0 引言
【研究意义】作为人类社会赖以生存和发展的重要资源,耕地是提供粮食的基本保障[1]。耕地变化会直接影响粮食产量波动,进而影响粮食安全[2]。因此,耕地利用时空格局变化及其机制一直是国际土地系统科学的研究焦点之一[3,4]。拥有世界最高的人口密度的亚洲,其耕地面积占全球耕地总面积的1/3[5],耕地集约化程度高[6]。近几十年来,随着人口的日益增长和快速的经济发展,亚洲粮食产量需求刚性增加,驱动着亚洲耕地资源数量、分布及其集约化利用发生变化[6]。同时,亚洲耕地破碎化程度总体较高[7],耕地的分散与破碎状态会阻碍农业大规模生产,减缓农业现代化进程,耕地破碎化成为亚洲各发展中国家农业发展的一大问题[8]。这种耕地资源数量分布、利用集约度及破碎度的变化会影响粮食产量,进一步关系到亚洲各国乃至全球的粮食安全[9,10,11,12,13]。因此,亚洲耕地利用格局变化受到国内外的高度关注。【前人研究进展】已有的亚洲耕地研究多集中于部分国家或区域,如中国[14,15,16,17],印度[18]、孟加拉国[19]、哈萨克斯坦[20]、乌兹别克斯坦[21]、尼泊尔[22]、东南亚各国[12]的耕地或后备耕地资源的数量、分布和空间变化研究。Dubovyk等[21]利用时序MODIS NDVI数据和logistic回归模型对乌兹别克斯坦灌溉低地2000— 2010年的耕地退化时空格局变化做出归因。ISLAM等[19]利用Landsat TM数据对孟加拉国沿海区域1990— 2010年的土地利用及土地覆盖变化进行分析,发现沿海地区农田与虾养殖区域的转换变动比较剧烈。同时,有关耕地利用格局如集约度和破碎度的研究,多是利用统计资料对耕地集约度和破碎度进行计量分析[8,23-25];利用遥感数据的研究也多以中国或者更小区域为研究对象,计算复种指数、平均地块大小、地块密度等指标,反映集约化与破碎化[26,27,28,29,30]。利用遥感等空间观测技术的亚洲耕地集约度及破碎度的研究较少[6,7],如GRAY等利用MODIS数据在像元尺度和国家尺度计算亚洲的复种指数,并对耕地平均种植强度进行制图。FRITZ等利用Geo-Wiki众包竞赛获取足够的地块样本点,通过插值方法得到1 km的全球耕地地块大小分布图。遥感技术因其高时效、大范围和低成本等特点,被广泛应用于对地观测活动中[31,32]。目前,中国最新研制的2000年和2010年两期全球30 m地表覆盖遥感数据产品（GlobeLand30）已免费对外发布[33],为大区域尺度耕地时空格局变化研究提供了高精度数据源[6,34-36]。已有****对GlobeLand30的耕地遥感制图精度进行评估分析[37,38],各大洲耕地总体制图精度达到83%以上[39]。此外,2000和2010年耕地数据产品在东北亚及中亚总体精度分别为93.63%和94.75%,在东南亚及西亚分别为95.31%和96.88% [37];在中国区域与全球其他地表覆盖数据集进行对比[40,41],GlobeLand30有着相对最高的精度。此外,也有****利用GlobeLand30对西伯利亚地区地表覆盖变化特征[42]、全球水体空间格局及波动特征[43]、全球城乡建设用地分布与变化[44]进行分析。【本研究切入点】尽管在国家及区域尺度耕地利用格局变化研究众多,但在亚洲区域大尺度上的耕地时空格局变化研究较少;已有研究以数量和空间特征为主,对耕地的集约化利用和景观格局变化的研究较为薄弱。因此,迫切需要系统、综合地开展亚洲耕地利用格局变化特征研究,科学掌握其变化特征和规律。【拟解决的关键问题】基于此,本研究利用GlobeLand30,从耕地变化的数量、集约化利用和景观格局等方面,综合分析2000—2010年亚洲耕地利用格局的时空变化,为亚洲农业土地系统研究提供依据。1 材料与方法
1.1 数据源与预处理
GlobeLand30（http://www.globeland30.com）是目前全球首套30 m空间分辨率的地表覆盖数据产品,利用美国陆地资源卫星（Landsat） TM5、ETM+多光谱影像和国产环境减灾星（HJ-1）多光谱影像,采用像元分类、对象分类与知识规则等综合集成方法（POK, Pixel-Object-Knowledge）研制[33,38]。该数据产品采用UTM投影和WGS-84坐标系,覆盖全球80°S—80°N的陆地范围,包括耕地、草地、森林、灌木地、湿地、水体、人造地表、苔原、裸地、冰川和永久积雪10种一级土地覆盖类别[33,45]。GlobeLand30的耕地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;耕种3年以上的滩地和滩涂[37,38]。GlobeLand30耕地定义不同于已有国内外土地利用分类系统,与这些已有土地分类系统划分的类型以及耕地定义有较大差异[46]。本研究选取亚洲区域的2000和2010年两个基准年的GlobeLand30数据,两期共484幅覆盖亚洲范围的全要素数据。由于研究的数据量较大,采用Python语言调用ArcGIS进行批量预处理。首先利用接图表对原始数据进行批量裁剪,保证图幅之间没有重叠。其次,进行批量属性提取,得到两期亚洲范围的所有耕地数据。再次,为了准确计算各个地类的面积,将全要素数据和耕地数据的原始UTM投影批量转换为圆柱等面积投影（Cylindrical Equal Area）,WGS-84坐标系统保持不变。
1.2 分析指标与方法
为全面分析2000—2010年亚洲耕地利用时空动态变化特征,本研究采用面积数量和利用格局两个指标群。面积数量指标包括耕地面积及其变化幅度;利用格局指标包括表征集约化的复种指数及其变化幅度,表征景观格局的耕地破碎度及其变化幅度。表1列出两种耕地分析指标群下各个分析指标的含义、计算公式及对应的研究尺度。耕地面积数量指标计算利用ArcGIS10.2中的面积制表（TabulateArea）工具,计算不同国家的耕地面积,汇总得到亚洲不同区域和全洲域的耕地总面积,并进一步计算耕地面积变化量和变化幅度。本研究将亚洲按照地理区划分为东亚、南亚、东南亚、中亚和西亚五大区域,并不包含俄罗斯。耕地复种指数的计算基于国家尺度,采用统计数据的方法[47],使用的播种面积来自FAOSTAT的收获面积。为与GlobeLand30耕地定义相吻合,收获面积的统计不仅包括了农作物收获面积,也包括了水果、蔬菜、茶园等的收获面积[48]。耕地破碎度计算利用Fragstats4.2软件,首先计算出统计单元内（县级和国家）的地块个数（NP）和平均地块大小（MPS）,再利用破碎度的定义[49]间接计算不同统计单元内的耕地破碎度。上述分析指标计算通过Python语言编程调用ArcGIS10.2和Fragstats4.2实现。
Table 1
表1
表1耕地分析指标与尺度
Table 1Indicators and scales of cultivated land analysis
| 分析指标群 Analysis indicator group | 分析指标 Indicator | 指标定义 Deification of Indicator | 计算公式 Calculation formula | 研究尺度 Research scale |
|---|---|---|---|---|
| 耕地面积数量指标 Cultivated land quantity indicator | 面积 Area | 一个时间段中一个特定区域内进行耕种的土地总面积Areat Areat is the total area of cultivated land in a particular area over a period of time | Areat为t时间耕地总面积 Areat is total area of cultivated land in t | 国家、地理分区 Country, Geographical zone |
| 面积变化量 Area change | 一个时间段中一个特定区域内耕地变化的总面积pc pc is the total area of cultivated land change in a particular area over a period of time | pc=Areat2- Areat1 | 国家、地理分区 Country, Geographical zone | |
| 面积变化幅度 Area change percentage | 一个时间段中一个特定区域内耕地动态变化的剧烈程度pa pa is the intensity of the dynamic change of cultivated land in a particular area in a period of time | pa= | 国家、地理分区 Country, Geographical zone | |
| 耕地利用格局指标 Cultivated land use pattern indicator | 复种指数 Multi-cropping index | 统计单元内全年耕地的收获面积Harvest与全年耕地面积Area的比值MCI MCI is the ratio of the annual sown area Harvest and the annual cultivated land area Area in statistical units | MCI= | 国家、地理分区 Country, Geographical zone |
| 复种指数变化幅度 Multi-cropping index change percentage | t1-t2时间段内复种指数变化幅度PMCI PMCI is the change percentage of multiple cropping index from t1to t2 | PMCI= | 国家、地理分区 Country, Geographical zone | |
| 破碎度 Fragmentation index | 统计单元内耕地地块的数量NP与耕地面积Area的比值FI FI is the ratio between the number of cultivated land plots NP and the cultivated land area Area in the statistical unit | FI= | 国家、地理分区、重点国家县级 Country, Geographical zone, County for key country | |
| 破碎度变化幅度 Fragmentation index change percentage | t1-t2时间段内破碎度变化幅度PFI PFI is the change percentage of cultivated land fragmentation index from t1 to t2 | PFI= | 国家、地理分区、重点国家县级 Country, Geographical zone, County for key country |
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2 结果
2.1 亚洲耕地面积变化特征
表2可见,2010年亚洲耕地面积为69 827.94× 104 hm2,10年间耕地面积增长62.62×104 hm2,增幅为0.09%。总体来说,亚洲耕地面积变化较为平稳,10年间略有增加。图1显示了30 m像元尺度亚洲耕地分布及变化。亚洲耕地主要分布于东亚东部,东南亚及南亚,西亚和中亚的北部地区。图1-b、1-c、1-d、1-e、1-f分别为东亚、东南亚、中亚、西亚和南亚范围内耕地变化显著地区的空间分布。中国长江三角洲附近的耕地减少较为明显;越南与柬埔寨、老挝接壤处耕地增加较为剧烈;哈萨克斯坦南部地区耕地增长较为集中;伊朗西南部耕地变化较为显著;印度东北部耕地增加较为显著。Table 2
表2
表2亚洲不同区域和国家2010年耕地面积,2000—2010年耕地面积、复种指数和破碎度变化幅度
Table 2Cultivated land area in 2010, changing rate of cultivated land area, multiple cropping index and fragmentation index over 2000-2010 at country and regional levels in Asia
| 地理分区 Geographical zone | 国家 Country | 2010年耕地面积 Cultivated land area in 2010 (×104 hm2) | 耕地面积变化幅度 Cultivated land area change percentage (%) | 复种指数变化幅度 Multiple cropping index change percentage (%) | 破碎度变化幅度 Fragmentation index change percentage (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 东亚 East Asia | 中国China | 20239.53 | -0.95 | 6.01 | 2.17 |
| 韩国South Korea | 327.23 | 0.11 | < -20.00 | -0.56 | |
| 日本Japan | 735.61 | 1.65 | 4.25 | 2.92 | |
| 朝鲜North Korea | 346.78 | -1.13 | 7.22 | < -30.00 | |
| 蒙古Mongolia | 132.91 | -2.00 | > 20.00 | -2.82 | |
| 小计Subtotal | 21782.06 | -0.86 | 5.69 | 1.77 | |
| 东南亚 Southeast Asia | 文莱Brunei | 0.45 | 15.83 | < -20.00 | 22.88 |
| 东帝汶East Timor | 3.73 | 1.78 | > 20.00 | -1.78 | |
| 老挝Laos | 218.35 | 12.24 | > 20.00 | -16.52 | |
| 新加坡Singapore | 1.16 | 5.07 | > 20.00 | < -30.00 | |
| 柬埔寨Cambodia | 607.70 | 4.78 | > 20.00 | -2.88 | |
| 缅甸Myanmar | 1650.60 | 0.64 | > 20.00 | -8.26 | |
| 泰国Thailand | 2598.81 | -0.82 | 15.37 | 1.09 | |
| 印度尼西亚Indonesia | 2568.97 | 1.77 | > 20.00 | > 30.00 | |
| 马来西亚Malaysia | 237.83 | 0.49 | 9.30 | -6.67 | |
| 越南Vietnam | 1273.92 | 1.68 | 7.55 | -7.46 | |
| 菲律宾Philippines | 649.98 | 0.05 | 9.39 | -8.32 | |
| 圣诞岛Christmas Island | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | |
| 小计Subtotal | 9811.50 | 1.11 | 20.40 | 10.47 | |
| 中亚 Central Asia | 哈萨克斯坦Kazakhstan | 4333.72 | 0.40 | > 20.00 | -17.35 |
| 土库曼斯坦Turkmenistan | 357.50 | 4.87 | -2.76 | -8.55 | |
| 塔吉克斯坦Tajikistan | 116.09 | 1.86 | 0.62 | 15.53 | |
| 乌兹别克斯坦Uzbekistan | 717.97 | -0.89 | 1.45 | 14.44 | |
| 吉尔吉斯斯坦Kyrgyzstan | 184.56 | 0.92 | -3.21 | -2.20 | |
| 小计Subtotal | 5709.83 | 0.55 | 14.72 | -14.28 | |
| 南亚 South Asia | 马尔代夫Maldives | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 英属印度洋领地 British Indian Ocean Territory | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | |
| 斯里兰卡Sri Lanka | 179.38 | 3.28 | 7.03 | -12.32 | |
| 巴基斯坦Pakistan | 2751.66 | 1.01 | 2.13 | 3.66 | |
| 印度India | 19639.85 | 0.29 | 8.82 | < -30.00 | |
| 孟加拉国Bangladesh | 866.79 | -2.53 | 8.16 | 10.11 | |
| 尼泊尔Nepal | 403.27 | -0.25 | 7.44 | -0.57 | |
| 不丹Bhutan | 12.07 | 20.25 | < -20.00 | > 30.00 | |
| 小计Subtotal | 23853.02 | 0.29 | 7.98 | -16.67 | |
| 地理分区 Geographical zone | 国家 Country | 2010年耕地面积 Cultivated land area in 2010 (×104 hm2) | 耕地面积变化幅度 Cultivated land area change percentage (%) | 复种指数变化幅度 Multiple cropping index change percentage (%) | 破碎度变化幅度 Fragmentation index change percentage (%) |
| 西亚 West Asia | 亚美尼亚Armenia | 70.55 | 0.02 | 4.11 | -0.34 |
| 叙利亚Syrian | 651.35 | -0.04 | 6.40 | -0.97 | |
| 黎巴嫩Lebanese | 27.19 | -7.31 | -5.49 | 3.82 | |
| 阿富汗Afghanistan | 605.83 | 3.57 | > 20.00 | 2.13 | |
| 伊拉克Iraq | 951.64 | -0.01 | -1.76 | 0.95 | |
| 科威特Kuwait | 4.30 | 2.39 | > 20.00 | 19.41 | |
| 约旦Jordan | 41.51 | -11.18 | > 20.00 | -21.81 | |
| 巴林Bahrain | 0.29 | -0.96 | > 20.00 | 13.58 | |
| 卡塔尔Qatar | 1.33 | 0.35 | < -20.00 | 0.00 | |
| 格鲁吉亚Georgia | 187.28 | -0.58 | < -20.00 | 1.62 | |
| 以色列Israel | 51.40 | -18.92 | > 20.00 | -21.72 | |
| 塞浦路斯Cyprus | 47.02 | -0.49 | < -20.00 | -1.47 | |
| 伊朗Iran | 2335.36 | 1.40 | 18.88 | -0.28 | |
| 也门Yemen | 137.32 | -3.16 | > 20.00 | < -30.00 | |
| 沙特阿拉伯Saudi Arabia | 292.37 | 2.97 | < -20.00 | -1.40 | |
| 阿联酋United Arab Emirates | 18.68 | 6.44 | -11.03 | > 30.00 | |
| 土耳其Turkey | 2919.14 | -0.15 | -9.60 | > 30.00 | |
| 阿曼Oman | 16.51 | 10.50 | -19.38 | 3.42 | |
| 阿塞拜疆Azerbaijan | 312.44 | 3.20 | 19.35 | -1.89 | |
| 小计Subtotal | 8671.53 | 0.51 | 2.14 | 4.17 | |
| 亚洲Asia | 总计Total | 69827.94 | 0.09 | 9.00 | 1.12 |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1亚洲国家耕地分布及五大地理分区耕地变化
-->Fig. 1Distribution of cultivated land and its changes in five geographical zones of Asian countries over 2000-2010
-->
从五大地理分区看（表2）,2010年亚洲耕地面积最大的区域是南亚,达到23 853.02×104 hm2,排名第2的为东亚21 782.06×104 hm2,而面积最小的区域为中亚5 709.83×104 hm2。10年间,5个区域中仅东亚耕地呈减少趋势,降幅为-0.86%;其余4个区域的耕地增加,其中东南亚的增幅最高,达到1.11%;中亚和西亚的增幅相当,分别为0.55%和0.51%;南亚增幅最低,为0.29%。东亚五国中有3个国家（中国、朝鲜、蒙古）耕地减少,导致东亚耕地面积整体降低。东南亚仅泰国耕地略有减少（-0.82%）,其余国家全部增加,因此东南亚耕地增幅最明显。南亚和中亚耕地减少的国家极少,分别是孟加拉国（南亚）、尼泊尔（南亚）和乌兹别克斯坦（中亚）。西亚虽然不是5个区域中耕地变化幅度最剧烈的地区,但却是耕地增减最活跃的地区,其中10个国家耕地减少,9个国家耕地增加,国家之间的耕地变化差异明显。
从国家尺度来看,2010年亚洲耕地面积最大的5个国家依次是中国、印度、哈萨克斯坦、土耳其、巴基斯坦;耕地面积最小的5个国家依次是马尔代夫、巴林、文莱、新加坡、卡塔尔。10年间,17个国家耕地减少,32个国家耕地增加。其中面积增幅最高的5个国家依次是不丹（20.25%）、文莱（15.83%）、老挝（12.24%）、阿曼（10.50%）、阿联酋（6.44%）;降幅最大的5个国家依次是以色列（-18.92%）、约旦（-11.18%）、黎巴嫩（-7.31%）、也门（-3.16%）、孟加拉国（-2.53%）。总体来说,各国面积变化幅度大部分集中在-5.00%—5.00%,耕地面积大的国家变化都较平稳,而耕地面积小的国家变化较剧烈。
2.2 亚洲耕地利用格局变化特征
2.2.1 耕地复种指数变化 复种指数是衡量耕地利用率和耕地资源利用集约化程度的基础性指标,复种指数变化反映一个区域内耕地利用程度变化的强弱。2000年亚洲耕地复种指数为86.34%,2010年为94.11%,10年来增长量为7.77%,增长率为9.00%。从地理分区来看,2010年东南亚地区复种指数最高,达到120.52%;其次南亚达到103.48%,东亚地区为97.52%,均高于亚洲平均水平;西亚、中亚均不到60.00%。表3给出了亚洲各国2010年复种指数高低的分布情况。复种指数高于200.00%的国家,如马来西亚、菲律宾、文莱等都分布在东南亚南部;100.00%—200.00%之间的国家,如印度尼西亚、越南、缅甸、印度、中国等多位于东南亚、南亚、东亚及西亚南部;小于100.00%的国家包括了东亚、西亚及中亚的大部分国家,南亚的个别国家,还有几个无耕地的印度洋小岛国。总体来看,亚洲复种指数分布呈现“南高北低”的特征。
Table 3
表3
表32010年亚洲各国复种指数分布范围
Table 3The distribution range of multiple cropping index of Asia’s countries in 2010
| 复种指数范围 The range of multiple cropping index (%) | 国家 Country | 所属区域 Region |
|---|---|---|
| <100.00 | 不丹、塔吉克斯坦、黎巴嫩、朝鲜、叙利亚、巴基斯坦、土耳其、亚美尼亚、泰国、乌兹别克斯坦、以色列、吉尔吉斯斯坦、伊朗、柬埔寨、日本、阿富汗、阿塞拜疆、卡塔尔、土库曼斯坦、老挝、韩国、约旦、哈萨克斯坦、阿曼、科威特、伊拉克、沙特阿拉伯、蒙古、格鲁吉亚、塞浦路斯、新加坡、马尔代夫、圣诞岛、英属印度洋领地 Bhutan, Tajikistan, Lebanon, North Korea, Syria, Pakistan, Turkey, Armenia, Thailand, Uzbekistan, Israel, Kyrgyzstan, Iran, Cambodia, Japan, Afghanistan, Azerbaijan, Qatar, Turkmenistan, Laos, South Korea, Jordan, Kazakhstan, Oman, Kuwait, Iraq, Saudi Arabia, Mongolia, Georgia, Cyprus, Singapore, Maldives, Christmas Island, British Indian Ocean Territory | 东亚、南亚、中亚、西亚、东南亚个别国家、印度洋小岛国 East Asia, South Asia, Central Asia, West Asia, some countries in Southeast Asia , Islands countries of the Indian Ocean |
| 100.00-200.00 | 中国、孟加拉国、印度尼西亚、巴林、斯里兰卡、阿联酋、尼泊尔、缅甸、越南、也门、印度 China, Bangladesh, Indonesia, Bahrain, Sri Lanka, United Arab Emirates, Myanmar, Vietnam, Yemen, India | 东南亚、南亚、东亚、西亚南部 Southeast Asia, South Asia, East Asia, South of West Asia |
| >200.00 | 东帝汶、文莱、马来西亚、菲律宾 East Timor, Brunei, Malaysia, Philippines | 东南亚南部 South of Southeast Asia |
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2000—2010年,亚洲各国复种指数变化如图2和表2所示。可以看出,亚洲复种指数总体呈现出增长的趋势。五大地理分区中,东南亚复种指数提升幅度最大,达到20.40%;中亚国家次之,为14.72%;东亚和南亚增长5.00%—8.00%左右;西亚国家表现为一半增加一半减少的特征,但整体而言西亚复种指数增加2.14%。亚洲所有地理分区的复种指数全部为增加状态。复种增加最多的国家几乎都位于东南亚,如缅甸、印度尼西亚、老挝、柬埔寨等国复种指数增加量都在20.00%以上;复种指数降低的国家多数位于西亚,如土耳其、塞浦路斯、黎巴嫩等国复种指数降低5.00%—30.00%,同时这些国家的耕地面积也降低,说明耕地利用程度有所下降。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2亚洲各国耕地复种指数及2000—2010年的变化
-->Fig. 2Multiple cropping index and its changes over 2000-2010 in Asia’s countries
-->
2.2.2 耕地破碎度变化 耕地破碎度表征耕地被分割的破碎程度,反映耕地空间结构的复杂性,在一定程度上反映了人类对土地的干扰程度。欧美发达国家耕地规模化程度较高,亚非发展中国家耕地破碎化程度较高[7]。耕地破碎化可能会导致农业生产成本提高、生产效率下降及农村劳动力的浪费,从而阻碍农业大规模生产效益的提高与农业现代化进程。图3-a给出2010年亚洲国家尺度上耕地破碎度分布。东亚、东南亚及西亚南部国家耕地破碎度较高,如中国、日本、菲律宾、阿曼、阿联酋;而南亚、中亚和西亚中部国家耕地破碎度较低,如印度、巴基斯坦、伊拉克、叙利亚、土库曼斯坦。图3-b显示了国家单元上的耕地破碎度变化幅度的空间分布。2000—2010年亚洲耕地破碎度略有上升,增幅1.12%。五大地理分区中,南亚和中亚的破碎度大幅降低,分别为-16.67%和-14.28%;东南亚耕地破碎度增加明显,达到10.47%;西亚的耕地破碎度出现4.17%的小幅上扬;只有东亚的耕地破碎程度变化平稳,有1.77%的提升。就国家尺度而言,亚洲19个国家耕地破碎度增加,24个国家耕地破碎度减少。由表2知,印度尼西亚、阿联酋、土耳其等国10年来耕地破碎化增幅显著;中国、日本、巴基斯坦等增幅较小;而也门、印度、朝鲜、以色列耕地破碎化程度明显降低;哈萨克斯坦、缅甸、柬埔寨、伊朗、菲律宾、沙特阿拉伯等国有不同程度的减少。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图32010年亚洲各国耕地破碎度（a）及其2000—2010年变化幅度（b）
-->Fig. 3Fragmentation index of cultivated land in 2010 (a) and its changing rate over 2000-2010(b) in Asia’s countries
-->
作为全球人口和农业大国,中国耕地利用格局变化一直受到高度关注。21世纪初以来,由于“退耕还林”和“退耕还草”政策的实施以及工业化城市化进程加快,中国耕地的数量与空间格局必会发生巨大变化[50]。随着化肥农药的大量投入,农业机械化水平的大幅提高,中国耕地利用集约化水平有较大幅度提高[25]。同时,耕地破碎化一直是中国农业长期存在的问题,且这种破碎存在地域差异,与自然地形条件、农作物种植格局[51]、农户行为[52]、土地产权制度等因素息息相关。从表2和图4 发现,2000—2010年,中国耕地面积减少194.97×104 hm2,降幅为0.95%,耕地数量整体上处于缓慢下降的状态。在耕地数量减少的背景下,中国耕地复种指数10年间提高了5.69%,涨幅达到6.01%,这表明耕地利用率有较大幅度的提升。同时,10年间耕地破碎度略微增长了2.17%。中国耕地利用格局呈现出面积减少并伴随破碎化加剧的趋势。中国粮食主产区如华北平原、东北农垦区和成都平原耕地破碎度较低,而南方地区如浙江、福建、湖南、广东、贵州等地普遍耕地破碎度较高。就破碎度变化幅度而言,华东地区的浙江和江苏、山东西部、河南中部、内蒙古中部及京津冀耕地破碎程度增加明显,而湖南、江西、两广、闽南等地耕地破碎程度有所下降。作为亚洲农业代表性的特色区域,中国耕地利用格局的变化与亚洲耕地利用总体格局变化具有一定相似性,从侧面反映了亚洲耕地利用格局的现状与变化特征。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图42010年中国县级尺度耕地破碎度(a)及其2000—2010年变化幅度(b)
-->Fig. 4Fragmentation index of cultivated land in 2010 (a) and its changing rate over 2000-2010 (b) in China
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3 讨论
2000—2010年,亚洲耕地面积变化平缓,只有东亚地区呈现耕地减少的趋势。中国作为东亚耕地面积最大的国家,其耕地减少在很大程度上导致了东亚耕地面积的下降。2000—2010年中国城镇飞速扩张,速度达到1990—2000年的两倍,特别是东南沿海地区,城市扩张导致耕地侵占[53],大量耕地被征用为建设用地[54],导致一部分优质耕地的流失及破碎[53]。虽然政府颁布了一系列耕地保护政策,但这种现象还是屡有发生[53]。“西部大开发”政策和“东部振兴”政策都使城乡建设用地增加[14],占用了部分耕地资源。再加上“生态退耕”和近年频发的一些自然灾害,10年来耕地面积呈现减少趋势[16]。东南亚耕地面积增幅领先亚洲其他区域,可能与东南亚各国政府大力发展农业有关[55],如文莱政府实行农业扶持政策,发展基础农业,耕地面积大幅提升[56]。西亚各国耕地面积波动较大,很大程度上与石油争端、领土纷争等国家安全问题有关,国家安全无法保障,耕地安全岌岌可危;如以色列、约旦、黎巴嫩等西亚国家,由于中东问题导致争端,使耕地数量降幅偏大[57]。10年间,亚洲耕地复种指数的变化呈现“东南增西北减”的特点。东南亚及南亚各国地理位置偏南,地处低纬度地区,温暖湿润,水热肥资源丰富,自身的气候条件有利于耕地多熟种植,加上近10年重视农业发展,集约化程度有显著提升。西亚及中亚部分区域,由于地理位置偏北,处在中高纬度地区,气候干燥少雨,水热条件及土壤条件受到限制。加之近些年来中东问题不断,战乱频发,西亚部分国家土地利用率呈现下降趋势[57]。耕地的集约利用与粗放经营是两种相对的概念[58]。粗放经营往往只追求数量,耕地利用率低下,是一种落后的耕地利用模式。而耕地集约化则依靠现代化管理和高科技的技术,合理高效利用耕地资源,是走可持续发展道路、解决全球粮食安全问题的必要途径。亚洲耕地复种指数的大范围提高表明大部分亚洲国家耕地利用强度的普遍提升。
耕地破碎化一直是困扰发展中国家农业的一大问题。一方面,耕地破碎化有利于农作物的多样化种植,降低农业生产的风险,减少机械投入及资金投入;另一方面,耕地破碎化加大了劳动力投入,增加生产成本,降低了农业生产效率。亚洲发展中国家众多,不同国家耕地破碎化的原因不同,与社会现状、政策实施、经济发展、自然条件、地理环境等多重因素相关。如中国耕地破碎度高主要与家庭联产承包制有关[59]。农户要求平等分配土地,经营土地规模小,加之地形条件和自然灾害的影响[8],导致整体耕地破碎度较高。尤其是中国南方地区多山地,耕作规模小,农作物多样化种植,地块细碎程度较北方更高;华北平原、东北农垦区和四川盆地由于是粮食主产区,耕地机械化和规模化程度较南方高,耕地地块较大,破碎度相对较低。近10年中国东部沿海的经济发达地区,城镇化水平提升,良田流失严重且更加细碎[60]。随着世界人口数量的不断攀升,对粮食的需求也日益加剧。耕地破碎化增加农产品生产成本、降低土地生产率及农业经济效益的弊端已不可避免地成为减缓农业现代化进程、阻碍农业新技术推广及可持续发展的一大绊脚石。亚洲2000—2010年耕地破碎度变化幅度来看,半数以上的国家耕地破碎化程度有所降低,逐步向规模化发展。但是由于经济发展的需求,城市化和工业化侵占耕地速度的加快,战乱频发社会动荡以及政策制度实施等众多原因,部分亚洲国家的耕地破碎化状况有愈演愈烈之势。
目前,已有研究在全球及区域尺度上对GlobeLand30等多套地表覆盖数据产品精度进行了比较,结果表明GlobeLand30数据集精度较高[39,40,41]。不可否认的是,这些全球尺度的遥感数据产品在生产过程中势必会受到地形、遥感云量、制图方法等多因素的影响,使数据产品的区域一致性受到影响,如影像时相不一致、制图方法的普适性等[37]。这种不一致性会对耕地时空变化分析带来一定影响,尤其是对于国土面积小、耕地分布少的国家或区域。需要说明的是,GlobeLand30耕地定义不仅包括主要农作物,还包括牧草种植地、灌木类经济作物等,而且其耕地制图方法未涉及耕地系数,导致其计算出来的耕地面积不能与统计数据相比较[37]。综合考虑耕地定义、耕地系数、分类体系及精度、空间分辨率等因素,GlobeLand30与UMD-GLC、GlobCover2009、BU-MODIS等中低分辨率全球地表覆盖产品以及FAO统计数据之间都存在较大差异。因此,进一步进行耕地细化,考虑耕地系数的计算也是未来需要深入研究的方面。
4 结论
2000—2010年,亚洲耕地面积增长62.62×104 hm2,增幅0.09%。东亚耕地面积减少,东南亚增幅最大,西亚耕地增减最活跃。60%的国家耕地增加,80%的国家变化幅度在-5.00%—5.00%。亚洲耕地复种指数总体呈现“南高北低”“东南增西北减”的特点,10年增幅9.00%,超过2/3的国家复种指数增加。亚洲耕地破碎度高的区域主要集中在中国南方、日本、菲律宾、阿富汗,而印度、中国华北平原及东北农垦区则耕地破碎度低。亚洲耕地10年破碎度增幅为1.12%,东南亚和西亚耕地破碎度增加明显,中亚和南亚破碎度大幅下降,东亚则略微增加。超过一半的国家耕地破碎度降低,一定程度上反映了耕地规模化程度的提升。中国作为全球和亚洲重要的农业大国,2000—2010年耕地面积减少0.95%,耕地破碎度增加,复种指数涨幅达6.01%。总体看,亚洲耕地数量10年来变化平稳,耕地破碎度略有增加,耕地利用率有较高的提升。耕地虽然由粗放转向集约,但规模化程度远远不够,且一些国家的破碎度有愈发严重的态势。The authors have declared that no competing interests exist.
