《Advances in Space Research》：Stable cropping intensity and dominant human-induced productivity improvement in the trajectory of land use intensification in eastern China
李国宇|曹宇|萨曼莎·L·利马|陈航|黄阳飞|布莱恩·C·皮贾诺夫斯基
浙江科技学院土木工程与建筑学院，中国杭州310023
摘要
追踪农业集约化在土地系统中的发展轨迹对于高效和可持续地管理土地资源至关重要。关于耕地利用集约化趋势的研究通常集中在种植强度上，而土地生产力的动态及其驱动因素往往被忽视。本文通过结合大规模MODIS数据、时间序列重建、趋势检测和残差趋势分析（RESTREND）方法，研究了2001年至2020年中国东部地区种植强度和耕地生产力的同时变化趋势。研究结果表明，土地利用强度和生产力的时空模式在不同省份之间存在差异。过去二十年中，大多数耕地的利用状况保持稳定，种植频率和土地生产力的趋势均未出现统计学上的显著变化；然而，有相当一部分耕地（20.7%）的生产力持续提升。生产力高且不断提高的耕地主要集中在长期实行多熟制种植的地区。我们进一步分离了人类干预对土地生产力趋势的影响，发现人为因素导致的生产力变化占绝大多数（93.5%），凸显了其在影响生产力动态中的主导作用。研究结果表明，研究区域的耕地集约化趋势总体上是稳定的或有所提升，呈现出维持或提高生产力的趋势。所提出的方法为描绘不同时空下的耕地利用轨迹提供了全面途径，并有助于确定需要采取针对性管理措施的优先区域。
引言
近几十年来，人口增长带来的食物需求以及饮食结构的改变给全球农业土地系统带来了前所未有的压力（Mueller等人，2012年）。在气候变化、城市扩张和农业生态系统退化的背景下，确保粮食安全成为当务之急，这要求我们必须重点关注农业土地利用方式（West等人，2014年）。可持续管理耕地是实现联合国可持续发展目标（如目标2.4和15.3）的核心，对于解决当前粮食生产问题以及推进更广泛的可持续发展议程具有重要意义（Kanter等人，2018年；Sims等人，2020年）。
耕地通过密集的人类干预得到积极管理，对农业生态系统产生了深远影响（Verburg等人，2013年）。作为提高粮食产量的公认策略，土地集约化显著改变了农业景观的状态和动态（Pretty等人，2018年）。集约化进程可能带来正面或负面的结果：例如，轮作有利于改善土壤状况和短期生产力，而不当的田间管理则可能导致土壤退化和温室气体排放增加（Haughey等人，2023年；Li等人，2021年）。社会经济因素（包括市场需求和政策激励）推动了集约化实践，使得相关行动和后果更加复杂（García等人，2020年；Junquera等人，2024年；Zhao等人，2021年）。现有理论认为，土地集约化下的生产力提升并非一个平滑连续的过程，而是通过土地系统内的多种转变实现的，这些转变可能导致生产力的倒退或危机（Ellis等人，2013年）。因此，监测耕地集约化的多方面变化轨迹对于理解其随时间快速变化的本质及其对粮食安全和环境可持续性的影响至关重要。
有效的管理策略需要考虑土地生产力如何应对环境变化和人类干预（Carr等人，2024年；Zheng等人，2023年）。耕地生产力的动态变化是由多种因素共同作用的结果，这些因素大致可分为气候因素和人为因素。温度、降水模式和极端天气事件的变化会直接影响作物生长（Rezaei等人，2023年；Yang等人，2015年），而人为因素则通过人口统计、技术和政策等多种机制显著影响土地生产力（Zhang等人，2016年）。这些驱动因素的相互作用和相对重要性取决于具体情境，如地理位置、农业生态条件和社会经济状况（Mechiche-Alami和Abdi，2020年）。然而，以往的研究主要集中在自然生态系统中植被生产力的驱动因素分析上（Zhu等人，2016年），对气候变化和人为因素对耕地生产力的多样化及情境依赖性贡献关注不足。
数据获取和土地系统建模的最新进展为在不同空间和时间尺度上追踪耕地集约化提供了高效且空间明确的方法（Qiu等人，2024年；Waha等人，2020年）。种植频率（指特定时期内单位面积耕地的收获周期总数）被广泛用于描述全球和区域层面的长期耕地集约化趋势（Liu等人，2023年；Yang等人，2020年；Zhang等人，2021年）。与基于实地调查或部门统计的数据相比，种植频率能够提供更精细的空间信息和更广泛的范围，从而为量化农业集约化的研究提供重要补充（Mouratiadou等人，2021年；Smith等人，2017年）。此外，集约化概念既包括投入强度（如增加种植频率），也包括产出能力（通常以土地生产力衡量，Li等人，2023年）。许多研究利用卫星衍生的植被指数来量化耕地的净初级生产力，这些方法在大规模作物产量估算中非常有效（Li等人，2023年；Luo等人，2023年）。这些研究有助于从土地利用投入和产出的角度更好地理解耕地集约化的轨迹，但以往的研究很少同时关注种植强度和土地生产力的变化。
特别是在像中国这样耕地扩张潜力有限的发展中国家，集约化耕作对于养活快速增长的人口至关重要（Bryan等人，2018年；Zhang等人，2020年）。鉴于持续的土地利用变化和农场管理方式的转变，中国将继续将集约化土地利用作为政策重点，以提高粮食自给能力（Liu和Zhou，2021年；Zuo等人，2018年）。为填补这些空白，本研究分析了2001年至2020年中国东部地区的耕地集约化轨迹。我们结合大规模MODIS数据、趋势检测和残差分析来回答三个具体研究问题：（1）长江三角洲地区的种植强度和土地生产力演变具有怎样的时空模式？（2）这些趋势是一致的还是存在差异？（3）气候和人为因素对这些变化的贡献各占多大比例？本研究揭示了农业集约化背景下耕地利用轨迹的关键特征，有望为更深入理解土地集约化提供见解，并指导土地管理实践。
方法论
与具有多年生长周期的森林或草原不同，耕地每年完成一次生长过程，在不同的农业系统和地区表现出明显的物候变化（Xiang等人，2022年）。为了全面描绘耕地利用的多样化轨迹，我们选择了基于物候的种植频率和植被初级生产力作为主要指标，这些指标代表了耕地的集约度和生产力。
耕地转换的特点
我们分析了过去二十年长江三角洲地区土地利用变化的特点（表S2和图S2）。值得注意的是，建成区面积显著增加，从2001年到2020年增加了17,055平方公里。耕地面积减少了最多，减少了16,576平方公里。耕地主要转化为建成区，其中转化为建成区的耕地面积占总转换耕地面积的84.94%。
人类活动对耕地生产力变化的影响
本研究中的残差分析有助于识别在不同地理区域中人类活动对耕地生产力变化影响更为显著的地区，从而为土地资源管理提供更科学的决策依据。该分析通过量化人类干预在耕地生产力趋势中的相对贡献，突显了人类干预在塑造农业生产力方面的主导作用。
结论
本研究通过对时间序列遥感数据进行分析和残差分析，确定了耕地集约化的关键特征。主要研究结果如下：
首先，长江三角洲地区的大部分耕地保持稳定，种植频率没有显著变化，但仍有相当一部分耕地的生产力持续提高。
其次，尽管空间分布模式……
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益和个人关系：曹宇表示获得了国家自然科学基金会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
