耕地利用轉型突變點檢測及其時空特征
——以昆明市東川區為例

蔣夢凡，李智國，李 杰，劉新有

（1.云南財經大學城市與環境學院，云南 昆明 650221；2.云南省滇中引水工程建設管理局昆明分局，云南 昆明 650000）

1 引言

20世紀90年代，英國地理學家GRAINGER在Mather森林轉型假說的基礎上首次提出土地利用轉型的概念[1]，DEFRIES、LAMBIN等國外學者對這一概念進行了拓展[2-3]。20世紀初，土地利用轉型作為土地利用/覆蓋變化（LUCC）研究的一個新途徑引入國內[4]，并在其概念與內涵、研究理論與框架以及實踐等方面取得了豐富成果[5-7]。耕地利用轉型是土地利用轉型研究的重要內容，在概念與內涵上延續了土地利用轉型的研究成果，其實質是耕地利用形態在長時間序列變化下的趨勢性轉折，是一個穩定狀態向另一個穩定狀態轉變的過程[8]。耕地利用形態通常被分解為顯性形態和隱性形態兩種形式，前者包括耕地數量、結構、空間分布等屬性，后者包括耕地質量、產權、經營方式、功能等不容易直接觀測的屬性[9-11]。以此為基礎，總體上當前該領域的研究集中于耕地利用轉型內涵及研究框架[12]、轉型路徑[13]、空間分異特征[14]、驅動機制[8,15-16]、耕地利用轉型的生態效應[17]及其對農業生產[18-19]、農業經濟質量[20-22]和農戶收入[23]的影響等方面。已有研究內容和成果不斷豐富，然而對于研究尺度（空間和時間）的選擇，較多成果關注國家、省/市域、縣域等宏觀、中觀尺度，對村域、農戶等微觀尺度的研究較為薄弱，尤其是多使用時間節點數據，難以揭示長時間序列耕地利用形態的趨勢性轉折點及其階段性特征。

轉型節點的識別是研究耕地利用轉型的關鍵環節，科學診斷轉型節點有利于識別耕地利用轉型規律。同時，已有研究表明，耕地利用轉型結果在省域、區域、縣域尺度上存在較大的差異，尺度越小轉型差異越復雜[10,24]。村域尺度作為耕地利用與管理最為直接的單元，更容易把握區域耕地利用轉型的微觀特征。鑒于此，本文以耕地利用顯性形態與隱性形態為基礎，構建耕地利用轉型綜合測度體系，選擇云南省昆明市東川區1989—2020年長時間序列數據，運用3種突變檢測方法檢驗耕地利用形態指數的突變點。在此基礎上，以148個行政村為研究單元，采用局部空間自相關方法分析耕地利用形態轉型前后的空間關聯性特征，揭示東川區耕地利用轉型節點及其空間變化，為科學評估和識別區域耕地利用轉型特征和變化規律、推動耕地合理利用和鄉村振興提供科學依據和決策參考。

2 研究區概況

東川區（102°47′E～103°18′E, 25°45′N～26°32′N）位于昆明市最北端，云貴高原北部，海拔高度622～4 253 m，地形起伏較大。由于地處低緯高原，以亞熱帶季風氣候為主，受海拔和氣流影響，垂直氣候明顯。東川區耕地面積僅占總面積的13%，其分布區域降水少蒸發量大，干旱成為制約農業生產的主要因素[25]。東川區自明清以來就是重要的銅礦開采基地[26]，20世紀末期礦產資源臨近枯竭，自此社會經濟開始尋求轉型[27]。1990—2018年東川區由于建設占用、生態退耕、災毀等原因，耕地面積減少了1 400 hm2，隨著城鎮化持續推進，未來人口、耕地以及建設用地之間的矛盾會愈加尖銳。

3 研究方法與數據來源

3.1 研究方法

3.1.1 指標體系的構建

在耕地利用轉型概念與內涵的基礎上，利用耕地數量、種植結構變化表征耕地利用顯性形態的變化，利用耕地經濟、社會和生態功能表征隱性形態的變化，結合東川區耕地資源特征，構建了包含13項指標在內的耕地利用形態綜合評價體系。其中，生態功能計算所采用的農田生物多樣性指數[9]，固碳能力[28-29]指標參考了其他學者的相關研究。具體指標及其含義如表1所示。

表1 耕地利用形態綜合評價體系Tab.1 Comprehensive evaluation system of cultivated land use morphology

3.1.2 耕地利用形態指數測算

運用極差法進行數據標準化，采用熵權法確定各項指標權重（表1）。結合標準化值及指標權重，采用加權求和法分別計算顯性形態指數（EMI）與隱性形態指數（RMI），耕地利用形態綜合指數（CLMI）為二者之和。

式（1）—式（3）中：EMIi為i地區耕地利用顯性形態指數；RMIi為隱性形態指數；Xij為i地區的第j項指標；Wij為指標權重；CLMIi為耕地利用形態綜合指數。

3.1.3 突變點檢測

診斷耕地利用轉型的關鍵在于從耕地利用形態指數長期的波動變化中發現趨勢性轉折點，即為耕地利用轉型節點。采用滑動T檢驗、Mann-Kendall檢驗和Yamamoto檢驗方法對耕地利用形態指數時間序列的突變情況進行對比分析，三種方法均設置0.05和0.01顯著性水平的信度線。

（1）滑動T檢驗。滑動T檢驗是基于均值質變的突變檢驗方法，在連續序列基礎上檢驗其子序列的均值差異水平[30]。令連續序列中兩個子樣本集分別為x1和x2，βi為xi的均值，Si2為xi的方差，ni為樣本長度，假設A0：β1-β2= 0，定義統計量t0為[31]：

設定信度α，查表得到臨界值，比較t0與tα，當∣t0∣≥tα時，則接受假設A0。為避免任意選擇樣本長度造成突變點的漂移，應結合具體需要變動n值，綜合檢查結果的可靠性，n分別取4年、6年和8年。

（2）Mann—Kendall檢驗。在時間序列分析中，非正態分布數據的突變檢驗過程較為復雜，基于非參數檢驗的Mann-Kendall檢測法很好地解決了這一問題，其計算簡便，在突變檢驗分析中被廣泛使用[30，32]。首先構造秩序列：

式（6）中：當xi＞xj時，ri= 1，反之為0。在時間序列獨立的假設下，定義UFk：

式（7）中：UF1= 0，E（Sk）、Va（rSk）分別是累計Sk的均值和方差，其計算公式為：

按時間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再次重復上述步驟，同時使UBk= -UFk，k=n，n- 1，…，1，UB1= 0。UF、UB兩條曲線處于臨界值內的交點即為突變點。

（3）Yamamoto檢驗。運用信噪比R來檢驗各個時段平均值的差異[30]：

式（10）中：E[x1]、E[x2]為x1、x2時段的平均值，S1、S2為x1、x2時段的方差。比較時段可根據需要設定，步長分別取4年、6年和8年，綜合檢查結果的可靠性。

3.1.4 空間自相關分析

空間自相關主要用于分析不同要素的空間關聯性[9]。借助GeoDa工具，運用局部空間自相關分析東川區耕地利用形態指數的空間集聚特征及其地理分布[33]，計算公式如下：

式（11）中：LMIi為局部莫蘭指數；Xi、Xj分別為行政村i、j的耕地利用形態指數；為耕地利用形態指數的平均值；n為行政村個數；Wij為空間權重矩陣，以Rook鄰接原則確定。

3.2 數據來源

東川區行政邊界數據來源于中科院資源環境科學數據中心平臺，東川區1989—2020年國民經濟統計資料和2000—2020年鄉鎮農業年報均來源于東川區統計局，東川區2000—2020年農村經濟收益分配統計資料來源于東川區農村合作經濟經營管理站。

4 結果與分析

4.1 耕地利用形態變化及轉型節點識別

4.1.1 顯性形態指數變化及其突變點

由圖1可知，東川區耕地利用顯性形態指數在1989—2020年整體呈現波動下降趨勢，由0.22下降至0.02，其中1989—2005年下降較快，由0.22下降至0.05，2005—2007年呈現小幅度增長，2007年以后下降速度放緩。具體來看，東川區耕地數量與顯性形態指數變化趨勢一致，而糧經比則由0.07持續下降至0.01，表明東川區耕地數量在2007年后減少的趨勢才有所放緩，同時收益高的經濟作物種植面積不斷擴大，耕地存在“非糧化”現象。

圖1 1989—2020年東川區耕地利用顯性形態指數變化Fig.1 Changes of cultivated land use explicit morphology index in Dongchuan District from 1989 to 2020

滑動T檢驗（圖2（a））結果顯示顯性形態指數在2002年和2013年存在突變，均通過了0.01的置信度檢驗，其中2002年為強突變；由M-K突變檢驗（圖2（b））結果可知，UF和UB在2004年存在一個交點，但并未通過顯著性檢驗，說明顯性形態指數在2004年的突變并不顯著；Yamamoto檢測（圖2（c））結果顯示顯性形態指數在2002年存在突變，并通過了0.05的置信度檢驗。綜合來看，1989—2020年東川區耕地利用顯性形態指數突變發生在2002年左右。

圖2 1989—2020年東川區耕地利用顯性形態指數的突變點檢測Fig.2 Mutant point detection of cultivated land use explicit morphology index in Dongchuan District from 1989 to 2020

4.1.2 隱性形態指數變化及其突變點

由圖3可知，東川區耕地利用隱性形態指數在1989—2020年間整體呈現波動下降的趨勢，由0.40下降至0.19，其中1989—2012年隱性形態指數波動較大，2012年后持續下降。具體來看，經濟功能指數在1989—2016年間呈現不斷增長的趨勢，由0.01增至0.16，2016年以后緩慢下降至0.13；而社會功能和生態功能指數在這32年間均呈現下降的趨勢，社會功能指數由0.26下降至0.01，生態功能波動幅度較大，由0.12下降至0.04。這表明隨著經濟水平提升，耕地要素投入水平增強，農業勞動力大量轉移至二三產業，為農業規模化和集約化生產提供了條件，導致耕地經濟功能出現大幅度提升而社會功能逐漸弱化的趨勢。

圖3 1989—2020年東川區耕地利用隱性形態指數變化Fig.3 Changes of cultivated land use recessive morphology index in Dongchuan District from 1989 to 2020

滑動T檢驗（圖4（a））結果顯示隱性形態指數分別在2006年、2012年左右存在突變，均通過了0.01的置信度檢驗，其中2012年為強突變；由M-K突變檢驗（圖4（b））結果可知，隱性形態指數在2014—2015年存在一個突變，但并未通過顯著性檢驗；Yamamoto檢測（圖4（c））結果顯示隱性形態指數分別在2006年、2012年左右存在突變，但均未通過顯著性檢驗。綜合來看，1989—2020年東川區耕地利用隱性形態指數突變發生在2006年和2012年左右。

圖4 1989—2020年東川區耕地利用隱性形態指數的突變點檢測Fig.4 Mutant point detection of cultivated land use recessive morphology index in Dongchuan District from 1989 to 2020

4.1.3 社會經濟轉型與耕地利用轉型的適應性

選取國企職工人數、農業勞動力、一二三產業產值、固定資產投資總額等數據來反映東川區1989—2019年社會經濟發展水平的變化。由圖5（a）可知，20世紀末期東川礦產資源臨近枯竭，采礦工人不斷下崗，尤其是在2001年礦務局破產后，下崗人數達到頂峰，大量下崗工人回鄉務農，農業勞動力在2002—2005年間出現突增（如圖5（b）），導致農業人均耕地面積快速下降，顯性形態指數正是在這一時期發生了突變，因此突變檢測結果與東川區礦產資源枯竭后勞動力的轉移過程具有一致性。

圖5 1989—2020年東川區社會經濟發展數據變化Fig.5 Changes of social and economic development data of Dongchuan District from 1989 to 2020

資源枯竭型城市的發展往往以政策為導向，礦產枯竭后東川急需尋找新的經濟增長點。2004年云南省做出建設“東川再就業特區”的決定，給與優惠政策招商引資。如圖5（c）所示，2006年東川區開始發展房地產業，第二產業產值增長迅猛，成為東川區的主導產業，產業結構比為8∶74∶18。2009年東川被列入國家第二批資源枯竭轉型試點城市，每年獲得2億元的轉型發展基金，并且成為云南省擴權強縣試點城市。2012年東川第二產業下滑，第三產業依然保持增長，并于2019年超過第二產業成為東川區的主導產業，產業結構比為8∶25∶67。由圖5（d）可知，東川區固定資產投資和社會消費品零售總額在2010年后增長加快，表明東川區在獲得國家轉型基金支持后投資和消費水平得到提升。因此隱性形態指數正是在產業調整和政策扶持的過程中發生了突變，突變檢測結果與經濟轉型過程具有一致性。

上述結果表明耕地利用轉型是一個復雜的過程，與一定的社會經濟發展水平相適應，轉型過程涉及鄉村人口流動、產業結構調整、地域格局優化等方面。顯性形態轉型主要受農業勞動力轉移的影響，隱性形態轉型主要受產業結構調整的影響，產業結構調整是一個緩慢的過程，因而隱性形態轉型滯后于顯性形態轉型。

4.2 耕地利用轉型空間變化

4.2.1 耕地利用形態指數時空格局演變

耕地利用形態指數時序變化為把握東川區耕地利用轉型節點提供了基礎，然而無法準確揭示區域內部耕地利用形態的空間分布特征。依據東川區耕地利用轉型發生的時間節點，選取2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期數據分析耕地利用形態指數在轉型前后的空間分布特征。

圖6顯示，東川區148個行政村的耕地利用形態指數區域差異明顯，在轉型前后均呈現東高西低的態勢，與東川區地形格局基本一致，主要是由于東川中東部地區南北走向的低海拔狹長地帶為干熱河谷區，地勢平坦、土壤肥沃、耕地資源豐富且分布集中，適宜農業規模化和集約化生產，耕地利用綜合指數高值區多分布于此。具體來看，主要包括銅都鎮、湯丹鎮以及烏龍鎮的部分低海拔村域，以上區域耕地資源豐富，經濟發展較快，對農業生產技術、資金投入的支撐也比較強。而西部地區多山地，耕地稀缺且破碎化嚴重，制約農業生產與經濟發展，耕地利用形態綜合指數整體偏低。

圖6 東川區耕地利用形態綜合指數空間分布Fig.6 Spatial distribution of cultivated land use morphology comprehensive index in Dongchuan District

4.2.2 耕地利用形態指數空間集聚特征

為進一步明晰耕地利用形態指數的空間集聚特征，使用LISA聚類圖（圖7、圖8）進行局部空間自相關分析。整體來看，“H_H區”、“L_L區”數量多于“H_L區”、“L_H區”，東—西差異顯著，耕地利用形態指數在轉型后的集聚程度均有所變化。

圖7 耕地利用顯性形態指數LISA聚類圖Fig.7 LISA cluster diagram of cultivated land use explicit morphology

圖8 耕地利用隱性形態指數LISA聚類圖Fig.8 LISA cluster diagram of cultivated land use recessive morphology

如圖7（a）—（e）所示，顯性轉型前后耕地數量高值-低值區空間變化不明顯。“H_H區”在2000—2015年集中分布于烏龍鎮和銅都鎮，2020年往北擴張至湯丹鎮的低海拔村域。主要是由于以上區域耕地資源豐富，經濟發展較快，農業勞動力大量轉移至二三產業，因而土地墾殖率和人均耕地面積高于其他區域。“L_L區”在轉型前后均集中分布在海拔較高的西北部和北部拖布卡鎮的部分村域，主要是由于以上區域耕地本身稀缺，農業勞動力較多，因而墾殖率和人均耕地面積低于東部。

如圖7（f）—（j）所示，顯性轉型前后耕地種植結構的空間變化十分顯著。“H_H區”在2000—2010年零星分布于區域內，2015—2020年集中在東川北部舍塊鄉和拖布卡鎮的部分低海拔村域，以上區域耕地均以糧食作物為主。“L_L區”在2000—2015年主要集中在阿旺鎮西部和銅都鎮東部的高海拔村域，2020年轉移至東川西北部。雖然空間變化較大，但均分布在海拔2500 m以上的高寒山區。由于自然環境相對惡劣，生態環境脆弱，不適宜糧食種植，中藥材、油牡丹、萬壽菊等經濟作物種植較為廣泛。

如圖8（a）—（e）所示，隱性形態轉型前后耕地經濟功能均呈現東南—西北聚集的態勢，但空間集聚程度逐漸減弱。“H_H區”在2000—2005年集中分布于區政府所在地周邊村域，2010年數量減少且在空間上有所收縮，2015—2020年逐漸向烏龍鎮遷移。說明在經濟發展初期，銅都鎮由于耕地資源豐富、自然條件好、生產技術強，耕地產值和糧食產量都比較高。隨著銅都鎮二三產業發展，第一產業的投入份額降低，高值區逐漸轉移至以農業發展為主的烏龍鎮。“L_L區”在轉型前后均分布于西北部高海拔地區，但在2000—2020年間數量逐漸減少。由于東西部地區自然條件和經濟水平不同，耕地要素投入水平和生產能力在地理空間層面的差異較大，而“L_L區”在轉型后范圍縮小表明隨著整個區域的快速發展，交通區位的改變，經濟功能的空間分布趨于均衡。

如圖8（f）—（j）所示：隱性轉型前后社會功能呈現區域獨立—群系增長的變化態勢，空間集聚程度不斷增強。“H_H區”在2000—2020年數量有所增加且逐漸向東川西北部聚集。2000—2015年“L_L區”在東川境內呈散列式分布，2020年數量增加且在銅都鎮和烏龍鎮部分村域形成聚集，社會功能空間分異增強。這是由于經濟水平較差的西北部地區農業從業人員占比和地均勞動力承載量要高于經濟發展較快的東部地區，因而社會功能更高。

如圖8（k）—（o）所示，隱性轉型前后生態功能均呈東南—西北聚集的態勢，但空間集聚程度逐漸減弱。“H_H區”在2000—2015年多分布于銅都鎮、烏龍鎮和紅土地鎮部分村域，2020年后數量減少并向銅都鎮北部和湯丹鎮遷移。“L_L區”在轉型前后均分布于東川西北部，2000—2015年主要集中在湯丹鎮和舍塊鄉，2020年“L_L區”數量減少且主要集中在舍塊鄉和因民鎮的部分村域。該結果表明東川區由于地形、氣候、種植習慣偏好不同導致農田生物多樣性指數和固碳能力在區域內的差異較大。地勢平坦、熱量充足的耕地適宜多樣化種植，因而生態功能高于高海拔地區，生態功能空間集聚程度減弱也說明整個區域在朝著均衡化發展。

綜合來看，東川區資源枯竭后社會經濟轉型過程中，農業勞動力、產業結構等社會經濟要素引導了東川耕地利用轉型。但由于地形所決定的耕地資源稟賦、經濟發展水平對耕地利用形態指數空間分布特征有較大影響，耕地利用形態的空間格局整體是穩定的。這一點與付慧等[8]對于京津冀地區157個縣域耕地利用形態指數空間分布與山地、平原地形格局一致的結果是相吻合的。

5 結論與建議

（1）突變點檢測法和空間自相關方法的綜合運用能夠較好識別東川區耕地利用轉型時間節點和空間變化特征，并揭示了礦產資源枯竭過程、社會經濟發展與耕地利用轉型之間的一致性和關聯性。

（2）村域尺度的研究進一步揭示了地形對耕地利用轉型產生的較大影響，耕地利用形態綜合指數在轉型前后均呈現東高西低的空間分布特征，與東川區地形格局基本一致。

（3）顯性形態轉型前后耕地數量的空間集聚特征變化不明顯，種植結構變化較大，但低值區始終集中在高寒山區；隱性形態轉型前后經濟與生態功能指數均呈現東南高、西北低的態勢，空間集聚程度在轉型后均有所降低，表明二者在區域內朝著均衡化發展。而社會功能則表現為西北高、東南低的特征，且轉型后集聚程度有所提升，表明其在整個區域的空間分異性增強，隨著社會經濟發展，耕地利用社會功能的區域差異將越加明顯。

（4）針對前述的耕地利用轉型特征，提出耕地可持續利用建議：①東川區在進行耕地利用、管理與保護的過程中，應充分考慮自然地理特征、經濟發展水平與耕地利用轉型的聯系，引導耕地朝著高效、綠色利用轉型；②結合區域自然地理特征因地制宜發展高原特色農業，在地勢平坦的干熱河谷地帶發展冬季農業，鼓勵農作物多樣化種植，在偏遠山區退耕還林還草，發展特色林果業和生態農業，提升耕地經濟與生態功能；③加快河谷熱區農田水利設施建設，改變“靠天吃飯”的局面，進一步提升耕地經濟和生態功能；④加強耕地利用政策支持，尤其是加大城鎮化、社會經濟發展中所積累的資金、管理、技術、人才等回流農業生產的力度，穩定和提高耕地產出效率，保障區域糧食安全，促使耕地利用的社會功能進入穩定發展階段。