王佳月，辛良杰

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基于GlobeLand30數(shù)據(jù)的中國耕地與糧食生產(chǎn)的時空變化分析

王佳月1,2，辛良杰1※

（1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

21世紀(jì)初期，中國耕地與糧食產(chǎn)量變化區(qū)域差異明顯，為了解21世紀(jì)初期中國耕地與糧食生產(chǎn)的時空變化及糧食生產(chǎn)對耕地面積變化的響應(yīng)，該文利用2000年和2010年兩期30 m分辨率的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)（GlobeLand30），借助統(tǒng)計分析手段對2000－2010年中國耕地和糧食生產(chǎn)的時空變化和糧食生產(chǎn)對耕地面積的依賴程度進(jìn)行分析。結(jié)果表明：1）中國耕地主要分布在東部地區(qū)，研究時段內(nèi)，耕地與林地、草地和人工表面之間的轉(zhuǎn)換最多，耕地變化的特點是“西增東減，總量減少”，面積凈減少了104.03萬hm2，年均減少10.4萬hm2。2）中國的糧食生產(chǎn)主要集中在東北、華北和南方地區(qū)。糧食產(chǎn)量變化的特點是“北增南減，總量增加”。3）中國耕地分布的集中程度會影響糧食生產(chǎn)的集中程度，且糧食生產(chǎn)分布的集中程度普遍高于耕地。中國耕地分布重心和糧食生產(chǎn)分布重心的移動方向相反，耕地面積的分布表現(xiàn)出了“南退西移”的趨勢，糧食生產(chǎn)的重心則是“北上東移”，中國的糧食生產(chǎn)格局已轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨奔Z南調(diào)”。4）全國有32.24%縣（市）的糧食生產(chǎn)都表現(xiàn)出了對耕地數(shù)量的依賴，主要分布在東北、華北、西部、長城沿線、西南和東南沿海地區(qū)。中國耕地保護(hù)政策的制定和糧食生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展應(yīng)該遵循因地制宜的原則，在糧食生產(chǎn)對耕地變化敏感性高的地區(qū)，應(yīng)該加強(qiáng)對耕地數(shù)量、質(zhì)量的保護(hù)和農(nóng)戶種糧積極性的提高，更要重視不敏感地區(qū)耕地地力的保護(hù)和單產(chǎn)水平的提高，以保障中國的糧食安全。

土地利用；遙感；糧食安全；GlobeLand30數(shù)據(jù)集；耕地變化；糧食生產(chǎn)；時空變化

0 引 言

作為世界上人口最多的發(fā)展中國家，中國的糧食安全問題不僅關(guān)系到國內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，還起到穩(wěn)定全球糧食價格的重要作用[1]。然而中國糧食安全問題嚴(yán)峻，糧食供需平衡偏緊的狀態(tài)將長期存在[2]，主要有2方面原因，一方面，中國人口眾多，人均耕地面積不足世界水平的一半，而中國的人口還會持續(xù)增長，并將在2030年前后出現(xiàn)峰值，達(dá)到16億[3]，這將激化人地矛盾，進(jìn)一步放大糧食安全問題。另一方面，伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活水平不斷提高，居民膳食結(jié)構(gòu)有了很大改變，谷物的直接消費降低，肉類消費卻在不斷增長，由居民消費的食物轉(zhuǎn)化得到的居民糧食需求量就將不斷增加[4-6]，與此同時，在城鎮(zhèn)化的浪潮下，人口從農(nóng)村向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移的趨勢明顯，而城鎮(zhèn)人均糧食消費水平平均高于農(nóng)村，也就在整體上提高了居民的膳食水平，增加了對糧食產(chǎn)出的剛性需求[7-8]。有研究表明，2030年中國居民人均糧食消費量將從2012年的327.5 kg增長到386.5 kg，如果納入工業(yè)用糧、損失浪費用糧、種子用糧和政策性收購與出口量，2030年中國居民人均糧食需求總量將達(dá)到551.4 kg。糧食人均消費量與總消費量將在長時間內(nèi)保持增長趨勢[2]。

解決糧食安全問題，保證糧食基本自給是基礎(chǔ)，而耕地資源又是糧食自給能力的基礎(chǔ)[9]，所以中國一直都實行著嚴(yán)格的耕地保護(hù)政策，同時，學(xué)術(shù)界也一直關(guān)注耕地保護(hù)和糧食安全的研究。學(xué)者們主要從3個角度入手研究耕地保護(hù)和糧食安全問題，一是研究中國耕地和糧食生產(chǎn)的空間分布特征，認(rèn)為中國耕地資源與糧食生產(chǎn)在空間上的分布并不匹配，不同地區(qū)的耕地變化會對糧食生產(chǎn)帶來不同程度的影響，應(yīng)該重視土地利用變化和糧食生產(chǎn)變化的區(qū)域差異研究，因地制宜的制定農(nóng)業(yè)政策[10-12]。二是研究中國耕地空間分布的變化，并分析耕地的變化對中國糧食生產(chǎn)的影響，分別從耕地數(shù)量和質(zhì)量的變化入手，研究其對糧食生產(chǎn)面積、糧食生產(chǎn)環(huán)境和糧食生產(chǎn)水平的影響[13-14]。還有研究對未來的耕地面積和糧食生產(chǎn)進(jìn)行了預(yù)測，認(rèn)為到2020年，中國的耕地和糧食生產(chǎn)面積會降低，但糧食生產(chǎn)能力會繼續(xù)上升[15]。從數(shù)據(jù)源上看，已有的研究多以統(tǒng)計數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，統(tǒng)計數(shù)據(jù)受統(tǒng)計口徑變化和人為因素影響較大，從而影響數(shù)據(jù)在時間和空間上的可比性，而遙感解譯數(shù)據(jù)能很好地解決數(shù)據(jù)的時空可比性問題，應(yīng)該充分重視遙感解譯數(shù)據(jù)在耕地資源與糧食生產(chǎn)研究上的應(yīng)用。從研究方法上看，以定量的方法描述耕地和糧食生產(chǎn)空間分布的研究還較少。

進(jìn)入21世紀(jì)，為保證中國耕地總量的動態(tài)平衡，耕地占補(bǔ)平衡政策開始實施，土地整理、土地復(fù)墾等土地整治項目也逐步鋪開，耕地數(shù)量和質(zhì)量變化的區(qū)域差異明顯[16-17]，也由此帶來了糧食產(chǎn)量的變化和糧食生產(chǎn)的區(qū)域差異[18]。那么21世紀(jì)初期的耕地面積和糧食生產(chǎn)的數(shù)量和空間分布是如何變化的？耕地數(shù)量和分布的變化對糧食生產(chǎn)是否造成了影響？糧食產(chǎn)量與耕地數(shù)量之間有多大的依存關(guān)系，哪些地區(qū)的糧食生產(chǎn)對耕地的數(shù)量有較強(qiáng)的依賴？針對上述問題，有必要借助遙感解譯數(shù)據(jù)，并使用定量描述耕地和糧食生產(chǎn)空間分布的方法，更客觀的對2000－2010年間中國耕地和糧食生產(chǎn)的時空變化及依存關(guān)系進(jìn)行分析，本文在補(bǔ)充和延伸前人研究的基礎(chǔ)上，又從保障糧食生產(chǎn)，保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度對休耕政策的開展做出了理論探索。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 空間分布集中度模型

某省份內(nèi)種植業(yè)的分布取決于其耕地資源的分布，所以一省內(nèi)耕地資源空間分布的集中程度能反映該省種植業(yè)空間分布的集中程度，而糧食產(chǎn)量分布的集中程度可反映出該省糧食來源地分布的集中程度。本文引用測量產(chǎn)業(yè)集中度的赫芬達(dá)爾—赫希曼指數(shù)，分別構(gòu)建各省耕地分布和糧食產(chǎn)量分布的集中程度指數(shù)，以省份內(nèi)各縣的耕地面積占全省耕地面積百分比的平方和，定量測度2000年和2010年間各省內(nèi)耕地和糧食產(chǎn)量分布的集中程度：

式中HHI為省的耕地空間分布集中程度。為省內(nèi)縣的總數(shù)，X是省內(nèi)第個縣的耕地面積，X是省內(nèi)耕地的總面積。HHI的值域在0～1之間，值越大，表明耕地在省內(nèi)的分布越集中，極限情況是省內(nèi)的耕地全部分布在1個縣內(nèi)，此時HHI=1。值越小，則耕地在省內(nèi)分布的越平均，極限情況是，耕地在省內(nèi)的個縣中完全均勻分布時，HHI=1/，當(dāng)趨向于無窮大時，HHI就趨向于0。同樣地，使用糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)代替耕地數(shù)據(jù)，即可得到糧食產(chǎn)量分布的集中程度。按照集中度指數(shù)將各省內(nèi)耕地和糧食產(chǎn)量分布的集中程度分為5個等級：>0.3為高度集中分布、0.2≤<0.3為中度集中分布、0.1≤<0.2為低度集中分布、<0.1為均勻分布，劃分標(biāo)準(zhǔn)參考以值對市場結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類的劃分標(biāo)準(zhǔn)[19]。

1.2 重心轉(zhuǎn)移模型

土地利用變化的總體特征可用土地利用類型重心的遷移來描述，耕地重心的轉(zhuǎn)移能反映出中國耕地空間分布格局的總體變化趨勢[20]?？梢酝ㄟ^計算重心坐標(biāo)來反映重心的移動，重心坐標(biāo)的計算公式為：

式中X和Y分別為第年耕地分布重心的橫、縱坐標(biāo)。為評價單元的總數(shù)，X和Y分別為第個評價單元的地理重心坐標(biāo)，T為第年縣內(nèi)耕地分布的總量。同樣可以完成對糧食生產(chǎn)重心轉(zhuǎn)移的計算。

1.3 敏感度分析模型

為了研究糧食產(chǎn)量對耕地變化響應(yīng)的敏感性，根據(jù)IPCC對敏感性的定義[21]，將糧食產(chǎn)量對耕地變化的敏感性定義為研究時段內(nèi)糧食產(chǎn)量變化率與耕地面積變化率的比，引用劉彥隨等[11]構(gòu)建的敏感度分析模型。

式中為某縣糧食產(chǎn)量對耕地變化的敏感度系數(shù)。G和G+1分別為第年和第年該縣的糧食產(chǎn)量，L和L+1分別為第年和+1年該縣的耕地面積。<0表示研究時段內(nèi)，糧食產(chǎn)量變化的方向與耕地面積變化的方向相反，定義這種情況下是糧食產(chǎn)量對耕地面積變化不敏感。>0表示研究時段內(nèi)，糧食產(chǎn)量變化的方向與耕地面積變化的方向相同，定義這種情況下糧食產(chǎn)量對耕地面積的變化是敏感的，且值越大，二者變化的同步程度越高。分別計算各縣（市）糧食產(chǎn)量對耕地變化的敏感度系數(shù)，按照≤0、0<≤5、5<≤10和>10[11]劃分為4大類地區(qū)：糧食生產(chǎn)對耕地變化無敏感性地區(qū)、低度敏感性地區(qū)、中度敏感性地區(qū)和高度敏感性地區(qū)，再結(jié)合糧食產(chǎn)量的實際變化量，為每一大類地區(qū)劃分出2個子類，Ⅰ類地區(qū)為糧食產(chǎn)量增加的地區(qū)，Ⅱ類地區(qū)為糧食產(chǎn)量減少的地區(qū)，如此將各縣（市）分為8類地區(qū)。

1.4 數(shù)據(jù)來源

1）土地覆被數(shù)據(jù)

本文以2000年和2010年兩期30 m分辨率的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)（GlobeLand30）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。該數(shù)據(jù)集的制作由國家基礎(chǔ)地理信息中心聯(lián)合多個部委的幾十家單位，歷經(jīng)2010－2013年4年時間完成，是目前國際上分辨率最高的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集對耕地的概念定義為：“用于種植農(nóng)作物的土地，包括水田、灌溉旱地、雨養(yǎng)旱地、菜地、牧草種植地、大棚用地、以種植農(nóng)作物為主間有果樹及其他經(jīng)濟(jì)喬木的土地，以及茶園、咖啡園等灌木類經(jīng)濟(jì)作物種植地”[22]。該數(shù)據(jù)是目前可以開放獲取的空間分辨率最高，分類精度最高的土地覆被數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)申請地址為：http://www.globallandcover.com/。

分別對2000年和2010年兩期30 m分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)（GlobeLand30）的精度進(jìn)行驗證。對2000年數(shù)據(jù)的驗證，隨機(jī)選取了1 852個耕地樣點，借助衛(wèi)星影像與航拍數(shù)據(jù)相結(jié)合的高分辨率Google Earth影像，分省對樣點的解譯精度進(jìn)行驗證，結(jié)果表明中國耕地的解譯精度總體為83.15%（圖1）。分省來看，江蘇、遼寧和湖南的解譯精度最高，分別能達(dá)到96.92%、96.83%和96.55%，而重慶、福建和貴州的解譯精度較低，分別為62.30%、65.31%和67.61%。對2010年數(shù)據(jù)的驗證，數(shù)據(jù)制作方委托第三方開展精度評估，采用空間數(shù)據(jù)二級抽樣檢驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行精度驗證，選取精度驗證樣本點超過15萬個，涉及9種地類，得到2010年GlobeLand30數(shù)據(jù)的總體精度為83.51%，其中耕地的解譯精度達(dá)83.06%[22]。

圖1 2000年全國耕地數(shù)據(jù)解譯精度

2）糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)

本文應(yīng)用2000年和2010年各縣糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于《2001年中國縣（市）社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒》和《2011年中國縣(市)社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒》。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地和糧食生產(chǎn)的分布與變化

中國的耕地主要分布在以“大興安嶺-陰山-賀蘭山”為界的東部季風(fēng)區(qū)，西部地區(qū)耕地分布較少。2000－2010年間，中國耕地變化的基本特點是“西增東減，總量減少”。這期間中國耕地變化區(qū)域差異明顯，原本耕地資源較少的西部地區(qū)耕地面積增加明顯，特別是西北、西南地區(qū)，耕地增加較多。而東部地區(qū)的耕地變化主要表現(xiàn)為面積減少，其中，東北、華北、華中、華東及華南地區(qū)的省份耕地減少較多?？偟膩砜矗珖孛娣e凈減少了104.03萬hm2，年均減少10.4萬hm2。從省份層面上看，有21個省市自治區(qū)的耕地面積表現(xiàn)為減少，其中，內(nèi)蒙古、河南、山東、江蘇和河北的耕地減少最多，達(dá)20萬hm2以上。從縣級層面上看，有38.00%的縣耕地有所增加，61.92%的縣耕地面積有所減少，只有廣西的巴馬瑤族自治縣和海南的樂東黎族自治縣內(nèi)的耕地數(shù)量沒有變化。

研究時段內(nèi)，耕地面積的變動主要表現(xiàn)在其與林地、草地和人工表面的轉(zhuǎn)換上（圖2）。耕地與其他地類的轉(zhuǎn)換也表現(xiàn)出了一定的空間集聚。南方地區(qū)的耕地主要與林地轉(zhuǎn)換頻繁，這些地區(qū)的森林資源豐富，給耕地的開墾提供了條件，同時，隨著非農(nóng)就業(yè)機(jī)會的增多，大量農(nóng)業(yè)勞動力外遷造成劣質(zhì)耕地的退耕和撂荒，從而有部分的耕地恢復(fù)成了林地[23]。東北地區(qū)、內(nèi)蒙古及長城沿線區(qū)和青藏地區(qū)的草地資源豐富，這些地區(qū)的耕地與草地之間的轉(zhuǎn)換最為明顯。20世紀(jì)90年代以來，隨著人口的增多，糧食需求的增大，在地方政府的鼓勵和經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動下，北方地區(qū)出現(xiàn)了大面積草地被開墾成耕地的現(xiàn)象，而在2000年開始的退耕還林還草工程中，又有大量的耕地被恢復(fù)為林草植被[17]。生態(tài)建設(shè)工程的開展在“耕地-草地轉(zhuǎn)換地區(qū)”成效明顯。在北京、天津、山東、河南、安徽、江蘇和上海7個省市內(nèi)，耕地的變化主要表現(xiàn)為其與人工表面的轉(zhuǎn)換，除上海外，其余6個省市均位于在華北平原內(nèi)。這7個省市都屬于人口密集區(qū)，2010年的人口密度都在每平方千米400人以上，這7個省市的人口總和占全國的28.8%，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，這些地區(qū)內(nèi)建設(shè)用地與耕地的轉(zhuǎn)換日益頻繁，值得注意的是，華北平原是中國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，現(xiàn)有的耕作條件和耕地質(zhì)量都較好，農(nóng)業(yè)發(fā)展程度較高，在這些省份內(nèi)建設(shè)用地對耕地的占用會給糧食安全帶來更大的影響[24]，城鎮(zhèn)化與耕地保護(hù)之間的矛盾逐漸凸顯。我們還注意到，在新疆自治區(qū)，耕地的變化是以和裸地的轉(zhuǎn)換為主的，這主要是由于新疆的未利用地面積大，后備耕地資源約占全國的 15%[25-26]，所以耕地增加的主要途徑就是裸地的開荒。

圖2 全國耕地主要轉(zhuǎn)換類型

中國的糧食生產(chǎn)在空間上的分布與耕地數(shù)量的分布較為一致，且主要集中在東北、華北和南方地區(qū)。2000－2010年間，中國糧食產(chǎn)量的空間分布和總量的變化可以概括為“北增南減，總量增加”。其中，廣東、浙江、福建和重慶的糧食產(chǎn)量減少最多，糧食減產(chǎn)均達(dá)到400萬t以上；黑龍江、山東、河南、吉林和內(nèi)蒙古的糧食產(chǎn)量增加最多，糧食增產(chǎn)均達(dá)到1 000萬t以上，這些糧食增產(chǎn)較多的省市區(qū)也是糧食自給率較高的省市區(qū)，國內(nèi)的糧食流通明顯的表現(xiàn)為“北糧南運(yùn)”格局。從縣級層面上看，有64.19%的縣糧食產(chǎn)量有所增加，35.81%的縣糧食產(chǎn)量有所減少。

2.2 耕地和糧食生產(chǎn)分布的集中程度及重心變化

從耕地面積和糧食產(chǎn)量在全國分布的集中程度來看（圖3），耕地分布的集中程度會影響糧食生產(chǎn)的集中程度，且糧食生產(chǎn)分布的集中程度普遍高于耕地。從2000年和2010年耕地在全國分布的集中程度來看（圖3），2000年海南省的耕地為中度集中分布，59.20%的耕地都分布在文昌市和瓊山市；天津、上海和北京這2 a的耕地均為低度集中分布，天津市有50.00%的耕地分布在武清區(qū)、靜海區(qū)和寶坻區(qū)，上海市有40.71%的耕地都分布在奉賢區(qū)和崇明區(qū)，北京市有42.81%的耕地都分布在大興區(qū)、順義區(qū)和通州區(qū)。此外，其他省市區(qū)的耕地分布都比較均勻，沒有呈現(xiàn)出明顯的集中分布狀態(tài)。將2年的集中程度對比來看，只有上海、江蘇、內(nèi)蒙古、黑龍江、廣西、陜西、河南和黑龍江8個省市區(qū)耕地分布的集中程度有所提高，其余省市區(qū)內(nèi)耕地的分布都是越來越趨向于均勻分布的?？偟膩砜?，中國的耕地資源在各省市區(qū)內(nèi)分布的集中程度為0.05，沒有表現(xiàn)出較強(qiáng)的集中趨勢，耕地不是集中的分布在某些省市區(qū)的。

注：2000年臺灣的糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)缺失，2010年上海和臺灣的糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)缺失。

Note: Data for grain production in Taiwan were absent in 2000, and data for grain production in Shanghai and Taiwan were absent in 2010.

圖3 2000年、2010年全國耕地面積和糧食產(chǎn)量分布的集中程度

Fig.3 Concentration degree of cultivated land and grain output in China in 2000 and 2010

受耕地分布集中程度的影響，這2 a糧食產(chǎn)量在各省市區(qū)內(nèi)空間分布的集中程度（圖3）表現(xiàn)為：2000年上海和天津的糧食生產(chǎn)高度集中分布在某些縣（市）內(nèi)。天津在2010年，北京在2000年和2010年，糧食產(chǎn)量的分布都表現(xiàn)為中度集中分布。其余省市區(qū)的糧食生產(chǎn)都均勻分布在省內(nèi)的縣（市）中。從這兩年糧食產(chǎn)量分布集中程度的對比來看，天津、海南、寧夏、北京、山西、甘肅、河北、貴州、湖南、黑龍江和西藏這11個省市區(qū)糧食產(chǎn)量空間分布的集中程度有所下降，其余省市區(qū)的糧食產(chǎn)量空間分布都有集中的趨勢?？偟膩砜?，2000年全國糧食產(chǎn)量分布的集中程度為0.05，集中程度在2010年有所提高，為0.06。

2000－2010年間，中國耕地面積分布的重心表現(xiàn)出了“南退西移”的趨勢，糧食產(chǎn)量分布的重心則是“北上東移”，兩個重心移動的方向恰好相反（圖4）。耕地面積的重心由河南省焦作市的修武縣向西南方向移動到武陟縣，而糧食生產(chǎn)的重心是由河南省駐馬店市的西平縣向東北方向移動到山東的菏澤市。從重心移動的距離看，糧食生產(chǎn)重心移動的距離遠(yuǎn)大于耕地重心移動的距離，說明與耕地分布格局的變化相比，中國糧食生產(chǎn)的格局有了較明顯的趨勢性改變。與劉彥隨等人[11]的研究結(jié)果對比來看，1990－2005年間糧食生產(chǎn)的重心同樣有向北移動的趨勢，中國北方糧食生產(chǎn)對全國糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)越來越大，2000－2010年間，糧食生產(chǎn)重心仍然表現(xiàn)為由南向北的趨勢性移動，區(qū)域性的糧食供求矛盾加大，北方地區(qū)的糧食自給率普遍高于南方地區(qū)，東北、華北和西北的糧食能保證供求平衡且略有富余，而京津冀地區(qū)、青藏地區(qū)、西南和東南的糧食則表現(xiàn)為供不應(yīng)求，糧食生產(chǎn)格局已開始由“南糧北運(yùn)”向“北糧南調(diào)”轉(zhuǎn)變，而且這種格局正在逐步加強(qiáng)。

圖4 2000－2010年耕地面積和糧食產(chǎn)量重心移動趨勢

2.3 糧食產(chǎn)量對耕地面積變化的敏感性分析

在空間上將糧食生產(chǎn)的變化與耕地的變化結(jié)合來看，可以將全國各省市區(qū)份劃分為4類（圖5）。2000—2010年間，新疆、青海、寧夏和湖北屬于耕地數(shù)量增加，糧食產(chǎn)量也增加了的地區(qū)；北京、上海、重慶和浙江屬于耕地數(shù)量減少，糧食產(chǎn)量也有減少的地區(qū)；這些地區(qū)的糧食產(chǎn)量變化與耕地數(shù)量變化存在正向的關(guān)系。而西藏、四川、福建、廣西、廣東和海南的耕地數(shù)量有所增加，糧食產(chǎn)量卻有減少，主要由于在這個時期內(nèi)耕地占補(bǔ)平衡政策的實施過程中，存在耕地的占優(yōu)補(bǔ)劣現(xiàn)象，建設(shè)占用耕地的糧食生產(chǎn)能力總體上優(yōu)于補(bǔ)充的耕地；同時，福建省作為雙季稻作區(qū)，研究時段內(nèi)的水稻種植復(fù)種指數(shù)有顯著的下降，雙季稻改種單季稻的現(xiàn)象顯著，2000－2010年間，雙季稻作面積比例減少了20%左右，也造成了糧食產(chǎn)量的減少[27-28]。其他的省市區(qū)則屬于耕地數(shù)量減少，而糧食產(chǎn)量有所增加的地區(qū)，主要原因是技術(shù)的進(jìn)步和耕地利用集約度的提高，使糧食生產(chǎn)效率有所上升[29]。

圖5 全國耕地數(shù)量與糧食產(chǎn)量變化

從縣級尺度來看，2000－2010年期間，糧食生產(chǎn)對耕地變化無敏感性的縣（市）有1 732個，其中，耕地面積減少而糧食產(chǎn)量增加的有1 399個，耕地面積增加而糧食產(chǎn)量減少的有333個；低度敏感的縣（市）有316個，其中，耕地面積增加，糧食產(chǎn)量也增加的有129個，耕地面積減少，糧食產(chǎn)量也減少的有187個；中度敏感的縣（市）有94個，其中，耕地面積增加，糧食產(chǎn)量也增加的有46個，耕地面積減少，糧食產(chǎn)量也減少的有48個；高度敏感的縣有414個（圖6），其中，耕地面積增加，糧食產(chǎn)量也增加的有239個，耕地面積減少，糧食產(chǎn)量也減少的有175個。全國共計32.24%的縣（市）的糧食生產(chǎn)都對耕地面積變化有敏感性。具有敏感性的縣（市）在除天津和臺灣外的各省市內(nèi)均有分布，主要分布在東北、華北、西部、長城沿線、西南和東南沿海地區(qū)。寧夏、貴州、湖北和新疆都有超過一半的縣（市）具有敏感性。劉彥隨等人[11]的研究結(jié)果顯示，1998－2005年糧食生產(chǎn)對耕地變化有敏感性的縣（市）占全國的47.6%，2000－2010年間該比例減少了 15.4%，但有敏感性的縣（市）的分布是相似的，如果不考慮數(shù)據(jù)源的影響，則說明1998－2005年間那些具有敏感性的縣（市），在2005－2010年間，其糧食生產(chǎn)對耕地變化的敏感性是逐漸降低的。

注：Ⅰ為糧食產(chǎn)量增加的地區(qū)，Ⅱ為糧食產(chǎn)量減少的地區(qū)。

從直接的影響來看，糧食產(chǎn)量受糧食播種面積和糧食作物單產(chǎn)的影響，也就是受農(nóng)民種糧意愿和農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的影響。而隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展和勞動力成本的上升，農(nóng)民務(wù)農(nóng)的投入成本和機(jī)會成本都隨之上升，耕地作為農(nóng)民的生產(chǎn)資料和根本生活保障，其在農(nóng)戶家庭生計中發(fā)揮的作用越來越小，所以農(nóng)戶出于利益最大化的考慮，會選擇調(diào)整自己的種植結(jié)構(gòu)和復(fù)種指數(shù)，選擇種植經(jīng)濟(jì)作物，或調(diào)整種植制度，當(dāng)前長江流域的“雙改單”現(xiàn)象就是耕地復(fù)種指數(shù)降低的例證[27]，甚至還會出現(xiàn)耕地的撂荒現(xiàn)象，據(jù)不完全統(tǒng)計，1980年以來中國已有21個省市出現(xiàn)了耕地撂荒現(xiàn)象并有相關(guān)調(diào)研或報道[30]，按照全國常年流動5 000萬農(nóng)民計算，如果外出農(nóng)民人均荒置0.02 hm2耕地，那么每年因耕地撂荒帶來糧食減產(chǎn)就會達(dá)到5×108kg以上[31]。農(nóng)民種糧的意愿本來就是降低的，如果此時耕地面積再減少，就會對糧食生產(chǎn)造成更大影響，糧食生產(chǎn)對耕地面積的依賴程度會更高。社會追求的糧食產(chǎn)出最大化目標(biāo)和農(nóng)戶追求的家庭收入最大化目標(biāo)之間的矛盾，導(dǎo)致了糧食種植復(fù)種指數(shù)降低和用于種植糧食的耕地面積減少，對糧食產(chǎn)量形成了威脅，政府應(yīng)該制定合理的政策，以保障耕地數(shù)量和質(zhì)量作為基本目標(biāo)，同時要致力于提高農(nóng)民種植糧食作物的收益，提高農(nóng)戶種糧的積極性，從而提高真正用于種糧的耕地面積比例及糧食作物種植管理的集約程度，更有效的保障中國的糧食安全。我們還應(yīng)該注意到，全國67.76%的縣（市）的糧食生產(chǎn)對耕地面積變化并不敏感，隨著農(nóng)業(yè)專業(yè)化、規(guī)模化和農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，化肥、農(nóng)藥的使用更加合理，用水的管理更加專業(yè)，再加上優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種的培育，糧食的單產(chǎn)水平會有很大提高，以此可以降低糧食生產(chǎn)對耕地面積的依賴程度，所以糧食產(chǎn)出不僅受耕地數(shù)量的影響，糧食作物的單產(chǎn)水平對糧食產(chǎn)量的影響也是越來越重要的[32]。

3 結(jié)論與討論

通過對2000－2010年期間中國耕地和糧食生產(chǎn)的分布與變化特征的分析，以及對各縣（市）的糧食產(chǎn)量對耕地面積變化敏感性的分析，可以得出如下結(jié)論：

1）中國耕地主要分布在東部地區(qū)，耕地變化的特點是“西增東減，總量減少”，耕地面積凈減少了104.03萬hm2，年均減少10.4萬hm2。耕地與林地、草地和人工表面之間的轉(zhuǎn)換最多，耕地與林地的轉(zhuǎn)換主要集中在南方地區(qū)；東北、內(nèi)蒙古、長城沿線和青藏地區(qū)耕地與草地的轉(zhuǎn)換最多，生態(tài)建設(shè)工程開展的成效明顯；華北平原內(nèi)耕地與建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換最多；新疆的后備耕地資源豐富，耕地與裸地之間的轉(zhuǎn)換最多。

2）中國的糧食生產(chǎn)在空間上的分布與耕地數(shù)量的分布較為一致，主要集中在東北、華北和南方地區(qū)，糧食產(chǎn)量變化的特點是“北增南減，總量增加”。

3）從耕地面積和糧食產(chǎn)量在各省內(nèi)分布的集中程度來看，耕地分布的集中程度影響糧食生產(chǎn)的集中程度，且糧食生產(chǎn)分布的集中程度普遍高于耕地。從中國的耕地和糧食生產(chǎn)分布的重心變化來看，耕地面積重心和糧食生產(chǎn)重心的移動方向相反，耕地面積的分布表現(xiàn)出了“南退西移”的趨勢，糧食生產(chǎn)的重心則是“北上東移”。體現(xiàn)出了中國區(qū)域性的糧食供求矛盾加大，糧食生產(chǎn)的格局有了較明顯的趨勢性改變，已轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨奔Z南調(diào)”。

4）從2000－2010年耕地和糧食生產(chǎn)的變化情況來看，全國有32.24%的縣（市）都表現(xiàn)出了糧食生產(chǎn)對耕地變化的敏感性。具有敏感性的縣（市）在除天津和臺灣外的各省市內(nèi)均有分布，主要分布在東北、華北、西部、長城沿線、西南和東南沿海地區(qū)。在敏感性高的地區(qū)，應(yīng)該加強(qiáng)對耕地數(shù)量、質(zhì)量的保護(hù)和農(nóng)戶種糧積極性的提高，更要重視不敏感地區(qū)耕地地力的保護(hù)，以保證糧食的產(chǎn)量，保障中國的糧食安全。

從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局上看，中國耕地的開發(fā)應(yīng)該遵循因地制宜的原則，提高各地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)能的同時保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)2015年農(nóng)業(yè)部等8個部委共同編制發(fā)布的《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃（2015－2030年）》，從中國的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展分區(qū)來看，可以分為保護(hù)發(fā)展區(qū)（青藏區(qū)和海洋漁業(yè)區(qū)）、適度發(fā)展區(qū)（西北及長城沿線區(qū)、西南區(qū)）和優(yōu)化發(fā)展區(qū)（東北區(qū)、黃淮海區(qū)、長江中下游區(qū)、華南區(qū)）3個區(qū)域，從農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展角度考慮，優(yōu)化發(fā)展區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件好，應(yīng)保證該區(qū)域的耕地數(shù)量，穩(wěn)定發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。適度發(fā)展區(qū)的主要問題是水土資源不匹配，且資源環(huán)境承載能力有限，故應(yīng)按照保護(hù)與發(fā)展并重的原則，適度開發(fā)耕地并提高利用效率。保護(hù)發(fā)展區(qū)在生態(tài)文明建設(shè)中作用突出，故應(yīng)限制開發(fā)耕地的強(qiáng)度，以免對生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。

從耕地保護(hù)政策上看，中國有近1/3縣（市）的糧食生產(chǎn)對耕地面積的變化是敏感的，也就是說，保障耕地面積還是保障糧食安全的最基本防線，基于保障耕地面積就是保障糧食生產(chǎn)的考慮，中國要求繼續(xù)嚴(yán)守耕地紅線，根據(jù)我們的研究，糧食產(chǎn)量對耕地面積變化有敏感性的縣（市）主要分布在東北、華北、西部、長城沿線、西南和東南沿海地區(qū)，所以在嚴(yán)格保障耕地面積的時候，更應(yīng)該充分重視糧食生產(chǎn)對耕地面積變化響應(yīng)的區(qū)域差異，分區(qū)域劃定最低保障面積目標(biāo)。其次，更多的政策應(yīng)該著眼于提高農(nóng)民糧食生產(chǎn)的收益上，提高種植糧食作物的耕地比例和播種面積，才能更高效地保障中國的糧食安全。

從糧食安全上看，我們注意到，全國還有2/3縣（市）的糧食產(chǎn)量對耕地的變化不敏感，這樣的地區(qū)可以劃分為2類，第一類是耕地數(shù)量減少，而糧食產(chǎn)量增加的地區(qū)，第二類是耕地數(shù)量增加，而糧食產(chǎn)量減少的地區(qū)。為保障糧食安全，在這些地區(qū)應(yīng)該更加重視地力和單產(chǎn)水平的提高，2016年6月，農(nóng)業(yè)部等十部委聯(lián)合出臺了《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》，提出要在部分地區(qū)開展耕作輪作休耕試點，這些試點的選擇主要是基于耕作對生態(tài)的影響，資源的消耗和對耕地地力消耗的嚴(yán)重程度來選取，出于保障糧食安全的考慮，這些試點地區(qū)宜選擇在糧食產(chǎn)量對耕地變化不敏感的地區(qū)內(nèi)，目前選取的試點省份均位于不敏感地區(qū)內(nèi)，本研究也為輪作休耕指標(biāo)在這些省份內(nèi)各縣（市）中的分配做了探索性的工作。

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Spatial-temporal variations of cultivated land and grain production in China based on GlobeLand30

Wang Jiayue1,2, Xin Liangjie1※

(1.,,,100101,; 2.,100049,)

To understand the spatial-temporal variations of cultivated land and grain production and the sensitivity of grain production in counties to cultivated land variation in China during 2000-2010, this paper analyzed the distribution, variation and the shifting of barycenter of cultivated land and grain production, and the response of grain production to the change of cultivated land by means of statistical analysis using the 30 m resolution global land cover data (GlobeLand30) in the year of 2000 and 2010. The results showed that: 1) Cultivated land was mainly distributed in the eastern region of China, and the variation of cultivated land was characterized by the increase in the west, the decrease in the east and the decline of total amount of cultivated land. And the net decreased area of cultivated land was 1 040 300 hm2, and the average annual decrease area was 104 000 hm2. In the conversion of other land types to cultivated land, the conversion of forest land, grassland and artificial surface to cultivated land was the most. The conversion between cultivated land and forest land was mainly concentrated in the southern region; the conversion between cultivated land and grassland was mainly distributed in the northeast, Inner Mongolia, Qinghai-Tibet area and the area along the Great Wall, and the ecological construction projects in these areas have achieved remarkable results; the conversion between cultivated land and construction land was mainly distributed in the North China Plain; and the reserve cultivated land resources in Xinjiang were rich, and the conversion between cultivated land and bare land was the most. 2) Grain production was mainly concentrated in Northeast, North China and South China, and the variation of grain yield was characterized by the reduction in the south, the increase in the north and the increase of the total grain output. 3) From the concentration degree of cultivated land and grain production, the concentration degree of cultivated land distribution affected the concentration degree of grain production distribution, and the concentration degree of grain production was generally higher than that of cultivated land. With the opposition of the direction that the barycenter of cultivated land moved, the barycenter of grain production moved toward the north and the east. The contradiction between grain supply and demand in China has increased, and the pattern of grain production in China has changed to “north-to-south grain diversion”. 4) The grain production of 32.24% of counties showed the dependence on the quantity of cultivated land, which was mainly distributed in the northeast, North China, western region, the area along the Great Wall, southwest area and southeast coastal area. Grain output is not only affected by the quantity of cultivated land, but also affected by the sown area and the intensity of grain planting. In the areas with high sensitivity of grain production to cultivated land variation, we should strengthen the protection of the quantity and the quality of cultivated land and improve farmers’ enthusiasm of grain planting, and in the areas with less sensitivity, more attention should be paid to the protection of cultivated land fertility and the improvement of grain yield per unit area, so as to ensure food security in China. At the same time, the rotation and fallow can be implemented in less sensitive areas, to recover the land fertility without losing the grain production. This study also did the exploring work for the selection and allocation of rotation and fallow areas in China.

land use; remote sensing; food security; GlobeLand30 dataset; cultivated land change; grain production; spatial-temporal variation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.001

F323

A

1002-6819(2017)-22-0001-08

2017-08-21

2017-11-08

國家自然科學(xué)基金（41571095）

王佳月，內(nèi)蒙古赤峰人，博士生，主要從事土地利用變化與效應(yīng)研究。Email：wangjy.16b@igsnrr.ac.cn

辛良杰，山東濰坊人，博士，副研究員，主要從事土地利用變化與效應(yīng)研究。Email：xinlj@igsnrr.ac.cn