王鳴雷，史文嬌

（1中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京 100101；2中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049）

0 引言

【研究意義】新增耕地資源的有效管控對保障糧食安全具有重要作用，其數量及空間格局的變化是耕地可持續(xù)利用研究的重點[1-4]。當前全球氣候變化和人類活動強度加劇，對耕地格局變化均產生了不可忽視的影響。明確氣候變化和人類活動對新增耕地資源的驅動作用，可以據此因地制宜地實施保障措施，對保護耕地資源和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用?！厩叭搜芯窟M展】當前全國或區(qū)域的耕地動態(tài)變化研究受到眾多研究學者的重視。劉紀遠等[5-7]基于遙感影像數據和土地利用動態(tài)度模型等，分析了20世紀80年代末以來中國土地利用變化特征和空間差異；周建等[8]利用加權重心模型等分析了2001—2011時段我國土地整治新增耕地的時空變化特征；DENG等[9]結合AEZ模型和土地追蹤等技術手段分析了我國耕地資源流轉問題；李秀彬[10]利用統(tǒng)計數據分析了20世紀80年代和90年代耕地變化的特征、趨勢和驅動因素，并提出了相關土地整治措施；楊建宇等[11]基于重心模型和區(qū)位基尼系數等方法分析了京津冀地區(qū)的耕地時空特征；陳紅等[12]利用遙感影像數據和GIS分析，討論了新疆耕地的時空變化特征。關于耕地開墾的驅動因素，已有研究主要分為兩大類：一類是基于社會和經濟的統(tǒng)計數據進行分析，如趙曉麗等[13]利用多期遙感影像數據計算動態(tài)轉移矩陣，分析了近30 a我國耕地資源時空特征及社會驅動因子；曹銀貴等[14]基于各類統(tǒng)計數據，結合相關性分析和對比性分析對21世紀初的耕地變化驅動因子進行了討論；蔡文春等[15]基于統(tǒng)計數據，結合主成分分析等，分析了人為因素對新疆耕地變化的影響；LAMBIN等[16]分析了耕地變化對社會-經濟要素的反饋作用。另一類是基于氣候因素的驅動分析，如SHI等[17-19]將耕地數據和氣象數據結合，分析了1970s以來我國北方耕地的氣候驅動因素等；NEWMAN等[20]分析了氣候變化通過區(qū)域水循環(huán)和環(huán)境，從而影響耕地生產力和時空格局變化；CHEN等[21]分析表明，氣溫增暖對中國北方耕地起到了一定的促進作用；DONG等[22]對氣候要素和耕地進行研究，發(fā)現20世紀80年代末以來氣候增暖使得內蒙古東部、遼西、吉林等地區(qū)冬小麥的種植區(qū)向北移動?！颈狙芯壳腥朦c】現有研究多從單一驅動因素入手，將社會經濟因素和氣候因素分開討論，缺乏新增耕地格局驅動因素的氣候和人為兩方面因素的系統(tǒng)分析。此外，缺乏新增耕地格局驅動要素的分區(qū)研究?！緮M解決的關鍵問題】我國北方生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，自然災害頻發(fā)，明確我國北方耕地時空特征以及驅動因素尤為重要。本文基于1990年以來中國北方多期新增耕地數據，從時空兩個角度分析了我國北方新增耕地的變化特征；通過將有效積溫和標準化降水蒸散指數兩個氣象指標與北方新增耕地數據進行疊加，分析我國北方10省耕地變化對氣候的響應機制；通過各省的統(tǒng)計年鑒等數據和政策實施，分析中國北方耕地開墾的人為驅動因素；通過綜合考慮影響耕地增加的氣候和人為驅動因素，以及作物種植的適宜條件等，將中國北方新增耕地進行分區(qū)，可以更好地體現耕地變化的區(qū)域特征和區(qū)域差異，研究可為耕地資源的有效利用、調控區(qū)域耕地的可持續(xù)利用和動態(tài)平衡，以及農業(yè)優(yōu)勢區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究所定義的中國北方包括1990年以來新增耕地較多的黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古、山西、陜西、寧夏、甘肅、青海和新疆等10個?。ɑ蜃灾螀^(qū)）（75°—135°05′E，31°42′—53°33′N），總面積達52 382×104hm2（圖1）。區(qū)域內干濕類型和氣候條件差異性明顯，從東向西跨越濕潤、半濕潤、半干旱和干旱4個干濕類型，氣候類型以溫帶季風氣候和溫帶大陸性氣候為主，在青海省以及新疆維吾爾自治區(qū)的西部邊緣伴有部分高原高山氣候。所涉及范圍內耕地、林地、草地和荒地交錯分布，包含了北方農牧交錯帶地區(qū)以及荒漠戈壁地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱[23]。其中，中國北方耕地總面積達4 754×104hm2，約占全國耕地總面積的39%，主要分布在中國東北的中部、黃土高原、新疆的中西部地區(qū)，其他地區(qū)零散分布。

圖1 2015年中國北方土地利用類型圖Fig.1 Types of land use in Northern China, 2015

1.2 數據來源

本研究采用的數據包括基礎地理信息數據、土地利用/土地覆被變化數據（LUCC）、氣象數據、數字高程數據（Digital Elevation Model，DEM）和社會統(tǒng)計數據等?；A地理信息數據來源于中國科學院資源環(huán)境數據中心（http://www.resdc.cn/Default.aspx）。土地利用/土地覆被變化數據來源于中國科學院資源環(huán)境數據中心，其中包含1980、1990、2000、2010、2015年5期數據。氣象數據包含氣溫、降水、風速（10 m）、相對濕度和氣壓等氣象要素，其中氣溫數據選用中國北方276個站點的均一化日均溫數據集，該數據系列消除了觀測時間變化、儀器變化和氣象站移動引起的偏差[24]。其余的氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（https://data.cma.cn/）276個站點的氣象數據日值。社會經濟數據包括中國北方10?。ɑ蜃灾螀^(qū)）1980年以來的人口、農業(yè)為主人口、有效灌溉面積、農業(yè)機械總動力和水利設施建設等數據，來源于《中國統(tǒng)計年鑒》和北方各?。ɑ蜃灾螀^(qū)）的地方統(tǒng)計年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 ≥10℃積溫（AAT10）

AAT10是大于或等于臨界溫度或最低生物學溫度（本研究選用10 ℃）的日均溫之和[17]，是指一年中日均溫≥10 ℃的連續(xù)時段內，每日平均氣溫累計得到的溫度總和。為消除日均溫隨機波動影響，選取5 d滑動平均法獲取日均溫≥10 ℃的連續(xù)時段，并通過Matlab軟件依據中國北方276個站點的日均溫數據計算1980s以來的AAT10指標值，計算公式如下。

式中，i代表每年中的第i天，n為該年的天數，Ti代表第i天的日均溫。據此計算中國北方每個站點每年AAT10指標值。

1.3.2 標準化降水蒸散指數（SPEI） SPEI，即標準化降水蒸散指數，以月尺度水分虧損（降雨量減去蒸散量）表示水分的盈余，從而反映地區(qū)的干旱狀態(tài)。本研究中潛在蒸散量采用聯合國糧食及農業(yè)組織（FAO）推薦的計算參考作物蒸散的Penman-Monteith（P-M）公式計算。P-M公式以能量平衡和水汽擴散理論為基礎，不僅考慮了氣溫因素，還考慮了氣壓、風速和相對濕度等氣候要素，無論是干旱區(qū)氣候區(qū)還是濕潤氣候區(qū)都與實測參考作物的蒸散較為符合[25]。SPEI的詳細計算過程可通過BEGUERíA等[26]獲取。SPEI為標準化變量，當SPEI值為0時，表示地區(qū)的干旱累計概率為50%，據此計算中國北方276個站點的年均SPEI指標值。

1.3.3 水熱指標空間插值 采用ANUSPLIN軟件對AAT10和SPEI的站點數據進行插值，得到研究區(qū)范圍內空間分辨率為1 km的水熱指標柵格數據集。

1.3.4 重心轉移模型 新增耕地重心的變化可以從空間上反映新增耕地的時空遷移過程，分析不同時間段新增耕地重心分布，可以精確把握耕地的空間變化趨勢。在計算過程中，選用新增耕地的面積作為權重，新增耕地圖斑的幾何中心作為其重心，通過圖斑的重心坐標結合權重因子，表示中國北方新增耕地的重心轉移情況，計算公式如下。

1.3.5 ArcGIS統(tǒng)計分析 為定量描述氣候要素（AAT10和SPEI）變化對新增耕地的驅動影響，利用ArcGIS10.2的疊加分析、柵格計算器和分區(qū)統(tǒng)計等工具進行分析，計算1980s—1990s，1990s—2000s和2000s—2010s 3個時段氣候要素的增減情況。

1.3.6 年變化率 年變化率從一定程度上反映了地區(qū)耕地相對于各省土地總面積擴張或縮減的變化速率快慢，計算公式如下。

式中，ν表示年變化率（%），i和j表示年份，cΔ(j-i)表示第j年相對于第i年增加的耕地面積，ai表示某省第i年份的耕地總面積。

1.3.7 基于驅動因素分區(qū) 為更好地體現新增耕地變化的區(qū)域特征和區(qū)域差異，明確耕地開墾的驅動因素，以中國北方新增耕地的空間分布格局為基礎，結合不同耕地轉換來源信息和驅動因素信息，對中國北方新增耕地進行基于驅動因素的動態(tài)區(qū)劃。具體分區(qū)原則為：①考慮全球溫度升高而導致的作物種植界限北移問題，依據《糧食作物與氣象》[27]和《中國農業(yè)氣象學》[28]，將不同熟制玉米所需最低積溫指標數據——2 100 ℃·d為分界線，將中國北方各階段積溫分布圖劃分，以此考慮由氣候因素主導引起的耕地開墾；②考慮東北地區(qū)較為頻繁的水田-旱地轉換類型，結合氣候和人為影響因素，判斷驅動類型；③考慮中國北方農牧交錯帶特殊的地理位置，以林草地轉換和荒地轉換為基礎，結合不同驅動因素，判斷主導影響方式；④考慮黃土高原地區(qū)作為“退耕還林”政策的主要實施地，綜合林草—耕地頻繁轉換的地區(qū)，判斷其驅動方式；⑤考慮新疆地區(qū)特殊的氣候類型以及特有的綠洲開墾，將其單獨劃分。最后，基于不同的地區(qū)、驅動因素以及主要轉換方式，按照“地區(qū)+驅動因素+轉換方式”的形式對不同分區(qū)進行命名。

2 結果

2.1 中國北方新增耕地時空格局變化特征

1980—2015年間，中國北方新增耕地重心整體呈現出由東北向西北方向移動，1980s—1990s、1990s—2000s和2000s—2010s 3個時間段新增耕地重心變化趨勢和移動方向存在顯著差異（圖2）。1980s—1990s時段，中國北方新增耕地重心整體偏向東北地區(qū)，而到1990s—2000s和2000s—2010s時段，西北地區(qū)的耕地比重逐漸增大，中國北方新增耕地重心轉向西北地區(qū)。前兩個時段，新增耕地重心由東北向西北移動距離為1881.19 km，后兩個時段，新增耕地重心向東南方向微移，移動距離為28.20 km。

圖2 1980s以來中國北方新增耕地重心變化圖Fig.2 Changes in the center of gravity of new cultivated land in Northern China since 1980s

1980s以來中國北方新增耕地總面積達1 034.59×104hm2，約占中國北方國土總面積的1.9%，主要集中在黑龍江省、內蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)，新增耕地總面積分別為246.72×104hm2、217.80×104hm2和373.99×104hm2。山西省和青海省新增耕地總面積相對較少，其增加面積分別為5.98×104hm2和5.18×104hm2（表1）。總體上看，新增耕地在1980s—1990s階段主要集中在東北的黑龍江、吉林和遼寧；而在1990s—2000s和2000s—2010s，新增耕地逐漸從東北轉向西北的新疆等地。

1980s—1990s時段，中國北方每年新增耕地面積611.07×104hm2，主要分布在東北、寧夏以及新疆北部。其中，黑龍江省新增耕地面積最高，占該時段新增耕地總面積的32.35%，年變化面積達19.77×104hm2，內蒙古次之，新增耕地年變化面積為16.25×104hm2，青海省新增耕地面積最少，占該時段新增面積的0.55%，新增耕地年變化面積為3 347 hm2。從年變化率來看，這一階段年變化率為1.68%，新疆、內蒙古以及寧夏的耕地增加速率較快，年變化率均超過了3%，黑龍江的年耕地開墾速率也達到2.23%；山西和陜西的耕地開墾速率較慢，年變化率分別為0.12%和0.2%。

表1 1980s以來中國北方新增耕地年變化面積（hm2）及年變化率（%）Table 1 The annual change area (hm2) and rate (%) of new cultivated land in north China since the 1980s

1990s—2000s時段，中國北方新增耕地總面積達280.74×104hm2，東北地區(qū)新增耕地面積略有減少，而新疆的新增耕地面積大幅增加，年變化面積達15.46×104hm2；山西的新增耕地年變化面積最少，僅有1 055 hm2。從變化速率看，新疆地區(qū)耕地開墾速率仍然處于較高水平，其年變化率達到4.52%；其他省份在此階段耕地開墾速率并未有大的提升，山西和陜西的年變化率仍然較低，僅為0.02%和0.1%，遼寧的年開墾速率也降到了0.1%。

2000s—2010s時段，耕地面積變化較小，僅增加142.79×104hm2，而年變化面積和上一階段保持較小的差距，甚至略有增加，達到28.56×104hm2。分省來看，新疆耕地的增加面積仍然最大，年變化面積達到21.08×104hm2，較上一階段增加量超過5×104hm2。青海省的新增耕地變化最小，年變化面積僅為271 hm2。從年變化率來看，這一階段總年變化率同上一階段相比，變化不大，為0.64%。其中，新疆地區(qū)耕地年變化率持續(xù)領先，為2.56%，黑龍江、吉林、遼寧、山西以及青海的年變化率均不足0.1%。

2.2 中國北方新增耕地轉入類型時空特征

1980s—1990s時段，超過75%的草地轉為耕地發(fā)生在黑龍江、內蒙古和新疆，而其他省份轉換比例不足1/4，該時段草地轉為耕地為新增耕地的主要來源（圖3-d）；林地轉為耕地為新增耕地的第二個主流向，其中東北三省和內蒙古林地轉為耕地的面積占新增耕地總面積的比例達93.75%（圖3-a）；荒地轉為耕地的面積達74.47×104hm2，占該時段新增耕地總面積的12.19%，為耕地轉入的第三個主流向，主要集中在黑龍江、吉林、內蒙古和新疆，四省的轉換比例達91.37%（圖3-j）；分區(qū)統(tǒng)計結果顯示，1980s—1990s時段，水域轉變?yōu)楦氐目偯娣e為14.26×104hm2，主要集中在黑龍江、吉林和內蒙古（圖3-g）。

1990s—2000s時段，草地轉為耕地的面積達183.53×104hm2，仍然為新增耕地的主要來源，且較前一時段增加了5.99%，新疆的貢獻量最大，達109.65×104hm2，占該時段草地轉為耕地總面積的59.75%（圖3-e）；荒地轉為耕地變?yōu)楦剞D入的第二個主流向，有22.72%的荒地轉變?yōu)楦?，主要集中在黑龍江省、甘肅省和新疆維吾爾自治區(qū)（圖3-k）；耕地轉入的第三、四主流向分別為林地轉為耕地和水域轉為耕地，分別占該時段耕地總面積的9.24%和2.58%，林地轉換主要集中在黑龍江省、吉林省、內蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)，水域轉換集中在內蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)（圖3-b、3-h）。

2000s—2010s時段，草地轉為耕地仍為耕地轉入的第一主流向，所占比例達69.19%，主要集中在新疆維吾爾自治區(qū)（圖3-f）；其次是荒地轉為耕地，所占比例為23.66%，集中在黑龍江省、甘肅省和新疆維吾爾自治區(qū)（圖3-l）；林地轉為耕地為第三主流向，有8.68×104hm2的林地轉換為耕地，黑龍江省和新疆維吾爾自治區(qū)的轉換面積就超過了60%（圖3-c）；內蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)是水域轉變?yōu)楦氐闹饕植嫉貐^(qū)，所占比例分別達到25.12%和24.69%（圖3-i）。

2.3 中國北方新增耕地氣候驅動因素分析

1980s—1990s時段，中國北方大部分新增耕地來源于AAT10增加幅度為100—150 ℃·d的區(qū)域（圖4-b），主要集中在東北三省、內蒙古自治區(qū)北部、寧夏回族自治區(qū)以及新疆維吾爾自治區(qū)北部少部分地區(qū)（圖4-a）；其次是AAT10增加幅度為50—100 ℃·d的區(qū)域，這些區(qū)域主要位于內蒙古自治區(qū)中部和新疆維吾爾自治區(qū)中部的少部分地區(qū)，僅有不到1%的新增耕地來源于AAT10增加幅度超過200 ℃·d的區(qū)域，分布在陜西省和青海省的少部分地區(qū)。該時段內，氣候的增加對我國東北三省、內蒙古北部和黃土高原地區(qū)起到一定的促進作用，尤其是東北地區(qū)，積溫需求為2 100 ℃·d以上的早熟玉米界限向北移動，移動的最大距離為66 km左右，最遠超過50°N。1990s—2000s時段，新增耕地以分布在100—150 ℃·d和150—200℃·d區(qū)間為主，所占比例均超過1/3（圖4-e），主要分布在黑龍江省、吉林省和黃土高原地區(qū)（圖4-d）。其次，AAT10增加200℃·d以上的比例也較上時段有所增加，達到21%，分布在內蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)的少部分區(qū)域。該時段氣候仍然是黑龍江、吉林和黃土高原部分地區(qū)耕地增加的驅動因素，在東北地區(qū)，2 100 ℃·d積溫帶向北移動最大距離超過36 km，達到50°30′N，相較于1980s，最大北移距離接近100 km。2000s—2010s時段，新增耕地面積減少，新增耕地主要分布在新疆維吾爾自治區(qū)，在東北地區(qū)、甘肅省和寧夏回族自治區(qū)也有少量增加。該時段中國北方AAT10增加幅度總體較低，超過3/4的區(qū)域AAT10增加在50 ℃·d以下（圖4-h），AAT10增加幅度超過50 ℃·d的地區(qū)主要分布在陜甘寧地區(qū)（圖4-g），在東北地區(qū)，2 100 ℃·d的積溫帶進一步北移，北移距離超過20 km，較1980s北移距離超過100 km，最遠到達鄂倫春自治旗。

圖3 中國北方新增耕地不同來源類型的時空變化Fig.3 Structural changes of different sources of newly cultivated land in Northern China

圖4 1980s以來耕地轉入區(qū)氣候要素空間分布及不同氣候區(qū)間新增耕地面積百分比Fig.4 The spatial distribution of the climatic factors in the areas into which the cultivated land was transferred and the percentages of new cultivated land area in different climatic zones have been increased in since 1980s

1980s—1990s時段，新增耕地大部分分布在SPEI減少的區(qū)域（圖4-a），且SPEI減少-0.5—0的區(qū)間內新增耕地面積最大，約占該時段新增耕地總面積的50%，在SPEI增加量大于1的范圍內沒有耕地的增加，SPEI增加0—0.5區(qū)間內，有少部分耕地增加，主要分布在內蒙古自治區(qū)中部和新疆維吾爾自治區(qū)中部（圖4-d）。該時段內，暖干氣候占主導，但其并未成為耕地開墾的限制因素。1990s—2000s時段，SPEI減少-0.5—0區(qū)間的新增耕地面積仍然最大，然而，相比上階段，新增耕地位于SPEI大于0的區(qū)域內的比重增加，大多數分布在吉林、遼寧以及黃土高原地區(qū)，而小于-0.5的比重有所減少。該時段較為暖濕的氣候逐漸成為東北和黃土高原地區(qū)耕地增加的主導因素。2000s—2010s時段，新增耕地位于SPEI大于0的區(qū)域所占比重同前兩個階段相比明顯擴大，所占比例接近30%，主要分布在東北地區(qū)、內蒙古自治區(qū)以及黃土高原地區(qū)（圖4-g），暖濕氣候為這些地區(qū)耕地開墾提供了有利的氣候條件。

2.4 中國北方新增耕地人為驅動因素分析

2.4.1 人口 人口是影響耕地數量變化的重要因素，同時也是引起耕地利用變化多個因素中最基本的因素[23]。人口的增加不僅需要更多的耕地資源來保障人們的糧食安全，也需要更多的土地來發(fā)展生產和完善生活設施和生產建設，這使得糧食的供求之間矛盾逐漸突出。1980s以來中國北方總人口和農業(yè)為主人口變化情況如圖5。

圖5 1980s以來中國北方各省總人口和農業(yè)為主人口變化趨勢圖Fig.5 Trends of total population and agriculture population in Northern China since the 1980s

1980s—1990s時段，中國北方總人口增加2 233.71萬，農業(yè)為主的人口增加747.4萬。其中，黑龍江、遼寧、內蒙古、山西、陜西、甘肅和新疆等省份總人口增加量均超過了200萬，然而農業(yè)人口數量增加較多的僅有黑龍江和新疆，其農業(yè)為主人口分別增加了344.6萬和118.7萬。該時段內，黑龍江和新疆的農業(yè)為主人口成為當地耕地增加的必要基礎。1990s—2000s時段，中國北方人口持續(xù)增加，而農業(yè)為主人口卻呈現下降趨勢，共減少了173.5萬。其中僅有新疆、甘肅、內蒙古和遼寧的農業(yè)為主人口有一定的增加，新疆的農業(yè)為主人口增加最多，為該時段新疆耕地增加的因素之一。2000s—2010s時段，中國北方人口增加359.91萬，農業(yè)為主人口僅增加28.16萬，除新疆、甘肅和內蒙古外，其余各省農業(yè)為主人口均減少，該時段新疆耕地增加比例接近該時段總面積的3/4，新疆農業(yè)為主人口仍是新疆耕地增加的一個主要驅動因素。整體來看，1980s—2010s年間，東北三省的總人口在2010年之前呈增加趨勢，然而在2010年之后，總人口有一定的下降。其他省份人口一直保持增加態(tài)勢。從農業(yè)為主人口來看，新疆、黑龍江地區(qū)農業(yè)為主人口增加明顯，在一定程度上刺激兩省份的耕地增加。

2.4.2 技術進步 改革開放以來，隨著農業(yè)生產條件的不斷改善和農業(yè)科研投入的增加，各項農業(yè)技術不斷發(fā)展，我國農業(yè)生產方式逐步從傳統(tǒng)農業(yè)生產向現代農業(yè)生產轉變，農業(yè)生產機械總動力呈現飛躍式的增加。此外，各省份積極推動水利工程設施的建設，如興建和擴大水庫。在2000年以后，大力推廣膜下滴灌技術發(fā)展農業(yè)節(jié)水技術，保障了水資源的有效灌溉（圖6）。

圖6 1980s以來中國北方各時段有效灌溉面積、農業(yè)機械總動力、水利設施建設以及耕地較1990年的增加比例Fig.6 The effective irrigation area, total power of agricultural machinery, construction of water conservancy facilities and cultivated land in each period in Northern China increased compared with that in 1990 since 1980s

1990—2000年，黑龍江、吉林、內蒙古、寧夏和新疆的耕地增加比例較大，該時段內，除新疆外，其余4省份有效灌溉面積和農業(yè)機械總動力的增加比例較大，對耕地增加起到一定的促進作用；在水利設施建設方面，僅在黑龍江增加了24%，在其他省份增加量不超過5%，甚至有一定的減少。因此，在該時段內，有效灌溉面積、農業(yè)機械總動力以及水利設施建設的增加對黑龍江有較大的促進作用。其中，吉林、內蒙古、寧夏受到有效灌溉面積和農業(yè)機械總動力的影響較大。2000—2010年，新疆耕地仍表現出增長趨勢，耕地開墾量較1990年增加86.2%，而其他省份的耕地增加速率減慢。該時段內，新疆地區(qū)新增耕地受到農業(yè)機械總動力的影響較大，而有效灌溉面積和水利設施的建設盡管有所增加，但并未成為新疆耕地增加的主要驅動因素；其他省份有效灌溉面積和農業(yè)機械總動力增加明顯，但是同樣未成為其耕地增加的主動力。2010—2015年，在上一階段新疆綠洲快速開墾階段的基礎上，新疆耕地增加速率略有下降，耕地增加比例占1990年的120%以上，占到2010年的25%以上；同其他省份相比，該時段內，有效灌溉面積和農業(yè)機械總動力的增加量均超過30%，一定程度上促進了新疆耕地增加；除新疆外，其他省份的耕地開墾速率仍然較低，甚至有所下降，技術進步并未成為其耕地增加的必要驅動因素。

2.4.3 政策調控 1980s—1990s時段，國家各級政府積極引導農業(yè)發(fā)展，在我國北方地區(qū)形成了以經濟福利為主的市場需求[30]。東北地區(qū)在政府的指導下，加強了農田水利設施的建設，成為我國的糧食主產區(qū)，并且隨著經濟的發(fā)展，在比較利益下，引進耐寒稻種，促使東北地區(qū)耕地面積急速擴張[5]；黃土高原地區(qū)、內蒙古以及新疆等地，經濟發(fā)展較為落后，為保證生存，積極進行耕地開墾以滿足自身生存發(fā)展需求。此外，新疆及其周邊地區(qū)開始了以提高單產為主的階段[27]，積極進行水利設施改造、棉糖基地建設等，從而帶動了新疆農業(yè)進一步發(fā)展。1990s—2000s時段，黨中央積極強調農業(yè)作用，并制定出臺了一些政策，如免收農業(yè)稅、提高糧食收購價格等補貼措施政策，進一步促進耕地的不斷擴張。新疆在此階段，積極進行水利建設以及發(fā)展節(jié)水灌溉，加強農業(yè)人口補助，利益驅使下，促進了農業(yè)人口的增長，從而耕地持續(xù)增長。2000s—2010s時段，黃土高原地區(qū)實施的“退耕還林還草”工程等，達到一定的飽和，工程實施強度較上一時段相對減弱，耕地數量在一定程度上有所增加；新疆地區(qū)仍然保持較快的耕地開墾速率，大力發(fā)展綠洲農業(yè)，其耕地開墾量遠遠超過其退耕還林還草的力度，耕地保持增長趨勢。

2.5 基于驅動因素的新增耕地分區(qū)

將中國北方劃分為七大區(qū)域，分別為東北北部氣候驅動林草-耕地轉換區(qū)、東北氣候+人為驅動林草-耕地轉換區(qū)、東北中部氣候+人為驅動水旱轉換區(qū)、北方氣候+人為驅動林草-耕地轉換區(qū)、黃土高原人為驅動生態(tài)恢復區(qū)、西北人為驅動荒地-耕地轉換區(qū)以及新疆人為驅動綠洲農業(yè)開墾區(qū)。分區(qū)結果如圖7所示。

圖7 中國北方不同階段耕地驅動因素分區(qū)圖Fig.7 Zoning of newly cultivated land in Northern China based on driving factors

東北北部氣候驅動林草-耕地轉換區(qū)：東北北部土地利用類型以林草地為主，在氣候變暖背景下，作物種植界線北移明顯，2011—2015年時段的早熟玉米生長所需最低積溫線（2 100 ℃·d）北移距離較1980—1990年超過100 km，林草地多轉變?yōu)楦亍?/p>

東北氣候+人為驅動林草-耕地轉換區(qū)：東北東部以及西部地區(qū)林草地同樣為主要的土地利用類型，溫暖氣候在一定程度上刺激了林草地的轉換；同時，東北地區(qū)總人口規(guī)模的增加帶動糧食需求增長，而農業(yè)人口的下降使得農業(yè)生產壓力增大，多重因素刺激了東北耕地的開墾。

東北中部氣候+人為驅動水旱轉換區(qū)：氣候條件的變化，使得作物生長條件轉好，潛在的被開墾區(qū)增加；水稻生長依賴于一定的熱量資源，積溫的增加促使水田范圍向北移動；此外，東北地區(qū)在比較利益下引進耐寒稻種，隨著農業(yè)技術進步以及水利設施建設等，種植結構改變，逐漸向水田發(fā)展。

北方氣候+人為驅動林草-耕地轉換區(qū)：受氣候的影響，北方農牧交錯帶地區(qū)積溫的增加為其耕地開墾提供了必要的熱量資源；同時，受到國家退耕還草工程等的實施，耕地的開墾速度較低。

黃土高原人為驅動生態(tài)恢復區(qū)：黃土高原地區(qū)受到農業(yè)技術進步的影響，農業(yè)機械力、有效灌溉面積以及水利設施的建設均保持增加態(tài)勢，驅動耕地的增加，然而，受到國家退耕還林工程、“三北”防護林工程等以恢復生態(tài)建設的政策影響，耕地開墾量并不大。

西北人為驅動荒地-耕地轉換區(qū)：在西北北部分布著大量的荒地，農業(yè)技術的進步使得不易開墾的荒漠戈壁上也出現部分耕地。

新疆人為驅動綠洲農業(yè)開墾區(qū)：新疆地區(qū)耕地資源的增加主要來源于綠洲農業(yè)開墾，隨著新疆人口的增長，受國家優(yōu)惠政策的影響，其農業(yè)人口也呈現一定的增長趨勢，為其耕地開墾提供了必要的勞動力資源。此外，農業(yè)技術的進步使得沙漠地區(qū)出現農田，經濟利益以及技術利益為新疆地區(qū)耕地開墾提供了基礎。

3 討論

本文基于多期土地利用數據、氣象數據以及社會統(tǒng)計數據，探討了中國北方新增耕地的時空分布格局特征，并從氣候和人為因素兩方面分析了耕地開墾的驅動力，從驅動因素角度將中國北方新增耕地分區(qū)。

從新增耕地的時空格局來看，1980s以來，中國北方新增耕地總量逐漸減少，而耕地開墾重心逐漸由東北向西北移動，這一觀點與劉紀遠等[5-7]對我國耕地研究結論相一致。新疆地區(qū)耕地開墾面積最大，其開墾年變化速率也一直保持較高水平；黑龍江在21世紀之前保持較高的開墾面積，之后新增耕地面積逐漸減少。

新增耕地的來源結構也發(fā)生重大變化。中國北方新增耕地的轉入來源主要包括林地、草地、水域以及荒地，而草地轉為耕地一直為新增耕地的主要流向；2000年以前，林地轉為耕地為第二主流向，到2000年以后，這一格局被打破，新疆綠洲農業(yè)的發(fā)展以及西北戈壁荒漠的開墾，使得荒地的開墾速率加快，逐漸發(fā)展為耕地來源的第二主流向。

1980s以來，受氣候變化的影響，中國北方耕地開墾格局發(fā)生明顯變化。當前，暖干氣候并未成為耕地開墾的限制因素，新增耕地仍然大多數存在于暖干氣候為主的條件下，這一結論與SHI等[17-18]研究結論一致。然而，隨著氣候條件的改變，耕地開墾發(fā)生于SPEI增加地區(qū)的比例逐漸增加，較為濕潤的條件為耕地開墾提供了驅動條件。此外，積溫的增加也為耕地開墾提供了必要的熱量資源，促使其不斷增加。

人為因素對耕地開墾也起到一定的促進作用。隨著東北地區(qū)農業(yè)技術的進步以及政府政策的引導，不斷出現土地利用類型的轉換。此外，在比較利益驅動下，出現大面積的旱改水現象。黃土高原以及北方草原地區(qū)，受到國家退耕還林還草等政策的影響，盡管農業(yè)技術進步促進了一定的耕地開墾，但是開墾面積較小。新疆地區(qū)在國家農業(yè)優(yōu)惠政策的刺激下，農業(yè)人口不斷增加，為其耕地開墾提供了人力資源，同時隨著新疆節(jié)水灌溉水平的提升等，使得有效灌溉面積增大，比較利益和技術的進步共同促使新疆綠洲農業(yè)的發(fā)展。

除氣候因素和人為因素外，其他指標也能在一定程度上解釋耕地的增加。如從耕地后備資源來看，2014年國家開展的耕地后備資源調查評估報告中[31]顯示，全國的耕地后備資源總面積達535.27萬hm2，新疆、黑龍江、甘肅等地的耕地后備資源相對較多，集中連片的耕地后備資源也主要集中在新疆、黑龍江、吉林、甘肅等地，豐富的耕地后備資源為這些省份耕地的開墾提供了一定的基礎條件。此外，在張甘霖等[32]的研究中，結合氣候、地形、土壤的理化性質等對全國耕地后備資源自然質量的適宜性進行評價，其結果中，全國有5 660萬km2耕地后備資源具有不同適宜程度的自然質量，其中，內蒙古、新疆、吉林、甘肅等地的耕地自然質量適宜性面積較多；從自然質量適宜等級來看，黑龍江、吉林、遼寧的一級（最優(yōu)等級）耕地分布最多，內蒙古、黑龍江、新疆、寧夏、甘肅等北方各省有二級（次優(yōu)等級）耕地分布，適宜的耕地資源自然質量也促進了耕地的增加。地形坡度也是影響耕地開墾的限制因素。地面坡度達到25°以上時，水土流失更加嚴重，耕地開墾極為困難[33]；而平坦的地區(qū)更適合規(guī)模化經營以及機械化種植[34]，因此耕地開墾活動多發(fā)生在平坦地區(qū)。結合本研究區(qū)范圍內新增耕地對應的坡度分布，3個時期內耕地開墾多發(fā)生在坡度較低等級，其中25°以下新增耕地的比例均達到99%以上，平坦的地形條件為耕地開墾提供了條件。

綜合考慮影響耕地開墾的氣候和人為因素，以及作物種植的適宜條件等，將中國北方區(qū)域劃分為七大類型。東北北部的氣候條件影響著作物的種植界限，該地區(qū)的人們可適當在較北的地區(qū)種植作物。在東北糧食主產區(qū)和黃土高原等地區(qū)，可適當加大農業(yè)的扶持力度，改善其生產條件，積極推進高標準農田建設，依據不同的耕地資源開墾條件，實施因地制宜的差別化布局。在北方農牧交錯地帶，應充分考慮其特殊的生態(tài)脆弱性，結合相應的氣候條件，因地制宜調整耕地的開發(fā)布局等，提高耕地資源利用效率。新疆地區(qū)人口增長較快，綠洲農業(yè)的開墾面積也急速擴張，這種大規(guī)模的、高強度的耕地開墾模式在為人們帶來利益的同時，也帶來相應的問題，如土地承載力不斷減弱、土地利用結構和土地利用布局不斷紊亂等，因此，新疆地區(qū)應積極調整農田水利建設，提高耕地生產力水平，調整布局結構。

4 結論

從新增耕地的空間格局來看，1980s以來，中國北方新增耕地逐漸減少，重心逐漸由東北轉向西北，其來源結構也發(fā)生重大變化，荒地開墾速率逐漸加大，空間特征差異性明顯。

中國北方分布著豐富的耕地后備資源，暖干氣候并未成為耕地開墾的限制因素，大多數的耕地開墾仍然發(fā)生在暖干氣候區(qū)；但耕地開墾發(fā)生在變濕潤氣候區(qū)的比例逐漸增大，暖濕氣候逐漸成為耕地開墾的驅動條件。

從新增耕地變化驅動因素入手，結合作物種植條件等，將中國北方新增耕的驅動因素劃分為7個大區(qū)，包括東北北部氣候驅動林草-耕地轉換區(qū)、東北氣候+人為驅動林草-耕地轉換區(qū)、東北中部氣候+人為驅動水旱轉換區(qū)、北方氣候+人為驅動林草-耕地轉換區(qū)、黃土高原人為驅動生態(tài)恢復區(qū)、西北人為驅動荒地-耕地轉換區(qū)以及新疆人為驅動綠洲農業(yè)開墾區(qū)。