全球歷史LUCC數(shù)據(jù)集新疆地區(qū)耕地數(shù)據(jù)可靠性評估

李美嬌 ，何凡能*，趙彩杉, ，楊帆

1.山西財經(jīng)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030006；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.河南大學(xué)黃河文明與可持續(xù)發(fā)展研究中心暨黃河文明省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 開封 475001

土地利用與土地覆被變化（land use and land cover change，LUCC）是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要驅(qū)動因素，因而成為全球變化研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一（Arneth et al.，2017；Harper et al.，2018；韓艷莉等，2019；劉強等，2021）。歷史時期LUCC重建作為LUCC研究的重要組分，因其在長時間尺度氣候與生態(tài)效應(yīng)模擬和全球碳循環(huán)研究等方面的重要意義，而受到國際學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注（Dias et al.，2016；Goldewijk et al.，2017；Yu et al.，2018；Wei et al.，2020）。許多國際重大科學(xué)研究計劃，如土地利用與土地覆被變化（Land-Use and Land-Cover Change，LUCC）（Turner et al.，1995）、全球土地計劃（Global Land Project，GLP）（Brovkin et al.，2004）及 Land Cover 6k計劃（Gaillard et al.，2015）和未來地球計劃（Future Earth）等（傅伯杰等，2015），均將歷史時期LUCC列為其核心研究內(nèi)容之一。

在全球變化研究和國際科學(xué)計劃的引領(lǐng)和推動下，國內(nèi)外學(xué)者在歷史LUCC重建研究方面已取得顯著進展。目前，國際上較具代表性的成果當(dāng)數(shù)4個全球數(shù)據(jù)集：全球土地利用數(shù)據(jù)集（Center for Sustainability and the Global Environment，SAGE）（Ramankutty，2012）、全球農(nóng)牧空間數(shù)據(jù)集（Pongratz Julia，PJ）（Pongratz et al.，2008）、全球歷史環(huán)境數(shù)據(jù)集（Historical Database of the Global Environment，HYDE）（Goldewijk et al.，2017）和全球土地利用/覆被數(shù)據(jù)集（Kaplan and Krumhardt 2010，KK10）（Kaplan et al.，2011）等。全球數(shù)據(jù)集自發(fā)布以來，已被廣泛應(yīng)用于全球或區(qū)域氣候變化、碳循環(huán)和LUCC生態(tài)效應(yīng)模擬研究中（Peng et al.，2017；Fuchs et al.，2018）。然而，因各數(shù)據(jù)集在數(shù)據(jù)來源、重建思路和空間分配算法等方面尚存在較多不確定性，其重建結(jié)果的可靠性也不斷受到質(zhì)疑。首先，不同全球數(shù)據(jù)集之間重建結(jié)果存在較大差異，如 Kaplan et al.（2011）研究指出，HYDE數(shù)據(jù)集估算所得前工業(yè)時代由人類活動引起的土地利用面積比KK10數(shù)據(jù)集低約80%。其次，區(qū)域性評估結(jié)果也表明，全球數(shù)據(jù)集重建結(jié)果不能客觀反映區(qū)域土地利用的時空變化特征。例如，其在中國傳統(tǒng)農(nóng)區(qū)耕地存在明顯高估，且未表現(xiàn)出區(qū)域土地墾殖在原有中心墾區(qū)基礎(chǔ)上，向邊疆地區(qū)和山地、丘陵區(qū)不斷擴張的歷史過程（何凡能等，2012）；又如，在東北地區(qū)的耕地數(shù)量變化和空間分布也均不合理，沒有體現(xiàn)出清代封禁政策解封后東北地區(qū)移民開墾的快速增長及移民開墾區(qū)域從南到北逐步推進的過程（方修琦等，2020）；在青藏高原地區(qū)耕地面積的估算結(jié)果也顯著偏低，且不能很好地反映過去百年區(qū)域耕地的空間分布及變化特征（Li et al.，2019）；此外，在歐洲地區(qū)墾殖率顯著偏低，變化趨勢也與區(qū)域重建結(jié)果不符（Kaplan et al.，2018；Zhang et al.，2021）。因此，為給予全球變化研究以更加可靠的區(qū)域數(shù)據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者基于本國豐富的歷史文獻資料，開展了大量歷史耕地重建工作，這些成果為全球數(shù)據(jù)集的充實和完善提供了豐富的區(qū)域性案例（Waisanen et al.，2002；Tian et al.，2014；Li et al.，2016；葉瑜等，2009；李美嬌等，2020；郭蓉等，2021）。

新疆地處歐亞內(nèi)陸腹地，氣候極端干旱，地理環(huán)境復(fù)雜，是典型的氣候變化敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)；清代以來，受清政府移民屯墾影響，新疆地區(qū)土地利用格局發(fā)生了由“南農(nóng)北牧”向“以農(nóng)為主”的重大轉(zhuǎn)化（安成邦等，2020），區(qū)域歷史LUCC過程及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)受到全球變化領(lǐng)域的重點關(guān)注（傅伯杰等，2015）。然而，已有新疆區(qū)域土地利用變化研究還主要集中在遙感數(shù)據(jù)較為豐富的近 50年，全球數(shù)據(jù)集雖含蓋新疆地區(qū)，但其是否可以真實反映新疆耕地的時空變化特征目前仍不明晰。有鑒于此，本研究擬以新疆地區(qū)為研究對象，依據(jù)中國學(xué)者基于歷史文獻資料、近現(xiàn)代調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)和現(xiàn)代遙感土地利用數(shù)據(jù)重建的歷史和現(xiàn)代耕地數(shù)據(jù)，并結(jié)合新疆典型時段土地墾殖擴展歷史史實，采用趨勢對比、數(shù)量對比和空間格局對比相結(jié)合的方法，對全球數(shù)據(jù)集中新疆地區(qū)耕地數(shù)據(jù)的可靠性進行評估。評估結(jié)果可為新疆地區(qū)耕地數(shù)據(jù)集的研制提供借鑒，為全球數(shù)據(jù)集的完善提供區(qū)域性參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處中國西北部，深居歐亞大陸腹地，西接帕米爾高原，東北倚蒙古高原，南與青藏高原為鄰，向東通過河西走廊與內(nèi)地相連。今日之新疆東西橫跨經(jīng)度 23°（73°40′—96°18′E），南北占緯度 15°（34°40′—49°51′N），國土面積 166 km2。區(qū)域地理環(huán)境復(fù)雜，自北向南由阿爾泰山系、準噶爾盆地、天山山系、塔里木盆地和昆侖山系形成“三山夾兩盆”的基本地貌輪廓（圖1）。區(qū)內(nèi)氣候極端干旱，年均降雨量僅145 mm，以天山山系為界，北疆屬干旱中溫帶，南疆屬干旱暖溫帶，相較而言，南疆光熱資源相對豐富，冰川積雪融化匯成河流，為干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件，因而歷史上新疆曾長期維持“南農(nóng)北牧”的土地利用格局，在南疆是以粟/黍（Setaria italica/Panicummiliaceum）-小麥/大麥（Triticum aestivum/Hordeumvulgare）-畜牧為特征的混合經(jīng)濟，在北疆則以游牧經(jīng)濟為主，且這種格局一直延續(xù)至清代前期（安成邦等，2020）。

圖1 研究區(qū)示意圖Figure1 Schematic diagram of the study area

清朝建立以來，清政府在平定準噶爾，逐漸實現(xiàn)對西北邊疆統(tǒng)治的過程中，不斷在新疆地區(qū)駐兵興屯，屯墾范圍隨疆域的變化由南向北、由東向西逐漸擴展；清朝統(tǒng)一新疆之后，為了穩(wěn)固邊疆統(tǒng)治，各朝政府仍在新疆采取“以邊養(yǎng)邊”、“移民實邊”的移民屯墾政策，大量內(nèi)地移民涌入新疆，據(jù)統(tǒng)計：從清政府“移民實邊”到建國后組建生產(chǎn)建設(shè)兵團，新疆人口由清初的不足百萬，增至建國后的約 500萬（曹樹基，2000），再到21世紀初的2000多萬（國家統(tǒng)計局，2012），人口增長20倍之多。人口的爆發(fā)式增長以及土地的大規(guī)模開墾，使得新疆地區(qū)“南農(nóng)北牧”的土地利用模式發(fā)生根本性變革，北疆地區(qū)土地利用方式由以游牧為主向以農(nóng)業(yè)為主轉(zhuǎn)化，時至清末，農(nóng)業(yè)已成為北疆地區(qū)主要的經(jīng)濟生產(chǎn)方式（華立，1998）。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文所引用的數(shù)據(jù)主要包括全球歷史耕地數(shù)據(jù)、新疆區(qū)域性歷史和現(xiàn)代耕地數(shù)據(jù)，此外，還包括歷史時期新疆地區(qū)屯田點數(shù)據(jù)等。

1.2.1 全球歷史耕地數(shù)據(jù)

目前含蓋新疆地區(qū)清代以來耕地數(shù)據(jù)的全球數(shù)據(jù)集主要有HYDE（Goldewijk et al.，2017）、SAGE（Ramankutty，2012）和 KK10（Kaplan et al.，2011）等。因KK10重建的土地利用/覆被類型主要為森林和人類活動用地（包括耕地和牧草地）兩種，未形成獨立的歷史耕地數(shù)據(jù)，無法開展相關(guān)評估，因此，文中選取了HYDE 3.2和SAGE中的耕地數(shù)據(jù)進行評估（表1）。

表1 代表性的全球歷史土地利用數(shù)據(jù)集Table 1 Representative global historical land use datasets

1.2.2 區(qū)域歷史耕地數(shù)據(jù)

清代和民國時期新疆耕地數(shù)據(jù)主要引自張莉等（2020）（以下簡稱張氏數(shù)據(jù)）和楊越（2012）（以下簡稱楊氏數(shù)據(jù)）。兩組數(shù)據(jù)均以新疆地區(qū)豐富的歷史文獻資料為依據(jù)，結(jié)合區(qū)域土地制度、賦役制度和墾殖政策等史料，詳細考釋了區(qū)域冊載田畝或屯田數(shù)據(jù)性質(zhì)，并進一步辨識了致使冊載數(shù)據(jù)偏離實際的影響因素（包括隱匿、折畝、休耕和畝制等）；在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建因素修正、指數(shù)訂正等方法，分別重建了清代至民國時期 1909年和1944年2個時點瑪納斯河流域（相當(dāng)于今新疆沙灣縣、石河子市和瑪納斯縣）和清代1776、1795、1806、1850、1909年等5個時點奇臺-濟木薩地區(qū)（相當(dāng)于今新疆奇臺縣和吉木薩爾縣）的耕地面積（圖2）。相較全球數(shù)據(jù)集而言，兩組數(shù)據(jù)具有更加堅實的史料基礎(chǔ)和與之相適應(yīng)的方法特點，因而重建的耕地數(shù)量也更為準確、可靠。

圖2 新疆地區(qū)已有歷史耕地數(shù)據(jù)重建區(qū)域Figure 2 Reconstruction areas of existing historical cropland data in Xinjiang region

1.2.3 區(qū)域現(xiàn)代耕地數(shù)據(jù)

建國以來新疆耕地數(shù)據(jù)主要引自陳曦（2008）（以下簡稱陳氏數(shù)據(jù)）。該數(shù)據(jù)以20世紀60年代地形圖（1∶10萬）和2000年的ETM影像為基本信息源（分辨率為30 m），并輔以區(qū)域土地資源調(diào)查圖和 MSS影像，通過地形圖人工矢量化和遙感影像目視解譯、分類，生成了1960年和2000年兩期新疆全域及額敏河地區(qū)、天山北坡地區(qū)、吐魯番地區(qū)、哈密地區(qū)、塔里木河“四源一干”地區(qū)等重點區(qū)域的土地利用/覆被矢量數(shù)據(jù)?？梢姡摂?shù)據(jù)是基于中國新疆地區(qū)地形圖、遙感影像、土地資源調(diào)查圖等獲得的，相對全球數(shù)據(jù)集而言，在區(qū)域尺度上有更為可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)果應(yīng)更接近區(qū)域土地利用/覆被變化實際。

1.2.4 區(qū)域歷史屯田點數(shù)據(jù)

鑒于目前尚無基于新疆土地利用范式建立的全疆歷史耕地網(wǎng)格化數(shù)據(jù)集，本研究將能較為明顯反映新疆地區(qū)，尤其是北疆地區(qū)土地墾殖擴散過程的屯田點數(shù)據(jù)納入對比，以分析全球數(shù)據(jù)集在新疆地區(qū)可能存在的不確定性。屯田點數(shù)據(jù)主要引自趙予征等（2009）《絲綢之路屯墾研究》，其以《清實錄》、《清朝文獻通考》、《西域圖志》、《新疆識略》等典籍或地方志等為史料基礎(chǔ)，詳細考證了清康熙至宣統(tǒng)年間新疆地區(qū)屯田點(包括兵屯、民屯、回屯、旗屯和遣屯等)的分布及變遷過程。文中按照其所考證的屯田點古今地名對照表，采用ArcGIS對新疆屯田點數(shù)據(jù)進行了空間數(shù)字化，得到清前期（1716—1721年）5個和清中期（1756—1778年）109個屯田點空間分布圖，并以此作為全球數(shù)據(jù)集空間重建合理性評估的基礎(chǔ)。

1.3 評估方法

綜合已有新疆歷史和現(xiàn)代耕地數(shù)據(jù)特點，本文擬采用定量和定性評估相結(jié)合的方法，從變化趨勢、耕地數(shù)量和空間格局等方面，對全球數(shù)據(jù)集新疆地區(qū)耕地數(shù)據(jù)可靠性進行評估。

1.3.1 定量評估法

（1）趨勢對比法。趨勢對比法是從宏觀角度揭示不同目標數(shù)據(jù)變化趨勢一致性或差異程度的方法（He et al.，2018）。本研究以張氏、楊氏和陳氏數(shù)據(jù)為基準，采用趨勢對比法定量評估 HYDE和SAGE等全球數(shù)據(jù)集新疆地區(qū)耕地數(shù)據(jù)在過去數(shù)百年至數(shù)十年變化趨勢方面的不確定性。趨勢對比法以土地利用動態(tài)度為指標，其計算公式為：

式中：

K——研究時段內(nèi)耕地變化動態(tài)度，其絕對值大小可表示耕地面積變化的劇烈程度；

C(t1)和C(t2)——全球數(shù)據(jù)集或中國本土數(shù)據(jù)集在年份t1和年份t2的耕地面積；

T——研究時長，文中設(shè)T的單位為年（a）；

K值——研究區(qū)耕地數(shù)量的年變化率，K的正負表示增長和下降。

（2）相對差異對比法。相對差異比值可用于表征同類事物不同個體之間的差異程度（李蓓蓓等，2010），適用于本文中對不同來源新疆全域和分地區(qū)耕地面積差異程度的評估。計算公式如下：

式中：

Cglobe(t)——全球數(shù)據(jù)集新疆歷史耕地面積；

訂貨成本是指企業(yè)在決定購買某種或是某些產(chǎn)品后向供應(yīng)商發(fā)出訂單而發(fā)生的成本，主要包括內(nèi)部人員費用和管理費用。企業(yè)訂購成本主要特征是與采購次數(shù)有關(guān)，而與企業(yè)訂貨量大小無關(guān)。

CXJ(t)——中國本土重建的新疆全域或分地區(qū)耕地面積；

R——相對差異比值。

由于全球數(shù)據(jù)集與區(qū)域重建結(jié)果在時點分布上并不完全一致，文中以本土數(shù)據(jù)重建時點為基礎(chǔ)，選取全球數(shù)據(jù)集中與之臨近的時點進行對比，如提取全球數(shù)據(jù)集中1780、1810、1850和1910年新疆奇臺-吉木薩爾地區(qū)，1910年和1940年瑪納斯河流域地區(qū)，以及1960年和2000年新疆全域及重點地區(qū)的耕地數(shù)據(jù)，與區(qū)域數(shù)據(jù)進行對比，計算相對差異比值。

1.3.2 定性評估法

在缺乏定量或定性歷史土地覆被記錄的情況下，可通過收集整理與區(qū)域土地墾殖變化過程密切相關(guān)的歷史和自然記錄，或能夠反映典型時段農(nóng)業(yè)開發(fā)空間格局的信息，對全球數(shù)據(jù)集中相應(yīng)時段的合理性進行間接評估（方修琦等，2020）。文中通過整理和數(shù)字化可表征清代北疆地區(qū)土地墾殖拓展過程的清代屯田點分布數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域土地墾殖史實，對全球數(shù)據(jù)集中新疆耕地空間格局重建的合理性進行區(qū)域評估。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)量評估

2.1.1 清代民國時期數(shù)量評估

清代和民國時期主要以楊氏數(shù)據(jù)和張氏數(shù)據(jù)為基準，包括清代中后期（1776—1909年）奇臺-吉木薩爾地區(qū)和清末民國時期（1909—1944年）瑪納斯河流域地區(qū)耕地數(shù)據(jù)。從對比結(jié)果看（圖 3，表 2），不論是變化趨勢還是耕地總量，區(qū)域重建結(jié)果與全球數(shù)據(jù)集均存在較大差異。

表2 全球數(shù)據(jù)集與本土楊氏數(shù)據(jù)和張氏數(shù)據(jù)的相對差異比值（R）Table 2 The relative difference ratio (R) of cropland area between HYDE 3.2, SAGE, the Yang-dataset,and the Zhang-datasets

圖3 全球數(shù)據(jù)集與楊氏數(shù)據(jù)（a）和張氏數(shù)據(jù)（b）耕地數(shù)量對比Figure 3 Comparison of cropland area from HYDE 3.2, SAGE, the Yang-dataset, and the Zhang-datasets

從相對差異比值看，HYDE 3.2和SAGE對清中后期（1776—1909年）奇臺-吉木薩爾地區(qū)耕地面積均存在嚴重低估（表 2）。研究時段內(nèi)前者的重建結(jié)果僅是楊氏數(shù)據(jù)的0.04—0.56，且其中3個時點的相對差異比值小于 0.1，即不足楊氏數(shù)據(jù)的10%；后者的重建結(jié)果雖然在1776年和1909年前后與楊氏數(shù)據(jù)較為接近，但在其余兩個時點的相對差異比值也僅為0.67和0.42。與之相反，兩個全球數(shù)據(jù)集在清末民國時期（1909—1944年）瑪納斯河流域地區(qū)的耕地面積存在嚴重高估。1910年和1940年HYDE 3.2的重建結(jié)果分別約為張氏數(shù)據(jù)的3.08和5.12倍，SAGE的重建結(jié)果與張氏數(shù)據(jù)相對差異比值更是達到8.95和4.80。

2.1.2 建國以來耕地數(shù)量評估

建國以來主要以陳氏數(shù)據(jù)為準，對全球數(shù)據(jù)集中1960—2000年間新疆全域及額敏河、天山北坡、吐魯番、哈密和塔里木河（流域）“四源一干”地區(qū)等區(qū)域的耕地數(shù)據(jù)進行定量評估。由圖4可知，研究時段內(nèi)全球數(shù)據(jù)集和陳氏數(shù)據(jù)中新疆及各重點區(qū)域的耕地數(shù)量均呈增長態(tài)勢，但耕地總量存在較大差異。

如圖 4所示，1960—2000年間 HYDE 3.2和SAGE數(shù)據(jù)集在新疆全域及各重點地區(qū)的耕地變化趨勢與陳氏數(shù)據(jù)基本一致，但天山北坡地區(qū)差異相對較大，其中，陳氏數(shù)據(jù)耕地年增長率約為3.67%，而兩個全球數(shù)據(jù)集分別為1.08%和1.02%。從數(shù)量相對差異看，HYDE 3.2和SAGE數(shù)據(jù)集在新疆地區(qū)的耕地總量明顯低于陳氏數(shù)據(jù)，其中，1960年和2000年前者僅為陳氏數(shù)據(jù)的0.75和0.67，后者約為陳氏數(shù)據(jù)的0.71和1.05（表3）。就新疆各重點區(qū)域而言，吐魯番和哈密地區(qū)為嚴重低估區(qū)，兩個時點HYDE 3.2分別僅為陳氏數(shù)據(jù)的0.51、0.60和0.32、0.27，SAGE分別為陳氏數(shù)據(jù)的 0.49、0.73和 0.50、0.75。與之相反，塔里木河（流域）“四源一干”地區(qū)則比陳氏數(shù)據(jù)偏高，HYDE 3.2與陳氏數(shù)據(jù)的相對比值約為1.10和1.06，SAGE的相對比值約為0.94和1.47。

圖4 全球數(shù)據(jù)集與陳氏數(shù)據(jù)耕地數(shù)量對比Figure 4 Comparison of cropland area in the from HYDE 3.2, SAGE, and the Chen-datasets

表3 全球數(shù)據(jù)集與本土陳氏數(shù)據(jù)的相對差異比值（R）Table 3 The relative difference ratio (R) of cropland area from HYDE 3.2, SAGE, and the Chen-datasets

2.2 空間格局評估

2.2.1 現(xiàn)代空間格局評估

利用ArcGIS和Matlab的數(shù)據(jù)提取和空間統(tǒng)計分析功能對HYDE 3.2和SAGE中耕地面積進行分區(qū)統(tǒng)計，得到新疆各重點區(qū)域的土地墾殖率分布圖，最后將其與基于陳氏數(shù)據(jù)得到的土地墾殖率分布圖進行對比。從圖5可知，全球數(shù)據(jù)集與區(qū)域數(shù)據(jù)在耕地分布的宏觀格局上較為接近，總體表現(xiàn)為耕地主要分布在額敏河、天山北坡和塔里木河（流域）“四源一干”等地區(qū)，吐魯番和哈密地區(qū)耕地分布則相對較少。然而，由于各數(shù)據(jù)之間耕地總量存在較大差異，導(dǎo)致全球數(shù)據(jù)集與區(qū)域數(shù)據(jù)在耕地空間分布格局上也存在較多不同（圖 5）。例如，1960年HYDE 3.2數(shù)據(jù)集的墾殖率空間分布表現(xiàn)為天山北坡地區(qū)>額敏河地區(qū)>塔里木河（流域）“四源一干”地區(qū)>吐魯番地區(qū)>哈密地區(qū)，而SAGE表現(xiàn)為額敏河地區(qū)>天山北坡地區(qū)>塔里木河（流域）“四源一干”地區(qū)>吐魯番地區(qū)>哈密地區(qū)，陳氏數(shù)據(jù)與HYDE 3.2格局相似，但在額敏河地區(qū)、吐魯番地區(qū)和哈密地區(qū)土地墾殖率存在明顯差異，相對差異比值分別為0.61、0.51和0.32；2000年各數(shù)據(jù)集的墾殖率空間分布格局與 1960年基本接近，但從相對差異比值看，除塔里木河（流域）“四源一干”地區(qū)數(shù)值在分別為1.06和1.05外，HYDE 3.2和SAGE數(shù)據(jù)集與陳氏數(shù)據(jù)在其他各區(qū)域的土地墾殖率相對差異比值分別為0.27—0.60和0.47—0.55。

圖5 1960和2000年全球數(shù)據(jù)集和陳氏數(shù)據(jù)新疆重點區(qū)域土地墾殖空間格局對比Figure 5 Comparison of the reclamation spatial pattern in reconstruction areas of Xinjiang from HYDE 3.2, SAGE, and the Chen-datasets in 1960 and 2000

2.2.2 歷史空間格局評估

新疆北疆地區(qū)的土地墾殖歷史，可以看作是政府行為的移民屯墾過程，而屯田點的分布可以在一定程度上表征屯墾的時空分布和變遷過程。本文首先選取了清代屯墾發(fā)展鼎盛時期清前期（1716—1721年）和中期（1756—1778年）新疆屯田點數(shù)據(jù)，利用 ArcGIS進行空間數(shù)字化，得到清代前期和中期的屯田點分布圖；其次，選取HYDE 3.2和SAGE全球數(shù)據(jù)集中與之相近時點的空間網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，采用ArcGIS中的“空間分析-提取分析-按掩模提取”功能，以新疆地區(qū)矢量多邊形數(shù)據(jù)為基準，提取全球數(shù)據(jù)集中新疆地區(qū)的耕地網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，最后，以前述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合研究時段內(nèi)新疆屯墾發(fā)展史實，對全球數(shù)據(jù)集新疆地區(qū)耕地空間分布格局的合理性進行評估。

從圖6可知，清前期康熙年間，清政府在新疆地區(qū)設(shè)立的屯田點數(shù)量僅有5個，屯田分布范圍仍然相對較小，僅限于東部的哈密、巴里坤和吐魯番等地區(qū)（圖6c），時至清中期乾隆年間，清政府在平定準噶爾的過程中，為解決邊防大軍的糧餉，鞏固在新疆的統(tǒng)治，乾隆帝決定在新疆大規(guī)模屯墾實邊，新疆地區(qū)的屯田逐漸向西擴展，屯田點開始遍布天山南北（圖6f），北疆地區(qū)作為清朝屯墾的重點，土地利用方式經(jīng)歷了由牧向農(nóng)的歷史性轉(zhuǎn)變。相關(guān)研究也表明，清政府“移民實邊”、“以邊養(yǎng)邊”政策的實施，使得新疆地區(qū)“南農(nóng)北牧”的土地利用格局被徹底改變，時至清中后期，北疆地區(qū)開始超越南疆成為新疆主要的農(nóng)墾區(qū)（趙予征，2009；安成邦，2020）。然而，HYDE 3.2和SAGE數(shù)據(jù)集中在 1700年就已將耕地大量分配在當(dāng)時仍以由牧為主的北疆地區(qū)，并未反映出新疆地區(qū)土地墾殖“從南到北，由東向西”擴展的歷史進程。雖然 1770年全球數(shù)據(jù)集在北疆地區(qū)的耕地分布格局在宏觀上與新疆屯田范圍接近，但仍存在將耕地大量分配在當(dāng)時并未有屯田分布的北部阿勒泰地區(qū)（圖6b、e）。可見，HYDE 3.2和SAGE全球數(shù)據(jù)集在新疆地區(qū)的耕地空間格局重建存在較大的不確定性。

圖6 1700年和1770年全球數(shù)據(jù)集新疆地區(qū)耕地空間分布格局和清前期（1716—1721年）和中期（1756—1778）新疆屯田點分布格局Figure 6 The spatial pattern of cropland in Xinjiang region from HYDE 3.2 and SAGE in 1700 (a, b)and 1770 (d, e), and the distribution of land reclamation points during the early (AD1 716-1721) (c)and middle (AD 1756-1778) (f) Qing Dynasty

3 討論

3.1 差異原因分析

3.1.1 耕地數(shù)量重建方法的差異

全球數(shù)據(jù)集立足于全球尺度，其選用的數(shù)據(jù)資料和構(gòu)建的重建方法要考慮到全球的多個地區(qū)，既要體現(xiàn)資料豐富、研究程度較高國家和地區(qū)，也要考慮資料匱乏、研究程度較低的區(qū)域。而區(qū)域數(shù)據(jù)集則完全專注于區(qū)域尺度，深度挖掘史料記載和調(diào)查統(tǒng)計資料，重建目標就在于客觀反映區(qū)域尺度土地用/覆被的變化狀況（楊帆等，2019）。

新疆地區(qū)而言，HYDE 3.2和SAGE數(shù)據(jù)集中的區(qū)域耕地數(shù)據(jù)在 1960年之后主要引用聯(lián)合國糧農(nóng)組織的耕地統(tǒng)計數(shù)據(jù)，1960年以前，則以人口為代用指標，按歷史人口和人均耕地面積進行推算。而中國本土區(qū)域性耕地數(shù)據(jù)，均基于新疆地區(qū)歷史文獻資料，通過對冊載田畝或屯田數(shù)據(jù)性質(zhì)及影響因素（包括隱匿、折畝、休耕和畝制等）的辨識，構(gòu)建不同的訂正方法，將冊載數(shù)據(jù)訂正為真實的耕地面積；現(xiàn)代新疆區(qū)域耕地數(shù)據(jù)則結(jié)合區(qū)域地形圖、遙感影像和土地資源調(diào)查圖等生成。與之相關(guān)，1960年以前，全球數(shù)據(jù)集與區(qū)域重建結(jié)果（奇臺-吉木薩爾地區(qū)和瑪納斯河流域）無論是變化趨勢還是耕地總量均差異顯著，偏低時耕地數(shù)量不及區(qū)域數(shù)據(jù)的10%，偏高時為區(qū)域數(shù)據(jù)的5—8倍之多；1960年以后，全球數(shù)據(jù)集與區(qū)域數(shù)據(jù)均以遙感和統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，兩者間的相對差異有縮小的趨勢，各區(qū)域相對差異比值在0.27—1.58之間。正如HYDE和SAGE數(shù)據(jù)集創(chuàng)建者已在其相關(guān)研究中指出的那樣：全球數(shù)據(jù)集在推算區(qū)域尺度耕地數(shù)據(jù)的過程中，人口數(shù)據(jù)和人均耕地面積均存在較大不確定性（Ramankutty，2012；Goldewijk et al.，2017），更加準確、可靠的區(qū)域耕地變化數(shù)據(jù)，依然需要本國學(xué)者進行更多、更深入的研究。

3.1.2 耕地空間重建方法的不確定性

HYDE 3.2和SAGE數(shù)據(jù)集均由歐美研究機構(gòu)創(chuàng)建，空間重建主要基于歐美地區(qū)的土地利用范式，假設(shè)歷史時期耕地分布與現(xiàn)代相近，并以現(xiàn)代遙感耕地空間格局為基礎(chǔ)，或基于現(xiàn)代耕地分布格局進行線性回溯，或結(jié)合人口密度、坡度、距水體遠近等因素進行耕地空間分布插值，且在全球和不同歷史時段采用同一算法，未充分考慮自然條件、社會制度和經(jīng)濟發(fā)展方式等區(qū)域差異及由此而致的不同歷史階段、不同區(qū)域人類土地利用方式和土地墾殖歷史過程存在差異的史實。例如，HYDE 3.2和SAGE數(shù)據(jù)集以現(xiàn)代耕地空間分布格局為基準，將清前期新疆地區(qū)的耕地大量分配在當(dāng)時仍以游牧為主的北疆地區(qū)，未充分考慮清代移民屯墾對新疆地區(qū)土地利用方式和耕作技術(shù)的重要影響以及農(nóng)墾區(qū)域“從南到北，由東向西”逐步推進的歷史過程。而從新疆屯墾史實看，清代北疆的墾殖始于平準時期（AD1716—1759），且主要分布在東疆；清中后期，新疆地區(qū)才基本完成了土地利用格局由“南農(nóng)北牧”向以農(nóng)為主的轉(zhuǎn)化，并延續(xù)至今。因此，1960年以來，全球數(shù)據(jù)集與區(qū)域重建數(shù)據(jù)中各重點區(qū)域耕地空間分布宏觀格局相對較為接近?？梢姡驍?shù)據(jù)集基于現(xiàn)代耕地空間分布格局進行歷史耕地空間重建的思路在拓墾區(qū)和土地利用方式發(fā)生較大轉(zhuǎn)化的區(qū)域并不完全適用。

3.2 區(qū)域歷史耕地數(shù)據(jù)質(zhì)量改進方向

全球歷史土地利用數(shù)據(jù)集為我們深入理解過去人類土地利用活動的變化特征、對現(xiàn)在全球環(huán)境變化的影響以及模擬未來的發(fā)展趨勢等提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然而，區(qū)域性評估結(jié)果表明：全球數(shù)據(jù)集中新疆地區(qū)的耕地數(shù)據(jù)仍存在較大不確定性。雖然目前新疆地區(qū)耕地重建研究已取得一定進展，但相關(guān)研究仍十分薄弱，這對我們進一步認識區(qū)域人類與環(huán)境之間相互作用的機制、過程和規(guī)律，進而定量評估人類活動對區(qū)域乃至全球氣候及生態(tài)環(huán)境的影響均有十分不利的影響。因此，為給予全球及區(qū)域氣候與生態(tài)效應(yīng)模擬以更加可靠的區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)，需要在繼續(xù)深入挖掘新疆地區(qū)各類與土地利用相關(guān)的歷史文獻資料的基礎(chǔ)上，重點開展新疆地區(qū)冊載屯田數(shù)據(jù)性質(zhì)辨識和基于數(shù)據(jù)特點的訂正方法構(gòu)建等工作，以重建更加合理、可靠的新疆全域歷史耕地數(shù)據(jù)。同時，針對新疆地區(qū)的土地墾殖歷史特點，應(yīng)重點挖掘各種表征區(qū)域人類耕作行為和空間擴散行為的人文因子，如屯墾制度、移民歷史、墾殖政策等嵌入空間重建模型中，構(gòu)建適用于新疆地區(qū)土地利用范式的歷史耕地空間重建方法，這不僅有助于建立新疆地區(qū)高信度耕地網(wǎng)格化數(shù)據(jù)集，還可為相似土地利用范式區(qū)的耕地網(wǎng)格化重建提供方法借鑒。

4 結(jié)論

本研究以張氏數(shù)據(jù)、楊氏數(shù)據(jù)、陳氏數(shù)據(jù)以及區(qū)域屯田點數(shù)據(jù)為基準，采用趨勢對比、數(shù)量對比和空間對比等評估方法，對全球數(shù)據(jù)集中新疆地區(qū)耕地數(shù)據(jù)的可靠性進行了直接和間接評估，得出以下結(jié)論：

（1）全球數(shù)據(jù)集中清代以來新疆地區(qū)的耕地數(shù)據(jù)與區(qū)域重建結(jié)果存在較大偏差。其中，HYDE 3.2在奇臺-吉木薩爾地區(qū)存在明顯低估，僅為區(qū)域數(shù)據(jù)的0.04—0.56；而在瑪納斯河流域地區(qū)，HYDE 3.2和SAGE中的耕地數(shù)據(jù)又存在明顯高估，分別為區(qū)域數(shù)據(jù)的3.08—8.95和4.80—5.12；1960年以來全球數(shù)據(jù)集中新疆地區(qū)的耕地數(shù)據(jù)與區(qū)域數(shù)據(jù)差異有減小趨勢，分別為陳氏數(shù)據(jù)的 0.67—0.75和0.71—1.05。

（2）區(qū)域墾殖史實表明：清代以來，新疆地區(qū)土地利用格局經(jīng)歷了“南農(nóng)北牧”向“以農(nóng)為主”的轉(zhuǎn)化，且清初期（1716—1721年）北疆地區(qū)仍以游牧為主；而HYDE 3.2和SAGE數(shù)據(jù)集中北疆地區(qū)在清前期（1716—1721年）已有大量耕地分布，且耕地數(shù)量分別占到同時期區(qū)域耕地總量的42.84%和61.26%。全球數(shù)據(jù)集未能真實反映出屯墾政策影響下區(qū)域土地墾殖“從南到北，由東向西”逐步推進的歷史過程。

（3）全球與區(qū)域數(shù)據(jù)集中新疆地區(qū)耕地數(shù)量差異，主要源于不同數(shù)據(jù)集之間數(shù)據(jù)來源及重建方法的差異，而空間重建的不合理之處，在于基于現(xiàn)代土地利用模式和現(xiàn)代耕地空間分布格局進行歷史耕地數(shù)量和空間重建的思路在以新疆為例的拓墾區(qū)和土地利用方式發(fā)生較大轉(zhuǎn)化的區(qū)域并不完全適用。