基于數字技術的浙江省耕地復種指數監測研究

徐璟 張育斌

(寧波財經學院，浙江 寧波 315175)

引言

人類的生存與發展都離不開土地這個重要的自然資源，土地資源中的精華——耕地，則是人類社會活動最基本物質基礎，是糧食生產的重要載體。耕地數量穩定，糧食生產才能有保障，守住耕地面積紅線、穩定糧食播種面積、加強耕地質量建設是新時期中央文件明確提出的要求。2019年，中央的一號文件提出了要堅持農業農村優先發展的總方針，文件要求“嚴守18億畝耕地紅線，全面落實永久基本農田特殊保護制度，確保永久基本農田保持在15.46億畝以上”[1]。2020年，中央一號文件則進一步強調，要穩定糧食播種面積、加強耕地質量建設[2]。2021年一號文件提出，嚴格控制耕地轉為林地、園地等其他類型農用地，強化土地流轉過程中的用途監管，確保耕地數量不減少、質量有提高[3]。

在人口快速增長、經濟快速發展的影響下，我國耕地數量、質量呈逐年下降[4]。隨著種植技術的發展，糧食的單產水平不斷提高，現已接近理論上限[5]。因此，在耕地數量有限、作物單產水平受限的情況下，提高耕地的復種指數被認為是最為行之有效的增加糧食產量的方法[6]。

復種指數值由全年作物播種面積除以耕地面積得出，通常用其表示耕地復種程度的高低，在農業生態系統模擬[7]、糧食估產[8]和耕地利用強度評價[9]等應用領域中起到了至關重要的作用。傳統的復種指數計算數據基于統計資料，時效性較差，未考慮統計單元內部空存在的異質性[10]。隨著數字技術和硬件的飛速發展，遙感技術、大數據、云計算、傳感器在復種指數監測中不斷應用。本文在前人研究的基礎上，調研浙江省統計年鑒中復種指數相關數據，提取土地利用遙感數據，計算并分析2010—2020年浙江省各市復種指數變化情況，提出對策建議。

1 研究現狀

1.1 耕地資源利用現狀

我國目前正處于工業化和城鎮化快速發展時期，在經濟高速發展的同時伴隨著一系列資源利用和環境問題，其中耕地的利用、開發、保護和管理方面的問題尤為凸顯。隨著城市大規模擴張，導致我國大部分地區耕地面積明顯下降，1996年第一次全國農業普查數據顯示，當時我國耕地面積為1.3億hm2，第二次農業普查時下降到了1.22億hm2左右，10a間銳減了667萬hm2以上，且耕地儲備缺乏，不少地區因生態保護需要，逐步實行生態退耕，糧食產量受到嚴重影響。

我國耕地利用效率不高，農戶承包零碎、集中化利用程度不高，道路建設、拋荒撂荒破壞耕地資源的完整性，為了短期經濟利益盲目擴大城市發展規模，造成耕地資源被破壞，土地資源的浪費現象比較嚴重。在提升經濟效益的過程中忽視了生態保護，耕地周圍生態環境惡化，降低了耕地生產力和農產品質量。

1.2 復種指數變化研究現狀

隨著我國經濟發展，工業化、城鎮化進程使得耕地面積大幅減少，且將成為長期的發展趨勢，耕地的集約化利用程度對提高糧食產量尤為重要。復種是耕地集約化利用的重要體現之一，復種程度高低對農業生產具有重要意義。不少文獻研究認為，提高復種指數有利于糧食增產，保障社會穩定。

1.2.1 耕地復種指數變化趨勢研究

郭柏林結合新中國成立以來各時期的歷史數據，根據我國各地區復種指數的變化，詳細分析了復種指數的特征、效益和潛力，認為自新中國成立以來，農業生產條件得到了不斷改善，耕作制度進行了有效改革，我國耕地復種指數有了較為明顯的提高。耕地復種指數的大幅度增加給我國農業生產和國民經濟帶來了巨大效益[11]。謝花林等基于傳統的復種指數計算公式，得出了1998—2012年我國耕地復種指數的變化趨勢呈逐年增長的結論。閆慧敏等通過峰值特征點檢測法，應用多時相NOAA/AVHRR遙感觀測數據，并詳細分析了我國各地區從改革開放初期到20世紀90年代末近20a耕地復種指數的時空變化情況，結果驗證了全國復種指數整體增加的假設。徐昔保等基于遙感圖像的分析發現，1995—2010年我國太湖流域的復種指數降幅明顯，15a間持續下降了22%，空間分布呈北高南低的格局，上海、浙江降幅較大，糧食耕種時空格局呈現以一年兩熟為主，一年一熟比例持續增長[12]。

1.2.2 耕地復種指數時空差異研究

閆慧敏等認為,相對于耕地復種指數在全國層面上的增加，有的耕地出現復種指數大幅增加掩蓋了部分耕地復種指數正在下降的事實的現象更加值得關注。實際上，我國有高達15%的耕地復種指數呈下降趨勢，這在生產力高的平原地區尤為顯著，其中長江中下游平原占50%之多。復種指數的降低表明了實際糧食播種面積在減少，其中優質農田的復種指數的降低，對糧食生產的影響更為不利。謝花林等發現,我國中部地區復種指數最高，東北地區最低；而復種指數增長速度則正好相符，東北地區最快，而中部地區卻最慢，東部地區呈下降趨勢；31個省份之間復種指數差距大，其中，增長最快的省份是新疆、寧夏和云南[8]。丁明軍等認為,耕地復種指數雖然在全國層面上有所增加，但是增加的空間差異明顯，河北、北京、天津交界地區、安徽中部、四川的成都平原等地區的耕地出現復種指數顯著降低，約占全國耕地面積3%。甘肅東部、渭河平原、山西西部、河北、山東和天津的交界處、山東半島及江漢平原等處復種指數顯著上升，約占耕地總面積的20%[13]。

1.2.3 耕地復種指數監測方法研究

復種指數監測的核心是所采用的監測方法，使用不同的監測方法，其監測結果也有所不同，將不同程度地影響結果的準確性和合理性。在20a多的發展過程中，復種指數遙感監測方法不斷涌現，更新和完善了復種指數遙感監測方法體系，如特征時相分離法、生長周期判斷法、曲線特征對比法、連續小波變換法、時間序列分箱法、峰值點探測法、線性混合模型法、層次訓練法等類別[14]。這些方法在不同的研究中加以應用，且被驗證有效。

2 耕地數據的提取

本項目在前人研究基礎上，以浙江省為例，分析浙江省各縣市區耕地復種指數變化情況，具體方法：2010—2020年10a間每隔1a提取浙江省土地利用遙感數據(其中，2010年、2012年數據來源于Landsat7ETM，2014—2020年數據來源于Landsat8OLI)，經輻射、大氣矯正波段融合、鑲嵌與裁剪等一系列預處理，如圖1、圖2所示。

利用ArcGIS軟件(新一代地理信息系統軟件，由美國環境系統研究所開發，GIS是geographic information system的縮寫)對土地利用現狀圖進行數字化，用相關命令轉化為柵格，采用常用的地理坐標投影，提取出浙江省耕地分布圖，如圖3所示。

圖3 2010—2020年浙江省耕地分布圖

結合浙江省行政區劃圖，提取出浙江省市級耕地分布圖，如圖4所示。

3 復種指數的計算

復種指數等于全年總收獲面積除以耕地面積，公式[15]：

圖4 2010—2020年浙江省市級耕地分布圖

通過遙感圖像所得數據，結合統計年鑒數據，根據以上方法得到浙江省2010—2020年期間各地的復種指數，將這些數據與浙江省行政區劃圖相結合，利用ArcGIS軟件進行處理得到2010—2020年浙江省各地復種指數分布圖見圖5。

由圖5可知，浙江省復種指數區域變化比較明顯，2010—2012年浙江省復種指數西南高于東北；2014年起，浙江省大部分地區復種指數明顯下降，由浙江省歷年統計年鑒可知，這主要是因為幾大主要城市其人口與經濟在這幾年內相對于西南地區各市有較快速的增長，導致耕地面積逐年呈縮小趨勢，農作物播種面積則逐年下降，耕地復種指數隨之下降。

圖5 2010—2020年浙江省各地復種指數分布圖

近幾年，浙江省委省政府對糧食生產高度重視，規范耕地使用，2020年共清理騰退“非糧化”面積1.09萬hm2，完成新建高標準農田4.13萬hm2，提標改造糧食生產功能區3.6萬hm2有余[16]。因此，2020年浙江省各市復種指數較前幾年有顯著提高。

4 討論及對策

1993年，劉巽浩依據水分、地貌、熱量、耕作及熟制特點、作物類型等條件，將全國耕作制度分為3個帶，浙江省全省均屬于三熟帶[17]。浙江省各市區復種指數值普遍偏低，還有相當大的發展潛力。

浙江省人均耕地少、耕地后備資源不足，耕地保護形勢仍然十分嚴峻。保護耕地、提高土地利用率，提升復種指數可以從以下幾方面著手：落實政策保障，壓實保護責任，各級地方黨委、政府嚴格落實耕地保護制度，切實明確耕地保護責任，嚴守耕地保護紅線，從而保障糧食安全；堅持系統觀念，加強頂層設計，完善政府引導的土地開發政策體系，因地制宜，提高土地開發利用效率，統籌生態建設，推動存量用地的開發利用，推廣節地模式；嚴查占用耕地，規范用地行為，嚴厲查處違法占用耕地、改變耕地用途的行為，規范用地，從嚴控制將耕地轉為其他農用地，完善耕地占補平衡；加強技術保障，加快科技推廣，加強農村農業的科技推廣工作，提升農業科技園區帶動能力，加大農村農業科普知識宣傳和農村勞動技能培訓工作，激發農民發展農業的積極性，降低農業發展成本，進行農業套種和多季種植，實現土地充分利用發展循環農業，將數字技術應用于復種指數遙感監測，能及時獲取監測數據，并提高監測結果的準確性。