0 引言
【研究意义】耕地资源具有稀缺性和不可替代性,是人类社会赖以生存和发展的基础。耕地对非洲的重要性不言而喻。一方面,虽然非洲土地资源总量丰富,其陆地总面积占世界总面积的22.8%,但耕地面积仅占世界总耕地面积的8%,耕地资源紧缺,直接影响非洲粮食供应和粮食安全[1,2,3]。联合国粮农组织《世界粮食不安全状况2014》报告表明,非洲粮食安全形势依然严峻,2014年非洲粮食产量1.65亿吨,仅占世界粮食总产量的6.6%,人均粮食占有水平低于全球平均水平的1/2;非洲有28个国家面临粮食不安全状况,占世界范围内粮食不安全国家总数的80.0%[4]。另一方面,作为一种空间连续的自然和社会经济综合体,非洲耕地面积、数量、状态与功能随时间不断发生变化,对全球气候变化、陆地生态系统地球物理和地球化学循环过程、陆地-海洋相互作用等有着重要作用,驱动区域乃至全球生态环境变化[5,6,7]。近年来,随着中非农业合作和农产品贸易的日益加深,中国在非洲的耕地投资项目或投资意向越来越多[8]。因此,科学探明非洲耕地资源禀赋、准确辨识耕地格局特征、全面揭示耕地动态变化规律和过程,对于中国科学掌握非洲粮食生产和供给、有效统筹国内外“两种资源、两个市场”,推动中非农产品贸易合作和保障国家粮食安全等具有重要指导意义。【前人研究进展】利用遥感等空间信息技术手段,国内外很多****进行了全球或非洲耕地空间分布制图和格局特征分析[9,10]。RAMANKUTTY和FOLEY最早将DisCover全球地表覆盖数据和耕地面积统计数据进行融合,生成了1992年全球耕地数据集[11];利用相同方法,他们基于新的GLC2000和MODIS全球地表覆盖数据,获取了2000年全球耕地分布数据[12]。FRITZ等计算5类全球地表覆盖数据的空间一致性,取耕地分布的先验概率并排序,利用此结果对 5 类数据进行融合得到新的非洲耕地数据集[13];之后,他们引入了众包方式（Crowdsourcing）获取大量地面验证点,对现有全球或区域耕地数据集加以合成,重新生成了2005年全球耕地数据集[14]。【本研究切入点】以上的分析往往采用较粗空间分辨率（10 km）数据,区域适宜性较差,而且这些已有的耕地数据仅针对特定的时间点或时段,难以形成长时间序列数据集,较低的制图精度使得难以准确描述研究区域耕地空间格局动态变化趋势分析[15,16]。随着卫星传感器的不断发展和计算机制图技术的进步,国际社会将研制更高空间和时间分辨率的全球地表覆盖数据提上议事日程[20]。全球地表覆盖遥感数据产品的空间分辨率目前正在向30 m及更高空间分辨率发展,从特定单一年份向时间序列产品发展[21,22]。在国家高技术研究发展计划项目支持下,中国科学家利用30 m空间分辨率遥感数据,于2014年研制出了世界上首套30 m空间分辨率的全球地表覆盖遥感数据产品（GlobeLand30）,包含2000年和2010年两个基准年[23,24],这为全球或洲域尺度上的耕地空间分布与动态变化分析提供了精度和质量更好的数据产品[25,26]。虽然有****开展耕地动态变化分析,如YAO等利用CG-LTDR数据对1980年以来非洲的耕地增减及耕地类型转移情况进行了研究[17]。SULIEMA等分析了1941—2009年苏丹东部畜牧季节性迁徙路线自然植被向农用地转换,造成放牧区的生物多样性损失以及自然植被所能提供的其他的生态服务的损失[18]。AMOGU等通过对两个不同时期相似且相近地区集雨状况的比较,分析不同的水文条件休耕缩短及随之而来的土壤退化的影响[19]。然而,这些研究较多集中在耕地数量的变化及耕地类型转移上,较少涉及到耕地利用格局变化的生态环境背景因子。【拟解决的关键问题】基于此,本研究采用GlobeLand30的2000和2010年耕地数据产品,从耕地变化的空间分布、数量、集约化利用和变化类型等方面研究2000—2010年非洲耕地利用格局变化,进一步分析耕地变化的生态环境因子,揭示2000—2010年间非洲耕地空间格局的总体波动及地理差异特征。1 材料与方法
1.1 数据和预处理
本研究中采用的2000 年和2010 年耕地数据来自于全球地表覆盖遥感数据产品（GlobeLand30）。该GlobeLand30数据产品是根据全球最佳覆盖的30 m空间分辨率美国陆地卫星Landsat TM/ETM+、国产环境减灾星（HJ-1）等影像,利用基于像元的耕地综合提取、面向对象的图斑处理和人机交互的数据优化的POK方法[24,27],首次完成的2000和2010年两个基准年耕地、水体、森林、苔原、草地、人造地表、灌木地、裸地、湿地、冰川或永久积雪等10个地表覆盖类型的遥感制图,产品总体精度在80%以上,其中耕地总体精度达到83.06%[28]。GlobeLand30耕地定义不同于已有国家或国际土地利用分类系统,主要指种植农作物的土地,包括水田、灌溉旱地、雨养旱地、菜地、牧草种植地、大棚用地、以种植农作物为主间有果树及其他经济乔木的土地,以及茶园、咖啡园等灌木类经济作物种植地[10,12]。利用非洲行政区划矢量数据从GlobeLand30数据产品提取得到非洲2000和2010年两期耕地数据集,非洲行政区划矢量数据来自于国家测绘局1﹕100万全球基础地理地图数据库。耕地时空变化己经引起人们的重视,但是其变化的生态环境背景往往被忽视。为此,本研究进一步深入分析了不同气候和地形等生态环境背景下非洲耕地空间格局变化特征,揭示2000—2010年非洲耕地空间格局变化的地理分异,及其和生态环境背景的关系。气候（含温度和降水因子）数据集来自于美国国家海洋与大气管理局（NOAA）的格点数据集（PSD Gridded Climate Dataset）,分辨率为0.5弧度;非洲DEM数据来源于美国国家航空航天局（NASA）的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）数据,空间分辨率为90 m。利用非洲的地理经度对下载STRM数据进行剪切,得到覆盖非洲全区的数据;利用非洲1981—2010年的格网逐月温度和降水数据计算每个格网的年均温和年均降水,在ArcGIS平台中进行插值生成等值线并转换为面,进行年均温度和降水量的等级划分。同样,利用非洲的DEM数据,在ArcGIS平台中计算坡度和坡向,并进行坡度和坡向数据分级。
1.2 分析指标与方法
为系统分析2000—2010年非洲耕地利用时空动态变化特征,本研究综合考虑从空间位置、面积数量、集约化利用和转换类型等角度进行分析。耕地变化空间位置直观描述耕地增加或减少等变化、以及保持不变的地理空间分布。面积数量指标包括耕地面积及其变化率。集约化利用采用复种指数及其变化率。转移类型描述了耕地和其他地表覆盖类型之间的转换,包括耕地面积转入率和面积转出率两个指标。首先,基于2000年和2010年两期非洲耕地分布数据集,进行空间叠加运算,得到10年非洲耕地利用变化空间分布,研究10年非洲耕地增加、减少和不变区域的空间分布特征;其次,采用多级区划（大洲、区域和国家）进行统计汇总,分析10年非洲耕地变化的面积数量特征,非洲分区按照FAO的区划方法,划分为东非、中非、西非、南非和北非5个区域[2];再次,综合利用不同国家耕地面积和来自于FAOSTAT的播种面积数据,采用统计数据的方法[29],计算耕复种指数10年间变化特征;之后,计算耕地和其他地表覆盖类型的转移矩阵,分析非洲10年耕地增减变化方向情况;最后,将非洲10年耕地空间格局变化数据和非洲生态环境背景数据进行叠加分析,统计不同气候和地形分级下耕地变化特征和地理差异,分析非洲耕地利用变化与所处生态环境背景之间的关系。非洲生态环境背景数据参考已有研究和和实际情况进行分级[30],标准如表1所示。
Table 1
表1
表1非洲生态环境背景数据分级标准
Table 1Criteria for data grading of the ecological environment in Africa
| 分级编码 Hierarchical coding | 高程 Elevation (m) | 坡度 Gradient (°) | 年均降雨量 Average annual rainfall (mm) | 年均温度 Average annual air temperature (℃) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | <200 | 0-2 | 0-300 | <15 |
| 2 | 200-500 | 2-6 | 300-600 | 15-20 |
| 3 | 500-1000 | 6-15 | 600-900 | 20-25 |
| 4 | 1000-1500 | 15-25 | 900-1200 | 25-30 |
| 5 | 1500-2000 | >25 | 1200-1500 | >30 |
| 6 | 2000-3500 | 1500-2000 | ||
| 7 | >3500 | 2000-2500 | ||
| 8 | >2500 | |||
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2 结果
2.1 2000—2010 年非洲耕地空间变化特征
图1是从GlobeLand30中提取的非洲 2000—2010年耕地变化空间分布。可以看出,非洲耕地集中分布在非洲东部的苏丹、埃塞俄比亚、坦桑尼亚和肯尼亚等国家,西非的尼日利亚、尼日尔和马里等国家,北非的摩洛哥、阿尔及利亚和突尼斯等国家,以及南部的南非等国家。耕地面积在各经纬度带上以增加为主,只有在少部分经纬度带减少。从经向看,位于西半球的非洲西部区域的耕地面积总体呈现减少,而东半球区域的耕地面积增加较多,尤其4°E—19°E 的中部和 31°E—39°E 的东部区域耕地增加明显。从纬向看,耕地由南向北在纬度带上耕地面积波动上升,赤道以北地区的耕地面积变化量占整个非洲耕地面积变化量的 60.1%,尤其在 9°N—14°N 区间的耕地面积增加明显;赤道以南地区耕地面积集中在 1°S —22°S 区间。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12000—2010 年非洲耕地变化空间分布
-->Fig. 1Distribution of cultivated land change in Africa over 2000-2010
-->
2.2 2000—2010 年非洲耕地面积变化特征
2010年非洲耕地面积为22 317.32×104 hm2,较2000年耕地面积增加1 540.63×104 hm2,增幅为7.42%（表2）。非洲5个区域耕地面积10年间均有增加,但不同区域存在差异。东非和西非耕地总面积位于非洲前两位,2010年耕地面积分别为 5 862.61×104 hm2和 5 705.75×104 hm2,这两个区域耕地面积10年间分别增加约9.49%和7.55%,对非洲耕地面积变化的贡献率分别为33.0%和26.0%;南部和北部非洲的耕地面积总量分别处于非洲第3位和第4位,10 年间耕地面积变化率分别为4.86%和6.74%,占非洲耕地面积变化总量的 14.0%和19.0%;中非大部分区域地表覆盖类型为热带雨林地区,耕地面积总量在非洲 5个区域中最小,2010 年耕地面积为1 163.92×104 hm2,但过去 10 年间,中非耕地面积变化率在5个区域中最大,约10.42%,占非洲总耕地面积变化总量的7.0%,这表明该区域耕地开垦活动频繁。Table 2
表2
表2非洲不同区域和国家2010年耕地面积,2000—2010年耕地面积和复种指数变化率
Table 2Cultivated land area in 2010, changing rate of cultivated land area and multiple cropping index over 2000-2010 at country and regional levels in Africa
| 地理分区 Geographical zone | 国家 Country | 2010年耕地面积 Cultivated land area in 2010 (×104 hm2) | 10年耕地面积变化率 Cultivated land area change percentage (%) | 2010年复种指数 Multiple cropping index in 2010 | 10年复种指数变化率 Multiple cropping index change percentage (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 北非 North Africa | 阿尔及利亚 Algeria | 776.11 | 10.47 | 66.24 | > 40.00 |
| 埃及 Egypt | 434.06 | 8.64 | 147.24 | 2.46 | |
| 加那利群岛 Canarias | 9.99 | -17.96 | 0.00 | 0.00 | |
| 利比亚 Libya | 168.19 | 1.17 | 49.23 | 7.52 | |
| 摩洛哥 Morocco | 806.36 | -1.22 | 92.23 | 2.24 | |
| 苏丹 Sudan | 1993.65 | 11.73 | 58.96 | -5.52 | |
| 突尼斯 Tunisia | 455.83 | -3.01 | 74.00 | 1.65 | |
| 小计 Subtotal | 4644.19 | 6.74 | 75.20 | 5.46 | |
| 东非 East Africa | 埃塞俄比亚 Ethiopia | 2171.80 | 2.17 | 67.05 | 34.87 |
| 布隆迪 Burundi | 65.71 | -17.25 | 188.64 | 29.16 | |
| 厄立特里亚 Eritrea | 56.89 | 0.18 | 106.27 | 14.14 | |
| 肯尼亚 Kenya | 836.28 | 16.57 | 59.91 | 1.85 | |
| 卢旺达 Rwanda | 120.80 | -9.84 | 153.79 | 29.43 | |
| 毛里求斯 Mauritius | 5.62 | < -30.00 | 122.39 | 37.92 | |
| 索马里 Somalia | 153.68 | -6.35 | 55.28 | 25.20 | |
| 坦桑尼亚 Tanzania | 1827.92 | 21.96 | 71.35 | > 40.00 | |
| 乌干达 Uganda | 623.91 | 9.63 | 121.39 | 8.83 | |
| 小计 Subtotal | 5862.61 | 9.49 | 76.64 | 25.41 | |
| 南非 South Africa | 安哥拉 Angola | 428.85 | -6.89 | 103.67 | > 40.00 |
| 博茨瓦纳 Botswana | 84.52 | 19.08 | 20.66 | -36.75 | |
| 津巴布韦 Zimbabwe | 898.17 | 8.03 | 0.00 | 0.00 | |
| 莱索托 Lesotho | 61.20 | 9.62 | 38.10 | -11.16 | |
| 留尼汪 Reunion | 4.31 | > 30.00 | 109.77 | -26.59 | |
| 马达加斯加 Madagascar | 207.76 | 3.49 | 162.23 | 15.95 | |
| 马拉维 Malawi | 374.07 | -4.03 | 103.12 | 37.72 | |
| 莫桑比克 Mozambique | 581.14 | 25.29 | 115.99 | 37.89 | |
| 纳米比亚 Namibia | 79.39 | 5.60 | 48.62 | -2.95 | |
| 南非 South Africa | 1520.92 | -0.81 | 44.87 | -17.25 | |
| 圣赫勒拿 Saubt Helena | 0.02 | < -30.00 | 0.00 | 0.00 | |
| 斯威士兰 Swaziland | 51.73 | 1.17 | 33.14 | -1.21 | |
| 赞比亚 Zambia | 648.79 | 12.60 | 33.70 | > 40.00 | |
| 小计 Subtotal | 4940.86 | 4.86 | 57.56 | 21.72 | |
| 西非 West Africa | 贝宁 Benin | 294.73 | -1.59 | 94.18 | 23.63 |
| 布基纳法索 Burkina Faso | 421.14 | 17.40 | 29.43 | -8.96 | |
| 多哥 Togo | 172.86 | -0.15 | 99.44 | 20.81 | |
| 佛得角 Cape Verde | 0.14 | -3.95 | >300.00 | -1.00 | |
| 冈比亚 Gambia | 26.66 | -11.83 | 183.02 | > 40.00 | |
| 几内亚 Guinea | 63.99 | -12.54 | > 40.00 | ||
| 地理分区 Geographical zone | 国家 Country | 2010年耕地面积 Cultivated land area in 2010 (×104 hm2) | 10年耕地面积变化率 Cultivated land area change percentage (%) | 2010年复种指数 Multiple cropping index in 2010 | 10年复种指数变化率 Multiple cropping index change percentage (%) |
| 几内亚比绍 Guinea-Bissau | 19.65 | -6.28 | 249.86 | 15.80 | |
| 加纳 Ghana | 215.54 | -12.70 | >300.00 | > 40.00 | |
| 科特迪瓦 Cote d’Ivoire | 144.24 | -27.76 | >300.00 | > 40.00 | |
| 马德拉岛 Medeira | 1.22 | 14.71 | 0.00 | 0.00 | |
| 马里 Mali | 514.12 | -6.46 | 95.38 | > 40.00 | |
| 毛里塔尼亚 Mauritania | 8.49 | -23.84 | >300.00 | > 40.00 | |
| 尼日尔 Niger | 663.12 | 6.81 | 264.13 | > 40.00 | |
| 尼日利亚 Nigeria | 2817.98 | 19.09 | 147.03 | -17.37 | |
| 塞拉利昂 Sierra Leone | 9.45 | -9.75 | >300.00 | -11.82 | |
| 塞内加尔 Senegal | 331.78 | -2.54 | 90.78 | 20.59 | |
| 小计 Subtotal | 5705.75 | 7.55 | 163.75 | 9.21 | |
| 中非 Central Africa | 刚果（布） Congo | 22.35 | > 30.00 | 148.10 | -20.57 |
| 刚果(金) People’s Republic of Congo | 446.84 | -2.77 | 135.59 | 3.03 | |
| 喀麦隆 Cameroon | 146.34 | 6.64 | >300.00 | > 40.00 | |
| 圣多美和普林西比 Sao Tome and Principe | 0.09 | -2.77 | >300.00 | 4.97 | |
| 乍得 Chad | 478.61 | 22.90 | 75.97 | 0.94 | |
| 中非 Central African Republic | 69.53 | 27.29 | 127.44 | -16.79 | |
| 小计 Subtotal | 1163.92 | 10.42 | 148.01 | 11.81 | |
| 非洲 Africa | 总计 Total | 22317.32 | 7.42 | 98.11 | 13.54 |
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从不同国家看,2000—2010年,耕地面积数量增加排在前10位的非洲国家是尼日利亚、坦桑尼亚、苏丹、肯尼亚、莫桑比克、乍得、阿尔及利亚、赞比亚、津巴布韦和布基纳法索,尤其是尼日利亚、坦桑尼亚和苏丹等3个国家,耕地面积增加约451.77×104、329.17×104和209.37×104 hm2,分别占总增加面积的 24.6%、17.9%和11.4%;但从耕地面积增加率看,排在前10位的国家是刚果（布）、留尼汪、中非、莫桑比克、乍得、坦桑尼亚、尼日利亚、博茨瓦纳、布基纳法索和肯尼亚。2000—2010年,耕地面积数量减少排在前10位的国家是科特迪瓦、马里、安哥拉、加纳、马拉维、突尼斯、布隆迪、卢旺达、刚果（金）和南非,尤其是科特迪瓦、加纳和马里等3个国家,耕地分别减少面积了约55.42×104、35.48×104 和 31.73×104 hm2,分别占总减少耕地面积的18.7%、12.0%和10.7%;但从耕地减少率看,毛里求斯、圣赫勒拿、科特迪瓦、毛里塔尼亚、加那利群岛和布隆迪等国家的耕地面积减少幅度较大。
2.3 2000—2010年非洲耕地复种指数变化特征
复种指数是衡量耕地利用率和耕地资源集约化利用程度的基础性指标。2010年,非洲耕地复种指数为98.11%、西非（163.75%）和中非（148.01%）国家的耕地复种指数较高,南部非洲（57.56%）、北非（75.20%）和东非（76.64%）国家的复种指数较低。复种指数最高的国家多部分集中在水热条件较好的西非和中非。2000—2010年,非洲耕地复种指数变化率为13.54%,5个地理分区中复种指数均有提高,东非耕地复种指数提高幅度和变化率（25.41%）都最大,北非变化率最小5.46%。复种指数变化率最大的10个国家是安哥拉、冈比亚、阿尔及利亚、毛里塔尼亚、马里、科特迪瓦、喀麦隆、尼日尔、几内亚和赞比亚,这些国家多集中在西非和南部非洲。西非的几内亚、毛里塔尼亚、科特迪瓦和和中非的喀麦隆水热条件相对较好,经济相对较发达,复种指数和增长率在非洲所有国家中都较高（图2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图22000—2010年非洲复种指数变化
-->Fig. 2Multiple cropping index’s changes over 2000-2010 in Africa
-->
2.4 2000—2010年非洲耕地类型转移特征
10 年间,非洲新增耕地主要由草地、林地和灌丛转入,分别占总转入量的 66.4%、15.2%和 11.2%;减少的耕地主要由耕地转成为草地和灌木地,分别占转出总量的61.2%和11.8%。分析表明,2000—2010 年 10 年间,非洲耕地净增加主要是通过对森林、草地和灌丛等天然植被的大量开垦,尤其是位于热带雨林区与亚热带和热带荒漠区过渡地带的草原和灌木地植被的开垦。非洲不同区域的自然地理条件和社会经济条件不同,10 年间耕地转入和转出主要发生在与林地、草地、灌丛和裸地等类型之间,转入的耕地面积远大于耕地转出面积（表3）。东非新增耕地主要来源于林地和草地,转为耕地的林地和草地面积分别占转出总量的 24.10%和 68.17%;耕地减少主要转出为林地和草地,转出面积分别占转出总量的 22.15%和 68.61%。西非耕地面积增加主要由林地、草地和灌木地转入,转入面积分别占转入总量的 11.40%、68.36%和 15.44%;耕地转出主要类型为草地和灌木地,转出面积分别占转出总量的 63.80%和 21.31%。北非 2010 年新增耕地主要来自草地、灌丛和裸地的转入,分别占转入总量的 49.77%、16.46%和 29.40%;2010 年耕地减少主要流向草地和裸地,转出面积分别占转出总量的 58.96%和 21.20%。南非耕地面积的转入和转出主要发生在耕地与草地和灌丛之间,但转入面积大于转出面积,新增耕地主要来自草地和灌丛的转入,分别占转出总量的 72.90%和18.37%;2010年耕地减少主要流向草地和灌丛,转出面积分别占转出总量的 74.42%和14.87%。中非10年间增加的耕地面积来源于林地和草地,转为耕地的林地和草地面积分别占转出总量的 18.82%和 73.94%;减少耕地面积转出为林地和草地,转出面积分别占转出总量的 12.36%和 82.04%。
Table 3
表3
表32000—2010 年非洲不同区域耕地转入/转出占比
Table 3Conversion between cultivated land and other land cover types at regional level in Africa
| 区域 Region | 林地 Forest | 草地 Grassland | 灌木地 Shrub land | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 转入 Other land to cultivated land (%) | 转出 Cultivated land to other land (%) | 转入 Other land to cultivated land (%) | 转出 Cultivated land to other land (%) | 转入 Other land to cultivated land (%) | 转出 Cultivated land to other land (%) | |
| 东非 East Africa | 24.10 | 22.15 | 68.17 | 68.61 | 6.63 | 7.31 |
| 西非 West Africa | 11.40 | 9.34 | 68.36 | 63.80 | 15.44 | 21.31 |
| 北非 North Africa | 3.00 | 2.75 | 49.77 | 58.96 | 16.46 | 12.52 |
| 南非 South Africa | 7.47 | 7.07 | 72.90 | 74.42 | 18.37 | 14.87 |
| 中非 Central Africa | 18.82 | 12.36 | 73.94 | 82.04 | 5.10 | 2.79 |
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2.5 非洲耕地变化与生态环境因子的关系解析
2.5.1 耕地变化与温度、降水 耕地空间分布与温度有明显关系,非洲耕地主要分布在温度为15—30℃的区域,从图3可以看出,2000—2010年非洲耕地增减变化也主要位于该区域。在不同温度区间,新增耕地面积总体上大于减小面积。温度为20—30℃的区域耕地增加和减少面积显著,该区域耕地增加和减少面积约占全非洲耕地增加总面积和减少总面积的90%。在20—25℃的区域,耕地增加和减少面积分别为2 462×104 hm2和1 462×104 hm2,耕地面积净增加约1 000×104 hm2。温度为25—30℃的区域新增耕地和减少耕地面积要高于20—25℃的区域,分别为3 330×104 hm2和2 296×104 hm2,带来耕地面积净增加约1 034×104 hm2。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同温度区域的耕地增加和减少分布
-->Fig. 3Relationship between cultivated land change and temperature over 2000—2010 in Africa
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降水也是决定耕地空间分布的一个重要生态环境因子。从图4可以看出,2000—2010年非洲耕地面积变化主要发生在年降水量为300—1 200 mm的区域。新增耕地面积和减少耕地面积均集中在该区域且具有相同的先增加后减少变化趋势,新增耕地面积总体大于减少的耕地面积。在年降水量900— 1 200 mm的区域耕地变化最明显。从面积变化数量看,非洲耕地净增加2 250×104 hm2,300—600 mm、600—900 mm 和900—1 200 mm 3个降水区间增加的耕地面积分别为 1 151×104、1 566×104和2 162×104 hm2,分别占总增加面积的 17.74%、24.13%和 33.32%,合计为 75.19%;同样,这3个降水区间的耕地减少面积高于其他降水区间,减少面积分别为 798×104、917×104和 1 457×104 hm2,占总减少面积的 18.82%、21.64%和 34.37%,合计为 74.83%;在该降水区间耕地净增加1 708×104 hm2,占非洲总净增加面积的 75.90%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同降水区间的耕地增加和减少分布
-->Fig. 4Relationship between cultivated land change and precipitation over 2000-2010 in Africa
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2.5.2 耕地变化与高程、坡度 根据海拔可将地形划分为低平原（<200 m）、丘陵（200—500 m）、低山（500—1 000 m）、中山（1 000—3 500 m）、高山（>3 500 m）,其中 600 m 以上称为高原。非洲全区平均海拔为 750 m,500— 1 000 m 的低山面积占全洲面积 60%以上。图5 显示了不同高程等级下耕地变化数量。10 年间非洲耕地面积变化幅度随着海拔升高先增加再不断下降。和耕地集中分布一样,耕地面积增减变化主要发生在1 000 m以下的区域,尤其是200—500 m的丘陵和 500—1 000 m低山区间,耕地面积分别增加 1 621×104 hm2和2 078×104 hm2,远高于减少的耕地面积（1 051×104 hm2和1 208×104 hm2）,该区域净增加耕地面积 1 440×104 hm2,贡献了全非洲净增加耕地面积的63.8%。<200 m的低平原地区,耕地增加和减少面积相差不大,耕地增长缓慢。然而,在1 000—1 500 m的中山区域,耕地面积净增加了569×104 hm2,约占非洲净增加耕地面积的1/4,这表明了非洲耕地呈现向高海拔扩展的态势。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5不同高程区间的耕地增加和减少分布
-->Fig. 5Relationship between cultivated land change and terrain over 2000-2010 in Africa
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图6显示了不同坡度等级下的非洲耕地面积变化数量分布。可以看出,2000—2010 年期间,新增和减少耕地主要分布在坡度小于2°、地势平坦区域,增加和减少面积分别为 6 041×104 和 3 883×104 hm2,占总增加和总减少面积总量的 92.98%和 91.79%。坡度>15°的区域,新增耕地面积仅占总增加面积总量的0.21%,减少耕地面积占总减少面积总量的0.26%。以上表明,耕地的分布与变化受坡度限制明显,90%以上的耕地变化发生在坡度低的区域,这符合耕地利用对坡度的要求。
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-->Fig. 6Relationship between cultivated land change and slope over 2000-2010 in Africa
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3 讨论
本文基于2000年和2010年GlobeLand30耕地数据集,利用不同的分析指标和空间尺度分析了非洲耕地的时空变化特征。本文的研究结论和已有研究结果总体吻合,但由于不同研究的时间跨度、数据来源不同,使得研究结论也存在一定差异。如张丽娟等[31]基于空间分辨率较粗的0.05°土地覆盖分类数据的研究发现,1982—2011年非洲耕地面积增加了86.76×104 km2,而本研究基于30 m的数据结果表明,非洲在2000—2010年间耕地面积增加了1 540.63×104 hm2。未来需要进一步加强非洲耕地遥感数据产品的研制,获取长时间覆盖、高精度空间描述的数据集,以便更好分析非洲耕地的时空动态变化特征和过程。需要说明的是,一方面,GlobeLand30耕地定义遵循联合国FAO标准,不仅包括常规农作物,也包括牧草种植地,果树、茶园、咖啡园等灌木类经济作物。该定义不同于已有的国家土地利用分类系统[32]或者中低空间分辨率的全球地表覆盖数据产品,如 GlobeCover、UMD-GLC和BU-MODIS,因此,GlobeLand30和已有的数据产品之间不具有可比性。另一方面,GlobeLand30数据总体精度虽然较高,但其非洲区耕地精度低于其他大洲耕地数据精度[27],需要进一步提高该区域耕地遥感制图产品的精度,减少分类误差给非洲耕地格局分析带来的不确定性。GlobeLand30 的 2000 和 2010 年两期耕地数据产品所描述的格局变化仅仅反映两个独立年份的非洲耕地空间格局变化,并不能揭示连续的耕地格局变化趋势,因此,将来需要获取长时间序列的耕地数据产品,进一步深入分析变化趋势。本研究揭示了非洲耕地数量及空间变化特征,但在空间格局研究方面尚有不足,可以考虑引入破碎度、斑块密度等景观指标来进行分析。
2000—2010年非洲耕地利用格局变化和降雨、高程、温度、坡度等生态环境因子具有密切相关性,但本研究受数据限制,尚没有深入分析社会经济因素对非洲耕地利用变化的影响。事实上,非洲近年来成为了全球很多国家如美国、俄罗斯、中国、欧盟、日本、印度等重点投资的区域。很多新型农业技术的引入、农业投资开发利用项目的实施,在一定程度上会驱动非洲耕地利用格局发生明显变化。此外,非洲农田土地贫瘠、血吸虫、萃萃蝇等大面积疫区,以及非洲局部地区或国家政治体制不稳、频发的冲突等也会影响非洲耕地利用格局的变化。因此,未来研究需要重点加强社会经济因子对非洲耕地利用变化的影响作用。
4 结论
2000—2010 年非洲耕地总面积增加了1 540.63 ×104 hm2,增长率约 7.42%。在经纬度方向上由西向东、由南向北耕地面积呈增加态势;耕地面积变化率从高到低的区域依次为中非、东非、西非、北非和南非;10年间耕地面积增加最多的依次是尼日利亚、坦桑尼亚、苏丹、肯尼亚、莫桑比克、乍得、阿尔及利亚、赞比亚、津巴布韦和布基纳法索,而耕地面积数量减少排在前10位的非洲国家是科特迪瓦、马里、安哥拉、加纳、马拉维、突尼斯、布隆迪、卢旺达、刚果（金）和南非。2010年,非洲耕地复种指数为98.11%,10年间变化率为13.54%;5个区域中复种指数最大的是西非（163.75%）。新增耕地主要由林地、草地和灌木地等植被类型开发利用转入,减少耕地主要转成为草地和灌木地,新增的耕地面积远大于减少的面积。这表明,该区域森林、草地和灌丛等天然植被受到人类开垦和破坏,尤其是位于热带雨林区与亚热带和热带荒漠区过渡地带的草原和灌木地植被减少较多,势必会带来区域生态环境恶化,不利于农业耕地资源可持续利用。
2000—2010 年非洲耕地增减变化主要位于年均温度为 15—30℃的区域,尤其 20—30℃的区域耕地增加和减少的面积占全非洲耕地增加总面积和减少总面积的90%;10 年间,耕地随着降水增加呈现先增加后减少的变化趋势,600—900 mm的降水区间是耕地变化最集中的区域;耕地面积增减变化主要发生在 1 000 m 以下的区域,尤其是 200—500 m 的丘陵和 500—1 000 m 高原区间,耕地变化呈现向高海拔扩展的态势;10年,耕地面积变化主要发生在坡度小于 2°的平缓地带。
The authors have declared that no competing interests exist.
