胡青柏，馬田田 ，王曉麗，師榮光

（1.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191）

糧食安全對(duì)一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、 人民生活至關(guān)重要[1]，長(zhǎng)期以來(lái)，糧食的產(chǎn)量、供需、流通等備受?chē)?guó)內(nèi)外社會(huì)關(guān)注， 糧食安全在國(guó)家安全中占有重要的地位[2]，2021 年中央“一號(hào)文件”《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見(jiàn)》明確提出全面落實(shí)糧食安全黨政同責(zé)，糧食產(chǎn)量是糧食安全組成的重要部分[3],保證糧食產(chǎn)量是重大的戰(zhàn)略性問(wèn)題。 近年來(lái)糧食產(chǎn)量問(wèn)題吸引著大量國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者。Gebbers 等[4]從氣候和耕地兩方面入手探究其對(duì)糧食產(chǎn)量的影響。 閆宇航等[5]基于SFA模型按照縣域尺度來(lái)探究河南糧食產(chǎn)量的時(shí)空變化并探討投入要素與產(chǎn)量之間的聯(lián)系， 得出提高農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力更能確保糧食產(chǎn)量的結(jié)論。 高軍波等[6]采用重心計(jì)算模型以及空間自相關(guān)技術(shù)對(duì)淮河流域糧食產(chǎn)量的時(shí)空演變及影響機(jī)制進(jìn)行探究， 提出引導(dǎo)農(nóng)作物布局優(yōu)化，更能有效的保障糧食安全，為糧食安全相關(guān)政策提供理論參考。糧食土中生，有地才有糧，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市快速擴(kuò)張導(dǎo)致耕地面積向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，曾經(jīng)的糧田變成了高樓大廈。而當(dāng)今對(duì)大型城市糧食產(chǎn)量時(shí)空變化的研究相對(duì)較少，武漢市作為我國(guó)的副省級(jí)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)市， 探究其糧食產(chǎn)量的時(shí)空變化， 識(shí)別影響糧食減產(chǎn)或增收的關(guān)鍵因子，對(duì)增進(jìn)區(qū)域耕地保護(hù)和糧食安全管理意義重大。本文通過(guò)分析武漢市近40 年土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)變以及模擬糧食產(chǎn)量的時(shí)空變化， 探究其演變動(dòng)態(tài)及特征，為糧食安全相關(guān)政策提供參考。

1 研究區(qū)概況

武漢市地處湖北省東部， 地理坐標(biāo)為113°41'E～115°05'E，29°58'N～31°22'N， 總面積為 8 569 km2，其中長(zhǎng)江與漢江在武漢城中交會(huì)相通，江河縱橫，湖庫(kù)密布，全市水域面積2 117 km2，占總面積的24.7%，被稱(chēng)作“百湖之市”[7]。 其地貌主要以平原、巖溶小丘和低山為主， 平原和巖溶共計(jì)占據(jù)全市土地的81.9%，低山主要位于武漢市北部地區(qū)。地勢(shì)呈現(xiàn)東部北部高、西部南部低的趨勢(shì)。武漢市處于北亞熱帶季風(fēng)性氣候帶，糧食作物主要為稻谷，全年降水充沛，平均年降水量1928.3mm，冬冷夏熱，四季分明[8]。研究區(qū)域圖見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)域圖

2 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 土地轉(zhuǎn)移矩陣

土地轉(zhuǎn)移矩陣是當(dāng)今最能直觀的展現(xiàn)地類(lèi)之間相互轉(zhuǎn)換的一種方法[9]。 研究以武漢市1980、1990、2000、2010、2020 年五個(gè)時(shí)間點(diǎn)土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)展開(kāi)對(duì)武漢市耕地演變分析和糧食產(chǎn)量模擬。 該土地利用數(shù)據(jù)源于北京師范大學(xué)， 由30 m × 30 m的Landsat 遙感影像目視解譯而來(lái)。 數(shù)據(jù)共分為18個(gè)二級(jí)分類(lèi)，本研究依據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》[10]GB/T 21010—2017 將其分為7 個(gè)一級(jí)大類(lèi)進(jìn)行分析，分別為：耕地、林地、草地、河渠、濕地、建設(shè)用地和養(yǎng)殖用地。 利用ArcGIS10.7 軟件進(jìn)行空間疊加分析，繪制五個(gè)時(shí)期的土地轉(zhuǎn)移矩陣， 利用轉(zhuǎn)移矩陣分析武漢市近40 年間耕地的時(shí)空變化。土地轉(zhuǎn)移矩陣公式如下[11]，

式中：T 表示土地利用面積，m 和n 分別表示轉(zhuǎn)移前和轉(zhuǎn)移后的土地利用類(lèi)型數(shù)量，i 和 j（i，j=1，2）分別表示轉(zhuǎn)移前和轉(zhuǎn)移后的土地利用類(lèi)型，Tij表示轉(zhuǎn)移前的i 類(lèi)土地利用類(lèi)型向轉(zhuǎn)移后的j 型土地利用類(lèi)型所轉(zhuǎn)化的面積[12]。

2.2 InVEST 模型

2.2.1 模型原理

InVEST 模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）[13]是由斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)和世界自然基金會(huì)合作開(kāi)發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估模型[14]。該模型可模擬研究區(qū)的糧食產(chǎn)量、生境質(zhì)量、產(chǎn)水量、水質(zhì)凈化等多種功能，是當(dāng)今研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能領(lǐng)域?qū)W者青睞的一個(gè)模型[15]。本文使用InVEST 模型Crop production 模塊對(duì)糧食產(chǎn)量進(jìn)行模擬評(píng)估， 其原理如下：InVEST 作物生產(chǎn)百分位數(shù)模型根據(jù)基礎(chǔ) Monfreda 數(shù)據(jù)集、 土地利用/土地覆蓋圖和土地覆蓋作物表可估算出全球175 種作物的產(chǎn)量。模型共計(jì)列出了第 25、50、75 和95 個(gè)百分位的產(chǎn)量供研究者參考使用。

2.2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

Monfreda 數(shù)據(jù)集是InVEST 模型糧食產(chǎn)量模塊必不可少的數(shù)據(jù)集，其來(lái)源于InVEST 模型官網(wǎng)，將下載的數(shù)據(jù)集導(dǎo)入安裝目錄即可。 土地利用數(shù)據(jù)源于北京師范大學(xué)，對(duì)其進(jìn)行裁剪、重分類(lèi)、投影變換等方可使用。 土地作物覆蓋表格為CSV 格式，需要將土地利用/土地覆蓋整數(shù)代碼（ lucode 列）映射到作物名稱(chēng) （crop name 列）， 代碼可查找模塊自帶的crop fertilization rates.csv。

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用類(lèi)型變化

武漢市1980-2020 年土地轉(zhuǎn)移矩陣表格見(jiàn)表1。其中，整體上看40 年來(lái)土地類(lèi)型的變化主要發(fā)生在耕地與建設(shè)用地之間。 其中土地轉(zhuǎn)移量最多的是耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移，達(dá)到了1 048 km2，占總面積的12.2%。 而建設(shè)用地向耕地轉(zhuǎn)移的面積僅為42.2 km2。 其次是耕地向漁業(yè)養(yǎng)殖用地轉(zhuǎn)移， 達(dá)到了366.3 km2。 轉(zhuǎn)移量最少的是林地向河渠轉(zhuǎn)移，僅為0.9 km2。

表1 武漢市1980~2020 年土地轉(zhuǎn)移矩陣表 （單位：km2）

1980 年土地利用類(lèi)型主要以耕地為主，耕地面積占據(jù)總面積的59.43%，其次是林地和濕地分別占12%左右，建設(shè)用地、河渠、漁業(yè)養(yǎng)殖用地和草地比較少， 分別占據(jù)武漢市總面積的7.99%、4.77%、2.20%、1.75%。2020 年，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市擴(kuò)張，武漢市土地利用類(lèi)型發(fā)生較大改變， 耕地面積迅速減少，占武漢市總面積的38.36%，相較1980 年減少了21.07%。 2020 年建設(shè)用地增長(zhǎng)到21.64%、漁業(yè)養(yǎng)殖用地和草地分別為6.51%、3.75%，河渠、林地和濕地這40 年來(lái)變化不明顯。

3.2 糧食產(chǎn)量變化

利用InVEST 模型的Crop production 模塊對(duì)武漢市 1980、1990、2000、2010 和 2020 年糧食產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)估模擬。 根據(jù)模擬五個(gè)時(shí)期的糧食產(chǎn)量結(jié)果與武漢市統(tǒng)計(jì)年鑒進(jìn)行比較，本文最終選取Crop Production 模擬出的第25 百分位結(jié)果。 如圖2 所示，1980、1990、2000、2010、2020 年 糧 食 產(chǎn) 量 分 別 為8.97×105t、8.95×105t、5.93×105t、8.32×105t、7.53×105t，時(shí)間上呈現(xiàn)先減少、后增加的趨勢(shì)。單位種植面積的糧食產(chǎn)量分別為：175.88 t/km2、185.26 t/km2、132.45 t/km2、222.40 t/km2、225.92 t/km2。 受南方洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害的影響，2000 年總產(chǎn)量與單位面積產(chǎn)量均處于最低值。雖然耕地面積持續(xù)減少，但隨著科學(xué)種植與管理水平的提高， 單位面積糧食產(chǎn)量提高了50.04 t，提升率為22%，糧食供給逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

圖2 糧食產(chǎn)量與單位面積產(chǎn)量折線(xiàn)圖

糧食產(chǎn)量的空間分布呈現(xiàn)一致性（圖3），主要分布在漢南區(qū)、江夏區(qū)、黃陂區(qū)西部、新洲區(qū)東部、東西湖區(qū)西部、蔡甸區(qū)西部，空間變化主要發(fā)生在黃陂區(qū)西部和新洲區(qū)南部。 由于永久基本農(nóng)田的劃定，2010 年開(kāi)始黃陂區(qū)西部（李家集鎮(zhèn)和祁灣鎮(zhèn)）、新洲區(qū)南部（辛沖鎮(zhèn)）糧食產(chǎn)量面積大增。 江夏區(qū)和漢南區(qū)糧食產(chǎn)量分布相對(duì)減少。

圖3 五個(gè)時(shí)期武漢市糧食產(chǎn)量空間分布圖

4 討論與建議

過(guò)去40 年間， 武漢市快速城市化進(jìn)程顯著，較多耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地， 耕地面積減少21.07%，與此同時(shí)糧食產(chǎn)量總體減少16.7%。受到1998 年長(zhǎng)江流域特大洪水影響，武漢市水田淹沒(méi)嚴(yán)重，短時(shí)間難以恢復(fù)，導(dǎo)致2000 年糧食產(chǎn)量急劇下滑。2006 年我國(guó)頒布取消農(nóng)業(yè)稅，鼓勵(lì)農(nóng)民種田種糧的政策，再加上科技進(jìn)步、科學(xué)種植，雖然耕地面積減少較多，但產(chǎn)量恢復(fù)快，到2010 年糧食產(chǎn)量恢復(fù)到8.32×105t。

耕地是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)?？梢钥闯鏊氖陙?lái)，一方面伴隨過(guò)去幾十年快速城市化建設(shè)， 武漢市耕地面積大量減少，近幾年隨著耕地紅線(xiàn)等保護(hù)政策的出臺(tái)，耕地被占用現(xiàn)象得以遏制， 耕地保護(hù)和糧食安全得到重視。 另一方面，雖然耕地面積持續(xù)減少，但武漢市單位面積糧食產(chǎn)量提升了22.22%。這主要得益于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展、 雜交水稻技術(shù)的成熟和化肥農(nóng)藥等能夠增產(chǎn)增收[16]，要繼續(xù)充分利用現(xiàn)代技術(shù)對(duì)糧產(chǎn)擴(kuò)增擴(kuò)效的作用，科學(xué)指引、積極鼓勵(lì)農(nóng)民種糧，防治耕地“非糧化[17]”。 其次為確保糧食產(chǎn)量，對(duì)縣區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各級(jí)政府設(shè)定糧食產(chǎn)量目標(biāo)， 采取考核制度，對(duì)達(dá)到目標(biāo)者予以嘉獎(jiǎng)。最后，各級(jí)農(nóng)業(yè)部門(mén)、土地管理部門(mén)要加強(qiáng)監(jiān)督、嚴(yán)格執(zhí)法，嚴(yán)禁發(fā)生對(duì)永久基本農(nóng)田進(jìn)行挖掘、非法占用等行為，確保農(nóng)田的種植面積。