胡青柏，马田田 ，王晓丽，师荣光
（1.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384；
2.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191）
粮食安全对一个国家的经济发展、 人民生活至关重要[1]，长期以来，粮食的产量、供需、流通等备受国内外社会关注， 粮食安全在国家安全中占有重要的地位[2]，2021 年中央“一号文件”《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》明确提出全面落实粮食安全党政同责，粮食产量是粮食安全组成的重要部分[3],保证粮食产量是重大的战略性问题。
近年来粮食产量问题吸引着大量国内外研究学者。Gebbers 等[4]从气候和耕地两方面入手探究其对粮食产量的影响。
闫宇航等[5]基于SFA模型按照县域尺度来探究河南粮食产量的时空变化并探讨投入要素与产量之间的联系， 得出提高农业机械总动力更能确保粮食产量的结论。
高军波等[6]采用重心计算模型以及空间自相关技术对淮河流域粮食产量的时空演变及影响机制进行探究， 提出引导农作物布局优化，更能有效的保障粮食安全，为粮食安全相关政策提供理论参考。粮食土中生，有地才有粮，随着经济的发展，城市快速扩张导致耕地面积向建设用地转移，曾经的粮田变成了高楼大厦。而当今对大型城市粮食产量时空变化的研究相对较少，武汉市作为我国的副省级经济强市， 探究其粮食产量的时空变化， 识别影响粮食减产或增收的关键因子，对增进区域耕地保护和粮食安全管理意义重大。本文通过分析武汉市近40 年土地利用类型的转变以及模拟粮食产量的时空变化， 探究其演变动态及特征，为粮食安全相关政策提供参考。
武汉市地处湖北省东部， 地理坐标为113°41"E～115°05"E，29°58"N～31°22"N， 总面积为 8 569 km2，其中长江与汉江在武汉城中交会相通，江河纵横，湖库密布，全市水域面积2 117 km2，占总面积的24.7%，被称作“百湖之市”[7]。
其地貌主要以平原、岩溶小丘和低山为主， 平原和岩溶共计占据全市土地的81.9%，低山主要位于武汉市北部地区。地势呈现东部北部高、西部南部低的趋势。武汉市处于北亚热带季风性气候带，粮食作物主要为稻谷，全年降水充沛，平均年降水量1928.3mm，冬冷夏热，四季分明[8]。研究区域图见图1。
图1 研究区域图
2.1 土地转移矩阵
土地转移矩阵是当今最能直观的展现地类之间相互转换的一种方法[9]。
研究以武汉市1980、1990、2000、2010、2020 年五个时间点土地利用数据为基础展开对武汉市耕地演变分析和粮食产量模拟。
该土地利用数据源于北京师范大学， 由30 m × 30 m的Landsat 遥感影像目视解译而来。
数据共分为18个二级分类，本研究依据《土地利用现状分类》[10]GB/T 21010—2017 将其分为7 个一级大类进行分析，分别为：耕地、林地、草地、河渠、湿地、建设用地和养殖用地。
利用ArcGIS10.7 软件进行空间叠加分析，绘制五个时期的土地转移矩阵， 利用转移矩阵分析武汉市近40 年间耕地的时空变化。土地转移矩阵公式如下[11]，
式中：T 表示土地利用面积，m 和n 分别表示转移前和转移后的土地利用类型数量，i 和 j（i，j=1，2）分别表示转移前和转移后的土地利用类型，Tij表示转移前的i 类土地利用类型向转移后的j 型土地利用类型所转化的面积[12]。
2.2 InVEST 模型
2.2.1 模型原理
InVEST 模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）[13]是由斯坦福大学、大自然保护协会和世界自然基金会合作开发的生态系统服务功能评估模型[14]。该模型可模拟研究区的粮食产量、生境质量、产水量、水质净化等多种功能，是当今研究生态系统服务功能领域学者青睐的一个模型[15]。本文使用InVEST 模型Crop production 模块对粮食产量进行模拟评估， 其原理如下：InVEST 作物生产百分位数模型根据基础 Monfreda 数据集、 土地利用/土地覆盖图和土地覆盖作物表可估算出全球175 种作物的产量。模型共计列出了第 25、50、75 和95 个百分位的产量供研究者参考使用。
2.2.2 数据来源
Monfreda 数据集是InVEST 模型粮食产量模块必不可少的数据集，其来源于InVEST 模型官网，将下载的数据集导入安装目录即可。
土地利用数据源于北京师范大学，对其进行裁剪、重分类、投影变换等方可使用。
土地作物覆盖表格为CSV 格式，需要将土地利用/土地覆盖整数代码（ lucode 列）映射到作物名称 （crop name 列）， 代码可查找模块自带的crop fertilization rates.csv。
3.1 土地利用类型变化
武汉市1980-2020 年土地转移矩阵表格见表1。其中，整体上看40 年来土地类型的变化主要发生在耕地与建设用地之间。
其中土地转移量最多的是耕地向建设用地转移，达到了1 048 km2，占总面积的12.2%。
而建设用地向耕地转移的面积仅为42.2 km2。
其次是耕地向渔业养殖用地转移， 达到了366.3 km2。
转移量最少的是林地向河渠转移，仅为0.9 km2。
表1 武汉市1980~2020 年土地转移矩阵表 （单位：km2）
1980 年土地利用类型主要以耕地为主，耕地面积占据总面积的59.43%，其次是林地和湿地分别占12%左右，建设用地、河渠、渔业养殖用地和草地比较少， 分别占据武汉市总面积的7.99%、4.77%、2.20%、1.75%。2020 年，由于经济发展、城市扩张，武汉市土地利用类型发生较大改变， 耕地面积迅速减少，占武汉市总面积的38.36%，相较1980 年减少了21.07%。
2020 年建设用地增长到21.64%、渔业养殖用地和草地分别为6.51%、3.75%，河渠、林地和湿地这40 年来变化不明显。
3.2 粮食产量变化
利用InVEST 模型的Crop production 模块对武汉市 1980、1990、2000、2010 和 2020 年粮食产量进行评估模拟。
根据模拟五个时期的粮食产量结果与武汉市统计年鉴进行比较，本文最终选取Crop Production 模拟出的第25 百分位结果。
如图2 所示，1980、1990、2000、2010、2020 年 粮 食 产 量 分 别 为8.97×105t、8.95×105t、5.93×105t、8.32×105t、7.53×105t，时间上呈现先减少、后增加的趋势。单位种植面积的粮食产量分别为：175.88 t/km2、185.26 t/km2、132.45 t/km2、222.40 t/km2、225.92 t/km2。
受南方洪涝灾害等自然灾害的影响，2000 年总产量与单位面积产量均处于最低值。虽然耕地面积持续减少，但随着科学种植与管理水平的提高， 单位面积粮食产量提高了50.04 t，提升率为22%，粮食供给逐渐恢复稳定。
图2 粮食产量与单位面积产量折线图
粮食产量的空间分布呈现一致性（图3），主要分布在汉南区、江夏区、黄陂区西部、新洲区东部、东西湖区西部、蔡甸区西部，空间变化主要发生在黄陂区西部和新洲区南部。
由于永久基本农田的划定，2010 年开始黄陂区西部（李家集镇和祁湾镇）、新洲区南部（辛冲镇）粮食产量面积大增。
江夏区和汉南区粮食产量分布相对减少。
图3 五个时期武汉市粮食产量空间分布图
过去40 年间， 武汉市快速城市化进程显著，较多耕地转化为建设用地， 耕地面积减少21.07%，与此同时粮食产量总体减少16.7%。受到1998 年长江流域特大洪水影响，武汉市水田淹没严重，短时间难以恢复，导致2000 年粮食产量急剧下滑。2006 年我国颁布取消农业税，鼓励农民种田种粮的政策，再加上科技进步、科学种植，虽然耕地面积减少较多，但产量恢复快，到2010 年粮食产量恢复到8.32×105t。
耕地是农业的基础。可以看出四十年来，一方面伴随过去几十年快速城市化建设， 武汉市耕地面积大量减少，近几年随着耕地红线等保护政策的出台，耕地被占用现象得以遏制， 耕地保护和粮食安全得到重视。
另一方面，虽然耕地面积持续减少，但武汉市单位面积粮食产量提升了22.22%。这主要得益于科学技术的不断发展、 杂交水稻技术的成熟和化肥农药等能够增产增收[16]，要继续充分利用现代技术对粮产扩增扩效的作用，科学指引、积极鼓励农民种粮，防治耕地“非粮化[17]”。
其次为确保粮食产量，对县区乡镇各级政府设定粮食产量目标， 采取考核制度，对达到目标者予以嘉奖。最后，各级农业部门、土地管理部门要加强监督、严格执法，严禁发生对永久基本农田进行挖掘、非法占用等行为，确保农田的种植面积。
猜你喜欢耕地面积武汉市时空2022年中国耕地面积逾19亿亩 连续第二年止减回增现代经济信息(2023年9期)2023-04-15武汉市勘察设计有限公司城市勘测(2022年2期)2022-05-09跨越时空的相遇四川党的建设(2022年8期)2022-04-28第三次全国国土调查主要数据发布耕地面积超过19亿亩中国化肥信息(2021年9期)2022-01-19武汉市中小学优秀自制教具评选活动成功举办中小学实验与装备(2021年3期)2021-06-28镜中的时空穿梭小学生学习指导(低年级)(2020年11期)2020-12-14武汉市勘察设计有限公司城市勘测(2019年3期)2019-07-09玩一次时空大“穿越”作文大王·低年级(2018年10期)2018-12-06时空之门小猕猴智力画刊(2016年5期)2016-05-14
