本期專家
吳文斌
研究員 博士生導師
中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所智慧農業創新團隊首席科學家、農業農村部農業遙感重點實驗室副主任。
Tips：
遙感技術是獲取一致、連續、可對比的全球耕地信息的強有力手段，遙感衛星如同“碧空慧眼”，實時監測著全球耕地利用格局及其滄桑變化。
耕地是糧食安全的載體，是人類社會生存和發展的戰略資源。在當前世界人口持續增加、人均耕地佔有量減少、糧食安全面臨巨大挑戰的背景下，精細刻畫全球耕地分佈空間格局，準確掌握全球耕地時空變化規律，對科學研究、國家糧食安全戰略決策具有重要意義。
全球不同地區的耕地形態
全球耕地數據產品“從跟蹤到引領”
全球範圍內由於耕作方式和種植結構的差異，耕地形狀和地塊大小不一、紋理複雜、光譜特徵多樣，全球尺度耕地遙感製圖面臨相當大的挑戰。
針對該難點問題，中國科學家以30米分辨率的Landsat衛星數據為主，結合MODIS影像、環境衛星影像和高分影像等多源數據，綜合使用耕地的光譜、紋理和物候特徵，建立了像元、對象和知識（Pixel-Object-Knowledge，POK）三個層次的耕地提取技術方法，即基於像元尺度多特徵優化的耕地分類提取、基於對象的耕地自動判別，以及基於信息服務和先驗知識的交互式對象處理。針對變化檢測中隨機干擾因素造成的偽變化，利用光譜形狀差異和光譜量值差異兩方面度量變化強度，提出了基於光譜斜率差異的耕地變化檢測方法。利用該方法研製出了世界首套30米分辨率、2000年和2010年兩期的全球耕地數據產品，實現了 “從跟蹤到引領”的跨越式發展。
全球耕地資源家底
全球陸地表面總面積1/7的耕地，養育著70億人口。2010年全球耕地總面積為1938.92萬平方千米，約佔陸表面積的14.3%。北半球耕地面積遠多於南半球，集中分佈於10°~40°N，東半球耕地面積多於西半球。亞洲和美洲耕地總面積分列第一和第二，大洋洲最少。
耕地面積佔比前十名的國家依次為：中國、美國、印度、俄羅斯、巴西、阿根廷、澳大利亞、加拿大、哈薩克斯坦、烏克蘭。2010年全球人均耕地佔有量為0.28公頃/人，耕地面積最少的大洋洲的人均耕地佔有量最大，達到1.71公頃/人；亞洲人均耕地面積最小，僅為0.17公頃/人。
人均耕地佔有量前十名國家依次為俄羅斯、白俄羅斯、烏拉圭、巴拉圭、立陶宛、拉托維亞、加拿大、阿根廷、澳大利亞和哈薩克斯坦。雖然我國耕地總面積較大，但人均耕地佔有量較低。
2010年全球耕地空間分佈
全球耕地時空變化
2000-2010年，全球耕地總面積增加了4.17×107公頃，增幅2.19%。耕地變化具有顯著的區域差異性，南半球較北半球耕地變化顯著。
非洲是耕地面積增長最快的大洲，增長幅度達7.42%；美洲是耕地面積增加最大的大洲，增長面積達2.13×107公頃；亞洲和歐洲耕地面積總量保持相對穩定。
2000-2010年全球耕地變化空間分佈
在國家尺度上，10年間巴西耕地面積增加最多，約佔全球耕地增加面積的27.3%；尼日利亞和坦桑尼亞是非洲耕地面積增加最大和增長幅度最快的國家。
在耕地面積最多的前十名國家中，中國是唯一一個耕地面積減少的國家，下降的幅度約1.0%。
巴西和阿根廷是耕地面積增加量和增加幅度最大的國家，也是國家內部耕地空間差異性最大的國家。美國和加拿大的耕地變化較小。全球國土面積最大的俄羅斯，雖然耕地總面積變化量較小，但其內部耕地變化在不同區域的差異較大。哈薩克斯坦和烏克蘭耕地面積變化量和變化幅度均較小，且兩者變化差異不大。但從國家內部耕地的空間變化幅度看，烏克蘭則呈現較高的耕地空間變化波動性。
熱點國家或地區耕地時空變化
2000-2010年我國耕地面積減少的同時破碎化問題亦趨嚴重。全國2420個縣中，703個縣的耕地呈現面積減少與破碎度增加的態勢，所佔比重明顯高於其他耕地變化類型，其空間分佈主要集中在華北大部、長三角、內蒙古中部、海南省等，大量耕地轉成建設用地（華北、長三角）、草地（內蒙）、林地（海南省）。
313個縣的耕地面積減少同時破碎度降低；295個縣耕地面積增加同時破碎度降低；215個縣耕地面積增加同時破碎度增加，279個縣耕地面積與破碎度均保持不變。從全國宏觀角度看，中國耕地利用“破碎化”的現狀與“規模化”的期望相違背，這可為未來 “耕地佔補平衡”政策的優化完善提供科學參考依據。
2000-2010年烏克蘭耕地變化空間分佈
受全球農產品需求的驅動，10年間南美亞馬遜地區耕地擴展顯著，耕地面積增加8.41%，新增耕地主要來自森林砍伐和草地佔用，人類活動對自然地表的干擾明顯加大，隨之帶來的生態環境效應受到廣泛關注。
2000-2010年亞馬遜地區耕地變化空間分佈
“一帶一路”沿線耕地主要分佈在東亞的中國、南亞的印度和中東歐地區。10年間耕地總體穩定，中東歐和東南亞地區耕地增加明顯，東亞地區耕地減少。絲綢之路經濟帶的所有國家中，阿曼、阿聯酋、土庫曼斯坦等國耕地增加明顯，約旦、以色列、黎巴嫩等國耕地減少明顯。21世紀海上絲綢之路的所有國家中，不丹、文萊、老撾等國耕地增加明顯，孟加拉國的耕地減少明顯。
“天眼觀測”，讓農業生產更智能
遙感因其高時效、大範圍和低成本的特點成為信息獲取的關鍵手段。航天遙感、航空遙感、地面物聯網等天空地一體化的農業觀測系統，能夠支撐國家不同部門對農業生產信息的準確把握，對於宏觀層面的資源調查、生產調度、災害監測、市場預警、政策評估等方面意義重大，可以服務國家農業重大決策。同時，遙感技術與農業產業相融合、與區域生產需求相結合，建立數字化、網絡化和智能化的農業生產決策系統，對指導農業生產、加快數字農業發展進程、服務數字中國建設等方面起到積極作用。
該研究成果不僅提高了中國全球高分辨率地表覆蓋製圖的技術水平和分析處理能力，也可為全球水土資源利用、糧食安全研究提供重要基礎數據，為服務中國“一帶一路”倡議和“農業走出去”戰略，充分利用國內國際“兩種資源、兩個市場”提供技術和信息支撐。
專家及團隊介紹
專家介紹：研究方向為農業土地系統，包括耕地、農作物的時空格局探測、變化過程和機理解析以及綜合效應分析。先後主持國家自然科學基金、國家973計劃和國家863計劃等國家級科研項目；獲國家科技進步二等獎2項、中國測繪科技進步特等獎1項、中國農業資源區劃學會科學技術一等獎1項；以第一/通訊作者發表SCI論文30餘篇；獲中國自然資源學會青年科技獎、中國農業科學院"十佳青年"，入選中國農業科學院首批科研英才培育工程；應邀擔任全球土地計劃第3屆開放科學會議執行主席。
團隊名稱：中國農業科學院科技創新工程智慧農業創新團隊
團隊所屬單位：中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所
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