基于GlobeLand30的大洋洲耕地利用格局變化分析

曹雋雋，吳文斌，劉逸竹，胡瓊，陳迪，項銘濤，周清波

（1 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；2華中師范大學地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室，武漢 430079）

0　引言

【研究意義】耕地是人類賴以生存和發展的基本資源和條件[1]，其數量和空間分布直接關乎糧食安全乃至全球生態格局[2]。大洋洲雖然其耕地面積總量遠小于其他大洲，但仍然是全球主要農產品的重要生產和供給基地。尤其是占大洋洲陸地面積 85.7%的澳大利亞一直十分重視推動農業現代化和耕地集約化利用，采用先進的水權管理制度[3-4]，成為目前世界重要的糧倉和牧場。已有部分學者對全球[5]和APEC地區[6]開展了糧食安全評價，初步估算分析了大洋洲土地生產潛力和糧食生產潛力。隨著農業技術的發展，抗旱節水糧食作物品種的開發，澳大利亞成為糧食生產和出口大國，對中國糧食出口不斷加大。此外，大洋洲頻發的極端天氣氣候事件對當地農業土地利用影響巨大，2001—2008年澳大利亞經歷了長達8年的大旱，導致產量銳減，影響全球糧食供給。因此，科學掌握大洋洲的耕地利用格局及其時空變化規律，有利于準確分析大洋洲的糧食生產格局和糧食供給狀況，更好制定我國農產品國際貿易政策，服務國家糧食安全戰略?！厩叭搜芯窟M展】一般來說，在全球或大洲尺度開展耕地利用格局變化分析多采用遙感手段和統計資料[7-8]。如 YAO利用 CG-LTDR（全球及中國區域長時間序列衛星數據集）對全球1982—2011年耕地變化格局開展研究[9]，但該地表覆蓋產品為5 km，較粗的空間分辨率難以很好揭示大洋洲內部更為細致的耕地利用變化特征，研究結果不確定性也較大。雖然有的研究為得到更為精細的土地利用變化數據，將遙感影像與社會經濟數據結合或直接采用參與式調查方法[10]，但這種方法多局限于小區域研究，難以進行大尺度分析?！颈狙芯壳腥朦c】最新研制的GlobeLand30是全球首套30 m分辨率的全球地表覆蓋數據，包括2000和2010年兩個基準年，為大區域耕地利用格局時空變化研究提供了新的數據資料[11-13]。GlobeLand30耕地制圖產品精度高達83.06%[14]，相比FROM-GLC、GlobCover、MODIS、Collection 5和MODIS Cropland等低分辨率的全球地表覆蓋數據，在耕地數量計算和耕地空間位置描述方面更具優勢[15]?？梢?，采用GlobeLand30數據開展區域耕地資源時空變化研究具有可行性和可靠性[16]，能兼顧大尺度和微觀尺度精細化分析需求?！緮M解決的關鍵問題】本研究針對目前大洋洲耕地利用格局變化研究幾乎空白的現狀，采用中國自主開發的地表覆蓋遙感制圖數據產品（GlobeLand30）開展大洋洲2000—2010年耕地利用格局特征變化研究，重點揭示國家尺度、10 km網格和30 m像元尺度耕地數量、位置、利用強度變化規律以及耕地轉入轉出動態變化特征。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

大洋洲是世界上最小一個洲，陸地總面積約897×104km2，約占世界陸地總面積的6%。眾多島嶼散落在遼闊的太平洋海域上，氣候差異明顯，土地利用類型多樣。大洋洲有一半以上陸地面積為干早地區。從降水量分布看，大洋洲東部群島部分降水量遠遠大于西部大陸地區降水量，且有自東向西和由赤道向南北兩側減少的特點。受氣候和地理條件制約，大洋洲耕地主要分布在澳大利亞和新西蘭兩國。作為約占大洋洲陸地面積 85.7%的澳大利亞，土壤相對貧瘠，大部分地區屬于干旱半干旱地帶，全國31%地區年降雨量不足500 mm，39%地區年降雨量不足250 mm[17]。受恩索現象（厄爾尼諾與南方濤動）影響，降雨量低且難以預測，農作物產量對氣候變化響應極為敏感，農業發展困難。早期移民開荒建城，毀掉了適應干旱環境的植被，破壞了原本還算穩固的脆弱水循環系統[18]。之后引進羊、牛和大量高需水農作物，加劇了大陸干旱且相對貧瘠的生態系統矛盾[19]。

1.2　數據源與預處理

GlobeLand30 （http://www.globeland30.com）是全球首套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星（Landsat）TM5、ETM+多光譜影像和國產環境減災星（HJ-1）多光譜影像，采用像元分類、對象分類與知識規則等綜合集成方法（POK,Pixel-Object-Knowledge）研制[20-21]。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、水體、森林、苔原、草地、人造地表、灌木地、裸地、濕地、冰川或永久積雪等10類一級土地覆蓋類別[22]。GlobeLand30產品定義的耕地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；耕種三年以上的灘地和灘涂[23]。GlobeLand30耕地定義與已有的國家或國際土地利用分類系統存在差異[24]。

本研究選取大洋洲為研究區，涉及2000和2010兩個基準年的GlobeLand30數據。根據大洋洲的行政區劃及GlobeLand30全球接圖表，篩選出兩期共206幅覆蓋大洋洲范圍的全要素數據。由于研究的數據量較大，因此采用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，得到兩期大洋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坐標系統保持不變。

1.3　分析指標與方法

本研究采用耕地面積數量、利用強度格局和類型轉換比率[25]等3個指標群，分析2000—2010年大洋洲耕地利用格局的動態變化特征。面積數量指標包括耕地面積變化率和人均耕地面積變化率。利用強度格局包括表征集約化的復種指數變化率[26]、耕地-復種指數協調度、耕地破碎度變化率[27]。類型轉換比率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。具體指標含義及計算方法見表1。

進行耕地面積數量指標計算時，利用ArcGIS10.2中的面積制表（TabulateArea）工具完成，統計出不同尺度下的各單元耕地面積。復種指數計算在國家尺度上進行，播種面積數據來自FAOSTAT的收獲面積。為與GlobeLand30耕地定義相吻合，收獲面積的統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。上述分析指標計算通過Python語言編程調用ArcGIS10.2實現。

2　結果

2.1　2000—2010年大洋洲耕地面積變化

2000年大洋洲耕地面積為 5 832.10×104hm2，2010年大洋洲耕地面積為6 053.17×104hm2，10年間耕地面積增漲220.96×104hm2，增幅為3.79%。圖1描述了2000—2010年大洋洲30 m像元尺度耕地變化空間分布。大洋洲耕地主要分布于澳大利亞從昆士蘭州北部海岸沿著海岸線延伸維多利亞州和南澳大利亞州南部的狹長海岸地帶，西澳大利亞西南部與塔斯馬尼亞等雨水較為充沛的地區，以及新西蘭沿海平原地區和巴布亞新幾內亞中部區域。

圖 1-b、1-c、1-d、1-e為大洋洲耕地分布集中區域，同時也是變化顯著地區。其中圖 1-c、1-d、1-e均在澳大利亞境內，1-b為新西蘭全境。圖1-d處于澳大利亞西南角，耕地增加和減少無明顯空間分異特征，增減相對均衡；圖1-e位于南澳大利亞州南部，該地區山地與平原交錯，耕地以減少為主，減少區域主要分布在南部瀕臨印度洋地區；圖1-c地處大分水嶺山脈以東，氣候濕潤，土壤條件相對較好，該區域 10年來耕地面積以增加為主；圖1-b為新西蘭，耕地以減少為主，以地處北島的新西蘭最大城市奧克蘭附近耕地減少尤為明顯。

大洋洲有 14個獨立國家，其余十幾個地區尚在美、英、法等國管轄之下。各國經濟發展水平差異顯著，耕地面積大于10 000 hm2的國家和地區僅有6個，從高到低分別為澳大利亞、新西蘭、巴布亞新幾內亞、斐濟、新喀里多尼亞和瓦努阿圖（表2）。2000—2010年，耕地面積增加國家為澳大利亞和巴布亞新幾內亞，

增幅分別為 5.39%和 2.34%。耕地面積減少的國家和地區按減幅絕對值由高到低排列為新喀里多尼亞、新西蘭、斐濟和瓦努阿圖，變化幅度分別為-27.28%、-11.61%、-8.28%和-7.65%。

表1　耕地分析指標及含義Table 1　Analysis indexes and its definitions

表2　大洋洲主要國家2010年耕地面積、人均耕地面積、復種指數和破碎度及其10年變化率Table 2　Changing rate of cultivated land area，per capita cultivated land，multiple cropping index and fragmentation index over 2000-2010 in Oceania

圖1　2000—2010年大洋洲國家耕地變化空間分布Fig. 1　Distribution of cultivated land change in Oceanian countries during 2000-2010

10年間，大洋洲主要耕地國家人均耕地面積均有不同程度減少，其中澳大利亞人均耕地面積由2000年的2.74 hm2，減少為2010年的2.51 hm2，減少 8.38%。新西蘭人均耕地面積由 2000年的1.34 hm2減少為2010年的1.05 hm2，減幅為21.63%。巴布亞新幾內亞、斐濟、新喀里多尼亞和瓦努阿圖的人均耕地面積分別減少19.68%、13.47%、37.98%和27.68%。

2.2　2000—2010年大洋洲耕地利用強度變化

10年間，大洋洲平均復種指數提高 20.63%。按照復種指數變化率由高到低排列為新喀里多尼亞提高52.60%，瓦努阿圖增加37.91%，新西蘭增加15.25%，巴布亞新幾內亞提高 9.99%，斐濟增加 8.69%，澳大利亞略微降低0.66%。

耕地-復種指數變化協調度指標描述10年耕地面積變化率與復種指數變化率的協調程度（表 1）。協調度在-1和0范圍中，值越接近0表明耕地面積變化與復種指數變化協調度越低，耕地利用強度越高，即收獲面積增長對耕地面積增長的依賴度越低。將六國按照象限圖分為耕地復種雙增型、耕增復減型、耕減復增型3種類型，本大洲無耕地復種雙減型。耕地復種雙增型國家僅為巴布亞新幾內亞，協調度為0.23，表明該國耕地利用強度呈現溫和增長。澳大利亞為唯一耕增復減型國家，協調度為-8.17，表明該國耕地利用強度降低，單位耕地新增未帶來相應的收獲面積提升。其余四國均為耕減復增型國家，協調度由高到低為瓦努阿圖-0.20，新喀里多尼亞-0.52，新西蘭-0.76，斐濟-0.95。大洋洲島國受地形、社會經濟與氣候影響，農業生物技術與機械化程度對耕地利用強度影響極小，耕地面積與收獲面積變化彈性較大。

耕地破碎度對耕地利用效率和格局影響較大[28]。10年間，大洋洲耕地破碎度平均減少了22.88%。新西蘭耕地破碎度減少70.50%，耕地規?；贸潭忍岣哐杆佟０筒紒喰聨變葋喪俏ㄒ黄扑槎仍黾拥膰?，增幅19.07%。由圖2可見，耕地破碎度增加明顯的區域主要集中在耕地資源較為集中的澳大利亞西南角和南澳大利亞州南部臨海區域。這部分耕地大多處于地中海氣候區和常濕溫暖氣候區，10年間耕地有緩慢減少趨勢。耕地破碎度降低明顯的區域主要集中在澳大利亞東部墨累達令河流域上游，10年間該區域耕地增加明顯。新西蘭北島北部耕地破碎度降低，同時耕地面積也減少較快。整體而言，澳大利亞耕地破碎度變化主要是由于土地利用方式改變導致的耕地面積變化，耕地面積增加的區域破碎度降低，耕地面積減少的區域破碎度提高，這種變化對區域單位面積耕地的集約化程度影響較小。新西蘭北島在耕地面積減少的同時促進了地塊間的合并，擴大了農場規模，提高了集約化程度，促使破碎度迅速降低。

2.3　2000—2010年大洋洲耕地轉換特征

2000—2010年，大洋洲耕地轉出面積最大的地類為草地，共計轉出528.21×104hm2，占2000年大洋洲耕地總面積的 9.11%（圖 3）。耕地轉出總面積最高的國家是澳大利亞，共計630.25×104hm2耕地轉為其他地類，占本國耕地總面積12.03%，其中轉為草地471.27×104hm2，占所有轉出地類的74.77%。新西蘭共有12.77×104hm2耕地轉出，占本國耕地總面積的14.04%，其中轉為草地最多，約 57.03×104hm2，占所有轉出地類的78.37%。巴布亞新幾內亞的轉出耕地面積為11.96×104hm2，占本國耕地面積的21.44%，其中轉為森林最多，約8.93×104hm2，占所有轉出地類面積的74.65%。澳大利亞、新西蘭、新喀里多尼亞和斐濟耕地主要轉為草地，巴布亞新幾內亞和瓦努阿圖耕地主要轉為森林。大洋洲熱帶雨林氣候區和地中海式氣候區耕地轉為森林比重最高，其他氣候區主要轉出目標為草地。

10年間，大洋洲耕地轉入面積最大的地類仍為草地，共計轉入555.58×104hm2，占2010年大洋洲耕地總面積的9.23%（圖3）。耕地轉入總面積最高的國家是澳大利亞，共計912.47×104hm2其他地類轉為耕地，占本國耕地總面積的16.53%，其中由草地轉為耕地最多，約 544.94×104hm2，占所有轉入地類的59.72%。新西蘭共有12.59×104hm2其他地類轉為耕地，僅占本國耕地總面積的2.75%。巴布亞新幾內亞轉入耕地面積13.26×104hm2，占本國耕地總面積的 23.24%，其中由森林轉為耕地最多，約7.76×104hm2，占所有轉入地類的58.53%。澳大利亞和新西蘭轉入耕地的主要來源為草地，巴布亞新幾內亞、新喀里多尼亞、斐濟和瓦努阿圖的耕地主要由森林轉入。大洋洲所有氣候區由草地轉為耕地占比最大。

圖2　2000—2010年大洋洲國家10 km×10 km網格耕地破碎度變化分布Fig. 2　Change ratio of fragmentation index of cropland in 10 km×10 km grid in Oceanian countries during 2000-2010

圖3　2000—2010年國家尺度耕地轉出和轉入類型比例Fig. 3　Conversion ratio of cultivated land in 2000 and 2010 in national scale

由前文可知 10年間澳大利亞和巴布亞新幾內亞耕地增加，其他四國耕地減少。通過10年間耕地增減平衡測算可知，澳大利亞耕地凈增加貢獻最多地類為灌木、草地和森林，分別凈增加166.45×104hm2、73.67×104hm2和31.01×104hm2。巴布亞新幾內亞凈增加耕地主要來源草地，約為3.32×104hm2。新喀里多尼亞耕地凈減少貢獻最多地類為草地、森林和灌木，分別為0.64×104hm2、0.34×104hm2和 0.15×104hm2。新西蘭和斐濟耕地凈減少主要由于耕地轉草地，分別凈減少50.24×104hm2和1.18×104hm2。瓦努阿圖耕地凈減少主要由于耕地轉為森林和灌木，分別為0.16×104hm2和0.06×104hm2。從大洋洲整體來看，盡管耕地與草地之間轉換面積最大，但基本保持增減平衡，而灌木地轉為耕地對耕地凈增貢獻最大，共凈增耕地約165.03×104hm2。

3　討論

土地利用/覆被變化影響氣候變化，同時人類為了適應氣候變化也會改變土地利用方式[29]。在大洋洲，2000—2010年耕地與草地之間的轉換是最常見的地類轉換，特別在常濕溫暖區和草原氣候區交界的地方轉換尤為頻繁。10年間有143.01×104hm2退耕還林，占全洲耕地總面積的2.47%，但528.21×104hm2耕地轉換為草地，占全洲耕地總面積的9.11%。2010年草地轉為耕地占耕地總面積約為9.23%。10年里耕地與草地間的增減基本平衡，少量凈增耕地貢獻主要來源于灌木、森林和草地。耕地與草地之間相互轉換頻繁可能原因是澳大利亞推行將飼養牲畜和谷物生產有機結合起來的混合農業，農場內的土地交替種植小麥、牧草或休耕，充分保持麥田的肥力。澳大利亞的混合農業主要分布在國土東南部的墨累-達令盆地和西南角，處于常濕溫暖氣候區和地中海式氣候區。除采取混合農業模式保護土壤肥力，2009—2010年，澳洲有1 900×104hm2的農場土地采用免耕耕作[30]的方法種植農作物。保護性農業的目標是提高長期生產率、增加收益產出和保證糧食安全，但短期而言對產量增加有一定負面影響[31]。

澳大利亞按自然區劃可分為東部山地、中部平原和西部高原3個區域。東部山地北起約克半島, 南到塔斯馬尼亞島；中部平原北起卡奔塔利亞灣, 縱貫大陸中部, 向南延伸到墨累河河口；西部高原大部分為沙漠和半沙漠地區。西澳大利亞寒流和南回歸線上的副熱帶高壓穩定的控制了中部西部大部分地區，空氣干燥，降水稀少。東部狹長的暖濕地帶則是東澳大利亞暖流帶來的福澤，東西中間通過大分水嶺山脈隔絕開來。因此，澳大利亞耕地主要集中在水資源相對充沛的大分水嶺山脈以東、南澳大利亞州和新南威爾士州南部、維多利亞州、塔斯馬尼亞州北部和東部、西澳大利亞州西南角。10年間澳大利亞耕地新增區域主要集中在大分水嶺山脈以東，墨累達令河流域上游。受 2001—2008年大旱影響，澳大利亞在墨累達令河流域附近（圖1-c和圖1-e）加大了墾殖力度，促使新增耕地朝可能水源地集中。2010年全國墾殖率約為7.94%，相比2000年提高了5.39%。墨累河流域水能資源主要集中在干流上游及其支流。由于河流流經的大部分地區為干旱地區，流域水資源開發的主要目的是灌溉和供水[32]，在此流域種植著澳大利亞90%的灌溉作物。筑壩，大量灌溉用水和城市供水讓澳洲大陸本就脆弱的水源不堪重負。灌溉導致土壤含鹽量過高[33]，破壞了濕地，大片土地變得不適合耕種?？梢?，澳大利亞耕地分布受到氣候及水資源分布影響十分明顯。

新西蘭位于太平洋西南部，山地和丘陵占其總面積75%以上，屬溫帶海洋性氣候，四季溫差不大，平均氣溫夏季20°，冬季12°。畜牧業產品出口收入占出口總收入60%以上。農業高度機械化，主要農作物有小麥、大麥、燕麥、水果等。糧食不能自給，需要從澳大利亞進口。全大洲耕地減少比較集中的區域主要在新西蘭北島，全國最大城市奧克蘭附近。2000年全國墾殖率為 17.66%，2010年下降了11.61%。近10年來，新西蘭政府加大了奧克蘭城市開發力度，并出臺了《奧克蘭統一規劃草案》（Proposed Auckland Unitary Plan），預計到 2030年，奧克蘭將開發相當于兩個漢密爾頓規模的住宅區域。10年間新西蘭耕地空間格局的變化對氣候變化的響應不如澳大利亞那么敏感，對城市化政策的響應更為明顯。

大洋洲不同國家和地區在耕地利用格局變化驅動機制上存在差異，這種差異不僅體現在氣候變化、區域政策和社會經濟等因素上，全球化背景下的國際農產品貿易也會影響耕地利用格局變化。未來將進一步基于GlobeLand30對大洋洲主要國家耕地格局變化驅動機制展開研究，并基于遠程耦合綜合框架[34]分析中國與澳大利亞的遠距離農業社會經濟活動和環境相互作用機制，幫助理解和權衡本地糧食需求與遠程糧食生產供給的復雜關系。

需要說明的是，雖然 GlobeLand30數據產品精度總體高，但該套數據產品在使用中也存在一定局限性。一方面，GlobeLand30耕地定義遵循FAO標準，不僅包括常規農作物，也包括牧草種植地，果樹、茶園、咖啡園等灌木類經濟作物，其耕地定義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、UMD-GLC和BU-MODIS，使得GlobeLand30和已有的數據產品之間不具有可比性。另一方面，澳洲不同區域、不同國家的農業土地利用多樣化，農田地塊大小、種植制度和種植模式存在較大差異性，基于遙感影像的光譜和時相信息提取的耕地精度不可避免地存在區域差異，在一定程度上影響本研究的分析結果。

4　結論

從耕地面積變化來看，大洋洲2000—2010年耕地面積增加 3.79%，耕地面積增幅最大的國家為澳大利亞，增幅 5.39%。新增最多的區域主要集中在澳大利亞大分水嶺山脈以東墨累-達令河流域上游。耕地面積減少的區域主要在新西蘭北部島嶼，澳大利亞東部沿海和巴布亞新幾內亞東部島嶼。

從利用格局變化來看，主要國家復種指數平均增加20.63%，耕地破碎度平均減少22.88%。耕地面積-復種指數協調度彈性較大。

從轉換類型來看，全大洲耕地與草地之間轉換面積最大，但凈增加耕地貢獻最大的是灌木地，凈增165.03×104hm2。

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