多情景模擬休耕對(duì)中國(guó)糧食安全的影響

陳浮 曾思燕 馬靜 劉俊娜 于昊辰 孫燕

摘要：研究目的：探究多情景休耕對(duì)國(guó)家糧食安全的影響，為耕地保護(hù)、國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。研究方法：因子評(píng)價(jià)、意愿調(diào)查和情景模擬分析。研究結(jié)果：（1）休耕迫切性、規(guī)模和空間分布受耕地資源環(huán)境本底硬約束控制，重度污染、中度污染、一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線范圍、地下水重度超采和質(zhì)量劣等耕地分別占1.23%、2.31%、3.57%、0.68%和3.69%，應(yīng)全部納入休耕。（2） 當(dāng)前農(nóng)戶休耕意愿偏低，全國(guó)僅2.17%農(nóng)戶參與意愿高，84.92%的農(nóng)戶休耕意愿低或不愿意。不同情景下休耕需求差異顯著，表現(xiàn)為生態(tài)安全優(yōu)先情景（PES，20.57%）>農(nóng)戶意愿優(yōu)先情景（PFW，18.98%）>食品安全優(yōu)先情景（PFS，15.30%）。（3）不同情景下休耕導(dǎo)致的產(chǎn)能損失顯著差異，全面執(zhí)行休耕潛在的糧食產(chǎn)能損失率為PES（17.32%）>PFW（14.36%）>PFS（13.66%），對(duì)糧食安全有負(fù)面影響。遵循農(nóng)戶意愿合理安排時(shí)序，可確保近期、中期、遠(yuǎn)期休耕造成的糧食產(chǎn)能損失完全不影響中國(guó)2025年、2030年和2035年實(shí)現(xiàn)糧食高度自給。研究結(jié)論：實(shí)施休耕既要考慮耕地資源環(huán)境本底狀況和農(nóng)戶意愿，也要減輕對(duì)糧食安全的影響，從而緩解耕地污染、保護(hù)生態(tài)和維護(hù)國(guó)家糧食安全。

關(guān)鍵詞：耕地休耕；土壤污染；農(nóng)戶意愿；情景模擬；糧食安全

中圖分類號(hào)：F321.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-8158（2023）01-0090-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD06B02）；江蘇省自然資源科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022042）。

糧食安全是當(dāng)今和未來全球可持續(xù)發(fā)展面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)[1]。至2050年，全球人口將超過90億，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)需要提高60%～70%生產(chǎn)能力才能滿足糧食需求[2]。然而，許多地區(qū)耕地生態(tài)環(huán)境不斷惡化，難以達(dá)成永續(xù)利用和糧食安全的雙贏[3]。休耕是一種有效的休養(yǎng)生息方式，可讓受損耕地恢復(fù)，特別是質(zhì)量持續(xù)退化、地下水超采和污染的耕地[4]。2016年我國(guó)開始耕地輪作休耕試點(diǎn)，旨在提高耕地質(zhì)量、治理土壤污染、持續(xù)恢復(fù)地力，尋求基于自然的解決方案實(shí)現(xiàn)糧食安全和永續(xù)利用[5]。中國(guó)作為全球第一大糧食生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，休耕必定對(duì)全球糧食貿(mào)易和安全產(chǎn)生舉足輕重的影響。

休耕是一項(xiàng)涉及社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—環(huán)境多重因素與多方利益的復(fù)雜行為。國(guó)際上休耕研究多與環(huán)境問題、糧價(jià)波動(dòng)控制有關(guān)，如美國(guó)休耕除提高環(huán)境效益，改善水質(zhì)和野生動(dòng)物棲息地外[6]，還起著控制農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)，解決糧食過剩等作用[7]。加拿大每年休耕面積超過10萬km2，期望培肥土壤，緩解日益嚴(yán)重的土地退化[8]。歐盟休耕最初旨在提高土壤肥力，減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響[9]，現(xiàn)在已被用作調(diào)控谷物價(jià)格和供需平衡的重要經(jīng)濟(jì)工具[10]。日本每年會(huì)根據(jù)國(guó)內(nèi)外糧食供求狀況調(diào)整自身的休耕規(guī)模，應(yīng)對(duì)國(guó)際糧價(jià)波動(dòng)帶來的沖擊[11]。巴西關(guān)注休耕對(duì)持續(xù)耕作土壤的恢復(fù)及其環(huán)境效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)低碳農(nóng)業(yè)計(jì)劃[12]。中國(guó)受自身糧食生產(chǎn)和需求的影響，2016年才開始實(shí)施輪作休耕試點(diǎn)，主要采取自下而上的自愿申報(bào)和總量控制的方式[5]。國(guó)內(nèi)有關(guān)休耕研究相對(duì)集中于4方面：探索政策實(shí)施框架，主要學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國(guó)家的休耕經(jīng)驗(yàn)[13]；區(qū)域尺度休耕適應(yīng)性評(píng)價(jià)和空間建模[14-15]；農(nóng)戶休耕意愿調(diào)查及補(bǔ)償機(jī)制[16-19]；估算休耕規(guī)模及糧食生產(chǎn)影響，如石飛等人估算了保障糧食安全所需的耕地底線及最大的休耕比重（20.0%）[20]。LU等預(yù)測(cè)在糧食生產(chǎn)潛力提升和中高速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)情景下，2030年中國(guó)耕地的5.69%可實(shí)施休耕[21]。陳浮等從中國(guó)耕地資源環(huán)境本底出發(fā)，量化了地塊的休耕迫切性，識(shí)別了休耕的優(yōu)先區(qū)[22]。這些研究從糧食安全、生態(tài)脆弱性或土地適宜性等視角闡述了休耕規(guī)模和空間分區(qū)，解決“休哪里”“休多少”等關(guān)鍵性問題，但忽視了農(nóng)戶休耕意愿對(duì)休耕實(shí)施的影響，尤其是對(duì)糧食生產(chǎn)的影響。因此，從資源環(huán)境硬約束和農(nóng)戶休耕意愿出發(fā)，在國(guó)家層面上量化休耕實(shí)施的可行性和迫切性，對(duì)推動(dòng)休耕方案科學(xué)落地和糧食安全影響評(píng)估具有重大意義。

中國(guó)耕地分布廣、地理環(huán)境差異大，生產(chǎn)既有傳統(tǒng)小農(nóng)經(jīng)濟(jì)模式，又有面向市場(chǎng)的商業(yè)化模式[15]。同時(shí)，還面臨著質(zhì)量退化、污染加重、生物多樣性銳減等挑戰(zhàn)，從國(guó)家層面上考察資源環(huán)境因子對(duì)休耕的硬約束顯得十分重要。農(nóng)戶是落實(shí)休耕的主體，也是休耕補(bǔ)償制度的主要利益相關(guān)者，農(nóng)戶意愿對(duì)休耕實(shí)施至關(guān)重要[16]。此外，基于耕地需求底線探索規(guī)模約束條件下耕地休養(yǎng)生息的“彈性空間”可以避免觸及國(guó)家糧食安全閾值、提高休耕政策實(shí)施有效性。為此，本文從耕地本底資源剛性約束視角設(shè)定食品安全優(yōu)先情景（PFS）、生態(tài)安全優(yōu)先情景（PES）、農(nóng)戶意愿優(yōu)先情景（PFW）3種情景，結(jié)合糧食安全約束下的中國(guó)耕地需求量測(cè)算結(jié)果，闡明休耕迫切性及可休養(yǎng)生息的規(guī)模上限，權(quán)衡食品安全—生態(tài)保護(hù)—農(nóng)戶休耕意愿—產(chǎn)能損失之間的空間關(guān)聯(lián)，進(jìn)而刻畫休耕時(shí)序安排的空間格局，為國(guó)家層面實(shí)施休耕、國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)轉(zhuǎn)型及糧食安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究框架

建立基于耕地資源環(huán)境壓力狀況和農(nóng)戶參與休耕意愿的框架，包含4個(gè)步驟：第一步，休耕影響因子識(shí)別。選取包含國(guó)家休耕指令和三線劃定要求中優(yōu)先考慮的4個(gè)約束條件：生態(tài)保護(hù)紅線范圍、土壤污染、地下水超采區(qū)和耕地質(zhì)量狀況。邊際和受損的耕地相對(duì)脆弱，高強(qiáng)度利用會(huì)加速退化或環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[23]。因此，生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)退耕或休耕，污染和質(zhì)量差的實(shí)施休耕，地下水超采區(qū)輪作或休耕，這是國(guó)家休耕治理的核心[5， 24]。此外，農(nóng)戶是休耕實(shí)施的利益相關(guān)方和補(bǔ)償接受方，他們的參與意愿對(duì)休耕計(jì)劃實(shí)施至關(guān)重要[17]。第二步，從糧食安全視角出發(fā)，綜合考慮人口（Y）、糧食需求（D）、糧食單產(chǎn)（K）三大要素及糧a作比（q）、復(fù)種指數(shù)（z）等參數(shù)構(gòu)建糧食消費(fèi)供需預(yù)測(cè)模型測(cè)算高峰年糧食不同自給率的糧食安全底線。第三步，休耕方案多情景模擬。考慮休耕的迫切性和可行性，設(shè)定PFS、PES、PFW3種情景，每一種情景又設(shè)置高、中和低3種休耕組合方案區(qū)分休耕的優(yōu)先級(jí)。第四步，測(cè)算3種情景不同方案下糧食產(chǎn)能損失率，權(quán)衡耕地資源剛性與休耕規(guī)模彈性共同約束下休耕實(shí)施方案與時(shí)序安排。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

依據(jù)生態(tài)環(huán)境部頒布的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》要求，收集了全國(guó)數(shù)字高程模型和歸一化植被指數(shù)（www.gscloud.cn），全國(guó)氣象站點(diǎn)降雨量、風(fēng)速、溫度等氣象數(shù)據(jù)（http：//data.cma.cn），土壤數(shù)據(jù)（http：// vdb3.soil.csdb.cn），全國(guó)植被NPP、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)和自然保護(hù)區(qū)分布等生態(tài)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)（www.ecosystem.csdb.cn）以及環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)[25]。耕地污染包含重金屬和有機(jī)物污染，采用單因子指數(shù)與Nemerov 綜合污染指數(shù)表征污染狀況。有關(guān)耕地土壤污染的數(shù)據(jù)收集采用文獻(xiàn)計(jì)量法，詳見文獻(xiàn)[26]。地下水超采主要數(shù)據(jù)包含1979年全國(guó)淺層地下水位等值線和2006年中國(guó)地下水資源與環(huán)境圖集[27]、2011年全國(guó)淺層地下水位埋藏深度圖[28]及2014年全國(guó)主要地下水超采分布圖[29]。本文中耕地?cái)?shù)據(jù)采用2020年GlobeLand 30柵格數(shù)據(jù)（www.globallandcover.com），分辨率為30 m×30 m，總體分類準(zhǔn)確率為88.90%±0.68%[30]。耕地質(zhì)量狀況主要來源于2015年國(guó)土資源部公布的《中國(guó)耕地質(zhì)量等級(jí)調(diào)查與評(píng)定》[31]，基準(zhǔn)年為2012年。耕地經(jīng)營(yíng)權(quán)流轉(zhuǎn)價(jià)格采用戚淵等[32]關(guān)于中國(guó)耕地流轉(zhuǎn)價(jià)格區(qū)劃成果，休耕補(bǔ)貼金額依據(jù)《探索實(shí)行耕地輪作休耕制度試點(diǎn)方案》①進(jìn)行確定。糧食供給需求預(yù)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、《中國(guó)糧食發(fā)展報(bào)告》、《中國(guó)糧食問題白皮書》及《中國(guó)居民膳食指南（2016年版）》。

1.3 研究方法

1.3.1 休耕迫切性評(píng)判與柵格單元優(yōu)先排序

利用生態(tài)保護(hù)紅線（E）—耕地污染（P）—地下水開采狀況（G）—耕地質(zhì)量（Q）—農(nóng)民休耕愿意（W）5因子組合表達(dá)柵格單元休耕的迫切性，表示為∏（EmPnGiQjWx）。m、n、i、j和x分別表示E、P、G、Q和W因子相應(yīng)的等級(jí)，其中：m可取0、1或2，分別表示一級(jí)、二級(jí)或非生態(tài)紅線保護(hù)區(qū)；n可取0、1、2、3或4，分別表示耕地污染等級(jí)為重度、中度、輕度、尚清潔或清潔；i可取 0、1、2或3，分別表示重度、中度、輕度超采或采補(bǔ)平衡區(qū)；j可取 0、1、2、3或4，分別表示耕地質(zhì)量等級(jí)為劣、差、中、良或優(yōu)；x可取 0、1、2或3，分別表示農(nóng)民休耕意愿高、中、低和差。

（1）生態(tài)保護(hù)紅線（EPRL）劃定和疊加分析方法：采用Arcgis 10.6疊加分析功能編制全國(guó)生態(tài)保護(hù)紅線圖，并與已公布的20個(gè)省份劃定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，具體結(jié)果參見文獻(xiàn)[22]。在Arcgis 10.6柵格計(jì)算中使用con語(yǔ)句，與全國(guó)耕地柵格數(shù)據(jù)“并運(yùn)算”生成三類區(qū)域：①一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)，主要為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極重要且生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)內(nèi)耕地；②二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)，為其他生態(tài)保護(hù)紅線范圍內(nèi)耕地；③非生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)，不在上述范圍內(nèi)的耕地。

（2）耕地污染綜合評(píng)價(jià)和等級(jí)劃分方法：依據(jù)“水桶效應(yīng)[33]”和SWAINE劃分的微量元素環(huán)境危害性[34]，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量——農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618—2018）[35]和MALISZEWSKAKORDYBACH[36]劃分的多環(huán)芳烴污染濃度分類標(biāo)準(zhǔn)臨界值（<200 μg/kg），計(jì)算單因子指數(shù)均值，再加權(quán)計(jì)算耕地污染復(fù)合指數(shù)（Pn），具體詳見文獻(xiàn)[26]，該成果具有可靠的精度，與實(shí)際污染樣點(diǎn)的交叉驗(yàn)證精度為84.62%[37]。最后按《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)要求》（DD2005-02）[38]規(guī)定的土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將全部耕地劃分為重度污染、中度污染、輕度污染、尚清潔和清潔5個(gè)級(jí)別。

（3）地下水超采評(píng)價(jià)與等級(jí)劃分方法：依據(jù)《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)指南》（GBT34968—2017）和《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則（GBT34968—2017）》，采用2021年水利部新一輪地下水超采區(qū)劃定建議的地下水水位變幅法①，將全國(guó)地下水開采狀況劃分為4個(gè)類型區(qū)，即采補(bǔ)平衡區(qū)、輕度超采區(qū)、中度超采區(qū)和重度超采區(qū)。

1.3.3 多情景休耕模擬設(shè)定

考慮休耕的自身目的、方案落地和糧食安全等影響，本文設(shè)定3種情景：食品安全優(yōu)先情景（PFS）、生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景（PES）和農(nóng)戶意愿優(yōu)先情景（PFW）。（1）食品安全優(yōu)先情景（PFS）。主要針對(duì)耕地重金屬和有機(jī)污染嚴(yán)重區(qū)優(yōu)先休耕，應(yīng)休盡休，休治協(xié)同，以重點(diǎn)剪斷土壤—食品之間污染傳遞，切實(shí)保障糧食生產(chǎn)安全。（2）生態(tài)保護(hù)優(yōu)先情景（PES）。主要針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)以及地下水嚴(yán)重超采區(qū)優(yōu)先休耕，必休盡休，休退有序，重點(diǎn)減輕農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的干擾。（3）農(nóng)戶意愿優(yōu)先情景（PFW）。除考慮耕地資源環(huán)境硬約束外，充分尊重農(nóng)戶的休耕意愿，應(yīng)休必休，確保休耕政策穩(wěn)健有序推進(jìn)，穩(wěn)進(jìn)開展。由于耕地健康存在“水桶效應(yīng)”[33]，休耕迫切性主要取決于對(duì)耕地資源環(huán)境硬約束最大的因子，即所謂的“短板”。當(dāng)污染超標(biāo)嚴(yán)重時(shí)，即便生產(chǎn)再多的糧食，也無法食用，耕地污染則成為休耕的首要因子。此外，一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)和地下水重度超采區(qū)一般不能繼續(xù)從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，易形成地下水漏斗，會(huì)對(duì)生物多樣性保護(hù)和地下水資源造成不可逆的損傷。因此，在休耕迫切性排序時(shí)，將耕地重度污染、地下水重度超采區(qū)和一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)單獨(dú)扣除納入必須休耕范圍，作為3種情景下高休耕需求方案。

1.3.4 休耕方案評(píng)判與時(shí)序安排

在國(guó)家宏觀層面下，確定休耕規(guī)模與空間布局必須置于自然—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)下進(jìn)行合理界定，因此不能讓所有應(yīng)該輪作休耕的耕地立馬進(jìn)行輪作或休耕。在此，依據(jù)不同情景下休耕的迫切性，設(shè)定不同的休耕優(yōu)先順序，再確定3種休耕情景下近期（2021—2025年）、中期（2026—2030年）、遠(yuǎn)期（2031—2035年）的休耕時(shí)序安排，具體順序及休耕類型組合見表1。結(jié)合中國(guó)實(shí)際種植制度，考慮多種熟制的經(jīng)驗(yàn)方式組合（包括一年兩熟、兩年三熟、一年三熟），本文采用中國(guó)農(nóng)田生產(chǎn)潛力數(shù)據(jù)集[44]測(cè)算不同情景下各休耕方案造成的潛在糧食生產(chǎn)能力損失量△CL。若Ai+t-Bi+t≥△CL，表明休耕造成的糧食減產(chǎn)量不會(huì)危及中國(guó)居民糧食消費(fèi)需求，此休耕方案可行；反之，則不可行，需調(diào)整年度休耕規(guī)模。

2 結(jié)果與分析

2.1 全國(guó)休耕影響因子空間分布及分異特征

耕地資源環(huán)境本底是休耕的決定性因素，全國(guó)耕地資源環(huán)境本底呈現(xiàn)復(fù)雜的空間格局及分異特征，從圖1可知：（1）全國(guó)耕地污染面積占全部耕地面積的22.10%，重度污染極少，僅占1.23%，中度（2.31%）次之，輕度占比大，達(dá)18.56%。我國(guó)南方耕地污染較重，大范圍面狀分布，北方則呈點(diǎn)狀擴(kuò)散。耕地中重度污染幾乎全部分布于人口相對(duì)稠密的東中部地區(qū)，表明人為活動(dòng)是我國(guó)耕地污染的主因。（2）全國(guó)位于生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)耕地面積占全部耕地面積的14.52%，其中一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線內(nèi)耕地為3.57%。從空間分布上看，北方多于南方。位于一級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)內(nèi)耕地主要集中于黃土高原地區(qū)及粵北低山丘陵區(qū)，位于二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)內(nèi)耕地主要集中于長(zhǎng)白山、新疆內(nèi)陸河源區(qū)、湘北和豫中等國(guó)家和省級(jí)自然保護(hù)區(qū)。（3）從全國(guó)來看，91.83%耕地范圍內(nèi)地下水采補(bǔ)尚能維持平衡，中、重度超采區(qū)耕地僅占3.83%和0.68%，但中、重度超采區(qū)集中于北方重要農(nóng)業(yè)區(qū)，如河西走廊、渭河谷地、汾河盆地、華北平原和松遼平原，其中華北平原已形成大范圍連片中、重度超采區(qū)，面積高達(dá)70 000 km2。（4）全國(guó)耕地總體質(zhì)量一般，平均質(zhì)量等別僅為9.8等。中低產(chǎn)田面積占全國(guó)耕地面積的67.35%，其中低、劣等耕地分別占14.00%和3.69%，黃土高原北部農(nóng)牧交錯(cuò)帶、河北西部和北部以及貴州丘陵山區(qū)。

圖2顯示中國(guó)耕地經(jīng)營(yíng)權(quán)流轉(zhuǎn)價(jià)格及農(nóng)戶休耕意愿空間分布及分異特征，可以看出：（1）耕地經(jīng)營(yíng)權(quán)流轉(zhuǎn)價(jià)格空間分異十分顯著，整體上呈現(xiàn)中西部低、東部高的分布格局。高值區(qū)主要集中于華北平原和東部沿海地區(qū)，中值區(qū)主要集中于華中與華南地區(qū)，低值區(qū)主要集中在西部和內(nèi)蒙一些地區(qū)。耕地經(jīng)營(yíng)權(quán)平均流轉(zhuǎn)價(jià)格區(qū)間為4 710～29 925 元/（hm2·a），其中大多數(shù)位于7 500～12 000 元/（hm2·a），占50.67%[32]。（2）從意愿分組來看，農(nóng)戶休耕意愿整體較低，休耕意愿高的農(nóng)戶僅占2.17%，大約一半的農(nóng)戶不愿意主動(dòng)休耕。從分布空間來看，農(nóng)戶休耕意愿高值區(qū)主要分布于江西大部分區(qū)域、黑龍江西部、湖南北部，休耕補(bǔ)貼與當(dāng)?shù)貙?shí)際流轉(zhuǎn)價(jià)差極小，主要原因與當(dāng)?shù)馗匚廴尽⑼嘶^重，已不宜耕種有關(guān)。中值區(qū)在內(nèi)蒙古東部及與黑龍江接壤處分布最廣，其次是甘肅南部、陜西北部、寧夏南部等黃土高原丘陵溝壑區(qū)，與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱及不合理農(nóng)牧變換導(dǎo)致土地退化有關(guān)，實(shí)際流轉(zhuǎn)價(jià)格低，從而抬高農(nóng)戶休耕意愿密不可分；低值區(qū)在全國(guó)分布廣泛，休耕補(bǔ)貼低影響了農(nóng)戶的積極性；不愿意休耕占比近一半，主要是生產(chǎn)條件較好，流轉(zhuǎn)價(jià)格遠(yuǎn)高于休耕補(bǔ)貼。

2.2 多情景休耕模擬與時(shí)序安排

按照表1設(shè)置的不同情景和類型組合，利用Arcgis 10.6疊加分析功能對(duì)全部柵格空間疊加計(jì)算，取得3種情景下近期、中期、遠(yuǎn)期3種休耕方案下休耕單元空間分布（圖3）。（1）食品安全優(yōu)先情景下休耕占比為15.30%，按污染治理的迫切性，近期重點(diǎn)休耕贛南、湘南、蒙東及豫中和冀北等重度污染區(qū)，中期重點(diǎn)休耕黃河下游、川中平原、內(nèi)蒙古中—南部及長(zhǎng)江中游南部等中度污染及其他問題嚴(yán)重的輕度污染區(qū)，遠(yuǎn)期重點(diǎn)休耕松遼平原、黃土高原、云貴丘陵山區(qū)、贛南及皖南等包含輕度污染且耕地質(zhì)量劣等或二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)或中度超采區(qū)。近期、中期、遠(yuǎn)期休耕占比分別為4.94%、4.70%和5.66%（圖（3a））。（2）生態(tài)安全優(yōu)先情景下休耕占比為20.57%，按生態(tài)保護(hù)的優(yōu)先性，近期重點(diǎn)退耕豫北、冀西南部、陜中、蒙中及湘川交界等重要生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)耕地，中期重點(diǎn)休耕甘東南、松花江下流及天山南麓等生態(tài)保護(hù)區(qū)且地下水中度超采或耕地質(zhì)量低等或中度污染的耕地，遠(yuǎn)期重點(diǎn)休耕內(nèi)陸荒漠邊緣帶、中南部石漠化地區(qū)和長(zhǎng)白山周邊質(zhì)量低劣、地下水中度超采及二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)內(nèi)耕地。近期、中期、遠(yuǎn)期休耕占比分別為5.70%、4.31%和10.56%（圖3（b））。（3）農(nóng)戶意愿優(yōu)先情景下休耕占比為18.98%，按農(nóng)戶愿意的高低，近期重點(diǎn)休耕零星分布于中南部和相對(duì)集中分布于內(nèi)蒙、河北和河南中南部，其中二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)且農(nóng)戶休耕意愿高的單元（E1PnGiQjW0），分布于湘北、甘南及陜甘寧交界處。中期重點(diǎn)休耕內(nèi)蒙中—南部、蒙黑交界處等農(nóng)戶休耕意愿中且二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)或中度污染或地下水中度超采或質(zhì)量低等的耕地，遠(yuǎn)期重點(diǎn)休耕黃土高原丘陵溝壑區(qū)等農(nóng)戶休耕意愿低且二級(jí)生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)或中度污染或地下水中度超采或質(zhì)量低等的耕地（圖3（c））。

2.3 糧食安全約束下休耕情景的理性選擇

圖4（a）顯示3種情景下近期、中期、遠(yuǎn)期不同休耕方案造成的糧食產(chǎn)能損失。（1）食品安全優(yōu)先情景下近期、中期、遠(yuǎn)期分別造成糧食產(chǎn)能損失3 396.23萬t、2 563.18萬t和3 187.99萬t，占2020年全國(guó)糧食總產(chǎn)的5.07%、3.83%和4.76%；（2）生態(tài)安全優(yōu)先情景下近期、中期、遠(yuǎn)期方案分別造成糧食產(chǎn)能損失3 440.40萬t、 1 002.71萬t和7 154.25萬t，占2020年全國(guó)糧食總產(chǎn)的5.14%、1.05%和10.69%；（3）農(nóng)戶意愿優(yōu)先情景下近期、中期、遠(yuǎn)期方案造成糧食產(chǎn)能損失3 115.55萬t、2 279.80萬t和4 216.77萬t，占2020年全國(guó)糧食總產(chǎn)4.65%、3.41%和6.30%。不同情景近期方案造成的糧食產(chǎn)能損失大致相當(dāng)，主要是落實(shí)應(yīng)休必休，休耕區(qū)域大體一致。但不同情景中期、遠(yuǎn)期方案造成的糧食產(chǎn)能損失差異大，生態(tài)優(yōu)先遠(yuǎn)期方案大約造成10.69%的糧食產(chǎn)能損失，比近期高一倍，主要因?yàn)檫h(yuǎn)期多為生態(tài)保護(hù)或管控區(qū)還湖還草還林的耕地，質(zhì)量良好，不同于近期多為休耕污染嚴(yán)重和質(zhì)量劣等耕地。除食品安全優(yōu)先近期方案外，所有情景下不同方案造成的糧食產(chǎn)能損失率均小于休耕率（比值>1），說明列入休耕的耕地資源環(huán)境本底整體差。

依據(jù)糧食供給需求預(yù)測(cè)模型測(cè)算可知：2025年、2030年和2035年不同自給水平下糧食結(jié)余量分別為[-1357.7， 5428.6]、[-1808.6， 5601.2]和[-631.0， 7151.9]萬t（表2）?？紤]國(guó)際糧食貿(mào)易和市場(chǎng)調(diào)節(jié)，中國(guó)一貫堅(jiān)持高度自給（口糧100%自給+其他用糧90%自給）為國(guó)家糧食安全的底線[41-42]。為此，依據(jù)不同情景下各方案造成的糧食產(chǎn)能損失與不同自給水平下糧食結(jié)余量的關(guān)系評(píng)判休耕對(duì)國(guó)家糧食安全的影響。圖4（b）顯示不同方案對(duì)不同自給水平下糧食安全的影響：（1）食品安全優(yōu)先。近期、中期僅能滿足適度自給，遠(yuǎn)期可以滿足高度自給。（2）生態(tài)安全優(yōu)先。近期可滿足適度自給，但遠(yuǎn)期造成糧食產(chǎn)能損失達(dá)7 154.25萬t，高于2035年糧食結(jié)余量，對(duì)糧食安全產(chǎn)生重大影響。（3）農(nóng)戶意愿優(yōu)先。近期、中期、遠(yuǎn)期造成的糧食產(chǎn)能損失量低于2025年、2030年、2035年高度自給條件下糧食盈虧量，完全可以實(shí)現(xiàn)高度自給。因此，該情景下不同時(shí)期可以落實(shí)國(guó)家糧食高度自給，方案可行。

3 討論

3.1 休耕時(shí)序安排對(duì)糧食產(chǎn)能的影響

休耕是一個(gè)“對(duì)象”和“規(guī)?！彪p重約束下的休耕地塊優(yōu)選問題，而休耕實(shí)施短期內(nèi)會(huì)對(duì)糧食生產(chǎn)能力產(chǎn)生負(fù)面影響，影響國(guó)家糧食數(shù)量安全。因此，在國(guó)家尺度上進(jìn)行休耕空間評(píng)判需從休耕規(guī)模與地塊時(shí)序安排兩方面予以考慮。關(guān)于休耕規(guī)模的確定，理論上依據(jù)優(yōu)先休耕因子確定，但休耕現(xiàn)實(shí)規(guī)模上應(yīng)以糧食安全為首要約束條件和上限[45]。休耕實(shí)施必須注重問題導(dǎo)向，將嚴(yán)重影響耕地可持續(xù)利用的要素作為優(yōu)先休耕因子。通過從國(guó)家休耕需求的實(shí)踐出發(fā)，設(shè)置了食品安全優(yōu)先、生態(tài)保護(hù)優(yōu)先和農(nóng)戶意愿優(yōu)先三類情景下不同休耕迫切性的高、中、低3種休耕需求方案，3種情景下休耕總面積分別占比為15.30%、20.57%和18.98%，這一結(jié)果與石飛等[20]、羅婷婷等[46]估算中國(guó)休耕極限值為20%幾乎一致。此外，本文采用糧食供給需求預(yù)測(cè)模型正是基于糧食安全的視角，測(cè)算高度自給水平下不同時(shí)期糧食盈虧量為[3131.3， 4557.6]萬t。對(duì)應(yīng)糧食產(chǎn)能損失量來看，農(nóng)戶意愿優(yōu)先情景（PFW）下近期、中期和遠(yuǎn)期方案完全滿足糧食高度自給，既防止休耕造成糧食產(chǎn)能損失過大，又兼顧“應(yīng)休必休”的現(xiàn)實(shí)需求。

此外，鑒于休耕要兼顧迫切性、農(nóng)戶意愿和糧食安全等因素，建議在時(shí)序安排上有計(jì)劃有步驟地穩(wěn)步實(shí)施休耕。根據(jù)耕地資源環(huán)境硬約束“短板”差異劃分為禁植必休區(qū)、限植休耕區(qū)或者輪休區(qū)，實(shí)施差異化休耕模式[22]。例如，對(duì)耕地∏（EmP0GiQjWx）和∏（EmPnG0QjWx）單元，因生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品不符合食品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)，或該區(qū)地下水已嚴(yán)重超采，應(yīng)直接劃入禁植必休區(qū)。重度污染區(qū)強(qiáng)制采取“休治培”三融合技術(shù)，休耕治理一體化，土壤污染降低至符合農(nóng)業(yè)種植標(biāo)準(zhǔn)后再調(diào)整休耕方式。地下水重度超采區(qū)改種綠肥或牧草，控制地下水開采。對(duì)∏（E0PnGiQjWx）和∏（EmPnGiQ0Wx）單元，因位于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極重要且生態(tài)環(huán)境極敏感區(qū)，或耕地質(zhì)量劣等，應(yīng)休養(yǎng)生息、恢復(fù)地力，應(yīng)劃入限植休耕區(qū)。采取隔年或多年輪休方式，限制種植種類，解決土地退化、水土侵蝕等問題。

3.2 治理—保護(hù)與休耕協(xié)同對(duì)糧食多維安全的長(zhǎng)遠(yuǎn)效應(yīng)

近20年中國(guó)糧食生產(chǎn)持續(xù)豐收，但也付出了巨大的環(huán)境成本，如地力透支，水土流失、地下水嚴(yán)重超采、土壤退化、面源污染加重等。因此，“十三五”規(guī)劃明確提出要利用有利時(shí)機(jī)，實(shí)行耕地輪作休耕制度試點(diǎn)。2016年和2017年中央一號(hào)文件也相繼提出要“推進(jìn)耕地輪作休耕制度試點(diǎn)”。2021年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)文更是要求進(jìn)一步擴(kuò)大休耕試點(diǎn)，優(yōu)先在重金屬污染區(qū)、地下水漏斗區(qū)、生態(tài)退化區(qū)、農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)和東北冷涼區(qū)實(shí)行休耕試點(diǎn)①，表明休耕的優(yōu)先事項(xiàng)是污染治理—生態(tài)保護(hù)協(xié)同，但并不意味著放棄糧食安全。本文3種情景下不同時(shí)期休耕方案的潛在糧食產(chǎn)能損失區(qū)間為1.05%～10.96%，尤其是生態(tài)安全優(yōu)先無法滿足國(guó)家糧食適度自給的下限。因此，按休耕迫切性、農(nóng)戶意愿和糧食安全約束實(shí)施輪休、季休等差異化模式十分必要。

然而，休耕不能忘記初衷，污染治理—生態(tài)保護(hù)與休耕協(xié)同對(duì)糧食多維安全具有積極的長(zhǎng)遠(yuǎn)效應(yīng)。（1）確保糧食品質(zhì)安全。維護(hù)糧食質(zhì)量安全首要目標(biāo)是源頭控制，休耕和治理污染土壤是關(guān)鍵。隨著休耕的內(nèi)涵和形式不斷豐富將農(nóng)田污染治理、培肥措施與休耕相結(jié)合對(duì)控制土壤污染、培肥土壤、改善土壤環(huán)境等效果顯著[47]，切實(shí)維護(hù)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全[16]。（2）提升糧食生產(chǎn)能力。休耕可以大幅恢復(fù)地力，歐盟將每年休耕比率設(shè)定為5%，可提高谷物產(chǎn)量700萬t[9]。巴西亞馬遜東部地區(qū)農(nóng)場(chǎng)休耕面積每增加1 hm2，農(nóng)場(chǎng)谷物產(chǎn)量可提高0.5%～0.7%[48]。內(nèi)蒙古呼倫貝爾特泥河試驗(yàn)站2015—2017年休耕試點(diǎn)表明，休耕—小麥和休耕—油菜的產(chǎn)量分別為4 670.17 kg/hm2和3 296.20 kg/hm2，比小麥或油菜連作增產(chǎn)達(dá)51.4%和47.1%，比油菜—小麥輪作增產(chǎn)達(dá)43.2% [49]。（3）滿足多性化需求。適度壓減非糧食優(yōu)勢(shì)區(qū)的谷物生產(chǎn)，發(fā)展優(yōu)質(zhì)牧草、特種經(jīng)濟(jì)作物種植等，可以更好滿足多元化消費(fèi)需求，全面提升農(nóng)業(yè)供給體系的質(zhì)量和效率。

4 結(jié)論與啟示

科學(xué)休耕是耕地永續(xù)利用的重要途徑，對(duì)維護(hù)國(guó)家糧食安全意義重大。當(dāng)前國(guó)家采取自愿申報(bào)與總量控制相結(jié)合方法推行全國(guó)休耕，忽視了耕地資源環(huán)境本底的限制，可能導(dǎo)致休耕的無序性并影響國(guó)家糧食安全。本文從耕地資源環(huán)境硬約束出發(fā)，構(gòu)建土壤污染—耕地質(zhì)量—地下水超采—生態(tài)保護(hù)紅線—農(nóng)戶休耕意愿多維空間數(shù)據(jù)庫(kù)，國(guó)家尺度上設(shè)置了三類情景不同休耕方案。結(jié)果表明：（1）中國(guó)耕地資源環(huán)境本底相對(duì)差，重中輕度污染耕地占22.10%，生態(tài)紅線內(nèi)耕地占14.52%，地下水中重度超采區(qū)耕地占3.83%，中低產(chǎn)田占67.35%；（2）三類情景下近期方案（2021—2025年）休耕規(guī)模和空間分布相差不大，但遠(yuǎn)期方案（2031—2035年）在規(guī)模和空間分布上相差甚遠(yuǎn)，分別為生態(tài)安全優(yōu)先（10.56%）>農(nóng)戶意愿優(yōu)先（7.39%）>食品安全優(yōu)先（5.66%）；（3）未來為防止因休耕導(dǎo)致糧食產(chǎn)能損失超過中國(guó)糧食高度自給率的下限，建議采用農(nóng)戶意愿優(yōu)先情景結(jié)合單元休耕迫切性，按照6.86%、4.73%和7.39%確定近期、中期、遠(yuǎn)期的休耕規(guī)模，實(shí)施不同時(shí)序差異化休耕模式。

休耕的初衷是防治土壤污染、減輕地下水超采、防止土地退化和保護(hù)生物多樣性，但“休哪里”“休多少”“怎么休”不僅受耕地資源環(huán)境本底約束，更需綜合考慮糧食安全、農(nóng)戶意愿、財(cái)政壓力等經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素。為切實(shí)維護(hù)國(guó)家糧食安全，今后應(yīng)做好如下三方面：（1）全面細(xì)化休耕政策，科學(xué)劃定優(yōu)先區(qū)。根據(jù)耕地資源環(huán)境硬約束條件實(shí)施差異化休耕模式，分區(qū)管控，分級(jí)修復(fù)、分步實(shí)施。（2）摒棄“自下而上”的申報(bào)制度，統(tǒng)籌兼顧糧食安全、農(nóng)戶意愿、國(guó)家財(cái)政壓力、休耕迫切性等因素，合理確定休耕規(guī)模，并持續(xù)推廣實(shí)施，確保耕地永續(xù)利用。（3）平衡糧食安全、生態(tài)保護(hù)和農(nóng)民意愿三者間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)三位一體保護(hù)，創(chuàng)新休耕多元化補(bǔ)貼政策，積極推進(jìn)休耕—治理—保護(hù)協(xié)同，確保糧食數(shù)量夠、品質(zhì)高和品種全。

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The Influences of Cultivated Land Fallow on Food Security under Different Simulation Scenarios in China

CHEN Fu1， ZENG Siyan2， MA Jing1， LIU Junna3， YU Haochen3， SUN Yan1

（1. School of Public Administration， Hohai University， Nanjing 210096， China； 2. School of Engineering， Westlake University， Hangzhou 310024， China； 3. School of Public Policy and Management， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China）

Abstract： The purposes of this study are to explore the appropriate scale， spatial distribution of different fallow scenarios under the multi-criteria objectives and their impacts on food production in China， and to provide scientific basis for national food security， and ecological protection and restoration of territorial space. The research methods used include factor evaluation， willingness investigation analysis and scenario simulation analysis. The results of this study are as follows： 1） the urgency of fallow， the scale， and the spatial distribution of fallow in different regions are controlled by the resources and environmental background value of cultivated land. Severely and moderately polluted cultivated land， cultivated land within the first-level ecological protection red line， cultivated land with severe overexploitation of groundwater， and cultivated land of inferior quality account for 1.23%， 2.31%， 3.57%， 0.68%， and 3.69% of national cultivated land， and should all be included in fallow. 2） At present， the willingness of farmers to participate in fallow is low. Only 2.17% of farmers have high willingness to fallow， and 84.92% of farmers have low or unwillingness to fallow in China. The results of multi-scenario simulation indicate ecological security priority scenario （PES， 20.57%） > the farmers willingness priority scenario （PFW， 18.98%） > food safety priority scenario （PFS， 15.30%）. 3） The grain production capacity loss caused by fallow under different scenarios is significantly different. The potential loss rate of grain production capacity of full implementation fallow is PES （17.32%）>PFW （14.36%）>PFS （13.66%）， which has a negative impact on food security. Reasonable arrangement of the time sequence in accordance with the farmerswillingness priority scenario can ensure that the loss of grain production capacity caused by fallow in the short term， medium term and long term cannot affect the realization of a high degree of food self-sufficiency in 2025， 2030 and 2035 in China. In conclusion， the implementation of fallow at the national level should not only consider the resources and the environmental background conditions of cultivated land and farmers willingness， but also reduce the negative impact on food security， to mitigate soil pollution， protect ecology and maintain national food security.

Key words： cultivated land fallow； soil pollution； farmers willingness； scenario simulation； food security

（本文責(zé)編：張冰松）

①中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部.探索實(shí)行耕地輪作休耕制度試點(diǎn)方案（2016年）。

①中華人民共和國(guó)水利部.啟動(dòng)新一輪地下水超采區(qū)劃定工作. 2021年. http：//szy.mwr.gov.cn/yw/202108/t20210811_1538653.html。

①農(nóng)業(yè)農(nóng)村部.中央輪作休耕制度試點(diǎn)今年實(shí)施規(guī)模擴(kuò)大到4 000萬畝. 2021. http：//www.moa.gov.cn/xw/shipin/xwzx/202103/t20210319_6364147.htm。