糧食安全視角下河南省淮河流域耕地資源時空演變

鄧 軍, 馬泉來, 衛(wèi)華鵬, 王小玉, 楊崇科, 周 浩, 張正飛

(1.重慶工程職業(yè)技術學院測繪地理信息學院, 重慶 402260;2.河南省資源環(huán)境調查一院, 鄭州 450007; 3.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心 (資源環(huán)境承載能力評價與監(jiān)測預警研究), 鄭州 450007; 4.湖南師范大學 資源與環(huán)境科學學院, 長沙 410081)

“手中有糧，心中不慌”，糧食安全不僅是事關國計民生和社會穩(wěn)定的根本問題，也是事關國家經濟發(fā)展、國土安全和國際糧食產業(yè)競爭的首要問題[1-2]。尤其是面對當前新冠肺炎疫情、非洲蝗蟲等災害沖擊，國際糧價上漲、現(xiàn)有糧食儲備情況及糧食生產能力也不斷得到社會各界的關注，由此產生的糧食安全問題也得到了國家層面、地方政府和普通大眾越來越多的重視，而耕地資源作為糧食生產的載體，其開發(fā)利用與保護情況更是成為關注的熱點問題[3-4]。

隨著國家第三次國土調查工作的適時開展，地方政府在耕地資源保護與利用過程中存在的建設占用優(yōu)質耕地、耕地資源非農化、非糧化以及違規(guī)綠化等問題不斷暴露，與耕地資源保護與利用有關的質量評價、農業(yè)結構調整、生態(tài)退耕、挖湖造景等問題成為當前自然資源管理部門關注的焦點[5-6]。國家層面為加強耕地資源保護、堅守糧食安全底線也陸續(xù)出臺了堅決制止耕地“非農化”，防止耕地“非糧化”穩(wěn)定糧食生產等一系列政策文件。當前，對一定區(qū)域內土地利用變化的定量和定性研究比較多[7-8]。較集中于土地利用變化的空間格局及土地利用變化所產生的的生態(tài)安全、環(huán)境效應等綜合性研究，且現(xiàn)有研究側重于變化特征在時間尺度上的闡釋，對土地利用變化尤其是耕地資源變化過程在空間上的表征研究較少[9-13]，然而，面對國際國內等外部環(huán)境沖擊下，有關糧食安全、耕地保護、耕地非糧化等新問題的凸顯，從國家糧食安全角度出發(fā)，針對重要糧食生產區(qū)，將耕地資源變化過程及在空間上的演變特征以更為直觀可視的方法進行展示，在實現(xiàn)耕地資源精細化管理及保護利用管控中顯得更加重要[14-15]。河南省淮河流域水土資源豐富，是河南省重要的糧食主產區(qū)，水田、旱地分布較廣，在水資源短缺日益成為耕地產能提升和糧食生產硬性約束的情形下，流域自然資源優(yōu)勢更加明顯，糧食生產的主體地位逐漸凸顯，開展基于糧食安全視角下的流域內耕地資源利用變化的時空特征量化研究也更具現(xiàn)實意義。

基于保障國家糧食安全和加強耕地資源保護視角，本文對河南省淮河流域1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年的耕地資源利用及演變特征進行量化分析，并通過建立1 km×1 km網格單元和耕地資源變化強度指數，對單元網格內的耕地資源時空變化強度進行空間展布，對不同時間段內耕地資源變化類型(轉入、轉出)在不同區(qū)域的空間特征進行量化分析，最后基于空間關系理論，對3個時間段內耕地資源變化的熱點區(qū)域及在空間上的轉移特征進行量化研究。通過以上研究過程，以期從流域宏觀、單元km網格微觀層面對河南省淮河流域糧食主產區(qū)耕地資源保護與利用調控過程提供準確數據。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)行政區(qū)劃包括信陽市的8縣2區(qū)以及駐馬店市正陽縣，共11個縣(市、區(qū))，總面積20 819 km2，2019年末總人口974萬人，常住人口約732萬人。地處鄂豫皖三省交界的地方，區(qū)位優(yōu)勢明顯，地理空間坐標為113°41′54″—115°56′25″E，31°22′58″—32°48′32″N。地形呈南高北低之勢，南部為桐柏山和大別山山地，最高海拔1 584 m，中部、北部為丘陵崗地和平原洼地，浉河、灌河等河流水系縱橫分布，淮河干流自西向東流過全境，水田種植比重大，是重要的糧食生產區(qū)。區(qū)域整體位于淮河以南，屬于典型的亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，季風氣候十分明顯，年均日照達1 900～2 100 h，年平均氣溫15.3～15.8℃，無霜期長，平均220～230 d，降雨豐富，年均降雨量993～2 100 mm，為農作物生長提供了優(yōu)越的天然條件。

1.2 數據來源

研究區(qū)11個縣(市、區(qū))土地利用現(xiàn)狀數據主要來自中國科學院資源環(huán)境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)，該數據以美國地質勘探局Landsat系列遙感影像為基礎，通過人工目視解譯生成，是目前精度較高的土地利用變化監(jiān)測數據，在自然資源領域得到大量的研究應用，可以滿足該尺度范圍土地利用變化需求。其他數據來源于研究區(qū)各縣(市、區(qū))官方網站和統(tǒng)計年鑒。

在已有地類劃分標準的基礎上，結合本實際需要進行土地利用二級類的歸并，將區(qū)域內土地類型分為旱地、水田、林地、草地、水域、建設用地和未利用地7類用地，并基于糧食安全視角，對其中的旱地和水田進行重點分析。

2 研究方法

空間上的定量化分析在當前國土空間規(guī)劃、資源環(huán)境承載力等研究中發(fā)揮著越來越重要的作用，本文結合當前自然資源管理工作熱點主要采用以下幾種量化研究方法。

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是研究土地利用變化、開展土地資源管理的常用方法，對不同時間節(jié)點不同土地利用類型之間的變化結構特征和劇烈程度具有較好的解釋[16]。本文主要通過ArcGIS 10.0平臺中的Intersect工具和在Excel中添加透視表對不同時間節(jié)點的耕地利用數據進行空間上的疊加和統(tǒng)計分析，以獲取研究區(qū)1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年3個時期的土地利用轉移矩陣。

2.2 耕地資源空間變化

(1) 耕地資源空間變化指數。為更好表征區(qū)域內耕地資源變化的時空特征，提高相關研究成果的實踐指導作用，本文以構建1 km×1 km小單元網格為基礎，在小單元網格尺度上開展耕地資源變化等時空特征分析，構建耕地資源變化指數，用以表征區(qū)域內耕地資源整體變化的強度特征[8,16]，計算公式如下：

式中:Ia為耕地資源變化強度指數;uai,ubi分別為相應時間節(jié)點(初、末)耕地資源(水田、旱地)的面積;D為變化單元面積,除研究區(qū)邊緣外,其他均為1 km2。

(2) 耕地資源空間變化類型。在掌握區(qū)域耕地資源變化強度時空變化特征的基礎上，進一步梳理耕地資源變化的類型特征，掌握耕地增加來源、減少去向等類型信息在空間上的分布情況，是一種將土地利用研究在微觀尺度上的定量化研究方法[8,17]。在耕地安全問題日益重要的背景下，可以為耕地資源保護、非農化、非糧化、穩(wěn)定性耕地布局等相關地方政策的制定提供準確依據。

2.3 熱點分析

地理學第一定律指出，任何事物都與其他事物相聯(lián)系，臨近的事物比較遠的事物聯(lián)系更為緊密[18]。熱點探測分析正是基于這樣的空間關系，來表征一定區(qū)域范圍內指標要素的集聚中心、集聚程度和分布趨勢等地理空間特征的分析方法[19-20]。本文主要通過定義一個“聚集單元”的“極限距離或閾值”，將不同空間要素間的距離進行比較分析，進行聚集單元的劃定，并通過該集聚特征在時空上的變化得到研究區(qū)耕地資源變化熱點區(qū)域在空間上的轉移過程，以便更好地、更直觀地從全域角度反映耕地資源變化格局轉移特征。

3 結果與分析

3.1 耕地資源利用現(xiàn)狀及轉移特征

基于研究區(qū)1990年、2000年、2010年、2018年4個不同時間節(jié)點的土地利用現(xiàn)狀數據和ArcGIS 10.0空間分析功能，獲得研究區(qū)1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年3個時間段的土地利用轉移矩陣(表1—3)。整體來看，研究區(qū)不同地類間轉化比例較大，耕地面積由1990年的14 460.63 km2減少到2018年的13 629.62 km2，減少了約831.01 km2，減少幅度達5.75%，其中旱地面積減少862.16 km2，水田面積變化為凈增加31.15 km2。在其他地類中，林地、水域和建設用地也均有大幅度增加，各個地類間的轉化特征在不同時間段內也有所不同。

從表1可以看出，1990—2000年研究區(qū)土地利用變化呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的特征，不同地類間的轉化較小，其中水田面積增加了126.33 km2，變化幅度較大，旱地面積減少了61.47 km2，這與該時間段內研究區(qū)農業(yè)生產者進行的旱地改水田過程有較大關系，面積約162.20 km2，耕地總量的增加對穩(wěn)定區(qū)域糧食生產、保障糧食安全發(fā)揮了基礎作用。從旱地的轉入情況來看，也存在一定比例的水田轉化為旱地的情形，但在這個過程中也有142.34 km2的林地被開墾為旱地進行耕種，這也與當時重糧食生產而忽視生態(tài)保護的觀念有關，其中也有大面積的、適宜耕作的草地、水域灘涂等未利用地得到開發(fā)，一定程度上也增加了耕地的數量，農業(yè)生產與生態(tài)保護的沖突開始出現(xiàn)。從1990—2000年研究區(qū)大部分區(qū)域位于大別山區(qū)，社會經濟發(fā)展受限，因此該時期研究區(qū)建設用地的增長速度較慢，10 a間增加了92.79 km2，且以占用區(qū)域內的旱地和水田為主，建設占用耕地情形特征突出。

表1 1990-2000年河南省淮河流域土地利用轉移矩陣 km2

表2 2000-2010年河南省淮河流域土地利用轉移矩陣 km2

在2000—2010年，受社會經濟發(fā)展、國家退耕還林等社會環(huán)境和國家政策的影響較大，研究區(qū)土地利用變化較為強烈。從表2可以看出，與上一時間段不同的是該時間段內研究區(qū)水田、旱地面積均出現(xiàn)減少趨勢，其中旱地減少755.19 km2，水田減少82.50 km2，該時期旱地與水田之間相互轉換面積也都在500 km2以上，進一步優(yōu)化了耕地的空間布局，對區(qū)域內糧食生產具有一定的促進作用。數據顯示該時間段內，在耕地面積下降的情況下，區(qū)域內糧食生產總量穩(wěn)步提升，增長幅度達50%，這一方面得益于國家層面不斷加大耕地保護力度，另一方面該時間段內高標準農田建設、良種培育等方面都得到較快發(fā)展，糧食畝產有大幅提升。在林地變化上，該時期有個較為明顯的特征，林地開墾等行為得到禁止，有575.83 km2的旱地進行了退耕還林，林地總面積增加幅度大，退耕還林、生態(tài)保護等發(fā)展理念逐步增強。草地和水域等適宜耕作的未利用地得到一定開發(fā)，有20.67 km2的草地被開發(fā)為旱地和水田，其中受季節(jié)性影響較大尤其是適宜耕作的灘涂用地與耕地之間存在相互的轉換，整體來說，水域面積呈不斷增加趨勢，這與研究區(qū)河流水系發(fā)達密切相關。建設用地面積從2000年的1 496.81 km2增加到2010年的1 728.83 km2，增加了232.02 km2，是上一時期的2.5倍，建設占用耕地總面積為342.24 km2，雖然該時期建設用地復墾耕地面積約131.17 km2，建設用地擴張仍侵占了大量的優(yōu)質耕地，該時期社會經濟發(fā)展與耕地保護之間的矛盾已十分突出，雖然該時期糧食總產量有所提高，但耕地資源的減少也絕對地擠壓了未來區(qū)域糧食總產能的提高空間，特別是隨著高標準農田建設等耕地提質增效措施的全面實施，單位面積糧食產量將會出現(xiàn)峰值，要維持一定的糧食產能、保障糧食安全最終還是要著眼于保障一定的耕地資源總量。

表3 2010-2018年河南省淮河流域土地利用轉移矩陣 km2

從表3可以看出，研究區(qū)2010—2018年的土地利用變化強度較上一時間段的劇烈變化有了很大改善，整體而言該時間段內研究區(qū)土地利用變化程度較為平緩。耕地資源仍有一定的減少，水田減少了12.59 km2，旱地減少了44.93 km2，耕地資源的減少主要來源于水田、旱地間的轉化和建設占用，建設占用水田、旱地面積分別為33.36 km2和77.12 km2，該數字較上一時間段有大幅度的減少，說明該時期內建設占用耕地情形得到了一定的控制，但建設占用耕地情形依然存在，該時期建設用地復墾主要集中在旱地，復墾面積達31.11 km2。林地、草地資源在該時期內除了在不同地類間有小面積的轉化外，基本維持在一種穩(wěn)定狀態(tài)。研究區(qū)水資源較為豐富，該時間段內水域面積變化不大。建設用地在該時期共增加了55.97 km2，建設用地增加速度較上一時期有較大減小，但建設用地增加仍主要依賴于對耕地資源的占用，威脅著糧食生產安全等，加大建設用地與耕地保護之間的調控政策與機制研究仍是自然資源管理過程中的重大問題。未利用地可開發(fā)空間已越來越少，剩余的未利用地都不具備開發(fā)條件或開發(fā)利用價值小等原因。從糧食安全角度來看，這一階段耕地資源減少對糧食安全影響已經顯現(xiàn)，根據統(tǒng)計公報顯示，信陽市糧食總產量從2010年的575.20萬t，下降至2018年的568.30萬t，下降幅度雖小，但需要考慮研究區(qū)“十二五”、“十三五”期間進行了大范圍的高標準農田、耕地提質改造等工程建設對糧食畝產的積極影響，否則伴隨耕地面積的減少，糧食總產量下降幅度將會更大?？梢灶A見的是，隨著高標準農田建設的全面覆蓋、糧食良種的大面積種植，單位耕地面積糧食產能的提升空間會越來越小，面對建設占用耕地、生產生活污染損毀耕地等情形，要保證一定的糧食自給率，維持一定數量的耕地面積會成為保障糧食安全、端穩(wěn)飯碗的關鍵之措。

3.2 耕地資源時空演變特征

3.2.1 耕地資源變化指數 針對耕地資源變化情況，掌握其變化強度及時空分布特征意義重大。通過ArcGIS 10.0平臺的空間分析模塊，以1 km×1 km網格為單元，計算得到研究區(qū)1990—2018年3個時間段內單位面積內耕地資源變化強度，并按照0.07 hm2，1 hm2和35 hm2標準劃分等級，得到研究區(qū)耕地資源變化強度的時空演變特征(圖1)。

圖1 耕地資源變化強度分布

由圖1可以看出1990—2000年、2000—2010年和2010—2018年3個時間段內耕地資源變化強度空間分布特征存在較大的差異性。1990—2000年整個研究區(qū)耕地資源變化強度在空間上分布較為平均，耕地資源變化強度主要集中在0%～0.07%和0.07%～1.00%，即每1 km2耕地變化面積分別為0～0.07 hm2和0.07～1 hm2，耕地資源變化的高強度地區(qū)主要分布在固始、淮濱、潢川、商城等幾個縣城的核心區(qū)以及信陽市浉河區(qū)，這說明在該時期耕地資源的變化主要集中在城市周邊等較小的范圍內。2000—2010年，研究區(qū)耕地資源變化較上一時期強度更加劇烈，強度等級以0.07%～1.00%和1.00%～35.00%為主，且強度在1.00%～35.00%的地方主要分布在正陽縣，特征明顯，因此深入研究該時間段該區(qū)域內耕地資源變化的原因具有重要意義。同時該時期耕地資源變化強度位于35.00%～100.00%范圍的區(qū)域也比較集中，主要分布在淮濱縣東部、潢川縣和商城縣的交界處以及新縣的東部區(qū)域，這些區(qū)域內耕地資源變化具有強度高、范圍廣等特征。2010—2018年，整個研究區(qū)耕地資源變化強度一般，強度范圍以0.07%～1.00%為主，變化強度在1.00%～35.00%的區(qū)域主要分布在正陽縣以及沿固始縣與商城縣南北向分布，該時期耕地資源未出現(xiàn)大面積、高強度的變化情形，耕地資源呈現(xiàn)一定的穩(wěn)定性。綜合3個不同時期耕地資源變化強度的空間分布及耦合情況，可以得出，從1990—2018年，研究區(qū)各縣(市、區(qū))均經歷了不同程度的耕地資源變化(增加、減少)過程，其中2000—2010年變化強度突出，區(qū)域差異性也最大，這也與該時期研究區(qū)土地利用整體變化特征具有較大的一致性。

3.2.2 耕地資源變化類型空間分布 為更好地揭示研究區(qū)耕地資源變化強度在時間和空間上變化的原因，本研究對研究區(qū)3個對應時間段內耕地資源變化的類型(轉入和轉出地類)在空間上進行展布，得到研究區(qū)耕地資源轉化類型空間情況(圖2)。

圖2 耕地資源類型轉化空間分布

耕地資源類型轉化空間分布圖是對研究區(qū)耕地資源強度空間變化原因的一種直觀解釋，對區(qū)域內農業(yè)種植結構調整，耕地“非農化”、“非糧化”問題研究也更具直觀意義，進一步指導地方自然資源管理部門開展耕地“非農化”、限制農業(yè)結構調整、保持一定的耕地數量等政策的制定，保障區(qū)域糧食產能穩(wěn)定。從圖2可以看出，在1990—2000年，研究區(qū)耕地資源變化類型主要呈現(xiàn)兩個特點，一個是沿著南部山地邊緣呈帶狀分布的林地開荒情形(林地變耕地)，一個是沿淮河干流的旱地改水田過程，以追求更大的農業(yè)生產利益為主，其他的主要是縣域建成區(qū)周邊的建設用地占用耕地。2000—2010年期間是研究區(qū)耕地資源變化比較劇烈的一個時期，呈現(xiàn)出耕地資源變化強度大、集中連片范圍廣的特點，其中在新縣東部存在大面積的退耕還林情形，地形地貌上該區(qū)域為大別山南麓，以山地丘陵為主。在耕地內部的旱地和水田之間，羅山縣北部有大面積的水田轉變?yōu)榱撕档?，而在潢川和淮濱等水系更為集中的地方存在著大范圍的旱地改水田過程，耕地與建設用地之間，在空間分布上與上一時期較為一致，但建設占用耕地的范圍和面積擴大許多，對區(qū)域內糧食生產沖擊也最大，整體來看，這一時期的耕地資源變化存在較大的區(qū)域差異性。在2010—2018年，耕地資源變化在空間上呈現(xiàn)小面積的散亂分布，類型轉換以小圖斑間的耕地林地以及建設用地轉化為主，整體上該時期耕地資源的變化呈現(xiàn)穩(wěn)定情況，對于研究區(qū)耕地資源保護利用，保障糧食安全是有利的，在正陽、潢川、淮濱等平原區(qū)域建設用地侵占耕地的情形比其他地區(qū)較為明顯。整體而言，研究區(qū)耕地的流出，既有建設占用的因素，也有農業(yè)生產經營利益、過度或不合理綠化等造成的農用地內部結構調整造成的糧田非糧化的因素，因此，在強化建設用地占用耕地等管控措施的同時，也需要關注和防止耕地過度綠化、不合理退耕、耕地“非糧化”等動搖糧食安全基礎行為的發(fā)生，以保證區(qū)域耕地資源維持在較穩(wěn)定水平。

3.3 耕地資源變化熱點區(qū)域

借助ArcGIS 10.0空間分析模塊，對研究區(qū)1990—2018年耕地資源變化進行具有統(tǒng)計顯著性(顯著性水平≥90.00%)的熱點區(qū)域識別，并進行空間疊加，得到研究區(qū)范圍內耕地資源變化熱點區(qū)時空轉移過程，該過程一定程度上也代表了研究區(qū)糧食生產的重心時空轉移特征(圖3)。

圖3 耕地資源變化熱點區(qū)域轉移圖

由圖3可以看出，從1990—2018年，研究區(qū)耕地資源變化的熱點區(qū)域在3個不同時間段內具有較大的差異性。1990—2000年，耕地資源變化的熱點區(qū)域斑塊面積較小且分散，以商城、光山、潢川等中南部縣市為主。2000—2010年，耕地資源變化的熱點區(qū)域則集中于淮濱、潢川和商城交界、新縣東部等區(qū)域，呈南北向分布，其他區(qū)域則為部分零星分布。2010—2018年，耕地資源變化的熱點區(qū)域向整個研究區(qū)西北方向轉移，集中分布于研究區(qū)西北方向的正陽縣且斑塊面積大，在東部固始縣等區(qū)域仍有小范圍的熱點區(qū)域。整體而言，研究區(qū)耕地資源變化的熱點區(qū)域呈現(xiàn)出由剛開始的散亂分布，到后期的規(guī)律性偏移等時空特征，伴隨該過程的也是研究區(qū)糧食生產重心的變化，因此，對于在糧食安全的大背景下，加大糧食主產區(qū)長時間序列上耕地資源宏觀演變規(guī)律研究，掌握區(qū)域內耕地資源變化特征及演變趨勢，明確耕地資源調控重點區(qū)，對確保區(qū)域糧食產出、堅守糧食安全底線具有重要的參考價值。

4 結 論

(1) 1990—2018年，研究區(qū)不同地類間轉化比例較大，耕地資源面積減少了約831.01 km2，減少幅度達5.75%，其中旱地減少862.16 km2，水田凈增加31.15 km2，2000—2010年減少幅度最大，變化最激烈，在其他地類中，林地、水域和建設用地也均有大幅度增加，耕地面積減少導致的糧食安全問題開始顯現(xiàn)，隨著高標準農田建設的全域覆蓋，保持一定數量的耕地仍是保障糧食安全的根本舉措。

(2) 研究區(qū)耕地資源變化強度時空特征顯著。1990—2000年耕地資源變化強度在空間上分布較為平緩，變化強度范圍為0%～0.07%和0.07%～1.00%。受退耕還林、旱地改水田等影響，2000—2010年區(qū)域耕地資源變化強度在35.00%～100.00%的范圍面積較多，整體呈現(xiàn)強度大、范圍廣的特點。2010—2018年，研究區(qū)耕地資源變化強度一般，強度范圍以0.07%～1.00%為主，且相對集中。

(3) 研究區(qū)耕地資源轉化類型先后經歷了1990—2000年的山地丘陵區(qū)林地開墾和平原區(qū)旱地改水田過程，到2000—2010年的山區(qū)退耕還林以及耕地內部旱地水田之間的轉化，再到2010—2018年的不同地類間的相互轉化的一個過程，建設用地對耕地的侵占則貫穿整個時期，以占用城市周邊優(yōu)質耕地為主，需要進一步完善建設占用管控措施，也要防止過度綠化侵占耕地和耕地“非糧化”等威脅糧食安全情形的發(fā)生。

(4) 研究區(qū)耕地資源變化的熱點區(qū)域在3個不同時間段內具有較大的差異性。表現(xiàn)出由1990—2000年的熱點區(qū)域斑塊面積較小且分散，到2000—2010年的熱點區(qū)域集中于淮濱、潢川和商城交界、新縣東部等南北向區(qū)域和2010—2018年的熱點區(qū)域整體向西北正陽縣轉移的過程，區(qū)域特征十分明顯。