湖北省耕地壓力的區域差異及動態演進分析

盧新海，劉瑞紅，匡 兵

湖北省耕地壓力的區域差異及動態演進分析

盧新海1,2，劉瑞紅1，匡 兵1

（1. 華中師范大學公共管理學院，武漢 430079；2. 華中科技大學公共管理學院，武漢 430074）

為充分認識湖北省耕地壓力區域差異、動態演進規律，以保障湖北省的糧食安全，該文用修正耕地壓力指數測度湖北省及其17個城市耕地壓力大小，從時序和空間兩方面分析湖北省區域內耕地壓力變動差異，并利用核密度估計方法分析湖北省區域內耕地壓力演變規律。結果表明：1）2000－2016年，湖北省平均耕地壓力為警報壓力，區域內人均所需最小耕地面積與實際人均供給面積差距較小，能夠實現湖北省區域內糧食安全有效供給。2）2000－2016年，湖北省區域內耕地壓力變化不一，其中鄂東區域耕地壓力最大，鄂中區域耕地壓力最低。3）耕地壓力的總體水平在2000－2016年間逐漸減小，但是地區差距也不斷加劇，極化現象十分明顯。4）分區域看，鄂東地區的耕地壓力總體水平不斷減小，地區差距較大，兩極化現象較突出；鄂中耕地壓力水平低，地區差距不大，兩極分化不明顯；鄂西耕地壓力水平居中，存在地區差距，兩極分化沒有鄂東地區明顯。

土地利用；模型；耕地；修正耕地壓力指數；核密度估計；動態演進；湖北省

0 引 言

耕地是糧食生產的根本要素，其數量多少和質量優劣是保障糧食生產和糧食安全的重要影響因素[1]，也是決定社會長久穩定的物質基礎。步入21世紀以后，中國工業化和城鎮化快速發展，城市建設用地不斷擴張，耕地資源呈不斷遞減狀態[2]，人口數量大幅增加，人均所需最小耕地面積與實際人均耕地面積之間差距越來越大[3]，給區域和國家糧食安全帶來了一定隱患。由此使得清晰了解區域耕地資源利用和糧食安全狀況成為目前乃至未來很長一段時間內社會發展的焦點問題。

學術界通常采用耕地壓力來衡量耕地資源使用情況，其數值大小能在耕地利用與保護方面提供警戒作用[4]，科學衡量區域糧食安全情況。學者們分別基于不同研究視角，對耕地壓力的測算方法及不同尺度耕地壓力的時空變化特征進行了分析。在耕地壓力測算方法上，很多學者都提出了構建耕地壓力指數的思路，冉清紅[5]基于食物消費需求量結構建立耕地警戒值模型，蔡運龍等[6]應用最小人均耕地面積和耕地壓力指數模型，這是早期研究耕地壓力較具代表性的測度方法。然而，由于所構建的指數比較單一，無法全面反映耕地壓力的真實情況[7]。由此，一些學者在傳統耕地壓力指數上構建新的測度指標和測度模型，如人工神經網絡[8]，并從利用系統動力學[9-10]、生態足跡模型理論[11]和考慮地形不同[12]、區域間耕地質量及耕地利用的異質性[13]、社會經濟因素[14]以及糧食市場供給模式下區域獲取糧食的經濟能力[15]等方面對耕地壓力指數模型進行改進和完善，有效提升了耕地壓力測算的科學性。在不同區域耕地壓力時空差異特征分析方面，學者們采用空間自相關[16]、變異系數[17]、重心模型[7,18]等方法揭示了中國或不同省份、特定城市耕地壓力的時空分布格局，并對造成這些分布特征的影響因素或驅動機制進行了系統闡釋[19-21]。如自然災害、氣候變化、耕地生產力力、糧食價格、糧食貿易以及社會經濟發展因素對耕地壓力的影響。總體來看，已有研究對耕地壓力測度及其時空格局演化規律進行了較為系統的刻畫，對于把握耕地資源利用系統的變化特征具有重要作用。然而，已有研究也存在一定不足，一是在耕地壓力指數測度方法上，大多數學者關注耕地壓力的數量指標，對耕地壓力質量指標體系關注不足，同時，已有研究多采取單一的地圖可視化方法對耕地壓力時空差異和分布特征進行研究，沒有定量刻畫出區域間耕地壓力差異的動態性與長期演變趨勢。基于此，本文將綜合考慮耕地壓力的數量和質量約束，利用修正耕地壓力指數對湖北省2000－2016年耕地壓力進行測度，并采取核密度估計方法探索湖北省耕地壓力差異的變化情況和動態演變規律，預期成果可以為優化湖北省耕地資源開發及實現農業可持續發展提供一定借鑒價值。

1 研究區概況

湖北省地處中國中部，是國家重要的糧棉油生產基地之一[22]、國家的發展核心區域和中部崛起的核心增長極[23]。進入20世紀以來湖北省社會經濟高速增長，發展最快的區域是東部城市[24]，省內經濟發展極不均衡。2018年全省GDP為3.65萬億元，第一、二、三產業較上一年均為增長趨勢，增速和增量最大的是第三產業，分別為1.87億元，9.9%，固定資產投資為3.19萬元，增長11.0%。全省土地面積為1 859萬hm2，其中，耕地面積347.84萬hm2，占全國耕地面積的2.58%。本文根據各地級市的地理位置和現有研究[25]，將研究區湖北省從東至西分為三大區域：鄂東、鄂中和鄂西（圖1）。

圖1 研究區域

2 研究方法與數據來源

2.1 修正耕地壓力指數模型

修正耕地壓力指數是在測算耕地壓力指數過程中考慮土地的自然稟賦，即區域耕地質量及耕地利用的異質性，使耕地壓力指數拓展為集數量和質量為一體的綜合性壓力閾值，常采用耕地質量標準系數進行校正[26]。其中耕地壓力指數是人均所需最小耕地面積與實際人均耕地面積的比值，用以反映某時間段某地區的耕地資源面臨的壓力大小。計算公式如下

式中表示修正的耕地壓力指數；0表示耕地壓力指數；min表示人均所需最小耕地面積，hm2/人；S為實際人均耕地面積，hm2/人；表示為耕地質量標準系數；表示糧食自給率，%；G為人均糧食需求量，kg/人；為復種指數，%；為糧作比即糧食作物播種面積與農作物播種面積之比，%；為糧食播種面積單產，kg/hm2；p為湖北省各城市糧食單產，kg/hm2；k為湖北省各城市復種指數；p為湖北省糧食單產，kg/hm2；k為湖北省復種指數。湖北省作為中部糧食主生產區之一，其生產的糧食除了省內供給外，還承擔著向周邊糧食產量不足省份（福建、廣東省）的糧食供給，因此糧食自給率必須得到保障[27]，同時，結合目前已有對2000－2016年湖北省糧食自給率的測算結果，本文設定G為420kg/人[28]，為96%。根據耕地壓力指數模型的內涵，對耕地壓力指數值大小進行值域劃定，用來表明耕地壓力的等級[29]，具體見表1。

表1 耕地壓力K等級分類表

2.2 核密度估計

核密度估計（kernel density estimation，KDE）是一種用于估計概率密度曲線的非參數方法，其特點是不需要進行任何參數模型假設，能夠用連續的密度曲線描述隨機變量的分布形態[30]，已經成為研究空間分布非均衡性的重要工具之一，因而核密度估計曲線圖能夠揭示湖北省各、市、州耕地壓力時序動態演進特征。其函數公式

2.3 數據來源

參考已有研究成果[7-8]，本文選取耕地面積、人口總數、糧食播種面積、總播種面積、糧食總產量數據為測算耕地壓力的指標，數據主要來源于《湖北統計年鑒》（2001－2017年）、部分數據以《湖北農村統計年鑒》（2001－2017年）和各個城市國民經濟和社會發展統計公報（2000－2016年）進行補充。

3 結果與分析

3.1 耕地壓力的區域差異分析

3.1.1 湖北省耕地壓力時序變化特征

如圖2a，湖北省2000－2016年內耕地壓力指數和人均所需最小耕地面積變化趨勢具有一定相似性，整體均呈遞減趨勢，分別減少了0.247、0.011 hm2，平均耕地壓力為1.001，為警報壓力。其耕地壓力主要變化為：1）2000－2003年，湖北省耕地壓力指數和人均所需最小耕地面積大幅增加，2003年達到最高值，耕地壓力由警報壓力變為低壓力，說明湖北省耕地供需矛盾較大。由于2003年左右湖北省耕地面積占用增多，且受到農用機械不發達影響，農業出現“三減”，而人口規模不斷擴大，使得2003年耕地壓力最大；2）2004－2006年期間，耕地壓力指數和人均所需最小耕地面積先遞減后遞增，說明湖北省人均所需耕地壓力與實際耕地壓力之間的差距較小，耕地情況轉好，由低壓力變為警報壓力；3）2007－2016年期間，湖北省耕地壓力指數和人均所需最小耕地面積整體呈波動遞減趨勢，耕地壓力由警報壓力變為無壓力，由于政府加強耕地保護力度，耕地資源利用合理，糧食產量在農用機械改進下獲得大幅增加。

圖2 2000－2016年湖北省耕地壓力指數

3.1.2 分區域耕地壓力時序變化特征

鄂東耕地壓力變化情況如圖2b所示，2000－2016年內湖北省鄂東區域耕地壓力變動情況差異較大，武漢市是鄂東區域耕地壓力指數和變動幅度最大的一個城市，2016年耕地壓力指數高達4.854，增速為130.04%，耕地壓力為高壓力，鄂東區域其他4個城市耕地壓力均在高壓力以下，黃岡市耕地壓力最好的一個城市，耕地壓力均在警報壓力與無壓力之間波動。鄂東區域耕地壓力差異較大，其中武漢市耕地壓力最嚴重，鄂州市和黃石市耕地壓力次之，耕地壓力情況最好的是黃岡市和咸寧市。武漢市人口占湖北省總人口比例較大，占比為18.29%，耕地面積比其他4個城市都小，人均所需最小耕地面積遠大于實際人均耕地面積，鄂東區域武漢市耕地壓力矛盾最突出。

圖2c反映了湖北省鄂中區域2000－2016年耕地壓力時序變化情況，發現鄂中區域各地級市耕地壓力變化趨勢為先遞增后遞減，天門市耕地壓力最大，荊門市耕地壓力最小。鄂中區域作為湖北省農業生產基地，具有較高耕地資源稟賦和發達的農業技術，其耕地壓力應該處于警報壓力以下，實際測算獲得結果也驗證鄂中區域耕地壓力情況較樂觀，但區域內耕地壓力變動存在一定差異性，需要持續動態觀測其耕地壓力情況并采取合理的預防方法，以期為湖北省的糧食安全保障和耕地資源提供久遠、穩固的保障。

圖2d反映了湖北省鄂西區域2000－2016年耕地壓力時序變化情況，發現鄂西區域宜昌市和神農架林區耕地壓力較大，變動較頻繁，鄂西其他3個城市耕地壓力較穩定，遞增幅度較小。鄂西區域各個城市耕地壓力情況差異明顯，襄陽市耕地壓力情況最好，是湖北省最好的農業種植區域和主要糧食生產區域，承擔著湖北省主要糧食供給城市之一。而鄂西區域其他4個城市耕地壓力均在中壓力以上，十堰市耕地壓力年均在高壓力以上，區域人均耕地需求矛盾較大，存在一定糧食安全問題。神農架城市戰略定位與其他16個城市不同，是湖北省林業生態保護區，其耕地壓力雖為高壓力，但能說明林業部門對該區保護力度大，林業生態保護效果顯著。

3.1.3 湖北省區域耕地壓力空間變化特征

如圖3，鄂中區域耕地壓力均在警報壓力以下，80%城市都是無壓力，區域耕地情況最樂觀，是中國糧食主產區湖北省核心糧食生產區域，承擔湖北省以及周邊省份糧食主要供給。因而，對鄂中區域實施嚴格的耕地保護制度、合理的土地利用規劃以及高效利用耕地資源十分重要。相較于鄂中區域，鄂東區域耕地壓力較大，都在警報壓力以上，尤其是該區域的武漢市和黃石市，耕地壓力常為高壓力和中壓力，且變動趨勢為遞增，耕地壓力未來還會增大。這與湖北省城市區域戰略布局有極大關系，武漢市和黃石市是湖北省城市圈之一，經濟發展的核心區域，武漢市也是湖北省省會城市，人口規模不斷增加，區域人均所需最小耕地面積與實際耕地面積差距非常大，導致耕地壓力較高。鄂西區域耕地壓力情況居中，都在低壓力以下（除神農架林區），襄陽市耕地情況最樂觀，耕地資源稟賦高，故襄陽市耕地壓力情況對鄂西區域糧食安全有保障作用，也對湖北省乃至周邊省份糧食正常供給有巨大影響。

圖3 湖北省耕地壓力空間分布圖

3.2 耕地壓力動態演進規律

3.2.1 湖北省耕地壓力核密度估計

圖4為不同年份湖北省耕地壓力核密度。從全省尺度來看（圖4a）：1）在位置變化上，密度曲線移動趨勢不明顯，波峰較平緩，波峰變化范圍較大，表明湖北省耕地壓力區域差異較大。同時，耕地壓力核密度曲線右尾移動較小，左尾移動距離大于右尾移動距離，說明耕地壓力為警戒壓力以下區域比重有所增加，低壓力以上區域比重有所減少，呈低值集聚。2）在演變過程中，2000－2005年，核密度曲線陡峭、波峰數量維持變化不大，密度曲線的區間小幅減小，表明這一階段耕地壓力區域差距呈縮小趨勢，主峰峰值達到研究區間最大值，與2000年相比，2005年密度曲線中心位置略微向右移動，波峰數量為2，且主峰峰值小幅降低，表明區域內耕地壓力差距減小，存在兩極分化現象，2005和2010年，變量分布小幅左移，波峰數量增加，變化范圍區間繼續減小，說明該階段內湖北省耕地壓力的地區差距呈縮小趨勢，兩極分化現象較突出，2016年，核密度曲線中心位置右移，主峰峰值大幅減小，變量區間最小，次峰形態不明顯，波峰較平緩，變化區間范圍較2010年是大幅增加，較2000年微增，左右拖尾向兩邊延伸，說明該階段內湖北省耕地壓力地區差距呈大幅增加。可見，全省尺度下，在不同的時間段內耕地壓力存在不同水平和變動趨勢。

3.2.2 湖北省分區域核密度估計

從區域尺度來看。圖4b反映了湖北省鄂中區域耕地壓力演變情況。1）在位置變化上，密度曲線呈現出“高尖峰形”向“矮寬峰形”轉變趨勢，變化區間范圍大幅增大，表明耕地壓力低值區增多，耕地壓力總體水平好轉，極化現象不明顯，各個城市之間耕地壓力差異較大。2）在演變過程來上，2000－2005年，密度曲線陡峭、波峰數量變化較大，峰值為研究區間最大值，變化區間范圍較小，耕地壓力的總體水平較高，與2000年相比，2005年密度曲線中心位置右移，變化區間微增，主峰值小幅減少，主峰由多個峰波組成，表明鄂東區域各個城市耕地壓力極化現象較大，耕地壓力的總體水平較高，2005和2010年，密度曲線中心位置向右大幅移動，峰值繼續減小，有3個峰波，坡度變平緩，變化區間向左右兩邊擴大，表明耕地情況好轉，兩極分化現象減小，但區域內耕地壓力差距在進一步擴大，2016年密度曲線中心位置與往年相比繼續向左移動，主峰值減小，主峰較明顯，坡度更平緩，變化區間繼續增加，表明區域內耕地壓力差距加劇。

圖4c反映了湖北省鄂中區域耕地壓力在樣本考察期內的演變情況。1）在位置變化上，密度曲線位置中心左移，呈現出“寬峰形”向“尖峰形”轉變趨勢，變化區間范圍縮小，表明鄂中區域的耕地壓力變化較大，耕地壓力中值區逐步增多，區域內部兩極分化現象明顯。2）在演變過程中，2000－2005年，密度曲線為“寬峰形”，有2個峰波，密度曲線較平緩，變化區間范圍較小，表明鄂中區域耕地壓力的總體水平較低，存在一定極化現象，與2000年相比，2005年核密度曲線相比，密度曲線中心位置右移，主、次峰值均下降，變化區間擴大，表明鄂中區域之間耕地壓力存在一定差距，2005和2010年，密度曲線中心位置大幅左移，峰值小幅降低，有多個峰波，變化區間縮小，表明區域內耕地壓力極化現象變大，各個城市之間耕地壓力差距減小，2016年密度曲線中心位置基本不變，變為辨識度較高的雙峰形狀，主峰值大幅上升，坡度變陡峭，表明地區耕地壓力總體上升，存在極化現象。

圖4d反映了湖北省鄂西區域耕地壓力在樣本考察期內的演變情況。1）在位置變化上，鄂西地區的耕地壓力總體水平波動較小，極化現象明顯，各個城市之間耕地壓力差距逐漸變小。2）在演變過程中，2000－2005年，密度曲線呈偏態“M”形雙峰分布，波峰較陡，變化區間較大，表明鄂西區域耕地壓力差距較大，存在兩極分化現象，與2000年相比，2005年密度曲線中心位置向右移動，主峰值均減小，次峰值增大，變化區間小幅減小，表明鄂西區域耕地壓力差距減小，極化現象明顯，2005和2010年，密度曲線中心位置向左微移，主、次峰值均小幅增大，變化區間繼續減小，表明鄂西區域耕地壓力差距縮小，耕地壓力水平變大，2016年與往年相比，密度曲線中心位置向右移動，峰值均增大，變化區間變小，表明鄂西區域耕地壓力差距逐漸縮小，耕地壓力水平變大，存在兩極分化現象。

圖4 湖北省各區域耕地壓力核密度

4 結論與討論

1）總體來看，研究期內，湖北省耕地壓力指數和人均最小耕地面積都表現出降低態勢，平均耕地壓力較小，說明耕地資源利用合理，區域糧食安全也得到了較好的保障。

2）湖北省各地區耕地壓力狀況表現出明顯的異質性。研究期內湖北省3個區域耕地壓力變動趨勢不一，其中鄂中區域耕地壓力時空變化特征明顯，耕地情況嚴峻，尤其是武漢市；鄂西耕地情況次于鄂東，區域內只有襄陽市耕地情況最好，其他4個城市耕地壓力均在中壓力以上；鄂中區域耕地情況十分樂觀，區域內人均耕地矛盾較小。

3）湖北省及各區域耕地壓力的演進過程伴隨著一定程度的極化特征。樣本考察期內，不論是湖北省還是鄂東、鄂中和鄂西耕地壓力的密度曲線整體的位置、峰度、形狀等方面都存在差異，湖北省耕地壓力情況較好，兩極分化現象不太明顯，呈低值集聚；密度曲線區間變化情況是鄂東區域＞鄂中區域＞鄂西區域，鄂東區域之間耕地壓力差距較大，鄂東鄂西兩極分化現象明顯，鄂東區域內耕地壓力情況不樂觀，存在一定糧食安全問題。

本文采用修正耕地壓力指數模型對湖北省2000－2016年耕地壓力狀況進行分析，對于把握湖北省耕地資源利用狀況，探尋鄉村振興戰略下的耕地資源高效利用路徑具有一定參考價值。但是本文也存在一定不足，如本文在系統闡釋了湖北省耕地壓力的區域差異及其演進特征后，并沒有進一步揭示產生這些差異的原因，特別是針對不同耕地壓力狀況的城市，在當前鄉村振興、新舊動能轉換、農業現代化等現實背景下，應該采取何種耕地利用或開發模式等，這些都是圍繞本文研究主題可以深化的主要方向。

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Regional differences and dynamic evolution of cultivated land pressure in Hubei Province

Lu Xinhai1,2, Liu Ruihong1, Kuang Bing1

(1.,430079,; 2.,,430074,)

In order to fully research the regional differences and dynamic evolution of cultivated land pressure to ensure food security in Hubei Province, the revised cultivated land pressure index was used to measure the pressure of cultivated land in Hubei Province and its 17 cities. The difference of cultivated land pressure variation in Hubei Province from time series and spatial level was analyzed. The kernel density estimation method was used to describe the dynamic evolution of cultivated land pressure. The results showed that: 1) During the period 2000-2016, the cultivated land pressure index and the minimum cultivated land area per capita showed a decrease trend. The average cultivated land pressure index was 1.011 in Hubei Province; the cultivated land pressure was warning pressure. The minimum per capita arable land area and per capita actual supply area were small. 2) During the period 2000-2016, the change of cultivated land pressure in Hubei Province is inconsistent. The temporal and spatial changes of cultivated land pressure were obvious, and the situation of cultivated land pressure was severe in the central area of Hubei Province, Wuhan in particular. The cultivated land pressure in western area was weaker than that of eastern area of Hubei Province, and the situation of cultivated land pressure in Xiangyang City was the best. The trend of cultivated land pressure in 17 urban areas was different, but the current situation of cultivated land pressure in Hubei was optimistic and the change was small. At the same time, the pressure of cultivated land in western and eastern Hubei Province was different. In the eastern region, such as Wuhan, E'zhou and Huangshi, they had higher pressures on cultivated land, but Huanggang and Xianning had better pressure of cultivated land. Only the pressure of cultivated land in Xiangyang City reached the best. The pressure on cultivated land in the other four cities was higher than medium pressure; the annual pressure of cultivated land in Shiyan City was higher than high pressure. 3) The overall level of cultivated land pressure gradually decreased during the sample survey period, but the regional gap increased, and the polarization phenomenon was quite obvious. 4) From the perspective of different regions, the overall level of cultivated land pressure in the eastern Hubei was continuously decreasing, the regional gap was large, and the polarization phenomenon was more prominent; the pressure level of cultivated land in central Hubei was low, the regional gap was not large, and the polarization was not obvious; the pressure of cultivated land in western Hubei horizontally centered, there was a regional gap, and polarization was not obvious as the eastern region.

land use; models; cultivated land; modified cultivated land pressure index; kernel density estimation; dynamic evolution; Hubei Province

盧新海，劉瑞紅，匡 兵. 湖北省耕地壓力的區域差異及動態演進分析[J]. 農業工程學報，2019，35(23)：266－272.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.033 http://www.tcsae.org

Lu Xinhai, Liu Ruihong, Kuang Bing. Regional differences and dynamic evolution of cultivated land pressure in Hubei Province [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 266－272. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.033 http://www.tcsae.org

2019-05-19

2019-10-31

國家自然科學基金項目（71673096、41801205）；教育部人文社會科學研究項目（19YJC790054）；中國博士后科學基金項目（2018M642882）

盧新海，博士，教授，主要從事土地資源管理與糧食安全研究。Email：xinhailu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.033

F301.21

A

1002-6819(2019)-23-0266-07