湖北省耕地压力的区域差异及动态演进分析

卢新海，刘瑞红，匡 兵

湖北省耕地压力的区域差异及动态演进分析

卢新海1,2，刘瑞红1，匡 兵1

（1. 华中师范大学公共管理学院，武汉 430079；2. 华中科技大学公共管理学院，武汉 430074）

为充分认识湖北省耕地压力区域差异、动态演进规律，以保障湖北省的粮食安全，该文用修正耕地压力指数测度湖北省及其17个城市耕地压力大小，从时序和空间两方面分析湖北省区域内耕地压力变动差异，并利用核密度估计方法分析湖北省区域内耕地压力演变规律。结果表明：1）2000－2016年，湖北省平均耕地压力为警报压力，区域内人均所需最小耕地面积与实际人均供给面积差距较小，能够实现湖北省区域内粮食安全有效供给。2）2000－2016年，湖北省区域内耕地压力变化不一，其中鄂东区域耕地压力最大，鄂中区域耕地压力最低。3）耕地压力的总体水平在2000－2016年间逐渐减小，但是地区差距也不断加剧，极化现象十分明显。4）分区域看，鄂东地区的耕地压力总体水平不断减小，地区差距较大，两极化现象较突出；鄂中耕地压力水平低，地区差距不大，两极分化不明显；鄂西耕地压力水平居中，存在地区差距，两极分化没有鄂东地区明显。

土地利用；模型；耕地；修正耕地压力指数；核密度估计；动态演进；湖北省

0 引 言

耕地是粮食生产的根本要素，其数量多少和质量优劣是保障粮食生产和粮食安全的重要影响因素[1]，也是决定社会长久稳定的物质基础。步入21世纪以后，中国工业化和城镇化快速发展，城市建设用地不断扩张，耕地资源呈不断递减状态[2]，人口数量大幅增加，人均所需最小耕地面积与实际人均耕地面积之间差距越来越大[3]，给区域和国家粮食安全带来了一定隐患。由此使得清晰了解区域耕地资源利用和粮食安全状况成为目前乃至未来很长一段时间内社会发展的焦点问题。

学术界通常采用耕地压力来衡量耕地资源使用情况，其数值大小能在耕地利用与保护方面提供警戒作用[4]，科学衡量区域粮食安全情况。学者们分别基于不同研究视角，对耕地压力的测算方法及不同尺度耕地压力的时空变化特征进行了分析。在耕地压力测算方法上，很多学者都提出了构建耕地压力指数的思路，冉清红[5]基于食物消费需求量结构建立耕地警戒值模型，蔡运龙等[6]应用最小人均耕地面积和耕地压力指数模型，这是早期研究耕地压力较具代表性的测度方法。然而，由于所构建的指数比较单一，无法全面反映耕地压力的真实情况[7]。由此，一些学者在传统耕地压力指数上构建新的测度指标和测度模型，如人工神经网络[8]，并从利用系统动力学[9-10]、生态足迹模型理论[11]和考虑地形不同[12]、区域间耕地质量及耕地利用的异质性[13]、社会经济因素[14]以及粮食市场供给模式下区域获取粮食的经济能力[15]等方面对耕地压力指数模型进行改进和完善，有效提升了耕地压力测算的科学性。在不同区域耕地压力时空差异特征分析方面，学者们采用空间自相关[16]、变异系数[17]、重心模型[7,18]等方法揭示了中国或不同省份、特定城市耕地压力的时空分布格局，并对造成这些分布特征的影响因素或驱动机制进行了系统阐释[19-21]。如自然灾害、气候变化、耕地生产力力、粮食价格、粮食贸易以及社会经济发展因素对耕地压力的影响。总体来看，已有研究对耕地压力测度及其时空格局演化规律进行了较为系统的刻画，对于把握耕地资源利用系统的变化特征具有重要作用。然而，已有研究也存在一定不足，一是在耕地压力指数测度方法上，大多数学者关注耕地压力的数量指标，对耕地压力质量指标体系关注不足，同时，已有研究多采取单一的地图可视化方法对耕地压力时空差异和分布特征进行研究，没有定量刻画出区域间耕地压力差异的动态性与长期演变趋势。基于此，本文将综合考虑耕地压力的数量和质量约束，利用修正耕地压力指数对湖北省2000－2016年耕地压力进行测度，并采取核密度估计方法探索湖北省耕地压力差异的变化情况和动态演变规律，预期成果可以为优化湖北省耕地资源开发及实现农业可持续发展提供一定借鉴价值。

1 研究区概况

湖北省地处中国中部，是国家重要的粮棉油生产基地之一[22]、国家的发展核心区域和中部崛起的核心增长极[23]。进入20世纪以来湖北省社会经济高速增长，发展最快的区域是东部城市[24]，省内经济发展极不均衡。2018年全省GDP为3.65万亿元，第一、二、三产业较上一年均为增长趋势，增速和增量最大的是第三产业，分别为1.87亿元，9.9%，固定资产投资为3.19万元，增长11.0%。全省土地面积为1 859万hm2，其中，耕地面积347.84万hm2，占全国耕地面积的2.58%。本文根据各地级市的地理位置和现有研究[25]，将研究区湖北省从东至西分为三大区域：鄂东、鄂中和鄂西（图1）。

图1 研究区域

2 研究方法与数据来源

2.1 修正耕地压力指数模型

修正耕地压力指数是在测算耕地压力指数过程中考虑土地的自然禀赋，即区域耕地质量及耕地利用的异质性，使耕地压力指数拓展为集数量和质量为一体的综合性压力阈值，常采用耕地质量标准系数进行校正[26]。其中耕地压力指数是人均所需最小耕地面积与实际人均耕地面积的比值，用以反映某时间段某地区的耕地资源面临的压力大小。计算公式如下

式中表示修正的耕地压力指数；0表示耕地压力指数；min表示人均所需最小耕地面积，hm2/人；S为实际人均耕地面积，hm2/人；表示为耕地质量标准系数；表示粮食自给率，%；G为人均粮食需求量，kg/人；为复种指数，%；为粮作比即粮食作物播种面积与农作物播种面积之比，%；为粮食播种面积单产，kg/hm2；p为湖北省各城市粮食单产，kg/hm2；k为湖北省各城市复种指数；p为湖北省粮食单产，kg/hm2；k为湖北省复种指数。湖北省作为中部粮食主生产区之一，其生产的粮食除了省内供给外，还承担着向周边粮食产量不足省份（福建、广东省）的粮食供给，因此粮食自给率必须得到保障[27]，同时，结合目前已有对2000－2016年湖北省粮食自给率的测算结果，本文设定G为420kg/人[28]，为96%。根据耕地压力指数模型的内涵，对耕地压力指数值大小进行值域划定，用来表明耕地压力的等级[29]，具体见表1。

表1 耕地压力K等级分类表

2.2 核密度估计

核密度估计（kernel density estimation，KDE）是一种用于估计概率密度曲线的非参数方法，其特点是不需要进行任何参数模型假设，能够用连续的密度曲线描述随机变量的分布形态[30]，已经成为研究空间分布非均衡性的重要工具之一，因而核密度估计曲线图能够揭示湖北省各、市、州耕地压力时序动态演进特征。其函数公式

2.3 数据来源

参考已有研究成果[7-8]，本文选取耕地面积、人口总数、粮食播种面积、总播种面积、粮食总产量数据为测算耕地压力的指标，数据主要来源于《湖北统计年鉴》（2001－2017年）、部分数据以《湖北农村统计年鉴》（2001－2017年）和各个城市国民经济和社会发展统计公报（2000－2016年）进行补充。

3 结果与分析

3.1 耕地压力的区域差异分析

3.1.1 湖北省耕地压力时序变化特征

如图2a，湖北省2000－2016年内耕地压力指数和人均所需最小耕地面积变化趋势具有一定相似性，整体均呈递减趋势，分别减少了0.247、0.011 hm2，平均耕地压力为1.001，为警报压力。其耕地压力主要变化为：1）2000－2003年，湖北省耕地压力指数和人均所需最小耕地面积大幅增加，2003年达到最高值，耕地压力由警报压力变为低压力，说明湖北省耕地供需矛盾较大。由于2003年左右湖北省耕地面积占用增多，且受到农用机械不发达影响，农业出现“三减”，而人口规模不断扩大，使得2003年耕地压力最大；2）2004－2006年期间，耕地压力指数和人均所需最小耕地面积先递减后递增，说明湖北省人均所需耕地压力与实际耕地压力之间的差距较小，耕地情况转好，由低压力变为警报压力；3）2007－2016年期间，湖北省耕地压力指数和人均所需最小耕地面积整体呈波动递减趋势，耕地压力由警报压力变为无压力，由于政府加强耕地保护力度，耕地资源利用合理，粮食产量在农用机械改进下获得大幅增加。

图2 2000－2016年湖北省耕地压力指数

3.1.2 分区域耕地压力时序变化特征

鄂东耕地压力变化情况如图2b所示，2000－2016年内湖北省鄂东区域耕地压力变动情况差异较大，武汉市是鄂东区域耕地压力指数和变动幅度最大的一个城市，2016年耕地压力指数高达4.854，增速为130.04%，耕地压力为高压力，鄂东区域其他4个城市耕地压力均在高压力以下，黄冈市耕地压力最好的一个城市，耕地压力均在警报压力与无压力之间波动。鄂东区域耕地压力差异较大，其中武汉市耕地压力最严重，鄂州市和黄石市耕地压力次之，耕地压力情况最好的是黄冈市和咸宁市。武汉市人口占湖北省总人口比例较大，占比为18.29%，耕地面积比其他4个城市都小，人均所需最小耕地面积远大于实际人均耕地面积，鄂东区域武汉市耕地压力矛盾最突出。

图2c反映了湖北省鄂中区域2000－2016年耕地压力时序变化情况，发现鄂中区域各地级市耕地压力变化趋势为先递增后递减，天门市耕地压力最大，荆门市耕地压力最小。鄂中区域作为湖北省农业生产基地，具有较高耕地资源禀赋和发达的农业技术，其耕地压力应该处于警报压力以下，实际测算获得结果也验证鄂中区域耕地压力情况较乐观，但区域内耕地压力变动存在一定差异性，需要持续动态观测其耕地压力情况并采取合理的预防方法，以期为湖北省的粮食安全保障和耕地资源提供久远、稳固的保障。

图2d反映了湖北省鄂西区域2000－2016年耕地压力时序变化情况，发现鄂西区域宜昌市和神农架林区耕地压力较大，变动较频繁，鄂西其他3个城市耕地压力较稳定，递增幅度较小。鄂西区域各个城市耕地压力情况差异明显，襄阳市耕地压力情况最好，是湖北省最好的农业种植区域和主要粮食生产区域，承担着湖北省主要粮食供给城市之一。而鄂西区域其他4个城市耕地压力均在中压力以上，十堰市耕地压力年均在高压力以上，区域人均耕地需求矛盾较大，存在一定粮食安全问题。神农架城市战略定位与其他16个城市不同，是湖北省林业生态保护区，其耕地压力虽为高压力，但能说明林业部门对该区保护力度大，林业生态保护效果显著。

3.1.3 湖北省区域耕地压力空间变化特征

如图3，鄂中区域耕地压力均在警报压力以下，80%城市都是无压力，区域耕地情况最乐观，是中国粮食主产区湖北省核心粮食生产区域，承担湖北省以及周边省份粮食主要供给。因而，对鄂中区域实施严格的耕地保护制度、合理的土地利用规划以及高效利用耕地资源十分重要。相较于鄂中区域，鄂东区域耕地压力较大，都在警报压力以上，尤其是该区域的武汉市和黄石市，耕地压力常为高压力和中压力，且变动趋势为递增，耕地压力未来还会增大。这与湖北省城市区域战略布局有极大关系，武汉市和黄石市是湖北省城市圈之一，经济发展的核心区域，武汉市也是湖北省省会城市，人口规模不断增加，区域人均所需最小耕地面积与实际耕地面积差距非常大，导致耕地压力较高。鄂西区域耕地压力情况居中，都在低压力以下（除神农架林区），襄阳市耕地情况最乐观，耕地资源禀赋高，故襄阳市耕地压力情况对鄂西区域粮食安全有保障作用，也对湖北省乃至周边省份粮食正常供给有巨大影响。

图3 湖北省耕地压力空间分布图

3.2 耕地压力动态演进规律

3.2.1 湖北省耕地压力核密度估计

图4为不同年份湖北省耕地压力核密度。从全省尺度来看（图4a）：1）在位置变化上，密度曲线移动趋势不明显，波峰较平缓，波峰变化范围较大，表明湖北省耕地压力区域差异较大。同时，耕地压力核密度曲线右尾移动较小，左尾移动距离大于右尾移动距离，说明耕地压力为警戒压力以下区域比重有所增加，低压力以上区域比重有所减少，呈低值集聚。2）在演变过程中，2000－2005年，核密度曲线陡峭、波峰数量维持变化不大，密度曲线的区间小幅减小，表明这一阶段耕地压力区域差距呈缩小趋势，主峰峰值达到研究区间最大值，与2000年相比，2005年密度曲线中心位置略微向右移动，波峰数量为2，且主峰峰值小幅降低，表明区域内耕地压力差距减小，存在两极分化现象，2005和2010年，变量分布小幅左移，波峰数量增加，变化范围区间继续减小，说明该阶段内湖北省耕地压力的地区差距呈缩小趋势，两极分化现象较突出，2016年，核密度曲线中心位置右移，主峰峰值大幅减小，变量区间最小，次峰形态不明显，波峰较平缓，变化区间范围较2010年是大幅增加，较2000年微增，左右拖尾向两边延伸，说明该阶段内湖北省耕地压力地区差距呈大幅增加。可见，全省尺度下，在不同的时间段内耕地压力存在不同水平和变动趋势。

3.2.2 湖北省分区域核密度估计

从区域尺度来看。图4b反映了湖北省鄂中区域耕地压力演变情况。1）在位置变化上，密度曲线呈现出“高尖峰形”向“矮宽峰形”转变趋势，变化区间范围大幅增大，表明耕地压力低值区增多，耕地压力总体水平好转，极化现象不明显，各个城市之间耕地压力差异较大。2）在演变过程来上，2000－2005年，密度曲线陡峭、波峰数量变化较大，峰值为研究区间最大值，变化区间范围较小，耕地压力的总体水平较高，与2000年相比，2005年密度曲线中心位置右移，变化区间微增，主峰值小幅减少，主峰由多个峰波组成，表明鄂东区域各个城市耕地压力极化现象较大，耕地压力的总体水平较高，2005和2010年，密度曲线中心位置向右大幅移动，峰值继续减小，有3个峰波，坡度变平缓，变化区间向左右两边扩大，表明耕地情况好转，两极分化现象减小，但区域内耕地压力差距在进一步扩大，2016年密度曲线中心位置与往年相比继续向左移动，主峰值减小，主峰较明显，坡度更平缓，变化区间继续增加，表明区域内耕地压力差距加剧。

图4c反映了湖北省鄂中区域耕地压力在样本考察期内的演变情况。1）在位置变化上，密度曲线位置中心左移，呈现出“宽峰形”向“尖峰形”转变趋势，变化区间范围缩小，表明鄂中区域的耕地压力变化较大，耕地压力中值区逐步增多，区域内部两极分化现象明显。2）在演变过程中，2000－2005年，密度曲线为“宽峰形”，有2个峰波，密度曲线较平缓，变化区间范围较小，表明鄂中区域耕地压力的总体水平较低，存在一定极化现象，与2000年相比，2005年核密度曲线相比，密度曲线中心位置右移，主、次峰值均下降，变化区间扩大，表明鄂中区域之间耕地压力存在一定差距，2005和2010年，密度曲线中心位置大幅左移，峰值小幅降低，有多个峰波，变化区间缩小，表明区域内耕地压力极化现象变大，各个城市之间耕地压力差距减小，2016年密度曲线中心位置基本不变，变为辨识度较高的双峰形状，主峰值大幅上升，坡度变陡峭，表明地区耕地压力总体上升，存在极化现象。

图4d反映了湖北省鄂西区域耕地压力在样本考察期内的演变情况。1）在位置变化上，鄂西地区的耕地压力总体水平波动较小，极化现象明显，各个城市之间耕地压力差距逐渐变小。2）在演变过程中，2000－2005年，密度曲线呈偏态“M”形双峰分布，波峰较陡，变化区间较大，表明鄂西区域耕地压力差距较大，存在两极分化现象，与2000年相比，2005年密度曲线中心位置向右移动，主峰值均减小，次峰值增大，变化区间小幅减小，表明鄂西区域耕地压力差距减小，极化现象明显，2005和2010年，密度曲线中心位置向左微移，主、次峰值均小幅增大，变化区间继续减小，表明鄂西区域耕地压力差距缩小，耕地压力水平变大，2016年与往年相比，密度曲线中心位置向右移动，峰值均增大，变化区间变小，表明鄂西区域耕地压力差距逐渐缩小，耕地压力水平变大，存在两极分化现象。

图4 湖北省各区域耕地压力核密度

4 结论与讨论

1）总体来看，研究期内，湖北省耕地压力指数和人均最小耕地面积都表现出降低态势，平均耕地压力较小，说明耕地资源利用合理，区域粮食安全也得到了较好的保障。

2）湖北省各地区耕地压力状况表现出明显的异质性。研究期内湖北省3个区域耕地压力变动趋势不一，其中鄂中区域耕地压力时空变化特征明显，耕地情况严峻，尤其是武汉市；鄂西耕地情况次于鄂东，区域内只有襄阳市耕地情况最好，其他4个城市耕地压力均在中压力以上；鄂中区域耕地情况十分乐观，区域内人均耕地矛盾较小。

3）湖北省及各区域耕地压力的演进过程伴随着一定程度的极化特征。样本考察期内，不论是湖北省还是鄂东、鄂中和鄂西耕地压力的密度曲线整体的位置、峰度、形状等方面都存在差异，湖北省耕地压力情况较好，两极分化现象不太明显，呈低值集聚；密度曲线区间变化情况是鄂东区域＞鄂中区域＞鄂西区域，鄂东区域之间耕地压力差距较大，鄂东鄂西两极分化现象明显，鄂东区域内耕地压力情况不乐观，存在一定粮食安全问题。

本文采用修正耕地压力指数模型对湖北省2000－2016年耕地压力状况进行分析，对于把握湖北省耕地资源利用状况，探寻乡村振兴战略下的耕地资源高效利用路径具有一定参考价值。但是本文也存在一定不足，如本文在系统阐释了湖北省耕地压力的区域差异及其演进特征后，并没有进一步揭示产生这些差异的原因，特别是针对不同耕地压力状况的城市，在当前乡村振兴、新旧动能转换、农业现代化等现实背景下，应该采取何种耕地利用或开发模式等，这些都是围绕本文研究主题可以深化的主要方向。

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Regional differences and dynamic evolution of cultivated land pressure in Hubei Province

Lu Xinhai1,2, Liu Ruihong1, Kuang Bing1

(1.,430079,; 2.,,430074,)

In order to fully research the regional differences and dynamic evolution of cultivated land pressure to ensure food security in Hubei Province, the revised cultivated land pressure index was used to measure the pressure of cultivated land in Hubei Province and its 17 cities. The difference of cultivated land pressure variation in Hubei Province from time series and spatial level was analyzed. The kernel density estimation method was used to describe the dynamic evolution of cultivated land pressure. The results showed that: 1) During the period 2000-2016, the cultivated land pressure index and the minimum cultivated land area per capita showed a decrease trend. The average cultivated land pressure index was 1.011 in Hubei Province; the cultivated land pressure was warning pressure. The minimum per capita arable land area and per capita actual supply area were small. 2) During the period 2000-2016, the change of cultivated land pressure in Hubei Province is inconsistent. The temporal and spatial changes of cultivated land pressure were obvious, and the situation of cultivated land pressure was severe in the central area of Hubei Province, Wuhan in particular. The cultivated land pressure in western area was weaker than that of eastern area of Hubei Province, and the situation of cultivated land pressure in Xiangyang City was the best. The trend of cultivated land pressure in 17 urban areas was different, but the current situation of cultivated land pressure in Hubei was optimistic and the change was small. At the same time, the pressure of cultivated land in western and eastern Hubei Province was different. In the eastern region, such as Wuhan, E'zhou and Huangshi, they had higher pressures on cultivated land, but Huanggang and Xianning had better pressure of cultivated land. Only the pressure of cultivated land in Xiangyang City reached the best. The pressure on cultivated land in the other four cities was higher than medium pressure; the annual pressure of cultivated land in Shiyan City was higher than high pressure. 3) The overall level of cultivated land pressure gradually decreased during the sample survey period, but the regional gap increased, and the polarization phenomenon was quite obvious. 4) From the perspective of different regions, the overall level of cultivated land pressure in the eastern Hubei was continuously decreasing, the regional gap was large, and the polarization phenomenon was more prominent; the pressure level of cultivated land in central Hubei was low, the regional gap was not large, and the polarization was not obvious; the pressure of cultivated land in western Hubei horizontally centered, there was a regional gap, and polarization was not obvious as the eastern region.

land use; models; cultivated land; modified cultivated land pressure index; kernel density estimation; dynamic evolution; Hubei Province

卢新海，刘瑞红，匡 兵. 湖北省耕地压力的区域差异及动态演进分析[J]. 农业工程学报，2019，35(23)：266－272.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.033 http://www.tcsae.org

Lu Xinhai, Liu Ruihong, Kuang Bing. Regional differences and dynamic evolution of cultivated land pressure in Hubei Province [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 266－272. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.033 http://www.tcsae.org

2019-05-19

2019-10-31

国家自然科学基金项目（71673096、41801205）；教育部人文社会科学研究项目（19YJC790054）；中国博士后科学基金项目（2018M642882）

卢新海，博士，教授，主要从事土地资源管理与粮食安全研究。Email：xinhailu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.033

F301.21

A

1002-6819(2019)-23-0266-07