耕地復(fù)種指數(shù)研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

吳文斌，余強(qiáng)毅，陸苗，項(xiàng)銘濤，謝安坤，楊鵬，唐華俊

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耕地復(fù)種指數(shù)研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

吳文斌，余強(qiáng)毅，陸苗，項(xiàng)銘濤，謝安坤，楊鵬，唐華俊

（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/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081）

在當(dāng)前耕地外延式擴(kuò)展難以滿足、糧食單產(chǎn)提升難度加大的新形勢(shì)下，提升耕地復(fù)種指數(shù)、走耕地內(nèi)涵式集約利用模式，是確保未來(lái)我國(guó)糧食增產(chǎn)和國(guó)家糧食安全的重要途徑。本文從農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)科學(xué)視角出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)了耕地復(fù)種指數(shù)研究的總體研究框架和核心研究?jī)?nèi)容，全面梳理了國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、進(jìn)展及存在的問(wèn)題。研究認(rèn)為，第一，格局與過(guò)程探測(cè)是耕地復(fù)種指數(shù)研究的重要基礎(chǔ)。不僅要關(guān)注耕地潛在或?qū)嶋H復(fù)種指數(shù)的數(shù)量、空間分布、區(qū)域差異及其時(shí)空變化過(guò)程，更要關(guān)注耕地復(fù)種指數(shù)的提升空間，科學(xué)描述可挖掘的復(fù)種潛力。第二，功能與效應(yīng)分析是耕地復(fù)種指數(shù)研究的核心內(nèi)容?，F(xiàn)有研究多聚焦耕地復(fù)種指數(shù)提升對(duì)糧食產(chǎn)量增加的貢獻(xiàn)作用，復(fù)種指數(shù)變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究以微觀試驗(yàn)性研究為主；迫切需要建立綜合效應(yīng)分析框架，從不同的學(xué)科、視角和尺度揭示耕地復(fù)種指數(shù)對(duì)區(qū)域資源配置、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等的影響和反饋機(jī)制。第三，優(yōu)化調(diào)控是耕地復(fù)種指數(shù)研究的關(guān)鍵任務(wù)?？茖W(xué)提出可持續(xù)挖掘和提升耕地復(fù)種潛力的策略，重點(diǎn)強(qiáng)化可持續(xù)性評(píng)估、障礙性因子分析和系統(tǒng)性優(yōu)化調(diào)控等方面的研究，追求糧食安全、資源安全和生態(tài)安全的權(quán)衡協(xié)調(diào)，以建立人地和諧、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)土地利用模式。耕地復(fù)種本質(zhì)上反映了復(fù)雜的“人-地”耦合關(guān)系，多數(shù)據(jù)、多尺度、多模型和多方法的綜合研究將是未來(lái)耕地復(fù)種指數(shù)研究的重要發(fā)展方向，將會(huì)促進(jìn)自然科學(xué)、工程科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科門類的綜合、交叉和集成研究。

耕地；復(fù)種指數(shù)；格局與過(guò)程；功能與效應(yīng)；優(yōu)化調(diào)控；權(quán)衡；可持續(xù)

糧食安全直接關(guān)系到國(guó)家穩(wěn)定、社會(huì)發(fā)展和民生福祉。糧食產(chǎn)量由耕地面積、復(fù)種指數(shù)和單位面積產(chǎn)量等決定，受到耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量、水熱資源、作物品種、田間栽培等諸多因素綜合影響[1]。隨著城市化、工業(yè)化和全球化的快速發(fā)展，我國(guó)大量耕地被占用、非農(nóng)化和非糧化利用，18億畝耕地面積的“安全底線”面臨考驗(yàn)，現(xiàn)有耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)“三位一體”保護(hù)任務(wù)艱巨[2-5]。因此，通過(guò)作物品種改良、水肥管理優(yōu)化、栽培措施提升等措施，挖掘現(xiàn)實(shí)單產(chǎn)潛力、縮小產(chǎn)量差，成為耕地面積穩(wěn)定下糧食產(chǎn)量增加和未來(lái)糧食供給保障的首要途徑[6-13]。然而，許多研究表明，很多糧食主產(chǎn)區(qū)的單產(chǎn)增長(zhǎng)出現(xiàn)停滯、甚至下降，增加區(qū)域的單產(chǎn)增長(zhǎng)率低于未來(lái)糧食需求的增長(zhǎng)率[14-16]。這主要是由于隨著現(xiàn)實(shí)作物單產(chǎn)水平的不斷提高、逐步接近最大單產(chǎn)水平時(shí)，單產(chǎn)增加的難度日益加大，出現(xiàn)“天花板效應(yīng)”[17-18]。因此，像保護(hù)大熊貓一樣保護(hù)耕地、努力實(shí)現(xiàn)單產(chǎn)水平持續(xù)增加的同時(shí)，尋求更多的糧食產(chǎn)量提升空間和途徑成為穩(wěn)定糧食綜合生產(chǎn)能力、保障國(guó)家糧食安全的重大需求[19-20]。

從農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)學(xué)科角度，科學(xué)提升耕地復(fù)種指數(shù)、挖掘耕地集約化利用潛力，可成為我國(guó)未來(lái)糧食增產(chǎn)的重要途徑之一[20-22]。耕地復(fù)種指數(shù)研究成為了地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)等領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)研究方向。一方面，復(fù)種種植模式在時(shí)間和空間上高效利用現(xiàn)有耕地資源，在耕地面積總量不變的情況下，可以有效增加糧食作物播種面積，提高糧食產(chǎn)量[23-24]。我國(guó)多熟種植耕地占全國(guó)總耕地面積的50%，其播種面積約占總播種面積的2/3，農(nóng)作物產(chǎn)量約占總產(chǎn)量的3/4[25]。耕地復(fù)種指數(shù)提高是我國(guó)糧食持續(xù)增產(chǎn)的重要因素之一，對(duì)保障國(guó)家糧食安全發(fā)揮了重要作用。另一方面，復(fù)種模式及其變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)地球物理和地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程有著重要影響，驅(qū)動(dòng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化。多熟種植的不同作物組合會(huì)增加農(nóng)田種植系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高養(yǎng)分循環(huán)再利用率，但同時(shí)農(nóng)藥、化肥和生產(chǎn)設(shè)施的過(guò)量使用會(huì)導(dǎo)致土壤污染、水質(zhì)量的降低，增加溫室氣體排放等，破壞區(qū)域的生態(tài)環(huán)境[26-27]。同時(shí)，近年來(lái)農(nóng)業(yè)比較效益低下、小規(guī)模農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)模式和種糧積極性下降，我國(guó)很多平原地區(qū)生產(chǎn)力高的優(yōu)質(zhì)農(nóng)田復(fù)種指數(shù)下降，加上部分區(qū)域的耕地輪作休耕，實(shí)際播種面積減少，一定程度上抵消了單產(chǎn)增加帶來(lái)的正效應(yīng)[28-29]。因此，在當(dāng)前耕地外延式擴(kuò)展難以滿足、糧食單產(chǎn)提升難度加大的新形勢(shì)下，重新深入思考耕地復(fù)種指數(shù)的作用、探討耕地復(fù)種指數(shù)提升具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

過(guò)去20多年里，在國(guó)際土地利用/土地覆蓋變化計(jì)劃與全球土地計(jì)劃兩大科學(xué)研究計(jì)劃的推動(dòng)下，農(nóng)業(yè)土地集約化和可持續(xù)利用研究成為了農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)科學(xué)的重要研究方向[30]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)耕地種植制度和復(fù)種模式等給予高度關(guān)注，耕地復(fù)種指數(shù)研究在理論、技術(shù)方法和應(yīng)用實(shí)踐方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展?；诖耍疚膹霓r(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)科學(xué)視角出發(fā)，系統(tǒng)梳理近年耕地復(fù)種指數(shù)研究進(jìn)展，凝練耕地復(fù)種指數(shù)研究的研究框架和關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，為進(jìn)一步豐富和完善農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)科學(xué)學(xué)科體系，推動(dòng)全球變化、糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)研究提供參考。

1 耕地復(fù)種指數(shù)研究框架

耕地復(fù)種指數(shù)描述的是單位面積耕地一年幾熟或幾年幾熟的種植方式，體現(xiàn)了耕地在時(shí)間和空間上的集約化利用[31]，本質(zhì)反映了“人類-自然”復(fù)合關(guān)系。一方面，耕地的復(fù)種可能性受到區(qū)域的氣候、高程等自然資源環(huán)境承載約束，人類技術(shù)進(jìn)步和管理措施提升一定程度上會(huì)改變自然環(huán)境的約束閾值；另一方面，耕地復(fù)種的實(shí)現(xiàn)程度受到技術(shù)、品種、經(jīng)濟(jì)、管理等人類活動(dòng)因子影響，也會(huì)正向或負(fù)向反饋于自然生態(tài)環(huán)境。因此，耕地復(fù)種指數(shù)具有自然性、社會(huì)性的雙重屬性，其研究的核心目的在于科學(xué)理解和解釋這種復(fù)雜的“人類-自然”耦合關(guān)系，進(jìn)而科學(xué)服務(wù)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

從所屬學(xué)科看，耕地復(fù)種指數(shù)作為耕作制度或農(nóng)作制中衡量耕地集約化利用程度的重要指標(biāo)，既是農(nóng)學(xué)學(xué)科的研究范疇，也是地理學(xué)科的研究范疇，具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年、多學(xué)科的融合發(fā)展，耕地復(fù)種指數(shù)研究形成了如圖1所示的總體研究框架，包括復(fù)種指數(shù)的格局與過(guò)程探測(cè)、功能與效應(yīng)分析、優(yōu)化與調(diào)控等3個(gè)核心研究?jī)?nèi)容。格局與過(guò)程探測(cè)研究是基礎(chǔ)，是后兩者研究的前提；功能與效應(yīng)分析是核心，是格局與過(guò)程研究的延伸，也是優(yōu)化與調(diào)控的依據(jù)；優(yōu)化與調(diào)控是目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程和功能的權(quán)衡，以及人類-自然的協(xié)和發(fā)展。每個(gè)核心研究?jī)?nèi)容涉及的研究對(duì)象和研究方向具有多樣性和復(fù)雜性，研究數(shù)據(jù)涵蓋遙感、地面觀測(cè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)等多源數(shù)據(jù)集，研究方法從定性描述向定量模擬、單一方法向綜合模型進(jìn)行轉(zhuǎn)變。可見(jiàn)，耕地復(fù)種指數(shù)研究需要自然科學(xué)、工程科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科門類的綜合、交叉和集成，才能更好揭示其復(fù)雜現(xiàn)象的科學(xué)本質(zhì)。

圖1 耕地復(fù)種指數(shù)研究框架

2 耕地復(fù)種指數(shù)的格局與過(guò)程

耕地復(fù)種是人類對(duì)土地資源持續(xù)開發(fā)利用和不斷干預(yù)的過(guò)程。耕地復(fù)種指數(shù)的格局與過(guò)程是指不同耕地單元復(fù)種指數(shù)的空間分布關(guān)系與演變過(guò)程。格局是復(fù)種指數(shù)的外在表象，過(guò)程是復(fù)種指數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)理；格局影響過(guò)程，過(guò)程改變格局。因此，科學(xué)弄清耕地復(fù)種指數(shù)的數(shù)量大小、空間分布、區(qū)域差異及其時(shí)空變化過(guò)程是耕地復(fù)種指數(shù)研究的首要任務(wù)，受到了國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的廣泛關(guān)注。

耕地復(fù)種指數(shù)可分為潛在復(fù)種指數(shù)和實(shí)際復(fù)種指數(shù)。潛在復(fù)種指數(shù)是指充分利用水、土、光和熱等自然資源時(shí)能達(dá)到的最大復(fù)種指數(shù)，其估算方法包括農(nóng)業(yè)氣候法、作物生長(zhǎng)模型法和經(jīng)濟(jì)學(xué)模型法[31]。農(nóng)業(yè)氣象法是最常用的估算方法，其通過(guò)分析關(guān)鍵氣候要素對(duì)不同復(fù)種模式的水熱需求滿足度和氣候要素盈余來(lái)計(jì)算最大潛在復(fù)種指數(shù)。最早20世紀(jì)80年代中期，劉巽浩[32]通過(guò)對(duì)不同區(qū)域的熟制和水熱資源進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，對(duì)全國(guó)的耕地復(fù)種指數(shù)進(jìn)行了估算；范錦龍等[33]根據(jù)平均熱量、降水條件和最大復(fù)種指數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，采用外包絡(luò)線法估算了全國(guó)積溫和降水潛在復(fù)種指數(shù)，并取兩者最小值作為潛在復(fù)種指數(shù)；此后，楊曉光等眾多學(xué)者先后根據(jù)潛在復(fù)種指數(shù)與氣象因子的關(guān)系建立潛在復(fù)種指數(shù)估算模型，分析研究了全國(guó)、淮河流域和河南省的耕地潛在復(fù)種指數(shù)分布空間格局、區(qū)域差異及其時(shí)空演變特征[34-39]。作物生長(zhǎng)模型法以Agro-Ecological Zones（AEZ）模型為代表，將氣候、土壤、地形、土地利用方式、灌溉條件等因素與農(nóng)作物生長(zhǎng)模型整合，估算潛在復(fù)種指數(shù)[40-42]。經(jīng)濟(jì)學(xué)模型法將復(fù)種指數(shù)看成是產(chǎn)出，將光溫水等自然條件看作是生產(chǎn)投入要素，采用經(jīng)濟(jì)學(xué)中用來(lái)衡量技術(shù)有效性的隨機(jī)邊界生產(chǎn)函數(shù)能對(duì)復(fù)種指數(shù)的潛力進(jìn)行測(cè)度[43]。

實(shí)際復(fù)種指數(shù)是指受經(jīng)濟(jì)、政策、人力和技術(shù)條件等因素制約下所實(shí)現(xiàn)的實(shí)際復(fù)種水平。早期的統(tǒng)計(jì)法是利用行政區(qū)劃單元的播種面積和耕地面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際復(fù)種指數(shù)，該方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全國(guó)[44-45]、區(qū)域[46-47]以及省域尺度[48-50]的復(fù)種指數(shù)時(shí)空格局、變化特征分析。隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，遙感監(jiān)測(cè)法迅速成為區(qū)域耕地復(fù)種指數(shù)監(jiān)測(cè)的主流方法。該方法的理論依據(jù)是時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)變化可以較好描述年內(nèi)作物從生長(zhǎng)到成熟、衰落等周期性活動(dòng)過(guò)程[51-52]。利用時(shí)間序列植被指數(shù)，采用濾波法（如Savitzky-Golay 濾波法[53]、小波變換[54-55]和傅立葉變換[56]）和非線性擬合法（如Logistic 函數(shù)擬合法[57]和非對(duì)稱性高斯函數(shù)擬合法[58]）等進(jìn)行生長(zhǎng)曲線擬合，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建特征提取算法，如交叉擬合度檢驗(yàn)法[59]、決策樹法[60]、滑動(dòng)分割法[61]、排序形態(tài)學(xué)濾波法[62]、二次差分法[63-69]、峰值頻數(shù)法[70-75]等實(shí)現(xiàn)復(fù)種指數(shù)的有效監(jiān)測(cè)。目前該方法先后在全國(guó)[63-64, 70-71]、太湖流域[67]、環(huán)渤海[68, 74]、黃淮海[72]、鄱陽(yáng)湖[73]、關(guān)中地區(qū)[69]、以及浙江省[65-66]和陜西省[75]的實(shí)際復(fù)種指數(shù)時(shí)間變化特征和空間差異研究中得到應(yīng)用。同時(shí)，部分學(xué)者利用這些方法分析我國(guó)地下水漏斗區(qū)（如華北地區(qū)的河北?。?、重金屬污染區(qū)（如湖南省等）、生態(tài)嚴(yán)重退化地區(qū)（如西南喀斯特地區(qū)、西北干旱區(qū)、北方草原退化區(qū)等）的耕地復(fù)種指數(shù)變化，并深入解析近年推廣實(shí)施的耕地輪作休耕制度對(duì)耕地復(fù)種指數(shù)的影響[76-79]。

上述不同研究方法各具特色，在分析耕地的時(shí)空格局與變化過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。但是研究發(fā)現(xiàn)，這些已有研究多是從單一的學(xué)科視角（如農(nóng)業(yè)氣象學(xué)或遙感科學(xué)）出發(fā)，研究耕地復(fù)種指數(shù)格局和過(guò)程，而綜合考慮潛在復(fù)種指數(shù)與實(shí)際復(fù)種指數(shù)兩者的耕地復(fù)種提升潛力（即復(fù)種差）研究較為欠缺。受到多因素共同影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)的實(shí)際復(fù)種指數(shù)和最大潛在復(fù)種指數(shù)往往存在差距，科學(xué)掌握復(fù)種提升潛力對(duì)于進(jìn)一步挖掘糧食主產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)能力具有重要意義。一方面，部分研究圍繞潛在復(fù)種指數(shù)開展復(fù)種提升潛力研究，重點(diǎn)分析歷史或未來(lái)不同氣候變化帶來(lái)的耕地潛在多熟種植制度界限遷移，以及帶來(lái)的潛在復(fù)種指數(shù)提升空間[80-82]。這些研究由于沒(méi)有考慮現(xiàn)實(shí)中實(shí)際發(fā)生的復(fù)種指數(shù)，其估算的復(fù)種指數(shù)提升潛力實(shí)際上是復(fù)種指數(shù)理論潛力，難以較好描述實(shí)際到最大的“距離”有多遠(yuǎn)、可挖掘的潛力有多大，使得在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多不足。另一方面，少量研究結(jié)合實(shí)際和潛在復(fù)種指數(shù)，分析我國(guó)不同糧食主產(chǎn)區(qū)、西南和長(zhǎng)江中下游等重點(diǎn)區(qū)域的耕地復(fù)種指數(shù)提升潛力[83-86]，但是這些研究往往利用行政單元的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究結(jié)果僅能反映統(tǒng)計(jì)單元水平上的潛力數(shù)量特征，難以描述潛力的空間分布特征以及統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)部的空間變異性。因此，綜合多學(xué)科交叉，結(jié)合潛在與實(shí)際復(fù)種指數(shù)的復(fù)種提升潛力研究必將是該方向未來(lái)的研究重點(diǎn)之一。

3 耕地復(fù)種指數(shù)的功能和效應(yīng)

受自然生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的雙重影響，耕地復(fù)種指數(shù)格局始終處于持續(xù)變化過(guò)程之中，直接驅(qū)動(dòng)復(fù)種指數(shù)的功能和效應(yīng)發(fā)生變化。耕地復(fù)種指數(shù)的功能和效應(yīng)是指耕地復(fù)種行為所表現(xiàn)出的能力、功效和對(duì)資源環(huán)境的擾動(dòng)和破壞。復(fù)種指數(shù)的功能屬性和效應(yīng)屬性往往相伴而生，功能多具有特定的效應(yīng)，效應(yīng)也會(huì)影響功能的發(fā)揮，兩者共同對(duì)社會(huì)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。因此，全面分析耕地復(fù)種指數(shù)時(shí)空變化的功能和效應(yīng)成為耕地復(fù)種指數(shù)研究的核心內(nèi)容。

耕地復(fù)種指數(shù)首先影響農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)能夠提供的產(chǎn)品、服務(wù)和功能，尤其是糧食產(chǎn)出。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在弄清耕地復(fù)種指數(shù)時(shí)空格局及其變化的基礎(chǔ)上，分析評(píng)估耕地復(fù)種指數(shù)對(duì)糧食產(chǎn)量和保障糧食安全的貢獻(xiàn)作用。研究發(fā)現(xiàn)，這些研究多側(cè)重于耕地復(fù)種多熟種植制度或復(fù)種指數(shù)變化對(duì)播種面積的影響評(píng)估。如圍繞耕地潛在復(fù)種指數(shù)，張厚瑄[36]、王馥棠[37]和楊曉光[34,81]等先后利用氣候數(shù)據(jù)分析了過(guò)去或未來(lái)中國(guó)潛在的多熟種植界限變化對(duì)播種面積的影響。他們的研究結(jié)論一致認(rèn)為，氣候變暖使得我國(guó)多熟種植界限呈現(xiàn)北移西擴(kuò)的遷移，在品種和生產(chǎn)力水平不變的前提下，我國(guó)一熟種植面積大大縮小、兩熟或三熟等多熟適宜種植面積明顯擴(kuò)大，有利于我國(guó)播種面積的擴(kuò)展。需要說(shuō)明的是，這些結(jié)論是僅基于熱量資源得到的，若進(jìn)一步考慮水分的影響，則多熟適宜種制區(qū)會(huì)發(fā)生較大變化。同時(shí)，部分學(xué)者結(jié)合潛在和實(shí)際復(fù)種指數(shù)評(píng)估了耕地復(fù)種提升空間及其對(duì)播種面積的影響。何文斯等[87]認(rèn)為，在現(xiàn)有耕地面積不變的情況下，提升耕地復(fù)種潛力可新增約30%的農(nóng)作物播種面積。Yu[88]等提出了“收獲面積差”的新概念，在充分利用熱量資源下提高復(fù)種指數(shù)，我國(guó)收獲面積差可占全國(guó)總耕地面積的68%；考慮水資源約束，我國(guó)仍有2—5.4億畝的收獲面積提升潛力。張志國(guó)[39]研究表明，河南省依靠提高耕地復(fù)種指數(shù)來(lái)增加播種面積的空間已經(jīng)不大；金姝蘭[85]等發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江中下游地區(qū)六省一市近30年耕地復(fù)種指數(shù)下降，農(nóng)作物總播種面積、糧食播種面積和總產(chǎn)量減少，但未來(lái)耕地復(fù)種指數(shù)可挖掘潛力很大。需要說(shuō)明的是，目前耕地復(fù)種指數(shù)的糧食生產(chǎn)效應(yīng)研究多關(guān)注于復(fù)種指數(shù)變化對(duì)播種面積的影響。事實(shí)上，僅分析復(fù)種指數(shù)變化對(duì)播種面積的影響，難以準(zhǔn)確解析復(fù)種指數(shù)變化對(duì)國(guó)家或區(qū)域糧食產(chǎn)量的作用機(jī)制。我國(guó)區(qū)域遼闊，不同的復(fù)種模式下作物時(shí)空配置不一樣，復(fù)種指數(shù)變化實(shí)際上會(huì)帶來(lái)農(nóng)作物時(shí)空格局變化。只有充分考慮不同復(fù)種模式特定的農(nóng)作物組合匹配，綜合分析復(fù)種指數(shù)導(dǎo)致的作物播種面積變化和單產(chǎn)變化，才能科學(xué)估算復(fù)種指數(shù)提升對(duì)實(shí)際糧食產(chǎn)量變化的影響作用。此外，近年實(shí)施的耕地休耕輪作制度對(duì)國(guó)家糧食安全的影響也需要進(jìn)行科學(xué)評(píng)估[79]。

耕地復(fù)種指數(shù)在影響土地產(chǎn)出的同時(shí)，也會(huì)反饋于農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。一方面，有研究表明多熟種植一定程度上提高資源利用效率[89]，如緩和區(qū)域水循環(huán)減少[90]，充分利用水資源并保證作物高產(chǎn)高效[91-92]；可以改善農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境[93]，高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)土壤保肥、保水、供肥較好，而低復(fù)種旱作區(qū)土壤質(zhì)量和供肥、保肥、保水等性狀較差[94]；通過(guò)復(fù)合生物共生循環(huán)配置模式，利用物種間既有生存競(jìng)爭(zhēng)又有伴生和聯(lián)合作用，增加農(nóng)田生物多樣性，防止病蟲害，維持生態(tài)系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定性[95]。另一方面，從已有的事實(shí)看，很多國(guó)家或地區(qū)一味通過(guò)提高復(fù)種指數(shù)維持耕地高產(chǎn)，導(dǎo)致肥料和農(nóng)藥等生產(chǎn)投入增加，加大了水土資源的承載壓力，帶來(lái)顯著的環(huán)境效應(yīng)，尤其以負(fù)面效應(yīng)為主，威脅到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[96-97]。復(fù)種指數(shù)提高導(dǎo)致了對(duì)水資源的過(guò)度開采，使區(qū)域水資源失衡[98]；速溶性化肥的頻繁施用，使得多余的氮和磷從土壤進(jìn)入水體，造成農(nóng)業(yè)區(qū)域的河流、湖泊水質(zhì)下降，水體的富營(yíng)養(yǎng)化[99]。同樣，復(fù)種指數(shù)增加會(huì)帶來(lái)化肥、殺蟲劑、除草劑和地膜等的大量使用，導(dǎo)致農(nóng)田土壤養(yǎng)分失衡、土壤酸化、有害物質(zhì)積累等土壤污染和退化，造成土壤通透性降低、排水量減少，加重土壤侵蝕作用和土壤礦化損失，降低土壤肥力[100-101]?；手泻衔锸褂迷黾愚r(nóng)田溫室氣體的排放，對(duì)大氣對(duì)流層和同溫層的化學(xué)性質(zhì)以及空氣組成造成嚴(yán)重影響[102]。此外，耕地集約化利用對(duì)植物和動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。如農(nóng)藥過(guò)量使用和大型機(jī)械反復(fù)碾壓造成土壤中蚯蚓、微生物等生物數(shù)量減少，土壤生物群落多樣性降低，土壤的生物降解及養(yǎng)分有效調(diào)節(jié)功能發(fā)生重大改變，間接影響作物生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量[103]。然而，目前有關(guān)耕地復(fù)種指數(shù)變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)多是土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域?qū)W者開展的微觀試驗(yàn)性研究為主，效應(yīng)分析的局地特征和復(fù)種指數(shù)的宏觀特征存在明顯的尺度錯(cuò)位，使得目前并沒(méi)有形成廣泛認(rèn)可的一致性科學(xué)結(jié)論。因此，耕地復(fù)種指數(shù)效應(yīng)研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)和深入，建立綜合效應(yīng)分析框架，從不同的學(xué)科、視角和尺度揭示耕地復(fù)種指數(shù)對(duì)區(qū)域資源配置、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境等的影響和反饋機(jī)制，進(jìn)而為其科學(xué)調(diào)控和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

4 耕地復(fù)種指數(shù)的優(yōu)化和調(diào)控

面對(duì)國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略需求、生態(tài)安全基本約束的新形勢(shì)，在繼續(xù)嚴(yán)格保護(hù)耕地?cái)?shù)量、輪作休耕養(yǎng)地的同時(shí)，提升耕地復(fù)種指數(shù)、走耕地內(nèi)涵式集約利用模式，是我國(guó)未來(lái)糧食增產(chǎn)和確保國(guó)家糧食安全的重要策略[101]。耕地復(fù)種指數(shù)提升有助于高效利用有限的耕地資源、增加單位土地面積的糧食產(chǎn)出能力，但需要以最低的資源消耗和生態(tài)環(huán)境為代價(jià)。因此，需要在科學(xué)層面系統(tǒng)開展耕地復(fù)種潛力優(yōu)化配置研究，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、合理的挖掘復(fù)種潛力。

耕地復(fù)種指數(shù)的優(yōu)化和調(diào)控實(shí)際上是對(duì)資源、環(huán)境和生態(tài)的擾動(dòng)過(guò)程，具有“雙刃劍”效應(yīng)?？梢?jiàn)，需要綜合考慮耕地集約化利用與資源、環(huán)境、生態(tài)的相互關(guān)系，進(jìn)行不同區(qū)域、不同系統(tǒng)之間的權(quán)衡優(yōu)化，建立耕地集約利用和科學(xué)保護(hù)協(xié)同、資源節(jié)約型和環(huán)境友好型相結(jié)合的可持續(xù)復(fù)種模式[104-106]。為此，耕地“可持續(xù)集約化”的科學(xué)概念應(yīng)時(shí)而生，即“提高現(xiàn)有耕地單位面積產(chǎn)出的同時(shí)，減輕并最小化集約化利用過(guò)程對(duì)生態(tài)環(huán)境的壓力和影響”[107-108]。但是，如何科學(xué)推進(jìn)可持續(xù)性集約化利用仍待深入研究[109-110]，尤其需要強(qiáng)化可持續(xù)性評(píng)估、障礙性因子分析和系統(tǒng)性優(yōu)化調(diào)控等方面的科學(xué)研究。

首先，可持續(xù)性科學(xué)評(píng)估是優(yōu)化調(diào)整的基本前提，其核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)耕地復(fù)種利用與自然生態(tài)本底特征、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求相匹配。目前，可持續(xù)集約化側(cè)重于強(qiáng)化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理，優(yōu)化或重建生態(tài)系統(tǒng)功能，維持現(xiàn)有甚至減少外部投入，達(dá)到保護(hù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和周圍環(huán)境的目的[111]。可持續(xù)性評(píng)估多以耕地復(fù)種的綜合效應(yīng)或生態(tài)服務(wù)價(jià)值為對(duì)象，構(gòu)建可持續(xù)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)因子，應(yīng)用專家打分法、德爾菲法、層次分析法以及灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法等實(shí)現(xiàn)多熟種植系統(tǒng)的定量評(píng)價(jià)[112-113]。此外，部分學(xué)者引入能值分析理論或協(xié)調(diào)度來(lái)衡量不同熟制或不同復(fù)種方式的可持續(xù)性[114-116]。如以糧食增產(chǎn)為前端牽引，以生態(tài)代價(jià)最低化為后端控制，通過(guò)估算單位產(chǎn)量增加需要的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，利用糧食產(chǎn)量和生態(tài)效應(yīng)的平衡度來(lái)衡量耕地復(fù)種潛力提升的可持續(xù)性，并建立不同區(qū)域的耕地可持續(xù)性復(fù)種利用的優(yōu)先序。需要說(shuō)明的是，未來(lái)可持續(xù)評(píng)估需要重點(diǎn)考慮耕地集約化利用多功能、多效應(yīng)之間的協(xié)同耦合關(guān)系，不僅關(guān)注單向擾動(dòng)過(guò)程，更要考慮雙向或多向的復(fù)雜反饋過(guò)程和機(jī)制。

其次，障礙性因子分析是優(yōu)化調(diào)整的科學(xué)依據(jù)，其關(guān)鍵在于科學(xué)理解耕地復(fù)種指數(shù)提升的各種影響因素及其作用過(guò)程和機(jī)制?？傮w來(lái)看，復(fù)種指數(shù)提升的限制性因子包括自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和政策制度等方面，但不同因子在不同區(qū)域的作用不同。如環(huán)渤海地區(qū)耕地復(fù)種指數(shù)主要受到地形、耕地收益和農(nóng)作物輪作制度影響[68]；李琳鳳[24]認(rèn)為比較效益低和耕地承包到戶的經(jīng)營(yíng)體制是制約我國(guó)耕地復(fù)種指數(shù)提高的主要障礙因子；謝花林等[45]利用計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型從人文視角探討了耕地復(fù)種指數(shù)變化的影響因素，發(fā)現(xiàn)人口非農(nóng)化比重對(duì)耕地復(fù)種指數(shù)產(chǎn)生了顯著負(fù)向作用，產(chǎn)業(yè)非農(nóng)化比重、農(nóng)業(yè)政策、人均經(jīng)營(yíng)耕地和農(nóng)村家庭人均經(jīng)營(yíng)純收入對(duì)耕地復(fù)種指數(shù)產(chǎn)生了顯著正向作用；Zuo等[117]建立實(shí)際復(fù)種指數(shù)與農(nóng)村勞動(dòng)力、人均收入、土地收益、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、灌溉面積比重、土壤侵蝕、地形等統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并將我國(guó)耕地劃分7個(gè)區(qū)域，分別研究了不同區(qū)域的耕地復(fù)種提升潛力和關(guān)鍵限制因素。

最后，系統(tǒng)性優(yōu)化調(diào)控是在耕地復(fù)種可持續(xù)性評(píng)估和障礙因子分析的基礎(chǔ)上，研究提出耕地復(fù)種指數(shù)持續(xù)高效利用的調(diào)控策略?？傮w來(lái)看，優(yōu)化調(diào)控主要體現(xiàn)宏觀和微觀兩個(gè)方面。宏觀層面主要是針對(duì)復(fù)種潛力提升的關(guān)鍵障礙因子，提出因子消除的措施方案，包括土地經(jīng)營(yíng)體制、基礎(chǔ)設(shè)施投入、機(jī)械化提升、價(jià)格補(bǔ)貼和產(chǎn)權(quán)明晰等政府調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制[118]，破解土地經(jīng)營(yíng)規(guī)模小、組織化程度低、社會(huì)化服務(wù)缺乏、種植積極性不高的難題，為耕地復(fù)種指數(shù)提升提供支撐條件。微觀層面是提升農(nóng)戶的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，推進(jìn)新品種、新技術(shù)和新裝備的集成，優(yōu)化不同復(fù)種模式下的作物連作模式以及田間管理措施[30]；或設(shè)計(jì)全新的連作或輪作模式，如華北平原傳統(tǒng)的冬小麥-夏玉米兩熟復(fù)種模式向玉米-玉米的兩熟復(fù)種模式轉(zhuǎn)換[119]，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的提升和資源的高效利用的同時(shí)，降低土壤污染、加強(qiáng)地力培育、控制水土流失和減緩溫室氣體排放等。需要指出的是，無(wú)論采取何種優(yōu)化調(diào)控策略，科學(xué)評(píng)估策略的實(shí)施效果需要重點(diǎn)考慮。

5 展望

耕地復(fù)種模式對(duì)保障我國(guó)過(guò)去糧食安全發(fā)揮了重要作用，也是未來(lái)糧食增產(chǎn)和確保國(guó)家糧食安全的重要策略。國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞耕地復(fù)種指數(shù)開展了大量研究，在理論研究和技術(shù)方法方面取得了顯著進(jìn)展，為科學(xué)掌握耕地復(fù)種指數(shù)的時(shí)空格局、變化過(guò)程和原因、影響和效應(yīng)，為支撐政策制定和宏觀決策等發(fā)揮了重要作用。

本文從農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)科學(xué)視角出發(fā)，提出了耕地復(fù)種指數(shù)研究的總體框架，系統(tǒng)論述了耕地復(fù)種指數(shù)3個(gè)核心研究?jī)?nèi)容的現(xiàn)狀、進(jìn)展和存在的問(wèn)題。耕地復(fù)種指數(shù)的格局與過(guò)程探測(cè)重點(diǎn)在于科學(xué)揭示耕地復(fù)種指數(shù)的數(shù)量大小、空間分布、區(qū)域差異及其時(shí)空變化過(guò)程和規(guī)律，是耕地復(fù)種指數(shù)功能與效應(yīng)分析、優(yōu)化調(diào)控的基礎(chǔ)前提。耕地復(fù)種指數(shù)的功能與效應(yīng)分析是其研究核心內(nèi)容，關(guān)鍵在于科學(xué)掌握復(fù)種指數(shù)及其時(shí)空變化對(duì)社會(huì)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)的影響和反饋效應(yīng)。耕地復(fù)種指數(shù)的優(yōu)化調(diào)控是其研究出口，核心在于科學(xué)提出可持續(xù)挖掘和提升耕地復(fù)種潛力的策略，追求糧食安全、資源安全和生態(tài)安全的權(quán)衡協(xié)調(diào)。耕地復(fù)種本質(zhì)上反映了復(fù)雜的“人-地”耦合關(guān)系，每個(gè)核心研究?jī)?nèi)容研究面臨諸多難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，需要從系統(tǒng)性和整體性的科學(xué)視角來(lái)開展綜合研究，更好揭示復(fù)雜現(xiàn)象的本質(zhì)。因此，多數(shù)據(jù)、多尺度、多模型和多方法的綜合研究將是未來(lái)耕地復(fù)種指數(shù)研究的重點(diǎn)發(fā)展方向，將會(huì)促進(jìn)自然科學(xué)、工程科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科門類的綜合、交叉和集成研究。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Key Research Priorities for Multiple Cropping Systems

WU WenBin, YU QiangYi, LU Miao, XIANG MingTao, XIE AnKun, YANG Peng, TANG HuaJun

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Remote Sensing, Ministry of Agriculture, Beijing 100081)

To feed the China’s growing population, more food needs to be produced using currently available cropland. Further expansion of cropland seems to be unlikely as it largely conflicts with biodiversity conservation, greenhouse gas emission mitigations, and hydrological changes. Crop yield growth is also confronting with large challenges as it becomes more difficult to sustain further yield increase as farmers’ yields approach the potential threshold. Increasing cropping intensity may thus provide another promising opportunity to increase food production. An increase in cropping intensity by increasing the number of crops per cropping cycle or intercropping with other crops can increase the frequency of harvests each year, resulting in increased food supplies without additional cropland expansion. This paper, from the perspective of agricultural land systems, proposed the overall study framework of multiple cropping systems and provided an overview of current research progresses in the three key research priorities. It was indicated that: (1) Multi-faceted patterns and processes of multiple cropping systems were the basis for subsequent analysis. It should consider not only the quantity, spatial distribution, regional difference of potential or actual multiple cropping systems, but also the cropping intensity gaps so as to expand the harvest areas by closing these gaps. (2) Understanding of the effects of multiple cropping systems on socio-economic and biophysical systems was the core task. Currently, most of studies were focused on the positive contribution of multiple cropping systems to food production, and less attention was paid to its impacts on eco-environment. Interdisciplinary approaches and cross-scale integration are critically necessary for better understanding the complex effects and feedbacks of multiple cropping systems on regional resource allocation, socio-economic development and eco-environment health. (3) How to sustainably increase the multiple cropping indexes was facing great challenges. It was important to link the multiple cropping systems with other parallel systems to understand their synergies and trade-offs, in order to build up a sustainable pathway for increasing future cropping intensity. All these solutions would substantially promote the interdisciplinary integration and would contribute to better understand the coupled human-environment interactions across time, space and scales.

cropland; multiple cropping index; pattern and process; function and effect; optimization and regulation; trade-off; sustainable

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.09.006

2017-06-06；

2018-03-30

中國(guó)工程科技中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略研究（2016-ZCQ-08）

吳文斌，Tel：010-82105070；E-mail：wuwenbin@caas.cn