重庆市水田和旱地资源动态变化研究

唐荣莉，刘 静，罗友进，杜 静，廖敦秀

(1. 重庆市农业科学院，重庆 401329；2. 逆境农业研究重庆市重点实验室，重庆 401329；3. 北京市农林科学院植物营养与资源环境研究所，北京 100097；4. 重庆市农业资源与生态保护站，重庆 401121)

【研究意义】耕地的数量和质量一定程度上决定了区域的人口承载量和可持续发展能力。重庆作为西南地区和长江上游经济中心、农业比重最大的直辖市，面临耕地流失压力增大、耕地非农化利用增加等问题[1]，在一定程度上威胁区域粮食安全，制约社会经济发展。水田和旱地是重庆地区最重要的两类耕地资源，开展其动态变化及空间分异特征的对比量化研究是保障区域粮食安全的重要基础。【前人研究进展】随着遥感和地理信息系统的发展及定量分析手段的进步，土地利用相关领域学者在国家和地区尺度上开展了一系列耕地动态变化研究，涉及耕地资源时空变化特征及基本格局[2-3]、典型经济快速发展区耕地变化的区域分异[4-5]、耕地利用变化的稳定性和系统性特征[6]、耕地压力的动态变化与空间差异[1]、耕地的景观时空演变及驱动力特征[7-8]、耕地保护与建设用地集约利用协同发展[9]等重要议题。针对重庆地区，学者们主要关注快速城市化区域及典型脆弱区的耕地空间安全及管理，研究涵盖了山地丘陵区土地资源流动与整合机制[10]、三峡库区快速城镇化地区耕地利用变化及生态效应[11]、川东平行岭谷区耕地空间分布格局[12]、典型区县退耕还林(草)工程对耕地压力指数的影响[13]、快速城市化区域土地利用变化及生态效益[14]等方向。这些研究对重庆地区的耕地资源安全管理具有重要的理论意义及参考价值。【本研究切入点】受人口、社会、经济、农业等要素变化的综合影响，近年来重庆地区水田和旱地的流失速率、地类转变特征在不同空间位置、不同行政单元表现出时空异质性。目前，鲜有重庆地区水田和旱地流失特征及时空差异分析的相关研究报道。本研究了解水田和旱地动态变化过程及流失趋势，并对所属行政单元进行类型划分和空间示意，有助于分析耕地流失的驱动机制，制定出台相应的管理措施，对于重庆地区的耕地保护和粮食安全有重要的理论和实践意义。【拟解决的关键问题】本研究基于历史遥感影像数据的解译结果，利用耕地资源流失率及重心分析方法核算了重庆地区水田和旱地流失情况及地理重心的时空转移特点；运用土地利用转移矩阵分析了水田和旱地转出的构成特点；综合考虑水田、旱地流失特征及转出类型归纳了耕地资源动态类型。开展本研究可加深对西南丘陵山地的水田、旱地流失规律的认识，为地区耕地调控政策的制定提供数据支持。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

重庆位于中国西南部、长江上游地区，地跨105°11′～110°11′E、28°10′～32°13′N，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温16～18 ℃，年均降水量达1105.5 mm，年均水资源总量5×107hm3左右。重庆地区海拔高差2723.7 m，域内东南部、东北部高，中部和西部低，由南北向长江河谷逐级降低。山地面积占76%，丘陵占22%，河谷平坝仅占2%。重庆是农业比重最大的直辖市，具有复杂多样的生态环境、农村经济社会背景及丰富的农业生产资源。重庆地区常住人口3124万人，其中农村人口占常住人口的33.20%，2021年三次产业结构比重为6.9∶40.1∶53.0，粮食总产量为1.0928×107t[15]。

1.2 数据来源及处理

本研究使用的土地利用和矢量数据均来自中国科学院资源环境科学数据中心，主要包括重庆市行政边界矢量数据及1980年、2000年、2018年3个时期的30 m分辨率土地利用数据，其中土地利用数据包括水田、旱地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地等7个地类的相关数据。使用ArcGIS 10.2软件为工作平台，集成应用空间叠加、栅格条件计算等方法获得重庆地区1980—2000年、2000—2018年两个时期近40年间的土地利用转移矩阵及不同区县的耕地转移格局[16]。

1.3 研究方法

使用耕地资源流失率核算耕地年流失情况；使用重心分析考察重庆市水田和旱地整体上地理重心的时空转移特点；使用土地利用转移矩阵比较各行政单元的水田和旱地转出的流向地类特点。

1.3.1 耕地资源流失率 依据耕地资源流失率指数(K)[17]核算重庆市38个涉农区县两个时期的水田和旱地耕地资源流失情况。

K=[(Ati-Atj)/Atinj-i]×100%

(1)

式中，Ati为某一时期初(年份i)的耕地面积，Atj为某一时期末(年份j)的耕地面积，nj-i为间隔年数。可根据耕地资源数量变化特征将所研究的行政单元分为耕地资源严重流失(K>0.90%)、耕地资源快速流失(0.30%

1.3.2 耕地重心分析 借鉴力学原理，引入区域重心[18]的概念来确定研究区耕地的地理重心区位。假设某一个区域由n个子区域i构成，区域i的中心坐标为 (Xi,Yi)，Mi为区域i在某种属性意义下的“重量”，则该属性意义下的区域重心坐标为：

(2)

(3)

2 结果与分析

2.1 水田、旱地流失率及重心转移特征

2.1.1 水田、旱地时空分布特点 重庆地区1980年、2000年、2018年的水田面积分别为1.19×106、1.18×106、1.12×106hm2，旱地面积分别为2.74×106、2.72×106、2.64×106hm2。其中水田主要分布在渝西南、渝中部的由长江及其支流冲积形成的盆谷地平原、低海拔丘陵地区，旱地在低山、丘陵、台地、中山等地形条件下均有所分布。随着地形起伏加剧，耕地密度总体呈现由渝西向渝东北、渝东南区域逐渐降低的特征(图1)。水田面积占比最高的区县有垫江、铜梁、长寿、璧山、梁平、潼南，占比均超过其行政区面积的30%；旱地面积占比最高的区县有潼南、荣昌、大足、合川、永川、巴南、忠县、渝北，占比均超过其行政区面积的40%。

BB：北碚；BN：巴南；BS：璧山；CQ：城口；CS：长寿；DDK：大渡口；DJ：垫江；DZ：大足；FD：丰都；FJ：奉节；FL：涪陵；HC：合川；JB：江北；JJ：江津；JLP：九龙坡；KZ：开州；LP：梁平；NA：南岸；NC：南川；PS：彭水；QJ：綦江；QJ2：黔江；RC：荣昌；SPB：沙坪坝；SZ：石柱；TL：铜梁；TN：潼南；WL：武隆；WS：万盛；WS2：巫山；WX：巫溪；WZ：万州；XS：秀山；YB：渝北；YC：永川；YY：酉阳；YY2：云阳；ZX：忠县；下同BB: Beibei; BN: Banan; BS: Bishan; CQ: Chengkou; CS: Changshou; DDK: Dadukou; DJ: Dianjiang; DZ: Dazu; FD: Fengdu; FJ: fengjie; FL: Fuling; HC: Hechuan; JB: Jiangbei; JJ: Jiangjin; JLP: Jiulongpo; KZ: Kaizhou; LP: Liangping; NA: Nanan; NC: Nanchuan; PS: Pengshui; QJ: Qijiang; QJ2: Qianjiang; RC: Rongchang; SPB: Shapingba; SZ: Shizhu; TL: Tongliang; TN: Tongnan; WL: Wulong; WS: Wansheng; WS2: Wushan; WX: Wuxi; WZ: Wanzhou; XS: Xiushan; YB: Yubei; YC: Yongchuan; YY: Youyang; YY2: Yunyang; ZX: Zhongxian; The same as below图1 重庆地区1980年、2000年、2018年水田和旱地空间分布特征 Fig.1 Spatial distribution characteristics of paddy fields and dry land in Chongqing in 1980, 2000 and 2018

2.1.2 水田、旱地资源流失率 按耕地流失率计算方法运用3期土地利用数据核算1980—2000年、2000—2018年两个时期各区县耕地面积数量变化(图2)。总体而言，水田流失总面积少于旱地，但水田流失率更高，大部分区县的水田和旱地均在缓慢流失，后20年耕地流失速度远高于前20年，流失程度类似的区县聚集特征更加明显。具体而言，1980—2000年水田、旱地流失面积分别为9593.54、16 287.72 hm2，年平均流失率分别为0.03%、0.02%；其中有2、34、2个区县属于水田无流失型、缓慢流失型、快速流失型(图2-a)，分别有6、28、4个区县属于旱地无流失型、缓慢流失型、快速流失型(图2-b)，该时期水田和旱地均无区县属于严重流失型；大渡口、巫山属于水田快速流失区，在空间上分散分布；九龙坡、南岸、沙坪坝、大渡口为旱地快速流失区，在主城区呈聚集分布。2000—2018年，水田、旱地流失面积分别为57 537.76、84 801.09 hm2，全域水田、旱地流失率分别为0.27%、0.17%，分别为前一时期的6.75、5.82倍；有26、6、7个区县分别属于水田缓慢流失型、快速流失型、严重流失型(图2-c)，共有2、28、5、3个区县属于旱地无流失型、缓慢流失型、快速流失型、严重流失型(图2-d)。其中水田面积严重流失区集中分布在主城区及受主城区辐射的经济高速发展的近郊区县，快速流失区主要分布在渝东北区域，且呈邻近分布；旱地面积严重流失和快速流失区集中在主城区，缓慢流失区离主城区有一定距离。

图2 重庆地区水田、旱地流失情况及空间分布格局 Fig.2 Loss and spatial distribution pattern of paddy field and dry land in Chongqing

2.1.3 水田、旱地重心转移特征 利用重心分析方法，在区域尺度量化比较近40年水田、旱地面积分布重心随时间推移的转移方向及转移距离。结果(表1)表明，重庆地区水田重心逐渐从“106.7806°E，29.7844°N”迁移到“106.8030°E，29.7991°N”，旱地重心从“107.1117°E，29.8706°N”迁移到“107.1363°E，29.8811°N”。1980年、2000年、2018年3个时期水田与旱地重心之间的距离差别不大，分别为31.76、33.72、33.35 km，其中旱地重心比水田重心更偏向东北方向。随时间推移，无论是水田还是旱地，面积重心均呈现出向东北方向转移的特点，即逐渐由经济发展速度快、耕地质量较好的渝西低海拔区域向经济增速较慢且耕地质量较差的丘陵区转移，其中1980—2000年水田、旱地重心转移距离分别为0.58、0.97 km，该时期旱地重心转移距离高于水田；2000—2018年水田、旱地重心转移距离分别为2.14、1.57 km，转移距离均高于前一时期。

表1 重庆地区水田、旱地重心转移特征

2.2 水田、旱地的转出特征

2.2.1 水田、旱地的转出地类特征 耕地转出面积、流向地类和占比能反映社会经济发展的趋势和格局。1980—2000年，重庆地区水田、旱地转出面积分别为1.26×104、5.90×104hm2(图3)，分别为该时期其他地类转变为水田、旱地面积的4.09、8.79倍；这一时期，转出的水田主要变为建设用地(70.54%)，其次为旱地(13.89%)和林地(10.18%)，转出的旱地主要变为建设用地(86.51%)。2000—2018年，重庆地区水田、旱地转出面积分别为2.30×104、1.02×105hm2，分别为其转入面积的13.31、6.04倍；这一时期，转出的水田大部分变为建设用地(51.40%)、林地(29.96%)和旱地(9.21%)，转出的旱地主要变为建设用地(46.23%)、林地(34.25%)和草地(12.70%)。无论是水田还是旱地，2000—2018年的转出面积远超过1980—2000年的转出面积，而且建设占用始终是首要因素。

图3 重庆地区水田、旱地转出地类及其面积Fig.3 Types and areas of paddy field and dry land transferred out in Chongqing

2.2.2 水田、旱地转出的空间差异 按耕地流向类型，可将重庆地区水田和旱地流失特征归纳为建设用地占用、生态占用(耕地转变为林地、草地及水域)、农业结构调整(水田和旱地的内部转换)3类(图4)。两个历史阶段，域内大部分区县的水田以建设占用为主，仅少量水田为生态占用，且随时间推移，以建设占用为主导的区县数量增加；旱地生态占用和建设占用比重相当，且随着时间推移，以生态占用为主的区县数量增加。具体而言，1980—2000年仅云阳、巫溪、开州、石柱、奉节这5个区县的水田流失以生态占用为主导(图4-a)；其中巴南、彭水、巫山3个区县的水田转为旱地的占一定比例，建设占用和生态占用均未占绝对优势，其余30个区县转出的水田以建设占用为主。2000—2018年，仅石柱、忠县、奉节、云阳4个区县的水田以生态占用为主导(图4-c)，其余34个区县的水田流失均以建设占用为主，空间分布特征与上一个时期类似。1980—2000年，共21个区县的旱地转出以建设占用为主，13个区县以生态占用为主(图4-b)，具有明显的南北空间分异，以建设占用为主的区县均位于南部，分为大足—忠县及以南的渝西连续聚集带、黔江—秀山渝东南聚集区。2000—2018年，区县旱地转变的空间特征呈现出明显的东西空间分异(图4-d)，长寿—巫山及以西的主城和近郊区县以建设占用为主，而位于渝东北、渝东南的区县除了綦江和秀山外均以生态占用为主。

图4 重庆地区水田、旱地转出类型及空间分布格局Fig.4 Transformation types and spatial distribution pattern of paddy field and dry land in Chongqing

2.3 区县水田、旱地资源动态类型及特征

2.3.1 资源动态格局及类型分区 综合考虑区县耕地资源流失率及耕地转变类型，可将重庆水田和旱地的资源动态类型归纳为4大类10小类(图5)。C、E、N、T分别代表建设占用主导、生态占用主导、无优势主导类型及内部调整；Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ、0分别代表资源流失率属于严重流失、快速流失、缓慢流失、无流失类。

CⅢ：建设占用主导，严重流失类；CⅡ：建设占用主导，快速流失类；CⅠ：建设占用主导，缓慢流失类；C 0：建设占用主导，无流失类；EⅡ：生态占用主导，快速流失类；EⅠ：生态占用主导，缓慢流失类；E 0：生态占用主导，无流失类；NⅠ：无绝对优势，缓慢流失类；N 0：无优势主导，无流失类；TⅡ：耕地调整，快速流失类；下同CⅢ：Construction occupation dominated, serious loss；CⅡ：Construction occupation dominated, rapid loss；CⅠ：Construction occupation dominated, slow loss；C 0：Construction occupation dominated, no loss；EⅡ：Ecological occupation dominated, rapid loss；EⅠ：Ecological occupation dominated, slow loss；E 0：Ecological occupation dominated, no loss；NⅠ：No dominant type，slow loss；N 0：No dominant type，no loss；TⅡ：Cultivated land type transformation, rapid loss; the same as below图5 重庆地区水田、旱地资源动态类型及其分布Fig.5 Dynamic types and distribution of paddy field and dry land resources in Chongqing

可以看出，1980—2000年水田资源动态类型包含了建设占用主导(CⅡ、CⅠ、C 0)、生态占用主导(EⅠ)、无绝对优势主导(NⅠ、N 0)、内部调整(TⅡ)4大类7小类(图5-a)；2000—2018年水田资源动态类型包含了建设占用主导(CⅢ、CⅡ、CⅠ)、生态占用主导(EⅡ、EⅠ)2大类5小类(图5-c)；水田资源动态类型在两个时期表现出较高的一致性，均以建设占用缓慢流失(CⅠ)型为主，区县数量分别为27、24个。前一个时期，水田资源动态调整的类型更多，但资源动态变化强度不如第2个时期剧烈；第2个时期，建设占用主导大类占据的空间更多，且流失程度更高。

1980—2000年旱地资源动态类型包含了建设占用主导(CⅡ、CⅠ、C 0)、生态占用主导(EⅠ、E 0)、无绝对优势主导(NⅠ、N 0)3大类7小类(图5-b)；2000—2018年旱地资源动态类型包含了建设占用主导(CⅢ、CⅡ、CⅠ、C 0)、生态占用主导(EⅡ、EⅠ、E 0)2大类7小类(图5-d)；旱地资源动态在两个时期表现出较高的一致性，均以建设占用缓慢流失型(CⅠ)和生态占用缓慢流失型(EⅠ)为主；前一时期主要呈现出南北分界的特征，后一时期呈现出东西分界的特征。

2.3.2 水田、旱地资源动态变化比较 对比1980—2000年和2000—2018年的水田、旱地资源动态变化特征(表2)发现，就水田而言，有19个区县两个时期的资源流失程度及流向地类较为一致，即呈现稳定流失特征；13个区县水田主导流失地类不变，但流失速率加快，其中云阳、石柱为生态占用主导的流失加速，其余11个区县为建设占用主导的流失加速；共10个区县的主导流向地类发生改变，除忠县由建设占用主导流失转变为生态主导流失外，其余区县流失主导类型均转变为建设流失。就旱地而言，18个区县在两个时期呈稳定流失，7个区县呈加速流失，13个区县流失主导类型发生转变。

表2 重庆地区水田、旱地资源动态变化特征比较

主导类型转变的区县中，由生态主导型变为建设主导型和由建设主导型变为生态主导型的区县数量相当，其中变为建设主导型的区县均分布在渝西地区城市扩展带，变为生态主导型的区县在重庆中部呈聚集分布。

3 讨 论

3.1 水田、旱地资源动态变化差异

对比分析水田和旱地的流失规模、速度及空间分异有助于理解和认识耕地利用变化的关键特征[1,8]。与同类研究结果相似，重庆地区的耕地变化区域差异显著[17]，不同自然地理环境、经济发展背景区县的水田和旱地变化剧烈程度不同[4,11]。近40年来，水田和旱地均呈现由缓慢零散占用到快速集聚流失的趋势，其中后20年的耕地流失速度远高于前20年。水田流失总面积少于旱地，但流失率更高，水田属于快速流失、严重流失型的区县数量均高于旱地。水田和旱地向不同地类转移的比例差异和空间分布差异明显。域内大部分区县的水田以建设占用为主，仅少量区县水田以生态占用为主，且随时间推移，以建设占用为主导的区县数量增加。旱地的生态占用和建设占用比重相当，且随着时间推移，以生态占用为主的区县数量增加，覆盖了渝东北和渝东南大部分区县。受西南部耕地转出面积和变化速率比中部和北部地区更高的影响，水田和旱地面积重心均逐渐向东北丘陵区转移，即区域农业生产布局逐步向非农就业机会较少、农业生产经济效益较高的地区转移和集中。从移动距离来看，水田面积重心的迁移幅度与旱地重心的迁移幅度不同，说明水田与旱地的流失情况或驱动因素在空间上具有非均衡性的特点。

3.2 水田、旱地变化的驱动因素

耕地流失主要受人类主导的土地利用行为驱动，重庆地区水田和旱地减少趋势与历史政策、经济、生态驱动因素在发生时间和空间分布上较为一致。其中，社会经济发展、城市化和三峡库区蓄水工程等是驱动2000年前重庆市水田、旱地变化的主要宏观因素[[8,14]。1980—2000年，重庆市城镇人口比例由16.29%增加到35.6%[19]。这一时期，受地理位置、经济水平的限制，耕地变化主要呈缓慢零散变化的趋势。早期的城市化过程带动了居住、工矿、交通等建设用地的增加，低海拔地区水田集中连片分布区与经济发展快速区的空间重合主要导致了渝西地区建设用地扩张与水田缩减的矛盾；库区内移民迁建和库区第一次蓄水等导致了渝东北库区区县旱地面积下降，其他区县在这一阶段扩张较为缓慢。2000—2018年，经济高速发展、人口流动政策、种植业比较收益下降及国家和区域性生态政策的叠合等因素是驱动耕地变化的主要宏观因素[[8,11,13]。这一时期，重庆地区城镇人口比例从35.6%增加到65.5%，居住、工商、交通等用地面积的迅速增加占用大量优质耕地资源，促进了城乡居民点及周边辐射带动区的水田、旱地非农化进程。同时，天然林资源保护工程、退耕还林工程、长江中下游等重点防护林体系建设工程等一系列重点工程规划的出台和实施，促进了渝东南、渝东北生态脆弱区的坡耕地面积减少，林业用地面积显著增加[20]。此外，耕地占补平衡、永久基本农田保护等政策的实施[21]，一定程度上提高了耕地合理利用和保护水平，耕地的集聚程度也有所提升，从而在空间上表现出属于同类型变化的区县空间分布更连贯、聚集性更高的特点。

3.3 基于耕地资源动态的分区管理

近年来，重庆面临区域耕地资源逐年减少及后备耕地资源不足的问题[22-23]。在建设区域经济中心、构建内陆开放高地等发展背景下，重庆面临粮食安全与区域发展的双重压力，地区耕地流失管理压力增大，除增加农业生产的资金投入和政策支持、改善区域农业生产条件、提高耕地质量和耕地利用效率等具体措施外，首先应对耕地进行更为科学的布局和管理，针对区域水田和旱地的流失特点加强防控，实施耕地分区管理[24-25]。应强化对位于主城(以渝北、九龙坡等为代表)的建设占用严重/快速流失型(CⅢ、CⅡ)区县的保护，优化开发其耕地生产、景观、文化价值和农业科教价值；严格管制位于主城周边(以江津、大足等为代表)的建设占用缓慢流失型(CⅠ)的粮食主产区的耕地监管，防止该区域承接人口转移和产业集聚导致优质耕地流失及质量降低，提高该区域耕地的综合生产能力；加强对以云阳、石柱为代表的生态占用快速流失型(EⅡ)地区，以城口、垫江等为代表的生态占用缓慢流失型(EⅠ)等资源承载能力较弱地区的基本农田保护和生态保护建设，强化农业耕作技术推广、农田整理、基础设施配套等工作，提高耕地综合生产能力。

4 结 论

(1)重庆市各区县水田和旱地面积近40年均有所减少，旱地的相对变化率高于水田，渝东北、渝西地区水田和旱地的相对变化率高于渝东南地区。2000—2018年水田和旱地流失率远高于1980—2000年。水田严重流失区主要集中在主城区及近郊区县，快速流失区主要聚集在渝东北地区；旱地严重流失区和快速流失区均集中在主城区。水田和旱地的重心均逐渐向东北方向转移。

(2)水田和旱地流失的主要驱动力及流向地类存在差异。水田流失以建设占用为主，生态占用为辅，随着时间推移，以建设占用为主的区县数量增加，社会经济发展、城市化是驱动水田变化的主要因素。建设占用和生态占用是旱地流失的主要原因，随着时间推移，以生态占用为主的区县数量增加，社会经济发展及生态退耕政策是旱地流失的主要驱动因素。

(3)应基于耕地流失特征，加强重庆地区水田和旱地的分区管理，强化对建设占用、耕地严重/快速流失区县的耕地空间管制，优化开发区现存耕地的生态功能和景观功能；严格管控建设占用耕地缓慢流失型区县的新增建设用地规模，提高耕地的综合生产能力，杜绝城市建设导致优质耕地流失及质量降低；建立健全渝东北、渝东南等资源承载能力较弱、生态占用为主的地区耕地保护协同机制，坚持保护优先、适度开发的原则，提升现有水田和旱地资源利用率。