松嫩平原中部農作物空間格局時空變化

劉克寶，陸忠軍，付 斌，辛 蕊，黃 楠，劉艷霞，李 楊

（1. 黑龍江省農業科學院農業遙感與信息研究所，哈爾濱150086；2. 農業農村部農業遙感重點實驗室，北京100081）

0 引言

農作物空間格局是一個地區或生產單位作物種植結構、熟制與種植方式的空間表達［1］，是了解農作物種類、結構、分布特征的重要信息，也是進行作物結構調整和優化的依據［2］，其時空分布受自然資源條件和市場經濟行為影響，具有空間集聚性和時序動態性［3］，其特征及時空動態變化是農業地理和可持續農業發展的重要基礎，特別是在農業生態系統的陸地碳排放、全球變化對區域農業生產、農業發展的影響以及作物模式的動力學機理及模擬模型等方面［4］。

可持續的農作物空間格局有利于糧食安全、農業資源的利用和保護，為保障國家糧食安全，保護農業資源，國家自2014年相繼出臺了相關的文件，一是政策方面：（1）種植結構調整政策：2015年11月農業部下發《鐮刀灣地區玉米結構調整的意見》，調減玉米面積；2017年2月5日，國家公開發布《關于深入推進農業供給側結構性改革加快培育農業農村發展新功能的若干意見》，統籌調整糧經飼種植結構，優化農業區域布局；（2）耕地保護政策：2015年，黑土地保護利用試點項目實施；2016年5月20日，《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》實施。二是補貼方面：2014年實施了大豆目標價格補貼試點，自2017年起，將大豆目標價格補貼調整為大豆生產者補貼，與玉米生產者補貼統籌銜接；水稻最低保護價政策從2017年開始降低。在國家供給側結構改革和土地資源保護政策相繼出臺的背景下，對作物時空格局變化進行分析，對國家農業政策的制定和實施具有重要的理論和實際意義［5］。

農作物空間格局及其時空動態變化研究已經成為地理學和生態學的前沿和熱點研究問題，其信息獲取主要有3種方法：基于統計數據的方法、基于遙感信息的方法以及基于空間模型的方法。劉珍環等［6］利用縣級農業統計數據，綜合運用時序變化趨勢、空間集聚分析等方法，從種植結構類型和種植比例變化趨勢分析了1980年以來中國縣域種植結構的時空特征。潘曉卉等［7］基于2005—2015年東北地區40個市/盟主要糧食作物播種面積數據（統計數據），分析東北地區主要糧食作物種植結構時空變化。余強毅等［8］在農作物空間格局變化模擬模型（an agent-based model for simulating crop pattern dynamics，CroPaDy）概念化設計的基礎上，借助MATLAB平臺開放性、矩陣運算能力強等特點，實現CroPaDy模型的數值模擬，并以黑龍江省賓縣調查數據為依據，完成模型的區域實證；夏天等［9］研究并提出農作物空間格局動態變化模型（Crop Pattern Simulator，CROPS）的可行架構，并選取我國東北三省進行試驗，耕地空間格局模擬精度達到90%，農作物空間格局模擬精度達到75%；譚杰揚等［10］、劉珍環等［11］利用作物空間分配模型（SPAM—China）模擬東北三省作物時空分布特征。劉航等［12］利用Landsat TM/OLI遙感影像，以遙感、地理信息系統技術為支撐，利用隨機森林方法提取大豆空間分布信息，并結合景觀格局指數分析松嫩平原大豆種植結構時空演變特征。陸忠軍等［13］利用人工目視解譯中高分辨率衛星數據（TM5、SPOT2/4），結合自然生態背景（坡度、積溫、地表徑流），分時段分析1993—2011年黑龍江省水稻時空變化。

以上基于統計數據和空間模型的作物空間格局變化分析的研究中，均未描述作物之間的面積相互轉換以及種植方式（輪作、連作）；而基于遙感手段的作物種植結構時空變化分析多以長時段年間節點主要作物或單一作物時空變化分析為主，忽略了農業政策背景下年際間作物空間格局的劇烈變化，同樣無法獲得作物種植方式（輪作、連作）?；诖?，文章選擇松嫩平原中部的海倫市為研究區域，以2014—2018年為研究時段，以中高分辨率衛星數據提取的農作物空間分布數據為基礎，系統深入分析該時段內年際間作物種植結構時空變化特征及種植方式變化，為黑龍江省種植結構調整與優化布局提供科學依據和對策以及土地可持續利用建議。

1 材料與方法

1.1 研究區域

松嫩平原是國家重要的商品糧基地，是國家種植結構調整的重點區域，農民種植作物主要受大田作物間比較效益、國家政策的影響，但目前針對該區域作物空間格局的研究較少。

圖1 2014—2018年研究區位置和作物空間分布圖：a.研究區位置；b.作物空間分布Fig.1 Location of study area and crops spatial distribution map from 2014 to 2018

為兼顧研究的典型性和代表性，該研究選擇海倫市為研究區域，海倫市隸屬于黑龍江省綏化市，地處松嫩平原和小興安嶺余脈的過度地帶，松嫩平原中部，是世界三大黑土地之一，屬寒溫帶大陸性氣候，四季分明，降水集中，有效積溫2 200～2 400℃，年降水量500～600 mm。主要農作物有大豆、玉米、水稻等糧食作物和亞麻、烤煙等經濟作物，享有中國優質大豆之鄉、中國高淀粉玉米之鄉、中國甜菇娘之鄉、中國甜菜之鄉、中國籽鵝之鄉“六鄉”美譽，是國家重要的商品糧基地縣，是大豆、玉米種植的交錯地帶，是2015年東北4省（區）17個縣（市）開展黑土地保護利用試點項目縣之一。

1.2 數據

行政邊界線采用2012年全國1∶100萬分縣行政邊界線；作物空間分布數據為遙感手段獲得的2014、2015、2016、2017和2018年共5年的遙感數據，該數據的耕地和水稻采用人工目視解譯獲得，旱田作物（大豆、玉米和其他作物）采用計算機自動分類輔助人工目視解譯，其中2014年和2015年作物空間分布使用的衛星數據源為Landsat8 OLI（30 m），2016、2017和2018年3年使用Sentinel-2A（10 m）為主要數據源，Landsat8 OLI（30 m）為補充數據源。

1.3 分析方法

該文綜合運用數理統計和GIS空間分析等方法，分析年際間主要農作物類型變化量及幅度、輪作方式等方面的時空變化規律。具體如下。

（1）作物種植比例S，反映耕地內部種植結構特征。

式（1）中，Ai是作物類型i的總面積，其中A1+A2+…+Ai=100。

（2）作物類型變化幅度ΔS。表示某種作物在一段時期內的面積變化比例。

式（2）中，S（i，t1）和S（i，t2）分別為研究初期t1和末期t2某一作物類型i的面積。

（3）作物變化方向時空變化分析。作物變化方向時空變化分析為分別疊加鄰近兩年的作物空間分布數據，分析各作物（水稻、玉米、大豆和其他作物）不變區域、增加區域和減少區域。

（4）旱田作物輪作方式時空變化分析。疊加年際間作物空間分布數據，將公共區域內的作物輪作方式劃分為：玉米—大豆、玉米—其他作物、大豆—玉米、大豆—其他作物、其他作物—玉米和其他作物—大豆6種輪作方式，并進行年際間面積統計分析。

（5）旱田作物輪作次數分析。疊加2014、2015、2016、2017和2018年作物空間分布結果，選取5年旱田公共區域，將旱田作物輪作次數分為0、1、2、3和4次，并對面積進行統計，分析各輪作次數中各輪作時段所占的面積。

2 結果及分析

2.1 農作物空間分布精度評價

農作物空間分布精度評價使用野外調查的驗證點作為評價標準，將驗證點與耕地矢量解譯圖斑進行空間疊加，計算落在各作物地塊內的點數，進行精度評價。2018年共采集地面驗證點991個，其中水稻219個、玉米283個、大豆465個、其他作物24個，結果顯示水稻、玉米、大豆和其他作物定性精度分別為97.26%、95.41%、96.99%和95.83%，總體精度為96.57%。

2.2 農作物種植比例及面積時空變化分析

圖2 2014—2018年農作物面積及比例Fig.2 Map of crop area and planting scale from 2014 to 2018

表1 2014—2018年作物面積統計Table 1 Statistical of crop area from 2014 to 2018 hm2

據圖2，表1可知，2014年作物種植比例（水稻∶玉米∶大豆∶其他作物）為14∶40∶45∶1，旱田占耕地面積的86.64%，水稻占13.36%；2015年作物種植比例為15∶54∶30∶1，旱田占耕地面積的85.08%，水稻占14.92%；2016年作物種植比例為17∶38∶43∶2，旱田占耕地面積的82.48%，水稻占17.52%；2017年作物種植比例為20∶21∶54∶5，旱田占耕地面積的80.34%，水稻占19.66%；2018年作物種植比例為19∶38∶38∶5，旱田占耕地面積的80.75%，水稻占19.25%。

表2 2014—2018年作物年際變化Table 2 Interannual variation of crops from 2014 to 2018

由表2可知，4個時段中，水稻在前3個時段的種植面積持續增加，2017—2018年減少，4個時段面積變化幅度分別為11.66%、17.89%、12.13%和-3.31%；玉米2014—2015年種植面積增加，2015—2017年面積持續減少，2017—2018年面積增加，4個時段面積變化幅度分別為34.21%、-29.65%、-44.00%和78.42%；大豆2014—2015年種植面積減少，2015—2017年面積持續增加，2017—2018年面積減少，4個時段面積變化幅度分別為-34.02%、44.95%、25.74%和-31.88%；其他作物種植面積在4個時段持續增加，且面積變化幅度分別為7.58%、19.71%、205.12%和4.38%。

2.3 作物變化方向時空特征分析

由圖3a可知，2014—2015、2015—2016、2016—2017和2017—2018年4時段水稻不變區域的面積分別為45 011.92、50 541.44、59 446.14、63 805.81 hm2，分別占各時段初期水稻面積的98.90%、99.46%、99.22%、94.98；增加區域的面積分別為5 805.82、9 369.26、7 734.54、1 269.67 hm2；減少區域的面積分別為498.54、276.30、464.57、3 374.87 hm2。

圖3 2014—2018年作物4個時段面積變化：a.水稻；b.玉米；c.大豆；d.其他作物Fig.3 Crop area variation in 4 periods from 2014 to 2018

由圖3b可知，4時段玉米不變區域的面積分別為85 100.10、84 221.16、39 059.24、33 271.83 hm2，分別占各時段初期玉米面積的62.24%、45.89%、30.25%、46.02%；增加區域的面積分別為98 415.50、44 882.12、33 240.39、95 728.38 hm2；減少區域的面積分別為 51 636.89、99 294.44、90 044.04、39 027.80 hm2。

由圖3c可知，4時段大豆不變區域的面積分別為54 187.09、54 747.05、103 527.78、84 931.86 hm2，分別占各時段初期大豆面積的35.14%、53.81%、70.20%、45.80%；增加區域的面積分別為47 553.20、92 726.55、81 907.17、41 391.72 hm2；減少區域的面積分別為 100 013.14、46 993.24、43 945.83、100 503.08 hm2。

由圖3d可知，4時段其他作物不變區域的面積分別為231.02、433.60、791.81、3 137.08 hm2，分別占各時段初期其他作物面積的5.38%、9.39%、14.32%、18.59%；增加區域的面積分別為4 388.60、5 096.41、16 081.43、14 475.45 hm2；減少區域的面積分別為 4 063.15、4 186.04、4 738.19、13 736.16 hm2。

2.4 旱田輪作方式時空變化分析

表3為作物輪作面積統計結果。

表3 年際間作物輪作面積統計Table 3 Statistical of interannual crop rotation area hm2

結果顯示，2014—2015年，旱田公共區面積為288 982.23 hm2，輪作區面積為149 464.02 hm2，占年際間旱田公共區面積的51.72%。其中旱田輪作方式玉米—大豆面積為45 956.50 hm2，占輪作區域面積的30.75%；玉米—其他作物面積為1 609.58 hm2，占輪作區域面積的1.08%；大豆—玉米面積為95 169.88 hm2，占輪作區域面積的63.67%；大豆—其他作物面積為2 775.36 hm2，占輪作區域面積的1.85%；其他作物—玉米面積為2 463.48 hm2，占輪作區域面積的1.65%；其他作物—大豆面積為1 489.22 hm2，占輪作區域面積的1.00%。

2015—2016年，旱田公共區面積為280 843.19 hm2，輪作區面積為141 441.41 hm2，占年際間旱田公共區面積的50.36%。其中旱田輪作方式玉米—大豆面積為90 372.91 hm2，占輪作區域面積的63.89%；玉米—其他作物面積為3 118.42 hm2，占輪作區域面積的2.21%；大豆—玉米面積為41 934.65 hm2，占輪作區域面積的29.65%；大豆—其他作物面積為1 897.56 hm2，占輪作區域面積的1.34%；其他作物—玉米面積為2 108.85 hm2，占輪作區域面積的1.49%；其他作物—大豆面積為2 009.01 hm2，占輪作區域面積的1.42%。

2016—2017年，旱田公共區面積為273 429.48 hm2，輪作區面積為130 075.51 hm2，占年際間旱田公共區面積的47.57%。其中旱田輪作方式玉米—大豆面積為78 218.54 hm2，占輪作區域面積的60.13%；玉米—其他作物面積為7 648.36 hm2，占輪作區域面積的5.88%；大豆—玉米面積為31 411.76 hm2，占輪作區域面積的24.15%；大豆—其他作物面積為8 178.62 hm2，占輪作區域面積的6.29%；其他作物—玉米面積為1 440.00 hm2，占輪作區域面積的1.11%；其他作物—大豆面積為3 178.23 hm2，占輪作區域面積的2.44%。

2017—2018年，旱田公共區面積為271 578.64 hm2，輪作區面積為150 241.42 hm2，占年際間旱田公共區面積的55.32%。其中旱田輪作方式玉米—大豆面積為33 711.87 hm2，占輪作區域面積的22.44%；玉米—其他作物面積為4 531.63 hm2，占輪作區域面積的3.02%；大豆—玉米面積為89 128.55 hm2，占輪作區域面積的59.32%；大豆—其他作物面積為9 716.00 hm2，占輪作區域面積的6.47%；其他作物—玉米面積為6 144.19 hm2，占輪作區域面積的4.09%；其他作物—大豆面積為7 009.18 hm2，占輪作區域面積的4.66%。

2.5 旱田作物輪作次數分析

圖4 2014—2018年輪作次數空間分布圖Fig.4 Map of crops rotation number from 2014 to 2018

表4 2014—2018年各輪作情況面積統計Table 4 Statistical data of area for each crop rotation period from 2014 to 2018

續表4

由表4可知4個時段旱田公共區作物輪作次數分別為0次、1次、2次、3次、4次的旱田面積分別為28 248.60、48 695.32、96 812.60、69 538.50、25 731.23 hm2，分別占旱田公共區面積的10.50%、18.10%、35.99%、25.85%、9.56%。

其中輪作0次和4次的只有1種輪作模式。輪作1次的旱田區域中，包含4種輪作模式，即僅2014—2015年輪作的面積為15 174.05 hm2，占1次輪作面積的31.16%；僅2015—2016年時段輪作的面積為10 690.97 hm2，占1次輪作面積的21.95；僅2016—2017年輪作的面積為8 056.74 hm2，占1次輪作面積的16.55%；僅2017—2018年輪作的面積為14 773.56 hm2，占1次輪作面積的30.34%。

輪作2次的旱田區域中，包含6種輪作模式，即僅2014—2015年和2015—2016年輪作的面積為23 412.25 hm2，占2次輪作旱田面積的24.18%；僅2014—2015年和2016—2017年輪作的面積為10 717.45 hm2，占11.07%；僅2014—2015年和2017—2018年輪作面積為13 175.41 hm2，占13.61%；僅2015—2016年和201—2017年輪作面積為11 992.86 hm2，占12.39%；僅2015—2016年和2017—2018年輪作的面積為14 528.80 hm2，占15.01%；僅2016—2017年和2017—2018年輪作面積為22 985.83 hm2，占23.74%。

輪作3次的旱田區域中，包含4種輪作模式，即僅2014—2015年、2015—2016年和2016—2017年輪作的面積為11 770.54 hm2，占3次輪作面積的16.93；僅2014—2015年時段、2015—2016年和2017—2018年輪作的面積為21 348.45 hm2，占30.70%；僅2014—2015年、2016—2017年和2017—2018時段年輪作的面積為19 864.33 hm2，占28.57%；僅2015—2016年、2016—2017年和2017—2018年輪作的面積為16 555.19 hm2，占23.81%。

3 結論

利用中高分辨率衛星數據（Landsat 5 TM、Landsat 8 OLI、Sentinel-2A）獲得的耕地內部作物分布數據，運用數理統計方法，分析海倫市2014—2018年5年間作物空間格局時空變化特征，主要結論如下。

（1）5年間海倫市作物空間格局發生了較大的變化，水稻總體呈增長趨勢，其種植面積和比例2017年之前持續增加，年增長率超過10%，2018年略有降低；玉米、大豆種植面積和比例總體呈下降趨勢，年際間波動劇烈，且變化趨勢相反；其他作物種植面積和比例持續增加，種植比例提高近5倍。

（2）2014—2015年、2015—2016年、2016—2017年、2017—2018年4個時段中旱田輪作區域面積高于45%，2017—2018年最高，達到55.32%；玉米和大豆之間的輪作比例總體呈下降趨勢，但玉米和大豆之間的輪作為主要的輪作方式，高于輪作面積的80%；4個時段均輪作的區域面積不足旱田公共區面積的10%，玉米、大豆的重茬和迎茬仍較為普遍。

4 討論

（1）國家農業供給側改革政策的實施，對松嫩地區的作物種植結構產生了較大的影響，對種植結構的調整起到了積極的推進作用：旱田中玉米、大豆的種植比例降低，其他作物比例升高，水稻面積回落，旱田輪作比例呈增高趨勢。同時，伴隨著農村土地30年不變政策和土地流轉政策的實施，城鎮化的不斷推進，以及農村機械化和規?；潭炔粩嗵岣撸N植模式正一步一步從小農戶經營向土地規模經營的方式轉變，同時，我國大豆、玉米收益受進出口價格、政策性補貼等因素的影響較大，農民種植大都根據前一年的種植收益來決定下一年的種植作物，導致黑龍江省的玉米、大豆面積年際間波動巨大，農民收入易受沖擊，制定穩定、長期、綜合的農業政策，合理規劃作物空間格局，對于保障國家糧食安全、合理引導農民種植，保護農民利益、提高農民收入、保護耕地可持續利用起到積極的作用。

（2）黑龍江省的輪作主要是玉米和大豆輪作，不利于耕地的可持續利用，目前，小麥是黑龍江省的第三大旱田作物，但是面積僅為10.2萬hm2［14］且主要種植于嫩江、北安、五大連池以北，收益低，農民不愿意種植。建議根據地形、積溫、降水等自然條件，選擇適宜的作物，與玉米、大豆建立科學合理的“三三制”輪作制度。