2000—2020年非洲耕地资源时空格局变化分析.pdf

第 47 卷第 2 期浙江师范大学学报(自然科学版)Vol.47,No.22024 年 5 月 Journal of Zhejiang Normal University(Nat.Sci.)May 2024DOI:10.16218/j.issn.1001-5051.2023.04320002020 年非洲耕地资源时空格局变化分析解雪峰1,2,沈 昕1,2,蒋国俊1,2,吴 涛1,2,张建珍1,2(1.浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004;2.浙江师范大学 省部共建非洲研究与中非合作协同创新中心,浙江 金华 321004)摘 要:非洲地区面临严重的粮食安全问题,研究其耕地资源时空格局变化对于保障非洲粮食安全具有重要意义.基于 20002020 年间联合国粮农组织的统计数据,通过重心迁移、标准差椭圆及局部空间自相关等方法对非洲耕地资源时空格局的变化特征进行了分析.结果表明:1)非洲耕地整体数量呈稳定上升趋势,20 年间耕地面积增加了 6 321.92 万 hm2,增长率为 53.44%,但不同国家间存在差异;2)非洲耕地在几何中心以北区域分布较多,耕地重心迁移方向先向东北后转向偏西方向,移动总距离为 111.86 km,偏移速率先快后慢,从前 5 年的平均 10.27 km/a 降至后 15 年的平均 4.00 km/a 左右;3)非洲耕地分布呈西北东南向,20 年来标准差椭圆转角有向水平方向倒伏趋势,椭圆面积不断缩小,向心性不断增强;4)非洲耕地分布集聚主要出现在西非的尼日尔和尼日利亚,异常区为南非及贝宁.关键词:耕地资源;时空格局;标准差椭圆;局部空间自相关;非洲中图分类号:F311 文献标识码:A 文章编号:1001-5051(2024)02-0143-07Spatial-temporal pattern changes of cultivated land resources in Africa from 2000 to 2020XIE Xuefeng1,2,SHEN Xin1,2,JIANG Guojun1,2,WU Tao1,2,ZHANG Jianzhen1,2(1.College of Geography and Environmental Sciences,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China;2.African Research and China-Africa Cooperation of Provincial and Ministerial Collaborative Innovation Center,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China)Abstract:Africa was facing serious food security problems,and it was of great significance to study the tem-poral and spatial pattern of cultivated land resources to ensure food security in Africa.Based on the statistical data of Food and Agriculture Organization of the United Nations(FAO)from 2000 to 2020,the spatial-tempo-ral pattern of cultivated land resources in Africa was explored by means of center of gravity transfer model,standard deviation ellipse,and local spatial autocorrelation.The results showed that:1)The overall number of cultivated lands in Africa showed a steady upward trend,with an increase of 6.32107 hm2 in the past 20 years,with a growth rate of 53.44%,but there were differences among different countries;2)The cultivated land in Africa was widely distributed in the north of the geometric center.The gravity center of cultivated land generally moved to the northeast and then turned to the west,with a total distance of 111.86 km.The migra-tion rate was first fast and then slow,from 10.27 km/a in the previous 5 years to about 4.00 km/a in the next 收文日期:2022-07-03;修订日期:2022-12-01基金项目:浙江省软科学重点项目(2022C25004);浙江师范大学“教育部非洲研究与中非合作省部共建协同创新中心”委托课题(21XTFZ02A)作者简介:解雪峰(1991),男,安徽合肥人,副教授,博士.研究方向:土地利用及其环境效应.通信作者:张建珍.E-mail:zjz 15 years;3)The cultivated land in Africa was distributed in the northwest southeast direction.In the past 20 years,the standard deviation ellipse angle had a trend of lodging in the horizontal direction.The ellipse area was shrinking,and the centripetalism was increasing;4)The distribution and concentration of cultivated land in Africa mainly situated in Niger and Nigeria in West Africa,and the abnormal areas were the Republic of South Africa and Benin.Key words:cultivated land resources;spatial-temporal pattern;standard deviation ellipse;local spatial auto-correlation;Africa耕地资源是粮食生产的必要条件,其时空格局变化关系到人类社会的生存与发展1-2.非洲耕地面积仅占世界总量的 8%,农业技术较为落后,耕地单位面积产量较低,使得粮食安全问题异常严峻3-4.联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)2021 年世界粮食安全和营养状况报告表明,非洲 21%的人口面临饥饿.新冠疫情发生以来,非洲的饥饿人数增加了约4 600 万5.非洲大部分耕地资源集中分布在尼日利亚、南非和苏丹等少数国家,耕地资源分布不平衡直接影响非洲粮食供应和粮食安全6-7.因此,了解非洲耕地资源的时空格局变化对于保障非洲粮食安全具有重要意义.此外,海外耕地投资成为缓解我国国内土地矛盾的一种补充手段,而非洲因为其良好的耕地资源禀赋和相对较低的开发比例成为最重要的投资对象8-9.因此,探明非洲耕地资源时空格局对于中国海外耕地投资具有指向性作用10.近年来,国内外学者利用统计数据或低分辨率遥感数据对大区域尺度的耕地资源时空变化开展了相关研究11-13.王俊等14利用 FAO 的 19902005 年统计数据对非洲土地利用变化动态情况进行了研究,结果发现,非洲耕地集中化指数低于非农用地,人均占有量较低,耕地面积虽逐年上升,但人口的增长速率更快;胡琼等7研究发现,20002010 年间,非洲耕地面积增长最快,增加的耕地面积达 1 540.63 万 hm2,增长幅度达 7.45%.但以上关于非洲耕地的研究大多停留在 2010 年前,研究方法多利用传统统计学相关方法,无法呈现空间上集聚或分散.随着空间思维的介入,重心模型、标准差椭圆、空间自相关等对地理事物的集聚-离散程度研究逐步成为定量测度地理事务时空格局演变的常用方法15.因此,本研究基于 FAO 提供的 20002020 年耕地面积的统计数据,采用重心迁移模型、标准差椭圆和局部空间自相关方法对非洲耕地资源的时空分布格局和集聚特征进行分析,以期为非洲耕地资源的可持续利用提供参考.1 材料与方法1.1 研究对象及数据来源非洲陆地面积约为3 020 万 km2,占全球总陆地面积的20.4%,是世界第2 大洲,同时也是人口第2 大洲.非洲主要以热带气候为主,整片大陆大部分位于低纬地区,赤道横穿非洲中部,部分地区农作物一年三熟.非洲经济总体发展水平较低,农业是大多数非洲国家的支柱产业.但其农业劳动生产率较低,生产较为粗放,耕地灌溉比例低.本文所使用的 20002020 年非洲各国耕地面积数据来源于联合国粮食及农业组织官网(https:/www.fao.org/).考虑到数据的一致性,2010 年以后的耕地面积数据仍然以原苏丹共和国进行统计.1.2 研究方法1.2.1 重心迁移模型重心迁移模型通过重心迁移的方向、距离和速度反映地理要素的空间变化趋势15-16.本文绘制了2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和 2020 年 5 个年份重心点间的迁移轨迹,揭示非洲 20 年间耕地资源的空间分布规律和变化趋向.计算公式为:Xt=ni=1(Mtixi)/ni=1Mti;(1)Yt=ni=1(Mtiyi)/ni=1Mti.(2)441浙江师范大学学报(自然科学版)第 47 卷式(1)式(2)中:Xt,Yt分别表示研究区在第 t 年耕地资源的重心经纬度坐标;Mti表示第 i 个国家在 t年的耕地资源;xi,yi表示第 i 个国家重心经纬度坐标.设非洲在第 t1时期和 t2时期耕地资源的重心坐标分别为(Xt1,Yt1),(Xt2,Yt2),那么 t1t2年耕地资源或粮食生产总量的重心迁移距离为D=(Xt2-Xt1)2+(Yt2-Yt1)2.(3)1.2.2 标准差椭圆标准差椭圆能够衡量地理要素的方向性、向心性及其变化趋势17.标准差椭圆的 x 轴标准差表示耕地资源分布方向;y 轴标准差表示耕地资源分布范围,为空间分布特征提供了可视化的展现18.本文对非洲 2000 年、2005 年、2010 年、2015 年和 2020 年的耕地数据进行了标准差椭圆计算,通过其核心参数即转角、椭圆面积、扁率、沿 x 轴的标准差及沿 y 轴的标准差来反映研究区在 20 年间耕地的分布变化趋势、主要变化方向、集聚与离散趋势及方向性强弱.计算公式如下:Hx=ni=1(xi-x)2n;Hy=ni=1(yi-y)2n.(4)式(4)中:Hx,Hy为椭圆方差;xi,yi为地理要素 i 的坐标;x,y 为地理要素的平均中心;n 为要素个数.椭圆的方向角度 tan 的计算方法为tan =ni=1xi2-ni=1yi2+ni=1xi2-ni=1yi2()2+4ni=1(xiyi)()22ni=1(xi yi).(5)式(5)中:是以正北方为起始顺时针旋转至 x 轴的角度;xi,yi是平均中心偏差.则可以确定 x 轴、y 轴的标准差公式为:x=2ni=1(xicos -yicos)2n;y=2ni=1(xicos +yicos)2n.(6)1.2.3 局部空间自相关局部空间自相关可有效地分析不同空间单元与邻近区域空间差异程度及其显著水平19,其计算公式为Morans I=ZiS2ni=1wijZj.(7)式(7)中:Zi=yi-y;Zj=yj-y;S2=1nni=1(yi-y)2;wij为空间权重值.通过 LISA(local indicators of spatial association)集聚图来体现局部 Morans I 的局部空间自相关水平,分为“高-高”类型、“低-低”类型、“低-高”类型和“高-低”类型 4 类.前 2 类表示局部空间正相关即空间集聚现象,后 2 类表示局部空间不存在集聚现象20.2 结果与分析2.1 非洲耕地资源数量变化特征由图 1 可知,20002020 年间,非洲耕地面积呈现明显的上升态势,与 2000 年相比,2020 年耕地面541 第 2 期 解雪峰,等:20002020 年非洲耕地资源时空格局变化分析积增加了 6 321.92 万 hm2,增长率约为 53.44%.20 年间,仅 2004 年、2009 年和 2015 年的耕地总面积出现下降.从国别(见表 1)来看,大部分非洲国家耕地面积有增加,阿尔及利亚、塞拉利昂、喀麦隆和马里等国耕地面积增加比例较高,皆超过 150%,刚果(金)、坦桑尼亚、尼日利亚和尼日尔等国耕地面积增长量较大,皆超过 500 万 hm2.而利比亚、南非、索马里、莱索托等 10 国在 20 年间耕地面积出现减少的现象,其中南非和摩洛哥耕地面积减少量最大,皆超过 100 万 hm2,而圣多美和普林西比耕地减少的比例最高.图 1 20002020 年非洲耕地总面积变化图表 1 20002020 年非洲各国耕地面积及变化率国 别2000 年耕地面积/hm22020 年耕地面积/hm2变化率/%国 别2000 年耕地面积/hm22020 年耕地面积/hm2变化率/%埃及3 048 9933 928 90028.86加纳2 169 5314 052 55786.79苏丹(原)6 637 14710 524 36558.57多哥973 1201 898 15595.06利比亚367 704335 449-8.77贝宁1 274 4732 274 71278.48突尼斯1 218 3331 297 8706.53尼日利亚26 809 11135 281 53731.60阿尔及利亚1 219 7943 195 063161.94尼日尔11 266 91616 409 25645.64摩洛哥5 850 0044 814 683-17.70西撒哈拉埃塞俄比亚6 133 1809 123 35048.75乍得1 806 6183 188 68776.50厄立特里亚373 025482 36429.31中非379 285471 55324.33索马里599 923451 313-24.77喀麦隆1 220 5443 289 533169.51吉布提8 5067 091-16.64赤道几内亚30 69443 12640.50肯尼亚3 277 9544 737 29244.52加蓬67 18596 29943.33坦桑尼亚4 973 48610 022 136101.51刚果(金)115 169201 70175.14乌干达3 378 3003 787 84812.12刚果(布)4 418 21110 154 327129.83塞舌尔141935.71圣多美和普林西比1 590603-62.08卢旺达1 079 4071 707 27258.17博茨瓦纳167 573198 60918.52布隆迪650 2471 518 316133.50纳米比亚321 111566 49776.42毛里塔尼亚309 418414 16333.85安哥拉1 725 7474 802 530178.29塞内加尔1 344 1142 388 42777.70南非5 508 3514 255 109-22.75冈比亚147 100245 14566.65斯威士兰81 52480 607-1.13马里2 563 7246 618 394158.16莱索托233 442126 711-45.72布基纳法索2 977 5265 867 85897.07马达加斯加2 000 8792 423 55821.13几内亚1 394 0073 376 025142.18马拉维2 391 3433 591 62350.19几内亚比绍161 415176 8539.56科摩罗38 83158 89451.67佛得角68 03460 727-10.74毛里求斯1 1331 38021.80塞拉利昂322 193970 196201.12莫桑比克3 020 9045 407 58579.01利比里亚230 871340 00747.27赞比亚975 1601 956 661100.65科特迪瓦1 150 7482 600 320125.97津巴布韦1 818 1321 697 673-6.63 注:“-”表示无数据.641浙江师范大学学报(自然科学版)第 47 卷2.2 非洲耕地资源空间变化特征注:基于自然资源部标准地图服务网审图号为 GS(2016)2940 号的标准地图制作,底图边界无修改,下同图 2 20002020 年非洲耕地资源标准差椭圆及重心迁移轨迹 总体来看(见图 2),非洲耕地资源重心迁移主要分为 2 个阶段:20002005年,非洲耕地资源重心以超过10.27 km/a的速度向北偏东方向移动.这期间南非耕地减少比例达到 38.39%,使得整个南部非洲的耕地增长量下降.这与其独特的社会经济环境相关,从事农业活动的人口在这 5 年间出现显著减少,导致大量耕地撂荒,退化为草原、灌木等21.与此同时,随着大宗商品价格上升,新兴经济体快速增长等利好因素影响,中东地区,乃至亚洲的国家机构和国际投资基金对非洲农业的投资大幅增加,非洲东部地区的国家也不断加大开荒力度,促进草原向耕地转化10.同时由于经济发展水平不高,城市化水平较低,大部分劳动力也从事农业生产活动,坦桑尼亚、埃塞俄比亚等国超过75%的农耕地由个体农户进行耕种,在草原上开垦了大量农田,使东部地区耕地面积增长量较大22.20052020 年,非洲耕地利用重心一直向偏西方向迁移,迁移速率相对前一时期较小,平均迁移速率达4.00 km/a,15 年间总迁移距离达到 60.53 km,其原因可能在于西部非洲国家重视农业的发展,开垦力度在这 15 年间不断增强,耕地面积增长较快导致重心向西偏移23.同时东非地区乌干达、索马里及东非附近的苏丹等国战乱频发,常导致难民流离失所,耕地出现撂荒,此消彼长之下,耕地重心呈现向西部偏移的趋势24.由图 2 可知,非洲耕地利用标准差椭圆为“西北东南”向,基本覆盖了耕地密集区,总体上 20 年间椭圆面积呈缩小趋势.研究区标准差椭圆变化呈现一定的方向性,与耕地重心的迁移存在一定的相关性.由表 2 可知,20 年间椭圆转角由 131.99逐渐缩小至 124.74,表征椭圆有从垂直向水平方向转动的趋势,并且标准差椭圆逐渐向西南方向偏移.其原因为西非、东非耕地面积增长显著,而相比较之下,北非和南非耕地增长有限,使得标准差椭圆转角出现如图 2 所示的变化.20 年间 y 轴标准差总体呈缩小趋势,由 28.53 降至 26.75,表征着数据分布范围渐小,非洲耕地分布所展现的向心性越来越明显.其原因可能是位于非洲大陆中西部位置的国家耕地面积增长显著,而边缘地区,如南非等,耕地面积减少显著,此消彼长之下,非洲耕地分布向心性增强,表现在标准差椭圆上则是椭圆面积与短半轴的降低.而椭圆扁率表示耕地分布的方向性强弱,扁率越大即方向性越强.由表2 可知,20 年间椭圆扁率基本不变,耕地分布方向始终为“西北东南”向.表 2 20002020 年非洲耕地资源标准差椭圆参数变化标准差椭圆参数2000 年2005 年2010 年2015 年2020 年转角/()131.99128.79127.34125.88124.74x 轴标准差52.5052.0051.7550.8049.29y 轴标准差28.5327.4927.7127.3426.75椭圆扁率0.460.470.470.460.46741 第 2 期 解雪峰,等:20002020 年非洲耕地资源时空格局变化分析2.3 非洲耕地资源空间集聚特征通过 LISA 集聚图来进一步分析非洲耕地资源的空间集聚特征(见图 3).整体来看,非洲大部分国家并无显著集聚或分异,非洲耕地资源 LISA 图谱变化频率小,仅尼日利亚、刚果(布)、加蓬、圣多美和普林西比、赤道几内亚及佛得角出现集聚变化.图 3 20002020 年非洲耕地资源变化 LISA 集聚图1)“高-高”类型区域.20002020 年,尼日尔一直为“高-高”类型,表示其本身耕地面积较大,占非洲耕地总面积的9.04%,周围国家为布基纳法索、马里和尼日利亚,耕地面积均较大,占比都超过 3.00%,其原因可能是这几个国家位于西非,区域气候等条件适宜农业发展,国家也重视农业垦荒,大规模战争发生频率较低,人口数量众多,开垦的耕地也较多12.20102020 年,尼日利亚也成为“高-高”类型区域,尼日利亚的耕地面积占比达到非洲耕地总面积的19.44%,其人口数量也超过 1 亿,对于粮食的需求较大,故该国重视耕地的开垦和粮食安全,也有足够的劳动力参与农业生产活动中,所以耕地面积稳居非洲首位.2)“低-高”类型区域.20002020 年,西非地区的贝宁始终为“低-高”类型,其原因可能是贝宁土地面积较小,可开垦耕地面积自然也较小,而周围 4 个国家中除多哥与其情况类似(土地面积小、耕地面积上限较低)外,另外 3 个国家分别为布基纳法索、尼日利亚和尼日尔,皆是耕地面积大国,超过贝宁耕地面积数倍,使得对比之下的贝宁成为明显的耕地面积低值区,且 20 年来非常稳定.而多哥由于周围 4个国家中不包含尼日尔和尼日利亚,所以没有呈现为“低-高”类型.3)“高-低”类型区域.20002020 年,南非一直为“高-低”类型,其周边国家耕地面积较小,境内大部分土地不适合开垦耕种.纳米比亚境内有纳米布沙漠,沿岸寒流流经,气候条件不利于农业耕种;博茨瓦纳中部和西南部则有喀拉哈里沙漠,占到国土面积的2/3,而西北方是巨大的奥卡万戈沼泽,境内不适宜农业耕种开垦的面积较大,使得该两地耕地面积较少12.而南非国土面积较大,可开垦耕地的土地充足,其农业发展时间又相对较早,在殖民者侵略时期就建立起不少现代化的大农场,农业发展水平高14.不过,南非耕地面积在20 年间下降了超20%,其原因可能是,经济社会的发展,城市化率的提高,经济重心由农业转向第二和第三产业,使得从事农业耕种的劳动力减少,部分耕地撂荒.4)“低-低”类型区域.2000 年的刚果(布)、加蓬、圣多美和普林西比及赤道几内亚属于“低-低”类型国家,这些国家都属于中非地区,分布在热带雨林区内,当地经济发展落后,生产力水平较低,开垦荒地难度大且农业知识落后.随着经济的发展才有所好转,20 年来耕地面积增长也超过了 40%,刚果(布)甚841浙江师范大学学报(自然科学版)第 47 卷至达到了 75%.2005 年出现一个国家,为佛得角,但其国土位于佛得角群岛,与非洲大陆主体隔海相望,与其邻近国家间相互影响作用弱,此处不做重点阐述.3 结 论本文基于 20002020 年间的联合国粮农组织非洲耕地面积统计数据,结合重心迁移模型、标准差椭圆和局部空间自相关分析对非洲耕地资源的时空格局变化特征进行了分析.结论如下:1)非洲耕地整体数量呈稳定上升趋势,20 年间耕地面积增加了53.44%,但各国家间存在显著差异.2)非洲耕地资源重心总体向西北方向迁移,移动总距离为 111.86 km,迁移速率先快后慢.非洲耕地分布呈“西北东南”向,有向水平方向倒伏趋势,向心性不断增强.3)非洲大部分国家与其周围国家间无明显耕地分布集聚或分异,高值集聚区主要出现在西非,异常区为南非及贝宁,“低-低类型”国家主要在 2000 年出现于中非地区.参考文献:1罗翔,曾菊新,朱媛媛,等.谁来养活中国:耕地压力在粮食安全中的作用及解释J.地理研究,2016,35(12):2216-2226.2TSCHARNTKE T,CLOUGH Y,WANGER T,et al.Global food security,biodiversity conservation and the future of agricultural intensificationJ.Biol Conswrv,2012,151(1):53-59.4FRELAT R,LOPEZ-RIDAURA S,GILLER K,et al.Drivers of household food availability in sub-Saharan Africa based on big data from small farmsJ.P Natl Acsd Sci USA,2016,113(2):458-463.4张莉.20002010 年非洲耕地利用格局时空变化研究D.北京:中国农业科学院,2018.5Food and Agriculture Organization of the United Nations.The state of food security and nutrition in the world 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