小，與其他地類之間的轉移比例約 4%。耕地與森林、草地、灌木地、人造地表之間的轉移最為明顯，與苔原、冰川和永久冰雪之間的轉移極少。2010年新增耕地來源于其他地類的轉入，轉入最多的是森林，轉入面積為576.83×104hm2，占總量的1.35%，其次為草地、人造地表、灌木地。在耕地轉出為其他地類中，耕地流向森林的面積最大，為579.80×104hm2，占總量的1.36%，其次為草地、人造地表、灌木地。

歐洲不同區域的轉移情況與全洲轉移趨勢一致，但也有其區域特征（圖 4）。中歐地區耕地不變的面積比例最高，接近98%，東歐、南歐、西歐地區耕地不變的面積比例穩定在96%左右，北歐地區耕地不變的比例稍微偏低，約為94%。在耕地與其他地類的轉移中，北歐地區耕地與森林的相互轉移最大，比其他地類高 3%左右，總體上森林面積呈減少趨勢。東歐地區耕地與草地的相互轉移最大，草地轉入為耕地比耕地轉出為草地高0.56%，增加的耕地主要為草地的轉入。南歐、西歐、中歐地區均是耕地與森林的相互轉移最大，與人造地表的轉移次之，3個地區人造地表轉入率依次為0.62%、0.79%、0.68%，轉出率依次為0.93%、0.99%和0.84%，總體上人造地表面積呈增加趨勢。

各國的轉移情況與區域轉移趨勢一致（圖5）。歐洲東部（主要是俄羅斯和烏克蘭）以及冰島地區草地轉入為耕地的比例較大；中部地區森林轉入為耕地的比例較大；南部地區人造地表轉入為耕地的比例較大；波羅地海附近地區水體轉入為耕地的國家較多。俄羅斯、冰島地區耕地轉出為草地的比例最大；中部地區耕地轉出為森林的比例較大；南部地區耕地轉出為人造地表的比例較大；葡萄牙地區耕地轉出為水體的比例較大，北海地區附近耕地轉出為水體的國家較多。

圖4　2000—2010年歐洲各地理分區耕地類型轉入（a）及轉出（b）的分布Fig. 4　Conversion between cropland and other land cover types over 2000 to 2010 at regional level in Europe

2.5　2000—2010年烏克蘭耕地利用變化特征

烏克蘭位于歐洲東部，作為歐洲面積第二大的國家，其耕地面積也僅次于俄羅斯，是世界上第三大糧食出口國。享有“歐洲糧倉”之美譽的烏克蘭農業發達，已有研究表明，烏克蘭政治體制變化后其耕地撂荒棄耕現象典型[32]，耕地利用時空格局變化備受關注[16-17,29,32-37]。本研究表明，2010年耕地面積為 4 072.67×104hm2，10年間增加了50.15×104hm2，增加幅度為1.25%，這說明20世紀90年代以來的烏克蘭耕地撂荒棄耕的態勢得到了扭轉。10年間，新增耕地來源于其他地類的轉入，轉入最多的是草地，轉入面積為490.92×104hm2，占總量的2.24%，其次為森林、人造地表，分別占1.13%、0.47%。在耕地轉出為其他地類中，耕地流向草地的面積最大，為365.69×104hm2，占總量的 1.68%，其次為森林、人造地表，分別占 1.23%、0.46%。可見，10年新增耕地主要來源于河流沿岸的草地和森林，如第聶伯河沿岸有大量的草地轉入為耕地（圖6）。

3　討論

本研究利用耕地數量、幅度、空間、利用程度和類型轉換等指標，描述了歐洲耕地2000—2010年變化的總體特征。歐洲的耕地分布相對集中在國土面積大及耕作條件好的國家，一些國家由于國土面積狹小或由于地形氣候等自然條件不適宜發展農業，導致耕地面積小。俄羅斯是歐洲耕地面積最大的國家，耕地主要分布在東歐平原的中部和南部，西伯利亞至廣大的遠東地區氣候條件惡劣，土地貧瘠，不適合耕種，其農業一直處于粗放型慢發展狀態。21世紀初，俄羅斯變革農業發展方式，走“大農業”發展道路，機械化水平不斷提升，私人農場迅速崛起，企業化經營蓬勃發展，且隨著全球氣候的整體變暖，部分寒冷地區逐漸可以耕種[10]，其10年間耕地面積增加1.05%。烏克蘭的耕地面積在歐洲僅次于俄羅斯，其政府十分重視農業的發展，通過土地改革、技術培訓、減輕稅收、農業貿易、吸引外資等發展高科技國際化農業[11]，10年間耕地面積增加1.25%。法國作為歐盟四大國之一，耕地面積位居歐洲第3，是歐洲首屈一指的農業大國，是世界尤其是歐洲的重要農產品供應國，受益于歐盟的共同農業政策[38]，其10年間耕地面積小幅度增加，為0.80%。

圖5　2000—2010年歐洲國家耕地類型轉入（a）及轉出（b）的分布圖Fig. 5　Conversion between cropland and other land cover types over 2000 to 2010 at country level in European countries

圖6　2000-2010年烏克蘭耕地空間分布變化Fig. 6　Spatial changes in cultivated land over 2000-2010 in Ukraine

歐洲耕地的轉移主要是與森林、草地、灌木地、人造地表之間進行轉換。森林、人造地表的轉入率均略小于各自的轉出率，灌木地的轉入率略大于轉出率，但草地的轉入率遠遠大于轉出率。北歐地區耕地分布少，森林資源豐富，耕地與森林之間轉移關系密切，由于氣候寒冷[39]，不適宜耕作，農業發展較弱，耕地利用程度低。東歐地區擁有廣袤的大草原，草地與耕地之間大量轉移，耕地的增加來源于草地上天然綠色植被的減少，而東部的西伯利亞平原及廣大遠東地區多為高原和山地，土地貧瘠[40]，耕作條件差，耕地開發程度低[27]。西歐、中歐地區擁有發達的陸路、海陸交通系統[41]和相對完善的基礎設施建設，推動經濟發展，促進城市擴張，人造地表總體呈增加趨勢[42]，適宜的水熱條件和機械化大生產[43]的農業耕作方式提高了耕地的開發利用程度。南歐地區還瀕臨海洋且緯度較低，擁有較好的水熱和灌溉等條件[44]，提高了耕地利用程度。

已有研究表明，歐洲普遍存在著棄耕現象，主要棄耕區域在俄羅斯東部、西伯利亞、烏克蘭西部、白俄羅斯、立陶宛等國家的山區等[32-34,45-51]。烏克蘭自2000年起發生了嚴重的棄耕現象，尤其是烏克蘭西部[34,36]。2001—2006年，50%以上的棄耕發生在森林草原帶，30%以上的棄耕發生在混交林帶，其余發生在草原帶。2007年，烏克蘭開始復耕，草原帶復耕率最高[32]。這和本研究中耕地與草地、森林的轉移最為明顯的情況相一致。2010年，烏克蘭墾殖指數為67.84%，位列歐洲第 5，10年間墾殖指數增加量為0.84%。由此可見，2000—2010年間烏克蘭地區撂荒耕地復耕面積遠大于同期新增撂荒面積[17]，其耕地復耕取得較好的效果。

本研究基于首套 30 m的 GlobeLand30來分析2000—2010年歐洲耕地格局時空變化特征。雖然GlobeLand30數據產品精度總體較高，但其耕地定義不僅包括常規農作物種植地，還包括牧草種植地，以及種植果樹、茶園、咖啡園等灌木類經濟作物的土地，不同于已有國家土地利用分類系統或者中低空間分辨率的全球地表覆蓋數據產品，如 GlobeCover、UMDGLC和BU-MODIS[22]。因此， GlobeLand30和已有的數據產品之間不具有可比性。加強GlobeLand30耕地產品精度驗證，以及進一步優化細化耕地分類結果，評定其對時空變化分析的影響是未來需要進一步深入研究的方向。

4　結論

2010年歐洲耕地總面積為42 820.84×104hm2。歐洲的耕地分布相對集中在東歐和部分國家，耕地面積較小的國家分布在島嶼或山地地區或氣候寒冷區。耕地墾殖指數整體較高且區域差異性顯著。

10年間歐洲耕地的空間變化總體平緩，絕大部分區域耕地不變。海拔較低的山腳處、河流沿岸為耕地擴展區域，海拔較高處、氣候寒冷帶的耕地呈減少趨勢。10年間耕地面積增加0.52%，各國內部耕地面積變化總體較不劇烈但區域差異性顯著，墾殖指數略微增加。

10年間歐洲 4%的耕地與其他地類之間發生轉移。耕地與森林、草地、灌木地、人造地表之間的轉移最為明顯。新增耕地大多來源于對草地上天然綠色植被的破壞，對于生態環境的保護和耕地的可持續利用產生了潛在壓力。

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