1990—2020年中國耕地利用的“水旱分異”格局及機制分析

解 帥，殷冠羿，婁 毅，魏 瑋

（山東師范大學地理與環境學院，山東 濟南 250358）

1 前言

近年來，隨著城市用地和工業用地的擴張、耕地后備資源的持續消耗[1]，耕地數量和質量受到雙重威脅。耕地占補平衡中的占優補劣、占平原補山地等耕地保護落實不到位現象及新冠疫情引發的國際糧食貿易危機，對我國耕地資源的優化利用提出了更高要求。《鄉村振興戰略規劃（2018—2022）》和《關于改進管理方式切實落實耕地占補平衡的通知》的頒布，進一步強調了耕地利用模式向更高效的形態演變的重要性[2]。近年來，我國黑龍江、吉林、浙江等地試點了“旱改水提質改造工程（以下簡稱“旱改水”）”，將旱地通過水利設施等配套建設轉為水田。相比旱地的玉米、小麥種植，“旱改水”后不僅可以發揮水稻的產量優勢、價格優勢，也可以通過土地整治提升耕地利用的規模化水平。同時，水田轉為旱地（以下簡稱“水改旱”）在河北[3]、內蒙古[4-5]等地的高標準農田建設中亦有推行，此外，由于部分區域存在自然資源稟賦差、水利設施不完善、勞工成本過高等問題，也導致“水改旱”現象頻發。由于水田和旱地在水土氣熱條件、種植結構及管理模式上的差異，其變化所導致的經濟及生態效益的分異往往隱含著耕地利用變化的隱性機制[6]，所引發的耕地結構和功能的變化將成為研究耕地利用隱性轉型的嶄新視角。

在耕地利用隱性變化的探討中，僅有少量學者關注到水田、旱地分異這一特殊視角。如吳文嘉等通過黑龍江省[7-8]水田、旱地的時空變化規律及耗水凈量空間變化趨勢發現區域水田集中性增加；劉彥隨等[9]通過對比分析1990年、2000年和2006年三年土地影像數據，發現江蘇省新增城鎮用地主要來自水田和旱地的轉出，農村和城鎮新定居點基本來自水田轉出；宋戈等[10]發現黑龍江富錦市旱地轉水田的主要驅動因素為政策、土壤類型及河流等因素；劉某承等[3]基于水質和水量構建生態補償標準模型分析中國京冀地區水稻田改旱地項目（PLDLP），指出水改旱可以提高河流徑流量和水質，但農民凈收入下降10.99%；羅曉虹等[11]提出1990—2015年三峽庫區重慶段水田面積占耕地面積的比例減少3.9%，水田分布存在地形坡度較大、轉出面積比重大、破碎化顯著等問題。綜上，研究區域多為東北[12-13]、西南[14]等局部地區，內容多側重對旱改水適宜性評價、水田—旱地資源的時空變化[15]及水土響應、生態系統服務效率及驅動因素等。

隨著研究范圍的不斷擴展，以水田—旱地的差異性變化為視角的分析，需在更大時空尺度上為耕地利用的隱性轉型提供觀測窗口，例如，水田、旱地利用的變化是否形成了空間差異？二者在用地類型上的轉變是否存在一定規律？其形成機制是否存在政策優化的切入點？據此，本文基于水田、旱地兩種類型細化耕地利用的研究視角，探討水田、旱地利用的時空分異，并剖析水田—旱地的地類轉化及其驅動機制，以明晰耕地隱性轉型在水旱分異視角的特征，明確農業生產發展方向，為耕地利用的優化重構提供科學依據。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文使用1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年及2020年共7期1 km×1 km土地利用柵格數據（CNLUCC）。該數據集源于中國科學院資源環境科學數據中心，包含耕地、林地、草地、水域、建筑用地、未利用地和海域7種土地利用類型。本文提取耕地類型的兩個二級類進行分析：（1）旱地（包含無灌溉水源及設施，靠天然降水生長作物的雨養地，以及有水源和澆灌設施，在一般年景下能正常灌溉的水澆地）；（2）水田（包含具有水源保證和灌溉設施，在一般年景能正常灌溉，種植水稻，蓮藕等水生農作物的耕地）。

2.2 水田、旱地的地類轉換分析

1990—2020年水田、旱地的地類轉換情況基于分階段土地利用轉移矩陣的思路展開。計算方式如下：（1）將每個階段首、末年的土地利用類型柵格數據重分類，如將首年水田、旱地、其他用地分別重分類為1、2、3，末年水田、旱地、其他用地分別重分類為10、20、30；（2）使用ArcGIS柵格計算器對兩期土地利用柵格數據求和，導出新圖層的柵格屬性值，結合各類型的地類轉換柵格數目及精度以獲取不同地類之間相互轉換的面積。如11指始終未發生變化的水田，12指水田轉為旱地，13指水田轉為其他用地，31指其他用地轉為水田。

2.3 地理探測器分析

地理探測器[16]是揭示地理要素空間分異性及其驅動力的空間統計工具，在定量化驅動因子中用q統計量值描述，具體表現為q值越大，自變量（X）對因變量（Y）的影響程度越高：

式（1）中：q值是對自變量解釋力的度量；L為因變量或自變量的分層；Nh和分別為層h的單元數和方差；N和σ2分別為研究區整體的單元數和方差。

本文選取各省水田轉旱地、旱地轉水田面積為因變量，從自然資源稟賦差異和地區農業發展水平兩方面選取了年均溫、水資源總量等19個自變量（表1）。其中，作為耕地自然屬性的基礎要素，選擇年均溫、水資源總量、年降水量、年日照時數、農田生產潛力代表耕地水熱條件的因子[17]；由于地形條件[18]直接作用于作物采光、水土保持及溫度的差異，因此選擇耕地土壤質地、土壤侵蝕、坡度、高程為代表；人力、技術及資金投入在水田及旱地的利用實踐中具有一定差異，因此選擇農業機械總動力、一產固定投資、農業勞動力占比；由于區域經濟發展水平對當地耕地利用的現代化及綜合效率具有間接促進作用[19-20]，因此選擇第一產業占比、城市化率、農民家庭平均收入；考慮到區域農業生產結構的差異對旱地及水田利用模式的形成具有潛在的不同作用，因此選擇糧經比、有效灌溉面積、復種指數、人均耕地面積。基于表1的因子分層標準，借助地理探測器中的單因子探測和因子交互作用探測工具，探明自變量對因變量的解釋力及自變量之間交互作用的方向、類型。

表1 地理探測器因子選取Tab.1 Factor selection of the GeoDetector

3 結果與分析

3.1 水田、旱地面積特征變化

1990—2020年，全國水田總量減少12 809 km2，旱地總量增加了23 217 km2。從總面積看，旱地始終高于水田，且二者差距由826 954 km2擴大至862 980 km2。

空間分布顯示（圖1），其一，水田增加最多的是黑龍江省（增加27 030 km2），其水田利用受益于當地政府牽頭的“排蓄結合、以稻治澇”工程對灌溉條件的改善，發達的機械化管理和黑土的質量優勢推高了水稻產品價格，進一步促使當地松花江、黑龍江、烏蘇里江沿岸的水田總量增加。

圖1 1990—2020年全國水田、旱地面積Fig.1 Number of paddy field and dryland in China from 1990 to 2020

其二，旱地增加最多的是新疆（增加23 306 km2），其新增旱地主要分布在天山南北地勢平坦、水資源豐富的綠洲，伴隨一帶一路、鄉村振興戰略的深入實施，新疆農業種植結構由單一的糧、棉為主轉向多元化特色種植，且農田補貼的力度較高[21-22]，為旱地開發提供了較大優勢，新疆作為農業大省的功能定位得到鞏固，為當地旱地總量的增加提供了發展基礎。

其三，水田和旱地減少最多的省份均為廣西省，主要分布在廣西東部、南部（水田、旱地分別減少23 306 km2和14 719 km2）。自2001年廣西被納入全國退耕還林試點，陡坡耕地和石漠化耕地的退耕還林工程，在推動經濟林、生態林種植的同時，也促進了當地水田和旱地的損失[23-24]。從流向看，當地損失的水田和旱地的81.2%流向了林地（限于篇幅該數據未繪制到圖中）。

3.2 水田、旱地的地類轉換趨勢

從水田及旱地的時間變化看（表2）：（1）1990—1995年，水田、旱地向其他用地的轉出均大于其他用地向水田和旱地的轉入，水轉旱面積略高于旱轉水；（2）1995—2000年，水田、旱地向其他用地的轉出小于其他用地向水田、旱地的轉入，旱轉水面積略高于水轉旱；（3）2000—2015年，各類用地相互轉化強度減弱，旱轉水面積明顯大于水轉旱，且水田轉入的來源以旱地為主；（4）2015年后，水田和旱地的轉入、轉出面積強度明顯增加，水田與旱地的相互轉化成為主要特征，旱轉水面積略高于水轉旱。

表2 水田、旱地與其他用地類型的土地利用轉移矩陣Tab.2 Land use transfermation matrices for paddy field, dryland and other land （km2）

綜上，首先，水田的總轉出量大于總轉入量，而旱地反之。其次，旱轉水在水田的總轉入中占31.59%，而水轉旱在旱地的總轉入中僅占12.13%，可見旱轉水的規模和活躍程度相對水轉旱更高。此外，從土地利用穩定性看，未轉變的旱地在其總面積中占52.76%，而未轉變的水田在其總面積中占41.66%，相對來說旱地的利用更為穩定。最后，由于旱地相比水田更易整治，其他用地向旱地的轉入遠多于其向水田的轉入，新增水田的來源相對旱地來說限制性更高。

水田轉出的空間分布顯示（圖2），水田轉為旱地在四川、遼寧等呈現集聚性分布，季節性缺水和地下水位的下降可能是導致該類轉換的重要原因。水田轉為其他用地則多集聚在長三角、珠三角、成渝等城鎮化水平較高的地帶，可見水熱條件較好的、經濟區位較優的水田發生了明顯損失。

圖2 1990—2020年水田、旱地及其他用地之間的地類轉換情況Fig.2 Land transformation between paddy field, dryland and other land from 1990 to 2020

從水田的轉入看，較為明顯的變化為北方的新增水田多來源于旱地，其中以河南省中部、江蘇中部和黑龍江省東部最為集中。究其原因，河南省作為黃河流域生態保護和高質量發展戰略及南水北調中線引黃灌區的樞紐[25]，其地理位置上的優勢有助于水資源的補給、降低了灌溉成本，平原耕作優勢被充分發揮，為當地旱轉水提供了基礎。江蘇旱轉水在空間上多集中于宿遷及淮安市地域，當地的土地整治強調將旱地改為稻麥輪作[26-27]，以提高耕地的經濟附加值，該類政策支持為當地旱轉水提供了較強動力。黑龍江省旱轉水多集中于東部三江平原，主要源于當地黑土地的長期開發和稻田治澇工程，對中低產田的 “旱改水”較為集中連片的優勢，為旱轉水的集中分布提供了條件。

從旱地的轉入看，除水轉旱在四川、遼寧聚集性分布外，規模較大的其他用地轉為旱地在新疆和廣西西部較為集中。其中，廣西其他用地轉旱地的主要集中于西部的百色市，該地區廢棄工礦用地的復墾成為當地新增旱地重要來源[28-29]，新增旱地來源于開發利用適宜性較差的地區。

從旱地的轉出看，旱轉水集中于前文提及的河南中部、江蘇中部和黑龍江東部，而旱地轉為其他用地則主要集中在京津冀為主的城市群周邊。可見，較大規模的旱地損失集中于自然資源稟賦較優和經濟區位較強的地帶。

進一步提取各省水轉旱面積數據可見（圖3）。1990—2000年，各省水轉旱變化較為劇烈，且區域集中度較高，水轉旱3 300 km2以上的有黑龍江、四川、湖南、湖北、重慶等；2000—2015年，各省水轉旱面積明顯下降，除東北地區外，水轉旱規模均低于500 km2；2015—2020年，各省水轉旱強度增大，以黑龍江、四川為代表的兩省水轉旱超過7 500 km2，且超過500 km2的地區相比1990—2000年新增了陜西、山東兩省。

提取各省旱轉水面積數據可見，其省域分布與水轉旱呈現相似特征（圖4），1990—2000年，各省旱轉水變化規模較大，旱轉水面積在3 300 km2以上的有黑龍江、四川、湖北、湖南、重慶、河南等省，其中四川及黑龍江最為顯著；2000—2015年，各省旱轉水總量較少、變化較平緩，除黑龍江外，其余地區旱地轉水田的面積低于500 km2；2015—2020年，旱轉水面積顯著增加，空間分布特征接近初期（1995—2000年），且黑龍江及四川旱轉水規模超過7 500 km2。

圖4 1990—2020年旱地轉水田的省級尺度分布Fig.4 Provincial transformation of dryland to paddy field from 1990 to 2020

3.3 水田、旱地互轉的驅動機制分析

基于地理探測器的單因子分析可得（圖5），對水轉旱面積的解釋力始終較高的因子為糧經比（o）、水資源總量（b）、土壤侵蝕（g）、年日照時長（e）和有效灌溉面積（q）。此外，解釋力明顯上升的因子有一產固定投資（k）、糧經比（o）、復種指數（r），屬于地區農業發展水平指標，說明地區農業的現代化水平應成為水轉旱治理和規劃中需著重考慮的因素。解釋力下降的因子有年降水量（c），可見農田保水措施的進一步完善，對提高田間持水量有較大貢獻，使水轉旱的變化受到降雨總量的限制有所降低。可見，在影響水轉旱的因素中，地區農業發展水平和自然資源稟賦均起到重要作用，但農業現代化水平的差異對水轉旱的解釋力明顯增強，應在水轉旱規劃中加強評估。

圖5 水田轉旱地的單因子地理探測器分析Fig.5 Results of the factor detector of the transformation from paddy field to dryland

結合前文結果分析，水轉旱較活躍的區域以四川、黑龍江為代表。這類地區的生產資本投入較高、地勢平坦、糧食播種比例較高、農業基礎更加穩固、農業質量效益和競爭力較高，有助于在提升糧食生產能力、轉變農業發展方式、發展現代農業上尋求新突破。受到控制性水源工程分布不均和土壤侵蝕的影響，部分地區開展了節水型生態農業的建設，但相對來說東北地區受到水資源承載力的約束更大，而四川等長江中上游省份更易受水轉旱的農作物經濟效益的影響[30]。

水轉旱不活躍的區域主要集中在西北干旱缺水省份。由于其農業生產的物質基礎條件較差，更適合發展節水旱地農業，故水田占比較低（＜10%）。該類地區受到自然環境與經濟發展雙重掣肘，光照充足但水資源短缺，植被覆蓋率較低，抵抗土壤侵蝕的能力薄弱，導致其水轉旱的活躍性相對較低。

對旱轉水面積的解釋力始終較高的因子為糧經比（o）、有效灌溉面積（q）、水資源總量（b）、復種指數（r）和人均耕地面積（s）。代表地形條件和耕地投入的因子對旱轉水的解釋力明顯上升，可見在影響旱地轉水田面積的因素中，地區農業發展水平和自然資源稟賦均發揮了較大影響，但耕地坡度和農業投資水平對旱地轉水田的解釋力明顯增強，主要原因是水田的整治對地形條件和農業投入的要求更高，在水資源豐富但農田基礎設施薄弱、土壤侵蝕較強的地區，其水土流失風險較高，其旱轉水的適宜差。

結合前文結果分析，旱轉水較活躍的除了東北和長江中上游地區，還有江蘇、河南兩省。此類地區是我國傳統的糧食主產區，水熱條件較好、機械化投入較高、土壤質量高、耕地利用程度高、農田水利設施較完善。在國家糧食安全戰略導向的扶持下，其旱地改造為水田更為便利。此外，黑龍江、吉林、遼寧和河南享有當地河灌區的水資源、耕地資源、政策補貼和機械化水平等優勢，而江蘇、湖北、四川等省則依靠高新技術、水利工程配套和土地平整等優勢，有效提高土地的產出效益，實現經濟效益、生態效益和社會效益共贏。

旱地轉水田不活躍的區域主要集中西北地區和華北平原，西北地區除受到水資源總量掣肘以外，且相對較低的人均耕地面積制約了其大規模旱改水的變化。山東、河北等華北地區則受水資源短缺[31]、農業勞動力不足和種糧收益下降三重制約，制約了當地旱地向水田的轉變。

圖6 旱地轉水田的單因子地理探測器分析Fig.6 Results of the factor detector of the transformation from dryland to paddy field

4 結論與討論

4.1 結論

本文基于1990—2020年全國1 km土地利用網格數據，結合土地利用轉移矩陣及地理探測器等手段，探索了我國耕地利用的水田旱地分異格局及其驅動機制，結果表明：（1）水田總量減少與旱地增加同步發生。水田及旱地的損失多位于自然稟賦較優的地區，而新增多位于開發利用適宜性較差的地區，空間分布與自然稟賦優質地區呈現錯配。（2）水田及旱地在用地類型上的轉變形成了空間集聚，二者的相互轉換以黑龍江和四川省最為突出。（3）與旱轉水相比，水轉旱的變化受自然資源稟賦的影響更強，且農業現代化水平的人為干預對水旱互轉的影響有所增加。影響水轉旱面積的因子主要為糧經比、水資源總量、土壤侵蝕、年日照時長和有效灌溉面積，影響旱轉水面積的因子主要為糧經比、有效灌溉面積、水資源總量、人均耕地面積和復種指數。

4.2 討論

首先，本文及相關研究均指出了水田和旱地的空間區位變差，新增水田和旱地多位于開發利用適宜性較差的地區。1999—2008年經濟快速發展中，我國減少了大量的高產耕地[32]，以東北地區為代表的糧食主產區耕地肥力下降[33-34]，耕地質量下降情況在九大農業區占比高達 40.82%[35]，且鄂爾多斯等干旱地區的耕地儲備資源質量也在降低[36]。此外，水田和旱地重心分別向我國西北和東北降水及積溫較差的方向遷移，使耕地適宜性下降了2.6%[37-38]。反之，也有學者強調了水田占補平衡政策在湖南等局部地區提升了水田整體質量[39]。可見，水田和旱地的時空變化特征存在地帶性差異，但均證實自然條件較好的、經濟區位優越的水田、旱地發生了明顯損失。

其次，本文及相關研究均證實了黑龍江及四川兩地水旱互轉的活躍性[19,40]。以黑龍江為例，受氣候變暖導致水田種植線北移的影響[41-42]，平原地貌廣、水資源充足為水田擴張提供了有利條件，農田水利設施建設[43]、機械補貼，長日照耐冷新稻種的引進[44-45]等政府支持措施，對當地旱改水形成促進作用。反之，東北大豆振興[46-47]和玉米價格的增高[48-49]促使農業種植結構向旱地作物傾斜[50]，為黑龍江的水改旱提供了一定的市場基礎。以四川為例，其水資源總量豐富、時空分布不均、降水利用率不高、地形復雜的特點，導致大型引水工程設施無法全面覆蓋，區域性和季節性缺水促使其水田、旱地的轉變較為頻繁[51-53]。可見，該類地區由于水旱互轉導致耕地類型變化頻繁，其對土壤含水量、肥力、孔隙結構等理化性狀的影響，及當地糧食產量波動變化趨勢，需成為長期重點觀察的對象。

最后，相關研究亦指出，水田及旱地規模的驅動力受人為因素的影響增強[54]，與本文形成一致結論。例如，經濟驅動和生態政策成為重慶地區水田和旱地變化的主要原因[55]，三江平原水田擴張受人口增長、技術進步、氣候變化和政府政策等人為因素的共同推動[40]，而黃河運城段水田及旱地變化受政策的干預的影響最為強烈[56]。此外，人口增長、土地政策、農業技術進步和土地管理政策的市場化同樣可以很好地解釋長江三角洲水田利用格局的變化[57]。可見，除地形、水土條件等自然稟賦外，農業生產的外部社會經濟條件已成為水田、旱地利用及變化的重要推動力。

基于此，本文對水田和旱地優化利用的建議如下：（1）對種植結構不同的地區加以區分，應充分評估水田—旱地轉換的適宜性，如雙季稻、三季稻地區水田轉旱地后，或旱地輪作高產區轉為單季稻水田后，可能發生一定的產量損失，應視為水旱互轉適宜性較差的地帶，耕地利用以穩定現狀為主；（2）在地形復雜、水肥氣熱條件較差、水土流失嚴重區域，重點加強生態保護，提高水田、旱地利用的可持續性，如在云南等耕地相對破碎的丘陵山區，應提高耕地利用與地形地貌的協調關系，高田走旱路，低田走水路，重點加強水土保持；（3）充分發揮土地整治、高標準基本農田建設等政策支持[58]對提高水田旱地的集中連片程度、基礎設施水平的作用，對水資源分布不均導致的水旱互轉現象，可重點加強水源工程的建設；（4）針對黑龍江、四川等水田、旱地互轉活躍的特殊地區，應評估水田、旱地變化的必要性和耕地類型的穩定性，以保障東北黑土、川東優質紅壤的生產潛力。