1980—2010年?yáng)|北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征

劉珍環(huán)，唐鵬欽，范玲玲，楊 鵬，吳文斌

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1980—2010年?yáng)|北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征

劉珍環(huán)1，唐鵬欽2，范玲玲2，楊 鵬2，吳文斌2

（1中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院國(guó)土資源與環(huán)境系，廣州510275；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

【目的】探討過(guò)去30年?yáng)|北地區(qū)像元尺度種植結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布特征和演變規(guī)律，為東北地區(qū)農(nóng)業(yè)政策的調(diào)整提供科學(xué)基礎(chǔ)?！痉椒ā炕?980—2010年?yáng)|北三省的玉米、大豆、水稻和小麥種植面積的縣級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用SPAM-China模型獲取10 km像元尺度上種植結(jié)構(gòu)的分布信息，構(gòu)建以像元內(nèi)種植面積比例超過(guò)30%和占比前三位的種植結(jié)構(gòu)類型的判定方式，利用空間疊加方法分析種植比例及其結(jié)構(gòu)類型的時(shí)空變化特征?！窘Y(jié)果】運(yùn)用像元結(jié)果初步闡明了東北地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)變化特征，首先種植規(guī)模的優(yōu)先順序在2000年左右發(fā)生了變化，由玉米＞大豆＞小麥＞水稻變?yōu)橛衩祝敬蠖梗舅荆拘←?；其次?0年間共出現(xiàn)14種組合類型，包括6種水稻及其組合類型由1980年的8.30%增至2010年18.64%，主要分布于遼河平原、松嫩平原和三江平原等地；7種玉米及其組合類型占比超過(guò)三分之二，累積比例增長(zhǎng)3.7%，主要分布在東北的中西部，是該地區(qū)的主要種植作物；5種大豆及其組合類型累積比例減少4.2%，空間上發(fā)生了顯著的置換，由散布在三省的格局迅速北移集中于黑龍江；7種小麥及其組合類型累積比例從26.82%降為3.17%，是變化最為顯著的種植結(jié)構(gòu)類型，現(xiàn)有少量集中于黑龍江嫩江附近。再次，3種種植結(jié)構(gòu)類型變化較多，一是由開(kāi)墾耕地帶來(lái)的新類型，占所有變化類型比例為20.91%，特別是黑龍江省拓荒帶來(lái)的大規(guī)模水稻種植；二是單一作物型變化為兩種或以上作物類型組合，占比為34.90%，組合作物主要為水稻和大豆；三是多種作物組合型變?yōu)閱我蛔魑镄?，將種植結(jié)構(gòu)類型集聚，占比為41.36%，主要為玉米種植區(qū)的調(diào)整?！窘Y(jié)論】過(guò)去30年種植結(jié)構(gòu)類型變化規(guī)律為種植結(jié)構(gòu)類型分布受玉米和大豆主導(dǎo)，其中大豆空間轉(zhuǎn)移至黑龍江，水稻正成為東北地區(qū)重要種植類型，而小麥則持續(xù)萎縮至局部地區(qū)，種植結(jié)構(gòu)類型變化趨勢(shì)將以玉米、大豆和水稻為主，單一化趨勢(shì)顯著。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方向應(yīng)從減少單一玉米型和增加水稻和大豆組合型入手。

農(nóng)作物格局；種植結(jié)構(gòu)類型；時(shí)空變化；像元尺度；東北地區(qū)

0 引言

【研究意義】農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布和變化信息是農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整政策的科學(xué)依據(jù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容[1]，還是農(nóng)作物時(shí)空變化機(jī)制和模擬等研究的基礎(chǔ)信息[2-3]。農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)信息由作物種植比例和類型的空間分布構(gòu)成，其歷史變化規(guī)律對(duì)國(guó)家糧食安全保障等理論研究[4-6]、國(guó)家農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整政策制定有重要意義[7-8]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)類型變化以農(nóng)作物種植面積信息為基礎(chǔ)，用作物播種面積占總播種面積的比例表征，受自然資源條件和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)行為影響的農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布，具有空間集聚性和時(shí)序動(dòng)態(tài)性等特征[9]，因此，需要及時(shí)、有效地獲取像元尺度的農(nóng)作物時(shí)空信息[10]。遙感技術(shù)進(jìn)步為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的變化提供了有效手段，然而遙感監(jiān)測(cè)種植結(jié)構(gòu)尚難進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)序、大尺度上的變化分析[11-13]。綜合多源數(shù)據(jù)獲取像元尺度的種植結(jié)構(gòu)變化信息為大尺度和長(zhǎng)時(shí)序上研究提供了一種可能[14-16]。目前，全球有多種多源數(shù)據(jù)綜合而成的農(nóng)作物空間分布信息數(shù)據(jù)集，然而尚少有時(shí)序變化和種植結(jié)構(gòu)類型變化方面的研究[17-18]。種植結(jié)構(gòu)類型采用作物種植面積占所有作物類型種植面積的百分比超過(guò)30%和前三位的組合確定，一般組合不會(huì)超過(guò)3種作物，如所有作物比例都不超過(guò)30%則以前三位作物為組合[7]。【本研究切入點(diǎn)】種植結(jié)構(gòu)類型變化規(guī)律是指導(dǎo)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的最直接信息，但缺少精準(zhǔn)地理空間信息的分析，難以為種植結(jié)構(gòu)調(diào)整政策提供科學(xué)依據(jù)[9]，亟待有更精細(xì)尺度時(shí)空變化規(guī)律方面的研究為調(diào)整提供依據(jù)。東北地區(qū)的農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展面臨一系列的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整問(wèn)題，特別是農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量與結(jié)構(gòu)不合理、部分農(nóng)業(yè)種植區(qū)面臨水土流失、環(huán)境污染、氣候變化影響等，給中國(guó)農(nóng)業(yè)政策在東北地區(qū)的新一輪農(nóng)作物結(jié)構(gòu)調(diào)整都帶來(lái)不小壓力，了解過(guò)去30年的種植結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，可為即將開(kāi)展的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供精準(zhǔn)空間指引[19]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究旨在基于全國(guó)農(nóng)作物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用SPAM-China模型，基于1980—2010年?yáng)|北三省農(nóng)作物面積與產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)等多源數(shù)據(jù)，獲取過(guò)去30年?yáng)|北三省像元尺度上作物種植比例和類型的時(shí)空分布信息，分析農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，為國(guó)家宏觀層面在東北地區(qū)的農(nóng)業(yè)政策提供科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

東北地區(qū)地處中高緯度及歐亞大陸東端，位于115°20′—135°E，38°43′—53°30′N(xiāo)，是中國(guó)三大自然區(qū)之一——東部季風(fēng)區(qū)的最北端；在地貌上，以東北大平原北半部的松嫩平原為核心，地面起伏平緩，土層深厚，利于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了良好的條件，是中國(guó)主要耕作業(yè)基地；是世界三大黑土帶之一，土壤農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力較高；農(nóng)作物熟制以一年一熟為主，主要作物包括夏玉米、水稻、大豆和春小麥。2014年，東北地區(qū)糧食總產(chǎn)量達(dá)1.15×108t，糧食作物面積2.2×107hm2，是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。

采用的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司提供的全國(guó)農(nóng)經(jīng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（http://www. zzys.moa.gov.cn/），綜合1980—2010年縣級(jí)和省級(jí)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，整理獲得一套東北三省縣級(jí)行政區(qū)的農(nóng)作物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。將歷史時(shí)期的數(shù)據(jù)以2001年國(guó)家地理信息中心（http://www.gscloud.cn/）發(fā)布的縣級(jí)行政邊界為基礎(chǔ)進(jìn)行了合并，產(chǎn)生了一個(gè)包含182個(gè)縣級(jí)行政區(qū)和32年時(shí)序長(zhǎng)度的農(nóng)作物數(shù)據(jù)，主要有水稻、小麥、大豆和玉米的面積數(shù)據(jù)；將面積數(shù)據(jù)截取3個(gè)時(shí)期4個(gè)時(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用前后3年的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，獲得1980、1990、2000、2010年數(shù)據(jù)集，作為SPAM-China模型的輸入數(shù)據(jù)[10]。

1.2 SPAM-China模型

SPAM-China模型是由國(guó)際食物政策研究所和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)，模型采用交叉信息熵方法對(duì)多源信息進(jìn)行判別和處理，計(jì)算多種作物空間分布概率，進(jìn)行作物空間分配優(yōu)化，從而模擬作物空間分布特征。模型由交叉信息熵分布概率模型和作物空間分配優(yōu)化模型構(gòu)成，在對(duì)多源數(shù)據(jù)格式一致化處理后，采用交叉信息熵方法計(jì)算多種作物空間分布概率，基于信息熵模擬的概率分布進(jìn)行區(qū)域作物面積分布，作物空間競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)化過(guò)程分配行政單元統(tǒng)計(jì)的面積值至像元上（圖1）。模型的基本架構(gòu)分為：（1）模型輸入層，主要包括準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入，主要輸入的數(shù)據(jù)包括農(nóng)作物產(chǎn)量和面積分縣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，耕地空間分布數(shù)據(jù)，耕地灌溉空間分布數(shù)據(jù)，農(nóng)業(yè)適宜性數(shù)據(jù)；通過(guò)模型參數(shù)校正與輸入模塊，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的一致性檢驗(yàn)和分析；（2）模型運(yùn)行層，主要運(yùn)行程序進(jìn)行概率運(yùn)算與分布優(yōu)化，需要進(jìn)行運(yùn)算區(qū)域選擇，設(shè)置置信區(qū)間和選擇參加優(yōu)化的作物；（3）模型輸出層，輸出的結(jié)果主要農(nóng)作物的物理種植面積和收獲面積，農(nóng)作物總產(chǎn)量，農(nóng)作物單產(chǎn)量三類數(shù)據(jù)，并制圖。具體算法參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)中的論述[10,14]。模型輸出的結(jié)果為10 km像元的水稻、玉米、小麥和大豆作物種植面積的空間分布數(shù)據(jù)，整個(gè)東北地區(qū)大約可用13 012個(gè)像元覆蓋。

圖1 SPAM-China模型流程框架（修改自劉珍環(huán)等[10]）

1.3 類型變化分析

為定量計(jì)算種植結(jié)構(gòu)類型變化，將不同時(shí)期的種植結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，最終求出不同時(shí)期類型的轉(zhuǎn)移表。對(duì)任意兩期類型和，按照地圖迭代數(shù)學(xué)方法，可以求得由時(shí)期到+1時(shí)期的類型變化圖，表現(xiàn)了種植結(jié)構(gòu)類型及其空間分布，具體計(jì)算公式如下：

據(jù)此可以求得種植結(jié)構(gòu)類型互相轉(zhuǎn)化數(shù)量關(guān)系的原始轉(zhuǎn)移矩陣，然后根據(jù)原始轉(zhuǎn)移矩陣得到各類型變化數(shù)量和比例。

2 結(jié)果

2.1 四大作物時(shí)序變化特征

圖2展示的是1980—2012年?yáng)|北地區(qū)玉米、大豆、小麥、水稻的種植面積及其比例隨時(shí)間變化趨勢(shì)。總體上水稻和玉米的種植面積呈顯著上升趨勢(shì)，東北地區(qū)的玉米種植面積由4.98307×106hm2增加至1.068161×107hm2，水稻由8.4873×105hm2增加至4.43275×106hm2。大豆呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，由2.65940×106hm2緩增至3.00953×106hm2，小麥則一直保持下降趨勢(shì)，由2.28367×106hm2減少至2.1686×105hm2。四大作物的種植結(jié)構(gòu)自1980年以來(lái)，都是以玉米及大豆組合型為主導(dǎo)種植結(jié)構(gòu)，玉米種植比例由46.2%逐年上升到58.2%，大豆則由24.7%下降至16.4%，水稻由7.9%上升至24.1%，小麥由21.2%降至1.2%，東北的種植結(jié)構(gòu)朝向玉米，大豆和水稻的組合型變化。其中，水稻占四大作物的比例在黑龍江由3.6%上升至27.6%，遼寧由16.7%升為22.1%，吉林則由9.6%升至16.6%；玉米占四大作物的比例在黑龍江由32.3%升至46.6%，遼寧61.2%升至73.8%，吉林由64.0%增至77.9%；大豆變化也比較顯著，遼寧由20.4%降低至3.9%，吉林由21.2%降低至5.5%，黑龍江由28.0%降至23.9%；小麥在黑龍江36.1%降低至1.9%，而遼寧和吉林已接近消失。

2.2 種植面積比例的分布信息

表1列出了東北地區(qū)各種作物種植面積占四大作物總和面積的比例像元數(shù)和比例構(gòu)成，分別以＜30%和≥30%統(tǒng)計(jì)不同種植面積比例的分布信息。研究表明種植規(guī)模的優(yōu)先順序在2000年左右發(fā)生了變化，由玉米＞大豆＞小麥＞水稻變?yōu)橛衩祝敬蠖梗舅荆拘←?；玉米是最大種植作物。1980年?yáng)|北地區(qū)的水稻種植面積比例像元內(nèi)≥30%的占12.5%，玉米則有62.10%，大豆有45.57%；小麥有34.97%。1990年?yáng)|北地區(qū)的水稻種植面積比1980年有成倍增長(zhǎng)，其中像元內(nèi)面積比例超過(guò)30%像元數(shù)占23.66%，玉米有63.74%，大豆有45.23%，小麥有21.01%。1980—1990年四大作物種植順序是玉米＞大豆＞小麥＞水稻，但是水稻比例增加顯著。2000年，東北地區(qū)的水稻種植比例像元內(nèi)面積超過(guò)30%的占27.69%，比1990年增加4%，水稻種植面積還是保持增加態(tài)勢(shì)，玉米占64.99%，大豆占45.40%，小麥只占6.25%，相比1990年有大規(guī)模萎縮。2010年，東北地區(qū)的水稻種植面積有規(guī)模性的增加，像元內(nèi)面積比例≥30%的占27.62%，玉米占66.75%，大豆占42.90%，小麥只占6.58%。2000—2010年四大作物種植順序發(fā)生了規(guī)模上的調(diào)整，改為玉米＞大豆＞水稻＞小麥，水稻超越小麥在空間種植面積分布上升到第三位。

表1 東北地區(qū)四大作物種植面積比例的分布信息

圖2 東北地區(qū)農(nóng)作物種植面積和比例變化

2.3 種植結(jié)構(gòu)類型的空間分布

圖3是1980—2010年?yáng)|北地區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)類型的空間分布。其中，非種植區(qū)像元數(shù)從1980年的3 794個(gè)降至2010年的2 755個(gè)，表明東北地區(qū)一直在開(kāi)墾新的耕地。4個(gè)時(shí)期共出現(xiàn)了14類種植結(jié)構(gòu)類型，包括6種水稻及其組合類型，7種玉米及其組合類型，5種大豆及其組合類型，7種小麥及其組合類型。水稻及其組合類型像元數(shù)由1980年的767個(gè)上升至2010年的1 777個(gè)，相應(yīng)地累積比例由8.30%上升為18.64%。玉米及其組合像元數(shù)由1980年5 273個(gè)增加至2010年6 289個(gè)，累積比例增長(zhǎng)3.7%。1980—2010年間大豆及其組合類型像元數(shù)變化小，但累積比例減少4.2%。小麥及其組合類型像元數(shù)由1980年2 472個(gè)減少至2010年325個(gè)，累積比例從26.82%降為3.17%，是變化最為顯著的種植結(jié)構(gòu)類型。

近30年進(jìn)入前6位的類型有8種，單一玉米型保持第一，其他類型位序都在變化，表2列出了種植結(jié)構(gòu)類型的像元數(shù)分布、比例構(gòu)成和類型排序。1980年排在前六位的類型為4種單一類型和2種組合類型即玉米-大豆型和大豆-小麥型累計(jì)占像元數(shù)的92.59%。單一玉米型分布在遼寧西北部、吉林北部和黑龍江西部；玉米-大豆型分布于遼寧的阜新市等地，吉林南部，黑龍江雙城等地；單一大豆型分布于遼寧海城等地，吉林遼源市等地，黑龍江慶安及東部雞西等地；單一小麥型分布在黑龍江省嫩江周邊地區(qū)，零星分布吉林安圖和延吉等地。1990年水稻-玉米型代替了單一小麥型進(jìn)入前六位的類型中，累計(jì)占像元數(shù)的90.9%。單一玉米型分布未發(fā)生大變化，但集中連片程度高于1980年。玉米-大豆型主要分布于遼寧朝陽(yáng)向東北方向至遼陽(yáng)一帶，吉林南部，黑龍江雙城等地；單一大豆型分布于吉林遼源等地，黑龍江東部和北部部分地區(qū)；單一水稻型少量集中片分布在遼寧盤(pán)錦和黑龍江五常等地。2000年水稻-大豆型代替了大豆-小麥型進(jìn)入前六位中，累計(jì)占像元數(shù)的95.21%。單一玉米型分布在遼寧西北部、吉林北部和黑龍江西部。單一大豆型分布于遼寧普蘭店直至清源等地，吉林蛟河等地，黑龍江的巴彥等地；玉米-大豆型分布于遼寧阜新等地，吉林南部等地；單一水稻型少量集中片分布在遼寧盤(pán)錦，吉林舒蘭，黑龍江五常和友誼等地。2010年排在前六位的類型與2000年一致，累計(jì)占像元數(shù)的96.54%。單一玉米型集中連片分布在遼寧西北部、吉林北部和黑龍江西部。單一大豆型分布于吉林東部山區(qū)等地，黑龍江北部訥河等地。玉米-大豆型分布于吉林蛟河，黑龍江依安等地。水稻-玉米型分布在遼寧葫蘆島，吉林梅河口和黑龍江阿城等地。

圖3 1980—2010年間種植結(jié)構(gòu)類型的空間分布

表2 1980—2010年間東北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)類型比例及排序

除排序變化外，種植類型像元數(shù)比例也變化顯著，單一玉米型從1980年的32.5%上升到2010年的41.92%；單一大豆型從14.48%上升到25.34%；單一水稻型從4.04%上升到7.39%；玉米-大豆型由18.7%降低到10.94%，單一小麥型從11.88%減少到0.83%；大豆-小麥型由10.96%減少到2.23%；水稻-玉米型從2.76%上升至8.29%；水稻-大豆型由0.59%上升到2.66%。1980—2010年的種植結(jié)構(gòu)類型的空間分布和排序變化表明，東北地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)類型分布受玉米和大豆種植分布影響大，兩者在空間上分布范圍廣、集中連片，但玉米種植獨(dú)大的格局尚難改變，需要進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整；水稻正成為東北地區(qū)重要的種植作物，而小麥正退出東北地區(qū)的重要種植區(qū)，未來(lái)的東北種植結(jié)構(gòu)類型將以玉米、大豆和水稻為主。

2.4 種植結(jié)構(gòu)類型的變化特征

運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣方法獲得4個(gè)時(shí)期種植結(jié)構(gòu)類型變化特征（圖4，表3）。1980—1990年間，東北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)改變方向?yàn)閱我挥衩仔透臑樗?玉米型等9種變化（圖4-a），前8種占全部變化的61.06%，其中，玉米-大豆型改為單一玉米型占12.65%，分布在遼寧阜新和沈陽(yáng)、吉林公主嶺和黑龍江雙城等地；大豆-小麥型改為單一大豆型占11.04%，分布在黑龍江三江平原的虎林、撫遠(yuǎn)和同江等地；單一玉米型改為玉米-大豆型占8.23%，分布在遼寧朝陽(yáng)市，黑龍江齊齊哈爾等地；單一小麥型改為大豆-小麥型占7.85%，分布在黑龍江的訥河、克山和拜泉等地。1990—2000年，東北地區(qū)種植改變有9種變化類型（圖4-b），前8位占全部變化像元的50.45%，其中玉米-大豆型改為單一玉米型占12.63%，分布在阿城、九臺(tái)，遼寧朝陽(yáng)等地；玉米-大豆型改為單一大豆型占7.67%，分布在黑龍江的齊齊哈爾等地；單一玉米型改為玉米-大豆型占7.14%，分布在寬甸和黑龍江的望奎等地。2000—2010年，種植類型變化有11種類型（圖4-c），前八位占比57.11%，其中，玉米-大豆型改為單一玉米型占15.76%，分布在遼寧的瓦房店、蓋州一帶向東北，黑龍江的海倫、青岡、巴彥和賓縣等地；非種植區(qū)改為單一大豆型占14.86%，主要分布在黑龍江北部的黑河、遜克等地。近30年變化有19種（圖4-d），前8位占比53.47%，其中，拓荒種植單一大豆型占13.76%，主要分布在黑龍江北部的黑河、遜克等地；大豆-小麥型改為單一大豆型占8.77%，主要分布在黑龍江東部的三江平原等地；單一小麥型改為單一大豆型占7.90%，分布在黑龍江的訥河等地。

表3 1980—2010年?yáng)|北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)類型變化

近30年的種植結(jié)構(gòu)類型以3種類型變化較多，一是由開(kāi)墾耕地帶來(lái)的新類型，如非種植區(qū)改為單一大豆型；占所有變化比例為20.91%；二是單一作物型變化為2種或以上作物類型組合，如單一玉米型改為玉米-大豆型占比為34.90%；三是多種作物組合型變?yōu)閱我蛔魑镄停瑢⒎N植結(jié)構(gòu)類型集聚化，如玉米-大豆型改為單一玉米型，占比為41.36%。此外，種植結(jié)構(gòu)類型在空間上發(fā)生了顯著的作物種植空間轉(zhuǎn)移，小麥及其組合型在空間上顯著萎縮至黑龍江的嫩江附近，大豆由三省分布逐漸北移至黑龍江東部和中部區(qū)域。

3 討論

3.1 SPAM-China的數(shù)據(jù)集與誤差

運(yùn)用SPAM-China模型獲取得10 km像元尺度多種作物的空間分布信息，為空間分析種植結(jié)構(gòu)變化奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[20-21]。以往的研究因缺乏時(shí)序方面的空間數(shù)據(jù)，以單一時(shí)間[22-23]，或采用行政單元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[7]，進(jìn)行作物種植結(jié)構(gòu)空間布局優(yōu)化研究[24]，導(dǎo)致種植結(jié)構(gòu)調(diào)整缺少空間信息指引，不能有效地銜接地方實(shí)際種植結(jié)構(gòu)調(diào)整變化過(guò)程。此研究既提升了空間分辨率，又保證了種植結(jié)構(gòu)分析的時(shí)序性，能夠有效地為種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供時(shí)空動(dòng)態(tài)信息。

SPAM-China模型在模擬過(guò)程中模型會(huì)將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的地區(qū)中80%用于模擬，20%的用于驗(yàn)證，該驗(yàn)證一直是確定模型模擬方法是否可行的一種內(nèi)部數(shù)據(jù)質(zhì)量控制驗(yàn)證[25]。外部對(duì)比數(shù)據(jù)集，研究采用了NLCD-China和MIRCA-2000數(shù)據(jù)集進(jìn)行空間采樣精度驗(yàn)證，因缺少大豆和小麥的數(shù)據(jù)集，只比較了水稻和玉米[10,26]。SPAM-China模擬結(jié)果用于分析農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)空間變化的缺陷在于難以驗(yàn)證歷史時(shí)期空間分布的絕對(duì)真實(shí)，本研究只是在數(shù)量上保障了與行政單元統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一致，因此，不可避免地出現(xiàn)少量空間異常的變化類[27]。因此，更多的單一像元變化尚需要進(jìn)一步探索，遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的發(fā)展或許能夠彌補(bǔ)一部分這種偏差[12-13]。

3.2 東北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方向

近30年的變化趨勢(shì)表明東北地區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)愈來(lái)愈趨向于單一化種植玉米，這對(duì)東北地區(qū)耕地資源與糧食增產(chǎn)潛力[28]，過(guò)剩的玉米收儲(chǔ)和種植結(jié)構(gòu)有深遠(yuǎn)的影響?！秶?guó)家糧食安全中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要（2008-2020年）》設(shè)定2020年糧食自給率為95%，其中谷物為100%[18]，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化與糧食供給能力密切相關(guān)，東北地區(qū)又是中國(guó)主要的糧倉(cāng)，該地區(qū)調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到國(guó)家的糧食安全問(wèn)題。近期中國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《農(nóng)業(yè)部關(guān)于“鐮刀彎”地區(qū)玉米結(jié)構(gòu)調(diào)整的指導(dǎo)意見(jiàn)》[29]，東北地區(qū)是鐮刀灣地區(qū)的玉米種植核心區(qū)，調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行，既需消耗過(guò)剩的玉米種植面積和產(chǎn)量，又可增加中國(guó)糧食的安全保障程度。農(nóng)戶選擇種植作物通常從勞動(dòng)力和收益兩方面考量，他們會(huì)權(quán)衡外出務(wù)工收入與種地收入中勞動(dòng)力付出的回報(bào)效應(yīng)。東北地區(qū)近30年的變化表明，農(nóng)戶更愿意選擇易種易收的玉米而減少勞動(dòng)力成本；或者趨向于種植經(jīng)濟(jì)作物和撂荒土地，減少經(jīng)濟(jì)收益小的作物，改種收益大的作物。如果東北地區(qū)順勢(shì)減少玉米種植將直接釋放耕地資源，則需要考慮農(nóng)戶種植其他作物收益填補(bǔ)，因此，需要統(tǒng)籌糧食安全保障與種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)系[30]。中國(guó)的主糧以大米和小麥為主，糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)從南糧北運(yùn)變化為北糧南運(yùn)的格局，如東北地區(qū)的水稻種植面積持續(xù)增長(zhǎng)將為中國(guó)北糧南運(yùn)奠定更堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[31-32]。

圖4 近30年?yáng)|北地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)類型時(shí)空變化圖

近30年?yáng)|北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)變化分析發(fā)現(xiàn)種植結(jié)構(gòu)比例和類型變化有顯著的單一化趨勢(shì)，特別是玉米種植，因此，需要政府指導(dǎo)農(nóng)戶進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，調(diào)整的方向則是減少單一玉米型的種植結(jié)構(gòu)類型，增加水稻和大豆及其組合型，這一調(diào)整方向?qū)⒎e極適應(yīng)中國(guó)糧食消費(fèi)格局和東北大糧倉(cāng)的建設(shè)。種植結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)是政策、技術(shù)進(jìn)步、社會(huì)需求、經(jīng)濟(jì)效益、自然條件、城市化和氣候變化等多因素綜合的作用過(guò)程[33-34]。東北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與以下因素密切相關(guān)：（1）種植作物的農(nóng)戶選擇行為與社會(huì)需求及經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。農(nóng)戶作物選擇的行為更關(guān)注直接可決定態(tài)度的作物產(chǎn)量，現(xiàn)有種植收益不調(diào)整，農(nóng)戶更愿意選擇易種易收的作物[35]。因此，現(xiàn)階段玉米種植面積過(guò)剩的情況下，應(yīng)該積極引導(dǎo)農(nóng)戶改變種植行為。（2）政府引導(dǎo)的空間選擇與政策宣傳。盡管中國(guó)已認(rèn)識(shí)到調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的重要性，但是從東北地區(qū)的農(nóng)戶調(diào)查看，農(nóng)戶如果缺少政府引導(dǎo)，調(diào)整種植類型主要依靠經(jīng)驗(yàn)[36]，則各地種植結(jié)構(gòu)缺少空間規(guī)劃和政策指引。（3）農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步提升了作物產(chǎn)量和種植面積，物流成本降低改變了不同種植區(qū)的作物供需格局，需要充分利用這些因素引導(dǎo)東北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。

此外，東北單季作物的在空間上具有排他性，缺少?gòu)?fù)種和輪作等種植制度方面的保障措施，需要防范農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害和糧食市場(chǎng)變化對(duì)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的負(fù)效影響。近三十年?yáng)|北地區(qū)的氣候變暖對(duì)作物產(chǎn)量和種植面積都有正向效應(yīng)[37]，玉米、冬小麥和單季稻種植界北移，為結(jié)構(gòu)變化提供了地理空間[38]，東北地區(qū)的種植面積擴(kuò)大，但同時(shí)也增加了需要應(yīng)對(duì)極端氣候?yàn)?zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，需要統(tǒng)籌新開(kāi)墾耕地的種植作物類型。

4 結(jié)論

在SPAM-China模型模擬的基礎(chǔ)上，運(yùn)用種植結(jié)構(gòu)類型和變化分析方法，分析了近30年?yáng)|北地區(qū)像元尺度的種植結(jié)構(gòu)類型變化特征，主要結(jié)論如下：

（1）1980—2010年?yáng)|北地區(qū)的種植面積比例變化表明，種植規(guī)模的優(yōu)先順序在2000年左右發(fā)生了顯著變化，由玉米＞大豆＞小麥＞水稻變化為玉米＞大豆＞水稻＞小麥；玉米依然是第一大種植作物，且像元內(nèi)種植面積占到整個(gè)東北地區(qū)種植比例的三分之二；大豆雖然是第二大作物，但主要種植結(jié)構(gòu)比例北移至黑龍江省。

（2）近30年來(lái)非種植區(qū)持續(xù)下降，一直在開(kāi)墾新的耕地。30年間共出現(xiàn)14種組合類型，包括7種玉米及其組合類型占比超過(guò)三分之二；5種大豆及其組合類型累積比例減少4.2%，6種水稻及其組合類型由1980年的8.30%增至2010年18.64%；7種小麥及其組合類型累積比例從26.82%降為3.17%，是變化最為顯著的種植結(jié)構(gòu)類型。種植結(jié)構(gòu)類型分布受玉米和大豆種植分布影響；水稻正成為東北地區(qū)重要的種植作物，而小麥正退出東北地區(qū)的重要種植區(qū)，未來(lái)的東北種植結(jié)構(gòu)類型將以玉米、大豆和水稻為主。

（3）近30年變化有非種植區(qū)改為單一玉米型等19種，前8個(gè)類型變化占比53.47%。3種種植結(jié)構(gòu)類型變化較多，一是由開(kāi)墾耕地帶來(lái)的新類型，占所有變化類型比例為20.91%；二是單一作物型變化為兩種或以上作物類型組合，占比為34.90%；三是多種作物組合型變?yōu)閱我蛔魑镄?，將種植結(jié)構(gòu)類型集聚化，占比為41.36%。近30年?yáng)|北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)變化的分析表明政府應(yīng)該指導(dǎo)農(nóng)民進(jìn)行種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，調(diào)整方向?yàn)闇p少單一玉米型，增加組合型，特別是水稻、大豆類的農(nóng)作物組合有利于東北地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，這一調(diào)整方向?qū)⒎e極適應(yīng)中國(guó)糧食消費(fèi)格局和東北大糧倉(cāng)的建設(shè)，但因東北單季作物的在空間上具有排他性，需要防范農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害和糧食市場(chǎng)變化對(duì)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的負(fù)效影響。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Spatio-temporal Changes of Cropping Types in Northeast China during 1980-2010

LIU Zhen-huan1, TANG Peng-qin2, FAN Ling-ling2, Yang Peng2, WU Wen-bin2

(1Department of Land Resources and Environment Studies, Geography and Planning School of Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agri-Informatics, Ministry of Agriculture, Beijing 100081)

【Objective】The aim of this study is to investigate the spatio-temporal changes of cropping types in Northeast China since 1980. 【Method】In this study, the SPAM-China model was used to simulate the spatial information of crop distribution by 10 km pixel. A new definition of cropping type was used in this study that is over 30% or rank in top three in pixel per crop. And spatial analysis method was used to analyze the cropping pattern and transfer matrix method was employed to detect the variation of cropping types. 【Result】The results indicate that (1) priority choice of crop in this region has shifted from corn＞soybean＞wheat＞rice to corn＞soybean＞rice＞wheat since 2000. (2)In the past thirty years, 14 kinds of cropping types were found in Northeast. The proportion of six kinds of rice types increased from 8.30% to 18.64%, which was distributed in Liaohe Plain, Songnen Plain and Sanjiang Plain etc. Seven kinds of maize types accounted for over 60%, which was the most common crop in central and west of NEC. Five kinds of soybean types reduced by 4.2%, which has shifted from a dispersal pattern to a concentrated pattern and was located in Heilongjiang province. The proportion of seven kinds of wheat types dropped from 26.82% to 3.17% and it was the most significant change type in the structure of cropping system. Now, only a few pixels are distributed in Nenjiang, Heilongjiang province. (3) Three changes of cropping types were classified by crop transition, reclaimed land planted with new crops accounted for 20.91%, and the main planted crop is rice; single cropping type changed to two or more crops combination type, accounting for 34.90%, most of the crops are rice and soybean; the combination of cropping types changed to single cropping types accounted for 41.36%, large part from maize planting area. 【Conclusion】 Over the past 30 years, corn and soybean played a dominant role in the spatial variation of cropping types, and rice has become an important type of crop, meanwhile, the planting area of wheat was reduced in many regions and now is only confined in Nenjiang. There is also a phenomenon that soybean shift from south of Northeast to north. Cropping structure adjustment could be firstly started from reducing single corn type and increasing soybean and rice combination, which is a basic way to understand food security and food supply pattern. These findings will supply support for decision-making in agricultural structure adjustment and adaptation to climate change in Northeast China.

crop pattern; cropping types; temporal and spatial change; pixels scale; Northeast China

2016-04-11；接受日期：2016-06-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（41571172）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助中山大學(xué)青年教師培育項(xiàng)目（15lgpy23）

聯(lián)系方式：劉珍環(huán)，E-mail：zhenhuanliu@gmail.com。通信作者唐鵬欽，E-mail：tangpengqin@caas.cn