0 引言
【研究意义】作为人类社会赖以生存和发展的资源基础,耕地资源具有食物供给、环境保护和生态服务等多功能[1,2],如全球耕地62%作物产量直接供人类进行食物消费,35%作为牲畜饲料间接为人类提供食物[3]。作为全球重要的粮食生产基地,美洲生产出全球35%以上的粮食[4],也是未来粮食增长潜力最大的大洲[5]。有研究表明,全球潜在耕地资源多数分布在南美和非洲,多为森林等植被覆盖或处于休耕状态[6]。过去几十年里,美洲耕地经历了面积数量、空间分布和集约利用的显著变化[7]。据FAO统计数据显示,美洲地区耕地持续增加,尤其是巴西、阿根廷等主要国家。基于TM卫星的研究发现2008—2010年巴西耕地出现弃耕现象[8]。拉丁美洲尤其是亚马逊地区是耕地与其他地表间变化剧烈的区域,其中森林砍伐与耕地扩展有紧密联系[9,10]。这些耕地利用时空变化不仅影响区域或全球供给或粮食安全[11],还对全球生物多样性[12]和碳排放[13,14]产生明显的影响。因此,加强美洲耕地资源利用格局及其时空变化研究具有重要科学和实践意义。【前人研究进展】在国际土地利用/土地覆盖（LUCC）变化计划和全球土地计划（GLP）两大科学计划的推动下,很多****围绕美洲耕地资源利用和管理开展了大量研究。如JORDAN等[15]选取2001—2013年MODIS数据,在多个统计单元下分析了拉丁美洲的耕地和草地的扩张;DAMIEN等[16]利用Landsat、CBERS、MODIS图像产品分析了2000—2007年巴西亚马逊地区马托格罗索州耕地和森林之间的转换特征;杜国明等[17]基于长时间序列ESA— GlobCover和TM数据分析了1980—2005年巴西地表覆盖变化。此外,部分研究从耕地总量变化出发,如赵文武[18]利用FAO和世界银行提供的统计数据,分析了1961—2007年美国、巴西和阿根廷等美洲国家的耕地总量和人均耕地变化及其影响因子。【本研究切入点】这些已有研究或采用统计数据在国家单元上分析美洲耕地面积数量变化,缺乏对耕地空间格局变化的研究;或利用粗分辨率遥感图像重点分析美洲某一特定国家或区域耕地时空动态变化,尚缺乏利用高精度遥感数据分析整个美洲区域耕地变化特征。GlobeLand30数据集是目前空间分辨率最高的全球地表覆盖数据集,由中国科学家历时4年研制完成,为大区域地表覆盖变化研究提供了新的高精度数据[19,20,21]。已有****利用GlobeLand30数据开展众多分析研究,如陈军等[21]利用该数据对全球城乡建设用地空间分布和变化进行了统计分析;曹鑫等[22]分析了全球耕地遥感制图方法;杨洋等[23]分析了环渤海湾地区的耕地资源损失特征。【拟解决的关键问题】基于此,本研究采用30 m空间分辨率的GlobeLand30数据集,利用多个指标系统分析2000—2010年美洲耕地利用格局时空变化特征,并对重点区域单独分析。1 材料与方法
1.1 数据源
本研究所采用的数据包括耕地数据、基础地理数据和统计数据。耕地数据集来源于两基准年（2000年和2010年）的GlobeLand30数据集。该数据集是目前全球空间分辨率最高的地表覆盖数据集,基于统计抽样检验方法得出GlobeLand30全球总体分类精度达80%以上,其中耕地分类精度达80.06% [20,24]。在GlobeLand30中,耕地的定义主要指用来种植农作物的土地,是通过播种耕作生产粮食和纤维的地表覆盖,包括开荒地、休闲土地、轮歇地和草田轮作地;以种植农作物为主的间有零星果树、桑树或其他树木的土地;耕作3年以上的滩地和滩涂[19,20],其耕地定义不同于已有国家或国际土地利用分类系统,具体差异可见文献[25],数据可供全球用户免费下载（http://www. globallandcover.com/GLC30Download/index.aspx）。基础地理数据来源于美洲1﹕100万基础地理数据库,主要包括美洲国家行政边界数据;统计数据来源于FAO统计数据,包括收获面积统计等（http://www.fao. org/faostat/en/#data）。1.2 分析指标与方法
本研究重点分析2000—2010年美洲耕地面积数量、集约化利用和类型转移特征。耕地面积数量变化采用面积变化量和变化率等指标描述;集约化利用程度采用复种指数进行描述;类型转移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。利用ERDAS软件平台对美洲GlobeLand30数据进行处理,得到两年30 m分辨率耕地分布数据,将两年的耕地分布数据进行空间叠加,在像元尺度上计算10年耕地增加、减少和不变的空间分布。为准确计算耕地面积,将GlobeLand30原始数据投影系统UTM—WGS84转为圆柱等面积投影（Cylindrical Equal Area）。基于Python 2.7平台,利用1﹕100万比例尺美洲国家行政区矢量数据,逐图幅批量自动统计耕地面积并按美洲国家统计单元进行图幅汇总,得到2000年和2010年两期的不同国家的耕地面积,在此基础上计算10年间国家的耕地面积变化量和变化率。综合利用耕地面积数据和收获面积数据,在国家尺度上计算美洲各国复种指数及其10年波动状况;将2000年和2010年GlobeLand30的地表覆盖数据进行空间叠加,分析10年土地利用变化,计算耕地和其他地物类型的转入转出比例和面积。此外,选择亚马逊作为重点区域,深入分析其耕地扩展的数量和空间特征。
2 结果
2.1 2010年美洲耕地分布总体格局
2010年美洲耕地总面积为52 875.05×104 hm2,主要集中于北美洲中部、东部、南美洲东部（图1）。北美洲西部耕地分布密度较低。2010年北美洲和南美洲耕地面积分别占美洲总耕地面积的55.25%和44.74%,呈现北多南少特征。从经向上看,美洲耕地主要分布于71°W—102°W、49°W—63°W,分别占总面积的28.6%和46.14%;从纬向来看,北半球58.34%的耕地分布在30°N—50°N之间的中纬度地区,南半球38.22%的耕地集中在15°S—40°S。从国家来看,美洲耕地主要分布于美国、巴西、阿根廷、加拿大,四国耕地面积占美洲耕地总面积的85.54%（表1）。耕地面积较小的国家主要分布在加勒比地区,这些国家由于国土面积狭小或者具有不适宜发展农业的自然环境,导致这些国家耕地面积很少,甚至部分面积较小的岛上无耕地分布。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12000—2010年美洲国家耕地变化空间分布（a,b,c分别代表变化显著区域）
-->Fig. 1Spatio-temporal dynamics in cultivated land in America countries during 2000-2010 (a, b, c represent different regions)
-->
Table 1
表1
表12010年美洲国家耕地面积、复种指数和10年间耕地面积及复种指数变化
Table 1American cultivated land area, multiple cropping index in 2010 and change of area and multiple cropping index during 2000-2010
| 区域 Region | 国家 Country | 2010年耕地面积 Cultivated land area in 2010 (×104 hm2) | 10年耕地面积变化量 Changing of cultivated land area during 2000-2010 (×104 hm2) | 10年耕地面积变化率 Changing rate of cultivated land area during 2000-2010 (%) | 2010年耕地 复种指数 Multiple cropping index in 2010 (%) | 10年耕地复种指数变化率 Changing rate of cultivated land multiple cropping index during 2000-2010 (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 北美洲 North America | 美国 USA | 20148.30 | 16.20 | 0.08 | 49.92 | -0.89 |
| 加拿大 Canada | 4889.17 | 50.50 | 1.03 | 56.83 | -9.62 | |
| 墨西哥 Mexico | 2454.94 | 45.26 | 1.88 | 65.91 | 0.16 | |
| 古巴 Cuba | 441.42 | 0.83 | 0.19 | 40.37 | -20.55 | |
| 危地马拉 Guatemala | 145.67 | 20.28 | 16.17 | 149.84 | 16.69 | |
| 哥斯达黎加 Costa Rica | 94.27 | -4.34 | -4.40 | 55.81 | 14.89 | |
| 多米尼加 Dominican | 61.69 | 0.96 | 1.59 | 147.07 | 5.08 | |
| 尼加拉瓜 Nicaragua | 53.82 | 0.66 | 1.25 | 182.50 | 2.36 | |
| 巴拿马 Panama | 53.12 | 0.14 | 0.27 | 60.25 | 12.36 | |
| 萨尔瓦多 El Salvador | 38.56 | 0.61 | 1.62 | 191.56 | -1.70 | |
| 洪都拉斯 Honduras | 37.81 | 1.20 | 3.28 | 286.23 | 8.97 | |
| 海地 Haiti | 16.84 | 0.13 | 0.08 | 155.03 | 1.34 | |
| 伯利兹 Belize | 11.32 | 0.26 | 2.31 | 80.54 | 8.74 | |
| 牙买加 Jamaica | 6.29 | -0.15 | -2.35 | 255.59 | -1.26 | |
| 波多黎各 Puerto Rico | 4.89 | 0.36 | 7.85 | 77.46 | <-30.00 | |
| 特立尼达和多巴哥Trinidad and Tobago | 2.73 | -0.82 | <-20.00 | 119.36 | <-30.00 | |
| 瓜德罗普 Guadeloupe | 2.50 | 0.071 | 2.92 | 85.13 | -11.38 | |
| 巴巴多斯 Barbados | 1.75 | 0.0028 | 0.16 | 49.33 | -27.74 | |
| 马提尼克 Martinique | 0.81 | 0.020 | 2.59 | 206.57 | -23.24 | |
| 巴哈马 Bahamas | 0.45 | 0.0043 | 0.98 | 183.60 | 19.44 | |
| 安提瓜和巴布达Antigua and Barbuda | 0.07 | 0.00018 | 0.24 | 230.40 | 12.60 | |
| 南美洲 South America | 巴西 Brazil | 12910.20 | 1121.20 | 9.51 | 50.72 | 17.78 |
| 阿根廷 Argentina | 6123.57 | 498.17 | 8.86 | 49.72 | 10.24 | |
| 哥伦比亚 Colombia | 904.96 | 61.49 | 7.29 | 43.12 | -3.34 | |
| 巴拉圭 Paraguay | 796.17 | 194.74 | >20.00 | 62.15 | >30.00 | |
| 委内瑞拉 Venezuela | 638.74 | 36.79 | 6.11 | 31.45 | 3.13 | |
| 智利 Chile | 503.93 | 0.40 | 0.08 | 23.41 | -5.15 | |
| 玻利维亚 Bolivia | 426.85 | 80.78 | >20.00 | 72.49 | 15.06 | |
| 秘鲁 Peru | 366.79 | 13.23 | 3.74 | 84.86 | 8.18 | |
| 厄瓜多尔 Ecuador | 327.16 | -101.15 | <-20.00 | 78.17 | >30.00 | |
| 圭亚那 Guyana | 35.40 | 0.13 | 0.36 | 63.72 | 2.84 | |
| 苏里南 Suriname | 17.05 | 0.38 | 2.28 | 37.73 | 17.14 |
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2.2 2000—2010年美洲耕地面积变化
图1描述了2000—2010年美洲耕地变化空间分布。总体看,10年间美洲耕地平稳增加,增加面积4 648.20×104 hm2,减少面积2 520.06×104 hm2,耕地面积净增加为2128.14×104 hm2,变化率为4.19%。变化显著区域主要位于南美亚马逊地区和北美东部地区。其中耕地扩展区域分布在巴西和美国中部,耕地减少区域则位于北美中东部。2000—2010年,绝大多数美洲国家耕地面积出现增长,但增长幅度不一（表1）。从耕地绝对变化量看,巴西是美洲耕地面积增长最多的国家,10年间增长1 121.20×104 hm2,占美洲耕地面积总增长量的58.82%;紧随其后的是阿根廷,耕地增长498.17×104 hm2;美国耕地面积仅增长16.20×104 hm2;厄瓜多尔10年间耕地减少量最大,达到101.15×104 hm2。从耕地相对变化量看,美国耕地增长幅度仅0.08%;巴拉圭和玻利维亚面积增长率最大,超过20.00%;厄瓜多尔及特立尼达和多巴哥是耕地减少幅度最大的国家,减少幅度均超过20.00%。
2.3 2000—2010年美洲耕地集约化利用格局变化
2000—2010年美洲整体复种指数从49.82%增长至52.24%,增长幅度较小。国家耕地复种指数普遍较小,26个国家复种指数均低于100%,加勒比地区耕地复种指数普遍较大,超过120%。2010— 2010年耕地复种指数增加幅度最大的国家是巴拉圭,降幅最快的是波多黎各。传统农业大国中,巴西从43.07%提高至50.72%,增长率为17.78%;阿根廷从45.10%增长至49.72%,增长率为10.24%;加拿大和美国复种指数则出现减少,降幅分别为9.62%和0.89%。综合耕地复种指数变化和耕地面积变化,10年间,耕地复种指数和耕地面积同时增加的国家包括巴西、阿根廷等传统农业国家,总耕地面积增加 2 019.98×104 hm2;耕地复种指数和耕地面积同时减小的国家包括牙买加等工业快速发展国家,总耕地面积减少0.84×104 hm2;耕地复种指数减小但耕地面积增加的国家包括美国、哥伦比亚、委内瑞拉等耕地种植密度较低的国家,总耕地面积增加152.09×104 hm2;复种指数增加而耕地减少的国家包括哥斯达黎加、厄瓜多尔等国家,总耕地减少105.49×104 hm2。说明美洲复种指数变化和耕地面积变化存在空间不一致性,两者变化并不协调。
2.4 2000—2010年美洲耕地变化类型
2000—2010年,美洲新增耕地主要来自于林地、草地和灌木丛,分别为661.46×104、786.83×104和656.88× 104 hm2,主要位于巴西南部、阿根廷东部和美国西部;减少耕地主要转变为人造地表,约61.02×104 hm2,主要位于美国东部。图2描述了美洲不同国家耕地与其他地表覆盖类型的转换关系。不同国家耕地变化与国家农业特点有关。阿根廷是美洲传统牧区,新增耕地主要来源于牧草地和部分湿地,面积达到192.28×104 hm2;巴西地处南美亚马逊丛林区,新增耕地主要来源于林地、草地和灌木丛三类,转化面积分别为230.41× 104、395.68× 104、507.42×104 hm2。在城市化和工业化背景下,特立里达与多巴哥、圣卢西亚等国耕地转人造地表的情况较为明显,美国超过30.00×104 hm2的耕地被人造地表侵占,主要位于东部城市群;巴西耕地流出表现为耕地转变为水体和湿地,面积分别为3.16×104 hm2和5.02×104 hm2,厄瓜多尔耕地主要转变为林地。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图22000—2010年美洲国家耕地和其他地类转换比例
图a表示10年耕地转出为其他地类的面积比例;图b表示10年其他地类转入为耕地的面积比例
-->Fig. 2The ratio of conversion area between cultivated land and other type land cover in different countries during 2000-2010
a. Shows cultivated land converts to other types area ratio; b. Shows other types convert to cultivated land area ratio
-->
2.5 2000—2010年亚马逊地区耕地扩展
亚马逊地区作为全球重要的丛林生态区,其覆盖巴西、哥伦比亚、秘鲁、委内瑞拉、厄瓜多尔、玻利维亚、圭亚那及苏里南等8个国家。该区域是美洲大豆等作物主产区,近年来耕地扩张会加快林地、草地和灌木资源的流失,因此了解该地区的耕地扩展模式具有重要的现实意义。2000—2010年亚马逊地区耕地面积增长1 212.85×104 hm2,增长率为8.41%,新增耕地主要来源于森林、草地、灌木,分别为324.03×104 hm2、450.89×104 hm2、588.43×104 hm2。新增耕地集中在巴西南部、委内瑞拉中北部、哥伦比亚中部、玻利维亚中部,尤其是巴西北部地区（图3）。进一步说明林区耕地开垦加剧,造成亚马逊丛林周围的林地、灌木等受到破坏。巴西作为亚马逊地区主要耕地和森林分布国,10年间耕地增长面积占整个地区耕地增长面积的92.44%,主要因为丛林周边的林地、草地等被开垦为大豆种植区,如马托格罗索州[26]。全国因新增耕地而导致林地损失达到230.41×104 hm2,丛林边缘出现草地、林地、耕地混杂,林地破碎化现象发生。紧随其后的是玻利维亚,耕地增长面积为80.78×104 hm2,导致中部地区林地林地减少73.86×104 hm2。此外,哥伦比亚、委内瑞拉、秘鲁等国家耕地面积也出现增加。其中,哥伦比亚新增耕地主要来源于森林,约41.02×104 hm2;委内瑞拉新增耕地来源于森林、草地的面积分别为18.02×104 hm2和15.33×104 hm2;秘鲁森林转为耕地的面积为6.02×104 hm2;而厄瓜多尔耕地减少101.15×104 hm2,其中50%转变为森林。从变化幅度来看,玻利维亚耕地增长率最大,紧接着为巴西,增长率为9.51%,哥伦比亚为7.29%,而厄瓜多尔耕地面积减少23.62%。从复种指数来看,亚马逊地区除委内瑞拉和哥伦比亚之外,其余国家复种指数都出现增加,厄瓜多尔增长幅度最高,达到34.55%。结合复种指数、耕地面积和变化类型,亚马逊地区耕地以毁林造田为主的外延式增长[27],未来若要维持粮食产量,在耕地增长放缓甚至不再继续增长,需要普及高复种的作物品种,改善水热状况,提高收获面积。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图32000—2010年亚马逊区域国家耕地与林、草地转移
-->Fig. 3The distribution of conversion of cultivated land and forest and grassland in Amazon during 2000-2010
-->
3 讨论
3.1 耕地变化驱动因素
已有研究发现在研究时间内,巴西耕地的扩张主要发生在位于中西部的帕雷西斯高原和南部地区巴西高原,这与本研究结果一致（图3）[16,28];此外加勒比地区10年间农用地减少8%左右[29],本研究发现该地区耕地以较低幅度减少,两者之间总体趋势保持一致。驱动耕地利用和分布格局时空变化的因素包括自然环境和社会经济因素。在大区域尺度,容易受到自然地理背景的控制,如气候、地形等。对于国家区域的变化,国家政策和实施起到关键的作用[30]。温暖和湿润气候适合种植业发展（例如巴西南部）,因此耕地集中且发展迅速。加勒比地区虽然耕地面积较小,但水热条件较好,耕地复种指数较高。
从国家政策和发展目标角度来看,美国耕地增加幅度较小,一方面是城市发展对耕地的侵占,另一方面由于国内经济萧条影响农业发展,主要体现在农业生产结构被迫调整,农户耕作积极性降低[31]。另外,美国由于政策和农业经济等原因,多种植单季作物（如小麦等）,另外国内土地政策实行保护性耕作政策（包括免耕、休耕、轮作等）[32],每年仅使用部分可利用耕地进行耕作,其余的进行自然恢复,导致实际利用耕地面积低于总耕地面积,复种指数较低。南美洲多数国家为增大粮食产量,扩大出口,进行耕地开垦,提高耕地集约化利用程度[33]。例如随着全球大豆需求迅速增加,巴西、阿根廷等大豆主产国通过对森林等的开垦增加耕地面积,大量种植大豆[34]。其中巴西耕地面积和复种指数增长幅度较大,超过美洲平均水平,一方面是因为巴西耕地开垦力度较大;另一方面因为农业技术的提高和高复种转基因作物的普及[15]。另外农户为了寻找更加廉价的土地资源,深入亚马逊丛林开垦,耕地面积进一步提高[35]。在阿根廷,随着牧区向内陆地域移动,阿根廷传统的牧区草场逐渐开始种植大豆[36,37]。而厄瓜多尔耕地面积减少则与退耕还林有关[38]。但厄瓜多尔大力发展沼气等循环农业建设,促进耕地复种指数增加[39],这样提高了耕地的集约化利用程度。巴西作为南美洲重要农业劳动力输出国,本国农户在本地耕地开垦受到限制后,迁往巴拉圭和玻利维亚东部地区,带动这些国家耕地面积增长[40,41]。道路等基础设施修建为农户开垦提供便利,这也是造成耕地发生变化的原因[42]。
3.2 数据精度误差及不足
本研究基于两期GlobeLand30数据,该数据集空间分辨率为30 m,数据总体精度要高于同类全球地表覆盖数据产品[20]。但该数据集也存在一些不足,如30 m空间分辨率在一些区域会出现混合像元现象,如美洲山区和亚马逊地区耕地和林、草地交错区等容易错分和漏分;同时该数据集时间跨度仅为10年,那需要进一步扩展时间尺度,更好把握其长期变化特征。此外,复种指数计算过程中使用作物收获面积数据代替播种面积数据也会对分析结果带来一定影响。后续研究需要加强美洲耕地动态变化的驱动力机制分析,尤其是描述不同尺度上耕地变化机理,加深对美洲区域农业土地系统的变化的科学认知。GlobeLand30数据集具有较高的分类精度,利用这套数据对美洲耕地时空特征分析是可行,但由于该数据集对耕地的定义与其他分类系统的耕地定义不同,使得不同数据集之间不具有可比性。本研究结果不涉及耕地转换系数,因此30 m遥感统计结果不能直接与统计数据中结果进行对比。此外,美洲不同区域、不同国家的农业土地利用存在较大差异性,利用影像光谱和时相信息进行耕地提取存在区域差异性,一定程度上影响本研究的分析结果。
4 结论
2010年美洲耕地面积为52 875.05×104 hm2,10年间耕地面积稳定增长,国家之间耕地面积和增长幅度有较大差异,美国、巴西、阿根廷是美洲耕地面积较大的国家,巴西和阿根廷的耕地面积增长幅度较大。从复种指数来看,美国复种指数稳中有减,巴西增长幅度明显。巴拉圭,厄瓜多尔等国复种指数增长幅度较均超过30%;波多黎各、特立尼达和多巴哥等国则有明显减少。从耕地转换类型来看,国家间耕地转入和转出状况不同,新增耕地主要来源于林地、草地和灌木,而损失的耕地主要转变成人造地表。亚马逊地区作为美洲最重要的耕地和林地分布区,10年间耕地增长达到1 212.85×104 hm2。丛林边缘地区被砍伐的林地转化为耕地已经成为趋势。The authors have declared that no competing interests exist.
