重慶市水田和旱地資源動態變化研究

唐榮莉，劉 靜，羅友進，杜 靜，廖敦秀

(1. 重慶市農業科學院，重慶 401329；2. 逆境農業研究重慶市重點實驗室，重慶 401329；3. 北京市農林科學院植物營養與資源環境研究所，北京 100097；4. 重慶市農業資源與生態保護站，重慶 401121)

【研究意義】耕地的數量和質量一定程度上決定了區域的人口承載量和可持續發展能力。重慶作為西南地區和長江上游經濟中心、農業比重最大的直轄市，面臨耕地流失壓力增大、耕地非農化利用增加等問題[1]，在一定程度上威脅區域糧食安全，制約社會經濟發展。水田和旱地是重慶地區最重要的兩類耕地資源，開展其動態變化及空間分異特征的對比量化研究是保障區域糧食安全的重要基礎。【前人研究進展】隨著遙感和地理信息系統的發展及定量分析手段的進步，土地利用相關領域學者在國家和地區尺度上開展了一系列耕地動態變化研究，涉及耕地資源時空變化特征及基本格局[2-3]、典型經濟快速發展區耕地變化的區域分異[4-5]、耕地利用變化的穩定性和系統性特征[6]、耕地壓力的動態變化與空間差異[1]、耕地的景觀時空演變及驅動力特征[7-8]、耕地保護與建設用地集約利用協同發展[9]等重要議題。針對重慶地區，學者們主要關注快速城市化區域及典型脆弱區的耕地空間安全及管理，研究涵蓋了山地丘陵區土地資源流動與整合機制[10]、三峽庫區快速城鎮化地區耕地利用變化及生態效應[11]、川東平行嶺谷區耕地空間分布格局[12]、典型區縣退耕還林(草)工程對耕地壓力指數的影響[13]、快速城市化區域土地利用變化及生態效益[14]等方向。這些研究對重慶地區的耕地資源安全管理具有重要的理論意義及參考價值。【本研究切入點】受人口、社會、經濟、農業等要素變化的綜合影響，近年來重慶地區水田和旱地的流失速率、地類轉變特征在不同空間位置、不同行政單元表現出時空異質性。目前，鮮有重慶地區水田和旱地流失特征及時空差異分析的相關研究報道。本研究了解水田和旱地動態變化過程及流失趨勢，并對所屬行政單元進行類型劃分和空間示意，有助于分析耕地流失的驅動機制，制定出臺相應的管理措施，對于重慶地區的耕地保護和糧食安全有重要的理論和實踐意義。【擬解決的關鍵問題】本研究基于歷史遙感影像數據的解譯結果，利用耕地資源流失率及重心分析方法核算了重慶地區水田和旱地流失情況及地理重心的時空轉移特點；運用土地利用轉移矩陣分析了水田和旱地轉出的構成特點；綜合考慮水田、旱地流失特征及轉出類型歸納了耕地資源動態類型。開展本研究可加深對西南丘陵山地的水田、旱地流失規律的認識，為地區耕地調控政策的制定提供數據支持。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

重慶位于中國西南部、長江上游地區，地跨105°11′～110°11′E、28°10′～32°13′N，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫16～18 ℃，年均降水量達1105.5 mm，年均水資源總量5×107hm3左右。重慶地區海拔高差2723.7 m，域內東南部、東北部高，中部和西部低，由南北向長江河谷逐級降低。山地面積占76%，丘陵占22%，河谷平壩僅占2%。重慶是農業比重最大的直轄市，具有復雜多樣的生態環境、農村經濟社會背景及豐富的農業生產資源。重慶地區常住人口3124萬人，其中農村人口占常住人口的33.20%，2021年三次產業結構比重為6.9∶40.1∶53.0，糧食總產量為1.0928×107t[15]。

1.2 數據來源及處理

本研究使用的土地利用和矢量數據均來自中國科學院資源環境科學數據中心，主要包括重慶市行政邊界矢量數據及1980年、2000年、2018年3個時期的30 m分辨率土地利用數據，其中土地利用數據包括水田、旱地、林地、草地、水域、建設用地及未利用地等7個地類的相關數據。使用ArcGIS 10.2軟件為工作平臺，集成應用空間疊加、柵格條件計算等方法獲得重慶地區1980—2000年、2000—2018年兩個時期近40年間的土地利用轉移矩陣及不同區縣的耕地轉移格局[16]。

1.3 研究方法

使用耕地資源流失率核算耕地年流失情況；使用重心分析考察重慶市水田和旱地整體上地理重心的時空轉移特點；使用土地利用轉移矩陣比較各行政單元的水田和旱地轉出的流向地類特點。

1.3.1 耕地資源流失率 依據耕地資源流失率指數(K)[17]核算重慶市38個涉農區縣兩個時期的水田和旱地耕地資源流失情況。

K=[(Ati-Atj)/Atinj-i]×100%

(1)

式中，Ati為某一時期初(年份i)的耕地面積，Atj為某一時期末(年份j)的耕地面積，nj-i為間隔年數。可根據耕地資源數量變化特征將所研究的行政單元分為耕地資源嚴重流失(K>0.90%)、耕地資源快速流失(0.30%

1.3.2 耕地重心分析 借鑒力學原理，引入區域重心[18]的概念來確定研究區耕地的地理重心區位。假設某一個區域由n個子區域i構成，區域i的中心坐標為 (Xi,Yi)，Mi為區域i在某種屬性意義下的“重量”，則該屬性意義下的區域重心坐標為：

(2)

(3)

2 結果與分析

2.1 水田、旱地流失率及重心轉移特征

2.1.1 水田、旱地時空分布特點 重慶地區1980年、2000年、2018年的水田面積分別為1.19×106、1.18×106、1.12×106hm2，旱地面積分別為2.74×106、2.72×106、2.64×106hm2。其中水田主要分布在渝西南、渝中部的由長江及其支流沖積形成的盆谷地平原、低海拔丘陵地區，旱地在低山、丘陵、臺地、中山等地形條件下均有所分布。隨著地形起伏加劇，耕地密度總體呈現由渝西向渝東北、渝東南區域逐漸降低的特征(圖1)。水田面積占比最高的區縣有墊江、銅梁、長壽、璧山、梁平、潼南，占比均超過其行政區面積的30%；旱地面積占比最高的區縣有潼南、榮昌、大足、合川、永川、巴南、忠縣、渝北，占比均超過其行政區面積的40%。

BB：北碚；BN：巴南；BS：璧山；CQ：城口；CS：長壽；DDK：大渡口；DJ：墊江；DZ：大足；FD：豐都；FJ：奉節；FL：涪陵；HC：合川；JB：江北；JJ：江津；JLP：九龍坡；KZ：開州；LP：梁平；NA：南岸；NC：南川；PS：彭水；QJ：綦江；QJ2：黔江；RC：榮昌；SPB：沙坪壩；SZ：石柱；TL：銅梁；TN：潼南；WL：武隆；WS：萬盛；WS2：巫山；WX：巫溪；WZ：萬州；XS：秀山；YB：渝北；YC：永川；YY：酉陽；YY2：云陽；ZX：忠縣；下同BB: Beibei; BN: Banan; BS: Bishan; CQ: Chengkou; CS: Changshou; DDK: Dadukou; DJ: Dianjiang; DZ: Dazu; FD: Fengdu; FJ: fengjie; FL: Fuling; HC: Hechuan; JB: Jiangbei; JJ: Jiangjin; JLP: Jiulongpo; KZ: Kaizhou; LP: Liangping; NA: Nanan; NC: Nanchuan; PS: Pengshui; QJ: Qijiang; QJ2: Qianjiang; RC: Rongchang; SPB: Shapingba; SZ: Shizhu; TL: Tongliang; TN: Tongnan; WL: Wulong; WS: Wansheng; WS2: Wushan; WX: Wuxi; WZ: Wanzhou; XS: Xiushan; YB: Yubei; YC: Yongchuan; YY: Youyang; YY2: Yunyang; ZX: Zhongxian; The same as below圖1 重慶地區1980年、2000年、2018年水田和旱地空間分布特征 Fig.1 Spatial distribution characteristics of paddy fields and dry land in Chongqing in 1980, 2000 and 2018

2.1.2 水田、旱地資源流失率 按耕地流失率計算方法運用3期土地利用數據核算1980—2000年、2000—2018年兩個時期各區縣耕地面積數量變化(圖2)。總體而言，水田流失總面積少于旱地，但水田流失率更高，大部分區縣的水田和旱地均在緩慢流失，后20年耕地流失速度遠高于前20年，流失程度類似的區縣聚集特征更加明顯。具體而言，1980—2000年水田、旱地流失面積分別為9593.54、16 287.72 hm2，年平均流失率分別為0.03%、0.02%；其中有2、34、2個區縣屬于水田無流失型、緩慢流失型、快速流失型(圖2-a)，分別有6、28、4個區縣屬于旱地無流失型、緩慢流失型、快速流失型(圖2-b)，該時期水田和旱地均無區縣屬于嚴重流失型；大渡口、巫山屬于水田快速流失區，在空間上分散分布；九龍坡、南岸、沙坪壩、大渡口為旱地快速流失區，在主城區呈聚集分布。2000—2018年，水田、旱地流失面積分別為57 537.76、84 801.09 hm2，全域水田、旱地流失率分別為0.27%、0.17%，分別為前一時期的6.75、5.82倍；有26、6、7個區縣分別屬于水田緩慢流失型、快速流失型、嚴重流失型(圖2-c)，共有2、28、5、3個區縣屬于旱地無流失型、緩慢流失型、快速流失型、嚴重流失型(圖2-d)。其中水田面積嚴重流失區集中分布在主城區及受主城區輻射的經濟高速發展的近郊區縣，快速流失區主要分布在渝東北區域，且呈鄰近分布；旱地面積嚴重流失和快速流失區集中在主城區，緩慢流失區離主城區有一定距離。

圖2 重慶地區水田、旱地流失情況及空間分布格局 Fig.2 Loss and spatial distribution pattern of paddy field and dry land in Chongqing

2.1.3 水田、旱地重心轉移特征 利用重心分析方法，在區域尺度量化比較近40年水田、旱地面積分布重心隨時間推移的轉移方向及轉移距離。結果(表1)表明，重慶地區水田重心逐漸從“106.7806°E，29.7844°N”遷移到“106.8030°E，29.7991°N”，旱地重心從“107.1117°E，29.8706°N”遷移到“107.1363°E，29.8811°N”。1980年、2000年、2018年3個時期水田與旱地重心之間的距離差別不大，分別為31.76、33.72、33.35 km，其中旱地重心比水田重心更偏向東北方向。隨時間推移，無論是水田還是旱地，面積重心均呈現出向東北方向轉移的特點，即逐漸由經濟發展速度快、耕地質量較好的渝西低海拔區域向經濟增速較慢且耕地質量較差的丘陵區轉移，其中1980—2000年水田、旱地重心轉移距離分別為0.58、0.97 km，該時期旱地重心轉移距離高于水田；2000—2018年水田、旱地重心轉移距離分別為2.14、1.57 km，轉移距離均高于前一時期。

表1 重慶地區水田、旱地重心轉移特征

2.2 水田、旱地的轉出特征

2.2.1 水田、旱地的轉出地類特征 耕地轉出面積、流向地類和占比能反映社會經濟發展的趨勢和格局。1980—2000年，重慶地區水田、旱地轉出面積分別為1.26×104、5.90×104hm2(圖3)，分別為該時期其他地類轉變為水田、旱地面積的4.09、8.79倍；這一時期，轉出的水田主要變為建設用地(70.54%)，其次為旱地(13.89%)和林地(10.18%)，轉出的旱地主要變為建設用地(86.51%)。2000—2018年，重慶地區水田、旱地轉出面積分別為2.30×104、1.02×105hm2，分別為其轉入面積的13.31、6.04倍；這一時期，轉出的水田大部分變為建設用地(51.40%)、林地(29.96%)和旱地(9.21%)，轉出的旱地主要變為建設用地(46.23%)、林地(34.25%)和草地(12.70%)。無論是水田還是旱地，2000—2018年的轉出面積遠超過1980—2000年的轉出面積，而且建設占用始終是首要因素。

圖3 重慶地區水田、旱地轉出地類及其面積Fig.3 Types and areas of paddy field and dry land transferred out in Chongqing

2.2.2 水田、旱地轉出的空間差異 按耕地流向類型，可將重慶地區水田和旱地流失特征歸納為建設用地占用、生態占用(耕地轉變為林地、草地及水域)、農業結構調整(水田和旱地的內部轉換)3類(圖4)。兩個歷史階段，域內大部分區縣的水田以建設占用為主，僅少量水田為生態占用，且隨時間推移，以建設占用為主導的區縣數量增加；旱地生態占用和建設占用比重相當，且隨著時間推移，以生態占用為主的區縣數量增加。具體而言，1980—2000年僅云陽、巫溪、開州、石柱、奉節這5個區縣的水田流失以生態占用為主導(圖4-a)；其中巴南、彭水、巫山3個區縣的水田轉為旱地的占一定比例，建設占用和生態占用均未占絕對優勢，其余30個區縣轉出的水田以建設占用為主。2000—2018年，僅石柱、忠縣、奉節、云陽4個區縣的水田以生態占用為主導(圖4-c)，其余34個區縣的水田流失均以建設占用為主，空間分布特征與上一個時期類似。1980—2000年，共21個區縣的旱地轉出以建設占用為主，13個區縣以生態占用為主(圖4-b)，具有明顯的南北空間分異，以建設占用為主的區縣均位于南部，分為大足—忠縣及以南的渝西連續聚集帶、黔江—秀山渝東南聚集區。2000—2018年，區縣旱地轉變的空間特征呈現出明顯的東西空間分異(圖4-d)，長壽—巫山及以西的主城和近郊區縣以建設占用為主，而位于渝東北、渝東南的區縣除了綦江和秀山外均以生態占用為主。

圖4 重慶地區水田、旱地轉出類型及空間分布格局Fig.4 Transformation types and spatial distribution pattern of paddy field and dry land in Chongqing

2.3 區縣水田、旱地資源動態類型及特征

2.3.1 資源動態格局及類型分區 綜合考慮區縣耕地資源流失率及耕地轉變類型，可將重慶水田和旱地的資源動態類型歸納為4大類10小類(圖5)。C、E、N、T分別代表建設占用主導、生態占用主導、無優勢主導類型及內部調整；Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ、0分別代表資源流失率屬于嚴重流失、快速流失、緩慢流失、無流失類。

CⅢ：建設占用主導，嚴重流失類；CⅡ：建設占用主導，快速流失類；CⅠ：建設占用主導，緩慢流失類；C 0：建設占用主導，無流失類；EⅡ：生態占用主導，快速流失類；EⅠ：生態占用主導，緩慢流失類；E 0：生態占用主導，無流失類；NⅠ：無絕對優勢，緩慢流失類；N 0：無優勢主導，無流失類；TⅡ：耕地調整，快速流失類；下同CⅢ：Construction occupation dominated, serious loss；CⅡ：Construction occupation dominated, rapid loss；CⅠ：Construction occupation dominated, slow loss；C 0：Construction occupation dominated, no loss；EⅡ：Ecological occupation dominated, rapid loss；EⅠ：Ecological occupation dominated, slow loss；E 0：Ecological occupation dominated, no loss；NⅠ：No dominant type，slow loss；N 0：No dominant type，no loss；TⅡ：Cultivated land type transformation, rapid loss; the same as below圖5 重慶地區水田、旱地資源動態類型及其分布Fig.5 Dynamic types and distribution of paddy field and dry land resources in Chongqing

可以看出，1980—2000年水田資源動態類型包含了建設占用主導(CⅡ、CⅠ、C 0)、生態占用主導(EⅠ)、無絕對優勢主導(NⅠ、N 0)、內部調整(TⅡ)4大類7小類(圖5-a)；2000—2018年水田資源動態類型包含了建設占用主導(CⅢ、CⅡ、CⅠ)、生態占用主導(EⅡ、EⅠ)2大類5小類(圖5-c)；水田資源動態類型在兩個時期表現出較高的一致性，均以建設占用緩慢流失(CⅠ)型為主，區縣數量分別為27、24個。前一個時期，水田資源動態調整的類型更多，但資源動態變化強度不如第2個時期劇烈；第2個時期，建設占用主導大類占據的空間更多，且流失程度更高。

1980—2000年旱地資源動態類型包含了建設占用主導(CⅡ、CⅠ、C 0)、生態占用主導(EⅠ、E 0)、無絕對優勢主導(NⅠ、N 0)3大類7小類(圖5-b)；2000—2018年旱地資源動態類型包含了建設占用主導(CⅢ、CⅡ、CⅠ、C 0)、生態占用主導(EⅡ、EⅠ、E 0)2大類7小類(圖5-d)；旱地資源動態在兩個時期表現出較高的一致性，均以建設占用緩慢流失型(CⅠ)和生態占用緩慢流失型(EⅠ)為主；前一時期主要呈現出南北分界的特征，后一時期呈現出東西分界的特征。

2.3.2 水田、旱地資源動態變化比較 對比1980—2000年和2000—2018年的水田、旱地資源動態變化特征(表2)發現，就水田而言，有19個區縣兩個時期的資源流失程度及流向地類較為一致，即呈現穩定流失特征；13個區縣水田主導流失地類不變，但流失速率加快，其中云陽、石柱為生態占用主導的流失加速，其余11個區縣為建設占用主導的流失加速；共10個區縣的主導流向地類發生改變，除忠縣由建設占用主導流失轉變為生態主導流失外，其余區縣流失主導類型均轉變為建設流失。就旱地而言，18個區縣在兩個時期呈穩定流失，7個區縣呈加速流失，13個區縣流失主導類型發生轉變。

表2 重慶地區水田、旱地資源動態變化特征比較

主導類型轉變的區縣中，由生態主導型變為建設主導型和由建設主導型變為生態主導型的區縣數量相當，其中變為建設主導型的區縣均分布在渝西地區城市擴展帶，變為生態主導型的區縣在重慶中部呈聚集分布。

3 討 論

3.1 水田、旱地資源動態變化差異

對比分析水田和旱地的流失規模、速度及空間分異有助于理解和認識耕地利用變化的關鍵特征[1,8]。與同類研究結果相似，重慶地區的耕地變化區域差異顯著[17]，不同自然地理環境、經濟發展背景區縣的水田和旱地變化劇烈程度不同[4,11]。近40年來，水田和旱地均呈現由緩慢零散占用到快速集聚流失的趨勢，其中后20年的耕地流失速度遠高于前20年。水田流失總面積少于旱地，但流失率更高，水田屬于快速流失、嚴重流失型的區縣數量均高于旱地。水田和旱地向不同地類轉移的比例差異和空間分布差異明顯。域內大部分區縣的水田以建設占用為主，僅少量區縣水田以生態占用為主，且隨時間推移，以建設占用為主導的區縣數量增加。旱地的生態占用和建設占用比重相當，且隨著時間推移，以生態占用為主的區縣數量增加，覆蓋了渝東北和渝東南大部分區縣。受西南部耕地轉出面積和變化速率比中部和北部地區更高的影響，水田和旱地面積重心均逐漸向東北丘陵區轉移，即區域農業生產布局逐步向非農就業機會較少、農業生產經濟效益較高的地區轉移和集中。從移動距離來看，水田面積重心的遷移幅度與旱地重心的遷移幅度不同，說明水田與旱地的流失情況或驅動因素在空間上具有非均衡性的特點。

3.2 水田、旱地變化的驅動因素

耕地流失主要受人類主導的土地利用行為驅動，重慶地區水田和旱地減少趨勢與歷史政策、經濟、生態驅動因素在發生時間和空間分布上較為一致。其中，社會經濟發展、城市化和三峽庫區蓄水工程等是驅動2000年前重慶市水田、旱地變化的主要宏觀因素[[8,14]。1980—2000年，重慶市城鎮人口比例由16.29%增加到35.6%[19]。這一時期，受地理位置、經濟水平的限制，耕地變化主要呈緩慢零散變化的趨勢。早期的城市化過程帶動了居住、工礦、交通等建設用地的增加，低海拔地區水田集中連片分布區與經濟發展快速區的空間重合主要導致了渝西地區建設用地擴張與水田縮減的矛盾；庫區內移民遷建和庫區第一次蓄水等導致了渝東北庫區區縣旱地面積下降，其他區縣在這一階段擴張較為緩慢。2000—2018年，經濟高速發展、人口流動政策、種植業比較收益下降及國家和區域性生態政策的疊合等因素是驅動耕地變化的主要宏觀因素[[8,11,13]。這一時期，重慶地區城鎮人口比例從35.6%增加到65.5%，居住、工商、交通等用地面積的迅速增加占用大量優質耕地資源，促進了城鄉居民點及周邊輻射帶動區的水田、旱地非農化進程。同時，天然林資源保護工程、退耕還林工程、長江中下游等重點防護林體系建設工程等一系列重點工程規劃的出臺和實施，促進了渝東南、渝東北生態脆弱區的坡耕地面積減少，林業用地面積顯著增加[20]。此外，耕地占補平衡、永久基本農田保護等政策的實施[21]，一定程度上提高了耕地合理利用和保護水平，耕地的集聚程度也有所提升，從而在空間上表現出屬于同類型變化的區縣空間分布更連貫、聚集性更高的特點。

3.3 基于耕地資源動態的分區管理

近年來，重慶面臨區域耕地資源逐年減少及后備耕地資源不足的問題[22-23]。在建設區域經濟中心、構建內陸開放高地等發展背景下，重慶面臨糧食安全與區域發展的雙重壓力，地區耕地流失管理壓力增大，除增加農業生產的資金投入和政策支持、改善區域農業生產條件、提高耕地質量和耕地利用效率等具體措施外，首先應對耕地進行更為科學的布局和管理，針對區域水田和旱地的流失特點加強防控，實施耕地分區管理[24-25]。應強化對位于主城(以渝北、九龍坡等為代表)的建設占用嚴重/快速流失型(CⅢ、CⅡ)區縣的保護，優化開發其耕地生產、景觀、文化價值和農業科教價值；嚴格管制位于主城周邊(以江津、大足等為代表)的建設占用緩慢流失型(CⅠ)的糧食主產區的耕地監管，防止該區域承接人口轉移和產業集聚導致優質耕地流失及質量降低，提高該區域耕地的綜合生產能力；加強對以云陽、石柱為代表的生態占用快速流失型(EⅡ)地區，以城口、墊江等為代表的生態占用緩慢流失型(EⅠ)等資源承載能力較弱地區的基本農田保護和生態保護建設，強化農業耕作技術推廣、農田整理、基礎設施配套等工作，提高耕地綜合生產能力。

4 結 論

(1)重慶市各區縣水田和旱地面積近40年均有所減少，旱地的相對變化率高于水田，渝東北、渝西地區水田和旱地的相對變化率高于渝東南地區。2000—2018年水田和旱地流失率遠高于1980—2000年。水田嚴重流失區主要集中在主城區及近郊區縣，快速流失區主要聚集在渝東北地區；旱地嚴重流失區和快速流失區均集中在主城區。水田和旱地的重心均逐漸向東北方向轉移。

(2)水田和旱地流失的主要驅動力及流向地類存在差異。水田流失以建設占用為主，生態占用為輔，隨著時間推移，以建設占用為主的區縣數量增加，社會經濟發展、城市化是驅動水田變化的主要因素。建設占用和生態占用是旱地流失的主要原因，隨著時間推移，以生態占用為主的區縣數量增加，社會經濟發展及生態退耕政策是旱地流失的主要驅動因素。

(3)應基于耕地流失特征，加強重慶地區水田和旱地的分區管理，強化對建設占用、耕地嚴重/快速流失區縣的耕地空間管制，優化開發區現存耕地的生態功能和景觀功能；嚴格管控建設占用耕地緩慢流失型區縣的新增建設用地規模，提高耕地的綜合生產能力，杜絕城市建設導致優質耕地流失及質量降低；建立健全渝東北、渝東南等資源承載能力較弱、生態占用為主的地區耕地保護協同機制，堅持保護優先、適度開發的原則，提升現有水田和旱地資源利用率。