湖南省区域耕地开发强度时空演变结构分析

朱吉贝，刘 庆，粟增增

（湖南农业大学资源环境学院，湖南·长沙 410128）

近年来，我国粮食总产量连续多年超过万亿斤，为稳定粮价、维护社会安定作出突出贡献。但在连年丰收的背后，耕地所承受的压力不容忽视。耕地保护的实质是保证耕地具有健康的产能，而耕地开发活动直接影响着耕地质量与生态，从而影响耕地的产能健康[1-2]。耕地开发作为区域发展系统中重要一环，其强度及结构会影响区域整体发展的稳定性及可持续性，是区域社会经济发展重要的脊柱。基于区域整体视角探索耕地开发强度的量化指标能够使得耕地开发行为从无序化趋向有序化，分散农产品主产地区的产粮压力，从而保障优质农田质量，保持耕地资源可持续性开发。

关于耕地开发强度较为系统全面的定义为：在一定区域的一定发展阶段及技术条件下，为获得生存与发展所需的耕地产出，人们通过人工干预耕地资源而实现的对耕地产出能力的占用程度[3]。与耕地开发强度相关研究主要有土地利用强度和耕地利用强度。土地利用强度反映人类活动对自然生态系统的影响程度，大多从体现人类活动的空间格局、利用方式、时间强度以及景观破碎度和影响的可逆性方面来选取测度指标，构建土地利用强度分类系统[4]。耕地利用强度评价指标主要从种植强度、农业生产的物质投入和产出要素、土地集约利用、土地利用的时序性四个方面选取[5-13]。已有研究虽然对于耕地开发利用的衡量指标多样化，但多利用单一指标未进行多指标融合，在耕地开发强度衡量中缺乏综合性，对于耕地开发活动进行深化分解式分析的研究目前更为少见。因此借鉴以往关于耕地开发强度体系的构建研究，对湖南省耕地开发强度及其组成进行解构分析，获取湖南省耕地开发强度时空特征的同时探究耕地开发强度结构体系的科学性。

1 研究区域与数据

1.1 研究区概况

湖南省位于长江中下游，属亚热带季风气候，由平原、盆地、丘陵地、山地、河湖构成，自古就有“湖广熟,天下足”的美称。湖南是全国粮食主产省，第三次国土调查显示湖南省耕地面积为362.89万公顷，主要分布在常德市、邵阳市、衡阳市、岳阳市、永州市、怀化市、益阳市和郴州市，占全省耕地的73.74%。湖南省以占全国3%的耕地，生产了全国6%的粮食，是全国5个粮食输出省之一，但人均耕地0.06公顷，仅为全国人均耕地的59.2%，不到世界人均水平的1/5。同时,湖南省在我国经济发展中具有重要地位，是中部崛起战略和长江经济带的重要发展区域。自建国以来，湖南省耕地总量变化经历了一个由短期增长到持续减少的动态变化过程，人均耕地则呈明显递减态势。虽然湖南省耕地生产力水平较高，但坡耕地及低产田比重大，耕地质量下降，农业生态环境恶化。

1.2 数据来源

以湖南省县域耕地数据为基本研究数据，由于行政区划的改变和区域数据的缺失选取湖南省122个县域中的117个县域为主要研究对象，剔除零陵区、珠晖区、雁峰区、石鼓区、蒸湘区五个县区。数据中年末耕地面积、播种面积来自2000-2018年《湖南省农村统计年鉴》和《湖南年鉴》,地区土地面积、粮食产量的数据来源于2000-2018年《湖南省统计年鉴》。

相关数据如表1。

表1 湖南省各行政区域耕地与播种面积及粮食产量Table 1 Cultivated land, sown area and grain yield in various administrative regions of Hunan Province

2 研究方法

2.1 耕地开发强度

从开发活动方式看，耕地资源开发强度可以理解为人类为生存和发展而通过人工干预耕地资源而实现的对耕地产出能力的占用程度，是对耕地生态系统的改变或干扰程度的综合反映[14]。由此本文也从粮食生产角度对耕地资源开发的广度、深度与频度综合度量。

式中：Kq为耕地开发强度，Kg为耕地开发广度，即粮食单位面积开发率，是研究单元内耕地面积占土地总面积比值；Ks为耕地开发深度，即粮食单产潜力开发率，是粮食现有粮食产量与粮食生产潜力的比值，其中粮食生产潜力为前十年粮食产量的趋势值；Kp为耕地开发频度，即粮食复种指数，是播种面积占耕地面积的比值。

2.2 相对变化率

利用相对变化率可以分析耕地开发广度、深度、频度及强度的区域动态变化差异，如下式所示：

式中：以耕地开发强度为例，RID表示相对变化率，Q1表示研究基期的耕地开发强度，Q2表示研究末期的耕地开发强度。

3 结果与分析

3.1 耕地开发强度均值分析

据图1可知，耕地开发强度均值整体靠近耕地开发广度均值，而开发广度为最低值，这与木桶效应相一致，耕地开发强度的组成中的短板从均值可以看出是耕地开发广度，而耕地开发广度是否在耕地开发强度中占据重要的影响还需要在空间变化和时序演变中深入探索。耕地开发深度、频度、强度均值水平有了一定的提升，尤其在2004年国家实行减征和免征农业税的惠农政策之后，除2008年冰灾使得农业生产活动受到严重的冲击外，湖南省的粮食播种面积和粮食产量都稳定在一个新的高度。

图1 湖南省各县域耕地开发强度及其结构均值组合图Fig.1 Cultivated land development intensity and structure mean area of each county in Hunan Province

3.2 湖南省耕地开发强度及结构时空布局分析

为了将耕地开发强度及其构成的时空布局进行直观可视化，将1999-2017年以四至五年为间隔分为四个跨面，凸显耕地开发强度及其结构的时空分异，能够有效避免单一年限数据特殊性。采用ArcGIS中的自然断点法分段显示湖南省县域耕地开发广度、深度、频度以及耕地开发强度在1999-2003年、2004-2008年、2009-2013年、2014-2017年四个跨面中所展现的分布格局及其指数分段集中情况。自然断点法是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法, 使类与类之间的不同最大化，裂点本身就是分级的良好界限。采用自然断点法有助于分析耕地开发强度及其结构分布数值随时间所产生的转变，反映区域主体的指数范围动态变化。

湖南省的耕地开发广度主要呈现“中北部高西南部低”的分布特征，其分布与湖南省地势和水文有着极强的相关性，耕地开发广度高值区主要沿湘江流域及洞庭湖流域分布，集中在北部和中部地区，而西部武陵山、雪峰山和南部南岭地区呈现低值分布。从自然分段可以看出，湖南省的耕地开发广度极值中极小值随时间发展从0.009逐渐增长到0.052，极大值从0.548增长到了0.61，在研究时段内湖南省耕地开发广度水平有所增长，但从各段指数分布面积大小可以看出在1999-2008年耕地开发广度的各指数分段呈现稳定的发展，而在2009-2013年间耕地开发广度高值区分布面积显著减少，其中面积缩减的主要区域为中部江南丘陵区，主要原因可能是湖南省中部崛起的经济发展战略使建设用地不可避免地占用耕地资源，而在2014-2017年耕地开发广度有所提升，2014年开始的构建新形势下的国家粮食安全战略有关，在此之后陆续实施全国高标准农田建设，改善占补平衡等政策导向在短期内对于耕地开发活动的调节效果显著（图2）。

图2 湖南省县域耕地开发广度时空分布图Fig.2 The spatio-temporal distribution map of cultivated land development extent in counties of Hunan Province

湖南省耕地开发深度主要呈现中部东部高，西部低的分布，中高值区占据湖南省大部分地区，但在研究时段内高值区在不断缩减，低值区在不断扩大。从自然断点可以看出耕地开发深度跨度在逐渐变大，但耕地开发深度高值区由东部多数地区逐渐转变为湖南省中部少数地区，湖南省的产粮出现了区域集中化。从断点指数值分布上看，极小值从0.2减低到了0.06，极大值从1.33增长到了1.89，值得注意的是从1999-2003年的跨面到2004-2008年的跨面，极大值实现了1.33到1.74的跨越，在惠农政策的影响下湖南省的耕地粮食生产水平实现了重大的突破。虽然粮食产量得到突破，但产粮水平出现区域集中化特征，这表明耕地开发深度形成地区分化发展，粮食生产压力逐渐集中在了湖南省中部地区和北部地区（图3）。

图3 湖南省县域耕地开发深度时空分布图Fig.3 The spatio-temporal distribution of cultivated land development depth at county level in Hunan Province

在研究时段内，湖南省耕地开发频度从北高南低的分布特征逐渐转化为东高西低的分布特征。其中南方最为显著的是株洲市、郴州市和永州市从低值区转变为中值区甚至高值区。南部地区耕地开发活动受干旱、洪涝等自然灾害的限制，开发频度低值区占据多数地区，在2009-2017年间通过水利设施建设使人们不用遭受季节降雨的困扰，粮食播种面积明显增加，耕地开发频度增长显著。从自然断点可知湖南省的耕地开发频度阈值有跨越式的增长，研究时段内极大值从2.8增长到3.8，实现了湖南省粮食播种面积的跨越式新高度。但纵观四大跨面，自然分段中1.8~2.7的指数域占据湖南省大多数县域，实现跨越增长的区域只在永州市和郴州市部分县域和环洞庭湖部分县域。从断点值可以看出湖南省的耕地开发频度从2004-2008年跨面和2009-2013年跨面极大值都在快速增长，在2014-2017年跨面有所递减，结合耕地开发广度的变化可知，在2004-2013年间，耕地面积受工业经济的发展的冲击，要保证足够的粮食供给就需要不断提高复种指数，而耕地资源的自然潜力是有限度的，在2014-2017年中，对高标准农田建设的要求逐渐使得耕地开发频度趋于可持续性发展（图4）。

图4 湖南省县域耕地开发频度时空分布图Fig.4 The spatio-temporal distribution of cultivated land development frequency in counties of Hunan Province

湖南省耕地开发强度总体分布呈现“中北高西南低”的特征，中部为湘江流域，北部为洞庭湖生态经济区，都属于水资源丰富地区，地形较为平坦，土壤肥沃，农业生产条件优越，粮食产量也占据湖南省总产量的主体地位，其中洞庭湖地区有着农业技术的优势和主导产业的优势，是我国重要的产粮基地。湖南省西部、南部环绕着武陵山、雪峰山和南岭，地势陡峻，耕地开垦难度高，土地贫瘠，粮食产量较低，加上南方地区多受洪涝灾害的影响，农业生态环境较为恶劣。从自然断点可看出耕地开发强度范围呈断崖式扩大，研究时段内极大值从1.34激增为2.52，但实现跨越的区域仅为益阳市的南县和长沙市的望城区。其中最为稳定的地区为北部环洞庭湖高值区和西部武陵山低值区，因此可判断湖南省耕地开发强度在研究时段内主要还是受制于自然环境的影响，若能够通过土壤改良技术、调节水源改善农业生态环境，湖南省西部地区和南部地区备具充足的耕地开发潜力（图5）。

图5 湖南省县域耕地开发强度时空分布图Fig.5 The spatio-temporal distribution of cultivated land development intensity at county level in Hunan Province

综合耕地开发广度、深度、频度及强度时空分布图件可以看出，耕地开发强度与耕地开发广度的空间分布特征有着高度的一致性，高值区集中分布在洞庭湖流域和湘江流域，低值区分布在西部、南部环山区域，高低值区都较为稳定。而耕地开发强度在自然断点的数值增长跨度和耕地开发频度自然断点的增长跨度较为同步，2004-2008年跨面与2009-2013年跨面极大值都在不断发展，2014-2017年跨面略微减小，耕地开发频度对于耕地开发强度的主要作用在值域范围上。因此可以判断耕地开发广度决定了各区域的耕地开发强度基本水平，相当于“底子”，而耕地开发频度则决定了区域总体的耕地开发强度所能达到的高度，主要通过挖掘耕地自然资源的最大潜力来实现。

3.3 湖南省耕地开发强度及结构市域特征分析

对各县域的耕地开发广度、深度、频度以及耕地开发强度进行市域整合分析，采用算数平均法得到市域层面四个跨面的耕地开发广度、深度、频度以及耕地开发强度指数，在此基础上用折线图表现其区域差异性（图6）。市域层面的整合分析将耕地开发情况进行区域汇总，分析各市域耕地开发强度及其结构的区域特征，使耕地开发强度改善的方向更加明确，方便耕地开发活动规划管控措施的制定。

图6 湖南省市域耕地开发强度及其结构折线图Fig.6 The Broken line chart of cultivated land development intensity and its structure in Hunan Province

综合四幅折线图可以看出，耕地开发强度的构成之间存在一定的相关性，其中耕地开发深度的波动和耕地开发频度的波动存在一定的正相关，耕地开发广度波动幅度较小，但指数分布和深度、频度也存在正相关关系，而综合来看，除广度之外，耕地开发强度及其构成的指数波动普遍存在于高值区，低值区较为稳定。耕地开发活动较为活跃的区域也是耕地开发强度增长幅度较大的区域，主要包括岳阳市、常德市、益阳市、永州市。耕地开发强度超过0.6的市域有湘潭市、岳阳市、常德市、益阳市，永州市在耕地开发广度上相对薄弱。耕地开发强度稳定低于0.2的市域有张家界市、怀化市和湘西自治州。

从图中可以看出，耕地开发广度、深度、频度之间在低值分布上达到了高度的一致，张家界市、怀化市、湘西自治州这三个市域在耕地开发广度、深度、频度衡量中都属于稳定的极低值区，在对于耕地开发的区域平衡问题中，对于耕地开发强度过高区域，需要进行深入评估才能评价其适度与否，而耕地开发低值区对于湖南省这样的产粮大省来说就是实现耕地开发区域均衡的突破口，从实地实际出发，在惠农政策上体现地域倾向性，给予重点的农业技术帮扶来推动这三个市域的耕地开发强度提升，能够减轻洞庭湖流域及湘江流域的耕地产粮压力。基于时期发展来看，耕地开发强度在2009-2013年的跨面中总体峰值最高，在2014-2017年有所回落，可以看出，在2004-2013年，人们对于耕地开发活动在税收减免政策中取得了较高的积极性，耕地开发强度在粮食播种面积和产粮能力迅速发展中达到了一定的高度，在2014-2017年，湖南处于工业中期向后期的过渡阶段，第一产业的比重缩减，耕地开发活动受到人力物力上的限制和阻碍，但在耕地保护的一系列政策下缩减的幅度较小。

3.4 湖南省耕地开发强度及结构相对变化分析

将湖南省各市域各跨面的耕地开发广度、深度、频度以及耕地开发强度的相对变化率，在四个跨面间存在三个间隔相对变化值，从间隔相对变化值能够清晰地看出各跨面间随时间变化其耕地开发活动的发展轨迹（表2）。

表2 湖南省市域耕地开发强度及其结构相对变化率Table 2 Histogram of cultivated land development intensity and structure relative change rate in Hunan Province

以1999-2003年跨面为基期跨面，反映2004-2008年跨面、2009-2013年跨面、2014-2017年跨面相对于前一个跨面耕地开发强度及构成的变化指数，从各市域整体间隔变化幅度来看，在耕地开发广度、耕地开发深度、耕地开发频度、耕地开发强度的对比中，耕地开发深度与耕地开发强度的变化幅度有着明显的相似性，其变化发展较大的市域都是岳阳市，常德市、益阳市和永州市，且间隔变化的方向和幅度都达到高度的一致。在相对变化率上耕地开发深度与耕地开发强度高度的同步同频说明耕地开发深度是耕地开发强度时空变化中的主要活跃机能，是耕地开发强度的“血液”，控制耕地开发强度的时空流动性。耕地开发深度主要考量的是在耕地开发过程的行为，如集约利用耕地，提高土壤肥力，调整种植结构，加强农业技术投入等影响粮食产量，在耕地开发活动中耕地开发深度是在耕地面积有限的情况下能够对耕地开发强度调整产生最具时效性影响的结构因子。

4 结论与讨论

从湖南省耕地开发强度区域分析中，耕地开发强度主要呈现“中北高西南低”的分布特征，主要与地势坡度和水资源分布有关，开发强度高值区主要分布在坡度较缓且水资源丰富的地区。张家界市、怀化市、湘西自治州这三个市域在耕地开发广度、深度、频度以及强度衡量中都属于稳定的极低值区，在对于耕地开发的区域平衡之中处于相对薄弱的环节，有效地从广度、深度、频度各方面提高这三个市域的耕地开发强度，能够有力的缓解湖南省局部区域耕地过度开发的压力，达到进一步的区域高质量平衡发展。

在湖南省耕地开发强度时序变化分析中，以湖南省1999-2003年跨面为变化基期，可以得到在2004-2008年跨面和2009-2013年跨面湖南省耕地开发强度都有着显著的提升，而在2014-2017年，耕地开发强度有所减弱。国家惠农政策的影响下在2004-2013年人们从事耕地开发活动的积极性有所带动。在2014-2017年来湖南省工业经济的飞速发展使得耕地面源污染严重，耕地占优补劣，土壤退化严重，最终导致耕地开发强度进入萎缩期。

综合对于湖南省耕地开发强度及结构分析过程，耕地开发广度、深度、频度都在耕地开发强度中承担重要的角色，各自分工又互相协作，共同塑造了耕地开发强度的区域特征和时空变化特征。其中耕地开发广度是耕地开发强度的基石，在漫长的发展道路中耕地开发强度因为耕地开发广度而保持基本的区域特色，耕地开发广度是耕地开发强度的主导因子，保有一定的耕地开发面积在耕地保护中是基本保障。耕地开发频度为耕地开发强度搭建框架，它决定了耕地开发强度所能达到的限值，在耕地开发广度受限制的时候，耕地开发频度能够最大限度地发挥耕地开发的潜力。耕地开发深度掌控着耕地开发强度的时空流动性，耕地开发深度自身具备强大的灵活性，在耕地开发强度调节中具有强大的时效性。在调节区域耕地开发强度时，应该在总体上先考虑耕地的开发广度是否合适从而确保其对整体的奠基效果，在此基础上调节耕地开发频度使耕地资源得到充分的利用，发挥耕地的自然资源潜质，最后对耕地开发深度进行全方位探索满足耕地开发广度和耕地开发频度无法达到的耕地开发强度效果。为了实现区域耕地开发的可持续，在了解区域实际情况的基础上对于耕地开发广度、深度或频度作出针对性调控措施，能够优化耕地开发强度的区域平衡，对于耕地保护和粮食安全问题具有一定的借鉴意义。