1980～2010年中國(guó)耕地復(fù)種可提升潛力空間格局變化*

何文斯，吳文斌，余強(qiáng)毅，胡文君，譚杰揚(yáng)，胡亞楠

(農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

1980～2010年中國(guó)耕地復(fù)種可提升潛力空間格局變化*

何文斯，吳文斌※，余強(qiáng)毅，胡文君，譚杰揚(yáng)，胡亞楠

(農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081)

利用1980～2010年中國(guó)分縣農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和中國(guó)地面氣候日值數(shù)據(jù)，分別估算20世紀(jì)80年代、90年代及21世紀(jì)初的中國(guó)縣級(jí)實(shí)際復(fù)種指數(shù)(MCI)和潛力復(fù)種指數(shù)(PMCI)，據(jù)此分析過(guò)去30年中國(guó)耕地復(fù)種可提升潛力(PIMCI)的空間格局變化，并進(jìn)而探究復(fù)種可提升潛力對(duì)全國(guó)糧食增產(chǎn)潛力的貢獻(xiàn)大小。結(jié)果表明：(1)在時(shí)間尺度上，中國(guó)耕地PIMCI從20世紀(jì)80年代的50.2%減少到90年代的48.7%，之后受PIMCI與MCI逆向變化的影響，到21世紀(jì)初耕地可提升復(fù)種指數(shù)擴(kuò)大到59.6%。(2)從不同地理區(qū)域看，中國(guó)不同農(nóng)業(yè)種植區(qū)耕地PIMCI變化具有明顯的地理空間差異。黃淮海區(qū)和云貴區(qū)的PIMCI低于10%，且30年內(nèi)變化相對(duì)穩(wěn)定； 西北區(qū)和北部高原區(qū)的PIMCI有減少的趨勢(shì)； 東北區(qū)、川陜區(qū)及青藏區(qū)連續(xù)增加； 水熱資源充沛的南方各農(nóng)業(yè)區(qū)波動(dòng)劇烈。(3)在現(xiàn)有耕地面積保持不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高土地集約化利用強(qiáng)度，充分挖掘耕地的復(fù)種潛力，可以新增約30%的農(nóng)作物播種面積，糧食增產(chǎn)潛力達(dá)到全國(guó)糧食總產(chǎn)的32.2%。其中潛力較高的區(qū)域主要集中在南方的3個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)(長(zhǎng)江中下游區(qū)、華南區(qū)、南方丘陵區(qū))及青藏區(qū)，這4個(gè)區(qū)域的糧食增產(chǎn)潛力可達(dá)到全國(guó)增產(chǎn)總潛力的70%。但該潛力的實(shí)際利用需要充分考慮區(qū)域的資源稟賦、技術(shù)水平、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)政策等因素。

中國(guó) 復(fù)種指數(shù) 可提升潛力 時(shí)空變化 糧食增產(chǎn)潛力

0 引言

糧食安全問(wèn)題是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大問(wèn)題[1-3]，是國(guó)家穩(wěn)定和發(fā)展的基礎(chǔ)[4]。糧食產(chǎn)量的提高會(huì)受到諸如可利用土地?cái)?shù)量、水熱資源、作物品種等多方面因素的限制[5]，這些限制因素直接影響到未來(lái)糧食增產(chǎn)的可能性。中國(guó)地少人多，改革開(kāi)放以來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，大量農(nóng)用地被占用和非農(nóng)化利用，加劇了人地緊張矛盾[6]。在耕地面積難以增加的背景下，如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有耕地資源的科學(xué)高效利用，提高耕地集約化利用是政府和科研工作者高度關(guān)注的問(wèn)題。耕地復(fù)種是在時(shí)間和空間上加強(qiáng)耕地集約化利用的最簡(jiǎn)單措施之一，目前我國(guó)約有40%的耕地存在復(fù)種模式[7]，所生產(chǎn)的糧食有1/4來(lái)源于耕地復(fù)種指數(shù)的提升[8]。可見(jiàn)，復(fù)種不僅是提高糧食總產(chǎn)的重要途徑，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全起到重要作用，也一定程度上緩解了糧食作物與經(jīng)濟(jì)作物、綠肥作物的爭(zhēng)地矛盾[7]。

復(fù)種指數(shù)作為衡量復(fù)種效率的重要指標(biāo)，反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在時(shí)間尺度上利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的程度[9]。潛力與實(shí)際復(fù)種指數(shù)是復(fù)種指數(shù)研究中的重要內(nèi)容，潛力復(fù)種指數(shù)是指充分利用該地區(qū)光、水、熱資源時(shí)耕地所能達(dá)到的最大復(fù)種指數(shù)，而實(shí)際復(fù)種指數(shù)是指受經(jīng)濟(jì)、政策、人力、技術(shù)條件等因素的制約下所能達(dá)到的實(shí)際復(fù)種水平。受自然生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的雙重影響，一個(gè)區(qū)域的耕地潛力復(fù)種指數(shù)與實(shí)際復(fù)種指數(shù)會(huì)不斷發(fā)生變化[10]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者圍繞實(shí)際復(fù)種指數(shù)與潛力復(fù)種指數(shù)及其時(shí)空變化進(jìn)行了研究[11-12]。傳統(tǒng)的實(shí)際復(fù)種指數(shù)研究方法多基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在行政區(qū)劃單元上進(jìn)行復(fù)種指數(shù)計(jì)算[13-18]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，基于時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)的復(fù)種指數(shù)提取方法得到廣泛應(yīng)用，其中時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)峰值探測(cè)法成為實(shí)際復(fù)種指數(shù)遙感監(jiān)測(cè)的主要方法[19-29]。潛力復(fù)種指數(shù)研究主要從農(nóng)作學(xué)、生態(tài)學(xué)和氣象學(xué)等方面展開(kāi)，如科學(xué)配置不同作物種類實(shí)現(xiàn)復(fù)種[30-31]以及從氣候要素盈余角度出發(fā)研究復(fù)種潛力[32-35]。近年來(lái)，部分學(xué)者結(jié)合實(shí)際復(fù)種與潛力復(fù)種情況對(duì)耕地復(fù)種可提升潛力進(jìn)行了初步研究。金姝蘭[36-38]、張志國(guó)[39]、趙永敢[40]等利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)對(duì)部分省區(qū)耕地可提升復(fù)種指數(shù)進(jìn)行了估測(cè)。左麗君等[11， 41]采用遙感與經(jīng)濟(jì)學(xué)模型方法研究了全國(guó)復(fù)種指數(shù)分布格局，并結(jié)合區(qū)域限制因素分析了不同區(qū)域的潛力提升可能性?？偨Y(jié)以上研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn)，目前將耕地實(shí)際復(fù)種指數(shù)與潛力復(fù)種指數(shù)相結(jié)合的研究并不多見(jiàn)，復(fù)種可提升潛力方面的相關(guān)研究仍較為薄弱，尤其對(duì)于全國(guó)尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的復(fù)種可提升潛力時(shí)空格局變化研究尚為欠缺。

基于此，該研究擬利用氣象資料和統(tǒng)計(jì)資料在全國(guó)尺度上分別估算耕地潛力與實(shí)際復(fù)種指數(shù)，再結(jié)合實(shí)際與潛力復(fù)種指數(shù)對(duì)我國(guó)耕地復(fù)種可提升潛力時(shí)空格局變化進(jìn)行分析，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)一步估算復(fù)種可提升潛力對(duì)糧食增產(chǎn)潛力的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果可為對(duì)高潛力區(qū)域制定優(yōu)先發(fā)展政策提供理論依據(jù)，為氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)資源利用影響評(píng)估服務(wù)，也可為評(píng)估糧食安全狀況和不同空間尺度下的土地利用效率提供支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)源及處理

20世紀(jì)80年代后中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展同時(shí)氣候變化影響顯著，研究時(shí)段確定為1980～2010年。該研究所采用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自農(nóng)業(yè)部1980～2010年全國(guó)縣級(jí)農(nóng)業(yè)調(diào)查卡片數(shù)據(jù)，選用數(shù)據(jù)項(xiàng)包括年末耕地面積、總播面積和糧食作物合計(jì)總產(chǎn)等； 氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)的中國(guó)地面氣候日值數(shù)據(jù)集(824氣象臺(tái)站)，時(shí)間范圍同樣選取1980～2010年，選取數(shù)據(jù)項(xiàng)為日降水總量及日平均溫度。行政區(qū)劃邊界為2010年全國(guó)縣級(jí)行政區(qū)劃圖。

縣級(jí)農(nóng)業(yè)調(diào)查卡片數(shù)據(jù)存在部分年份的耕地面積和播種面積數(shù)據(jù)缺失和誤差，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。首先利用1980～2010年每10年間的有效年份數(shù)據(jù)計(jì)算縣級(jí)耕地面積和縣級(jí)播種總面積的平均值，篩選出耕地面積與播種面積數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)； 再利用每個(gè)縣10年平均值計(jì)算實(shí)際復(fù)種指數(shù)，實(shí)際復(fù)種指數(shù)的理論值在0%～300%之間。

針對(duì)氣象數(shù)據(jù)，首先將全國(guó)824個(gè)氣象站點(diǎn)的30年日值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成年值數(shù)據(jù)，利用EXCEL數(shù)據(jù)透視表功能將日降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算成年降水總量，求算日平均溫度穩(wěn)定通過(guò)0℃起止日期的≥0℃年活動(dòng)積溫； 再計(jì)算各站點(diǎn)10年平均年降水量及10年平均≥0℃年活動(dòng)積溫。在ArcGIS環(huán)境下，通過(guò)大區(qū)域插值效果較好的克里金插值法(Kriging)對(duì)氣象數(shù)據(jù)插值，所設(shè)定的 Cell size 的參數(shù)均為1km，生成空間柵格數(shù)據(jù)。最后將插值后的空間氣象數(shù)據(jù)通過(guò)GME(Geospatial Modelling Environment)工具在縣級(jí)行政單元邊界內(nèi)平均得到縣域單元10年平均年降水量及10年平均≥0℃年活動(dòng)積溫。

1.2 全國(guó)耕地可提升復(fù)種指數(shù)計(jì)算

耕地可提升復(fù)種指數(shù)是最大潛力復(fù)種指數(shù)與實(shí)際復(fù)種指數(shù)的差值，用于量化提升的復(fù)種潛力，計(jì)算公式如下：

PIMCI=PMCI-MCI

(1)

式中，PIMCI代表耕地可提升潛力復(fù)種指數(shù)(Potential increment of multiple cropping index)，PMCI為耕地潛力復(fù)種指數(shù)(Potential multiple cropping index)，MCI為耕地實(shí)際復(fù)種指數(shù)(Multiple cropping index)。

耕地潛力復(fù)種指數(shù)參考“熱量-降水”模型[33]。該模型基于區(qū)域的熱量和降水條件，分別計(jì)算受兩者因素限制下的潛力復(fù)種指數(shù)，取兩者最小值作為區(qū)域的潛力復(fù)種指數(shù)，在計(jì)算熱量復(fù)種指數(shù)潛力時(shí)根據(jù)溫度差異≥℃積溫3 400℃、4 200℃、5 200℃和6 200℃為復(fù)種指數(shù)變化的4個(gè)明顯邊界； 計(jì)算降水復(fù)種指數(shù)潛力時(shí)，用500mm和1 200mm作為復(fù)種指數(shù)潛力預(yù)測(cè)的分界線。該研究將縣域單元10年平均年降水量和10年平均≥平℃年活動(dòng)積溫作為模型輸入，計(jì)算求得縣級(jí)10年平均潛力復(fù)種指數(shù)。計(jì)算模型如下：

(2)

(3)

(4)

式中，PMCI代表潛力復(fù)種指數(shù)，MT代表積溫復(fù)種指數(shù)潛力(%)，MR代表降水復(fù)種指數(shù)潛力(%)，T代表≥表℃積溫(℃)，R代表多年平均降水量(mm)。

實(shí)際復(fù)種指數(shù)在行政區(qū)劃單元上利用作物播種面積和耕地面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

MCI=As/Acl

(5)

式中，MCI為耕地實(shí)際復(fù)種指數(shù)；As為全年作物總收獲面積；Acl為總耕地面積。

1.3 復(fù)種可提升潛力可能貢獻(xiàn)的新增糧食產(chǎn)量

耕地復(fù)種可提升潛力如果可以充分利用，可以在耕地面積不變下增加農(nóng)作物播種面積，帶來(lái)糧食總產(chǎn)量的增加?，F(xiàn)實(shí)層面中不同區(qū)域耕地都會(huì)種植一定比例的經(jīng)濟(jì)作物及飼料作物，復(fù)種指數(shù)提升增加的播種面積并不等同于糧食作物播種面積的增加。因此，該研究中結(jié)合耕地面積和糧食作物播種面積比計(jì)算可新增糧食作物播種面積，再根據(jù)縣級(jí)糧食單產(chǎn)計(jì)算新增糧食產(chǎn)量。具體計(jì)算公式如下：

新增糧食產(chǎn)量=可新增播種面積×糧食作物播種面積比×糧食單位面積產(chǎn)量=(復(fù)種指數(shù)可提升潛力*耕地面積)×(糧食作物總播種面積/總播面積)×(糧食作物總產(chǎn)/糧食作物總播種面積)=復(fù)種指數(shù)可提升潛力×耕地面積×糧食作物總產(chǎn)/總播面積

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 1980～2010年中國(guó)縣域耕地復(fù)種指數(shù)可提升潛力變化

近30年氣候變暖特征明顯，而降水相對(duì)穩(wěn)定，基于“積溫-降水模型”計(jì)算得出中國(guó)總體的潛力復(fù)種指數(shù)從20世紀(jì)80年代的201.1%升高到21世紀(jì)初的210.9%，而實(shí)際復(fù)種指數(shù)在這30年中先增后降，從150.9%增加到159.6%又減少到151.3%。結(jié)合以上結(jié)果，圖1為1980～2010年中國(guó)耕地復(fù)種可提升潛力空間格局變化。中國(guó)PIMCI空間分布與水熱資源的分布相一致，表現(xiàn)出從北到南的遞增特征，水熱資源豐富的南方地區(qū)PIMCI明顯較高。20世紀(jì)80年代全國(guó)復(fù)種指數(shù)可提升潛力為50.2%， 90年代及21世紀(jì)初分別為48.7%和59.6%，表現(xiàn)為先降后升的總體趨勢(shì)。變化比較劇烈的區(qū)域主要分布在中國(guó)的西南，華南，長(zhǎng)江中下游的部分地區(qū)。其中，中國(guó)西南的部分區(qū)域在30年內(nèi)表現(xiàn)出PIMCI連續(xù)減少。華南及長(zhǎng)江中下游的部分地區(qū)的變化特征為先減少后增加。而廣大的中國(guó)西北地區(qū)由于水熱資源的限制，復(fù)種可提升潛力在30年中的變化并不明顯，這些區(qū)域?qū)儆趥鹘y(tǒng)的種植制度一熟區(qū)。

圖1 1980～2010年中國(guó)耕地復(fù)種可提升潛力空間格局變化(圖a為1980～1990年變化；圖b為1990～2000年變化；圖c為2000～2010年變化)

對(duì)復(fù)種可提升潛力進(jìn)行分級(jí)(1級(jí)：≥50%， 2級(jí)： 25%～50%， 3級(jí)： 0%～25%， 4級(jí)：≤0%)，并統(tǒng)計(jì)不同潛力區(qū)域內(nèi)耕地面積的變化，結(jié)果如表1:20世紀(jì)80年代到90年代不同潛力區(qū)域之間的耕地變化特征主要表現(xiàn)為1級(jí)區(qū)內(nèi)耕地面積減少(-5.1%)， 2級(jí)區(qū)內(nèi)耕地面積增加(+5.9%)， 3級(jí)區(qū)與4級(jí)區(qū)耕地面積比較穩(wěn)定。從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初， 1級(jí)區(qū)與4級(jí)區(qū)耕地面積增加(分別為+5.3%和+6%)， 2級(jí)區(qū)與3級(jí)區(qū)耕地面積減少(分別為-7.4%和-4.1%)。

表1 1980～2010年各復(fù)種可提升潛力區(qū)域面積的變化 %

2.2 1980～2010年中國(guó)種植農(nóng)業(yè)分區(qū)復(fù)種可提升潛力變化

從我國(guó)不同農(nóng)業(yè)區(qū)上來(lái)看，PIMCI在這30年的變化存在明顯的空間差異(圖2)。黃淮海區(qū)及云貴區(qū)的PIMCI較低，黃淮海區(qū)的PIMCI幾乎為0%，云貴區(qū)的PIMCI在10%以下，且在30年內(nèi)沒(méi)有發(fā)生明顯變化。東北區(qū)、川陜區(qū)及青藏區(qū)表現(xiàn)出連續(xù)增加的趨勢(shì)，其中東北區(qū)PIMCI從9.9%增加到24.5%，川陜區(qū)PIMCI從15.7%增加到26.6%，青藏區(qū)PIMCI整體較高，增加幅度也較大，從47.9%增加到76.4%。西北區(qū)及北部高原區(qū)的PIMCI有減少的趨勢(shì)。變化波動(dòng)較為劇烈的區(qū)域主要出現(xiàn)在我國(guó)水熱資源較為豐盈的南方區(qū)域，長(zhǎng)江中下游區(qū)、南方丘陵區(qū)、華南區(qū)。長(zhǎng)江中下游區(qū)和華南區(qū)在30年中PIMCI先降后增，具體變化值分別為115.6%-92.3%-137.5%和76.6%-52.1%-101.6%。長(zhǎng)江中下游區(qū)成為中國(guó)耕地復(fù)種可提升潛力最高的農(nóng)業(yè)區(qū)。南方丘陵區(qū)雖然水熱條件上與鄰近農(nóng)業(yè)區(qū)相似，其PIMCI卻維持在比較低的水平(20%～30%左右)。

2.3 耕地復(fù)種潛力提升對(duì)全國(guó)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)

在不開(kāi)墾新的耕地及糧食單產(chǎn)維持不變的條件下，單純通過(guò)提高復(fù)種效率仍有很可觀的糧食增產(chǎn)潛力。在理想狀況下， 2010年中國(guó)復(fù)種可提升潛力所能轉(zhuǎn)化的新增糧食作物種植面積為4 970萬(wàn)hm2，約占全國(guó)糧食作物播種總面積的30%。雖然1級(jí)區(qū)(PIMCI≥50%)面積雖然只占到全國(guó)耕地總面積的21.3%，其可新增種植面積達(dá)到2 840萬(wàn)hm2，占全國(guó)可新增種植面積的64.2%。

圖3顯示了全國(guó)不同區(qū)域通過(guò)提高復(fù)種可新增糧食產(chǎn)量。就全國(guó)范圍而言，糧食增產(chǎn)潛力空間分布與復(fù)種可提升潛力與我國(guó)水熱資源分布特征大體一致，從西北內(nèi)陸到東南沿海由低到高分布。而從種植區(qū)劃上來(lái)看，糧食增產(chǎn)潛力較高的區(qū)域主要集中在東南沿海的3個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)和青藏區(qū)，黃淮海區(qū)和云貴區(qū)的糧食增產(chǎn)潛力很低。統(tǒng)計(jì)2010年全國(guó)各縣糧食增產(chǎn)潛力后計(jì)算得到全國(guó)可新增糧食總產(chǎn)約達(dá)到1.740 0億t，按照全國(guó)糧食總產(chǎn)量為5.464 1億t計(jì)算(2010年國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù))，通過(guò)提高耕地復(fù)種指數(shù)所增加的糧食產(chǎn)量相當(dāng)于當(dāng)年糧食總產(chǎn)的32%。其中南方的3個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)(長(zhǎng)江中下游區(qū)、華南區(qū)、南方丘陵區(qū))及青藏區(qū)的糧食增產(chǎn)潛力可達(dá)到2 000萬(wàn)～4 000萬(wàn)t，這4個(gè)區(qū)域的糧食增產(chǎn)潛力可達(dá)到全國(guó)增產(chǎn)總潛力的約70%。

圖2 1980～2010年中國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)復(fù)種可提升潛力變化R1：東北大豆春麥玉米甜菜區(qū)； R2：北部高原小雜糧甜菜區(qū)； R3：黃淮海棉麥油煙果區(qū)； R4：長(zhǎng)江中下游稻棉油桑茶區(qū)； R5：南方丘陵雙季稻茶柑橘區(qū)； R6：華南雙季稻熱帶作物甘蔗區(qū)，R7：川陜盆地稻玉米薯類柑橘桑區(qū)； R8：云貴高原稻玉米煙草區(qū)； R9：西北綠洲麥棉甜菜葡萄區(qū)； R10：青藏高原青稞小麥油菜區(qū)

圖3 2010年全國(guó)糧食增產(chǎn)潛力空間分布

3 討論

該文的耕地復(fù)種可提升潛力是利用縣級(jí)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)2種不同的數(shù)據(jù)源分別計(jì)算得到，所使用數(shù)據(jù)源不同且處理過(guò)程中尺度的轉(zhuǎn)化使得由計(jì)算相減所得到的復(fù)種可提升潛力不可避免的會(huì)出現(xiàn)一定誤差，這也是大多數(shù)利用多源數(shù)據(jù)的研究都需要面對(duì)的科學(xué)難點(diǎn)問(wèn)題，如何統(tǒng)一多源數(shù)據(jù)，解決多源數(shù)據(jù)的尺度不同問(wèn)題具有重要的科學(xué)意義，該文在對(duì)于數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中充分考慮到了這一點(diǎn)，將研究的重點(diǎn)確定為空間格局變化的分析，這使得絕對(duì)的數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換為相對(duì)變化的分析，在一定程度上減少了由數(shù)據(jù)獲取方式及其尺度的差異導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差； 此外，對(duì)于潛力復(fù)種指數(shù)的計(jì)算方法該文采用了“積溫-降水”模型，該模型目前在提取潛力復(fù)種指數(shù)的研究中得到廣泛的應(yīng)用。但此模型的問(wèn)題是其只考慮氣候資源對(duì)耕地最大復(fù)種潛力的限制因素，僅僅將≥0℃年積溫和年降水總量作為模型輸入的參數(shù)值。但實(shí)際上，在我國(guó)的部分區(qū)域，設(shè)施農(nóng)業(yè)的利用可在一定程度上彌補(bǔ)由降水量低所導(dǎo)致的復(fù)種潛力限制，所以在以灌溉作為主要農(nóng)作物水分來(lái)源的耕作區(qū)域，由此模型所得到的復(fù)種潛力可能是偏低的。因此，在后續(xù)的研究應(yīng)引入“灌溉-雨養(yǎng)”的相關(guān)數(shù)據(jù)集。

20世紀(jì)90年代后，長(zhǎng)江中下游區(qū)和華南區(qū)的復(fù)種效率出現(xiàn)了顯著的降低趨勢(shì)。該區(qū)域是我國(guó)重要的商品糧基地，是中國(guó)重要的水稻產(chǎn)區(qū)，大部分耕地的種植條件可以滿足作物一年三熟制的種植制度，此外，該區(qū)域分布著大面積的復(fù)種潛力1級(jí)區(qū)(PIMCI≥50%)。改革開(kāi)放后城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程迅猛，城鄉(xiāng)差距懸殊，中國(guó)農(nóng)業(yè)從業(yè)人口的大量流失及勞動(dòng)力成本提高很可能是這一階段影響復(fù)種變化的重要因素[42-44]，而這一區(qū)域耕地復(fù)種指數(shù)降低所導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)會(huì)對(duì)國(guó)家糧食安全產(chǎn)生較大影響[36]。該研究的分析結(jié)果對(duì)于在政策上提供對(duì)“熱點(diǎn)”區(qū)域的優(yōu)先支持具有非常重要的指導(dǎo)意義。未來(lái)應(yīng)深入分析引起區(qū)域性變化的內(nèi)在影響因素，如社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、務(wù)農(nóng)人員教育水平、土壤條件、農(nóng)業(yè)機(jī)械化等。了解相關(guān)限制因素對(duì)復(fù)種系統(tǒng)的影響，可使我們能在現(xiàn)實(shí)層面上實(shí)現(xiàn)各區(qū)域耕地資源的有效利用。

4 結(jié)論

該研究結(jié)合實(shí)際復(fù)種指數(shù)與潛力復(fù)種指數(shù)對(duì)中國(guó)耕地復(fù)種可提升潛力進(jìn)行了研究，利用農(nóng)業(yè)氣象學(xué)的方法和傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法在全國(guó)縣級(jí)尺度上分別計(jì)算潛力復(fù)種指數(shù)與實(shí)際復(fù)種指數(shù)，結(jié)合兩者的結(jié)果對(duì)1980～2010年全國(guó)耕地復(fù)種可提升潛力的時(shí)空格局變化特征進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步估算了利用復(fù)種可提升潛力促進(jìn)中國(guó)糧食增產(chǎn)的可能性。該文的研究結(jié)論包括以下幾點(diǎn)。

(1)從全國(guó)整體來(lái)看，復(fù)種可提升潛力從20世紀(jì)80年代的50.2%到90年代的48.7%緩慢降低，到了21世紀(jì)初增長(zhǎng)到59.6%。其原因是90年代后實(shí)際復(fù)種水平未響應(yīng)由氣候變暖影響導(dǎo)致的潛力復(fù)種指數(shù)的提高。40%以上的耕地利用效率已經(jīng)達(dá)到100%。20%左右的耕地仍有50%以上的潛力，這些區(qū)域雖然只占到全國(guó)耕地總面積1/5，如果利用得當(dāng)，其可新增種植面積可達(dá)到全國(guó)可新增總種植面積的60%以上。

(2)耕地復(fù)種可提升潛力在30年中的變化表現(xiàn)出明顯的空間差異，按照中國(guó)種植農(nóng)業(yè)區(qū)劃來(lái)看，黃淮海區(qū)、云貴區(qū)可提升潛力非常小，且相對(duì)穩(wěn)定。西北區(qū)及北部高原區(qū)的PIMCI有減少的趨勢(shì)。變化劇烈的區(qū)域主要集中在水熱資源充沛的南方區(qū)域，包括長(zhǎng)江中下游區(qū)、南方丘陵區(qū)、華南區(qū)。長(zhǎng)江中下游區(qū)和華南區(qū)在30年中PIMCI先降后增。東北區(qū)、川陜區(qū)及青藏區(qū)表現(xiàn)出連續(xù)增加的趨勢(shì)。

(3)在不開(kāi)墾新耕地且糧食單產(chǎn)維持不變的條件下，單純通過(guò)提高復(fù)種效率仍有可觀的糧食增產(chǎn)潛力來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)中國(guó)的糧食安全問(wèn)題。以2010年為例，通過(guò)挖掘耕地的剩余生產(chǎn)潛力所能增加的糧食產(chǎn)量約有1.740 0億t，相當(dāng)于糧食總產(chǎn)的1/3。其中東南沿海的3個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)(長(zhǎng)江中下游區(qū)、華南區(qū)、南方丘陵區(qū))及青藏區(qū)的糧食增產(chǎn)潛力可達(dá)到2 000萬(wàn)～4 000萬(wàn)t，這4個(gè)區(qū)域的糧食增產(chǎn)潛力可達(dá)到全國(guó)增產(chǎn)總潛力的70%。糧食增產(chǎn)高潛區(qū)應(yīng)予以更高的政策優(yōu)先級(jí)扶持，關(guān)注這些重點(diǎn)區(qū)域的耕地流失、務(wù)農(nóng)人員轉(zhuǎn)移及其他限制因素也許能在未來(lái)解決中國(guó)人地矛盾及糧食供給的進(jìn)程中起到非常重要的作用。

中國(guó)的作物種植制度復(fù)雜多樣，多熟種植體系中還有間作、套種等方式，以農(nóng)戶家庭為管理單元的耕地上作物種植結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜[7]。種植制度在各農(nóng)業(yè)區(qū)的差異反應(yīng)了不同區(qū)域農(nóng)業(yè)土地利用的自然環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的差異性和多樣性，其形成和變化是不同尺度下自然和人文因素綜合作用的結(jié)果，實(shí)質(zhì)上反映的是“人類-環(huán)境”的復(fù)雜關(guān)系問(wèn)題。該文結(jié)合多源數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)近30年的耕地復(fù)種可提升潛力的空間格局變化特征進(jìn)行了分析，在未來(lái)可嘗試加入作物種類及土壤屬性、灌溉設(shè)施、光照條件，社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素的考量，加強(qiáng)耕地復(fù)種指數(shù)可提升潛力的量化精確度，在現(xiàn)實(shí)層面上實(shí)現(xiàn)各區(qū)域耕地資源的有效利用。為國(guó)家食物安全評(píng)估及農(nóng)業(yè)發(fā)展科學(xué)決策提供更科學(xué)的理論依據(jù)。

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doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20161103

CHANGES IN SPATIO-TEMPORAL DISTRIBUTION OF POTENTIAL INCREMENT MULTIPLE CROPPING IN CHINA DURING 1980～2010*

He Wensi，Wu Wenbin※，Yu Qiangyi，Hu Wenju，Tan Jieyang，Hu Yanan

(Key Laboratory of Agri-informatics，Ministry of Agriculture/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China)

This paper evaluated the spatio-temporal dynamics of potential increment multiple cropping index(PIMCI) of China during 1980 to 2010, which can reveal the land use change under the climate warm and the rapid economic growth since 1980s and identify the regional potential to increase food supply, based on the potential multiple cropping index(PMCI) extracted by ago-meteorology data and census data. The results indicated that (1)The overall PMCI decreased from 50.2% to 48.7% during 1980s to 1990s and increased to 59.6% by the start of 21st century. (2)The changes of PIMCI showed tremendous heterogeneity in China. Huang-Huai-Hai plain and Yunnan-Kweichow Plateau changed less over the past decades. Southeast coastal area had large fluctuation during this period. Northwest China, Inner Mongolia and along the Great Wall regions decreased significantly, while Northeast China, Loess Plateau, Qinghai-Tibet Plateau changed into the opposite trend. (3) the harvest area and food production increased by 30% and 32.2%, respectively, by improving the MCI and PMCI. The high potential region mainly located at south China, Middle and lower reaches of Yangtze River, Hilly Area of South China, and Qinghai-Tabet Plateau. The potential increment of crop yield in these regions can reach 70% of the whole potential of China, but it still needed to consider the factors such as natural resources, technology, environment and regional economic policy, and so on.

China; multiple cropping index; potential increment; spatial distribution; food production

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161102

2016-03-17

何文斯(1989—)，男，河北任丘人，碩士研究生。研究方向：全球變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響研究?！ㄓ嵶髡撸簠俏谋?1976—)，男，湖北潛江人，博士、研究員。研究方向：農(nóng)業(yè)遙感和土地利用變化等方面。Email：wuwenbin@caas.cn

*資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于農(nóng)戶決策行為的農(nóng)作物時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化機(jī)理機(jī)制研究”(41271112)；中央級(jí)公益性科研院所專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(IARRP-2015-10)

S-03; F323.211

A

1005-9121[2016]11-0007-08