近期，中国科学院地理所胡云锋课题组在期刊Remote Sensing上发表研究论文：Monitoring of Cropland Abandonment and Land Reclamation in the Farming–Pastoral Zone of Northern China。该研究采用年度土地覆被数据集（CLCD），提出了一种基于实际土地利用过程而非土地覆盖状态的耕地撂荒和土地复垦监测方法，并通过将此方法应用于中国北方农牧交错带，探讨了过去30年不同阶段的耕地变化趋势和适宜性水平。论文第一作者为叶俊志，中国科学院地理所博士研究生。
中国北方农牧交错带是全球生态最敏感脆弱的地区之一，受到政策调整和气候变化的影响，数十年来经历了广泛的耕地撂荒与土地复垦。然而，由于缺乏长期的撂荒和复垦的观测数据，研究人员对耕地动态变化的评估往往依赖多时间点粗分辨率的土地覆被数据集，或采用变化监测算法监测耕地逐年变化情况。这些方法有效识别了耕地覆被的多年（年际）动态，但与实际种植制度下的土地利用情况不符。因此，本文致力于在考虑土地利用过程的复杂性和可变性的基础上，探究耕地年际变化幅度和频率，以期发展一套具有时间稳定性且更准确的耕地撂荒和土地复垦的识别方法。
该研究区共覆盖中国9个省、自治区的226个县、市、旗、区，总面积达699,000平方公里。
图1 中国北方农牧交错带的地理位置和地形
2.2 数据预处理
本文使用1990-2020年CLCD数据集提取耕地撂荒和土地复垦变化信息；在此基础上，结合地形、土壤和气象数据，采用多准则决策方法（MCDM）评估不同时期耕地分布适宜性。在预处理中，首先对逐日的气象数据进行年值统计，计算多年平均；再对地形和土壤数据进行重分类和叠加分析；最后使用双边插值算法，将所有地形、土壤和气象数据重采样到1 km。
2.3耕地撂荒和土地复垦制图及耕地适宜性评价
2.3.1 耕地撂荒和土地复垦
根据联合国粮农组织的定义，耕地撂荒是指2-5年停止农业活动，在此期间没有耕种，自然植被再生；土地复垦是指将自然土地转化为农业用途。基于研究区实际种植经验，选择5年为判断年限，将第一年作为基准年，随后的一年为测试年，根据基准年和接下来4年中每个像素的土地覆盖类型对实际土地利用过程进行6种判断。详细的耕地变化监测过程和代码可点击“阅读原文”查看。
表1 撂荒和复垦的判断条件和定义
图2 撂荒和复垦过程提取技术
2.3.2 撂荒和复垦变化的频率
利用耕地撂荒和土地复垦数据集，将撂荒/复垦变化年份的非空像素赋值为1并求和，评估撂荒和复垦的变化频率。
图3 耕地撂荒和土地复垦变化频率检测技术，箭头为像素示例
2.3.3 耕地适宜性评估
本文采用多准则决策方法，从地形、土壤和气象条件等方面选择10个自然环境因素构建评价指标体系，采用层次分析法进行权重分配，在逐步加权求和后对耕地适宜性进行评价。
3 主要结果
（1）30年来，北方农牧交错带耕地变化主要经历了三个不同阶段。2000年以前，研究区耕地交替收缩和扩张，但撂荒面积总体大于复垦；2000-2010年，耕地面积显著收缩；2010年后，复垦面积超过撂荒，耕地呈低幅度扩张。
图 4 1991-2019年耕地撂荒和土地复垦的时间动态和净变化效应
（2）北方农牧交错带的耕地适宜性主要集中在中等和边际水平，其中，约33%的撂荒和复垦活动发生在中度适宜区，约42%发生在边缘适宜区。过去30年内，不适宜区和边缘适宜区的耕地撂荒逐渐增加，同时，高度和中度适宜区的土地复垦略有增加。耕地逐渐向地势更平坦、坡度较低，土壤有机质含量更高的地区转移，耕地适宜性不断提高。
图5 耕地撂荒和土地复垦的适宜性趋势
左图为不同适宜性下各阶段撂荒和复垦面积之和，右图为各阶段撂荒率和复垦率的平均值。
4.结论
本文采用逐年土地覆被数据集，基于对土地利用过程的长时序分析，对耕地撂荒和土地复垦的时空模式、变化频率进行了监测，并调查了撂荒和复垦的合理性。研究表明，在过去的30年里，中国北方牧交错带发生了大规模的耕地撂荒和土地复垦。在此期间，耕地变化主要经历了三个不同阶段，包括2000年前的撂荒复垦交替、2000年后的明显撂荒和2010年后的低水平复垦。此外，虽然该地区耕地总体适宜性较低，但大量不适宜耕种的土地逐渐被放弃，自然条件良好的高度适宜区不断复垦。在未来，如何进一步优化耕地格局，平衡生态和农业发展、并避免土地转换的不安全风险是耕地规划的重要方向。希望本研究的监测方法和评估结果能为未来的耕地动态变化研究、农业和生态可持续发展提供有益帮助。
表1 撂荒和复垦的判断条件和定义
图3 耕地撂荒和土地复垦变化频率检测技术，箭头为像素示例
图 4 1991-2019年耕地撂荒和土地复垦的时间动态和净变化效应
图5 耕地撂荒和土地复垦的适宜性趋势