【研究意义】粮食安全是关乎国家和地区社会稳定的战略性问题。气候危机、新冠疫情、国际粮食贸易封锁等全球性问题加剧了人们对粮食安全的担忧。《2022全球粮食危机报告》表明，2021年全球近2亿人面临严峻的粮食危机；同时，联合国粮农组织和世界粮食计划署发出全球粮食严重不安全形势的警告。然而，世界粮食产量的增长空间不大^[1]，耕地供给及其可持续利用是制约粮食生产的主要原因^[2]。在我国，“三调”数据显示，过去10年间耕地面积减少753.71万hm²，但粮食产量连续多年增产。换言之，我国实现了在更少的耕地上产出更多粮食，而单位耕地面积增产不能作为填补耕地面积减少的理由，耕地红线不可触碰。随着国家耕地保护政策及措施的持续加强，近年来我国耕地面积已实现净增加。流域地区是一个水系的干流及其支流流经的所有地区，具备地势平坦、土壤肥沃、水源充足等种粮天然优势，遍布粮食产地。在水资源紧缺成为制约粮食生产及其产能提升的硬性约束形势下，流域地区自然资源（尤其是耕地资源）优势更加显著，粮食生产主体地位更加凸显。

【前人研究进展】通过文献梳理分析发现，国外学者大多关注流域耕地产能^[3]、水土（耕地）资源配置^[4]及其可持续发展^[5]等问题，而国内学者从全国、省级和地市级尺度出发，聚焦流域耕地时空演变^[6]及其扩张差异特征^[7]、耕地生产力变化^[8]及水土资源匹配^[9]、耕地多功能评价^[10]与功能转型^[11]等方面。同时，基于粮食安全与生态保护视角，开展流域粮食生产对耕地利用响应^[12]、耕地变化与农业生产关系^[13]及其对生态环境影响^[14-15]的研究，并从调控途径创新^[16]、政策体制完善^[17]等方面提出建议。【本研究切入点】已有研究较全面地探讨了流域地区耕地利用与保护问题，使得相关研究更为深入和全面，但对县域尺度的研究有待加强。区域空间耕地资源随时间不断变化，在稳步推进高质量发展和新型城镇化的时代背景下，把握流域耕地变化规律及其对粮食生产的影响具有重要的现实价值。【拟解决的关键问题】本文以流域耕地可持续集约利用为切入点，综合运用数理量化模型和GIS空间分析法研究四川重点流域耕地面积变化时空特征及其对粮食生产格局的影响，以期为地区农业可持续发展、耕地保护与粮食安全决策提供科学依据。

1　研究区概况与研究方法 1.1　研究区概况

四川省位于我国西南部，地处长江上游，介于26°03′~34°19′N、97°21′~108°12′E之间，地势西高东低，气候宜人、水源充足，是我国13个粮食主产区之一，更是我国西南地区唯一的粮食主产区，素有“天府之国”的美誉。四川粮食产地集中分布在岷江、嘉陵江、长江（上游）沿岸等重要水系流域地区，其粮食安全不仅直接影响全省经济发展和社会稳定，粮食供求平衡对确保我国实现粮食安全目标也具有重要的全局性意义。截至2020年，四川重点流域（重要水系干流途经地区）耕地面积为244.93万hm²，占四川省耕地面积的46.86%，其中粮食种植面积为211.78万hm²，占四川省粮食种植面积的33.55%；粮食产量为1 183.14万t，占四川省粮食产量的33.54%。需要说明的是，依据《四川省重点流域区划（2006 － 2010年）》，本文实际研究范围为四川省重要水系干流途径地区，且以县域行政单元为最小研究单元。研究区示意图见图 1。

1.2　研究方法

1.2.1 耕地面积时空变化分析　（1）耕地变化强度指数^[18-19]。耕地变化强度指数是以地区为参照，反映耕地面积在研究时段内的变化状况。

式中，p为耕地变化强度指数，A_t+1为某一地区耕地期末面积，A_t为某一地区耕地期初面积。

（2）空间自相关模型。空间自相关模型包括全局空间自相关和局部空间自相关，用于分析耕地面积变化的空间集聚程度和集聚中心空间位置^[20]。其中，全局空间自相关可采用全局莫兰指数（Global Moran’s I，I_G）整体判断耕地面积变化是否存在统计学上的集聚或者分散现象，I_G的取值范围为[-1, 1]，I_G>0表示集聚分布，I_G < 0表示离散分布，I_G=0表示随机分布。局部空间自相关可采用局部莫兰指数（Local Moran’s I，I_L）识别耕地面积变化状况高值和低值的空间聚类特征，I_L >0表示某一单元观测值与周围单元差异小，I_L < 0表示某一单元观测值与周围单元差异大。

式中，n为研究地区数；y_i、y_j分别为i、j地区的观测值；y为整个地区的平均值；w_ij为空间权重矩阵，i、j地区相邻则权重为1、不相邻则权重为0。

1.2.2 耕地面积变化对粮食生产格局的影响分析　（1）粮食生产空间转移模型。粮食生产格局可采用粮食生产空间转移模型加以分析。粮食生产空间转移模型就是假设某一地区粮食生产总量处于平衡且自给状态，其内部各个地区粮食生产能力的强弱分化往往意味着粮食生产的转移。因此，可通过把握各个地区粮食生产能力的强弱分化直观反映整个地区粮食生产格局变化，包括粮食生产总量转移和份额转移^[21]。

式中，I为粮食生产空间转移系数，G_t、G_t+1分别为某一地区期初粮食产量和期末粮食产量，F_t、F_t+1分别为某一地区期初粮食产量和期末粮食产量占上一级地区总产量的份额。基于已有研究做法^[18]，并结合研究区实际，若I＞1.2，表明粮食生产与期初相比相对强化；1 ≤ I ≤ 1.2，表明粮食生产与期初相比相对稳定；I＜1，表明粮食生产与期初相比相对退化。

（2）敏感度模型。敏感度是指某一系统对其外界条件或要素变化的响应程度^[22]。耕地面积变化对粮食生产的影响可通过测度粮食生产对耕地面积变化的敏感度加以表征，采用刘彦随等^[23]提出的粮食生产对耕地面积变化的敏感度评价模型。

式中，β为敏感度系数，G_t、G_t+1分别为某一地区期初粮食产量和期末粮食产量，A_t、A_t+1分别为某一地区期初耕地面积和期末耕地面积。若β值为负，表明粮食产量与耕地面积反向变化，粮食产量对耕地面积变化不敏感；若β值为正，表明粮食产量与耕地面积同向变化，粮食产量变化受耕地面积增减变化的影响。β值越大，说明粮食产量对耕地变化的敏感度越高，即耕地面积的较小变动会造成粮食产量的较大波动。基于敏感度系数β，可将耕地面积变化对粮食生产格局的影响划分为无敏感性、低敏感性、中敏感性和高敏感性4个级别^[23]（表 1）。

1.3　数据来源

研究数据（耕地面积、粮食产量基础数据）均来源于2001 － 2021年《四川统计年鉴》《四川农业统计年鉴》以及所涉地市统计年鉴、各年度国民经济和社会发展统计公报，部分缺失数据采用线性插值法补齐。

2　结果与分析 2.1　四川重点流域耕地面积时空变化特征

2.1.1 耕地面积变化基本特征　2001 － 2020年四川重点流域耕地面积总体上增加91.57万hm²，增幅为37.39%，但不同经济发展时期存在差异，其耕地变化强度指数介于-0.6271~2.8058之间。从不同经济发展时期出发，根据四川重点流域耕地变化强度指数，采用ArcGIS10.3自然间断点分级法（Jenks）将其划分为耕地减少区、耕地基本不变区和耕地增加区3类。由图 2可知，2001 － 2005年，除岷江下游的犍为县和嘉陵江中游的顺庆区为耕地减少区之外，其余流域为耕地基本不变区或耕地增加区，呈现由内向外“基本不变→增加”扩展的演变态势，这得益于强化“占补平衡”以落实耕地补充方案、整顿开发区建设用地管理等耕保政策的实施。2006 － 2010年，地方政府进一步探索土地督察制度并建立土地督察机构，以及在双保（经济增长与耕地红线）行动、双保工程等政策加持下，除大渡河下游的汉源县和岷江中游的汶川县、温江区、双流区、青羊区和武侯区为耕地减少区之外，其余大部分流域为耕地基本不变区，零星分布着耕地增加区。但快速城镇化、工业化进程对建设用地刚性需求较大，使得耕地压力增大。2011－2015年，耕地减少区明显增加，连片分布在金沙江、雅砻江、大渡河和岷江等干流大部分地区，其余流域耕地面积处于基本不变或增加的状态。为此，地方政府进一步深入落实以用途管制为核心的耕地保护政策，协调“吃饭”与“建设”问题，耕地面积变化态势有所改善。2016－2020年，除岷江中游的青羊区增加和武侯区耕地面积减少之外，其余流域耕地面积基本不变，处于平稳变化状态。

综上，近20年四川重点流域耕地面积变化整体趋于稳定态势，但不同经济发展时期表现为“增加→基本不变→减少→基本不变”的变化趋势。其中，嘉陵江流域和长江上游地区耕地面积变化平稳，基本处于耕地面积增加或基本不变的状态，这与地区经济发展和城镇化进程相关联，以及得益于长江上游自然资源保护政策实施及其主体功能管制的落实。

2.1.2 耕地面积变化空间集聚状态　进一步将四川重点流域的82个县域耕地变化强度指数作为观测变量，采用Global Moran’s I判定82个县域耕地面积变化的总体空间集聚特征。由图 3可知，2001－2020年四川重点流域在不同经济发展时期的I_G均大于0，且均通过1% 的显著水平检验，说明其空间分布具有正相关；同时，不同象限内的单元分布存在一定差异，且集中分布在第一象限和第三象限，表明四川重点流域耕地面积变化具有空间集聚分布特征。

然而，特定区域耕地面积变化集聚状况仍不清楚，因此引入Local Moran’s I作进一步分析。由图 4可知，2001－2020年四川重点流域耕地面积变化的空间集聚类型为高－高集聚、低－低集聚2类，其中高－高集聚的县域2001－2005年有9个、2006－2010年有4个、2011－2015年有13个、2016－2020年有4个，低－低集聚的县域2001－2005年有17个、2006－2010年有7个、2011－2015年有20个、2016－2020年有3个。可见，高值聚类区和低值聚类区在不同经济发展时期均呈现出倒“N”形波动增减的态势。其中，高值聚类区耕地面积变化较大，这是由于地方经济发展对土地刚性需求增加（尤其是耕地占用行为频发），以及受农业结构调整、工商资本下乡诱导耕地利用行为转变等影响，增加了耕地压力；低值聚类区耕地面积变化较小，集中分布在川西山区且受地形影响，这些地区耕地资源相对较少，且在耕地用途管制等耕地保护政策实施下，以及为满足基础农业生产需要的作用下，耕地面积变化幅度较小。另外，部分低值聚类区分布在岷江中游成都市的西部和南部，这是由于该地区遍布基本农田和粮食生产基地，持续且严格的粮食安全保障需求和相关保护政策实施，确保了耕地安全。

2.2　四川重点流域耕地面积变化对粮食生产格局的影响

2.2.1 粮食生产格局状况　根据2001－2020年四川重点流域不同经济发展时段的粮食生产空间转移系数I值划分粮食生产转出区（即耕地粮食生产减少区）、粮食生产转入区（即耕地粮食生产增加区）和粮食生产稳定区（即耕地粮食生产稳定区）3类，其中粮食生产转出区受经济发展需求的影响、粮食生产转入区主要受农业生产条件的影响。由图 5可知，2001－2005年，粮食生产转出区的县域36个、生产转入区的县域5个、生产稳定区的县域41个，分别占四川重点流域的43.90%、6.10%、50.00%；2006－2010年，粮食生产转出区的县域51个、生产转入区的县域7个、生产稳定区的县域24个，分别占四川重点流域的62.20%、8.54%、29.26%；2011－2015年，粮食生产转出区的县域21个、生产转入区的县域3个、生产稳定区的县域58个，分别占四川重点流域的25.61%、3.66%、70.73%；2016－2020年，粮食生产转出区的县域47个、生产转入区的县域16个、生产稳定区的县域19个，分别占四川重点流域的57.32%、19.51%、23.17%。可见，四川重点流域粮食生产转出区、生产转入区和生产稳定区均呈现波动增减态势。但从整体上看，粮食生产转出区和生产转入区均有所增加，增幅分别为13.42%、13.41%，变化态势基本持平，但粮食生产稳定区减少明显，降幅为26.83%，表明粮食生产存在明显的地区退化现象。同时，粮食生产状况与地区经济发展水平之间存在一定的空间反向关系，粮食生产总体上呈现出金沙江、雅砻江、大渡河、岷江和嘉陵江流域有所退化，而长江上游有所增强的空间格局特征，这主要受地区经济发展水平提升造成各项建设占用耕地现象依然存在，以及种粮成本增加导致农民大多不愿从事粮食生产等因素的影响。

2.2.2 粮食生产对耕地面积变化的敏感度状况　通过衡量粮食生产对耕地面积变化的敏感度可侧面反映四川重点流域耕地面积变化对粮食生产格局的影响。由图 6可知，2001－2005年，粮食生产对耕地面积变化高敏感的县域2个、中敏感的县域2个、低敏感的县域37个、无敏感的县域41个，具有敏感性的县域占流域的50.00%，敏感度较高的县域集中在岷江中游成都市的双流区、嘉陵江流域广元市的朝天区和剑阁县以及南充市的仪陇县。2006 － 2010年，粮食生产对耕地面积变化高敏感的县域11个、中敏感的县域6个、低敏感的县域18个、无敏感的县域47个，具有敏感性的县域占流域的42.68%，敏感度较高的县域零星分布在各流域的个别地区，其中嘉陵江流域最为集中。2011 － 2015年，粮食生产对耕地面积变化高敏感的县域1个、中敏感的县域0个、低敏感的县域64个、无敏感的县域17个，具有敏感性的县域占流域的79.27%，敏感度较高的县域主要在岷江中游成都市的武侯区。2016 － 2020年，粮食生产对耕地面积变化高敏感的县域22个、中敏感的县域6个、低敏感的县域15个、无敏感的县域39个，具有敏感性的县域占流域的52.44%，敏感度较高的县域集中在金沙江下游、雅砻江中下游和大渡河下游个别地区、岷江流域和长江上游大部分地区以及嘉陵江中下游地区。可见，耕地面积变化是四川重点流域粮食生产空间转移的重要成因，具有敏感性的县域呈现集中且多点分布的特点，这与地区经济发展状况和城镇化进程相关联。其中，金沙江、雅砻江和大渡河流域具有敏感性的县域多集中在牧区和农牧交错区，这些地区为了发展粮食生产，通过开垦荒地等措施增加农业灌溉面积，但又受制于“退耕还林还草”等政策实施，使得粮食生产增减与耕地面积增减密切相关。同时，快速城镇化进程使得岷江流域、嘉陵江流域和长江上游流域的县域耕地“非农化”流失趋向日趋凸显，粮食生产变化受物质劳动投入、土地利用方式以及管控政策变动等多因素综合影响。

3　讨论

土地利用/覆被变化一直是国内外研究的重点，耕地作为农业生产活动的基础，是土地利用研究最主要的内容之一^[24]。流域地区位于水陆交汇地带，具有脆弱性和敏感性，人地关系矛盾较为突出，而四川粮食产地集中分布在岷江、嘉陵江、长江（上游）沿岸等重要水系流域地区，把握流域耕地变化规律及其对粮食生产的影响具有重要的现实价值。与大多学者围绕流域耕地产能^[3]或生产力变化^[8]、耕地利用功能转型^[11]及其对生态环境影响^[14]等研究相比较，从县域单元出发开展流域耕地变化对粮食生产格局的影响研究，能够较好地反映流域耕地可持续利用状况。

对四川重点流域研究发现，2001 － 2020年耕地面积变化及其对粮食生产格局影响在不同经济发展时期具有明显的波动变化差异，耕地面积变化是引起流域粮食生产空间变化的主要原因，与地区经济发展水平以及城镇化进程具有关联性。本研究结果能够较好地反映出研究区耕地面积变化及其对粮食生产格局的影响状况，与已有研究结果具有一定的共性^[19]，且未来需要持续关注流域耕地利用及其结构优化问题。但受限于数据获取及其完整性，本文仅分析了研究区2001 － 2020年耕地面积变化特征及其对粮食生产格局的影响，后续研究开展需要进一步注重研究时段的选取和研究年限的更新，且加强县域内部状况及其影响机制的挖潜，以揭示流域微观层面上的耕地利用对粮食生产格局影响的内在机制，进一步增强研究结果的现实指导性。同时，通过构建经济计量模型，分析流域耕地面积变化对粮食生产格局影响的关键因素是下一步需要开展的研究之一。

4　结论与建议 4.1　结论

以四川重点流域82个县域为研究区，综合采用数理量化模型和GIS空间分析法探讨研究区2001 － 2020年不同经济发展时期的耕地面积变化时空特征，并进一步探究耕地面积变化对粮食生产格局的影响，得出以下主要结论：

（1）2001 － 2020年，四川重点流域耕地面积变化整体趋于稳定态势，但不同经济发展时期呈现出“增加→基本不变→减少→基本不变”的变化趋势，其中嘉陵江流域和长江上游地区耕地面积变化基本处于耕地面积增加或基本不变的状态；同时，四川重点流域不同经济发展时期的耕地面积变化空间集聚类型主要为高－高集聚、低－低集聚2类，且高值聚类区和低值聚类区在不同经济发展时期均呈现出倒“N”形波动增减的态势。

（2）2001 － 2020年，四川重点流域粮食生产空间转移类型呈现出波动增减的态势，总体上表现为粮食生产转出区和粮食生产转入区有所增加、粮食生产稳定区明显减少，具体呈现出金沙江、雅砻江、大渡河、岷江和嘉陵江流域地区有所退化，而长江上游地区有所增强的空间格局特征。

（3）耕地面积变化是四川重点流域粮食生产空间转移的重要成因，2001 － 2020年四川重点流域粮食生产对耕地面积变化具有敏感性的县域呈现出集中且多点分布的特点，这与流域地区经济发展状况和城镇化进程相关联。

4.2　建议

在“‘守牢红线’全方位夯实粮食安全根基”的新征程要求下，未来需要从以下几方面着力，确保四川重点流域耕地资源可持续利用。

一是严格落实耕地用途管制制度，划定流域耕地红线。地方政府要依托县域及乡镇国土空间规划编制契机，以乡镇为基本单元，细化耕地农业用途功能分区，明确耕地粮食生产用途刚性红线，加强耕地“良田粮用”监管，规范土地流转用地行为，落实“进出平衡”制度。同时，强化耕地“占补平衡”制度的地区宏观调控作用，以耕地基本适应性为基础，建立流域耕地储备区并用于耕地补充，实现耕地占补在数量、质量、生态方面的综合平衡，保障耕地利用综合效益最大化。

二是加强地区主管部门协同管理，形成流域耕地保护合力。建议地区自然资源管理部门成立耕地保护问题专门整治小组，重点督促耕地农业用途不改变，保护耕地粮食种植的首要功能；农业农村管理部门应建立农技人员驻村工作指导制度，派遣农技人员对接乡村，推广粮食种植技术，科学指导农民种植行为，提高农民粮食种植热情，确保粮食产量稳步提升；林草管理部门应科学设定绿化目标与规划，避免违规占用耕地进行绿化造林，进而导致耕地“非农化”问题，保障耕地资源粮食生产空间。

三是建立耕地保护长效利益补偿机制，提高流域粮食生产供给能力。通过测算全省各地市州之间以及各地市州内部区县之间耕地资源盈余和赤字水平，明确补偿标准，建立耕地价值补偿核算体系。以土地经营权为依据精准识别种粮户，依据谁种粮、谁受益的原则对实际种粮行为主体按照实际面积发放补贴，并建立粮价动态监管机制，加大粮价保护力度。完善流域耕地补偿资金用途规制体系，落实耕地补偿资金台账制度，严格监督各地区实施情况，确保补偿政策落实到位。

四是构建耕地安全预警调控机制，确保流域粮食生产用地安全。构建土地运行系统预警响应技术平台，整体提升耕地利用指标数据的采集与监测、分析与预警、决策与处置，形成耕地资源、生态系统及其与经济社会发展内在互动的多要素安全预警系统。依据经济社会发展与用地规律，从重点流域实际出发，构建耕地关键要素系统的警情调控机制，并遵循国土空间规划要求，制定耕地利用标准，设定耕地警度阈值范围以合理配置耕地资源，权衡经济建设与粮食安全关系，实现经济建设与粮食保护协调并进。