中國(guó)耕地空間格局變化對(duì)糧食生產(chǎn)的影響

李圓圓 ，談明洪 ，張紅旗

（1. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

一、前言

中國(guó)是世界人口大國(guó)，在自然條件的約束下不得不面臨著以全球9%的耕地養(yǎng)活全球21%人口的困境。自1994年萊斯特·布朗發(fā)表《誰來養(yǎng)活中國(guó)》以來，中國(guó)的糧食安全問題一直是世界性論題。受人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響，中國(guó)的食物需求不斷增加，僅2010—2016年，中國(guó)谷物、谷物粉及大豆的的進(jìn)口量增長(zhǎng)了1.65倍，農(nóng)、林、牧、漁業(yè)對(duì)外直接投資凈額增長(zhǎng)了5倍。根據(jù)預(yù)測(cè)，未來中國(guó)食物自給率仍將下降，大豆、谷物及谷物粉和奶制品的進(jìn)口規(guī)模將持續(xù)上升。

耕地是糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)，過去幾十年來，中國(guó)的耕地經(jīng)歷了快速的變化。耕地一旦非農(nóng)化之后，尤其是轉(zhuǎn)為建設(shè)用地之后，下墊面的改變使其很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)為可耕種狀態(tài)，因而建設(shè)用地?cái)U(kuò)張侵占耕地的現(xiàn)象引起了許多學(xué)者的關(guān)注。劉彥隨等[1]比較了中國(guó)人口規(guī)模較大的城市和集中連片優(yōu)質(zhì)農(nóng)田的分布，發(fā)現(xiàn)二者具有高度重合性。據(jù)Tan等[2]對(duì)145個(gè)大中城市的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)城市擴(kuò)張多是占用優(yōu)質(zhì)耕地，1990—2000年這些被城市占用的耕地能夠生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量相當(dāng)于全國(guó)耕地平均糧食生產(chǎn)水平的1.47倍。He等[3]計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)，1992—2015年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻募Z食減產(chǎn)導(dǎo)致了我國(guó)糧食自給率下降2%。在建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的過程中，學(xué)者注意到農(nóng)村居民點(diǎn)在人口不斷減少的過程中建設(shè)用地卻快速增長(zhǎng)的現(xiàn)象[4]，認(rèn)為農(nóng)村建設(shè)用地?cái)U(kuò)張比城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)耕地減少的影響更大。

與此同時(shí)，一些生態(tài)脆弱、耕地立地條件較差地區(qū)的耕地?cái)U(kuò)張趨勢(shì)十分顯著。比如在新疆地區(qū)，1990—2015年耕地增加了近53%[5]，2000—2015年內(nèi)蒙古地區(qū)耕地增加近23%[6]。耕地從復(fù)種指數(shù)較高、質(zhì)量較好的南方和中部地區(qū)向復(fù)種指數(shù)較低的西北和東北轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)已經(jīng)被許多學(xué)者注意。有些學(xué)者采用統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)或者全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)來描述這種耕地空間格局的變化[7]，后來則多以遙感數(shù)據(jù)，比如Landsat專題繪圖儀/增強(qiáng)型繪圖儀（TM/ETM）數(shù)據(jù)[8]、HJ-1衛(wèi)星電荷耦合器件（CCD）數(shù)據(jù)[9]等。

綜上所述，過去幾十年來中國(guó)耕地空間格局變化顯著，但是由于受到耕地自然資源稟賦的限制，轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出耕地之間的糧食產(chǎn)量并不能保證相等，耕地空間格局的變化會(huì)給糧食生產(chǎn)帶來一定影響。耕地空間格局具體是如何變化的？這種變化帶來怎樣的影響？如何定量評(píng)估這種影響？

在以前的研究中，學(xué)者通常傾向于用潛在生產(chǎn)力作為描述糧食生產(chǎn)力的指標(biāo)[10]，它通常比實(shí)際產(chǎn)量要高。為進(jìn)一步提高精度，本研究利用北師大土壤數(shù)據(jù)庫的土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)來重新調(diào)整縣域內(nèi)部柵格尺度的耕地單產(chǎn)。此前，學(xué)者發(fā)現(xiàn)在中國(guó)的不同地區(qū)，土壤有機(jī)碳和作物產(chǎn)量之間存在著一個(gè)正相關(guān)的線性關(guān)系[11]，這為縣域尺度內(nèi)調(diào)整格網(wǎng)的糧食生產(chǎn)力提供了依據(jù)。

二、數(shù)據(jù)與方法

（一）數(shù)據(jù)來源

本文所用的土地利用圖（1990年、2000年、2010年）來自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心[12]，比例尺為1∶100 000。主要由六種土地利用類型組成，分別是耕地、林地、草地、濕地、建設(shè)用地和未利用地。野外調(diào)查和隨機(jī)檢驗(yàn)表明，解譯的精確度超過了90%。

1990年、2000年、2010年的縣級(jí)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)種植業(yè)信息網(wǎng)，包括糧食作物的總產(chǎn)量和播種面積，以及所有農(nóng)作物的耕地面積和播種面積。

1 km空間分辨率的土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)是基于第二次土壤調(diào)查（1975—1985年）以及其他25本出版刊物和60份未出版材料得來的，共計(jì)8 979個(gè)土壤剖面，收錄在北京師范大學(xué)的土壤數(shù)據(jù)庫內(nèi)[13]。

（二）研究方法

首先，以縣級(jí)為單位計(jì)算每個(gè)縣的多年糧食平均單產(chǎn)，即先求出某一年某個(gè)縣的播種單產(chǎn)（糧食播種產(chǎn)量/糧食播種面積），然后乘以耕地的復(fù)種指數(shù)（所有作物播種面積/耕地面積）得到耕地的糧食單產(chǎn)，最后求多年的平均值。

其次，將縣級(jí)平均產(chǎn)量根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)的水平進(jìn)行內(nèi)部調(diào)整，從縣級(jí)尺度細(xì)化到1 km的格網(wǎng)內(nèi)，得到每個(gè)格網(wǎng)的多年平均單產(chǎn)。具體方法是計(jì)算每個(gè)縣表層土壤（0～30 cm）的平均有機(jī)質(zhì)含量，以該縣內(nèi)每個(gè)格網(wǎng)的有機(jī)質(zhì)含量與縣平均有機(jī)質(zhì)含量的比值為系數(shù)，調(diào)整該格網(wǎng)內(nèi)的糧食單產(chǎn)。

三、結(jié)果與討論

（一）耕地空間格局變化

研究數(shù)據(jù)顯示，1990—2010年，耕地面積整體凈增加了0.87%，以2000年左右為分界點(diǎn)呈現(xiàn)出先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。2000年前，年均凈增加耕地面積約為2.8×105hm2，而2000年后，年均凈減少面積約為1.3×105hm2。

1990—2010年，全國(guó)的新增耕地中最多是由草地轉(zhuǎn)來的，占比為46.9%，其次是林地，大約占38.8%，濕地和未利用地一共僅占14.3%。北方的新增耕地主要來源是草地，南方則主要來源于林地。分時(shí)段來看，前期（1990—2000年）中國(guó)的新增耕地來源中草地占比為46.0%，林地占比為42.7%，后期（2000—2010年）草地占比上升了6.1%，林地占比則大幅下降了28.2%，意味著后期耕地的開墾相對(duì)而言更多向草地、濕地以及荒地偏移（見圖1）。

1990—2010年，中國(guó)的城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，全國(guó)轉(zhuǎn)出的耕地中有24.5%被建設(shè)用地占用。另一方面，受到1999年推行的退耕還林、還草、還濕等生態(tài)保護(hù)政策以及農(nóng)村勞動(dòng)力不斷向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移的影響，主動(dòng)或被動(dòng)減少的耕地中有37.9%轉(zhuǎn)為了林地，28.7%轉(zhuǎn)為了草地，7.3%轉(zhuǎn)為了濕地。轉(zhuǎn)出耕地呈現(xiàn)出大幅向建設(shè)用地傾斜的趨勢(shì)，后10年轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地的耕地占比大幅上升了32.3%，占比達(dá)到了53.0%（見圖2）。

雖然整體看來中國(guó)的耕地面積變化幅度不大，但觀其內(nèi)部可發(fā)現(xiàn)耕地面積此消彼長(zhǎng)，不同區(qū)域之間差異顯著。根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃[14]，中國(guó)有八個(gè)主要的農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)。

圖1 中國(guó)1990—2000年和2000—2010年新增耕地來源占比變化

圖2 中國(guó)1990—2000年和2000—2010年轉(zhuǎn)出耕地類型占比變化

八大農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)中，黃淮海平原、長(zhǎng)江中游和江淮地區(qū)、四川盆地以及華南蔗果區(qū)的耕地在1990—2010年共凈減少了1.65×106hm2，而在新疆、內(nèi)蒙古東部地區(qū)和東北平原（包括松嫩平原和三江平原），耕地凈增加共3.67×106hm2（見圖3）。

從空間上來看，1990—2010年間的新增耕地主要分布在中國(guó)的東北和西北地區(qū)。在八大農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)中，內(nèi)蒙古東部地區(qū)、新疆、松嫩平原、黃淮海平原以及三江平原耕地主要來源是草地，占比分別達(dá)到了70.8%、68.8%、57.7%、44.1%以及35.7%。南部的主產(chǎn)區(qū)華南蔗果區(qū)、四川盆地和長(zhǎng)江中游及江淮地區(qū)的耕地則主要來源于林地，占比分別為85.3%、74.9%和53.0%。三江平原侵占濕地開墾耕地的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，新增耕地中有38.3%都來源于濕地。在前人的研究中，這個(gè)比例甚至更高[15]。新疆地區(qū)的新增耕地主要來源除了草地以外，未利用地也占了23.2%左右。

在八大農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)出耕地中，黃淮海平原、四川盆地、長(zhǎng)江中游及江淮地區(qū)以及華南蔗果區(qū)四個(gè)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)一共占了70.91%。黃淮海平原的損失耕地中有72.2%都轉(zhuǎn)為了建設(shè)用地，在長(zhǎng)江中游及江淮平原這個(gè)比例也高達(dá)44.9%。從空間分布上可以看到城市周圍建設(shè)用地侵占耕地的現(xiàn)象十分明顯，尤其是在京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角三大城市群范圍內(nèi)。1990—2010年，北京周邊的轉(zhuǎn)出耕地中，建設(shè)用地占用了72.5%，上海周邊這個(gè)占比則高達(dá)90.0%。

（二）耕地空間格局變化對(duì)糧食生產(chǎn)的影響

在本研究的假設(shè)中，1990—2010年農(nóng)藥、化肥、種子等各種影響因素不變。由前文計(jì)算得到中國(guó)耕地的糧食生產(chǎn)力，以此為耕地地塊的固有屬性，再結(jié)合1990年、2000年、2010年的土地利用數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)耕地空間格局變化造成全國(guó)范圍內(nèi)糧食生產(chǎn)力的平均值在1990—2010年下降了約2%。在20世紀(jì)90年代，全國(guó)的平均糧食生產(chǎn)力下降了1.5%，而2000年以后下降趨勢(shì)明顯緩和，10年僅下降了0.5%。

從八大主產(chǎn)區(qū)的角度來看，長(zhǎng)江中游及江淮地區(qū)、四川盆地、黃淮海平原以及華南蔗果區(qū)的糧食生產(chǎn)力較強(qiáng)，均超過了全國(guó)平均值，而東北和西北的四個(gè)主產(chǎn)區(qū)則遠(yuǎn)低于全國(guó)平均值（見圖4）。由此可見，現(xiàn)今的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)了與糧食生產(chǎn)力相悖的發(fā)展方式，新增耕地集中的地區(qū)反而是糧食生產(chǎn)力較弱的地區(qū)。

圖3 1990—2010年中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)耕地面積變化

由于建設(shè)用地是耕地?fù)p失最主要的途徑之一，為保障國(guó)家糧食安全，中國(guó)實(shí)行了耕地“占補(bǔ)平衡”的政策，即非農(nóng)建設(shè)經(jīng)批準(zhǔn)占用耕地之后，要按照“占多少，補(bǔ)多少”的原則，補(bǔ)充數(shù)量和質(zhì)量相當(dāng)?shù)母?，以保證耕地總量基本平衡。但實(shí)際上很難做到質(zhì)量和數(shù)量的雙重平衡，其主要原因有兩個(gè)：

（1）通常而言，補(bǔ)充的耕地土壤質(zhì)量較差，且多位于氣候條件不太適宜耕作的地區(qū)[16]。優(yōu)質(zhì)耕地則大多分布在城鎮(zhèn)周邊或交通沿線，容易和城鎮(zhèn)建設(shè)用地發(fā)生沖突，被城鎮(zhèn)擴(kuò)展所占用[17]。因而同地區(qū)耕地之間容易出現(xiàn)“占優(yōu)補(bǔ)劣”。例如在八大主產(chǎn)區(qū)內(nèi)部，被建設(shè)用地占用的耕地的糧食生產(chǎn)力通常也高于該地區(qū)新增耕地的糧食生產(chǎn)力。

（2）熱量條件決定了我國(guó)北方耕地復(fù)種指數(shù)較低，南方耕地復(fù)種指數(shù)較高，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度上又恰好相反，加之近些年節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，水資源對(duì)北方耕作的限制作用減弱，所以從總體格局上出現(xiàn)南方耕地被建設(shè)用地侵占，北方耕地大規(guī)模連片開墾的情況，南北耕地之間容易“占優(yōu)補(bǔ)劣”。

建設(shè)用地在轉(zhuǎn)出耕地中的占比僅在研究期內(nèi)的兩個(gè)時(shí)段中就上升了32.28%，而中國(guó)城鎮(zhèn)化率還有很大的提升空間。因而未來建設(shè)用地占用仍然會(huì)是耕地流失的主要原因。另一方面，新增耕地主要分布于東北、西北這些地區(qū)，而這些地區(qū)耕地的糧食生產(chǎn)力比全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)用地占用耕地的生產(chǎn)力要低得多。新疆、東北平原、內(nèi)蒙古東部地區(qū)新增耕地的平均糧食生產(chǎn)力分別是5.7 t/hm2、4.4 t/hm2和2.5 t/hm2，如果想彌補(bǔ)全國(guó)范圍內(nèi)1 hm2被建設(shè)用地占用的耕地，就需要在新疆地區(qū)補(bǔ)1.6 hm2，在東北平原補(bǔ)2.0 hm2，在內(nèi)蒙古東部地區(qū)補(bǔ)3.6 hm2才能保證總的產(chǎn)能平衡。新增耕地一是糧食產(chǎn)量相對(duì)較低，并且缺乏對(duì)耕地質(zhì)量的后續(xù)提升與管理措施；二是容易對(duì)區(qū)域生態(tài)安全問題造成困擾，因而新增耕地的大量開墾存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，未來需謹(jǐn)慎開發(fā)。

圖4 八大主產(chǎn)區(qū)耕地平均糧食生產(chǎn)力

四、結(jié)語

本文定量評(píng)估了1990—2010年中國(guó)耕地空間格局變化帶來的糧食生產(chǎn)變化。為更精準(zhǔn)地評(píng)估這種變化，本文基于縣級(jí)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和中國(guó)土壤有機(jī)質(zhì)的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，建立了1 km分辨率的格網(wǎng)級(jí)耕地糧食生產(chǎn)力數(shù)據(jù)庫。將得到的格網(wǎng)級(jí)糧食生產(chǎn)力與土地利用變化數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）1990—2010年，中國(guó)耕地面積先增長(zhǎng)后下降，總體變化幅度不大，但其內(nèi)部耕地面積在不同地區(qū)發(fā)生較大變化。

（2）1990—2010年，中國(guó)新增耕地主要來源是草地（46.9%），后期（2000—2010年）草地占比上升，主要去向前期（1990—2000年）是林地（36.6%），后期建設(shè)用地占比上升，成為主要去向（53.0%）。南方的新增耕地主要來源于林地，北方則來源于草地，東北地區(qū)開墾濕地的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

（3）耕地的空間格局變化造成中國(guó)平均糧食生產(chǎn)力在20年間下降了2%。在保證耕地產(chǎn)能平衡的前提下，全國(guó)每有1 hm2耕地被建設(shè)用地占用，就需要在新疆開墾1.6 hm2耕地作為彌補(bǔ)，在東北平原則需要2.0 hm2耕地作為彌補(bǔ)，而在內(nèi)蒙古東部地區(qū)則需要3.6 hm2耕地作為彌補(bǔ)。