張闖娟, 何洪鳴

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2. 黃河水土保持天水治理監(jiān)督局(天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站)，甘肅 天水 741000；3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；4. 華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，上海 210062)

城市化的發(fā)展使得現(xiàn)有的耕地資源在不斷減少，而復(fù)種是在耕地資源總量不變的情況下通過增加一年內(nèi)作物播種面積，在時(shí)空尺度上有效利用現(xiàn)有耕地資源，從而提高作物產(chǎn)量的一種作物種植模式[1]，研究表明，全球范圍內(nèi)有37.55%的耕地面積可以實(shí)行復(fù)種[2]，復(fù)種是增加區(qū)域糧食產(chǎn)量最直接且有效的方式[3]。

實(shí)際復(fù)種指數(shù)是對真實(shí)耕地復(fù)種情況的觀測[4-5]，從研究方法看，其通常是以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的耕地復(fù)種指數(shù)計(jì)算和以遙感SPOT-NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的植物凈初級生產(chǎn)力監(jiān)測[6-7]?，F(xiàn)有的研究內(nèi)容主要集中于評估復(fù)種指數(shù)對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)大小、復(fù)種指數(shù)的時(shí)間變化特征和時(shí)空差異動(dòng)因分析及最大復(fù)種潛力的計(jì)算等方面的研究。如劉巽浩[8]研究發(fā)現(xiàn)，1952—1995年中國的實(shí)際復(fù)種指數(shù)由131%上升到158%[9]，且以復(fù)種為中心的多熟制耕地上所生產(chǎn)的糧食約占全國的75%[10]。隨后，一些研究者利用統(tǒng)計(jì)資料分析較長時(shí)間內(nèi)復(fù)種指數(shù)的變化特征，得出中國的耕地實(shí)際復(fù)種指數(shù)從北到南逐漸增加，中國各省級行政區(qū)的情況在空間上差異明顯[11]。而潛在復(fù)種指數(shù)是通過多熟種植模式充分利用水、土、光和熱等自然資源所能達(dá)到的最大復(fù)種指數(shù)，是對耕地潛在復(fù)種能力的預(yù)測[12-13]。Ray等[14]利用溫度閾值法估算了全球10 km空間尺度網(wǎng)格下的最大復(fù)種潛力。隨后，一些研究者根據(jù)地區(qū)的熱量和降水與相應(yīng)的復(fù)種指數(shù)的相關(guān)關(guān)系，建立了“熱量-降水”復(fù)種潛力經(jīng)驗(yàn)估算模型[9,15]，之后利用農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)模型和隨機(jī)前沿法，綜合考慮了溫度、降水、土壤、地形和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素[9,16]，估算了中國復(fù)種潛力最大值。

從研究區(qū)域和尺度來看，目前已有的研究主要集中在糧食主產(chǎn)區(qū)華北、華中和長江中下游地區(qū)，但是這些地區(qū)的復(fù)種指數(shù)一般比較高，然而，西南地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)面臨的現(xiàn)狀和問題是旱地復(fù)種指數(shù)普遍較低，地區(qū)間發(fā)展不協(xié)調(diào)，冬閑田大量存在。隨著耕地質(zhì)量和產(chǎn)能的逐步降低，加之氣候變暖造成該區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步退化，使高原山地水田多熟種植界限向北、向西推進(jìn)[17]。同時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)調(diào)發(fā)展高效經(jīng)濟(jì)作物，從而在一定程度上忽視糧食生產(chǎn)、壓縮雙季稻種植面積的傾向，致使近年來西南地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)有下降趨勢[18-19]，因此針對該區(qū)復(fù)種指數(shù)的時(shí)空變化研究已經(jīng)成為該區(qū)土地利用覆被研究的重要內(nèi)容，而以往針對西南地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)的時(shí)空變化特征研究并不多見，因此本文通過研究西南三省(四川省、貴州省、云南省)實(shí)際復(fù)種指數(shù)整體年際變化特征及空間格局變化，估算各區(qū)的增產(chǎn)潛力，評估各區(qū)域耕地實(shí)際復(fù)種指數(shù)可提升的不同潛力區(qū)域分布，探討對其影響的關(guān)鍵因子，為合理調(diào)控氣候變化下作物種植模式及制定該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展政策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西南3省包括四川、貴州和云南，海拔分布在500～2 000 m之間，區(qū)內(nèi)山川河流密布，降雨較多但各地分布不均，多年來生態(tài)嚴(yán)重退化，是中國典型的糧油產(chǎn)區(qū)，其生產(chǎn)的糧食作物水稻、經(jīng)濟(jì)作物油菜籽產(chǎn)量分別占全國總產(chǎn)量的15.8%和24.2%[20]。氣候從熱帶、亞熱帶至寒帶均有分布，形成垂直的立體景觀，水熱條件優(yōu)越，年降水量在1 000 mm以上，時(shí)空分布均衡，雨熱同季[18,21]，集南方的熱量和北方的光照為一體[22]，可實(shí)行一年兩到三熟，但西南地區(qū)受季風(fēng)氣候和地形(圖1)綜合因素的影響，農(nóng)作物種植主要集中在海拔較高的高山地區(qū)，抵抗自然災(zāi)害的能力較弱，產(chǎn)量不穩(wěn)定。70%的玉米種植在山區(qū)和高海拔地區(qū)，自然災(zāi)害多[23]，年際間差異較大。該區(qū)是中國為數(shù)不多的多熟制地區(qū)，分布有一年一熟、一年兩熟、一年三熟農(nóng)業(yè)資源獨(dú)厚，具有提高復(fù)種潛力和提高耕地利用率的優(yōu)越條件，在面臨復(fù)雜的“人-地”矛盾，即糧食需求大，生產(chǎn)力水平低、耕地資源有限的情況下，充分利用優(yōu)越的水熱條件，挖掘耕地復(fù)種潛力，成為緩解該地區(qū)人增地減矛盾和保障區(qū)域糧食安全的重要途徑[18,24]。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文耕地?cái)?shù)據(jù)主要來源于西南3個(gè)省(四川省、貴州省、云南省)的統(tǒng)計(jì)年鑒和國土資源部等部門土地調(diào)查修正后的數(shù)據(jù)，糧食作物產(chǎn)量、糧食作物播種面積、農(nóng)作物播種面積等糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)部歷年《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料》；2012年后的耕地面積數(shù)據(jù)為第二次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)及其變更調(diào)查數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)的地面氣候日值數(shù)據(jù)集；DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中心的地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。

農(nóng)業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)為1978年之后篩選完耕地面積與播種面積數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)后的有效年份數(shù)據(jù)，然后計(jì)算實(shí)際復(fù)種指數(shù)，其理論值在0%～300%之間[25]。針對西南三省各個(gè)氣象站點(diǎn)的日值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成年值數(shù)據(jù)，計(jì)算出各個(gè)站點(diǎn)每年的年降水量及≥0℃年活動(dòng)積溫，然后在ArcGIS軟件ArcView支持下對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行克里金插值處理，利用空間分辨率為1 km的圖像得到西南三省積溫和降水量柵格圖，將插值后生成的空間柵格數(shù)據(jù)通過Geospatial Modelling Environment工具在市、縣級行政單元邊界內(nèi)平均得到市、縣域單元每年的平均年降水量及≥0℃年活動(dòng)積溫[15, 25]。

1.3 計(jì)算方法

(1)實(shí)際復(fù)種指數(shù)(multiple cropping index，MCI)，是在原有的農(nóng)作物種植基礎(chǔ)上再增加作物的種植次數(shù)，充分利用閑田提高土地利用率的一種作法，其計(jì)算的方法為[26]：

(1)

式中，MCI為耕地實(shí)際復(fù)種指數(shù)(%)；AS為全年農(nóng)作物總播種面積(hm2)；AC為總耕地面積(hm2)。

(2)糧食作物復(fù)種指數(shù)(grain crop multiple cropping index，MCIG)，是在原有的糧食作物種植基礎(chǔ)上再增加該糧食作物的種植次數(shù)，充分利用閑田提高糧食作物土地利用率的一種作法，其計(jì)算方法為:

(2)

式中，MCIG為糧食作物實(shí)際復(fù)種指數(shù)(%)；ASG為全年糧食作物總播種面積(hm2)。

(3)經(jīng)濟(jì)作物復(fù)種指數(shù)(cash crop multiple cropping index，MCIC)，是在原有的經(jīng)濟(jì)作物種植基礎(chǔ)上再增加該經(jīng)濟(jì)作物的種植次數(shù)，充分利用閑田提高經(jīng)濟(jì)作物土地利用率的一種作法，其計(jì)算的方法為:

(3)

式中，MCIC為經(jīng)濟(jì)作物實(shí)際復(fù)種指數(shù)(%)；ASC為全年經(jīng)濟(jì)作物總播種面積(hm2)。

(4) 潛力復(fù)種指數(shù)(potential multiple cropping index，PMCI)。任何作物完成生長、發(fā)育整個(gè)生命過程都需要一定的水、熱條件，因此，水熱條件是影響復(fù)種指數(shù)高低的基本因素?，F(xiàn)實(shí)中的最大復(fù)種指數(shù)是充分利用光、熱、水資源的結(jié)果。但是四川盆地作為中國日照時(shí)數(shù)最低的地區(qū)，部分地區(qū)已在實(shí)行一年三熟耕作制，實(shí)踐證明日照并不是限制復(fù)種指數(shù)提高的氣象因子，因此本文參照 “熱量-降水”模型[15]計(jì)算耕地潛力復(fù)種指數(shù)，不考慮日照時(shí)數(shù)。利用式(4)和式(5)分別計(jì)算出積溫復(fù)種指數(shù)潛力和降水復(fù)種指數(shù)潛力，最后取每一個(gè)像元的降水復(fù)種指數(shù)潛力與積溫復(fù)種指數(shù)潛力二者中的最小值，通過式(6)計(jì)算潛力復(fù)種指數(shù)[25]。

(4)

(5)

PMCI=Min(MT，MR)

(6)

式中，PMCI代表潛力復(fù)種指數(shù)(%)，MT代表積溫復(fù)種指數(shù)潛力(%)，MR代表降水復(fù)種指數(shù)潛力(%)，T代表≥0℃的積溫(℃)，R代表多年平均降水量(mm)。

(5)耕地可提升復(fù)種指數(shù)(potential increment of multiple cropping index，PIMCI)是用于量化提升的復(fù)種潛力，其計(jì)算方法是用潛力復(fù)種指數(shù)與實(shí)際復(fù)種指數(shù)的差值[15]，計(jì)算公式為：

PIMCI=PMCI-MCI

(7)

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)種指數(shù)隨時(shí)間變化特征

如圖1所示為1990—2015年間西南3省不同類型作物復(fù)種指數(shù)變化情況。由圖1A可知，云南省的耕地復(fù)種指數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢，其中1998年復(fù)種指數(shù)達(dá)最大值178%，最小值出現(xiàn)在2010年為100.67%；貴州省耕地復(fù)種指數(shù)除2004—2006年和2012—2014年突然減少外，其他年份均呈緩慢增加趨勢，2010年達(dá)到最大，為277.55%；25年里，四川省的耕地復(fù)種指數(shù)呈先增后減的變化趨勢，耕地復(fù)種指數(shù)多年平均值為206.05%，2010年達(dá)到最大，2012年最小，主要是由于2011年后該省耕地面積減少導(dǎo)致。從圖1B可以看出，糧食作物復(fù)種指數(shù)與耕地復(fù)種指數(shù)變化大致相同，主要分2個(gè)階段：1990—1998年云南糧食作物復(fù)種指數(shù)緩慢上升，2000年糧食作物復(fù)種指數(shù)急劇下降，之后到2006年間糧食作物復(fù)種指數(shù)變化較為平穩(wěn)，表明該階段云南省糧食作物的播種次數(shù)較為穩(wěn)定。1990—2005年貴州糧食作物復(fù)種指數(shù)保持穩(wěn)定的增長趨勢，2005年達(dá)到最大值175.29%，2006年糧食作物復(fù)種指數(shù)有所降低。而四川省糧食作物復(fù)種指數(shù)在該時(shí)期增長緩慢，年平均增長率為0.65%。2006—2015年是三省糧食作物復(fù)種指數(shù)波動(dòng)變化最大的時(shí)期，該期糧食作物復(fù)種指數(shù)年際變動(dòng)率最大的為四川，其次為貴州，變動(dòng)最小的是云南省。由圖1C可知，經(jīng)濟(jì)作物近年來一直保持穩(wěn)步增長的態(tài)勢，云南省1994—1995年經(jīng)濟(jì)作物復(fù)種指數(shù)下降了5.63%，但整體上經(jīng)濟(jì)作物復(fù)種指數(shù)呈雙峰穩(wěn)定增長型，最大值出現(xiàn)在2012年，其值為48.39%，貴州省經(jīng)濟(jì)作物復(fù)種指數(shù)呈波動(dòng)增長型，年均增長3.00%，四川省經(jīng)濟(jì)作物復(fù)種指數(shù)呈單峰增長型，年均增長1.88%。三省區(qū)經(jīng)濟(jì)作物復(fù)種指數(shù)的增長說明了農(nóng)民種植經(jīng)濟(jì)類作物的積極性更高。

圖1 西南三省實(shí)際耕地復(fù)種指數(shù)和不同作物類型復(fù)種指數(shù)年際變化Fig.1 Interannual variation of the MCI and the MCI for different crop types in three provinces of Southwest China

2.2 復(fù)種指數(shù)空間分布特征

2.2.1 實(shí)際耕地復(fù)種指數(shù)(MCI)的空間格局變化分析 圖2為不同階段西南三省各市級行政區(qū)實(shí)際耕地復(fù)種指數(shù)空間分布情況，從圖2可以看出，東部地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)明顯高于西部地區(qū)，而中部地區(qū)高于北部和南部地區(qū)，總體上呈東高西低的空間格局。從1990年到2015年間，貴州省耕地復(fù)種指數(shù)近幾十年來增長最為顯著，其中以貴陽、畢節(jié)、黔南州和黔東南地區(qū)變化最為明顯，25 a來耕地復(fù)種指數(shù)增加41.19%～80.96%，其余各市級行政區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)分別增加12.95%～40.56%。1990—1995年到2000—2005年，貴州省的耕地復(fù)種指數(shù)增加明顯，以遵義和銅仁兩市耕地復(fù)種指數(shù)值最大，分別為11.89%和12.07%，而增加最為明顯的為黔南州，耕地復(fù)種指數(shù)上升約13.84%；2010—2015年，銅仁市耕地復(fù)種指數(shù)相對于2000—2005年有所下降，降幅為17.88%，而畢節(jié)、貴陽、黔東南和黔南州均在2010—2015年耕地復(fù)種指數(shù)達(dá)最大，表明近年來該區(qū)對耕地的集約化利用程度也越來越高。

相對于貴州，四川省耕地復(fù)種指數(shù)最大區(qū)域主要分布在四川東部地區(qū)，如巴中、達(dá)州、南充、廣安一帶，由于海拔較高，氣候條件惡劣，西部和北部的甘孜和阿壩州作物生長周期較長而導(dǎo)致該區(qū)復(fù)種指數(shù)相對較低，且多年來均無明顯變化。從時(shí)間序列來看， 1990—1995年、2000—2005年、2010—2015年3個(gè)時(shí)期四川省耕地復(fù)種指數(shù)大小依次為188.34%、212.32%和221.39%。從圖2可以看出，在進(jìn)入21世紀(jì)后，與貴州省耕地復(fù)種指數(shù)變化相似，四川省各地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)明顯增大。相對于1990—1995年，2000—2005年除甘孜藏族自治州外，其余各市耕地復(fù)種指數(shù)均有所增長，平均增加7.99%，其中以廣元、巴中和南充增長最為明顯，增加15.42%～21.39%。而在2000—2015年，四川省大部分地區(qū)復(fù)種指數(shù)均有所下降，整體上降低的區(qū)域主要分布在成都及周邊地區(qū)，以達(dá)州、攀枝花和雅安下降最為明顯，降幅為11.09%～64.34%。

與東部和北部的貴州和四川不同，南部的云南省25年來耕地復(fù)種指數(shù)變化相對較小(圖2)。但耕地復(fù)種水平低于貴州省和四川省，1990—1995年、2000—2005年、2010—2015年3個(gè)時(shí)期耕地復(fù)種指數(shù)分別為155.89%、174.67%和163.72%，同樣，四川省的復(fù)種指數(shù)在2000—2005年達(dá)最大值，2010—2015年復(fù)種指數(shù)有所降低，其中以楚雄和臨滄減少最為明顯，分別減少37.15%和35.65%，其中各個(gè)市耕地復(fù)種指數(shù)變化最大的為云南省東南部的紅河州，由1990—1995年的147.94%上升至2010—2015年的287.25%，增加1.94倍，表明該區(qū)耕地的利用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他市級行政區(qū)。從1990—1995年及2010—2015年總的來看，云南省內(nèi)部各州市復(fù)種指數(shù)總體上為增大的趨勢，但土地集約化利用程度相對較低，云南中部地區(qū)復(fù)種指數(shù)較高，以西雙版納州、普洱市為代表的南部地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)最低，主要是由于該區(qū)域耕地棄耕撂荒現(xiàn)象較為嚴(yán)重[27]。

圖2 實(shí)際耕地復(fù)種指數(shù)分布特征Fig.2 Distribution characteristics of the MCI

2.2.2 潛力復(fù)種指數(shù)(PMCI)的空間格局變化分析 耕地和氣候資源是決定一個(gè)區(qū)域作物復(fù)種的基礎(chǔ)條件，西南三省主要以山地丘陵為主，從熱帶、亞熱帶至寒帶均有分布，水熱資源形成垂直的立體景觀，因此氣候資源是制約該區(qū)域耕地復(fù)種潛力提升的主要制約因素，同時(shí)也取決于土地質(zhì)量和種植的農(nóng)作物類型。氣候變化對耕地復(fù)種潛力的影響是通過改變作物生長過程中光、熱和水的匹配[28]來實(shí)現(xiàn)。以1990—1995年和近幾年西南地區(qū)溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過“熱量-降水”模型計(jì)算出1990—1995年和2010—2015年兩個(gè)時(shí)期耕地復(fù)種潛力并進(jìn)行對比分析。西南3省耕地平均潛力復(fù)種指數(shù)時(shí)空格局變化情況如圖3所示，1990—1995年和2010—2015年這兩個(gè)時(shí)期西南地區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)均為東部和南部地區(qū)顯著高于中部和西北部地區(qū)，整體上西南地區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)空間差異較明顯而時(shí)間差異不顯著。各省情況如下：(1)1990—1995年四川省甘孜和阿壩州潛力復(fù)種指數(shù)較低，而四川東部地區(qū)如巴中、達(dá)州、廣安3個(gè)市級行政區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)均較大，潛力值分別高達(dá)288.58%、290.00%和286.25%，遠(yuǎn)高于西部地區(qū)，其余中部各市區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)則在200.00%～277.47%之間波動(dòng)；隨著氣溫的持續(xù)變暖，1990—1995年及2010—2015年近25 a間，西部地區(qū)的甘孜、阿壩州和雅安潛力復(fù)種指數(shù)均無明顯變化，而東部的巴中地區(qū)平均潛力復(fù)種指數(shù)呈下降趨勢，潛力值降低11.06%，其余四川各地區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)均為上升趨勢，分別上升1.05%～12.65%。(2)1990—1995年云南省各地區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)均較大，其中以西部的德宏、臨滄和普洱3市潛力復(fù)種指數(shù)最大，均高達(dá)300%，可見該地區(qū)對光、熱、水資源充分利用的空間很大，相反迪慶市的潛力復(fù)種指數(shù)最低，是全省唯一的一熟制地區(qū)[27]，其次昭通為211.25%，而其他地區(qū)則介于238.83%～288.63%之間；在2010—2015年間，除德宏、臨滄、普洱依然保持較高潛力復(fù)種指數(shù)外，保山、西雙版納兩市潛力復(fù)種指數(shù)也達(dá)最大值300%。云南東部地區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)表現(xiàn)為下降趨勢，其中紅河州下降最為明顯，與1990—1995年相比降低30.76%。(3)在1990—2015年近25 a年間，西南東部地區(qū)的貴州省除黔南州和遵義潛力復(fù)種指數(shù)變化較大外，其余各市變化不顯著。兩個(gè)時(shí)期均以黔東南潛力復(fù)種指數(shù)最大。

圖3 耕地潛力復(fù)種指數(shù)分布特征Fig.3 Distribution characteristics of PMCI

2.2.3 耕地復(fù)種可提升潛力時(shí)空變化特征 圖4為1990—1995年和2010—2015年西南地區(qū)耕地復(fù)種可提升潛力變化情況。如圖4所示，西南3省中云南省耕地復(fù)種可提升潛力值明顯高于貴州和四川兩省，各省潛力變化如下：(1)由圖4A可知，1990—1995年四川省的阿壩州和雅安兩地為無提升潛力地區(qū)，而甘孜、德陽、成都、眉山和樂山地區(qū)為低提升潛力區(qū)，可提升潛力值介于0～25%。同潛力復(fù)種指數(shù)相同，可提升潛力復(fù)種指數(shù)同樣以四川東部的廣元、巴中、達(dá)州和廣安等地區(qū)較大，其中廣元市可提升復(fù)種潛力最大，為70.4%，表明廣元市的耕地在未來有更大的利用空間。從圖4B可知，與1990—1995年相比，在2010—2015年阿壩州由無提升潛力區(qū)變?yōu)榈吞嵘凉摿^(qū)，但可提升潛力值僅為0.77%。巴中市由高提升潛力區(qū)驟降為無潛力區(qū)，達(dá)州、廣安、內(nèi)江和資陽可提升潛力值均呈下降趨勢。(2)1990—1995年，云南省中除迪慶和曲靖市僅為中潛力區(qū)外，其余地區(qū)耕地復(fù)種可提升潛力均為高潛力區(qū)，其中以普洱市可提升潛力復(fù)種指數(shù)最大，為173.45% 。而在2010—2015年間，曲靖市降為低潛力區(qū)，紅河市則由10 a前的高潛力變?yōu)闊o潛力區(qū)，其余各市無明顯變化，同樣以普洱市較大。(3)1990—1995年貴州省的黔東南和黔西南為高提升潛力區(qū)，畢節(jié)市為無提升潛力區(qū)，其余各市為中低提升潛力區(qū)。相比于1990—1995年，2010—2015年除畢節(jié)市、安順和黔西南三市可提升潛力無明顯變化外，其余各市可提升潛力均變?yōu)榈吞嵘凉摿^(qū)和無提升潛力區(qū)。

注：無潛力區(qū)代表可提升潛力值≤0%，低潛力區(qū)代表可提升潛力值為0%～25%，中潛力區(qū)代表可提升潛力值為25%～50%，高潛力區(qū)代表可提升潛力值為≥50%。Note: The potential value of the non-potential area is less than 0%, the potential value of the low-potential area is between 0 and 25%, the potential value of the mid-potential area is 25%～50%, and the potential value of the high-potential area is greater than 50%.圖4 西南三省耕地可提升復(fù)種指數(shù)變化特征Fig.4 The characteristics of the PIMCI in three Southwestern provinces

3 西南地區(qū)復(fù)種指數(shù)的影響因素

3.1 氣候變化與人類活動(dòng)對耕地復(fù)種指數(shù)的影響

表1為1990—2015年西南3省區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)與氣候因子和人類活動(dòng)之間的關(guān)系。可知，該區(qū)年降雨量對耕地復(fù)種指數(shù)影響較小，年平均溫度和≥0℃積溫與耕地復(fù)種指數(shù)之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)[29]。資料表明，該區(qū)年平均溫度空間格局變化為東部和南部地區(qū)明顯高于中部和西北部地區(qū)，而實(shí)際耕地復(fù)種指數(shù)空間分布總體上也呈東高西低的空間格局，與溫度變化趨勢保持一致，25 a來氣候持續(xù)變暖，導(dǎo)致該區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)空間格局變化為東部和南部地區(qū)顯著高于中部和西北部地區(qū)，整體上潛力復(fù)種指數(shù)空間差異較明顯而時(shí)間差異不顯著。由于潛力復(fù)種指數(shù)格局主要受氣候資源的影響，迪慶州處于青藏高原的東南邊緣，是橫斷山脈的腹地[30]，屬溫帶和寒溫帶氣候，水資源豐富，雨季頻繁，降水復(fù)種指數(shù)潛力較高，但氣候寒冷，熱量不足，使得積溫復(fù)種指數(shù)潛力低，導(dǎo)致最終復(fù)種潛力最低，是云南省唯一一個(gè)一年一熟制作物種植地區(qū)，這與陶文星[27]研究的云南復(fù)種潛力特征結(jié)果一致，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是該地區(qū)海拔和緯度較高，水分和熱量條件較差，耕地復(fù)種潛力受到限制[31-32]。

表1 西南三省復(fù)種指數(shù)與各因子相關(guān)性

而針對人類活動(dòng)對復(fù)種指數(shù)的影響關(guān)系可知，人口數(shù)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值均與復(fù)種指數(shù)之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，即隨著人口數(shù)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的提高，復(fù)種指數(shù)呈增大趨勢。隨著人口數(shù)量的增大，城鎮(zhèn)化速度也會(huì)隨之增加，從而不可避免地需要占用現(xiàn)有的土地資源[33]，針對人多地少的矛盾，只有通過增大復(fù)種才是最有效的解決辦法，所以，人類活動(dòng)因子在一定程度上促進(jìn)了復(fù)種指數(shù)的變化[32]。在2006—2010年云南紅河州進(jìn)行種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，充分利用秋冬光熱條件，發(fā)展冬季農(nóng)業(yè)，在低海拔熱河谷區(qū)，北部的種植業(yè)壩區(qū)大力推廣再生稻，間作套種及復(fù)種，實(shí)現(xiàn)一年三熟[34-35]，是云南省東南部的紅河州及周邊區(qū)域?qū)嶋H復(fù)種指數(shù)變化最大的原因。

3.2 地形對復(fù)種指數(shù)的影響

就地形和土壤類型而言，四川東部地區(qū)主要為平原地形，土壤多為集中且成片分布的紫色土，該土壤養(yǎng)分高，具有優(yōu)良的生產(chǎn)性能，因此四川省最大耕地復(fù)種指數(shù)主要分布在四川東部地區(qū)，而西北部的高原地區(qū)地形起伏較大，土壤類型多為寒凍土和草氈土，造成西部和北部的復(fù)種指數(shù)相對較低，且多年來均無明顯提升。除了云南省中部地區(qū)地形起伏度小、土壤類型為紫色土、復(fù)種指數(shù)較高外，云南其他地區(qū)和貴州省大部分地區(qū)多以臺(tái)地丘陵為主，土壤類型多為紅、黃壤，農(nóng)作物主要分布在山間盆地和數(shù)千塊河谷平原，復(fù)種指數(shù)較低。

將圖2B與圖2C做對比，四川省復(fù)種指數(shù)整體上降低的區(qū)域主要分布在成都及周邊地區(qū)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，2000—2015年四川省坡耕地面積減少了3 263 km2。平緩坡耕地面積(坡度<10°)減少1 467 km2，尤其是在成都及其周邊地區(qū)，陡坡耕地面積(坡度>25°)減少302 km2，但占全區(qū)耕地面積的比重仍是最大[36]，地形變化是造成復(fù)種指數(shù)降低的主要原因。進(jìn)一步通過相關(guān)性分析可知(圖5)，西南三省地形起伏度與耕地復(fù)種指數(shù)之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，進(jìn)一步證明了地形起伏度(海拔)越高其耕地復(fù)種指數(shù)越低。

圖5 西南三省地形起伏度與復(fù)種指數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between relief amplitude and multiple species index in three Southwest provinces

4 結(jié) 論

為了全面評價(jià)西南地區(qū)耕地資源的集約化利用程度，本文從區(qū)域和省級層面上分析了1990—2015年間實(shí)際耕地復(fù)種指數(shù)的變化趨勢和格局演變，并基于復(fù)種指數(shù)和“熱量-降水”定量化關(guān)系模型分析了該地區(qū)復(fù)種指數(shù)的理論潛力，進(jìn)而研究復(fù)種可提升潛力空間格局變化，從氣候、地形變化和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)角度探討了耕地復(fù)種指數(shù)變化的原因。主要結(jié)論如下：

(1)三省耕地復(fù)種指數(shù)年際變化特征為：云南省的耕地復(fù)種指數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢；貴州耕地復(fù)種指數(shù)除2004—2006年和2012—2014年突然減少外，其余均呈緩慢增加趨勢；四川省的耕地復(fù)種指數(shù)為逐年增加趨勢。糧食作物復(fù)種指數(shù)變化大致分兩個(gè)階段，1990—2006年，云南糧食作物復(fù)種指數(shù)僅2000年為下降趨勢，其他均為緩慢上升，而貴州和四川兩省均為增長趨勢，其中四川增速相對較緩。2006—2015年是3省糧食作物復(fù)種指數(shù)波動(dòng)變化最大的時(shí)期，該期糧食作物復(fù)種指數(shù)年際變動(dòng)率四川>貴州>云南。經(jīng)濟(jì)作物復(fù)種指數(shù)近年來一直保持穩(wěn)步增長的態(tài)勢。

(2)從內(nèi)部分布情況看，1990—2015年間西南地區(qū)、東部地區(qū)實(shí)際耕地復(fù)種指數(shù)明顯高于西部地區(qū)，中部地區(qū)高于北部和南部地區(qū)，總體上呈東高西低的空間格局。1990—2015年西南地區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)均為東部和南部地區(qū)顯著高于中部和西北部地區(qū)，整體上西南地區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)空間差異較明顯而時(shí)間差異不顯著。四川東部地區(qū)潛力復(fù)種指數(shù)最大，遠(yuǎn)高于西部地區(qū)。云南各地區(qū)除了迪慶市外潛力復(fù)種指數(shù)均較大，其對光、熱、水資源充分利用的空間很大。云南省耕地復(fù)種可提升潛力值明顯高于貴州和四川兩省，以貴州省高提升潛力地區(qū)最少。云南省水熱資源豐富，但耕地利用情況較為低效，南部地區(qū)是復(fù)種指數(shù)可提升潛力空間最大的地區(qū)。

(3)耕地復(fù)種指數(shù)與氣象因子的關(guān)系中，主要受年均溫度和≥0℃積溫的影響較大，而與人類活動(dòng)的關(guān)系主要受到人口數(shù)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的影響較大。對于受地形的影響而言，丘陵地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)表現(xiàn)為下降，平原地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。氣候變化對西南地區(qū)復(fù)種指數(shù)有一定的貢獻(xiàn)，但溫度變化是耕地復(fù)種指數(shù)變化的關(guān)鍵因子。

本文采用統(tǒng)計(jì)方法可能受到人為因素干擾，在后續(xù)的研究中應(yīng)利用遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合，嘗試加入作物種類、農(nóng)業(yè)設(shè)施等因素，提高耕地復(fù)種指數(shù)可提升潛力的量化精確度，為各區(qū)域耕地資源有效利用和農(nóng)業(yè)優(yōu)化配置提供更科學(xué)的理論依據(jù)。