中國(guó)北方新增耕地的時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)因素分區(qū)

王鳴雷，史文嬌

（1中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

0 引言

【研究意義】新增耕地資源的有效管控對(duì)保障糧食安全具有重要作用，其數(shù)量及空間格局的變化是耕地可持續(xù)利用研究的重點(diǎn)[1-4]。當(dāng)前全球氣候變化和人類活動(dòng)強(qiáng)度加劇，對(duì)耕地格局變化均產(chǎn)生了不可忽視的影響。明確氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)新增耕地資源的驅(qū)動(dòng)作用，可以據(jù)此因地制宜地實(shí)施保障措施，對(duì)保護(hù)耕地資源和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】當(dāng)前全國(guó)或區(qū)域的耕地動(dòng)態(tài)變化研究受到眾多研究學(xué)者的重視。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[5-7]基于遙感影像數(shù)據(jù)和土地利用動(dòng)態(tài)度模型等，分析了20世紀(jì)80年代末以來中國(guó)土地利用變化特征和空間差異；周建等[8]利用加權(quán)重心模型等分析了2001—2011時(shí)段我國(guó)土地整治新增耕地的時(shí)空變化特征；DENG等[9]結(jié)合AEZ模型和土地追蹤等技術(shù)手段分析了我國(guó)耕地資源流轉(zhuǎn)問題；李秀彬[10]利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析了20世紀(jì)80年代和90年代耕地變化的特征、趨勢(shì)和驅(qū)動(dòng)因素，并提出了相關(guān)土地整治措施；楊建宇等[11]基于重心模型和區(qū)位基尼系數(shù)等方法分析了京津冀地區(qū)的耕地時(shí)空特征；陳紅等[12]利用遙感影像數(shù)據(jù)和GIS分析，討論了新疆耕地的時(shí)空變化特征。關(guān)于耕地開墾的驅(qū)動(dòng)因素，已有研究主要分為兩大類：一類是基于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如趙曉麗等[13]利用多期遙感影像數(shù)據(jù)計(jì)算動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，分析了近30 a我國(guó)耕地資源時(shí)空特征及社會(huì)驅(qū)動(dòng)因子；曹銀貴等[14]基于各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)性分析和對(duì)比性分析對(duì)21世紀(jì)初的耕地變化驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了討論；蔡文春等[15]基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合主成分分析等，分析了人為因素對(duì)新疆耕地變化的影響；LAMBIN等[16]分析了耕地變化對(duì)社會(huì)-經(jīng)濟(jì)要素的反饋?zhàn)饔?。另一類是基于氣候因素的?qū)動(dòng)分析，如SHI等[17-19]將耕地?cái)?shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)結(jié)合，分析了1970s以來我國(guó)北方耕地的氣候驅(qū)動(dòng)因素等；NEWMAN等[20]分析了氣候變化通過區(qū)域水循環(huán)和環(huán)境，從而影響耕地生產(chǎn)力和時(shí)空格局變化；CHEN等[21]分析表明，氣溫增暖對(duì)中國(guó)北方耕地起到了一定的促進(jìn)作用；DONG等[22]對(duì)氣候要素和耕地進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80年代末以來氣候增暖使得內(nèi)蒙古東部、遼西、吉林等地區(qū)冬小麥的種植區(qū)向北移動(dòng)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】現(xiàn)有研究多從單一驅(qū)動(dòng)因素入手，將社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和氣候因素分開討論，缺乏新增耕地格局驅(qū)動(dòng)因素的氣候和人為兩方面因素的系統(tǒng)分析。此外，缺乏新增耕地格局驅(qū)動(dòng)要素的分區(qū)研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】我國(guó)北方生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，自然災(zāi)害頻發(fā)，明確我國(guó)北方耕地時(shí)空特征以及驅(qū)動(dòng)因素尤為重要。本文基于1990年以來中國(guó)北方多期新增耕地?cái)?shù)據(jù)，從時(shí)空兩個(gè)角度分析了我國(guó)北方新增耕地的變化特征；通過將有效積溫和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)兩個(gè)氣象指標(biāo)與北方新增耕地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加，分析我國(guó)北方10省耕地變化對(duì)氣候的響應(yīng)機(jī)制；通過各省的統(tǒng)計(jì)年鑒等數(shù)據(jù)和政策實(shí)施，分析中國(guó)北方耕地開墾的人為驅(qū)動(dòng)因素；通過綜合考慮影響耕地增加的氣候和人為驅(qū)動(dòng)因素，以及作物種植的適宜條件等，將中國(guó)北方新增耕地進(jìn)行分區(qū)，可以更好地體現(xiàn)耕地變化的區(qū)域特征和區(qū)域差異，研究可為耕地資源的有效利用、調(diào)控區(qū)域耕地的可持續(xù)利用和動(dòng)態(tài)平衡，以及農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究所定義的中國(guó)北方包括1990年以來新增耕地較多的黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、山西、陜西、寧夏、甘肅、青海和新疆等10個(gè)?。ɑ蜃灾螀^(qū)）（75°—135°05′E，31°42′—53°33′N），總面積達(dá)52 382×104hm2（圖1）。區(qū)域內(nèi)干濕類型和氣候條件差異性明顯，從東向西跨越濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)、半干旱和干旱4個(gè)干濕類型，氣候類型以溫帶季風(fēng)氣候和溫帶大陸性氣候?yàn)橹鳎谇嗪Ｊ∫约靶陆S吾爾自治區(qū)的西部邊緣伴有部分高原高山氣候。所涉及范圍內(nèi)耕地、林地、草地和荒地交錯(cuò)分布，包含了北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)以及荒漠戈壁地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱[23]。其中，中國(guó)北方耕地總面積達(dá)4 754×104hm2，約占全國(guó)耕地總面積的39%，主要分布在中國(guó)東北的中部、黃土高原、新疆的中西部地區(qū)，其他地區(qū)零散分布。

圖1 2015年中國(guó)北方土地利用類型圖Fig.1 Types of land use in Northern China, 2015

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、土地利用/土地覆被變化數(shù)據(jù)（LUCC）、氣象數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)（Digital Elevation Model，DEM）和社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/Default.aspx）。土地利用/土地覆被變化數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心，其中包含1980、1990、2000、2010、2015年5期數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)包含氣溫、降水、風(fēng)速（10 m）、相對(duì)濕度和氣壓等氣象要素，其中氣溫?cái)?shù)據(jù)選用中國(guó)北方276個(gè)站點(diǎn)的均一化日均溫?cái)?shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)系列消除了觀測(cè)時(shí)間變化、儀器變化和氣象站移動(dòng)引起的偏差[24]。其余的氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（https://data.cma.cn/）276個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)日值。社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包括中國(guó)北方10?。ɑ蜃灾螀^(qū)）1980年以來的人口、農(nóng)業(yè)為主人口、有效灌溉面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力和水利設(shè)施建設(shè)等數(shù)據(jù)，來源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和北方各?。ɑ蜃灾螀^(qū)）的地方統(tǒng)計(jì)年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 ≥10℃積溫（AAT10）

AAT10是大于或等于臨界溫度或最低生物學(xué)溫度（本研究選用10 ℃）的日均溫之和[17]，是指一年中日均溫≥10 ℃的連續(xù)時(shí)段內(nèi)，每日平均氣溫累計(jì)得到的溫度總和。為消除日均溫隨機(jī)波動(dòng)影響，選取5 d滑動(dòng)平均法獲取日均溫≥10 ℃的連續(xù)時(shí)段，并通過Matlab軟件依據(jù)中國(guó)北方276個(gè)站點(diǎn)的日均溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算1980s以來的AAT10指標(biāo)值，計(jì)算公式如下。

式中，i代表每年中的第i天，n為該年的天數(shù)，Ti代表第i天的日均溫。據(jù)此計(jì)算中國(guó)北方每個(gè)站點(diǎn)每年AAT10指標(biāo)值。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI） SPEI，即標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)，以月尺度水分虧損（降雨量減去蒸散量）表示水分的盈余，從而反映地區(qū)的干旱狀態(tài)。本研究中潛在蒸散量采用聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）推薦的計(jì)算參考作物蒸散的Penman-Monteith（P-M）公式計(jì)算。P-M公式以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，不僅考慮了氣溫因素，還考慮了氣壓、風(fēng)速和相對(duì)濕度等氣候要素，無論是干旱區(qū)氣候區(qū)還是濕潤(rùn)氣候區(qū)都與實(shí)測(cè)參考作物的蒸散較為符合[25]。SPEI的詳細(xì)計(jì)算過程可通過BEGUERíA等[26]獲取。SPEI為標(biāo)準(zhǔn)化變量，當(dāng)SPEI值為0時(shí)，表示地區(qū)的干旱累計(jì)概率為50%，據(jù)此計(jì)算中國(guó)北方276個(gè)站點(diǎn)的年均SPEI指標(biāo)值。

1.3.3 水熱指標(biāo)空間插值 采用ANUSPLIN軟件對(duì)AAT10和SPEI的站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到研究區(qū)范圍內(nèi)空間分辨率為1 km的水熱指標(biāo)柵格數(shù)據(jù)集。

1.3.4 重心轉(zhuǎn)移模型 新增耕地重心的變化可以從空間上反映新增耕地的時(shí)空遷移過程，分析不同時(shí)間段新增耕地重心分布，可以精確把握耕地的空間變化趨勢(shì)。在計(jì)算過程中，選用新增耕地的面積作為權(quán)重，新增耕地圖斑的幾何中心作為其重心，通過圖斑的重心坐標(biāo)結(jié)合權(quán)重因子，表示中國(guó)北方新增耕地的重心轉(zhuǎn)移情況，計(jì)算公式如下。

1.3.5 ArcGIS統(tǒng)計(jì)分析 為定量描述氣候要素（AAT10和SPEI）變化對(duì)新增耕地的驅(qū)動(dòng)影響，利用ArcGIS10.2的疊加分析、柵格計(jì)算器和分區(qū)統(tǒng)計(jì)等工具進(jìn)行分析，計(jì)算1980s—1990s，1990s—2000s和2000s—2010s 3個(gè)時(shí)段氣候要素的增減情況。

1.3.6 年變化率 年變化率從一定程度上反映了地區(qū)耕地相對(duì)于各省土地總面積擴(kuò)張或縮減的變化速率快慢，計(jì)算公式如下。

式中，ν表示年變化率（%），i和j表示年份，cΔ(j-i)表示第j年相對(duì)于第i年增加的耕地面積，ai表示某省第i年份的耕地總面積。

1.3.7 基于驅(qū)動(dòng)因素分區(qū) 為更好地體現(xiàn)新增耕地變化的區(qū)域特征和區(qū)域差異，明確耕地開墾的驅(qū)動(dòng)因素，以中國(guó)北方新增耕地的空間分布格局為基礎(chǔ)，結(jié)合不同耕地轉(zhuǎn)換來源信息和驅(qū)動(dòng)因素信息，對(duì)中國(guó)北方新增耕地進(jìn)行基于驅(qū)動(dòng)因素的動(dòng)態(tài)區(qū)劃。具體分區(qū)原則為：①考慮全球溫度升高而導(dǎo)致的作物種植界限北移問題，依據(jù)《糧食作物與氣象》[27]和《中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)》[28]，將不同熟制玉米所需最低積溫指標(biāo)數(shù)據(jù)——2 100 ℃·d為分界線，將中國(guó)北方各階段積溫分布圖劃分，以此考慮由氣候因素主導(dǎo)引起的耕地開墾；②考慮東北地區(qū)較為頻繁的水田-旱地轉(zhuǎn)換類型，結(jié)合氣候和人為影響因素，判斷驅(qū)動(dòng)類型；③考慮中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶特殊的地理位置，以林草地轉(zhuǎn)換和荒地轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，結(jié)合不同驅(qū)動(dòng)因素，判斷主導(dǎo)影響方式；④考慮黃土高原地區(qū)作為“退耕還林”政策的主要實(shí)施地，綜合林草—耕地頻繁轉(zhuǎn)換的地區(qū)，判斷其驅(qū)動(dòng)方式；⑤考慮新疆地區(qū)特殊的氣候類型以及特有的綠洲開墾，將其單獨(dú)劃分。最后，基于不同的地區(qū)、驅(qū)動(dòng)因素以及主要轉(zhuǎn)換方式，按照“地區(qū)+驅(qū)動(dòng)因素+轉(zhuǎn)換方式”的形式對(duì)不同分區(qū)進(jìn)行命名。

2 結(jié)果

2.1 中國(guó)北方新增耕地時(shí)空格局變化特征

1980—2015年間，中國(guó)北方新增耕地重心整體呈現(xiàn)出由東北向西北方向移動(dòng)，1980s—1990s、1990s—2000s和2000s—2010s 3個(gè)時(shí)間段新增耕地重心變化趨勢(shì)和移動(dòng)方向存在顯著差異（圖2）。1980s—1990s時(shí)段，中國(guó)北方新增耕地重心整體偏向東北地區(qū)，而到1990s—2000s和2000s—2010s時(shí)段，西北地區(qū)的耕地比重逐漸增大，中國(guó)北方新增耕地重心轉(zhuǎn)向西北地區(qū)。前兩個(gè)時(shí)段，新增耕地重心由東北向西北移動(dòng)距離為1881.19 km，后兩個(gè)時(shí)段，新增耕地重心向東南方向微移，移動(dòng)距離為28.20 km。

圖2 1980s以來中國(guó)北方新增耕地重心變化圖Fig.2 Changes in the center of gravity of new cultivated land in Northern China since 1980s

1980s以來中國(guó)北方新增耕地總面積達(dá)1 034.59×104hm2，約占中國(guó)北方國(guó)土總面積的1.9%，主要集中在黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)，新增耕地總面積分別為246.72×104hm2、217.80×104hm2和373.99×104hm2。山西省和青海省新增耕地總面積相對(duì)較少，其增加面積分別為5.98×104hm2和5.18×104hm2（表1）。總體上看，新增耕地在1980s—1990s階段主要集中在東北的黑龍江、吉林和遼寧；而在1990s—2000s和2000s—2010s，新增耕地逐漸從東北轉(zhuǎn)向西北的新疆等地。

1980s—1990s時(shí)段，中國(guó)北方每年新增耕地面積611.07×104hm2，主要分布在東北、寧夏以及新疆北部。其中，黑龍江省新增耕地面積最高，占該時(shí)段新增耕地總面積的32.35%，年變化面積達(dá)19.77×104hm2，內(nèi)蒙古次之，新增耕地年變化面積為16.25×104hm2，青海省新增耕地面積最少，占該時(shí)段新增面積的0.55%，新增耕地年變化面積為3 347 hm2。從年變化率來看，這一階段年變化率為1.68%，新疆、內(nèi)蒙古以及寧夏的耕地增加速率較快，年變化率均超過了3%，黑龍江的年耕地開墾速率也達(dá)到2.23%；山西和陜西的耕地開墾速率較慢，年變化率分別為0.12%和0.2%。

表1 1980s以來中國(guó)北方新增耕地年變化面積（hm2）及年變化率（%）Table 1 The annual change area (hm2) and rate (%) of new cultivated land in north China since the 1980s

1990s—2000s時(shí)段，中國(guó)北方新增耕地總面積達(dá)280.74×104hm2，東北地區(qū)新增耕地面積略有減少，而新疆的新增耕地面積大幅增加，年變化面積達(dá)15.46×104hm2；山西的新增耕地年變化面積最少，僅有1 055 hm2。從變化速率看，新疆地區(qū)耕地開墾速率仍然處于較高水平，其年變化率達(dá)到4.52%；其他省份在此階段耕地開墾速率并未有大的提升，山西和陜西的年變化率仍然較低，僅為0.02%和0.1%，遼寧的年開墾速率也降到了0.1%。

2000s—2010s時(shí)段，耕地面積變化較小，僅增加142.79×104hm2，而年變化面積和上一階段保持較小的差距，甚至略有增加，達(dá)到28.56×104hm2。分省來看，新疆耕地的增加面積仍然最大，年變化面積達(dá)到21.08×104hm2，較上一階段增加量超過5×104hm2。青海省的新增耕地變化最小，年變化面積僅為271 hm2。從年變化率來看，這一階段總年變化率同上一階段相比，變化不大，為0.64%。其中，新疆地區(qū)耕地年變化率持續(xù)領(lǐng)先，為2.56%，黑龍江、吉林、遼寧、山西以及青海的年變化率均不足0.1%。

2.2 中國(guó)北方新增耕地轉(zhuǎn)入類型時(shí)空特征

1980s—1990s時(shí)段，超過75%的草地轉(zhuǎn)為耕地發(fā)生在黑龍江、內(nèi)蒙古和新疆，而其他省份轉(zhuǎn)換比例不足1/4，該時(shí)段草地轉(zhuǎn)為耕地為新增耕地的主要來源（圖3-d）；林地轉(zhuǎn)為耕地為新增耕地的第二個(gè)主流向，其中東北三省和內(nèi)蒙古林地轉(zhuǎn)為耕地的面積占新增耕地總面積的比例達(dá)93.75%（圖3-a）；荒地轉(zhuǎn)為耕地的面積達(dá)74.47×104hm2，占該時(shí)段新增耕地總面積的12.19%，為耕地轉(zhuǎn)入的第三個(gè)主流向，主要集中在黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古和新疆，四省的轉(zhuǎn)換比例達(dá)91.37%（圖3-j）；分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，1980s—1990s時(shí)段，水域轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐目偯娣e為14.26×104hm2，主要集中在黑龍江、吉林和內(nèi)蒙古（圖3-g）。

1990s—2000s時(shí)段，草地轉(zhuǎn)為耕地的面積達(dá)183.53×104hm2，仍然為新增耕地的主要來源，且較前一時(shí)段增加了5.99%，新疆的貢獻(xiàn)量最大，達(dá)109.65×104hm2，占該時(shí)段草地轉(zhuǎn)為耕地總面積的59.75%（圖3-e）；荒地轉(zhuǎn)為耕地變?yōu)楦剞D(zhuǎn)入的第二個(gè)主流向，有22.72%的荒地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，主要集中在黑龍江省、甘肅省和新疆維吾爾自治區(qū)（圖3-k）；耕地轉(zhuǎn)入的第三、四主流向分別為林地轉(zhuǎn)為耕地和水域轉(zhuǎn)為耕地，分別占該時(shí)段耕地總面積的9.24%和2.58%，林地轉(zhuǎn)換主要集中在黑龍江省、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)，水域轉(zhuǎn)換集中在內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)（圖3-b、3-h）。

2000s—2010s時(shí)段，草地轉(zhuǎn)為耕地仍為耕地轉(zhuǎn)入的第一主流向，所占比例達(dá)69.19%，主要集中在新疆維吾爾自治區(qū)（圖3-f）；其次是荒地轉(zhuǎn)為耕地，所占比例為23.66%，集中在黑龍江省、甘肅省和新疆維吾爾自治區(qū)（圖3-l）；林地轉(zhuǎn)為耕地為第三主流向，有8.68×104hm2的林地轉(zhuǎn)換為耕地，黑龍江省和新疆維吾爾自治區(qū)的轉(zhuǎn)換面積就超過了60%（圖3-c）；內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)是水域轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐闹饕植嫉貐^(qū)，所占比例分別達(dá)到25.12%和24.69%（圖3-i）。

2.3 中國(guó)北方新增耕地氣候驅(qū)動(dòng)因素分析

1980s—1990s時(shí)段，中國(guó)北方大部分新增耕地來源于AAT10增加幅度為100—150 ℃·d的區(qū)域（圖4-b），主要集中在東北三省、內(nèi)蒙古自治區(qū)北部、寧夏回族自治區(qū)以及新疆維吾爾自治區(qū)北部少部分地區(qū)（圖4-a）；其次是AAT10增加幅度為50—100 ℃·d的區(qū)域，這些區(qū)域主要位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部和新疆維吾爾自治區(qū)中部的少部分地區(qū)，僅有不到1%的新增耕地來源于AAT10增加幅度超過200 ℃·d的區(qū)域，分布在陜西省和青海省的少部分地區(qū)。該時(shí)段內(nèi)，氣候的增加對(duì)我國(guó)東北三省、內(nèi)蒙古北部和黃土高原地區(qū)起到一定的促進(jìn)作用，尤其是東北地區(qū)，積溫需求為2 100 ℃·d以上的早熟玉米界限向北移動(dòng)，移動(dòng)的最大距離為66 km左右，最遠(yuǎn)超過50°N。1990s—2000s時(shí)段，新增耕地以分布在100—150 ℃·d和150—200℃·d區(qū)間為主，所占比例均超過1/3（圖4-e），主要分布在黑龍江省、吉林省和黃土高原地區(qū)（圖4-d）。其次，AAT10增加200℃·d以上的比例也較上時(shí)段有所增加，達(dá)到21%，分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)的少部分區(qū)域。該時(shí)段氣候仍然是黑龍江、吉林和黃土高原部分地區(qū)耕地增加的驅(qū)動(dòng)因素，在東北地區(qū)，2 100 ℃·d積溫帶向北移動(dòng)最大距離超過36 km，達(dá)到50°30′N，相較于1980s，最大北移距離接近100 km。2000s—2010s時(shí)段，新增耕地面積減少，新增耕地主要分布在新疆維吾爾自治區(qū)，在東北地區(qū)、甘肅省和寧夏回族自治區(qū)也有少量增加。該時(shí)段中國(guó)北方AAT10增加幅度總體較低，超過3/4的區(qū)域AAT10增加在50 ℃·d以下（圖4-h），AAT10增加幅度超過50 ℃·d的地區(qū)主要分布在陜甘寧地區(qū)（圖4-g），在東北地區(qū)，2 100 ℃·d的積溫帶進(jìn)一步北移，北移距離超過20 km，較1980s北移距離超過100 km，最遠(yuǎn)到達(dá)鄂倫春自治旗。

圖3 中國(guó)北方新增耕地不同來源類型的時(shí)空變化Fig.3 Structural changes of different sources of newly cultivated land in Northern China

圖4 1980s以來耕地轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)氣候要素空間分布及不同氣候區(qū)間新增耕地面積百分比Fig.4 The spatial distribution of the climatic factors in the areas into which the cultivated land was transferred and the percentages of new cultivated land area in different climatic zones have been increased in since 1980s

1980s—1990s時(shí)段，新增耕地大部分分布在SPEI減少的區(qū)域（圖4-a），且SPEI減少-0.5—0的區(qū)間內(nèi)新增耕地面積最大，約占該時(shí)段新增耕地總面積的50%，在SPEI增加量大于1的范圍內(nèi)沒有耕地的增加，SPEI增加0—0.5區(qū)間內(nèi)，有少部分耕地增加，主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)中部和新疆維吾爾自治區(qū)中部（圖4-d）。該時(shí)段內(nèi)，暖干氣候占主導(dǎo)，但其并未成為耕地開墾的限制因素。1990s—2000s時(shí)段，SPEI減少-0.5—0區(qū)間的新增耕地面積仍然最大，然而，相比上階段，新增耕地位于SPEI大于0的區(qū)域內(nèi)的比重增加，大多數(shù)分布在吉林、遼寧以及黃土高原地區(qū)，而小于-0.5的比重有所減少。該時(shí)段較為暖濕的氣候逐漸成為東北和黃土高原地區(qū)耕地增加的主導(dǎo)因素。2000s—2010s時(shí)段，新增耕地位于SPEI大于0的區(qū)域所占比重同前兩個(gè)階段相比明顯擴(kuò)大，所占比例接近30%，主要分布在東北地區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)以及黃土高原地區(qū)（圖4-g），暖濕氣候?yàn)檫@些地區(qū)耕地開墾提供了有利的氣候條件。

2.4 中國(guó)北方新增耕地人為驅(qū)動(dòng)因素分析

2.4.1 人口 人口是影響耕地?cái)?shù)量變化的重要因素，同時(shí)也是引起耕地利用變化多個(gè)因素中最基本的因素[23]。人口的增加不僅需要更多的耕地資源來保障人們的糧食安全，也需要更多的土地來發(fā)展生產(chǎn)和完善生活設(shè)施和生產(chǎn)建設(shè)，這使得糧食的供求之間矛盾逐漸突出。1980s以來中國(guó)北方總?cè)丝诤娃r(nóng)業(yè)為主人口變化情況如圖5。

圖5 1980s以來中國(guó)北方各省總?cè)丝诤娃r(nóng)業(yè)為主人口變化趨勢(shì)圖Fig.5 Trends of total population and agriculture population in Northern China since the 1980s

1980s—1990s時(shí)段，中國(guó)北方總?cè)丝谠黾? 233.71萬，農(nóng)業(yè)為主的人口增加747.4萬。其中，黑龍江、遼寧、內(nèi)蒙古、山西、陜西、甘肅和新疆等省份總?cè)丝谠黾恿烤^了200萬，然而農(nóng)業(yè)人口數(shù)量增加較多的僅有黑龍江和新疆，其農(nóng)業(yè)為主人口分別增加了344.6萬和118.7萬。該時(shí)段內(nèi)，黑龍江和新疆的農(nóng)業(yè)為主人口成為當(dāng)?shù)馗卦黾拥谋匾A(chǔ)。1990s—2000s時(shí)段，中國(guó)北方人口持續(xù)增加，而農(nóng)業(yè)為主人口卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，共減少了173.5萬。其中僅有新疆、甘肅、內(nèi)蒙古和遼寧的農(nóng)業(yè)為主人口有一定的增加，新疆的農(nóng)業(yè)為主人口增加最多，為該時(shí)段新疆耕地增加的因素之一。2000s—2010s時(shí)段，中國(guó)北方人口增加359.91萬，農(nóng)業(yè)為主人口僅增加28.16萬，除新疆、甘肅和內(nèi)蒙古外，其余各省農(nóng)業(yè)為主人口均減少，該時(shí)段新疆耕地增加比例接近該時(shí)段總面積的3/4，新疆農(nóng)業(yè)為主人口仍是新疆耕地增加的一個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素。整體來看，1980s—2010s年間，東北三省的總?cè)丝谠?010年之前呈增加趨勢(shì)，然而在2010年之后，總?cè)丝谟幸欢ǖ南陆怠Ｆ渌》萑丝谝恢北３衷黾討B(tài)勢(shì)。從農(nóng)業(yè)為主人口來看，新疆、黑龍江地區(qū)農(nóng)業(yè)為主人口增加明顯，在一定程度上刺激兩省份的耕地增加。

2.4.2 技術(shù)進(jìn)步 改革開放以來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的不斷改善和農(nóng)業(yè)科研投入的增加，各項(xiàng)農(nóng)業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐步從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械總動(dòng)力呈現(xiàn)飛躍式的增加。此外，各省份積極推動(dòng)水利工程設(shè)施的建設(shè)，如興建和擴(kuò)大水庫(kù)。在2000年以后，大力推廣膜下滴灌技術(shù)發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，保障了水資源的有效灌溉（圖6）。

圖6 1980s以來中國(guó)北方各時(shí)段有效灌溉面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、水利設(shè)施建設(shè)以及耕地較1990年的增加比例Fig.6 The effective irrigation area, total power of agricultural machinery, construction of water conservancy facilities and cultivated land in each period in Northern China increased compared with that in 1990 since 1980s

1990—2000年，黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、寧夏和新疆的耕地增加比例較大，該時(shí)段內(nèi)，除新疆外，其余4省份有效灌溉面積和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的增加比例較大，對(duì)耕地增加起到一定的促進(jìn)作用；在水利設(shè)施建設(shè)方面，僅在黑龍江增加了24%，在其他省份增加量不超過5%，甚至有一定的減少。因此，在該時(shí)段內(nèi)，有效灌溉面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力以及水利設(shè)施建設(shè)的增加對(duì)黑龍江有較大的促進(jìn)作用。其中，吉林、內(nèi)蒙古、寧夏受到有效灌溉面積和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的影響較大。2000—2010年，新疆耕地仍表現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，耕地開墾量較1990年增加86.2%，而其他省份的耕地增加速率減慢。該時(shí)段內(nèi)，新疆地區(qū)新增耕地受到農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的影響較大，而有效灌溉面積和水利設(shè)施的建設(shè)盡管有所增加，但并未成為新疆耕地增加的主要驅(qū)動(dòng)因素；其他省份有效灌溉面積和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力增加明顯，但是同樣未成為其耕地增加的主動(dòng)力。2010—2015年，在上一階段新疆綠洲快速開墾階段的基礎(chǔ)上，新疆耕地增加速率略有下降，耕地增加比例占1990年的120%以上，占到2010年的25%以上；同其他省份相比，該時(shí)段內(nèi)，有效灌溉面積和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的增加量均超過30%，一定程度上促進(jìn)了新疆耕地增加；除新疆外，其他省份的耕地開墾速率仍然較低，甚至有所下降，技術(shù)進(jìn)步并未成為其耕地增加的必要驅(qū)動(dòng)因素。

2.4.3 政策調(diào)控 1980s—1990s時(shí)段，國(guó)家各級(jí)政府積極引導(dǎo)農(nóng)業(yè)發(fā)展，在我國(guó)北方地區(qū)形成了以經(jīng)濟(jì)福利為主的市場(chǎng)需求[30]。東北地區(qū)在政府的指導(dǎo)下，加強(qiáng)了農(nóng)田水利設(shè)施的建設(shè)，成為我國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)，并且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在比較利益下，引進(jìn)耐寒稻種，促使東北地區(qū)耕地面積急速擴(kuò)張[5]；黃土高原地區(qū)、內(nèi)蒙古以及新疆等地，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為落后，為保證生存，積極進(jìn)行耕地開墾以滿足自身生存發(fā)展需求。此外，新疆及其周邊地區(qū)開始了以提高單產(chǎn)為主的階段[27]，積極進(jìn)行水利設(shè)施改造、棉糖基地建設(shè)等，從而帶動(dòng)了新疆農(nóng)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。1990s—2000s時(shí)段，黨中央積極強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)作用，并制定出臺(tái)了一些政策，如免收農(nóng)業(yè)稅、提高糧食收購(gòu)價(jià)格等補(bǔ)貼措施政策，進(jìn)一步促進(jìn)耕地的不斷擴(kuò)張。新疆在此階段，積極進(jìn)行水利建設(shè)以及發(fā)展節(jié)水灌溉，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)人口補(bǔ)助，利益驅(qū)使下，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)人口的增長(zhǎng)，從而耕地持續(xù)增長(zhǎng)。2000s—2010s時(shí)段，黃土高原地區(qū)實(shí)施的“退耕還林還草”工程等，達(dá)到一定的飽和，工程實(shí)施強(qiáng)度較上一時(shí)段相對(duì)減弱，耕地?cái)?shù)量在一定程度上有所增加；新疆地區(qū)仍然保持較快的耕地開墾速率，大力發(fā)展綠洲農(nóng)業(yè)，其耕地開墾量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其退耕還林還草的力度，耕地保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.5 基于驅(qū)動(dòng)因素的新增耕地分區(qū)

將中國(guó)北方劃分為七大區(qū)域，分別為東北北部氣候驅(qū)動(dòng)林草-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)、東北氣候+人為驅(qū)動(dòng)林草-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)、東北中部氣候+人為驅(qū)動(dòng)水旱轉(zhuǎn)換區(qū)、北方氣候+人為驅(qū)動(dòng)林草-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)、黃土高原人為驅(qū)動(dòng)生態(tài)恢復(fù)區(qū)、西北人為驅(qū)動(dòng)荒地-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)以及新疆人為驅(qū)動(dòng)綠洲農(nóng)業(yè)開墾區(qū)。分區(qū)結(jié)果如圖7所示。

圖7 中國(guó)北方不同階段耕地驅(qū)動(dòng)因素分區(qū)圖Fig.7 Zoning of newly cultivated land in Northern China based on driving factors

東北北部氣候驅(qū)動(dòng)林草-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)：東北北部土地利用類型以林草地為主，在氣候變暖背景下，作物種植界線北移明顯，2011—2015年時(shí)段的早熟玉米生長(zhǎng)所需最低積溫線（2 100 ℃·d）北移距離較1980—1990年超過100 km，林草地多轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍?/p>

東北氣候+人為驅(qū)動(dòng)林草-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)：東北東部以及西部地區(qū)林草地同樣為主要的土地利用類型，溫暖氣候在一定程度上刺激了林草地的轉(zhuǎn)換；同時(shí)，東北地區(qū)總?cè)丝谝?guī)模的增加帶動(dòng)糧食需求增長(zhǎng)，而農(nóng)業(yè)人口的下降使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力增大，多重因素刺激了東北耕地的開墾。

東北中部氣候+人為驅(qū)動(dòng)水旱轉(zhuǎn)換區(qū)：氣候條件的變化，使得作物生長(zhǎng)條件轉(zhuǎn)好，潛在的被開墾區(qū)增加；水稻生長(zhǎng)依賴于一定的熱量資源，積溫的增加促使水田范圍向北移動(dòng)；此外，東北地區(qū)在比較利益下引進(jìn)耐寒稻種，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步以及水利設(shè)施建設(shè)等，種植結(jié)構(gòu)改變，逐漸向水田發(fā)展。

北方氣候+人為驅(qū)動(dòng)林草-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)：受氣候的影響，北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶地區(qū)積溫的增加為其耕地開墾提供了必要的熱量資源；同時(shí)，受到國(guó)家退耕還草工程等的實(shí)施，耕地的開墾速度較低。

黃土高原人為驅(qū)動(dòng)生態(tài)恢復(fù)區(qū)：黃土高原地區(qū)受到農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的影響，農(nóng)業(yè)機(jī)械力、有效灌溉面積以及水利設(shè)施的建設(shè)均保持增加態(tài)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)耕地的增加，然而，受到國(guó)家退耕還林工程、“三北”防護(hù)林工程等以恢復(fù)生態(tài)建設(shè)的政策影響，耕地開墾量并不大。

西北人為驅(qū)動(dòng)荒地-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)：在西北北部分布著大量的荒地，農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步使得不易開墾的荒漠戈壁上也出現(xiàn)部分耕地。

新疆人為驅(qū)動(dòng)綠洲農(nóng)業(yè)開墾區(qū)：新疆地區(qū)耕地資源的增加主要來源于綠洲農(nóng)業(yè)開墾，隨著新疆人口的增長(zhǎng)，受國(guó)家優(yōu)惠政策的影響，其農(nóng)業(yè)人口也呈現(xiàn)一定的增長(zhǎng)趨勢(shì)，為其耕地開墾提供了必要的勞動(dòng)力資源。此外，農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步使得沙漠地區(qū)出現(xiàn)農(nóng)田，經(jīng)濟(jì)利益以及技術(shù)利益為新疆地區(qū)耕地開墾提供了基礎(chǔ)。

3 討論

本文基于多期土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，探討了中國(guó)北方新增耕地的時(shí)空分布格局特征，并從氣候和人為因素兩方面分析了耕地開墾的驅(qū)動(dòng)力，從驅(qū)動(dòng)因素角度將中國(guó)北方新增耕地分區(qū)。

從新增耕地的時(shí)空格局來看，1980s以來，中國(guó)北方新增耕地總量逐漸減少，而耕地開墾重心逐漸由東北向西北移動(dòng)，這一觀點(diǎn)與劉紀(jì)遠(yuǎn)等[5-7]對(duì)我國(guó)耕地研究結(jié)論相一致。新疆地區(qū)耕地開墾面積最大，其開墾年變化速率也一直保持較高水平；黑龍江在21世紀(jì)之前保持較高的開墾面積，之后新增耕地面積逐漸減少。

新增耕地的來源結(jié)構(gòu)也發(fā)生重大變化。中國(guó)北方新增耕地的轉(zhuǎn)入來源主要包括林地、草地、水域以及荒地，而草地轉(zhuǎn)為耕地一直為新增耕地的主要流向；2000年以前，林地轉(zhuǎn)為耕地為第二主流向，到2000年以后，這一格局被打破，新疆綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及西北戈壁荒漠的開墾，使得荒地的開墾速率加快，逐漸發(fā)展為耕地來源的第二主流向。

1980s以來，受氣候變化的影響，中國(guó)北方耕地開墾格局發(fā)生明顯變化。當(dāng)前，暖干氣候并未成為耕地開墾的限制因素，新增耕地仍然大多數(shù)存在于暖干氣候?yàn)橹鞯臈l件下，這一結(jié)論與SHI等[17-18]研究結(jié)論一致。然而，隨著氣候條件的改變，耕地開墾發(fā)生于SPEI增加地區(qū)的比例逐漸增加，較為濕潤(rùn)的條件為耕地開墾提供了驅(qū)動(dòng)條件。此外，積溫的增加也為耕地開墾提供了必要的熱量資源，促使其不斷增加。

人為因素對(duì)耕地開墾也起到一定的促進(jìn)作用。隨著東北地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步以及政府政策的引導(dǎo)，不斷出現(xiàn)土地利用類型的轉(zhuǎn)換。此外，在比較利益驅(qū)動(dòng)下，出現(xiàn)大面積的旱改水現(xiàn)象。黃土高原以及北方草原地區(qū)，受到國(guó)家退耕還林還草等政策的影響，盡管農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了一定的耕地開墾，但是開墾面積較小。新疆地區(qū)在國(guó)家農(nóng)業(yè)優(yōu)惠政策的刺激下，農(nóng)業(yè)人口不斷增加，為其耕地開墾提供了人力資源，同時(shí)隨著新疆節(jié)水灌溉水平的提升等，使得有效灌溉面積增大，比較利益和技術(shù)的進(jìn)步共同促使新疆綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

除氣候因素和人為因素外，其他指標(biāo)也能在一定程度上解釋耕地的增加。如從耕地后備資源來看，2014年國(guó)家開展的耕地后備資源調(diào)查評(píng)估報(bào)告中[31]顯示，全國(guó)的耕地后備資源總面積達(dá)535.27萬hm2，新疆、黑龍江、甘肅等地的耕地后備資源相對(duì)較多，集中連片的耕地后備資源也主要集中在新疆、黑龍江、吉林、甘肅等地，豐富的耕地后備資源為這些省份耕地的開墾提供了一定的基礎(chǔ)條件。此外，在張甘霖等[32]的研究中，結(jié)合氣候、地形、土壤的理化性質(zhì)等對(duì)全國(guó)耕地后備資源自然質(zhì)量的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果中，全國(guó)有5 660萬km2耕地后備資源具有不同適宜程度的自然質(zhì)量，其中，內(nèi)蒙古、新疆、吉林、甘肅等地的耕地自然質(zhì)量適宜性面積較多；從自然質(zhì)量適宜等級(jí)來看，黑龍江、吉林、遼寧的一級(jí)（最優(yōu)等級(jí)）耕地分布最多，內(nèi)蒙古、黑龍江、新疆、寧夏、甘肅等北方各省有二級(jí)（次優(yōu)等級(jí)）耕地分布，適宜的耕地資源自然質(zhì)量也促進(jìn)了耕地的增加。地形坡度也是影響耕地開墾的限制因素。地面坡度達(dá)到25°以上時(shí)，水土流失更加嚴(yán)重，耕地開墾極為困難[33]；而平坦的地區(qū)更適合規(guī)?；?jīng)營(yíng)以及機(jī)械化種植[34]，因此耕地開墾活動(dòng)多發(fā)生在平坦地區(qū)。結(jié)合本研究區(qū)范圍內(nèi)新增耕地對(duì)應(yīng)的坡度分布，3個(gè)時(shí)期內(nèi)耕地開墾多發(fā)生在坡度較低等級(jí)，其中25°以下新增耕地的比例均達(dá)到99%以上，平坦的地形條件為耕地開墾提供了條件。

綜合考慮影響耕地開墾的氣候和人為因素，以及作物種植的適宜條件等，將中國(guó)北方區(qū)域劃分為七大類型。東北北部的氣候條件影響著作物的種植界限，該地區(qū)的人們可適當(dāng)在較北的地區(qū)種植作物。在東北糧食主產(chǎn)區(qū)和黃土高原等地區(qū)，可適當(dāng)加大農(nóng)業(yè)的扶持力度，改善其生產(chǎn)條件，積極推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，依據(jù)不同的耕地資源開墾條件，實(shí)施因地制宜的差別化布局。在北方農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，應(yīng)充分考慮其特殊的生態(tài)脆弱性，結(jié)合相應(yīng)的氣候條件，因地制宜調(diào)整耕地的開發(fā)布局等，提高耕地資源利用效率。新疆地區(qū)人口增長(zhǎng)較快，綠洲農(nóng)業(yè)的開墾面積也急速擴(kuò)張，這種大規(guī)模的、高強(qiáng)度的耕地開墾模式在為人們帶來利益的同時(shí)，也帶來相應(yīng)的問題，如土地承載力不斷減弱、土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用布局不斷紊亂等，因此，新疆地區(qū)應(yīng)積極調(diào)整農(nóng)田水利建設(shè)，提高耕地生產(chǎn)力水平，調(diào)整布局結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

從新增耕地的空間格局來看，1980s以來，中國(guó)北方新增耕地逐漸減少，重心逐漸由東北轉(zhuǎn)向西北，其來源結(jié)構(gòu)也發(fā)生重大變化，荒地開墾速率逐漸加大，空間特征差異性明顯。

中國(guó)北方分布著豐富的耕地后備資源，暖干氣候并未成為耕地開墾的限制因素，大多數(shù)的耕地開墾仍然發(fā)生在暖干氣候區(qū)；但耕地開墾發(fā)生在變濕潤(rùn)氣候區(qū)的比例逐漸增大，暖濕氣候逐漸成為耕地開墾的驅(qū)動(dòng)條件。

從新增耕地變化驅(qū)動(dòng)因素入手，結(jié)合作物種植條件等，將中國(guó)北方新增耕的驅(qū)動(dòng)因素劃分為7個(gè)大區(qū)，包括東北北部氣候驅(qū)動(dòng)林草-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)、東北氣候+人為驅(qū)動(dòng)林草-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)、東北中部氣候+人為驅(qū)動(dòng)水旱轉(zhuǎn)換區(qū)、北方氣候+人為驅(qū)動(dòng)林草-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)、黃土高原人為驅(qū)動(dòng)生態(tài)恢復(fù)區(qū)、西北人為驅(qū)動(dòng)荒地-耕地轉(zhuǎn)換區(qū)以及新疆人為驅(qū)動(dòng)綠洲農(nóng)業(yè)開墾區(qū)。