湖南省區域耕地開發強度時空演變結構分析

朱吉貝，劉 慶，粟增增

（湖南農業大學資源環境學院，湖南·長沙 410128）

近年來，我國糧食總產量連續多年超過萬億斤，為穩定糧價、維護社會安定作出突出貢獻。但在連年豐收的背后，耕地所承受的壓力不容忽視。耕地保護的實質是保證耕地具有健康的產能，而耕地開發活動直接影響著耕地質量與生態，從而影響耕地的產能健康[1-2]。耕地開發作為區域發展系統中重要一環，其強度及結構會影響區域整體發展的穩定性及可持續性，是區域社會經濟發展重要的脊柱。基于區域整體視角探索耕地開發強度的量化指標能夠使得耕地開發行為從無序化趨向有序化，分散農產品主產地區的產糧壓力，從而保障優質農田質量，保持耕地資源可持續性開發。

關于耕地開發強度較為系統全面的定義為：在一定區域的一定發展階段及技術條件下，為獲得生存與發展所需的耕地產出，人們通過人工干預耕地資源而實現的對耕地產出能力的占用程度[3]。與耕地開發強度相關研究主要有土地利用強度和耕地利用強度。土地利用強度反映人類活動對自然生態系統的影響程度，大多從體現人類活動的空間格局、利用方式、時間強度以及景觀破碎度和影響的可逆性方面來選取測度指標，構建土地利用強度分類系統[4]。耕地利用強度評價指標主要從種植強度、農業生產的物質投入和產出要素、土地集約利用、土地利用的時序性四個方面選取[5-13]。已有研究雖然對于耕地開發利用的衡量指標多樣化，但多利用單一指標未進行多指標融合，在耕地開發強度衡量中缺乏綜合性，對于耕地開發活動進行深化分解式分析的研究目前更為少見。因此借鑒以往關于耕地開發強度體系的構建研究，對湖南省耕地開發強度及其組成進行解構分析，獲取湖南省耕地開發強度時空特征的同時探究耕地開發強度結構體系的科學性。

1 研究區域與數據

1.1 研究區概況

湖南省位于長江中下游，屬亞熱帶季風氣候，由平原、盆地、丘陵地、山地、河湖構成，自古就有“湖廣熟,天下足”的美稱。湖南是全國糧食主產省，第三次國土調查顯示湖南省耕地面積為362.89萬公頃，主要分布在常德市、邵陽市、衡陽市、岳陽市、永州市、懷化市、益陽市和郴州市，占全省耕地的73.74%。湖南省以占全國3%的耕地，生產了全國6%的糧食，是全國5個糧食輸出省之一，但人均耕地0.06公頃，僅為全國人均耕地的59.2%，不到世界人均水平的1/5。同時,湖南省在我國經濟發展中具有重要地位，是中部崛起戰略和長江經濟帶的重要發展區域。自建國以來，湖南省耕地總量變化經歷了一個由短期增長到持續減少的動態變化過程，人均耕地則呈明顯遞減態勢。雖然湖南省耕地生產力水平較高，但坡耕地及低產田比重大，耕地質量下降，農業生態環境惡化。

1.2 數據來源

以湖南省縣域耕地數據為基本研究數據，由于行政區劃的改變和區域數據的缺失選取湖南省122個縣域中的117個縣域為主要研究對象，剔除零陵區、珠暉區、雁峰區、石鼓區、蒸湘區五個縣區。數據中年末耕地面積、播種面積來自2000-2018年《湖南省農村統計年鑒》和《湖南年鑒》,地區土地面積、糧食產量的數據來源于2000-2018年《湖南省統計年鑒》。

相關數據如表1。

表1 湖南省各行政區域耕地與播種面積及糧食產量Table 1 Cultivated land, sown area and grain yield in various administrative regions of Hunan Province

2 研究方法

2.1 耕地開發強度

從開發活動方式看，耕地資源開發強度可以理解為人類為生存和發展而通過人工干預耕地資源而實現的對耕地產出能力的占用程度，是對耕地生態系統的改變或干擾程度的綜合反映[14]。由此本文也從糧食生產角度對耕地資源開發的廣度、深度與頻度綜合度量。

式中：Kq為耕地開發強度，Kg為耕地開發廣度，即糧食單位面積開發率，是研究單元內耕地面積占土地總面積比值；Ks為耕地開發深度，即糧食單產潛力開發率，是糧食現有糧食產量與糧食生產潛力的比值，其中糧食生產潛力為前十年糧食產量的趨勢值；Kp為耕地開發頻度，即糧食復種指數，是播種面積占耕地面積的比值。

2.2 相對變化率

利用相對變化率可以分析耕地開發廣度、深度、頻度及強度的區域動態變化差異，如下式所示：

式中：以耕地開發強度為例，RID表示相對變化率，Q1表示研究基期的耕地開發強度，Q2表示研究末期的耕地開發強度。

3 結果與分析

3.1 耕地開發強度均值分析

據圖1可知，耕地開發強度均值整體靠近耕地開發廣度均值，而開發廣度為最低值，這與木桶效應相一致，耕地開發強度的組成中的短板從均值可以看出是耕地開發廣度，而耕地開發廣度是否在耕地開發強度中占據重要的影響還需要在空間變化和時序演變中深入探索。耕地開發深度、頻度、強度均值水平有了一定的提升，尤其在2004年國家實行減征和免征農業稅的惠農政策之后，除2008年冰災使得農業生產活動受到嚴重的沖擊外，湖南省的糧食播種面積和糧食產量都穩定在一個新的高度。

圖1 湖南省各縣域耕地開發強度及其結構均值組合圖Fig.1 Cultivated land development intensity and structure mean area of each county in Hunan Province

3.2 湖南省耕地開發強度及結構時空布局分析

為了將耕地開發強度及其構成的時空布局進行直觀可視化，將1999-2017年以四至五年為間隔分為四個跨面，凸顯耕地開發強度及其結構的時空分異，能夠有效避免單一年限數據特殊性。采用ArcGIS中的自然斷點法分段顯示湖南省縣域耕地開發廣度、深度、頻度以及耕地開發強度在1999-2003年、2004-2008年、2009-2013年、2014-2017年四個跨面中所展現的分布格局及其指數分段集中情況。自然斷點法是一種根據數值統計分布規律分級和分類的統計方法, 使類與類之間的不同最大化，裂點本身就是分級的良好界限。采用自然斷點法有助于分析耕地開發強度及其結構分布數值隨時間所產生的轉變，反映區域主體的指數范圍動態變化。

湖南省的耕地開發廣度主要呈現“中北部高西南部低”的分布特征，其分布與湖南省地勢和水文有著極強的相關性，耕地開發廣度高值區主要沿湘江流域及洞庭湖流域分布，集中在北部和中部地區，而西部武陵山、雪峰山和南部南嶺地區呈現低值分布。從自然分段可以看出，湖南省的耕地開發廣度極值中極小值隨時間發展從0.009逐漸增長到0.052，極大值從0.548增長到了0.61，在研究時段內湖南省耕地開發廣度水平有所增長，但從各段指數分布面積大小可以看出在1999-2008年耕地開發廣度的各指數分段呈現穩定的發展，而在2009-2013年間耕地開發廣度高值區分布面積顯著減少，其中面積縮減的主要區域為中部江南丘陵區，主要原因可能是湖南省中部崛起的經濟發展戰略使建設用地不可避免地占用耕地資源，而在2014-2017年耕地開發廣度有所提升，2014年開始的構建新形勢下的國家糧食安全戰略有關，在此之后陸續實施全國高標準農田建設，改善占補平衡等政策導向在短期內對于耕地開發活動的調節效果顯著（圖2）。

圖2 湖南省縣域耕地開發廣度時空分布圖Fig.2 The spatio-temporal distribution map of cultivated land development extent in counties of Hunan Province

湖南省耕地開發深度主要呈現中部東部高，西部低的分布，中高值區占據湖南省大部分地區，但在研究時段內高值區在不斷縮減，低值區在不斷擴大。從自然斷點可以看出耕地開發深度跨度在逐漸變大，但耕地開發深度高值區由東部多數地區逐漸轉變為湖南省中部少數地區，湖南省的產糧出現了區域集中化。從斷點指數值分布上看，極小值從0.2減低到了0.06，極大值從1.33增長到了1.89，值得注意的是從1999-2003年的跨面到2004-2008年的跨面，極大值實現了1.33到1.74的跨越，在惠農政策的影響下湖南省的耕地糧食生產水平實現了重大的突破。雖然糧食產量得到突破，但產糧水平出現區域集中化特征，這表明耕地開發深度形成地區分化發展，糧食生產壓力逐漸集中在了湖南省中部地區和北部地區（圖3）。

圖3 湖南省縣域耕地開發深度時空分布圖Fig.3 The spatio-temporal distribution of cultivated land development depth at county level in Hunan Province

在研究時段內，湖南省耕地開發頻度從北高南低的分布特征逐漸轉化為東高西低的分布特征。其中南方最為顯著的是株洲市、郴州市和永州市從低值區轉變為中值區甚至高值區。南部地區耕地開發活動受干旱、洪澇等自然災害的限制，開發頻度低值區占據多數地區，在2009-2017年間通過水利設施建設使人們不用遭受季節降雨的困擾，糧食播種面積明顯增加，耕地開發頻度增長顯著。從自然斷點可知湖南省的耕地開發頻度閾值有跨越式的增長，研究時段內極大值從2.8增長到3.8，實現了湖南省糧食播種面積的跨越式新高度。但縱觀四大跨面，自然分段中1.8~2.7的指數域占據湖南省大多數縣域，實現跨越增長的區域只在永州市和郴州市部分縣域和環洞庭湖部分縣域。從斷點值可以看出湖南省的耕地開發頻度從2004-2008年跨面和2009-2013年跨面極大值都在快速增長，在2014-2017年跨面有所遞減，結合耕地開發廣度的變化可知，在2004-2013年間，耕地面積受工業經濟的發展的沖擊，要保證足夠的糧食供給就需要不斷提高復種指數，而耕地資源的自然潛力是有限度的，在2014-2017年中，對高標準農田建設的要求逐漸使得耕地開發頻度趨于可持續性發展（圖4）。

圖4 湖南省縣域耕地開發頻度時空分布圖Fig.4 The spatio-temporal distribution of cultivated land development frequency in counties of Hunan Province

湖南省耕地開發強度總體分布呈現“中北高西南低”的特征，中部為湘江流域，北部為洞庭湖生態經濟區，都屬于水資源豐富地區，地形較為平坦，土壤肥沃，農業生產條件優越，糧食產量也占據湖南省總產量的主體地位，其中洞庭湖地區有著農業技術的優勢和主導產業的優勢，是我國重要的產糧基地。湖南省西部、南部環繞著武陵山、雪峰山和南嶺，地勢陡峻，耕地開墾難度高，土地貧瘠，糧食產量較低，加上南方地區多受洪澇災害的影響，農業生態環境較為惡劣。從自然斷點可看出耕地開發強度范圍呈斷崖式擴大，研究時段內極大值從1.34激增為2.52，但實現跨越的區域僅為益陽市的南縣和長沙市的望城區。其中最為穩定的地區為北部環洞庭湖高值區和西部武陵山低值區，因此可判斷湖南省耕地開發強度在研究時段內主要還是受制于自然環境的影響，若能夠通過土壤改良技術、調節水源改善農業生態環境，湖南省西部地區和南部地區備具充足的耕地開發潛力（圖5）。

圖5 湖南省縣域耕地開發強度時空分布圖Fig.5 The spatio-temporal distribution of cultivated land development intensity at county level in Hunan Province

綜合耕地開發廣度、深度、頻度及強度時空分布圖件可以看出，耕地開發強度與耕地開發廣度的空間分布特征有著高度的一致性，高值區集中分布在洞庭湖流域和湘江流域，低值區分布在西部、南部環山區域，高低值區都較為穩定。而耕地開發強度在自然斷點的數值增長跨度和耕地開發頻度自然斷點的增長跨度較為同步，2004-2008年跨面與2009-2013年跨面極大值都在不斷發展，2014-2017年跨面略微減小，耕地開發頻度對于耕地開發強度的主要作用在值域范圍上。因此可以判斷耕地開發廣度決定了各區域的耕地開發強度基本水平，相當于“底子”，而耕地開發頻度則決定了區域總體的耕地開發強度所能達到的高度，主要通過挖掘耕地自然資源的最大潛力來實現。

3.3 湖南省耕地開發強度及結構市域特征分析

對各縣域的耕地開發廣度、深度、頻度以及耕地開發強度進行市域整合分析，采用算數平均法得到市域層面四個跨面的耕地開發廣度、深度、頻度以及耕地開發強度指數，在此基礎上用折線圖表現其區域差異性（圖6）。市域層面的整合分析將耕地開發情況進行區域匯總，分析各市域耕地開發強度及其結構的區域特征，使耕地開發強度改善的方向更加明確，方便耕地開發活動規劃管控措施的制定。

圖6 湖南省市域耕地開發強度及其結構折線圖Fig.6 The Broken line chart of cultivated land development intensity and its structure in Hunan Province

綜合四幅折線圖可以看出，耕地開發強度的構成之間存在一定的相關性，其中耕地開發深度的波動和耕地開發頻度的波動存在一定的正相關，耕地開發廣度波動幅度較小，但指數分布和深度、頻度也存在正相關關系，而綜合來看，除廣度之外，耕地開發強度及其構成的指數波動普遍存在于高值區，低值區較為穩定。耕地開發活動較為活躍的區域也是耕地開發強度增長幅度較大的區域，主要包括岳陽市、常德市、益陽市、永州市。耕地開發強度超過0.6的市域有湘潭市、岳陽市、常德市、益陽市，永州市在耕地開發廣度上相對薄弱。耕地開發強度穩定低于0.2的市域有張家界市、懷化市和湘西自治州。

從圖中可以看出，耕地開發廣度、深度、頻度之間在低值分布上達到了高度的一致，張家界市、懷化市、湘西自治州這三個市域在耕地開發廣度、深度、頻度衡量中都屬于穩定的極低值區，在對于耕地開發的區域平衡問題中，對于耕地開發強度過高區域，需要進行深入評估才能評價其適度與否，而耕地開發低值區對于湖南省這樣的產糧大省來說就是實現耕地開發區域均衡的突破口，從實地實際出發，在惠農政策上體現地域傾向性，給予重點的農業技術幫扶來推動這三個市域的耕地開發強度提升，能夠減輕洞庭湖流域及湘江流域的耕地產糧壓力。基于時期發展來看，耕地開發強度在2009-2013年的跨面中總體峰值最高，在2014-2017年有所回落，可以看出，在2004-2013年，人們對于耕地開發活動在稅收減免政策中取得了較高的積極性，耕地開發強度在糧食播種面積和產糧能力迅速發展中達到了一定的高度，在2014-2017年，湖南處于工業中期向后期的過渡階段，第一產業的比重縮減，耕地開發活動受到人力物力上的限制和阻礙，但在耕地保護的一系列政策下縮減的幅度較小。

3.4 湖南省耕地開發強度及結構相對變化分析

將湖南省各市域各跨面的耕地開發廣度、深度、頻度以及耕地開發強度的相對變化率，在四個跨面間存在三個間隔相對變化值，從間隔相對變化值能夠清晰地看出各跨面間隨時間變化其耕地開發活動的發展軌跡（表2）。

表2 湖南省市域耕地開發強度及其結構相對變化率Table 2 Histogram of cultivated land development intensity and structure relative change rate in Hunan Province

以1999-2003年跨面為基期跨面，反映2004-2008年跨面、2009-2013年跨面、2014-2017年跨面相對于前一個跨面耕地開發強度及構成的變化指數，從各市域整體間隔變化幅度來看，在耕地開發廣度、耕地開發深度、耕地開發頻度、耕地開發強度的對比中，耕地開發深度與耕地開發強度的變化幅度有著明顯的相似性，其變化發展較大的市域都是岳陽市，常德市、益陽市和永州市，且間隔變化的方向和幅度都達到高度的一致。在相對變化率上耕地開發深度與耕地開發強度高度的同步同頻說明耕地開發深度是耕地開發強度時空變化中的主要活躍機能，是耕地開發強度的“血液”，控制耕地開發強度的時空流動性。耕地開發深度主要考量的是在耕地開發過程的行為，如集約利用耕地，提高土壤肥力，調整種植結構，加強農業技術投入等影響糧食產量，在耕地開發活動中耕地開發深度是在耕地面積有限的情況下能夠對耕地開發強度調整產生最具時效性影響的結構因子。

4 結論與討論

從湖南省耕地開發強度區域分析中，耕地開發強度主要呈現“中北高西南低”的分布特征，主要與地勢坡度和水資源分布有關，開發強度高值區主要分布在坡度較緩且水資源豐富的地區。張家界市、懷化市、湘西自治州這三個市域在耕地開發廣度、深度、頻度以及強度衡量中都屬于穩定的極低值區，在對于耕地開發的區域平衡之中處于相對薄弱的環節，有效地從廣度、深度、頻度各方面提高這三個市域的耕地開發強度，能夠有力的緩解湖南省局部區域耕地過度開發的壓力，達到進一步的區域高質量平衡發展。

在湖南省耕地開發強度時序變化分析中，以湖南省1999-2003年跨面為變化基期，可以得到在2004-2008年跨面和2009-2013年跨面湖南省耕地開發強度都有著顯著的提升，而在2014-2017年，耕地開發強度有所減弱。國家惠農政策的影響下在2004-2013年人們從事耕地開發活動的積極性有所帶動。在2014-2017年來湖南省工業經濟的飛速發展使得耕地面源污染嚴重，耕地占優補劣，土壤退化嚴重，最終導致耕地開發強度進入萎縮期。

綜合對于湖南省耕地開發強度及結構分析過程，耕地開發廣度、深度、頻度都在耕地開發強度中承擔重要的角色，各自分工又互相協作，共同塑造了耕地開發強度的區域特征和時空變化特征。其中耕地開發廣度是耕地開發強度的基石，在漫長的發展道路中耕地開發強度因為耕地開發廣度而保持基本的區域特色，耕地開發廣度是耕地開發強度的主導因子，保有一定的耕地開發面積在耕地保護中是基本保障。耕地開發頻度為耕地開發強度搭建框架，它決定了耕地開發強度所能達到的限值，在耕地開發廣度受限制的時候，耕地開發頻度能夠最大限度地發揮耕地開發的潛力。耕地開發深度掌控著耕地開發強度的時空流動性，耕地開發深度自身具備強大的靈活性，在耕地開發強度調節中具有強大的時效性。在調節區域耕地開發強度時，應該在總體上先考慮耕地的開發廣度是否合適從而確保其對整體的奠基效果，在此基礎上調節耕地開發頻度使耕地資源得到充分的利用，發揮耕地的自然資源潛質，最后對耕地開發深度進行全方位探索滿足耕地開發廣度和耕地開發頻度無法達到的耕地開發強度效果。為了實現區域耕地開發的可持續，在了解區域實際情況的基礎上對于耕地開發廣度、深度或頻度作出針對性調控措施，能夠優化耕地開發強度的區域平衡，對于耕地保護和糧食安全問題具有一定的借鑒意義。