2000—2010年非洲耕地利用格局變化及其生態(tài)環(huán)境背景分析

張莉，吳文斌，宋茜，縱兆偉，胡瓊，陳迪，項(xiàng)銘濤，陸苗

（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)遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0　引言

【研究意義】耕地資源具有稀缺性和不可替代性，是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。耕地對(duì)非洲的重要性不言而喻。一方面，雖然非洲土地資源總量豐富，其陸地總面積占世界總面積的22.8%，但耕地面積僅占世界總耕地面積的 8%，耕地資源緊缺，直接影響非洲糧食供應(yīng)和糧食安全[1-3]。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織《世界糧食不安全狀況 2014》報(bào)告表明，非洲糧食安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻，2014年非洲糧食產(chǎn)量1.65億噸，僅占世界糧食總產(chǎn)量的6.6%，人均糧食占有水平低于全球平均水平的 1/2；非洲有 28個(gè)國(guó)家面臨糧食不安全狀況，占世界范圍內(nèi)糧食不安全國(guó)家總數(shù)的80.0%[4]。另一方面，作為一種空間連續(xù)的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合體，非洲耕地面積、數(shù)量、狀態(tài)與功能隨時(shí)間不斷發(fā)生變化，對(duì)全球氣候變化、陸地生態(tài)系統(tǒng)地球物理和地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程、陸地-海洋相互作用等有著重要作用，驅(qū)動(dòng)區(qū)域乃至全球生態(tài)環(huán)境變化[5-7]。近年來(lái)，隨著中非農(nóng)業(yè)合作和農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易的日益加深，中國(guó)在非洲的耕地投資項(xiàng)目或投資意向越來(lái)越多[8]。因此，科學(xué)探明非洲耕地資源稟賦、準(zhǔn)確辨識(shí)耕地格局特征、全面揭示耕地動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和過(guò)程，對(duì)于中國(guó)科學(xué)掌握非洲糧食生產(chǎn)和供給、有效統(tǒng)籌國(guó)內(nèi)外“兩種資源、兩個(gè)市場(chǎng)”，推動(dòng)中非農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易合作和保障國(guó)家糧食安全等具有重要指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】利用遙感等空間信息技術(shù)手段，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了全球或非洲耕地空間分布制圖和格局特征分析[9-10]。RAMANKUTTY和FOLEY最早將DisCover全球地表覆蓋數(shù)據(jù)和耕地面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，生成了1992年全球耕地?cái)?shù)據(jù)集[11]；利用相同方法，他們基于新的GLC2000和MODIS全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，獲取了2000年全球耕地分布數(shù)據(jù)[12]。FRITZ等計(jì)算5類全球地表覆蓋數(shù)據(jù)的空間一致性，取耕地分布的先驗(yàn)概率并排序，利用此結(jié)果對(duì) 5 類數(shù)據(jù)進(jìn)行融合得到新的非洲耕地?cái)?shù)據(jù)集[13]；之后，他們引入了眾包方式（Crowdsourcing）獲取大量地面驗(yàn)證點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有全球或區(qū)域耕地?cái)?shù)據(jù)集加以合成，重新生成了2005年全球耕地?cái)?shù)據(jù)集[14]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以上的分析往往采用較粗空間分辨率（10 km）數(shù)據(jù)，區(qū)域適宜性較差，而且這些已有的耕地?cái)?shù)據(jù)僅針對(duì)特定的時(shí)間點(diǎn)或時(shí)段，難以形成長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，較低的制圖精度使得難以準(zhǔn)確描述研究區(qū)域耕地空間格局動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)分析[15-16]。隨著衛(wèi)星傳感器的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)制圖技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)際社會(huì)將研制更高空間和時(shí)間分辨率的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)提上議事日程[20]。全球地表覆蓋遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間分辨率目前正在向30 m及更高空間分辨率發(fā)展，從特定單一年份向時(shí)間序列產(chǎn)品發(fā)展[21-22]。在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目支持下，中國(guó)科學(xué)家利用30 m空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，于2014年研制出了世界上首套 30 m空間分辨率的全球地表覆蓋遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GlobeLand30），包含2000年和2010年兩個(gè)基準(zhǔn)年[23-24]，這為全球或洲域尺度上的耕地空間分布與動(dòng)態(tài)變化分析提供了精度和質(zhì)量更好的數(shù)據(jù)產(chǎn)品[25-26]。雖然有學(xué)者開展耕地動(dòng)態(tài)變化分析，如YAO等利用CG-LTDR數(shù)據(jù)對(duì)1980年以來(lái)非洲的耕地增減及耕地類型轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行了研究[17]。SULIEMA等分析了1941—2009年蘇丹東部畜牧季節(jié)性遷徙路線自然植被向農(nóng)用地轉(zhuǎn)換，造成放牧區(qū)的生物多樣性損失以及自然植被所能提供的其他的生態(tài)服務(wù)的損失[18]。AMOGU等通過(guò)對(duì)兩個(gè)不同時(shí)期相似且相近地區(qū)集雨?duì)顩r的比較，分析不同的水文條件休耕縮短及隨之而來(lái)的土壤退化的影響[19]。然而，這些研究較多集中在耕地?cái)?shù)量的變化及耕地類型轉(zhuǎn)移上，較少涉及到耕地利用格局變化的生態(tài)環(huán)境背景因子?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】基于此，本研究采用GlobeLand30的2000和2010年耕地?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)品，從耕地變化的空間分布、數(shù)量、集約化利用和變化類型等方面研究2000—2010年非洲耕地利用格局變化，進(jìn)一步分析耕地變化的生態(tài)環(huán)境因子，揭示2000—2010年間非洲耕地空間格局的總體波動(dòng)及地理差異特征。

1　材料與方法

1.1　數(shù)據(jù)和預(yù)處理

本研究中采用的2000 年和2010 年耕地?cái)?shù)據(jù)來(lái)自于全球地表覆蓋遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品（GlobeLand30）。該 GlobeLand30數(shù)據(jù)產(chǎn)品是根據(jù)全球最佳覆蓋的30 m空間分辨率美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat TM/ETM+、國(guó)產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)星（HJ-1）等影像，利用基于像元的耕地綜合提取、面向?qū)ο蟮膱D斑處理和人機(jī)交互的數(shù)據(jù)優(yōu)化的POK方法[24,27]，首次完成的2000和2010年兩個(gè)基準(zhǔn)年耕地、水體、森林、苔原、草地、人造地表、灌木地、裸地、濕地、冰川或永久積雪等10個(gè)地表覆蓋類型的遙感制圖，產(chǎn)品總體精度在 80%以上，其中耕地總體精度達(dá)到83.06%[28]。GlobeLand30耕地定義不同于已有國(guó)家或國(guó)際土地利用分類系統(tǒng)，主要指種植農(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[10,12]。利用非洲行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)從 GlobeLand30數(shù)據(jù)產(chǎn)品提取得到非洲2000和2010年兩期耕地?cái)?shù)據(jù)集，非洲行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來(lái)自于國(guó)家測(cè)繪局1∶100萬(wàn)全球基礎(chǔ)地理地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。

耕地時(shí)空變化己經(jīng)引起人們的重視，但是其變化的生態(tài)環(huán)境背景往往被忽視。為此，本研究進(jìn)一步深入分析了不同氣候和地形等生態(tài)環(huán)境背景下非洲耕地空間格局變化特征，揭示2000—2010年非洲耕地空間格局變化的地理分異，及其和生態(tài)環(huán)境背景的關(guān)系。氣候（含溫度和降水因子）數(shù)據(jù)集來(lái)自于美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局（NOAA）的格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（PSD Gridded Climate Dataset），分辨率為0.5弧度；非洲D(zhuǎn)EM數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的 SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m。利用非洲的地理經(jīng)度對(duì)下載STRM數(shù)據(jù)進(jìn)行剪切，得到覆蓋非洲全區(qū)的數(shù)據(jù)；利用非洲1981—2010年的格網(wǎng)逐月溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)的年均溫和年均降水，在ArcGIS平臺(tái)中進(jìn)行插值生成等值線并轉(zhuǎn)換為面，進(jìn)行年均溫度和降水量的等級(jí)劃分。同樣，利用非洲的DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS平臺(tái)中計(jì)算坡度和坡向，并進(jìn)行坡度和坡向數(shù)據(jù)分級(jí)。

1.2　分析指標(biāo)與方法

為系統(tǒng)分析2000—2010年非洲耕地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，本研究綜合考慮從空間位置、面積數(shù)量、集約化利用和轉(zhuǎn)換類型等角度進(jìn)行分析。耕地變化空間位置直觀描述耕地增加或減少等變化、以及保持不變的地理空間分布。面積數(shù)量指標(biāo)包括耕地面積及其變化率。集約化利用采用復(fù)種指數(shù)及其變化率。轉(zhuǎn)移類型描述了耕地和其他地表覆蓋類型之間的轉(zhuǎn)換，包括耕地面積轉(zhuǎn)入率和面積轉(zhuǎn)出率兩個(gè)指標(biāo)。

首先，基于2000年和2010年兩期非洲耕地分布數(shù)據(jù)集，進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，得到10年非洲耕地利用變化空間分布，研究10年非洲耕地增加、減少和不變區(qū)域的空間分布特征；其次，采用多級(jí)區(qū)劃（大洲、區(qū)域和國(guó)家）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，分析10年非洲耕地變化的面積數(shù)量特征，非洲分區(qū)按照FAO的區(qū)劃方法，劃分為東非、中非、西非、南非和北非5個(gè)區(qū)域[2]；再次，綜合利用不同國(guó)家耕地面積和來(lái)自于FAOSTAT的播種面積數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的方法[29]，計(jì)算耕復(fù)種指數(shù)10年間變化特征；之后，計(jì)算耕地和其他地表覆蓋類型的轉(zhuǎn)移矩陣，分析非洲10年耕地增減變化方向情況；最后，將非洲10年耕地空間格局變化數(shù)據(jù)和非洲生態(tài)環(huán)境背景數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)不同氣候和地形分級(jí)下耕地變化特征和地理差異，分析非洲耕地利用變化與所處生態(tài)環(huán)境背景之間的關(guān)系。非洲生態(tài)環(huán)境背景數(shù)據(jù)參考已有研究和和實(shí)際情況進(jìn)行分級(jí)[30]，標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1　非洲生態(tài)環(huán)境背景數(shù)據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1　Criteria for data grading of the ecological environment in Africa

2　結(jié)果

2.1　2000—2010 年非洲耕地空間變化特征

圖1是從GlobeLand30中提取的非洲 2000—2010年耕地變化空間分布?？梢钥闯?，非洲耕地集中分布在非洲東部的蘇丹、埃塞俄比亞、坦桑尼亞和肯尼亞等國(guó)家，西非的尼日利亞、尼日爾和馬里等國(guó)家，北非的摩洛哥、阿爾及利亞和突尼斯等國(guó)家，以及南部的南非等國(guó)家。耕地面積在各經(jīng)緯度帶上以增加為主，只有在少部分經(jīng)緯度帶減少。從經(jīng)向看，位于西半球的非洲西部區(qū)域的耕地面積總體呈現(xiàn)減少，而東半球區(qū)域的耕地面積增加較多，尤其4°E—19°E 的中部和31°E—39°E 的東部區(qū)域耕地增加明顯。從緯向看，耕地由南向北在緯度帶上耕地面積波動(dòng)上升，赤道以北地區(qū)的耕地面積變化量占整個(gè)非洲耕地面積變化量的60.1%，尤其在 9°N—14°N 區(qū)間的耕地面積增加明顯；赤道以南地區(qū)耕地面積集中在1°S —22°S 區(qū)間。

圖1　2000—2010 年非洲耕地變化空間分布Fig. 1　Distribution of cultivated land change in Africa over 2000-2010

2.2　2000—2010 年非洲耕地面積變化特征

2010年非洲耕地面積為22 317.32×104hm2，較2000年耕地面積增加 1 540.63×104hm2，增幅為7.42%（表2）。非洲5個(gè)區(qū)域耕地面積10年間均有增加，但不同區(qū)域存在差異。東非和西非耕地總面積位于非洲前兩位，2010年耕地面積分別為5 862.61×104hm2和 5 705.75×104hm2，這兩個(gè)區(qū)域耕地面積10年間分別增加約9.49%和7.55%，對(duì)非洲耕地面積變化的貢獻(xiàn)率分別為 33.0%和 26.0%；南部和北部非洲的耕地面積總量分別處于非洲第3位和第4位，10 年間耕地面積變化率分別為4.86%和6.74%，占非洲耕地面積變化總量的 14.0%和19.0%；中非大部分區(qū)域地表覆蓋類型為熱帶雨林地區(qū)，耕地面積總量在非洲 5個(gè)區(qū)域中最小，2010 年耕地面積為1 163.92×104hm2，但過(guò)去 10 年間，中非耕地面積變化率在5個(gè)區(qū)域中最大，約10.42%，占非洲總耕地面積變化總量的7.0%，這表明該區(qū)域耕地開墾活動(dòng)頻繁。

表2　非洲不同區(qū)域和國(guó)家2010年耕地面積，2000—2010年耕地面積和復(fù)種指數(shù)變化率Table 2　Cultivated land area in 2010, changing rate of cultivated land area and multiple cropping index over 2000-2010 at country and regional levels in Africa

從不同國(guó)家看，2000—2010年，耕地面積數(shù)量增加排在前10位的非洲國(guó)家是尼日利亞、坦桑尼亞、蘇丹、肯尼亞、莫桑比克、乍得、阿爾及利亞、贊比亞、津巴布韋和布基納法索，尤其是尼日利亞、坦桑尼亞和蘇丹等 3個(gè)國(guó)家，耕地面積增加約 451.77×104、329.17×104和209.37×104hm2，分別占總增加面積的24.6%、17.9%和11.4%；但從耕地面積增加率看，排在前10位的國(guó)家是剛果（布）、留尼汪、中非、莫桑比克、乍得、坦桑尼亞、尼日利亞、博茨瓦納、布基納法索和肯尼亞。2000—2010年，耕地面積數(shù)量減少排在前10位的國(guó)家是科特迪瓦、馬里、安哥拉、加納、馬拉維、突尼斯、布隆迪、盧旺達(dá)、剛果（金）和南非，尤其是科特迪瓦、加納和馬里等3個(gè)國(guó)家，耕地分別減少面積了約55.42×104、35.48×104和31.73×104hm2，分別占總減少耕地面積的 18.7%、12.0%和10.7%；但從耕地減少率看，毛里求斯、圣赫勒拿、科特迪瓦、毛里塔尼亞、加那利群島和布隆迪等國(guó)家的耕地面積減少幅度較大。

2.3　2000—2010年非洲耕地復(fù)種指數(shù)變化特征

復(fù)種指數(shù)是衡量耕地利用率和耕地資源集約化利用程度的基礎(chǔ)性指標(biāo)。2010年，非洲耕地復(fù)種指數(shù)為98.11%、西非（163.75%）和中非（148.01%）國(guó)家的耕地復(fù)種指數(shù)較高，南部非洲（57.56%）、北非（75.20%）和東非（76.64%）國(guó)家的復(fù)種指數(shù)較低。復(fù)種指數(shù)最高的國(guó)家多部分集中在水熱條件較好的西非和中非。2000—2010年，非洲耕地復(fù)種指數(shù)變化率為13.54%，5個(gè)地理分區(qū)中復(fù)種指數(shù)均有提高，東非耕地復(fù)種指數(shù)提高幅度和變化率（25.41%）都最大，北非變化率最小 5.46%。復(fù)種指數(shù)變化率最大的10個(gè)國(guó)家是安哥拉、岡比亞、阿爾及利亞、毛里塔尼亞、馬里、科特迪瓦、喀麥隆、尼日爾、幾內(nèi)亞和贊比亞，這些國(guó)家多集中在西非和南部非洲。西非的幾內(nèi)亞、毛里塔尼亞、科特迪瓦和和中非的喀麥隆水熱條件相對(duì)較好，經(jīng)濟(jì)相對(duì)較發(fā)達(dá)，復(fù)種指數(shù)和增長(zhǎng)率在非洲所有國(guó)家中都較高（圖2）。

圖2　2000—2010年非洲復(fù)種指數(shù)變化Fig. 2　Multiple cropping index’s changes over 2000-2010 in Africa

2.4　2000—2010年非洲耕地類型轉(zhuǎn)移特征

10 年間，非洲新增耕地主要由草地、林地和灌叢轉(zhuǎn)入，分別占總轉(zhuǎn)入量的 66.4%、15.2%和 11.2%；減少的耕地主要由耕地轉(zhuǎn)成為草地和灌木地，分別占轉(zhuǎn)出總量的61.2%和11.8%。分析表明，2000—2010 年10 年間，非洲耕地凈增加主要是通過(guò)對(duì)森林、草地和灌叢等天然植被的大量開墾，尤其是位于熱帶雨林區(qū)與亞熱帶和熱帶荒漠區(qū)過(guò)渡地帶的草原和灌木地植被的開墾。

非洲不同區(qū)域的自然地理?xiàng)l件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件不同，10 年間耕地轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在與林地、草地、灌叢和裸地等類型之間，轉(zhuǎn)入的耕地面積遠(yuǎn)大于耕地轉(zhuǎn)出面積（表 3）。東非新增耕地主要來(lái)源于林地和草地，轉(zhuǎn)為耕地的林地和草地面積分別占轉(zhuǎn)出總量的24.10%和 68.17%；耕地減少主要轉(zhuǎn)出為林地和草地，轉(zhuǎn)出面積分別占轉(zhuǎn)出總量的 22.15%和 68.61%。西非耕地面積增加主要由林地、草地和灌木地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入面積分別占轉(zhuǎn)入總量的 11.40%、68.36%和 15.44%；耕地轉(zhuǎn)出主要類型為草地和灌木地，轉(zhuǎn)出面積分別占轉(zhuǎn)出總量的 63.80%和 21.31%。北非 2010 年新增耕地主要來(lái)自草地、灌叢和裸地的轉(zhuǎn)入，分別占轉(zhuǎn)入總量的 49.77%、16.46%和 29.40%；2010 年耕地減少主要流向草地和裸地，轉(zhuǎn)出面積分別占轉(zhuǎn)出總量的58.96%和 21.20%。南非耕地面積的轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出主要發(fā)生在耕地與草地和灌叢之間，但轉(zhuǎn)入面積大于轉(zhuǎn)出面積，新增耕地主要來(lái)自草地和灌叢的轉(zhuǎn)入，分別占轉(zhuǎn)出總量的 72.90%和18.37%；2010年耕地減少主要流向草地和灌叢，轉(zhuǎn)出面積分別占轉(zhuǎn)出總量的74.42%和14.87%。中非10年間增加的耕地面積來(lái)源于林地和草地，轉(zhuǎn)為耕地的林地和草地面積分別占轉(zhuǎn)出總量的 18.82%和 73.94%；減少耕地面積轉(zhuǎn)出為林地和草地，轉(zhuǎn)出面積分別占轉(zhuǎn)出總量的 12.36%和82.04%。

表3　2000—2010 年非洲不同區(qū)域耕地轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出占比Table 3　Conversion between cultivated land and other land cover types at regional level in Africa

2.5　非洲耕地變化與生態(tài)環(huán)境因子的關(guān)系解析

2.5.1耕地變化與溫度、降水耕地空間分布與溫度有明顯關(guān)系，非洲耕地主要分布在溫度為15—30℃的區(qū)域，從圖3可以看出，2000—2010年非洲耕地增減變化也主要位于該區(qū)域。在不同溫度區(qū)間，新增耕地面積總體上大于減小面積。溫度為20—30℃的區(qū)域耕地增加和減少面積顯著，該區(qū)域耕地增加和減少面積約占全非洲耕地增加總面積和減少總面積的90%。在 20—25℃的區(qū)域，耕地增加和減少面積分別為2 462×104hm2和1 462×104hm2，耕地面積凈增加約1 000×104hm2。溫度為25—30℃的區(qū)域新增耕地和減少耕地面積要高于20—25℃的區(qū)域，分別為3 330×104hm2和2 296×104hm2，帶來(lái)耕地面積凈增加約1 034×104hm2。

圖3　不同溫度區(qū)域的耕地增加和減少分布Fig. 3　Relationship between cultivated land change and temperature over 2000—2010 in Africa

降水也是決定耕地空間分布的一個(gè)重要生態(tài)環(huán)境因子。從圖 4可以看出，2000—2010年非洲耕地面積變化主要發(fā)生在年降水量為300—1 200 mm的區(qū)域。新增耕地面積和減少耕地面積均集中在該區(qū)域且具有相同的先增加后減少變化趨勢(shì)，新增耕地面積總體大于減少的耕地面積。在年降水量900—1 200 mm的區(qū)域耕地變化最明顯。從面積變化數(shù)量看，非洲耕地凈增加2 250×104hm2，300—600 mm、600—900 mm 和900—1 200 mm 3個(gè)降水區(qū)間增加的耕地面積分別為 1 151×104、1 566×104和2 162×104hm2，分別占總增加面積的 17.74%、24.13%和33.32%，合計(jì)為 75.19%；同樣，這 3個(gè)降水區(qū)間的耕地減少面積高于其他降水區(qū)間，減少面積分別為798×104、917×104和 1 457×104hm2，占總減少面積的 18.82%、21.64%和 34.37%，合計(jì)為 74.83%；在該降水區(qū)間耕地凈增加1 708×104hm2，占非洲總凈增加面積的 75.90%。

2.5.2耕地變化與高程、坡度根據(jù)海拔可將地形劃分為低平原（＜200 m）、丘陵（200—500 m）、低山（500—1 000 m）、中山（1 000—3 500 m）、高山（＞3 500 m），其中 600 m 以上稱為高原。非洲全區(qū)平均海拔為 750 m，500— 1 000 m 的低山面積占全洲面積 60%以上。圖 5 顯示了不同高程等級(jí)下耕地變化數(shù)量。10 年間非洲耕地面積變化幅度隨著海拔升高先增加再不斷下降。和耕地集中分布一樣，耕地面積增減變化主要發(fā)生在1 000 m以下的區(qū)域，尤其是200—500 m的丘陵和 500—1 000 m低山區(qū)間，耕地面積分別增加 1 621×104hm2和2 078×104hm2，遠(yuǎn)高于減少的耕地面積（1 051×104hm2和1 208×104hm2），該區(qū)域凈增加耕地面積 1 440×104hm2，貢獻(xiàn)了全非洲凈增加耕地面積的63.8%。＜200 m的低平原地區(qū)，耕地增加和減少面積相差不大，耕地增長(zhǎng)緩慢。然而，在1 000—1 500 m的中山區(qū)域，耕地面積凈增加了569×104hm2，約占非洲凈增加耕地面積的1/4，這表明了非洲耕地呈現(xiàn)向高海拔擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)。

圖4　不同降水區(qū)間的耕地增加和減少分布Fig. 4　Relationship between cultivated land change and precipitation over 2000-2010 in Africa

圖5　不同高程區(qū)間的耕地增加和減少分布Fig. 5　Relationship between cultivated land change and terrain over 2000-2010 in Africa

圖6顯示了不同坡度等級(jí)下的非洲耕地面積變化數(shù)量分布?？梢钥闯?，2000—2010 年期間，新增和減少耕地主要分布在坡度小于2°、地勢(shì)平坦區(qū)域，增加和減少面積分別為 6 041×104和 3 883×104hm2，占總增加和總減少面積總量的 92.98%和91.79%。坡度＞15°的區(qū)域，新增耕地面積僅占總增加面積總量的 0.21%，減少耕地面積占總減少面積總量的 0.26%。以上表明，耕地的分布與變化受坡度限制明顯，90%以上的耕地變化發(fā)生在坡度低的區(qū)域，這符合耕地利用對(duì)坡度的要求。

3　討論

本文基于2000年和2010年GlobeLand30耕地?cái)?shù)據(jù)集，利用不同的分析指標(biāo)和空間尺度分析了非洲耕地的時(shí)空變化特征。本文的研究結(jié)論和已有研究結(jié)果總體吻合，但由于不同研究的時(shí)間跨度、數(shù)據(jù)來(lái)源不同，使得研究結(jié)論也存在一定差異。如張麗娟等[31]基于空間分辨率較粗的 0.05°土地覆蓋分類數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，1982—2011年非洲耕地面積增加了86.76×104km2，而本研究基于30 m的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，非洲在2000—2010年間耕地面積增加了1 540.63×104hm2。未來(lái)需要進(jìn)一步加強(qiáng)非洲耕地遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的研制，獲取長(zhǎng)時(shí)間覆蓋、高精度空間描述的數(shù)據(jù)集，以便更好分析非洲耕地的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征和過(guò)程。

圖6　不同坡度等級(jí)下的耕地增加和減少分布Fig. 6　Relationship between cultivated land change and slope over 2000-2010 in Africa

需要說(shuō)明的是，一方面，GlobeLand30耕地定義遵循聯(lián)合國(guó)FAO標(biāo)準(zhǔn)，不僅包括常規(guī)農(nóng)作物，也包括牧草種植地，果樹、茶園、咖啡園等灌木類經(jīng)濟(jì)作物。該定義不同于已有的國(guó)家土地利用分類系統(tǒng)[32]或者中低空間分辨率的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品，如 GlobeCover、UMD-GLC 和 BU-MODIS，因此，GlobeLand30和已有的數(shù)據(jù)產(chǎn)品之間不具有可比性。另一方面，GlobeLand30數(shù)據(jù)總體精度雖然較高，但其非洲區(qū)耕地精度低于其他大洲耕地?cái)?shù)據(jù)精度[27]，需要進(jìn)一步提高該區(qū)域耕地遙感制圖產(chǎn)品的精度，減少分類誤差給非洲耕地格局分析帶來(lái)的不確定性。GlobeLand30 的 2000 和 2010 年兩期耕地?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)品所描述的格局變化僅僅反映兩個(gè)獨(dú)立年份的非洲耕地空間格局變化，并不能揭示連續(xù)的耕地格局變化趨勢(shì)，因此，將來(lái)需要獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的耕地?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)品，進(jìn)一步深入分析變化趨勢(shì)。本研究揭示了非洲耕地?cái)?shù)量及空間變化特征，但在空間格局研究方面尚有不足，可以考慮引入破碎度、斑塊密度等景觀指標(biāo)來(lái)進(jìn)行分析。

2000—2010年非洲耕地利用格局變化和降雨、高程、溫度、坡度等生態(tài)環(huán)境因子具有密切相關(guān)性，但本研究受數(shù)據(jù)限制，尚沒(méi)有深入分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)非洲耕地利用變化的影響。事實(shí)上，非洲近年來(lái)成為了全球很多國(guó)家如美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、歐盟、日本、印度等重點(diǎn)投資的區(qū)域。很多新型農(nóng)業(yè)技術(shù)的引入、農(nóng)業(yè)投資開發(fā)利用項(xiàng)目的實(shí)施，在一定程度上會(huì)驅(qū)動(dòng)非洲耕地利用格局發(fā)生明顯變化。此外，非洲農(nóng)田土地貧瘠、血吸蟲、萃萃蠅等大面積疫區(qū)，以及非洲局部地區(qū)或國(guó)家政治體制不穩(wěn)、頻發(fā)的沖突等也會(huì)影響非洲耕地利用格局的變化。因此，未來(lái)研究需要重點(diǎn)加強(qiáng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)非洲耕地利用變化的影響作用。

4　結(jié)論

2000—2010年非洲耕地總面積增加了 1 540.63×104hm2，增長(zhǎng)率約 7.42%。在經(jīng)緯度方向上由西向東、由南向北耕地面積呈增加態(tài)勢(shì)；耕地面積變化率從高到低的區(qū)域依次為中非、東非、西非、北非和南非；10年間耕地面積增加最多的依次是尼日利亞、坦桑尼亞、蘇丹、肯尼亞、莫桑比克、乍得、阿爾及利亞、贊比亞、津巴布韋和布基納法索，而耕地面積數(shù)量減少排在前10位的非洲國(guó)家是科特迪瓦、馬里、安哥拉、加納、馬拉維、突尼斯、布隆迪、盧旺達(dá)、剛果（金）和南非。

2010年，非洲耕地復(fù)種指數(shù)為98.11%，10年間變化率為 13.54%；5個(gè)區(qū)域中復(fù)種指數(shù)最大的是西非（163.75%）。新增耕地主要由林地、草地和灌木地等植被類型開發(fā)利用轉(zhuǎn)入，減少耕地主要轉(zhuǎn)成為草地和灌木地，新增的耕地面積遠(yuǎn)大于減少的面積。這表明，該區(qū)域森林、草地和灌叢等天然植被受到人類開墾和破壞，尤其是位于熱帶雨林區(qū)與亞熱帶和熱帶荒漠區(qū)過(guò)渡地帶的草原和灌木地植被減少較多，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化，不利于農(nóng)業(yè)耕地資源可持續(xù)利用。

2000—2010年非洲耕地增減變化主要位于年均溫度為 15—30℃的區(qū)域，尤其 20—30℃的區(qū)域耕地增加和減少的面積占全非洲耕地增加總面積和減少總面積的 90%；10 年間，耕地隨著降水增加呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢(shì)，600—900 mm的降水區(qū)間是耕地變化最集中的區(qū)域；耕地面積增減變化主要發(fā)生在1 000 m 以下的區(qū)域，尤其是 200—500 m 的丘陵和500—1 000 m 高原區(qū)間，耕地變化呈現(xiàn)向高海拔擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)；10年，耕地面積變化主要發(fā)生在坡度小于 2°的平緩地帶。

[1]FOLEY J A, RAMANKUTTY N, BRAUMAN K A, CASSIDY E S,GERBER J S, JOHNSTON M, MUELLER N D, O CONNELL C,RAY D K, WESTP C, BALZER C, BENNETT E M, CARPENTER S R, HILL J, MONFREDA C, POLASKY S, ROCKSTROM J,SHEEHAN J, SIEBERT S, TILMAN D, ZAKS D P M. Solutions for a cultivated planet. Nature, 2011, 478(7369): 337-342.

[2]楊艷昭, 吳艷娟, 封志明.非洲糧食產(chǎn)量波動(dòng)時(shí)空格局的定量化研究. 資源科學(xué), 2014, 36(2): 361-369.YANG Y Z, WU Y J, FENG Z M. Spatial-temporal patterns and regional differences of cereals production fluctuation in Africa.Resources Science, 2014, 36(2): 361-369. (in Chinese)

[3]趙文武. 世界主要國(guó)家耕地動(dòng)態(tài)變化及其影響因素. 生態(tài)學(xué)報(bào),2012, 32(20): 6452-6462.ZHAO W W. Arable land change dynamics and their driving forces for the major countries of the world. Acta Ecologica Sinica, 2012,32(20): 6452-6462. (in Chinese)

[4]FAO, IFAD and WFP. 2014. the State of food insecurity in the world 2014. Strengthening the enabling environment for foodsecurity and nutrition. Rome, FAO.

[5]FOLEY J A. Global consequences of land use. Science, 2005,309(5734): 570-574.

[6]唐華俊, 吳文斌, 余強(qiáng)毅, 夏天, 楊鵬, 李正國(guó).農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)研究及其關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(5): 900-910.TANG H J, WU W B, YU Q Y, XIA T, YANG P, LI Z G. Key research priorities for agricultural land system studies. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(05): 900-910. (in Chinese)

[7]陸苗, 吳文斌, 張莉, 廖安平, 彭舒, 唐華俊. 不同耕地?cái)?shù)據(jù)集在中國(guó)區(qū)域的對(duì)比研究. 中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 2016, 46(11): 1459-1471.LU M, WU W B, ZHANG L, LIAO A P, PENG S, TANG H. A comparative analysis of five global cropland datasets in China.Science China Earth Sciences, 2016, 46(11): 1459-1471. (in Chinese)

[8]黃善林, 盧新海.當(dāng)前國(guó)際上海外耕地投資狀況及其評(píng)析. 中國(guó)土地科學(xué), 2010, 24(7):71-76.HUANG S L, LU X H. Status and comments on current overseas farmland investments throughout the world. China Land Sciences,2010, 24(7):71-76. (in Chinese)

[9]胡孌運(yùn), Chen Y L, 徐玥, 趙圓圓, 俞樂(lè), 王杰, 宮鵬. 基于快速聚類方法的30m分辨率中國(guó)土地覆蓋遙感制圖. 中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2014, 44: 1621-1633.HU L Y, CHEN Y L, XU Y ZHAO Y Y, YU L, WANG J, GONG P. A 30 meter land cover mapping of China with an efficient clustering algorithm CBEST. Science China Earth Sciences. 2014, 44:1621-1633. (in Chinese)

[10]俞樂(lè),王杰, 李雪草, 李叢叢, 趙圓圓, 宮鵬.基于多源數(shù)據(jù)集成的多分辨率全球地表覆蓋制圖. 中國(guó)科學(xué):地球科學(xué), 2014, 44:1646-1660.YU L, WANG J, LI X C, LI C C, ZHAO Y Y, GONG P. A multi-resolution global land cover dataset through multisource data aggregation. Science China Earth Sciences, 2014, 44: 1646-1660. (in Chinese)

[11]RAMANKUTTY N, FOLEY J A. Characterizing patterns of global land use: An analysis of global croplands data. Global Biogeochemical Cycles, 1998, 12(4): 667-685.

[12]RAMANKUTTY N, EVAN A T, MONFREDA C, FOLEY J A.Farming the planet: 1. Geographic distribution of global agricultural lands in the year 2000. Global Biogeochemical Cycles, 2008, 22,GB1003. doi:10.1029/2007GB002952.

[13]FRITZ S, SEE L, MCCALLUM I, YOU L, BUN A, MOLTCHANOVA E, DUERAUER M, ALBRECHT F, SCHILL C, PERGER C,HAVLIK P, MOSNIER A, THORNTON P, WOOD-SICHRA U,HERRERO M, BECKER-RESHEF I, JUSTICE C, HANSEN M,GONG P, ABDEL A S, CIPRIANI A, CUMANI R, CECCHI G,CONCHEDDA G, FERREIRA S, GOMEZ A, HAFFANI M,KAYITAKIRE F, MALANDING J, MUELLER R, NEWBY T,NONGUIERMA A, OLUSEGUN A, ORTNER S, RAJAK D R,ROCHA J, SCHEPASCHENKO D, SCHEPASCHENKO M,TEREKHOV A, TIANGWA A, VANCUTSEM C, VINTROU E,WENBIN W, VAN DER VELDE M, DUNWOODY A, KRAXNER F,OBERSTIENER M. Mapping global cropland and field size. Global Change Biology, 2015, 21(5): 1980-1992.

[14]FRITZ S, YOU L, BUN A, SEE L, MCCALLUM I, SCHILL C,PERGER C, LIU J G, HANSEN M, OBERSTEINER M. Cropland for sub-Saharan Africa: A synergistic approach using five land cover data sets. Geophysical Research Letters, 2011, 38, L04404, doi:10.1029/2010GL046213.

[15]劉紀(jì)遠(yuǎn), 張?jiān)鱿? 莊大方, 王一謀, 周萬(wàn)村, 張樹文, 李仁東, 江南,吳世新. 20世紀(jì)90年代中國(guó)土地利用變化時(shí)空特征及其成因分析.地理研究, 2003, 22(1):1-12.LIU J Y, ZHANG Z X, ZHUANG D F, ZHOU W C, ZHANG S W,JIANG N, WU S X. A study on the spatial-temporal dynamic changes of land-use and driving forces analyses of China in the 1990s.Geographical Research. 2003, 22(1): 1-12. (in Chinese)

[16]朱鵬, 宮鵬.全球陸表濕地潛在分布區(qū)制圖及遙感驗(yàn)證. 中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 2014, 44:1610-1620.ZHU P, GONG P. Suitability mapping of global wetland areas and validation with remotely sensed data. Science China Earth Sciences.2014, 44: 1610-1620. (in Chinese)

[17]YAO Z Y, ZHANG L J, TANG S H, LI X X, HAO T T. The basic characteristics and spatial patterns of global cultivated land change since the 1980s. Journal of Geographical Sciences. 2017, 27(7):771-785.

[18]SULIEMAN H M, ELAGIB N A. Implications of climate, land-use and land-cover changes for pastoralism in eastern Sudan. Journal of Arid Environments, 2012, 85: 132-141.

[19]DORIGO W A, WAGNER W, HOHENSINN R, HAHN S, PAULIK C,XAVER A, GRUBER A, DRUSCH M, MECKLENBURG S, VAN OEVELEN P, ROBOCK A, JACKSON T. The International Soil Moisture Network: a data hosting facility for global in situ soil moisture measurements. Hydrology and Earth System Sciences, 2011,15: 1675-1698.

[20]陳軍, 陳晉, 宮鵬, 廖安平, 何超英. 全球地表覆蓋高分辨率遙感制圖.地理信息世界, 2011(2): 12-14.CHEN J, CHEN J, GONG P, LIAO A P, HE C Y. Higher resolution global land cover mapping. Geomatics World, 2011(2): 12-14.(in Chinese)

[21]何超英, 廖安平, 陳志剛, 陳利軍.NDVI時(shí)間序列在全球耕地提取中的應(yīng)用. 地理信息世界, 2013, 20(2): 66-69.HE C Y, LIAO A P, CHEN Z G, CHEN L J. Application of NDVI time-series in global cropland classification. Geomatics World, 2013,20(2): 66-69. (in Chinese)

[22]BAN Y, GONG P, GIRI C. Global land cover mapping using Earth observation satellite data: Recent progresses and challenges. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2015, 103: 1-6.

[23]陳軍, 陳晉, 廖安平, 曹鑫, 陳利軍, 陳學(xué)泓, 彭舒, 韓剛, 張宏偉,何超英, 武昊, 陸苗. 全球30m地表覆蓋遙感制圖的總體技術(shù). 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43(6): 551-557.CHEN J, CHEN J, LIAO A, CAO X, CHEN L, CHEN X, PENG S,HAN G, ZHANG H, HE C, WU H, LU M. Concepts and key techniques for 30m Global Land Cover Mapping. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(6): 551-557. (in Chinese)

[24]CHEN J, CHEN J, LIAO A, CAO X, CHEN L, CHEN X, HE C, HAN G, PENG S, LU M, ZHANG W, TONG X, MILLS J. Global land cover mapping at 30 m resolution: A POK-based operational approach.ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2015, 103:7-27.

[25]張宇碩, 陳軍, 陳利軍, 李然, 張委偉, 魯楠, 劉吉羽. 2000-2010年西伯利亞地表覆蓋變化特征—基于GlobeLand30的分析. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2015, 34(10): 1324-1333.ZHANG Y S, CHEN J, CHEN L J, LI R, ZHANG W W, LU N, LIU J Y. Characteristics of land cover change in Siberia based on GlobeLand30, 2000-2010. Progress in Geography, 2015, 34(10):1324-1333. (in Chinese)

[26]楊洋, 麻馨月, 何春陽(yáng). 基于 GlobeLand 30 的耕地資源損失過(guò)程研究—以環(huán)渤海地區(qū)為例. 中國(guó)土地科學(xué), 2016, 30(7): 72-79.YANG Y, MA X Y, HE C Y. The loss process of cultivated land based on GlobeLand 30: A case study of Bohai Rim. China Land Sciences,2016, 30(7): 72-79. (in Chinese)

[27]曹鑫, 陳學(xué)泓, 張委偉, 廖安平, 陳利軍, 陳志剛, 陳晉. 全球30m空間分辨率耕地遙感制圖研究. 中國(guó)科學(xué):地球科學(xué), 2016, 46(11):1426-1435.CAO X, CHEN X H, ZHANG W W, LIAO A P, CHEN L J, CHEN Z G, CHEN J. Global cultivated land mapping at 30 m spatial resolution.Science China Earth Sciences, 2016, 46(11): 1426-1435. (in Chinese)

[28]劉吉羽, 彭舒, 陳軍, 廖安平, 張宇碩. 基于知識(shí)的 GlobeLand30耕地?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法與工程實(shí)踐. 測(cè)繪通報(bào), 2015(4): 42-48.LIU J Y, PENG S, CHEN J, LIAO A P, ZHANG Y S. Knowledge based quality checking method and engineering practice of globeLand30 cropland data. Bulletin ofSurveying and Mapping,2015(4): 42-48. (in Chinese)

[29]左麗君, 張増祥, 董婷婷, 汪瀟. 耕地復(fù)種指數(shù)研究的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展.自然資源學(xué)報(bào), 2009, 24(3): 553-560.ZUO L J, ZHANG Z X, DONG T T, WANG X. Progress in the research on the multiple cropping index. Journal of Natural Resources,2009, 24(3): 553-560. (in Chinese)

[30]徐峰. 不同生態(tài)環(huán)境背景下近十年中國(guó)耕地動(dòng)態(tài)變化分析[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院研究生院, 2003.XU F. Analysis of cultivated land dynamic change in China under different ecological environment background in nearly decade [D].Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 2003.(in Chinese)

[31]張麗娟, 姚子艷, 唐世浩, 李俠祥, 郝甜甜. 20世紀(jì)80年代以來(lái)全球耕地變化的基本特征及空間格局. 地理學(xué)報(bào), 2017, 72(7):1235-1247.ZHANG Z J, YAO Z Y, TANG S H, LI X X, HAO T T.Spatiotemporal characteristics and patterns of the global cultivated land since the 1980s. Acta Geographica Sinica, 2017, 72(7):1235-1247. (in Chinese)

[32]胡瓊, 吳文斌, 項(xiàng)銘濤, 陳迪, 龍禹橋, 宋茜, 劉逸竹, 陸苗, 余強(qiáng)毅. 全球耕地利用格局時(shí)空變化分析. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2018, 51(22):1091-1105.HU Q, WU W B, XIANG M T, CHEN D, LONG Y Q, SONG Q, LIU Y Z, LU M, YU Q Y. Spatio-temporal Changes in Global Cultivated Land over 2000-2010. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(22):1091-1105. (in Chinese)