近10年中國耕地變化的區(qū)域特征及演變態(tài)勢

袁承程，張定祥，劉黎明，葉津煒

·土地保障與生態(tài)安全·

近10年中國耕地變化的區(qū)域特征及演變態(tài)勢

袁承程1，張定祥2，劉黎明1※，葉津煒1

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學土地科學與技術(shù)學院，北京 100193；2. 中國國土勘測規(guī)劃院，北京 100035）

隨著工業(yè)化、城市化進程推進,中國耕地在數(shù)量和質(zhì)量方面均發(fā)生了顯著變化。通過分析2009－2018年中國耕地的時空變化，掌握中國耕地變化的區(qū)域特征與變化態(tài)勢，有助于制定差別化的區(qū)域耕地保護政策與管理策略，為保障糧食安全提供科學依據(jù)。該研究基于2009－2018年土地調(diào)查格網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用GIS空間分析、數(shù)學指數(shù)模型等方法，從耕地數(shù)量、空間以及立地條件等方面研究近10年來中國的耕地時空變化特征。研究表明：1）2009－2018年間中國耕地數(shù)量總體穩(wěn)定，但是耕地數(shù)量變化的區(qū)域差異較大。全國耕地共減少39.37萬hm2，減少幅度為0.29%。2）從市域尺度分析，呈現(xiàn)以“哈爾濱-鄭州-昆明”帶為中心的東-中-西分異特征，該中心帶內(nèi)耕地凈減少面積與全國耕地凈減少總量基本持平，而該中心帶以東地區(qū)的耕地凈減少量與中心帶以西地區(qū)的耕地凈增加量相近。3）耕地空間變化率在長江以北的長江中下游平原區(qū)、黃淮海平原區(qū)以及四川盆地及其周邊地區(qū)相對較高，表明這些區(qū)域人為調(diào)整耕地空間布局的強度較大，但其市域內(nèi)凈增加耕地面積總量卻不大。4）耕地減少主要分布在距離主要城市中心30 km以內(nèi)的區(qū)域，而耕地增加主要發(fā)生在離城市中心40 km以外區(qū)域，這進一步說明城市化發(fā)展仍然是當前耕地減少的主導因子。此外，石嘴山、延安、雅安、榆林、張家口、麗水和泉州等地的耕地平均海拔增加較大，說明這些地區(qū)耕地“上山”現(xiàn)象較為嚴重。因此，今后應(yīng)根據(jù)耕地變化“熱點地區(qū)”的動態(tài)識別，提升自然資源管理和督察的精準定位和因地施策的能力。

土地利用；遙感；土地調(diào)查；耕地變化；格網(wǎng)數(shù)據(jù)；中國

0 引 言

耕地是保障國家糧食安全的基石，耕地保護對于中國這樣一個擁有13億人口的大國尤其重要[1-2]。隨著工業(yè)化、城市化進程的加快，有限耕地資源與建設(shè)用地、生態(tài)用地擴展之間的矛盾日益尖銳[3]。尤其是在2009－2018年間，隨著社會經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，建設(shè)用地規(guī)模的不斷擴張。一方面耕地被大量的建設(shè)用地所占用；而另一方面由于耕地占補平衡政策的實施，大規(guī)模的土地整治、土地開發(fā)或復墾等工程不斷被推出，以補充被城市建設(shè)占用的耕地數(shù)量[4-5]。同時，由于生態(tài)退耕、災(zāi)毀與農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等原因，中國耕地無論是在數(shù)量、質(zhì)量還是空間分布上，均發(fā)生了顯著變化[6-7]。因此，研究近10年中國耕地時空變化，認識耕地變化的規(guī)律，掌握其空間分布變化特征，對于保障中國糧食安全，優(yōu)化國土空間布局具有重要的指導意義。

中國耕地變化的研究一直受到高度重視[8]。為了掌握耕地變化特征，國內(nèi)外學者基于3S技術(shù)、遙感影像及社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等資料，從耕地保護與利用的空間格局[9-10]、時空演變特征[11-13]、指數(shù)模型方法[14-15]、驅(qū)動機制[16-17]以及耕地變化效應(yīng)[18-21]等多角度進行了研究，并取得了一定成果。例如，張國平等[22]研究了20世紀80年代末至2000年中國耕地資源的時空變化；程維明等[12]根據(jù)中國6期土地利用空間數(shù)據(jù)和地貌分區(qū)數(shù)據(jù)，分析中國耕地1990－2015年的面積變化和空間分布格局，探討不同地貌分區(qū)下的耕地新增與流失方向；趙曉麗等[15]對中國1987—2010年的耕地變化過程進行了全面分析，揭示了中國近30 a來耕地變化的時空特征,分析了其變化的主要原因；Wang等[18]研究了1990－2015年中國耕地時空變化對糧食生產(chǎn)及其水資源消耗的影響。但是現(xiàn)有研究側(cè)重于耕地數(shù)量變化分析，而對于耕地的空間和立地條件變化特征缺少系統(tǒng)研究。此外，梳理國內(nèi)外關(guān)于耕地變化的文獻，現(xiàn)有研究依據(jù)數(shù)據(jù)來源可分為兩類：一類是基于衛(wèi)星遙感監(jiān)測解譯數(shù)據(jù)，如以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工交互的方法快速提取土地利用變化遙感信息[23-24]。例如，劉紀遠等[25]基于Landsat 8 OLI，GF-2等遙感圖像和人機交互解譯方法獲取土地利用數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了中國2010－2015年土地利用變化遙感動態(tài)監(jiān)測；滿衛(wèi)東等[26]以Landsat TM/ETM+/OLI 遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用面向?qū)ο笈c目視解譯相結(jié)合的分類方法，提取東北地區(qū)1990年、2000年和2013年耕地信息，分析了耕地時空變化特征及其驅(qū)動因素。另一類是基于全國的土地調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)[27-28]。例如，譚永忠等[27]應(yīng)用土地調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析了全國第二次土地調(diào)查前后中國耕地面積變化的空間格局；王靜怡等[13]基于1996－2016年耕地數(shù)量的原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對中國耕地數(shù)量變化趨勢及其驅(qū)動因子進行了分析。盡管基于衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究可以反映耕地變化趨勢，但是因遙感影像解譯精度有限，缺少足夠的外業(yè)調(diào)查和驗證，并不能準確反映因中國耕地保護政策造成的耕地數(shù)量變化[28]；而基于土地調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)的研究，絕大部分是以省級行政區(qū)為研究單元分析中國耕地變化，而對于各省內(nèi)部耕地的空間變化則較少涉及。

為了解決此項不足，本研究將2009—2018年土地利用調(diào)查的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為格網(wǎng)數(shù)據(jù)，并從耕地數(shù)量、空間以及立地條件等方面分析中國耕地時空變化特征，有助于準確識別中國耕地空間變化的熱點區(qū)域，揭示耕地變化的關(guān)鍵驅(qū)動因子，掌握耕地質(zhì)量變化的基本動態(tài)；同時，也可在宏觀層面上反映出政府在耕地管理上的績效差異，從而為制定更加精準的耕地保護政策提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

第二次全國土地調(diào)查完成之后，中國形成了2009年全國2880個縣區(qū)的1:1萬土地利用數(shù)據(jù)庫。以此為基礎(chǔ)，之后每年又開展變更調(diào)查，形成了土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫。為了解決全國土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫以縣級行政單元存儲數(shù)據(jù)量過大且涉密，難以滿足社會共享需求的問題，張定祥等[29]開發(fā)了全國土地利用格網(wǎng)數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)。全國土地利用格網(wǎng)數(shù)據(jù)是指將第二次全國土地調(diào)查及變更調(diào)查獲得以縣級行政區(qū)劃為單元的土地利用矢量數(shù)據(jù)，通過空間疊加運算轉(zhuǎn)化為地理格網(wǎng)單元數(shù)據(jù)。本研究采用1分為間隔的經(jīng)緯線將全國劃分為347萬個格網(wǎng)，每個格網(wǎng)中賦有各類土地利用類型名稱及面積信息。由于在數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中，采用了全地類網(wǎng)格化方法，完全繼承了土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中地類編碼和面積，可以保證每個格網(wǎng)中地類面積與實際面積相同。為了驗證轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)準確度，本研究統(tǒng)計了2009年各省區(qū)轉(zhuǎn)換為格網(wǎng)數(shù)據(jù)的耕地面積，并將其與國家公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比，結(jié)果完全一致，說明該格網(wǎng)數(shù)據(jù)精度完全可靠。

本研究的全國土地利用格網(wǎng)數(shù)據(jù)（2009、2018年2個時相）由中國國土勘測規(guī)劃院提供。為了計算方便，在ArcGIS中將格網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)（1 km×1 km）。為了保持轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)后的市域耕地面積不變，分別計算各市域內(nèi)柵格數(shù)據(jù)的耕地面積總和與其格網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的耕地總面積之比，并應(yīng)用該值對市域尺度內(nèi)柵格數(shù)據(jù)的耕地面積進行修正。本研究還應(yīng)用全國30 m的DEM數(shù)據(jù)以及直轄市與地級城市所在區(qū)域的中心點位數(shù)據(jù)。由于近10年來中國部分市域的行政界線進行了調(diào)整，本研究以2013年中國市域行政區(qū)劃為準。此外，參照中國糧食主產(chǎn)區(qū)的區(qū)劃方案，本研究按照東北平原（黑龍江、吉林、遼寧）、長江中下游地區(qū)（上海、浙江、江蘇、安徽、江西、湖北、湖南）、黃淮海平原區(qū)（北京、天津、河北、河南、山東）、北方干旱半干旱區(qū)（內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅和新疆）、云貴高原區(qū)（廣西、云南和貴州）、四川盆地及周邊地區(qū)（四川和重慶）、黃土高原（陜西、山西）、華南區(qū)（福建、廣東和海南）以及青藏高原區(qū)（青海和西藏）等9個區(qū)域進行空間分析。由于中國香港、澳門和臺灣經(jīng)濟社會發(fā)展具有特殊性且數(shù)據(jù)來源受限，本研究未包括這3個地區(qū)。

1.2 研究方法

耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護對指導新時期耕地保護實踐工作，促進耕地資源可持續(xù)利用，保障國家糧食安全、生態(tài)安全和社會穩(wěn)定意義重大[30]。由于缺少耕地生態(tài)的有關(guān)數(shù)據(jù)，本研究僅從耕地數(shù)量與質(zhì)量分析中國耕地時空變化特征。耕地數(shù)量變化特征主要是利用耕地變化幅度、耕地變化動態(tài)度以及耕地相對變化率等指標進行刻畫，通過這些指標可以有效反映中國耕地近10年耕地數(shù)量變化總體特征與趨勢。耕地質(zhì)量主要利用耕地空間變化與立地條件變化特征來間接表征。耕地空間變化特征主要利用耕地變化集聚度、耕地空間變化率等指標識別耕地變化的熱點區(qū)域；而耕地立地條件變化特征主要利用耕地離主要城市中心的距離、耕地平均海拔等指標間接反映耕地質(zhì)量變化。

1.2.1 耕地數(shù)量變化分析方法

1）耕地變化動態(tài)度

耕地動態(tài)度可表征某個時段研究區(qū)或格網(wǎng)內(nèi)耕地變化幅度與速度[9]。其計算公式為

式中U、U分別為研究期初與期末的耕地面積，hm2；為研究時間，a。當設(shè)定為年時，為研究時段的耕地面積動態(tài)度，%。此外，在格網(wǎng)中如U為0，且U≠0則說明在該格網(wǎng)內(nèi)有新增耕地，此時認為該格網(wǎng)耕地變化動態(tài)度為=100/。

2）耕地相對變化率

在耕地變化動態(tài)度的基礎(chǔ)之上，將局部地區(qū)的耕地變化動態(tài)度與全區(qū)的耕地變化動態(tài)度進行比較，用以分析研究區(qū)域范圍內(nèi)耕地變化的區(qū)域差異[28]。其表達式為

式中C、C指初期和末期全部研究區(qū)域耕地面積總和，hm2。如果>1，則表示該區(qū)域耕地變化的程度大于區(qū)域平均水平。

1.2.2 耕地空間變化分析方法

1）耕地變化集聚度指數(shù)

本文引入耕地變化聚集度指數(shù)來表征耕地變化的類型是否集聚。如果某市耕地增加的集聚度較高，則說明該地區(qū)有計劃、大規(guī)模地開展了新增耕地工程；同理，如果某市耕地減少的集聚度較高，則說明該市出現(xiàn)了大規(guī)模的耕地占用，如耕地占用是因城市建設(shè)，則可間接反映其城市規(guī)模擴張的強度。其計算步驟如下：首先將2009年和2018年的土地調(diào)查數(shù)據(jù)疊加相減，得到一個耕地變化數(shù)據(jù)；其次，將柵格數(shù)據(jù)重分類，如果第市的第個柵格內(nèi)的耕地增加了記為a=1，減少了則記為b=?1；之后，當柵格類型a與其周邊相同類型的柵格具有公共邊界時，則將這些柵格合并一個新斑塊z，同樣，當柵格b與其周邊相同類型的柵格具有公共邊界時，則將這些柵格合并為新斑塊d。最后，分別統(tǒng)計各市域內(nèi)斑塊z或d的個數(shù)與其市域耕地變化柵格個數(shù)之比。其計算公式為

式中AI為市的聚集度指數(shù)（%），和分別代表耕地斑塊數(shù)量增加和減少。當AI（或AI）越大表示其增加（或流失）耕地的斑塊在市域內(nèi)越集聚。

2）耕地空間變化率

本文引入?yún)^(qū)域耕地空間變化率指標用來反映區(qū)域內(nèi)耕地空間變化的強度。在耕地變化集聚度指數(shù)基礎(chǔ)之上，以市域為單元，應(yīng)用ArcGIS分別統(tǒng)計耕地增加或減少的柵格總數(shù)占市域內(nèi)總柵格數(shù)S的比例。具體計算公式為

式中S為某個地區(qū)內(nèi)的所有柵格數(shù)，KX為城市新增耕地空間變化率（%），KL為城市耕地流失空間變化率（%），KJ為城市耕地空間變化率（%）。

1.2.3 耕地立地條件變化分析方法

1）耕地離城市中心距離變化

人們普遍認為耕地離城市越近，其耕地質(zhì)量相對越好[31-32]，因此耕地離主要城市中心的距離可間接反映各地區(qū)耕地質(zhì)量變化。首先，在ArcGIS中采用直轄市或地級市的中心坐標為中心點，每隔10 km生成一個緩沖帶；據(jù)統(tǒng)計，將中國所有耕地覆蓋共計需要67個緩沖帶。其次，將2009與2018年兩期耕地柵格數(shù)據(jù)相減，若柵格值結(jié)果為正值，認為耕地增加；反之亦然。之后，采用區(qū)域統(tǒng)計功能，統(tǒng)計每個緩沖帶內(nèi)耕地增加面積和耕地減少面積。最后，為了方便分析，本研究以省（市、區(qū)）為單元統(tǒng)計各緩沖帶內(nèi)的耕地變化之后，將各緩沖帶內(nèi)的耕地變化與該省（市、區(qū)）10 a內(nèi)耕地變化的絕對值相比，得到了各省（市、區(qū)）離主要城市中心距離耕地變化的比例。

2）耕地平均海拔變化

耕地平均海拔變化指標可以用來反映各地區(qū)耕地平均海拔變化，其值越大說明該地區(qū)耕地“上山”現(xiàn)象越嚴重，其耕地質(zhì)量條件也就相對越差。其計算公式為

式中?為平均海拔變化，m；C第個格網(wǎng)的耕地面積，hm2；H為第個格網(wǎng)的平均海拔，m；0為初期年份，即2009年；1為末期年份，即2018年。

2 結(jié)果分析

2.1 耕地資源總量變化特征

從全國總體情況來看，中國耕地面積總體穩(wěn)定，但區(qū)域變化差異較大，如表1。2009年中國耕地面積13 538.44萬hm2，約占國土總面積的14.10%；2018年中國耕地面積13 499.07萬hm2，比2009年凈減少39.37萬hm2，減少率為0.29%。從耕地變化幅度分析，31個省（市、區(qū)）中有22個省（市、區(qū)）耕地面積在減少，共減少70.91萬hm2，是全國耕地凈減少面積的1.8倍；其余9個省（市、區(qū)）耕地面積在增加，共增加31.54萬hm2。這說明總量動態(tài)平衡的政策目標基本實現(xiàn)，但存在區(qū)域性差異的客觀現(xiàn)實。

從各省耕地變化幅度分析，遼寧、吉林、山東、河北、河南、湖北、貴州、甘肅、云南、廣西等省（區(qū)）耕地減少幅度均大于2.0萬hm2，其中尤其以山東、湖北和遼寧減少幅度最大，分別為8.86、8.42和7.25萬hm2。而新疆、內(nèi)蒙、廣東和湖南等省（區(qū)）耕地增加幅度均大于2.0萬hm2，其中尤其以新疆最為突出，其耕地面積增幅為12.05萬hm2。這說明中國耕地在空間變化上出現(xiàn)了新特征，不再是此前的“西增東減”[33]，而是“東南與西北”增，而“中部”減的新現(xiàn)象。

從耕地變化動態(tài)度分析，2009－2018年間北京、天津、上海、重慶、廣東以及新疆等年均耕地變化動態(tài)度較大，其中北京耕地變化動態(tài)度最高，為0.629 4%，這說明北京市耕地變化較為劇烈。其中在上述6個省（市、區(qū)）中北京、天津、重慶耕地大幅減少，而上海、廣東和新疆耕地變化動態(tài)度大幅度增加。2010年以前，珠三角和長三角地區(qū)被認為是中國耕地流失最為嚴重的地方[15]，但是近10年以來，中部地區(qū)已成為中國耕地流失最為嚴重的地區(qū)，而廣東和上海的耕地面積不僅沒有減少，反而大幅度增加。

表1 基于2009－2018年土地調(diào)查格網(wǎng)數(shù)據(jù)的耕地面積總體變化表

2.2 耕地數(shù)量的市域尺度變化特征

2009－2018年市域尺度耕地數(shù)量變化結(jié)果如圖1a所示。總體來看，中國市域尺度耕地面積呈現(xiàn)以“哈爾濱-鄭州-昆明”帶為中心，中心帶以東地區(qū)耕地面積凈減少，而中心帶以西地區(qū)面積凈增加，并且耕地凈減少面積的總量（?16.74萬hm2）與西部地區(qū)耕地凈增加面積的總和（17.11萬hm2）相接近。而“哈爾濱-鄭州-昆明”帶，平行于黑河-騰沖線，包括哈爾濱、長春、四平、鐵嶺、沈陽、錦州、葫蘆島、秦皇島、天津、唐山、滄州、邯鄲、邢臺、廊坊、衡水、鄭州、平頂山、安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、許昌、南陽、十堰、襄樊、恩施、重慶、遵義、畢節(jié)、昆明、曲靖等55個市。雖然該中心帶內(nèi)耕地總面積僅占全國耕地總面積的24.50%，但該區(qū)域耕地凈減少面積（?39.77萬hm2）與全國耕地凈減少總量（?39.37萬hm2）大體上持平。這主要是在“中部崛起”戰(zhàn)略和國家生態(tài)保護工程實施的影響下，與該區(qū)域建設(shè)用地大規(guī)模擴張和退耕還林還草工程的實施有關(guān)。

2009—2018年市域尺度耕地變化平均動態(tài)度，如圖1b所示。中國耕地流失平均變化動態(tài)度值較高地區(qū)主要是中國的省會城市和重點城市，如深圳（?1.66%）、廈門（?1.47%）、武漢（?1.11%）、西安（?0.82%）、中山（?0.80%）、鄭州（?0.78%）、烏魯木齊（?0.72%）、廣州（?0.62%）、蘇州（?0.65%）、南京（?0.59%）。除此之外，內(nèi)蒙古的烏海市（?1.54%）、甘肅的金昌（?0.73%）和安徽銅陵（?0.71%）等城市的耕地流失平均動態(tài)度也較高。經(jīng)過與歷史遙感影像比對發(fā)現(xiàn)，烏海主要是由城市建設(shè)和烏海湖面積的擴大占用耕地造成的；金昌主要是由金川峽水庫擴容、退耕還林還草以及建設(shè)占用等原因造成的；而銅陵主要是與城市建設(shè)占用耕地有關(guān)。此外，在青藏高原地區(qū)的果洛（?0.81%）和那曲（?0.60%）的耕地流失平均動態(tài)度也相對較高。

而新增耕地平均動態(tài)度值排名靠前的地區(qū)依次是麗水（1.17%）、陽江（1.05%）、海西（1.0%）、東莞（0.93%）、衢州（0.89%）、阿壩（0.75%）、肇慶（0.73%）、阿拉善（0.73%）、湛江（0.68%）、石嘴山（0.64%）、潮州（0.63%）、汕尾（0.61%）以及揭陽（0.57%）等。從上述地區(qū)分析發(fā)現(xiàn)，中國新增耕地平均動態(tài)度值較大的地區(qū)主要位于中國南方沿海丘陵地區(qū)的廣東和浙江，說明廣東和浙江通過土地整治或開墾的方式增加了大量耕地。結(jié)合耕地流失平均動態(tài)度的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，廣東和浙江充分發(fā)揮了耕地占補平衡政策的作用，一方面在省域的重點城市內(nèi)大幅度占用耕地，而另一方面在省內(nèi)其他城市則大規(guī)模補充耕地，從而保持省域內(nèi)耕地面積穩(wěn)定或略有增加，但是其補充耕地質(zhì)量如何，還有待深入研究。而海西、阿壩、阿拉善以及石嘴山主要是通過開墾的方式增加了大量的耕地，但這些地區(qū)新增耕地水熱條件相對較差。

2.3 耕地變化的空間特征

2.3.1 耕地空間變化熱點區(qū)域識別與集聚度分析

1）耕地流失熱點區(qū)域識別與集聚度分析

耕地變化熱點區(qū)域識別結(jié)果如圖2所示。從圖2a中可知，黃淮海平原區(qū)、長江中下游地區(qū)和四川盆地及周邊地區(qū)是耕地流失的重點區(qū)域。具體來看，黃淮海平原耕地流失主要集中在京津冀地區(qū)，尤其北京-石家莊-鄭州沿線耕地流失也較為明顯；在長江中下游地區(qū)，耕地流失主要集中在長三角核心區(qū)域，如南京至蘇州、嘉興-杭州-寧波等沿線區(qū)域，但上海耕地并未流失，反而有所增加；在四川盆地耕地流失主要在成渝城市群地區(qū)。而在其余地區(qū)耕地流失主要是在省會城市周邊地區(qū)。

為了更進一步描述耕地流失的空間布局，本文計算了中國市域尺度耕地流失聚集度指數(shù)，其結(jié)果如圖2c。由于耕地流失的主要途徑包括建設(shè)占用、生態(tài)退耕或災(zāi)毀，而市域尺度耕地流失聚集指數(shù)越高表明該地區(qū)耕地流失分布越集聚，其越有可能是城市擴建造成的。反之，耕地流失聚集度指數(shù)越低，其原因可能是生態(tài)退耕、災(zāi)毀或農(nóng)村建設(shè)占用。從圖2c可知，耕地流失聚集度指數(shù)較高地區(qū)主要是在黃淮海平原區(qū)以及南方沿海地區(qū)。從聚集度指數(shù)看，西安、蘇州、廈門、鄭州、鄂州、成都、焦作、北京、武漢、寧波等城市聚集度指數(shù)較高，說明這些城市均存在大規(guī)模以“攤大餅”的形式進行城市擴建。而在通遼、呼倫貝爾、黑河、綏化、赤峰、興安盟、齊齊哈爾、烏蘭察布、佳木斯等耕地流失集中度較低，經(jīng)與圖2b比對分析發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域同時也是耕地新增的重點地區(qū)，這可能是由于這些地區(qū)耕地指標充沛，人口較少，其耕地管理較為放松，建設(shè)占用比較分散，同時生態(tài)退耕也較為普遍。此外，需要說明的是，重慶主城區(qū)也開展了大規(guī)模的建設(shè)，但由于本研究以重慶直轄市作為一個研究單元，再加上重慶萬州等地區(qū)大規(guī)模退耕還林的影響，造成其聚集度指數(shù)不高。

2）新增耕地熱點區(qū)域識別與集聚度指數(shù)分析

從新增耕地熱點區(qū)域分析來看（如圖2b所示），全國新增耕地有以下特征：一是新增耕地大部分遠離城市，且與耕地流失相對集中于城市周邊相比，新增耕地空間布局普遍較為分散。二是新增耕地熱點區(qū)域主要集中在中國的長江中下游以北與黃河以南的淮海流域（如連云港、鹽城市、宿州、信陽、商丘等地）、四川盆地及其周邊地區(qū)（如廣元、樂山等地）以及內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)。從新增耕地集聚度指數(shù)分析（圖2d），淮海流域與四川盆地周邊地區(qū)的新增耕地的集聚度指數(shù)普遍較高。經(jīng)與多年遙感影像數(shù)據(jù)分析，該地區(qū)主要是通過大規(guī)模的土地綜合整治、增減掛鉤等工程增加耕地。同時，在黃河中下游流域內(nèi)的寧夏（銀川、石嘴山），內(nèi)蒙古（巴彥淖爾市），山西（渭南市），河南（三門峽、洛陽、焦作、新鄉(xiāng)、安陽、濮陽），以及山東（聊城、德州、濱州以及東營）等地市新增耕地聚集度指數(shù)較高。經(jīng)遙感影像對比分析發(fā)現(xiàn)，這些地區(qū)均在黃河周邊有大規(guī)模的耕地開墾。此外，在廣東省的湛江、陽江、肇慶，湖南的常德，湖北的咸寧，江西新余、南昌以及鷹潭，福建的泉州、莆田，浙江的衢州、麗水、紹興以及湖州，河北的石家莊、衡水，遼寧盤錦，內(nèi)蒙古的通遼，黑龍江的佳木斯和雞西、新疆的伊利和克拉瑪依，以及上海、天津等地新增耕地聚集指數(shù)均較高，表明這些地區(qū)均有大規(guī)模的新增耕地。三是通過與遙感影像對比分析發(fā)現(xiàn)，各地區(qū)新增耕地的來源有所差異。如廣東湛江（如雷州、徐聞）、陽江（如陽西、陽州以及江城），浙江麗水（如縉云、遂昌）、衢州（柯城、衢江）、泉州（如永春、南安）新增耕地主要來源于大面積的緩坡造地；而上海、天津和遼寧盤錦、浙江紹興等地區(qū)主要是將沿海濕地轉(zhuǎn)為耕地；內(nèi)蒙古的通遼（如開魯縣、奈曼旗），新疆的伊犁（察布查爾縣）和克拉瑪依（克拉瑪依區(qū)）則是將沙地改造為耕地。從新增耕地的來源分析發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)耕地的占補平衡，各地區(qū)因地制宜，充分發(fā)揮各自自然稟賦優(yōu)勢，沿海地區(qū)依靠填海造地，南方丘陵地區(qū)依靠緩坡造地，西部干旱半干旱地區(qū)依靠開墾沙地，而平原區(qū)則依靠土地綜合整治。這種只追求耕地數(shù)量的平衡，而忽視了其他生態(tài)系統(tǒng)功能的做法，在一定程度上可能會破壞生態(tài)環(huán)境。

2.3.2 耕地空間變化率分析

耕地空間變化率分析結(jié)果如圖3。從圖3a可知，總體來看中國耕地空間變化率在長江以北的長江中下游平原區(qū)、黃淮海平原區(qū)以及四川盆地地區(qū)相對較高。其中，泰州、商丘、德州、廊坊、徐州、鄭州、聊城、濮陽、許昌、衡水、蚌埠等市耕地空間變化率最高，均大于84%，說明這些區(qū)域人為調(diào)整耕地空間布局強度較大；而耕地空間變化率調(diào)整最小的區(qū)域主要分布在阿里、那曲、果洛、玉樹以及海西等西部人煙稀少的地區(qū)。

從耕地流失空間變化率分析（圖3b），耕地流失的空間變化率基本上以黑河—騰沖線為界，東部地區(qū)耕地流失空間變化率普遍比西部要高。西部地區(qū)除了甘肅蘭州、金昌、白銀、天水、威武、平?jīng)觥c陽、定西、隴南、臨夏，青海西寧、海東，寧夏以及新疆烏魯木齊、圖木舒克之外，其他地區(qū)的耕地空間變化率低于10%。從圖3b還可知，在中國東部地區(qū)，如黃淮海平原區(qū)、西南地區(qū)（成都、重慶、貴州以及昆明等地）以及東北平原（哈爾濱-長春-沈陽沿線）等地區(qū)耕地流失空間變化率較高。而耕地流失空間變化率較低的均位于青藏高原的地區(qū)，如阿里、那曲、果洛、海西等地區(qū)，這些地區(qū)普遍的特征是耕地資源緊缺，人口稀少。而在東部地區(qū)，耕地流失空間變化率較低的地區(qū)主要分布在黃山、西雙版納、伊春、白山、延吉、三明、河源、肇慶等地區(qū)。

從圖3c可知，東西部地區(qū)新增耕地空間變化率差異也較大。西部地區(qū)除蘭州、呼和浩特、烏蘭察布等新增耕地空間變化率較大之外，其余地區(qū)新增耕地空間變化率總體變化較小。結(jié)合新增耕地的面積分析，西部耕地增加主要以部分地區(qū)的重點開發(fā)為主。而在東部地區(qū)，新增耕地空間變化率較大的區(qū)域主要是位于長江中下游與黃河中下游之間的平原區(qū)，如商丘、亳州、蚌埠、宿州、漯河、滁州、揚州、德州、周口、泰州、蕪湖、常州、淮安、徐州、六安、宿遷、駐馬店、合肥以及聊城等地，該地區(qū)的特征普遍是耕地資源稟賦好、人口多，土地利用強度大，其新增耕地面積途徑主要通過大面積的土地整治或農(nóng)村建設(shè)用地復墾而來。同時，結(jié)合耕地數(shù)量變化特征分析還發(fā)現(xiàn)，這些地區(qū)盡管空間變化率高，但是其市域內(nèi)凈增加耕地面積總量并不多，這與兩個因素有關(guān)：一是該地區(qū)同時又是建設(shè)占用耕地的重點區(qū)域，新開發(fā)的耕地大部分用來抵消區(qū)域內(nèi)建設(shè)占用的耕地；二是與其他地區(qū)相比，該地區(qū)土地利用程度較高，通過土地整治新增耕地的潛力較小。而在東部地區(qū)，除了主要省會和重點城市地區(qū)之外，新增耕地空間變化率較低的區(qū)域主要是伊春、白山、延吉、黃山、西雙版納等，這些區(qū)域基本位于生態(tài)敏感區(qū)，這可能在一定程度上抑制了人類在這些地區(qū)大范圍開墾耕地的可能性。

2.4 耕地的立地條件變化特征

2.4.1 離主要城市中心的距離分析

從表2中可知，中國耕地減少發(fā)生在離主要城市中心距離30 km以內(nèi)地區(qū)，而耕地增加主要發(fā)生在離城市中心40 km以外地區(qū)，這進一步說明城市化發(fā)展仍然是當前耕地減少的主導因子。其中廣西、湖北、遼寧在距離城市中心30 km以內(nèi)耕地減少的面積分別占耕地變化絕對值的75.45%、71.16%和68.38%。這也間接反映了廣西、湖北和遼寧的耕地質(zhì)量降低較為嚴重。

依據(jù)耕地減少主要發(fā)生的位置，可將中國各省（區(qū)、市）分為3種類型：一是耕地減少主要發(fā)生在距離城市中心10 km以內(nèi)，如黑龍江、河南、安徽、湖南、內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅、新疆、云南、四川、山西、江西、湖北、貴州、廣西、陜西和西藏等18省（區(qū)）。這些區(qū)域主要位于中國的經(jīng)濟較為落后，城市規(guī)模較小的中部和西部省份。另外，從全國橫向比較，河南、安徽、山西省在離主要城市中心距離10 km以內(nèi)耕地減少的比例最高，分別占其耕地變化總量的35.95%、34.39%和41.58%，表明這些省份的城市規(guī)模擴建較快，耕地占用較多。二是耕地占用主要在距離城市中心10~20 km間，如吉林、遼寧、天津、河北、山東、上海、江蘇、浙江、福建和海南等11省（市、區(qū)），其中遼寧、天津和河北耕地減少的比例較高。這些地區(qū)普遍位于經(jīng)濟較為發(fā)達，城市規(guī)模相對較大的中國東部和中部省份。三是耕地占用主要在距離城市中心20～30 km間，如北京和重慶，其中尤其以北京市在20～30 km間耕地減少的面積占耕地變化總面積的41.0%，可見在2009－2018年內(nèi)北京市在該緩沖帶內(nèi)進行大規(guī)模的城市建設(shè)，占用了大量的耕地。結(jié)合衛(wèi)星遙感影像分析，青海在距離城市中心20～30 km內(nèi)耕地大幅度減少，與城市建設(shè)占用無關(guān)，可能與生態(tài)退耕有關(guān)。此外，廣東和上海分別除了在距離城市中心10、30 km以內(nèi)耕地減少之外，其他緩沖帶耕地均有增加，這表明廣東和上海在一定程度上控制了城市規(guī)模的擴張。綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，除了廣東和上海，嚴格的耕地保護政策并不能限制城市擴張，中國大部分城市仍然將城市周邊大量優(yōu)質(zhì)的耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，而在距離城市較遠的地區(qū)進行補充，造成耕地質(zhì)量降低。

2.4.2 耕地的平均海拔分布特征

各地區(qū)耕地的平均海拔變化，結(jié)果如圖3d所示。結(jié)合中國的三大階梯分布圖分析，在第一階梯即青藏高原地區(qū)，耕地的平均海拔變化最大，如海北州、海西州、阿壩州以及海南州其耕地平均海拔分別增加了522.5、228.4、210.9和67.0 m；而玉樹、那曲、阿里和果洛耕地平均海拔分別減少了141.8、120.8、68.8和61.4 m。而在第二階梯，各地區(qū)耕地的平均海拔相對較大。如石嘴山（93.8 m）、嘉峪關(guān)（83.5 m）、阿勒泰（73.6 m）、伊犁（52.3 m）、阿拉善（60.1 m）、和田（64.7 m）、延安（34.3 m）、雅安（26.3 m）、榆林（22.1 m）、張家口（23.6 m）等地區(qū)耕地平均海拔升高了20 m以上；而烏海、西寧、貴陽、金昌、蘭州、昆明、烏魯木齊、海東、威武、西安、六盤水、玉溪、麗江等地耕地平均海拔降低了20 m以上。而在第三階梯，各地區(qū)耕地平均海拔變化較為平緩，但是在中國的東南沿海地區(qū)，如麗水、泉州、寧德、衢州、溫州、南平、三明、莆田、龍巖、梅州、河源、清遠、肇慶和湛江等地耕地平均海拔提升較大，均高于4.5 m，尤其麗水（47.9 m）、泉州（21.0 m）耕地平均海拔升高較大；而鄭州、通化、本溪等地區(qū)的耕地平均海拔降低了5 m以上。經(jīng)與耕地空間變化對比分析發(fā)現(xiàn)，耕地平均海拔升高，說明占用的耕地主要位于市域內(nèi)低海拔地區(qū)，而同時新增的耕地主要位于該區(qū)域的高海拔地區(qū)。反之，耕地平均海拔降低，說明占用的耕地主要位于市域內(nèi)的高海拔地區(qū)，而新增加的耕地位于市域內(nèi)的低海拔地區(qū)。通過耕地的平均海拔變化分析，并結(jié)合耕地的數(shù)量與空間變化，發(fā)現(xiàn)石嘴山、嘉峪關(guān)、阿勒泰、伊犁、阿拉善、和田、延安、雅安、榆林、張家口、麗水和泉州等地的新增耕地“上山”現(xiàn)象較為嚴重。

表2 各省（區(qū)、市）離主要城市中心不同緩沖區(qū)內(nèi)耕地變化比例

3 結(jié)論與討論

1）耕地資源總量變化特征。從中國耕地資源總體來看，2009－2018年間中國耕地數(shù)量總體穩(wěn)定，總量動態(tài)平衡的政策目標基本實現(xiàn)，但是區(qū)域差異明顯。中國耕地共減少39.37萬hm2，減少幅度為0.29%。具體來說，在31個省（市、區(qū)）中有22個省（市、區(qū)）耕地面積在減少，9個省（市、區(qū)）耕地面積在增加。其中，山東、湖北和遼寧耕地減少幅度最大，而新疆、內(nèi)蒙古、廣東和湖南耕地增加幅度較大，尤以新疆耕地面積增幅最大，為12.05萬hm2。從耕地變化的動態(tài)度分析，2009－2018年間北京、天津、上海、重慶、廣東以及新疆耕地變化速度較大，年均耕地變化動態(tài)度大于0.20%，其中北京耕地動態(tài)度最高，為0.629 4%，這說明北京市耕地變化較為劇烈。

2）耕地數(shù)量變化的地區(qū)差異特征。近10年來中國市域尺度耕地數(shù)量變化出現(xiàn)了以“哈爾濱-鄭州-昆明”帶為中心的“東-中-西”空間分異格局。該中心帶內(nèi)耕地凈減少面積與中國耕地凈減少總量基本持平，而該中心帶以東地區(qū)的耕地凈減少量與中心帶以西地區(qū)的耕地凈增加量相近。由此可見，中國東部地區(qū)一方面由于城市化和社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，耕地減少趨勢仍難以遏制，另一方面東部地區(qū)受土地資源稟賦所限，新增耕地數(shù)量的潛力不足；而中國廣大西部地區(qū)是新增耕地的主要來源，這與近年來“北糧南運”的現(xiàn)象相吻合。因此，在制訂未來耕地保護戰(zhàn)略或國土空間規(guī)劃時應(yīng)當充分考慮這一客觀現(xiàn)實。此外，中國耕地流失的平均變化動態(tài)度值較高地區(qū)主要是中國的省會城市和重點城市，而中國耕地增加的平均變化動態(tài)度值較高地區(qū)主要位于中國的廣東和浙江。

3）耕地空間變化特征。從中國耕地流失熱點區(qū)域分析，黃淮海平原的京津冀地區(qū)、長江中下游區(qū)的長三角區(qū)域和四川盆地的成渝城市群是耕地流失的重點區(qū)域。從新增耕地熱點區(qū)域分析，長江中下游以北與黃河以南的淮海流域，以及內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)是新增耕地的重點區(qū)域。從耕地空間變化率總體分析，中國耕地空間變化率在長江以北的長江中下游平原區(qū)、黃淮海平原區(qū)以及四川盆地地區(qū)相對較高。其中，泰州、商丘、德州等市耕地空間變化率較高，均大于84%，說明這些區(qū)域人為調(diào)整耕地空間布局力度較大，是中國耕地空間布局調(diào)整的熱點區(qū)域。盡管該地區(qū)的空間變化率高，但是結(jié)合耕地數(shù)量變化特征分析，其市域內(nèi)凈增加耕地面積總量不大。及時發(fā)現(xiàn)這種耕地變化的“熱點地區(qū)”有助于自然資源管理與督查的精準定位和因地施策。

4）耕地立地條件變化特征。中國耕地減少主要分布在離主要城市中心距離30 km以內(nèi)區(qū)域，而新增耕地主要發(fā)生在離城市中心40 km以外區(qū)域。依據(jù)耕地減少位于緩沖帶位置的不同，可將中國各省（區(qū)、市）分為3類地區(qū)：一是耕地減少主要發(fā)生在距離城市中心10 km以內(nèi)，主要位于經(jīng)濟較為落后，城市規(guī)模較小的中部和西部地區(qū)，如黑龍江、河南等18省（區(qū)）等；二是在距離城市中心10～20 km間，主要位于經(jīng)濟較為發(fā)達、城市規(guī)模相對較大的東部和中部地區(qū)，如江蘇、浙江、福建和海南等11省（市、區(qū)）；三是在距離城市中心20～30 km間，如北京和重慶。此外，中國各市耕地平均海拔變化幅度與中國地形三大階梯有關(guān)。第一階梯的市域耕地的平均海拔變化最大，第二階梯次之，第三階梯最小。通過耕地的平均海拔變化分析，并結(jié)合耕地的數(shù)量與空間變化，發(fā)現(xiàn)石嘴山、嘉峪關(guān)、阿勒泰、伊犁、阿拉善盟、和田、延安、雅安、榆林、張家口、麗水和泉州市等地耕地“上山”現(xiàn)象較為嚴重。

維持耕地總量動態(tài)平衡是解決糧食安全問題的根本保證，而耕地保護政策在其中發(fā)揮著重要的保障作用。從上述研究結(jié)果來看，中國實施嚴格的耕地保護政策，在一定程度上，有效減緩了耕地數(shù)量的減少，但是從長遠來看中國耕地利用和資源空間分布的異質(zhì)性格局、時間變化波動性趨勢依然嚴峻。因此，在國家統(tǒng)一的耕地保護政策框架之下，不同區(qū)域或省市應(yīng)制定更具針對性的地方施政措施和調(diào)控細則。此外，在耕地立地條件變化特征分析方面，由于缺少全國尺度較高精度的氣候數(shù)據(jù)，本研究只選用了離主要城市中心的距離和平均海拔兩個指標，下一步可結(jié)合中國的人口分布、經(jīng)濟發(fā)展、氣候數(shù)據(jù)以及各地區(qū)的耕地保護政策狀況進一步分析各地區(qū)耕地變化的驅(qū)動因素及其生態(tài)效應(yīng)，從而為國家全面落實耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”的分區(qū)管控政策提供科學依據(jù)。

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Regional characteristics and spatial-temporal distribution of cultivated land change in China during 2009-2018

Yuan Chengcheng1, Zhang Dingxiang2, Liu Liming1※, Ye Jinwei1

(1.,,100193,; 2.,100035,)

A contradiction has become greatly acute between the limited cultivated land resources and the ever-increasing expansion of construction and ecological land with the acceleration of industrialization and urbanization in China. It is necessary to explore the regional characteristics and change trend of cultivated land for national food security. According to the 2009-2018 land survey grid data, this study aims to investigate the temporal and spatial changes of cultivated land in China in the past 10 years from the aspects of quantity, space and site conditions with the aid of GIS spatial analysis, and mathematical index models. In terms of the quantity change of cultivated land, the index of the dynamic degree model and the relative change rate were used to characterize the range and regional difference of cultivated land change. In terms of the spatial change of cultivated land, the index of change aggregation was introduced to indicate whether the types of cultivated land change were agglomeration. In addition, the index of spatial change rate was introduced to estimate the intensity of spatial change in the regional cultivated land. In terms of farmland site conditions, the average altitude of cultivated land and the distance between cultivated land and city were usually used to represent indirectly the quality change of cultivated land. The results showed that: 1) The amount of cultivated land in China was generally stable from 2009 to 2018, but there was quite difference in the regional areas. The cultivated land decreased by 393700 hm2in the country, with a reduction rate of 0.29%. Specifically, Shandong, Hubei and Liaoning decreased the most, whereas, Xinjiang, Inner Mongolia and Guangdong increased the most. 2) In the past 10 years, the changing pattern of cultivated land at the city level in China has shown a central belt along the “Harbin-Zhengzhou-Kunming” line. The reduction in the central zone was basically the same as the national reduction, whereas, the reduction in the eastern part of the central zone was similar to the increase in the western part. The reduced areas with high average dynamics of cultivated land were mainly distributed in provincial capitals and key cities, whereas, the increased areas were mostly located in the southern hilly areas. 3) The spatial change rate of cultivated land was relatively high in the northern part of the of Middle and Lower Reaches Yangtze River Plain, the Huanghuaihai Plain, and the Sichuan Basin, indicating that great efforts were needed to adjust the spatial layout of cultivated land. However, the net increase in total was not large in the city, combined with the change characteristics in the number of cultivated land. 4) The reduced cultivated land in China was mainly distributed within 30 km from the center of major cities, while the increase mainly occurred in the areas 40 km away from the center of the city. As such, the country can be divided into three types of functional regions, according to the location of a buffer zone. Combined with the quantity and spatial change, it was found that the average altitude of cultivated land increased significantly in Shizuishan, Jiayuguan, Altay, Ili, Alxa, Hotan, Yan'an, Ya'an, Yulin, Zhangjiakou, Lishui and Quanzhou, indicating a more serious “uphill” phenomenon of cultivated land in these areas. The results show that it is necessary to improve the precise positioning of natural resource management and the ability to implement targeted and differentiated policies based on the dynamic identification of “hot spots” of cultivated land changes in the future.

land use; remote sensing; land survey; cultivated land change; grid data; China

袁承程，張定祥，劉黎明，等. 近10年中國耕地變化的區(qū)域特征及演變態(tài)勢[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(1)：267-278.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.032 http://www.tcsae.org

Yuan Chengcheng, Zhang Dingxiang, Liu Liming, et al. Regional characteristics and spatial-temporal distribution of cultivated land change in China during 2009-2018[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 267-278. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.032 http://www.tcsae.org

2020-12-07

2020-12-29

國家自然科學青年基金（42001224）；國家社會科學重大基金項目（19ZDA096）

袁承程，講師，主要研究方向為土地利用系統(tǒng)調(diào)查與設(shè)計。Email：ycc@cau.edu.cn

劉黎明，教授，博士生導師，主要研究方向為土地利用與鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃。Email：liulm@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.032

F301.2

A

1002-6819(2021)-01-0267-12