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陶铃佳，刘平辉，朱传民
（东华理工大学地球科学学院，江西 南昌 330000）
“万物土中生，有土斯有粮”，保证粮食安全，稳定和提高粮食综合生产能力需要以一定数量和质量的耕地来确保[1-2]。当面对新冠肺炎疫情的席卷、国际形势的紧张，伴随着粮价上涨，粮食安全的问题不断得到国内外社会各界密切关注，由此，作为粮食生产载体的耕地资源如何高效利用与保护成为全球人地关系、地粮关系研究领域的前沿问题[3]。
根据第三次国土调查的初步数据，全国在耕地资源利用与保护过程中存在大量问题，例如建设占用耕地，“耕地非农化”“耕地非粮化”，高标准农田破环。由此，自然资源部门将关注点转移到生态退耕、农业结构调整等方面。国家层面根据形势，一系列避免耕地“非农化”“非粮化”、稳定粮食生产总量的政策文件陆续出台用于实践，促进耕地资源保护，守住18亿亩耕地红线[4-6]。耕地资源研究是土地利用研究的部分，从目前的研究来看，此领域主要是从宏观角度对某一区域内土地利用类型的变化开展研究，而不是特定耕地资源的变化进行研究，并且内容侧重于土地利用变化的空间布局及对生态资源价值和环境效应等的影响因素分析[7-8]，侧重于阐述时间序列变化，研究方法以定性和指数计算为主[9-10]。然而，面对当前外部环境的冲击，基于粮食安全角度，针对重要粮食生产区，通过对小单元尺度内其长时间序列的耕地资源变化进行可视化研究，更直观地解释研究区耕地资源的时空演变，是对土地利用理论的扩展，耕地利用转型领域的延伸。从可持续发展理论角度来讲，更利于各地实现耕地精细化管理，为保护利用耕地资源提供新的路径[11-12]。如今，水资源限制耕地资源质量和粮食生产力的提升，但抚州市的水资源优势加固了其粮食生产的优势地位，抚州市耕地资源利用变化时空格局研究具有极大的现实意义。
在21世纪粮食安全问题的冲击下，为了贯彻国家“藏粮于地，藏粮于技”战略，确保国家粮食安全，本文以抚州市为研究区域，采用遥感和相关统计数据，运用ArcGIS，对1990—2020年30年的土地利用数据分析，以10年为间隔，构成1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年3个时间段的土地利用转移矩阵。基于1 km×1 km网格单元的微观尺度，根据耕地资源变化强度公式，定量分析3个时间段内单元网格尺度耕地资源受到人类活动干扰程度以及空间变化特点，在空间上展示单元网格尺度不同研究时间点的土地利用数据和耕地资源时间和空间上的变化。分别从市域、km网格单元宏观和微观2个尺度对抚州市未来耕地资源保护和利用过程提供精准数据，不仅要提升耕地数量更要保证耕地资源质量。
1.1 研究区概况
抚州市位于江西省东部，是长江中游城市群重要组成部分，界于东经115°35′～117°18′，北纬26°29′～28°30′之间，行政区划面积188万hm2。抚州市地势除开北部为平原，三面为山，中间以丘陵与盆地地形为主导，逐渐向鄱阳湖平原倾斜。境内河流众多，抚河是江西省内第二大河流，从抚州市中南部流过，水资源丰富。抚州市位于季风气候区，气候特点为湿润多雨，光热条件好，为抚州市的农作物生长提供得天独厚的天然条件。抚州市得益于抚河流域的先天优势，水土资源丰富，是江西省重要的“三区一片水稻生产基地”，水田、旱地分布广泛。
1.2 数据来源
研究区用到的数据主要包括1990—2020年空间分辨率为30 m的遥感土地利用数据、行政边界数据等。其中数据主要来自于中国科学院资源环境科学数据中心，数据精度较高，可供本研究尺度使用，其余辅助数据来自于抚州市自然资源局和统计年鉴。结合第三次国土调查对遥感影像数据进行人工目视解译，细化已有的土地分类，将耕地细分为水田和旱地。研究区土地利用类型分为7大类：水田、旱地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地。运用ArcGIS的按属性选择功能提取研究区耕地数据进行重点分析。
近日，国土空间规划、资源环境承载力等研究成为热点话题，在空间尺度上的定量化分析方法被广泛运用于此领域研究，本文选择基于时间尺度，以国家土地调查时间为节点依据，分别以2000年、2010年为时间尺度分割点，划分前后时间段，对1990—2020年近30年的耕地资源利用展开研究（图1）。
图1 耕地资源变化技术流程
2.1 土地利用转移矩阵
土地利用转移矩阵便于直观解释说明不同土地利用类型在不同时间点的变化特征以及变化强度[13-14]，是土地资源管理研究领域的热点方法。将1990—2020年的栅格数据进行投影且转换为矢量数据，基于ArcGIS 10.2平台中的Intersect功能叠加分析1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年3个不同研究时期的地类变化情况，着重分析耕地资源（旱地、水田）的减少流向以及增加来源。再通过Excel插入透视表的方式对3个不同时期的地类转移情况进行展示，获取抚州市1990—2020年的3个不同时间段的土地利用转移矩阵，可从中得到研究区不同研究时期耕地资源的数量变化以及变化类型特征。
表1 土地利用矩阵方法
在转移矩阵的基础上还可以得出其净变化、转移变化以及总变化量。
净变化量（Nj）的计算公式：
转移变化量（Ej）的计算公式：
总变化量（Cj）实际上就是净变化和交换变化两者之和，计算公式：
2.2 耕地资源空间变化
2.2.1 耕地资源总体变化强度指数 本文以1 km×1 km小单元网格为独立单元，整体上能够更精确表现研究区域耕地资源变化的强度特征。通过构建耕地资源变化指数，在独立单元尺度上反映研究区耕地资源变化部分所占比例和变化速率，同时也反映了耕地资源变化受到人为活动的干扰强度[14-17]。强度指数公式：
式中，Ia为耕地资源变化强度指数；
tai、tbi分别为研究期初和研究期末的耕地资源（水田、旱地）的面积；
D为变化单元面积，除开研究区边缘外，其他均为1 km2。
2.2.2 耕地资源类型面积变化指数 基于独立单元网格内耕地资源总体变化情况，再去获得小单元尺度内的耕地资源变化类型与其他地类之间的转移情况所占比例，以达到剖析耕地资源的增加来源和减少流向等信息的空间布局的目的。这是一种微观视角下的土地利用研究领域的定量化研究方法，整体反映局部情况，是对前述的深入量化与阐释[8,18]。在粮食安全难题日益棘手的现在，更加精细化的耕地资源利用研究可以为各地耕地资源保护、“非农化”“非粮化”问题提供合理、准确的解决路径。
2.3 优化的热点分析
优化的热点分析实质上是具有用于自动设置的手动模式的“照相机”，与此类似，可用于完全控制所有参数选项，有助于优化提供的用于完全控制的参数。热点分析是对一切具有联系的事物进行分析的全局聚集性检验方法，用于阐释某一范围内指标值的聚集性、聚集水平和分布等空间特征[19-21]，通过对数据集中的每一个要素计算Getis-Ord Gi*进行统计得出高值要素聚类的位置，也就是热点区域。笔者首先通过Gi_Bin字段识别统计显著性，再去根据“阈值”划分“聚集单元”，再依据聚集情况从空间上来判断研究区不同时间段的耕地资源变化热点区域，同时能够获得研究区耕地资源变化的热点区域的转移特征[18,22]。
式中，xj是要素j的属性值；
ωi,j是要素i和j之间的空间权重；
n为要素总数。并且Gi*的正值得分越高，热点区域的聚类越密集。
3.1 耕地资源利用现状及转移特征
运用ArcGIS 10.2软件，对抚州市1990—2000年、2000—2010年和2010—2020年的土地利用现状数据进行空间分析，以Excel拉取透视表为辅，获取研究区3个不同研究期的土地利用转移矩阵，进而清晰反映耕地资源变化的数量结构特征与其余地类的转移状况（表2-表4）。经过分析后的结果显示，研究区7种地类结构均发生显著变化且转化比例较大。耕地总面积由1990年的50.57万hm2减少到2020年的41.60万hm2，减少了约8.97万hm2；
其中旱地面积减少了7.57万hm2，水田面积减少了1.40万hm2。纵观30年，不同土地类型之间的转化在空间上均有不同程度的差异，从数量上来看，耕地、水域、建设用地总面积均有不同程度地增加，其原因主要在于社会经济发展带来的建设用地规模不断增大，从而导致耕地数量的减少。
从表2可以看出，1990—2000年抚州市不同地类整体上数量保持稳定。其中水田总面积增加了0.15万hm2，旱地总面积减少了0.13万hm2，不同地类之间的转化面积较少，所占比例较小，但该研究时间段存在其他地类转化为耕地的情形，新增耕地总面积为0.43万hm2，耕地资源总量的增加对稳定区域粮食产量，确保粮食安全具有关键的积极作用。首先，从旱地的转入情况来看，有0.20万hm2的林地转化为旱地，旱地数量总体保持稳定。在20世纪90年代背景下，保护生态环境的意识缺失导致关注点仍在粮食生产上，因此林地被开垦为旱地来进行耕种，也避免不了对少量耕作条件不错的草地、水域等未利用地进行开发利用。这类行为一方面增加了耕地资源总量，但另一方面将生态环境与农业发展的对立曝光。在1990—2000年这10年建设用地总面积仅增加了0.09万hm2，并且大多是研究区内的耕地被占用。由此可以看出，该时期仍以自然条件为主导，社会经济的作用较为微弱，研究区内少量耕地被建设用地占用，故耕地资源情况还较为乐观。
表2 1990—2000年抚州市土地利用转移矩阵 万hm2
从表3可以看出，2000—2010年研究区土地利用变化与早期不同的是耕地面积减少，其余地类均有不同比例的变化，整体上变化强度较为激烈。从耕地变化数量可以看出，水田和旱地总面积在这10年间分别减少0.63、0.09万hm2。据统计年鉴，抚州市在2003年经历了严重干旱以及粮食播种面积调减，在当年粮食产量仅有161.51万t。但是耕地面积锐减得到了政府政策的保障，粮食总量仍得到提升，在2010年粮食总量恢复到262.80万t，增长幅度高达62.71%，保障了抚州市粮食主产区地位。同时，耕地资源的空间结构在这个时期得到一定的调整，水田和旱地内部的转化面积为0.09万hm2。该时期有0.27万hm2的旱地转换为林地，旱地的流失是因为这10年间国家开始加强生态保护建设，“退耕还林”“严禁开垦林地”等政策的出台。从耕地的流入情况来看，对草地、水域和一些具有耕作条件的未利用地进行开发利用，有0.03万hm2的草地转移为耕地，由于滩涂开发价值较高，能够被开发利用为耕地以增加耕地总量。水域面积在该时期也在不断增加，或与研究区本身水系发达息息相关。尽管该时期建设用地通过土地复垦转化为耕地面积为0.05万hm2，但是相较于由耕地转移为建设用地面积0.56万hm2。在该时期，优质耕地被建设用地占用将社会经济发展与耕地保护的冲突暴露。尽管2000—2010年的粮食产量有所提高，但是确保粮食安全性，最终还是要首先将关键放到确保一定的耕地资源数量上。
表3 2000—2010年抚州市土地利用转移矩阵 万hm2
从表4可以看出，整体而言该时间段内研究区土地利用变化情况相对明显，变化强度高，范围较为集中。耕地资源面积的减少主要源于2个方面：一是水田和旱地内部的相互转化。整体上水田面积减少了0.91万hm2、旱地面积减少了7.34万hm2，水田得到了较好的保护。二是建设用地占用耕地。尽管建设用地复垦面积有0.87万hm2，但是占用水田面积5.76万hm2、占用旱地面积为1.23万hm2，其复垦为耕地的数量远无法弥补占用耕地对粮食安全的威胁。水域面积从2010年的3.63万hm2增加到2020年的7.93万hm2，共增加了4.30万hm2，增加幅度较大。该时期的难题仍是提升建设用地与耕地资源保护之间的调控政策以及机制研究。
表4 2010—2020年抚州市土地利用转移矩阵 万hm2
从粮食安全视角来看，耕地资源数量减少导致的不利影响目前已经凸显。统计年鉴表明，抚州市粮食总产量从2010年的262.82万t，下降到2020年的261.00万t。尽管下降幅度较小，但必须考虑到高标准农田、耕地提质改造等工程措施对研究区粮食亩产的有利影响,不然随之而来的耕地资源面积的减少、继而粮食总产量会下降。伴随着科技力量的日益壮大，单位面积耕地的粮食生产能力会不断提高，保住耕地资源数量是确保粮食自给率的前提。
3.2 耕地资源时空演变特征
3.2.1 耕地资源变化指数 基于ArcGIS 10.2软件，创建以1 km×1 km的网格尺度，对研究区1990—2020年30年的耕地资源变化强度的空间格局进行分析，测算研究区1990—2000年、2000—2010年、2010—2020年3个时间段内单位面积内耕地资源变化强度，根据不同研究期内的变化强度特征按照0.90、1.50、20.00 hm2标准对研究区耕地资源变化强度进行等级分类，划为低强度区、中强度区、较高强度区、高强度区，同时展现研究区耕地资源变化强度 的时空演变特征（图2）。
图2 耕地资源变化强度
从图2可以看出，1990—2000年、2000—2010年和2010—2020年3个时期的耕地资源变化强度在空间上的分布特点具有较大差别。
1990—2000年，整个研究区耕地资源变化强度为1.49%，在空间上零星分布，耕地资源变化强度较为缓和，主要集中在0.90%～1.50%，即每100 hm2耕地（1个网格尺度）变化为其他地类面积为0.9～1.5 hm2。在此期间，耕地资源的变化呈现出集中于中心城区周边等小范围区域，尤其是临川区、东乡区、资溪县等几个县城的核心区位于该时期的耕地资源变化高强度区。
2000—2010年，研究区耕地资源变化较早期平稳，强度等级以0.00%～0.90%和0.90%～1.50%为主，该时期耕地资源变化空间差异性逐渐明显，已经呈现出沿抚河流域条带状分布特征。其中，强度在0.00%～0.90%的低强度区主要分布在研究区南部和西部，分别为乐安县、广昌县、崇仁县，变化强度较低，图斑破碎。同时该时期耕地资源变化强度位于0.90%～1.50%范围的区域集中分布在临川区、东乡区、南城县沿抚河流域地带，呈南北向分布，也是研究区耕地资源变化强度最为集中区域；
其次是在两区县交界处耕地资源变化强度较大。整体上可以得出，该阶段抚州市的耕地资源变化以抚河流域丰富的水域优势为先决条件，也就是自然因素引诱土地资源的利用。
2010—2020年，整个研究区耕地资源变化强度较前20年更加剧烈，强度范围以1.50%～20.00%为主，耕地资源变化高强度区为抚州市北部，主要分布在临川区中心城区以及与临川区相邻的东乡区、金溪县、崇仁县与其交界处，形成1个以临川区为中心的大三角区域。该区域也是研究区交通、水域、地形等条件较好的区域，同时也是研究区的社会、经济、政治协同发展的核心区域。从而可以得出，2010年以后研究区的耕地资源变化受自然因素影响较小，社会经济因素削弱了自然因素对耕地资源变化的主导作用。
从3个不同研究时期的耕地资源变化强度变化的空间分布情况可以看出，从1990到2020年30年之间，研究区各区县的耕地资源都出现不同强度的变化，或耕地资源增加、或耕地资源减少。2010—2020年的耕地变化强度是30年中最为突出的10年，空间分布特征也更为明显，其与社会经济因素有关，实质上此变化规律与研究区的土地利用地类变化时空特征具有一致性。
3.2.2 耕地资源变化类型空间分布 通过分析研究区1990—2020年30年的耕地资源变化情况，本研究利用可视化的方式直截了当地从空间上展示了研究区耕地资源变化类型之间的转化，清晰获得不同研究期内的耕地资源流出、流入情况。为研究区内农业空间格局优化调整提供参考，并对地方自然资源管理部门进一步为保持耕地总量出台政策具有现实意义（图3）。
图3 耕地资源变化类型分布
从图3可以看出，在1990—2000年，研究区内耕地资源变化空间特征总体上较为零散，变化类型主要是小图斑间的林地转为耕地以及部分水域转为耕地。这10年是耕地资源变化较为平稳的时期，但已经出现建设用地占用耕地情形，11个区县的中心城区均出现小面积建设用地占用耕地情况，尤其是研究区北部区域以临川区、东乡区为典型区域。
2000—2010年期间，研究区域耕地资源变化呈现出2个特征。一是大面积的退耕还林。从地形地貌方面上来看，研究区域东、南、西三面环山，因此研究区东、南、西部耕地转为林地面积较大。在耕地内部的旱地和水田互相转化上，在水系更为集中的地方尤其是抚河流域存在大面积的旱改水。耕地与建设用地的转化关系上仍与上一时期保持一致。二是各区县中心城区情况较为明显。伴随着社会经济的迅速发展和城镇化进程的加速推进，建设用地占用耕地的范围扩大，也意味着中心城区的扩大，对研究区粮食生产产生巨大冲击，粮食安全问题不得不摆在我们面前。总而言之，这10年的耕地资源变化有较为明显的区域差异性，这跟社会经济发展有很大联系。
在2010—2020年，耕地资源变化在空间上整体呈现出变化剧烈、集中连片范围大的特征。这段时间耕地资源变化仍以转化为建设用地为主要类型，尤其是在临川区、东乡区、金溪县等地势较为平缓的地区建设用地占用耕地的问题更为突出。
综合3个时间段耕地资源变化类型，研究区耕地既有流出也有流入。对于耕地资源的流出问题，不同时间段由于社会、经济、政策等因素影响，既有建设用地占用，也有国家政策响应进行退耕还林，同时也有人为自发地对农用地进行内部结构调整，从而提高农业生产经营利益。对于耕地资源的流入来源，3个时段虽然存在差异性，但是仍以林地、水域转化为耕地为主。这得益于的先天优势水系发达、转化成本较低、转化效率较高。因此，为了保障粮食安全，应该探索对建设用地占用耕地的管控强化措施，有效防止耕地过度绿化、不合理退耕，从而保证区域粮食生产总量，粮食主产区地位不可动摇。
3.3 耕地资源变化热点区域
借助运用ArcGIS 10.2软件的空间分析功能，对研究区1990—2020年近30年的耕地资源变化进行空间自相关分析，识别出具有统计显著性（显著性水平≥90.00%）的热点区域。根据空间叠加分析获取研究区耕地资源变化的热点和冷点区域及其时空变化过程，可以根据这个过程识别研究区域农业生产核心区域以及低主产区的时间、空间变化特征（图4）。
图4 耕地资源变化热点区域转移特征
整体而言，从1990年到2020年，研究区域30年的耕地资源变化热点区域存在较大差异。1990—2000年间，抚州市耕地资源变化的热点区域特征与同时期耕地资源变化强度特征基本一致，没有明显的空间分布特征，主要呈现一中心，其余散点状分布，中心城区是最大的热点区域，其余散乱分布在市区周围。这种无序的特征与这10年的社会经济发展相关，研究现阶段仍然以农业为主导，耕地数量总体保持稳定。2000—2010年，耕地资源变化热点区域逐渐明显，以临川、东乡、金溪等中北部县市为主，其余区域部分零星分布。这一时期，城镇化进程加快，外出务工人员递增，耕地资源数量受建设用地占用影响递减，呈现出热点区域耕地资源变化强度高。2010—2020年，耕地资源变化热点区域继续延伸扩大，沿抚河流域呈南北向分布，在临川区、东乡区和金溪县交界处尤为明显，体现了经济、政治中心的吸引力以及交通通达度的影响力。临川区的热点区域斑块面积较大，在西部乐安县等区域仍有小范围的热点区域。纵览研究区域近30年来的变化，耕地资源变化的热点区域特征从早期的零星分布、斑块面积小，到后面的规律性转移重心，毋庸置疑，研究区粮食生产中心也与耕地资源变化时空特征保持一致性。因此，围绕着粮食安全的新时代主题，必须推动粮食主产区耕地资源从宏观、微观2个角度出发对长时间序列演变规律进行研究，挖掘此区域内耕地资源变化的时空特征以及未来发展趋势，精准识别耕地资源管调控重点区，从而为区域粮食产出提供具有重要价值的参考意见，坚守粮食安全底线。
（1）1990—2020年，研究区耕地总面积减少了约8.97万hm2，其中旱地减少了7.57万hm2，水田面积减少了1.40万hm2，耕地总量锐减，粮食安全受到威胁。在其他地类中，新增建设用地面积增加幅度最大，建设用地占用耕地情况严重。林地和水域面积也相对有所增加，这与研究区森林覆盖率高和水系发达有关。耕地资源面积的减少对于粮食生产总量而言具有很强威胁性，会直接导致粮食播种面积减少，从而引发粮食安全问题，近几年高标准农田的建设对于保持一定数量的耕地资源仍然是保障粮食安全的有效措施。
（2）研究区从1990—2020年的耕地资源变化强度具有显著的时空特征。研究区域耕地资源变化强度的时空特征明显。1990—2000年，研究区在这个时期自然因素主导，故耕地资源变化强度呈现出缓和特征，变化强度范围在0.90%～1.50%之间，在空间上分布较为零散，无明显集聚区域。受国家国家政策退耕还林、旱改水的部分影响，研究区在2000—2010年这10年间的变化强度仍主要在0.90%～1.5%之间，但在空间上较早期更为集中，尤其是抚河流域沿线区域表现为变化强度大且范围广的特征。2010—2020年，受社会经济发展影响，研究区域整体变化强度较大，强度范围在1.50%～20.00%之间，空间上以临川区为中心的放射状集中分布，呈现出以中心城区为重点的大三角热点区域。
（3）近30年以来，研究区的耕地资源转化类型具有显著差别。研究区森林资源丰富，受自然条件影响，1990—2000年，研究区南部以及部分山地丘陵地区的林地向耕地类型转化。2000—2010年间，受生态保护意识的影响，部分耕地转化为林地；
但又处于城市转型期，建设用地占用耕地的问题初现端倪。2010—2020年，不同土地利用类型相互转化面积比例提高，最为显著的是耕地转化为建设用地面积占比较大，尤其是中心城区及其周边地区的耕地流出情况格外严重。由此，推动城市发展的过程中，务必健全建设用地占用的管控措施。与此同时，要克服“非粮化”难题，预防此类难题碰触粮食生产安全。
（4）研究区域耕地资源变化的热点区域在3个时间段内具有较大的区域差异性。1990—2000年的热点区域在空间上图斑面积小而分散，零星分布在研究区各区域，2000—2010年的热点区域在空间上呈现出集中于临川、东乡和金溪交接等沿抚河流域区域，2010—2020年的热点区域整体向研究区域北部转移，区域差异性显而易见。
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