美洲耕地利用格局及其時空變化特征

龍禹橋，吳文斌，胡瓊，陳迪，項銘濤，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】作為人類社會賴以生存和發展的資源基礎，耕地資源具有食物供給、環境保護和生態服務等多功能[1-2]，如全球耕地62%作物產量直接供人類進行食物消費，35%作為牲畜飼料間接為人類提供食物[3]。作為全球重要的糧食生產基地，美洲生產出全球 35%以上的糧食[4]，也是未來糧食增長潛力最大的大洲[5]。有研究表明，全球潛在耕地資源多數分布在南美和非洲，多為森林等植被覆蓋或處于休耕狀態[6]。過去幾十年里，美洲耕地經歷了面積數量、空間分布和集約利用的顯著變化[7]。據FAO統計數據顯示，美洲地區耕地持續增加，尤其是巴西、阿根廷等主要國家。基于TM衛星的研究發現2008—2010年巴西耕地出現棄耕現象[8]。拉丁美洲尤其是亞馬遜地區是耕地與其他地表間變化劇烈的區域，其中森林砍伐與耕地擴展有緊密聯系[9-10]。這些耕地利用時空變化不僅影響區域或全球供給或糧食安全[11]，還對全球生物多樣性[12]和碳排放[13-14]產生明顯的影響。因此，加強美洲耕地資源利用格局及其時空變化研究具有重要科學和實踐意義。【前人研究進展】在國際土地利用/土地覆蓋（LUCC）變化計劃和全球土地計劃（GLP）兩大科學計劃的推動下，很多學者圍繞美洲耕地資源利用和管理開展了大量研究。如JORDAN等[15]選取2001—2013年MODIS數據，在多個統計單元下分析了拉丁美洲的耕地和草地的擴張；DAMIEN 等[16]利用 Landsat、CBERS、MODIS圖像產品分析了2000—2007年巴西亞馬遜地區馬托格羅索州耕地和森林之間的轉換特征；杜國明等[17]基于長時間序列ESA— GlobCover和TM數據分析了1980—2005年巴西地表覆蓋變化。此外，部分研究從耕地總量變化出發，如趙文武[18]利用FAO和世界銀行提供的統計數據，分析了1961—2007年美國、巴西和阿根廷等美洲國家的耕地總量和人均耕地變化及其影響因子。【本研究切入點】這些已有研究或采用統計數據在國家單元上分析美洲耕地面積數量變化，缺乏對耕地空間格局變化的研究；或利用粗分辨率遙感圖像重點分析美洲某一特定國家或區域耕地時空動態變化，尚缺乏利用高精度遙感數據分析整個美洲區域耕地變化特征。GlobeLand30數據集是目前空間分辨率最高的全球地表覆蓋數據集，由中國科學家歷時 4年研制完成，為大區域地表覆蓋變化研究提供了新的高精度數據[19-21]。已有學者利用 GlobeLand30數據開展眾多分析研究，如陳軍等[21]利用該數據對全球城鄉建設用地空間分布和變化進行了統計分析；曹鑫等[22]分析了全球耕地遙感制圖方法；楊洋等[23]分析了環渤海灣地區的耕地資源損失特征。【擬解決的關鍵問題】基于此，本研究采用30 m空間分辨率的GlobeLand30數據集，利用多個指標系統分析2000—2010年美洲耕地利用格局時空變化特征，并對重點區域單獨分析。

1　材料與方法

1.1　數據源

本研究所采用的數據包括耕地數據、基礎地理數據和統計數據。耕地數據集來源于兩基準年（2000年和2010年）的GlobeLand30數據集。該數據集是目前全球空間分辨率最高的地表覆蓋數據集，基于統計抽樣檢驗方法得出 GlobeLand30全球總體分類精度達80%以上，其中耕地分類精度達 80.06%[20,24]。在GlobeLand30中，耕地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；耕作3年以上的灘地和灘涂[19-20]，其耕地定義不同于已有國家或國際土地利用分類系統，具體差異可見文獻[25]，數據可供全球用戶免費下載（http://www.globallandcover.com/GLC30Download/index.aspx）。基礎地理數據來源于美洲1∶100萬基礎地理數據庫，主要包括美洲國家行政邊界數據；統計數據來源于FAO統計數據，包括收獲面積統計等（http://www.fao.org/faostat/en/#data）。

1.2　分析指標與方法

本研究重點分析2000—2010年美洲耕地面積數量、集約化利用和類型轉移特征。耕地面積數量變化采用面積變化量和變化率等指標描述；集約化利用程度采用復種指數進行描述；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。

利用ERDAS軟件平臺對美洲GlobeLand30數據進行處理，得到兩年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，在像元尺度上計算10年耕地增加、減少和不變的空間分布。為準確計算耕地面積，將GlobeLand30原始數據投影系統UTM—WGS84轉為圓柱等面積投影（Cylindrical Equal Area）。基于Python 2.7平臺，利用1∶100萬比例尺美洲國家行政區矢量數據，逐圖幅批量自動統計耕地面積并按美洲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年間國家的耕地面積變化量和變化率。綜合利用耕地面積數據和收獲面積數據，在國家尺度上計算美洲各國復種指數及其10年波動狀況；將2000年和2010年GlobeLand30的地表覆蓋數據進行空間疊加，分析10年土地利用變化，計算耕地和其他地物類型的轉入轉出比例和面積。此外，選擇亞馬遜作為重點區域，深入分析其耕地擴展的數量和空間特征。

2　結果

2.1　2010年美洲耕地分布總體格局

2010年美洲耕地總面積為52 875.05×104hm2，主要集中于北美洲中部、東部、南美洲東部（圖1）。北美洲西部耕地分布密度較低。2010年北美洲和南美洲耕地面積分別占美洲總耕地面積的 55.25%和44.74%，呈現北多南少特征。從經向上看，美洲耕地主要分布于71°W—102°W、49°W—63°W，分別占總面積的28.6%和46.14%；從緯向來看，北半球58.34%的耕地分布在 30°N—50°N之間的中緯度地區，南半球38.22%的耕地集中在15°S—40°S。從國家來看，美洲耕地主要分布于美國、巴西、阿根廷、加拿大，四國耕地面積占美洲耕地總面積的85.54%（表1）。耕地面積較小的國家主要分布在加勒比地區，這些國家由于國土面積狹小或者具有不適宜發展農業的自然環境，導致這些國家耕地面積很少，甚至部分面積較小的島上無耕地分布。

2.2　2000—2010年美洲耕地面積變化

圖 1描述了 2000—2010年美洲耕地變化空間分布。總體看，10年間美洲耕地平穩增加，增加面積4 648.20×104hm2，減少面積 2 520.06×104hm2，耕地面積凈增加為2128.14×104hm2，變化率為4.19%。變化顯著區域主要位于南美亞馬遜地區和北美東部地區。其中耕地擴展區域分布在巴西和美國中部，耕地減少區域則位于北美中東部。

2000—2010年，絕大多數美洲國家耕地面積出現增長，但增長幅度不一（表 1）。從耕地絕對變化量看，巴西是美洲耕地面積增長最多的國家，10年間增長 1 121.20×104hm2，占美洲耕地面積總增長量的58.82%；緊隨其后的是阿根廷，耕地增長498.17×104hm2；美國耕地面積僅增長16.20×104hm2；厄瓜多爾10年間耕地減少量最大，達到101.15×104hm2。從耕地相對變化量看，美國耕地增長幅度僅 0.08%；巴拉圭和玻利維亞面積增長率最大，超過20.00%；厄瓜多爾及特立尼達和多巴哥是耕地減少幅度最大的國家，減少幅度均超過20.00%。

2.3　2000—2010年美洲耕地集約化利用格局變化

2000—2010年美洲整體復種指數從 49.82%增長至52.24%，增長幅度較小。國家耕地復種指數普遍較小，26個國家復種指數均低于 100%，加勒比地區耕地復種指數普遍較大，超過 120%。2010—2010年耕地復種指數增加幅度最大的國家是巴拉圭，降幅最快的是波多黎各。傳統農業大國中，巴西從43.07%提高至50.72%，增長率為17.78%；阿根廷從45.10%增長至49.72%，增長率為10.24%；加拿大和美國復種指數則出現減少，降幅分別為9.62%和0.89%。

綜合耕地復種指數變化和耕地面積變化，10年間，耕地復種指數和耕地面積同時增加的國家包括巴西、阿根廷等傳統農業國家，總耕地面積增加2 019.98×104hm2；耕地復種指數和耕地面積同時減小的國家包括牙買加等工業快速發展國家，總耕地面積減少0.84×104hm2；耕地復種指數減小但耕地面積增加的國家包括美國、哥倫比亞、委內瑞拉等耕地

種植密度較低的國家，總耕地面積增加 152.09×104hm2；復種指數增加而耕地減少的國家包括哥斯達黎加、厄瓜多爾等國家，總耕地減少105.49×104hm2。說明美洲復種指數變化和耕地面積變化存在空間不一致性，兩者變化并不協調。

表1　2010年美洲國家耕地面積、復種指數和10年間耕地面積及復種指數變化Table 1　American cultivated land area, multiple cropping index in 2010 and change of area and multiple cropping index during 2000-2010

圖1　2000—2010年美洲國家耕地變化空間分布（a，b，c分別代表變化顯著區域）Fig. 1　Spatio-temporal dynamics in cultivated land in America countries during 2000-2010 (a, b, c represent different regions)

2.4　2000—2010年美洲耕地變化類型

2000—2010年，美洲新增耕地主要來自于林地、草地和灌木叢，分別為661.46×104、786.83×104和656.88×104hm2，主要位于巴西南部、阿根廷東部和美國西部；減少耕地主要轉變為人造地表，約61.02×104hm2，主要位于美國東部。

圖2描述了美洲不同國家耕地與其他地表覆蓋類型的轉換關系。不同國家耕地變化與國家農業特點有關。阿根廷是美洲傳統牧區，新增耕地主要來源于牧草地和部分濕地，面積達到192.28×104hm2；巴西地處南美亞馬遜叢林區，新增耕地主要來源于林地、草地和灌木叢三類，轉化面積分別為230.41×104、395.68× 104、507.42×104hm2。在城市化和工業化背景下，特立里達與多巴哥、圣盧西亞等國耕地轉人造地表的情況較為明顯，美國超過30.00×104hm2的耕地被人造地表侵占，主要位于東部城市群；巴西耕地流出表現為耕地轉變為水體和濕地，面積分別為3.16×104hm2和5.02×104hm2，厄瓜多爾耕地主要轉變為林地。

2.5　2000—2010年亞馬遜地區耕地擴展

亞馬遜地區作為全球重要的叢林生態區，其覆蓋巴西、哥倫比亞、秘魯、委內瑞拉、厄瓜多爾、玻利維亞、圭亞那及蘇里南等8個國家。該區域是美洲大豆等作物主產區，近年來耕地擴張會加快林地、草地和灌木資源的流失，因此了解該地區的耕地擴展模式具有重要的現實意義。

2000—2010年亞馬遜地區耕地面積增長1 212.85×104hm2，增長率為8.41%，新增耕地主要來源于森林、草地、灌木，分別為 324.03×104hm2、450.89×104hm2、588.43×104hm2。新增耕地集中在巴西南部、委內瑞拉中北部、哥倫比亞中部、玻利維亞中部，尤其是巴西北部地區（圖3）。進一步說明林區耕地開墾加劇，造成亞馬遜叢林周圍的林地、灌木等受到破壞。巴西作為亞馬遜地區主要耕地和森林分布國，10年間耕地增長面積占整個地區耕地增長面積的92.44%，主要因為叢林周邊的林地、草地等被開墾為大豆種植區，如馬托格羅索州[26]。全國因新增耕地而導致林地損失達到230.41×104hm2，叢林邊緣出現草地、林地、耕地混雜，林地破碎化現象發生。緊隨其后的是玻利維亞，耕地增長面積為80.78×104hm2，導致中部地區林地林地減少 73.86×104hm2。此外，哥倫比亞、委內瑞拉、秘魯等國家耕地面積也出現增加。其中，哥倫比亞新增耕地主要來源于森林，約41.02×104hm2；委內瑞拉新增耕地來源于森林、草地的面積分別為18.02×104hm2和15.33×104hm2；秘魯森林轉為耕地的面積為 6.02×104hm2；而厄瓜多爾耕地減少101.15×104hm2，其中50%轉變為森林。從變化幅度來看，玻利維亞耕地增長率最大，緊接著為巴西，增長率為 9.51%，哥倫比亞為 7.29%，而厄瓜多爾耕地面積減少23.62%。從復種指數來看，亞馬遜地區除委內瑞拉和哥倫比亞之外，其余國家復種指數都出現增加，厄瓜多爾增長幅度最高，達到34.55%。結合復種指數、耕地面積和變化類型，亞馬遜地區耕地以毀林造田為主的外延式增長[27]，未來若要維持糧食產量，在耕地增長放緩甚至不再繼續增長，需要普及高復種的作物品種，改善水熱狀況，提高收獲面積。

3　討論

3.1　耕地變化驅動因素

已有研究發現在研究時間內，巴西耕地的擴張主要發生在位于中西部的帕雷西斯高原和南部地區巴西高原，這與本研究結果一致（圖 3）[16,28]；此外加勒比地區10年間農用地減少8%左右[29]，本研究發現該地區耕地以較低幅度減少，兩者之間總體趨勢保持一致。

驅動耕地利用和分布格局時空變化的因素包括自然環境和社會經濟因素。在大區域尺度，容易受到自然地理背景的控制，如氣候、地形等。對于國家區域的變化，國家政策和實施起到關鍵的作用[30]。溫暖和濕潤氣候適合種植業發展（例如巴西南部），因此耕地集中且發展迅速。加勒比地區雖然耕地面積較小，但水熱條件較好，耕地復種指數較高。

從國家政策和發展目標角度來看，美國耕地增加幅度較小，一方面是城市發展對耕地的侵占，另一方面由于國內經濟蕭條影響農業發展，主要體現在農業生產結構被迫調整，農戶耕作積極性降低[31]。另外，美國由于政策和農業經濟等原因，多種植單季作物（如小麥等），另外國內土地政策實行保護性耕作政策（包括免耕、休耕、輪作等）[32]，每年僅使用部分可利用耕地進行耕作，其余的進行自然恢復，導致實際利用耕地面積低于總耕地面積，復種指數較低。南美洲多數國家為增大糧食產量，擴大出口，進行耕地開墾，提高耕地集約化利用程度[33]。例如隨著全球大豆需求迅速增加，巴西、阿根廷等大豆主產國通過對森林等的開墾增加耕地面積，大量種植大豆[34]。其中巴西耕地面積和復種指數增長幅度較大，超過美洲平均水平，一方面是因為巴西耕地開墾力度較大；另一方面因為農業技術的提高和高復種轉基因作物的普及[15]。另外農戶為了尋找更加廉價的土地資源，深入亞馬遜叢林開墾，耕地面積進一步提高[35]。在阿根廷，隨著牧區向內陸地域移動，阿根廷傳統的牧區草場逐漸開始種植大豆[36-37]。而厄瓜多爾耕地面積減少則與退耕還林有關[38]。但厄瓜多爾大力發展沼氣等循環農業建設，促進耕地復種指數增加[39]，這樣提高了耕地的集約化利用程度。巴西作為南美洲重要農業勞動力輸出國，本國農戶在本地耕地開墾受到限制后，遷往巴拉圭和玻利維亞東部地區，帶動這些國家耕地面積增長[40-41]。道路等基礎設施修建為農戶開墾提供便利，這也是造成耕地發生變化的原因[42]。

3.2　數據精度誤差及不足

本研究基于兩期GlobeLand30數據，該數據集空間分辨率為30 m，數據總體精度要高于同類全球地表覆蓋數據產品[20]。但該數據集也存在一些不足，如30 m空間分辨率在一些區域會出現混合像元現象，如美洲山區和亞馬遜地區耕地和林、草地交錯區等容易錯分和漏分；同時該數據集時間跨度僅為10年，那需要進一步擴展時間尺度，更好把握其長期變化特征。此外，復種指數計算過程中使用作物收獲面積數據代替播種面積數據也會對分析結果帶來一定影響。后續研究需要加強美洲耕地動態變化的驅動力機制分析，尤其是描述不同尺度上耕地變化機理，加深對美洲區域農業土地系統的變化的科學認知。

GlobeLand30數據集具有較高的分類精度，利用這套數據對美洲耕地時空特征分析是可行，但由于該數據集對耕地的定義與其他分類系統的耕地定義不同，使得不同數據集之間不具有可比性。本研究結果不涉及耕地轉換系數，因此30 m遙感統計結果不能直接與統計數據中結果進行對比。此外，美洲不同區域、不同國家的農業土地利用存在較大差異性，利用影像光譜和時相信息進行耕地提取存在區域差異性，一定程度上影響本研究的分析結果。

4　結論

2010年美洲耕地面積為52 875.05×104hm2，10年間耕地面積穩定增長，國家之間耕地面積和增長幅度有較大差異，美國、巴西、阿根廷是美洲耕地面積較大的國家，巴西和阿根廷的耕地面積增長幅度較大。從復種指數來看，美國復種指數穩中有減，巴西增長幅度明顯。巴拉圭，厄瓜多爾等國復種指數增長幅度較均超過30%；波多黎各、特立尼達和多巴哥等國則有明顯減少。從耕地轉換類型來看，國家間耕地轉入和轉出狀況不同，新增耕地主要來源于林地、草地和灌木，而損失的耕地主要轉變成人造地表。亞馬遜地區作為美洲最重要的耕地和林地分布區，10年間耕地增長達到1 212.85×104hm2。叢林邊緣地區被砍伐的林地轉化為耕地已經成為趨勢。

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