0 引言
【研究意义】耕地是人类社会生存和发展的基础。在当前世界人口持续增加、人均耕地占有量减少、粮食安全面临巨大挑战的背景下,探究全球耕地资源的数量、空间分布以及时空变化特征对于粮食安全国际化战略决策具有重要意义[1,2]。同时,作为重要的人为景观类型,耕地利用的扩展、撂荒、作物类型更替以及与其他地物类型的转换,会改变耕地的物质流和能量流,影响地球系统的气候、水文、生物地球循环等全球变化过程[3]。因此,探究全球耕地时空变化也是研究农业生态系统对全球水文及碳循环贡献和影响的基础[4,5]。【前人研究进展】随着对地观测技术的不断发展,遥感因其覆盖范围大,现势性强以及低成本等优点,成为了全球土地资源调查和变化监测的主要技术手段[6,7]。20世纪90年代以来,先后有多套全球地表覆盖遥感数据产品研制并全球免费共享,如UMD、IGBP-DISCover、BU-MODIS、GLC2000、GlobCover 和IIASA-IFPRI等[8,9],在全球粮食安全决策以及农业土地系统变化分析中得到广泛应用。【本研究切入点】然而,这些全球耕地产品的空间分辨率为1 km到300 m,较粗的空间分辨率导致在农业景观破碎区域的制图精度较低,详细刻画农业土地利用活动的能力不足[6,10]。同时,这些数据集往往针对某一特定时间点或时段,缺乏长时间序列的耕地分布数据集,无法满足全球耕地空间格局动态变化分析的需求[11]。经过4年的协同攻关,中国科学家研制出世界首套30 m空间分辨率的全球地表覆盖数据集GlobeLand30,具有2000和2010年两个基准年份,全球总体分类精度达80%以上,其中耕地分类精度达83.06%[10,12-14]。较高的空间分辨率使其较同类产品更适合刻画地表景观破碎区域的土地利用活动,两个时相的数据使其在描述全球耕地时空格局变化方面有独特优势。【拟解决的关键问题】基于此,本研究以2000和2010年GlobeLand30为基础数据,从大洲、国家、经纬网等3个单元,分析2010年全球耕地面积数量和人均耕地占有量特征、2000—2010年耕地面积数量变化和空间格局变化特征、以及2000—2010年耕地利用强度变化特征,以期探究全球耕地时空格局变化特征和规律,为全球粮食安全决策、全球生态环境监测和全球农业系统变化研究等提供信息支撑。1 材料与方法
1.1 数据与处理
本研究基于2000和2010年两期GlobeLand30产品进行全球耕地时空格局变化分析。GlobeLand30包括耕地、水体、森林、苔原、草地、人造地表、灌木地、裸地、湿地、冰川和永久积雪10类一级土地覆盖类别[12,15-16]。其中,耕地类别主要基于Landsat TM/ ETM+、HJ-1以及MODIS NDVI时间序列数据集,从像元、对象和知识3个层次提取生成,即基于像元尺度多特征优化的耕地分类提取、基于对象的耕地自动判别以及基于信息服务和先验知识的交互式对象处理[10]。GlobeLand30产品定义的耕地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 [10,12]。GlobeLand30耕地定义不同于已有国家或国际土地利用分类系统,与这些已有土地分类系统划分的类型以及耕地定义差异如表1所示。GlobeLand30数据产品以一定的规则范围（图幅）为单元将各类型地物进行统计存储。本研究首先对全球GlobeLand30全要素图幅进行批量提取耕地,然后批量裁剪图幅之间重叠的部分,最后对原始投影类型UTM WGS-84批量投影为圆柱等面积投影类型Cylindrical Equal Area。全球GlobeLand30耕地图层主要涉及610个图幅,2000和2010年共1 220个图幅。
Table 1
表1
表1不同土地利用分类系统中的耕地定义对比
Table 1A comparison of different land cover/use system on the definition of cultivated land
| 序号 Order | 分类系统 Classification systems | 一级类型 Land cover classes of level 1 | 耕地类型的定义 Definition of cultivated land |
|---|---|---|---|
| 1 | GlobeLand30 | 10个类型：耕地、森林、灌木地、草地、人造地表、湿地、水体、冰川和永久积雪、苔原、裸地 Ten classes: cultivated land, forests, shrubland, grassland, artificial surfaces, wetland, water bodies, permanent snow and ice, tundra and bareland | 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; Land cover for food and fiber, including the new cultivated wasteland, fallow land, rotation fallow land, rotation land between grassland and cropland; 以种植农作为主,间有零星果树或其他树木的土地; Land mainly planted by crop and contain a few fruit trees and other trees; 耕种3年以上的滩地和滩涂 Bottomland and mudflats that were cultivated more than 3 years |
| 2 | 全国农业区划委员会的土地利用分类系统 Land cover system of National Agricultural Regional Planning Committee | 8个类型：耕地、园地、林地、牧草地、居民点及工矿用地、交通用地、水域、未利用土地 Eight classes: cropland, gardens, forests, pasture, settlements, industrial and mining area, traffic area, water bodies and unused land | 种植农作物的土地,包括新开荒地、休闲地、轮歇地、草田轮作地; Cultivated land, including the new cultivated wasteland, fallow land, rotation fallow land, rotation land between grassland and cropland; 以种植农作物为主,间有零星果树或其他林地的土地; Land mainly planted by crop and contain a few fruit trees and other trees; 耕种3年以上的滩地 Bottomland and mudflats that were cultivated more than 3 years |
| 3 | 国土资源部的土地利用分类系统 Land cover system of Ministry of National Land and Resources | 3个类型：农用地（包括耕地、园地、林地、牧草地及其他农用地）、建设用地和未利用地 Three classes: agricultural land (cropland, gardens, forests, pasture and other agricultural land), building land and unused land | 种植农作物的土地,包括熟地、新开发复垦整理地、休闲地、轮歇地、草田轮作地; Cultivated land, including cropland, new reclamation land, fallow land, rotation fallow land and rotation land between grassland and cropland; 种植农作物为主,间有零星果树、桑树或其他树木的土地; Land mainly planted by crop and contains a few fruit trees or other trees; 平均每年能保证收获1季的已垦滩地和海涂; Cultivated bottomland and shoal with harvest of more than 1. |
| 4 | 国家土地利用现状分类 系统 Land cover system of national land use | 12个类型：耕地、园地、林地、草地、商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地、交通运输用地、水域及水利设施工地、其他土地 Twelves classes: cropland, gardens, forests, grassland, commercial land, industrial land, settlements, public administration and public service land, special use land, traffic area, water and water conservancy establishment land and other lands | 种植农作物的土地,包括熟耕地、新开发、复垦、整理地、休闲地 Cultivated land, including cropland, new reclamation land, fallow land, rotation fallow land and rotation land between grassland and cropland; 种植农作物为主,间有零星果树、桑树或其他树木的土地; Land mainly planted by crop and contains a few fruit trees or other trees; 平均每年能保证收获1季的已垦滩地和海涂; Cultivated bottomland and shoal with harvest of more than 1. |
| 5 | 中国科学院的土地利用分类系统 Land cover system of Chinese Academy of Sciences | 6个类型：耕地、林地、草地、水域、城乡工矿及居民用地、未利用土地 Six classes: cropland, forests, grassland, water bodies, urban-rural industrial areas, settlements and unused land. | 种植农作物的土地,包括熟耕地、新开荒地、休闲地、轮歇地、草田轮作地; Cultivated land, including cropland, new reclamation land, fallow land, rotation fallow land and rotation land between grassland and cropland; 以种植农作物为主的农果、农桑、农林用地; Land mainly planted by crop and contains a few fruit trees or other trees; 耕种3年以上的滩地和滩涂 Bottomland and mudflats that were cultivated more than 3 years |
| 6 | 美国波士顿MODIS全球土地覆盖产品 BU MODIS collection 5 | 7个类型：林地,稀疏林,草地,灌木,耕地,季节性或永久性湿地,无植被覆盖的土地 Seven classes: forests, woodlands, grasses, shrublands, croplands and mosaics, seasonally or permanently inundated, unvegetated | 种植农作物的土地,包括熟耕地,种植粮食的土地; Cultivated land, including cropland and cereal crops; 以种植农作物为主的农果、农桑、农林用地 Land mainly planted by crop and contains a few fruit trees or other trees |
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除全球土地覆盖数据集外,本研究还使用全球1﹕100万国家行政区划数据、全球1°×1°经纬格网两个矢量数据,经ArcGIs10.2拓扑检查完后,均投影成圆柱等面积投影,用于后续基于不同统计单元的耕地统计计算。此外,基于世界银行网站平台（http://data.worldbank. org/indicator/SP.POP.TOTL）收集全球各国人口总量数据,用于计算全球不同国家人均耕地占有量;基于联合国粮农组织数据库FAOSTAT（http://www.fao.org/ faostat/en/#home）收集全球各国家农作物总产量以用于计算耕地复种指数及其变化量。
1.2 研究方法
本研究采用多指标多层次分析全球耕地时空格局及其变化特征。分析指标包括耕地面积数量指标和耕地利用强度指标,其中耕地数量和耕地人均占有量刻画耕地面积数量和人均耕地占有量特征,耕地数量变化量、变化幅度、面积变化量标准差分别表征耕地数量和空间变化特征,复种指数、变化量及变化幅度表征耕地利用强度及其变化特征。分析尺度包括大洲、国家和1°×1°经纬度单元。具体地,基于国家和1°×1°经纬格网分析2010年全球耕地总体空间分布特征、2000—2010年全球耕地面积数量和空间变化特征;基于国家单元统计2000—2010耕地利用强度变化特征。各分析内容、单元、分析指标以及指标对应的计算公式如表2所示。Table 2
表2
表2全球耕地变化分析内容、单元和指标
Table 2Contents, units and indicators of global cultivated land change analysis
| 分析内容 Analysis contents | 分析单元 Analysis units | 分析指标 Analysis indicators | 计算公式 Calculation formulas | 说明 Description of formulas |
|---|---|---|---|---|
| 耕地空间分布现状 Current status of global cropland distribution | 1°×1°经纬格网大洲、国家 1°×1° lat/lon grid, continent and country | 耕地面积 Cultivated land area | / | / |
| 人均耕地占有量 Cultivated land per capita | Wp= | Pop2010和Area2010分别为2010年各国家人口总数和该国家耕地面积 Pop2010and Area2010 refer to the national population and national cultivated land area, respectively | ||
| 耕地面积变化 Change of cultivated land area | 国家 Country | 耕地变化量 Change area of cultivated land | Pc=Area2010- Area2000 | Area2010, Area2000分别为2000和2010年各国家耕地面积 Area2010and Area2000 refer to the national cultivated land area in 2000 and 2010, respectively |
| 耕地数量变化幅度 Percentage change of cultivated land | Pa= | Area2010, Area2000分别为2000和2010年各国家耕地面积 Area2010 and Area2000 refer to the national cultivated land area in 2000 and 2010, respectively | ||
| 国家、1°×1°格网 Country and 1°×1° lat/lon grid | 耕地面积变化量标准差 Standard deviation of change area | SDArea=Std(Agrid) | Std(Agrid)为各国家所有1°×1°格网耕地变化面积的标准差 Std(Agrid) represents the standard deviation of the change cultivated land area within 1° grid | |
| 耕地利用强度变化 Change of cultivated land use intensification | 国家 Country | 复种指数 Multiple cropping index | Wp= | Harvest为2000或2010国家农作物收获面积,Area为2000或2010国家耕地面积 Harvest refers to the national harvest area of all crops in 2000 or 2010. Area refers to the national cultivated land area |
| 国家 Country | 复种指数变化量 Change of multiple cropping index | MCI= MCI2010 - MCI2000 | MCI2000, MCI2010分别为2000或2010年各国家复种指数 MCI2000and MCI2010refer to the national multiple cropping index in 2000 and 2010, respectively | |
| 国家 Country | 复种指数变化幅度 Percentage change of multiple cropping index | PMCI= | MCI2000, MCI2010分别为2000或2010年各国家复种指数 MCI2000and MCI2010refer to the national multiple cropping index in 2000 and 2010, respectively |
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将全球分成五个大洲（亚洲、欧洲、非洲、美洲和大洋洲）并行处理完成整个全球耕地分析工作。基于Python开发语言和ArcGIS10.2平台对各个洲耕地图幅进行耕地逐像素统计得到图幅耕地总面积及其变化,循环完成所有图幅的统计运算,分区汇总每个图幅的统计结果到相应统计单元,并计算相应统计指标。最后对不同统计单元的不同指标分别以空间分析地图或数量统计图形式进行可视化表达。
2 结果
2.1 2010年全球耕地空间分布总体特征
2010年全球耕地经纬格网空间分布如图1所示。总体看,北半球耕地面积远多于南半球,东半球多于西半球。北半球的[10°N—45ºN, 65ºE—125ºE]区域,主要为印度和中国东南地区 [17],呈现高密度的耕地分布。这些区域人口基数大,主要分布在暖温带和热带半湿润地区,雨热资源充沛,耕地一年内可成熟2—3季作物,是亚洲主要产粮地带[18]。中高纬度地区 [40ºN—55ºN, 15ºE—55ºE]具有较大的耕地种植面积,为欧洲“小麦-玉米”带的种植地区。其次,集中在美国的东南部[80ºW—110ºW, 30ºN—45ºN]区域出现大面积耕地种植, 为美国最主要的“玉米-大豆”生产地带。南半球的[15ºS—45ºS, 45ºW—70ºW]同样存在大量耕地分布,主要集中在巴西南部和阿根廷东北部,这一地带地势平坦,水热条件好,是全球重要的经济作物（如可可、向日葵、香蕉等）以及肉类（牛、羊等）食物的重要生产和供应基地。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12010年全球不同国家耕地面积和1°×1°经纬格网耕地空间分布
-->Fig. 1National-level cultivated land area and cultivated land area within 1°×1° grid in 2010
-->
2010年全球耕地面积总量为193 890.00×104 hm2,占全球陆表面积的14.31%。亚洲和美洲耕地总量位列第1和第2,分别占全球耕地面积总量的36.02%和27.26%。大洋洲因较小的国土面积和人口数量,耕地面积最低,仅占全球耕地总量的3.12%。图1柱状图显示了全球各国家耕地面积总量以及数量等级空间分布,该图显示亚洲耕地面积最大的前5名国家分别是中国、印度、哈萨克斯坦、土耳其和巴基斯坦;美洲耕地面积最大国家依次是美国、巴西、阿根廷、加拿大和墨西哥;欧洲耕地面积最大国家依次是俄罗斯、乌克兰、法国、西班牙和德国;非洲耕地面积最大国家依次是尼日利亚、埃塞俄比亚、苏丹、坦桑尼亚和南非;大洋洲耕地面积最大国家分别是澳大利亚、新西兰、巴布亚新几内亚、斐济和新克里多尼亚。从全球层面看,中国、美国、印度、俄罗斯、巴西、阿根廷、澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦和乌克兰是全球耕地面积最大的前10名国家,其中前3名的国家耕地面积均超过1.80×108 hm2（中国耕地面积为20 239.53×104 hm2,美国耕地面积为20 148.30×104 hm2,印度耕地面积为19 639.85×104 hm2）。
人均耕地面积是衡量全球耕地资源分布的重要指标[19]。2010年全球人均耕地占有量为0.28 hm2,耕地面积最少的大洋洲的人均耕地占有量最大,达到1.71 hm2;欧洲、美洲分别以0.5707 hm2和0.5703 hm2位列第2和第3。亚洲虽然耕地面积最大,但由于其巨大的人口数量,导致其人均耕地占有量在5个大洲中最低,仅为0.17 hm2。图2表示2010年全球各国人均耕地占有量和相应空间等级分布。图2和表3显示全球耕地面积第1的中国和第3的印度,人口总数占据全球人口总数的37.64%,人均耕地占有量较低。这表明全球耕地资源分布不均衡,人口多的一些国家并没有拥有相匹配的耕地资源。随着人均粮食消费量的持续增长,如何保障粮食安全成为了这些大国亟需解决的问题。全球人均耕地最大的前10名国家分别为俄罗斯、白俄罗斯、乌拉圭、巴拉圭、立陶宛、拉托维亚、加拿大、阿根廷、澳大利亚和哈萨克斯坦。从表3可以看出,俄罗斯、加拿大、澳大利亚以及哈萨克斯坦等国家,不仅在耕地面积总量上位列全球前茅,人均耕地占有量也处于世界前列,这些国家具有丰富的耕地资源和较大的粮食综合生产潜力,在保障全球和区域粮食供给和粮食安全方面发挥着重要作用。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图22010年全球不同国家人均耕地占有量
-->Fig. 2National-level cultivated land area per capita in 2010
-->
Table 3
表3
表3全球大洲和主要农业国家2010年耕地面积、人均耕地占有量、复种指数,2000-2010年耕地面积变化量、变化幅度和复种指数变化量
Table 3Cultivated land area, cultivated land area per capita and multiple cropping index in 2010, change area, percentage change in area and change in multiple cropping index of main agricultural countries of the five continents during 2000-2010
| 大洲 Continent | 主要农业大国 Main agricultural countries | 2010年耕地面积 Cultivated land area in 2010 (×104 hm2) | 2010年耕地面积全球占比 Percentage of cultivated land area in 2010 accounts for global cultivated land (%) | 2000-2010年耕地面积变化量（变化幅度） Change area of cultivated land during 2000-2010 (×104hm2) (Percentage change %) | 1°×1°经纬格网耕地面积变化量的标准差 Standard deviation within 1°×1°grid during 2000-2010 (×104 hm2) | 2010年人均耕地占有量 Cultivated land area per capita (hm2) | 2010年耕地复种指数 Multiple cropping index in 2010 (%) | 2000-2010年耕地复种指数变化量（变化幅度） Change in multiple cropping index during 2000-2010 (Percentage change) (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 亚洲 Asia | *中国China | 20239.53 | 10.44 | -194.97 (-0.95) | 1.74 | 0.15 | 100.40 | 86.07 (6.01) |
| *印度India | 19639.85 | 10.13 | 56.95 (0.29) | 0.91 | 0.17 | 103.65 | 93.09 (8.82) | |
| *哈萨克斯坦 Kazakhstan | 4333.72 | 2.24 | 17.34 (0.40) | 1.24 | 0.27 | 45.76 | 43.83 (22.71) | |
| 土耳其 Turkey | 2919.14 | 1.51 | -4.37 (-0.15) | 0.88 | 0.40 | 66.27 | 73.97 (-9.60) | |
| 巴基斯坦Pakistan | 2751.66 | 1.42 | 27.40 (1.01) | 0.89 | 0.16 | 75.30 | 51.24 (2.13) | |
| 洲总量Total | 69827.94 | 36.01 | 62.62 (0.09) | / | 0.17 | 94.11 | 84.69 (9.00) | |
| 欧洲 Europe | *俄罗斯Russia | 15706.44 | 8.10 | 163.73 (1.05) | 0.64 | 1.11 | 34.56 | 21.21 (1.59) |
| *乌克兰 Ukraine | 4072.67 | 2.10 | 50.14 (1.25) | 1.35 | 0.90 | 69.36 | 53.52 (3.38) | |
| 法国 France | 3337.71 | 1.72 | 26.60 (0.80) | 0.76 | 0.53 | 57.31 | 47.41 (4.79) | |
| 西班牙 Spain | 2556.58 | 1.32 | -17.93 (-0.70) | 2.53 | 0.55 | 52.41 | 58.77 (-9.23) | |
| 德国 Germany | 2141.98 | 1.10 | 1.83 (0.09) | 0.65 | 0.26 | 104.98 | 99.01 (16.61) | |
| 洲总量 Total | 42820.84 | 22.09 | 220.90 (0.52) | / | 0.57 | 53.44 | 60.20 (-8.90) | |
| 美洲 America | *美国 U.S. | 20148.30 | 10.39 | 16.20 (0.08) | 0.71 | 0.65 | 49.92 | -403.89 (-0.89) |
| *巴西 Brazil | 12910.20 | 6.66 | 1121.20 (9.51) | 3.81 | 0.66 | 50.72 | 48.01 (17.78) | |
| *阿根廷 Argentina | 6123.57 | 3.16 | 498.17 (8.86) | 3.57 | 1.53 | 49.72 | 45.29 (10.24) | |
| *加拿大 Canada | 4889.17 | 2.52 | 50.50 (1.03) | 0.45 | 1.46 | 56.83 | 63.42 (-9.62) | |
| 墨西哥 Mexico | 2454.94 | 1.27 | 45.26 (1.88) | 1.04 | 0.22 | 65.91 | 9.09 (0.16) | |
| 洲总量 Total | 52875.05 | 27.27 | 2128.14 (4.19) | / | 0.57 | 52.23 | 43.30 (4.85) | |
| 非洲 Africa | 尼日利亚 Nigeria | 2817.98 | 1.45 | 451.77 (19.09) | 9.77 | 0.18 | 147.03 | 156.00 (-17.38) |
| 埃塞俄比亚 Ethiopia | 2171.80 | 1.12 | 46.19 (2.17) | 3.04 | 0.26 | 67.05 | 65.18 (34.86) | |
| 苏丹 Sultan | 1993.65 | 1.03 | 209.37 (11.73) | 4.10 | 0.50 | 58.96 | 72.03 (-5.51) | |
| 南非 S . Africa | 1520.92 | 0.78 | -12.48 (-0.81) | 1.69 | 0.30 | 44.87 | 47.63 (-17.24) | |
| 坦桑尼亚 Tanzania | 1827.92 | 0.94 | 329.16 (21.96) | 6.51 | 0.43 | 71.35 | 69.79 (44.90) | |
| 洲总量 Total | 22317.32 | 11.51 | 1540.63 (7.42) | / | 0.22 | 98.11 | 91.36 (13.54) | |
| 大洋洲 Oceania | *澳大利亚Australia | 5521.24 | 2.85 | 282.23 (5.39) | 2.64 | 2.50 | 88.52 | -171.83 (-0.66) |
| 新西兰 New Zealand | 458.00 | 0.24 | -60.16 (-11.61) | 1.69 | 1.06 | 11.27 | 10.57 (15.24) | |
| 巴布亚新几内亚 Papua New Guinea | 57.07 | 0.03 | 1.31 (2.34) | 0.01 | 0.09 | 183.01 | 166.35 (9.99) | |
| 斐济 Fiji | 11.30 | 0.01 | -1.02 (-8.28) | 0.01 | 0.13 | 122.30 | 109.67 (8.69) | |
| 新喀里多尼亚 New Caledonia | 3.00 | 0.00 | -1.12 (-27.28) | 0.11 | 0.14 | 40.10 | 39.35 (52.59) | |
| 洲总量 Total | 6053.17 | 3.12 | 220.96 (3.79) | / | 1.71 | 86.78 | -11.83 (-0.12) |
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2.2 2000—2010年全球耕地面积的数量变化特征
图3为全球大洲和不同国家2000—2010年耕地面积变化幅度。2000—2010期间,全球耕地面积呈现微弱增长趋势,增加面积达4 173.25×104 hm2,增加幅度为2.2%。非洲是耕地面积增长最快的大洲,增长幅度达7.45%,增加的耕地面积达1 540.63×104 hm2,美洲是耕地面积增加最大的大洲,增长面积达2 128.14 ×104 hm2,增长幅度达4.19%。对于国土面积和人口数量均最小的大洋洲而言,10年间也出现了快速地增长,增长幅度达3.79%,增长面积达220.96×104 hm2。亚洲和欧洲耕地面积总量在2000—2010年保持相对稳定,增长幅度仅为0.09%和0.52%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图32000—2010年全球国家尺度耕地面积变化幅度
-->Fig. 3National-level changing rate of cultivated land area during 2000-2010
-->
从国家层面来看,尼日利亚和坦桑尼亚是非洲中耕地面积增加最大和增长幅度最快的国家,增长幅度分别为19.09%和21.96%。大洋洲国土面积和经济实力最大的国家—澳大利亚在这10年增长幅度达5.39%,增加282.23×104 hm2耕地面积,然而畜牧业发达的新西兰的耕地面积却呈下降趋势,减少幅度达11.61%。拉丁美洲的巴西和阿根廷10年耕地面积分别增加了1 121.2×104 hm2和498.17×106 hm2,增加幅度均达9.0%左右,主要受益于该区域10年间大力开展的农业科技创新体制[20]。世界头号经济强国—美国在10年间耕地面积数量基本不变,仅增加0.08%。亚洲的农业大国印度和哈萨克斯坦耕地面积呈现微弱的增长趋势,增加幅度均小于0.5%。然而,全球人口最多的农业大国—中国,在2000—2010期间由于城市化推进和退耕还林政策开展[21,22],耕地面积下降了194.97×104 hm2,减少幅度为0.95%。对于横跨欧亚大陆的俄罗斯,也是全球国土面积最大的国家,在过去10年耕地面积增加了163.74×104 hm2,增长幅度为1.05%。以欧洲粮仓著称的乌克兰和法国,其耕地面积均呈现了增加趋势,增长面积分别为50.15×104 hm2和26.61×104 hm2,增长幅度分别为1.25%和0.08%,为保障欧洲粮食安全和农产品贸易提供了有利条件。
2.3 2000—2010年全球耕地面积的空间变化特征
图4为2000—2010年全球耕地变化空间分布图,图5和图6分别为全球1°×1°经纬格网耕地面积变化量和变化率。可以看出,10年间,全球耕地空间上保持相对平稳,耕地面积不变的区域远大于发生变化的区域。总体看,南半球较北半球耕地面积变化显著。非洲是耕地面积变化最显著的大洲,其耕地面积变化量和变化幅度均出现了明显增加。由于干旱气候以及持续增长的人口数量,非洲一直是全球饥饿人口最多的大洲,其快速的耕地扩张态势对缓解该地区的粮食危机起到了十分积极作用[23]。南美洲的15ºS—45ºS, 45ºW—70ºW区域,主要集中在巴西东南部和阿根廷北部,耕地呈现明显增加的趋势,该地区是南美最重要的粮食产区,也是全球最重要的大豆粮仓。大洋洲15ºS—40ºE, 140ºW—140ºE地区,即澳大利亚东部的小麦种植带和牧羊区,种植面积和变化幅度均出现了明显增长趋势。美国的中东地区,即美国主要的玉米种植带和混合农业种植区,在2000—2010年期间出现了耕地面积下降现象,但下降幅度不明显,在1°×1°经纬格网单元上变化幅度均小于5%。中国的东部及其沿海地区出现了明显的耕地下降,这主要是由于东部沿海地区快速的城市化步伐[24],导致大量耕地转变成了人造地表。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图42000—2010年全球耕地变化的空间分布
-->Fig. 4Spatial location of cultivated land area change during 2000-2010
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图52000—2010年全球不同国家耕地面积变化量
-->Fig. 5Changing quantity of cultivated land area at country level within 1°×1°grid during 2000-2010
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图62000—2010年全球1°×1°经纬格网耕地面积变化幅度
-->Fig. 6Changing rate of cultivated land area within 1°×1°grid during 2000-2010
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从图5的柱状图描述了各个国家1°×1°经纬格网耕地面积变化量的标准差,反映了各个国家耕地面积数量变化的空间波动性。从耕地面积变化量来看,非洲中部地区、南美洲、亚洲东南亚地区（如泰国、越南）的耕地变化在国家内部呈现明显波动性。从耕地面积变化幅度来看（图6）,非洲整个地区、南美洲北部地区（秘鲁、哥伦比亚、委内瑞拉等）、亚洲北部（哈萨克斯坦）和东南亚地区（马来西亚、印度尼西亚）出现了剧烈空间异质性,即国家内部耕地扩张趋势在空间上出现了明显的不均衡。
图7为全球耕地面积最大前10名国家10年耕地面积变化量、耕地面积变化幅度及其1°×1°经纬格网的耕地面积变化标准差。全球耕地面积最大的中国是2000—2010年期间全球农业大国中耕地减少的唯一国家,下降的幅度约0.95%。巴西和阿根廷是耕地面积增加量和增加幅度最大的国家,同时也是国家内部耕地空间差异性最大的国家。这表明10年间这两个国家内部发生了显著的耕地扩张或土地调整,这与GRAESSER等[25]的研究结果一致,其结果表明这两个国家在2007年之前发生了剧烈的土地利用类型变更,尤其是耕地与草地的转换。无论从变化面积总量、变化总幅度或是国家内部变化波动性来看,美国是2000—2010年耕地变化最小的国家。作为人均耕地面积非常大的国家,加拿大10年间耕地变化较其它国家相对平稳。全球国土面积最大的俄罗斯,虽然耕地总面积变化量较小,但由于巨大的国土面积,导致其1°×1°经纬格网耕地面积变化幅度差异较大,即耕地变化的幅度在其不同区域的差异较大。哈萨克斯坦和乌克兰2000—2010年期间耕地面积变化量和变化幅度均较小,且两者变化差异不大。但从国家内部耕地的空间变化幅度差异性看,乌克兰则呈现较高的耕地空间变化波动性。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图72000—2010年全球耕地面积前10名国家耕地面积变化总量和变化总幅度（a）; 国家1°×1°经纬格网面积变化量标准差（b）
-->Fig. 7Changing area and rate in the top 10 countries with the largest cultivated land area(a); Standard deviation within 1°×1°grid during 2000-2010 (b)
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2.4 2000—2010年全球耕地利用强度变化特征
全球耕地利用强度不仅反映全球粮食增产潜力,同时也与农业生产管理所需的水、热、土、气等环境变化紧密相关[26,27]。图8为全球各国家2000和2010年的复种指数,图9为2000-2010年10年复种指数变化量。从2010年全球复种指数看,东南亚地区、中美洲地区以及西非地区呈现较高的复种指数,超过200%以上。这些高复种区域位于10ºS—40ºN中低纬度地区,高温多雨,水源充足,满足了农作物一年多熟所需的气候环境[28,29]。对于东南亚国家而言,水热充足,土壤肥沃,人口稠密,加之耕地资源少,提高复种指数成为了保障国家粮食安全最主要途径[30]。而对于盛产香蕉、咖啡、甘蔗等热带经济作物的中美洲而言,农业为该国家主体经济支柱,也需通过高强度的土地利用方式来提高经济发展。对于耕地面积和农作物产量均排在全球前3名的中国、美国、印度而言,平均复种指数分别为100.40%、51.02%和103.65%,印度因处在相对高的纬度,具有更高的水热条件,在这3个全球农业大国中复种指数最高。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图82010年全球不同国家复种指数
-->Fig. 8Multiple cropping index at country level in 2010
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图92000-2010年全球不同国家复种指数变化量
-->Fig. 9Change of Multiple cropping index at country level during 2000-2010
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亚洲和南美洲地区在这10年间耕地复种指数呈上升趋势,北美洲、大洋洲和东欧呈现下降趋势。近年来由于各种农业振兴措施开展以及国际农业经济援助[31],非洲北部地区耕地复种指数明显提高,耕地利用程度明显增强。对于亚洲的东南亚地区,因其得天独厚的农业自然种植气候,在2000—2010年期间,耕地复种指数仍保持了明显的增加态势。全球耕地最大的前10名国家中,5个国家在2000—2010年期间耕地复种指数明显增加（表3）,其中哈萨克斯坦和巴西分别以22.71%和17.78%增长率位列第1和第2。这两个国家因其适宜水热资源、较高的农业生产力,在保障全球粮食安全中扮演了越来越重要的角色。全球耕地面积和人口数量最大的中国,2000—2010年期间耕地复种指数增长了6.01%,耕地利用率提高。然而,对于耕地面积以及人均耕地占有量均较大的澳大利亚和加拿大而言,由于较低的人口基数和较大的耕地种植面积,10年间耕地复种指数分别下降了0.66%和9.62%。俄罗斯是耕地复种指数绝对量下降最明显的农业大国,下降了21.21%。已有研究表明2000—2010年俄罗斯东部地区出现了严重的弃耕现象[32],导致收获面积减少,加之耕地面积扩张持续增加,从而导致复种指数降低。
3 讨论
2000—2010年全球人口数量持续增长,但全球耕地并未随着人口的增加而增加,10年间全球耕地面积总体上保持相对稳定,但区域差异明显。耕地资源是粮食生产的重要基础,但耕地面积数量大并不意味着粮食产量的绝对优势。一方面,由于自然气候环境、土地质量条件和投入等差异,单位耕地面积的产量不同。21世纪以来大部分粮食产量的增加是通过增加单产来实现的,即通过使用优良品种、机械、肥料、杀虫剂和灌溉等提高单位面积的粮食产量[5,6]。另一方面,不同区域耕地的利用程度不一样,俄罗斯和加拿大耕地面积较大,但区域耕地一年仅有一个较短的生产季节,而东南亚地区由于充足的光照与热量资源,耕地每年可以耕作2—3季作物。因此,综合分析耕地利用变化对全球或区域粮食安全的影响,不仅要着眼耕地资源总量和人口总量,还要综合考虑技术、农田管理、土壤条件和气候环境等多要素。耕地复种指数仅是表征耕地利用集约化强度的指标之一[33]。耕地复种强度往往受到自然气候条件和农业劳动力人数的限制,复种指数高的区域并不意味着在产量上同样占据绝对优势[34]。如美国2010年耕地复种指数绝对量和10年增长量均处于世界中等水平。然而美国2010年粮食总产量以及2000—2010年产量的增长幅度位于全球前列,这主要得益于该国家高效的农田灌溉、农业机械投入和先进的农业生产管理模式。因此,未来需综合更多农业集约化利用指标（如灌溉量、施肥量、地块大小等）和多源农业统计数据（如单产、总产、受灾面积等）来客观评估全球不同国家耕地利用集约化水平。同时,增加耕地利用集约化虽然提高了粮食产量,但易给农业生态环境造成压力,如土壤质量下降、水源污染、生物多样性下降等[19, 26, 35]。因此,如何平衡全球粮食安全以及全球生态环境安全也是未来重点需要解决的问题。
本研究基于全球首套30 m分辨率的地表覆盖数据集GlobeLand30来分析2000—2010年全球耕地利用格局时空变化特征。虽然GlobeLand30数据产品精度高,但该套数据产品在使用中也存在一定局限性。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,也包括果树、茶园、咖啡园等灌木类经济作物以及耕种3年以上的滩地和滩涂等。该定义不同于已有的国家土地利用分类系统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,全球不同区域、不同国家的农业土地利用多样化,农田地块大小、种植制度和种植模式存在较大差异性,基于遥感影像的光谱和时相信息提取的耕地精度不可避免地存在区域差异,在一定程度上影响本研究的分析结果。因此,深入进行GlobeLand30耕地产品精度验证、以及进一步优化耕地分类结果,评定其对时空变化分析的影响也是未来需要进一步加强的方向。
4 结论
2010年全球耕地面积总量为193 890.00×104 hm2,占全球陆表面积14.31%,全球人均耕地占有量为0.28 hm2。耕地面积最大的10名国家依次是：中国、美国、印度、俄罗斯、巴西、阿根廷、澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦和乌克兰。2000—2010年期间,全球耕地面积呈微弱增长,增加幅度为2.19%。美洲是耕地面积增长最大的大洲,增长面积达2 128.14×104 hm2,非洲是耕地面积增长幅度最大的大洲,增长幅度为7.42%,亚洲是耕地变化最平缓的大洲,耕地面积增加0.09%。全球10大农业大国中,中国是耕地面积在这10年间唯一出现下降的国家,巴西和阿根廷是耕地面积增加量和增加幅度最显著的国家。
南亚地区、中美洲地区以及西非地区是全球复种指数最高的区域,2010年复种指数均为200%以上。全球10大农业大国中,有5个国家耕地复种指数呈增加趋势,其中哈萨克斯坦和巴西复种指数增加最显著,俄罗斯复种指数绝对量下降最剧烈。
The authors have declared that no competing interests exist.
