过去二十年中国耕地破碎化变化
Zhao, Na, et al. "Cropland fragmentation change across China over the last two decades." Agricultural Systems 218 (2024): 104010.
摘要 | Abstract
背景
随着耕地破碎化研究的增加，迫切需要对耕地破碎化进行全面评估，为制定有关耕地保护、恢复及其他相关措施的政策提供有价值的见解。尽管越来越多的研究关注耕地破碎化，但对中国耕地破碎化的全国范围、长期、细尺度的空间和时间变化的理解仍然不足。
目标
本研究旨在构建一个新的综合指数，定量评估耕地破碎化水平，全面阐述过去二十年中国县级耕地破碎化的空间和时间动态，并识别耕地破碎化与人为和自然因素关键因素之间的关系。
方法
利用2000年至2021年30米分辨率连续时间序列的Landsat派生的中国年度土地覆盖数据集（CLCD），我们整合了三个景观模式指标——斑块密度（PD）、平均斑块面积（MPA）和边缘密度（ED），以设计一个新的综合耕地破碎化指数（CFI）。我们还开发了一种Beta回归方法，来识别CFI与人为和自然视角下关键因素之间的关系。
结果与结论
结果显示，耕地破碎化程度高的县（CFI > 0.8）主要位于中国中部和沿海地区，而耕地破碎化程度低的县（CFI < 0.2）主要位于华北平原、东北平原和部分西北地区。在经历耕地破碎化增加或减少的县中，主要耕地转换类型为耕地与草地之间以及耕地与森林之间的转换。第三种主要转换类型涉及耕地向不透水面的转变。CFI与各县耕地总面积呈显著负线性关系，而与耕地斑块总数呈正相关。CFI与坡度、CFI与夜间灯光（NTL）数据之间展示出二次抛物线关系。
意义
本研究提供的发现为中国耕地破碎化的潜在原因和模式提供了关键见解。这些见解将为政策制定者和土地管理者提供宝贵资源，使他们能够制定有效的可持续土地使用规划策略，促进国家农村发展。
亮点 | Highlights
• 中国细尺度的耕地破碎化知识有限
• 开发了一种新的综合耕地破碎化指数（CFI）。
• 在过去二十年中识别了高和低的CFI的县。
• 主要耕地转换类型：耕地向草地和森林转换，以及耕地向不透水面转换。
• 检测了CFI与影响因素及其阈值之间的关系。
•Limited knowledge on fine-scale cropland fragmentation in China
•A new synthetic cropland fragmentation index (CFI) was developed.
•Counties with high and low CFI were identified during the lastest two decades.
•Primary cropland conversions: cropland to grassland and forests, and cropland to impervious surfaces.
•The relationships between CFI and influencing factors and their thresholds were detected.
图 1. 县级研究区域。(a)：中国位置、数字高程模型（DEM）、34个省级行政区域的分布、省界（蓝色）和省名（粉色）；(b)：2021年土地利用数据、2852个县的分布、县界（灰色）和省界（蓝色）。（关于图例中颜色引用的解释，读者可参阅本文的网络版本。）
Fig. 1. Study area at a county level. (a): the location of China, DEM, the distribution of 34 provincial-level administrative regions, province boundary (blue color) and name (pink color); (b): Land use data in 2021, the distribution of 2852 counties, county boundary (grey color) and province boundary (blue color). (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 2. 2000至2021年间耕地破碎化指数（CFI）的空间分布。(a)、(b) 和 (c) 分别显示2000年、2010年和2021年CFI的空间分布，(d) 显示从2000年到2021年CFI变化的空间分布。
Fig. 2. Spatial distribution of cropland fragmentation index (CFI) during 2000–2021. (a), (b) and (c) display the spatial distribution of CFI in 2000, 2010, and 2021, respectively, and (d) gives the spatial distribution of change in CFI from 2000 to 2021.
图 3. CFI减少区域（a）和CFI增加区域（b）的不同耕地破碎化过程模式的空间模式，以及每种模式的县份比例（c, d）。"上"和"下"标志分别表示2000至2021年间的增加和减少趋势。
Fig. 3. Spatial patterns of different cropland fragmentation process modes in CFI decreased areas (a) and CFI increased areas (b), and the corresponding proportion of counties with each mode (c, d). The “up” and “down” marks denote an increase and decrease trend during 2000–2021, respectively.
图 4. 2000至2021年间PD和MPA的空间分布。(a) 和 (d) 是2000年PD和MPA的空间分布；(b) 和 (e) 是2021年PD和MPA的空间分布，而 (c) 和 (f) 表示从2000年到2021年PD和MPA变化的空间分布。
Fig. 4. Spatial distributions of PD and MPA during 2000–2021. (a) and (d) are the spatial distributions of PD and MPA in 2000; (b) and (e) are the spatial distributions of PD and MPA in 2021, and (c) and (f) represent the spatial distributions of change in PD and MPA from 2000 to 2021.
图 5. 2017至2021年CFI增加县的主要耕地变化类型。(a) 显示不同耕地变化类型的面积百分比，(b) 给出主要转换耕地类型的空间分布。
Fig. 5. The main types of cropland change in the counties with increased CFI during 2017–2021. (a) shows the area percentage of different types of cropland change, and (b) gives the spatial distribution of the main types of cropland converted.
图 6. 2017至2021年CFI增加县的土地利用类型变化。(a) 展示不同土地利用类型的对数转换后的像素，(b) 显示变化和未变化土地利用类型的空间分布及面积比例。
Fig. 6. Land use type changes in the counties with increased CFI over period of 2017–2021. (a) presents the converted pixels after the logarithmic transformation of different land use types, and (b) shows the spatial distribution and percentage of the area for the changed and unchanged land use types.
图 7. 2017至2021年CFI减少县的主要耕地变化类型。(a) 展示不同耕地变化类型的面积百分比，(b) 描述主要转换耕地类型的空间分布。
Fig. 7. The main types of cropland change in the counties with decreased CFI during 2017–2021. (a) presents the percentage of the area for different types of cropland changes, and (b) illustrates the spatial distribution of the main types of converted cropland.
图 8. 2017至2021年CFI减少县的土地利用类型变化。(a) 描述不同土地利用类型的对数转换后的像素，(b) 展示变化和未变化土地利用类型的空间分布及面积比例。
Fig. 8. Land use type changes in the counties with decreased CFI during 2017–2021. (a) illustrates the converted pixels after the logarithmic transformation of different land use types, and (b) shows the spatial distribution and percentage of the area for the changed and unchanged land use types.
图 9. 根据县级Beta回归，协变量对CFI的影响图。(a) 耕地面积；(b) 耕地块数；(c) 区域平均坡度；(4) 区域平均夜间灯光。阴影区域表示95%置信区间。显著性测试使用Wald检验进行。
Fig. 9. Effect plots of covariates on CFI according to a Beta regression at the county level. Shade areas indicate 95% confidence intervals. Significance tests were carried out using Wald test. (a) cropland areas; (b) numbers of cropland patches; (c) regionally averaged slope; (4) regionally averaged nighttime lights.
总结 | Conclusions
在中国县级范围内分析耕地破碎化的空间和时间状态至关重要。在本研究中，受到生态系统研究中景观指数和相关研究的启发，我们首先建立了一个综合指数CFI，通过考虑隔离效应、路径大小效应和边缘效应，揭示了中国的耕地破碎化。基于CFI，我们调查了2000年至2021年期间CFI的空间和时间变化，以及使用Beta回归分析从自然和人为角度出发的主要驱动因素。本研究的关键发现如下：
(1)在过去二十年中，耕地破碎化程度高的县（CFI > 0.8）主要位于中国中部和沿海地区，而耕地破碎化程度非常高的县（CFI > 0.9）位于广东省的南山区、顺德区，以及陕西和山西省交界的石楼县、柳林县、吴堡县、绥德县、米脂县和澳门。相反，耕地破碎化程度低的区域（CFI < 0.2）主要分布在华北平原和东北平原，以及一些西北地区。
(2)对于耕地破碎化程度增加或减少的县，主要的耕地转换类型涉及耕地与草地之间的转换，以及耕地与森林之间的转换。第三种主要的转换类型是耕地转变为不透水面。在耕地破碎化程度增加（减少）的县中，从耕地转为森林、不透水面和草地的面积分别占总耕地变化类型的46%（41%）、25%（7%）和22%（49%）。相反，从森林和草地转为耕地的面积分别占这些县总土地转为耕地的57%（40%）和27%（54%）。
(3)CFI与耕地总面积呈显著负线性关系，与耕地斑块总数呈正相关。CFI与坡度、CFI与夜间灯光（NTL）之间存在二次抛物线关系，阈值分别为5十进制度和30 Nw/cm^2/sr。
这些发现为制定减轻破碎化和促进可持续农业发展的政策提供了依据。
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引用：Zhao, Na, et al. "Cropland fragmentation change across China over the last two decades." Agricultural Systems 218 (2024): 104010.
通讯作者
Wei Wang | State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
Email | wang_wei@lreis.ac.cn
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