本文選自《中國工程科學》2018年第5期
來源：中國耕地空間格局變化對糧食生產的影響[J].中國工程科學,2018,20(5):90-95.
摘要：耕地是糧食生產的基礎，近幾十年來中國耕地空間格局變化顯著，對糧食生產造成一定影響。本研究以1990年、2000年、2010年土地覆被數據為基礎，探究耕地空間格局變化，並基於縣級農業統計數據和土壤有機質數據得到空間分辨率為1km的耕地單產數據集，以此作為耕地糧食生產力的代表值。結果表明：1990—2010年，東北、西北地區耕地開墾劇烈，黃淮海平原耕地面積下降；研究期內新增耕地的主要來源是草地（46.9%），減少的耕地前10年主要轉為林地（36.6%），後10年轉為建設用地（53.0%）；耕地的空間格局變化造成平均糧食生產力下降2.0%，在此期間建設用地多佔用優質耕地，而新開墾的耕地糧食生產力普遍較低。
關鍵詞：耕地；空間格局；糧食生產；中國
一、前言
中國是世界人口大國，在自然條件的約束下不得不面臨著以全球9%的耕地養活全球21%人口的困境。自1994年萊斯特·布朗發表《誰來養活中國》以來，中國的糧食安全問題一直是世界性論題。受人口和經濟增長的影響，中國的食物需求不斷增加，僅2010—2016年，中國穀物、穀物粉及大豆的進口量增長了1.65倍，農、林、牧、漁業對外直接投資淨額增長了5倍。根據預測，未來中國食物自給率仍將下降，大豆、穀物及穀物粉和奶製品的進口規模將持續上升。
耕地是糧食生產的基礎，過去幾十年來，中國的耕地經歷了快速的變化。耕地一旦非農化之後，尤其是轉為建設用地之後，下墊面的改變使其很難在短時間內恢復為可耕種狀態，因而建設用地擴張侵佔耕地的現象引起了許多學者的關注。
劉彥隨等比較了中國人口規模較大的城市和集中連片優質農田的分佈，發現二者具有高度重合性。據Tan等對145個大中城市的調查研究，發現城市擴張多是佔用優質耕地，1990—2000年這些被城市佔用的耕地能夠生產的糧食單產相當於全國耕地平均糧食生產水平的1.47倍。He等計算之後發現，1992—2015年建設用地擴張造成的糧食減產導致了我國糧食自給率下降2%。在建設用地擴張的過程中，學者注意到農村居民點在人口不斷減少的過程中建設用地卻快速增長的現象，認為農村建設用地擴張比城市建設用地擴張對耕地減少的影響更大。
與此同時，一些生態脆弱、耕地立地條件較差地區的耕地擴張趨勢十分顯著。比如在新疆地區，1990—2015年耕地增加了近53%，2000—2015年內蒙古地區耕地增加近23%。耕地從複種指數較高、質量較好的南方和中部地區向複種指數較低的西北和東北轉移的趨勢已經被許多學者注意。有些學者採用統計年鑑數據或者全國第二次土地調查數據來描述這種耕地空間格局的變化，後來則多以遙感數據，比如Landsat專題繪圖儀/增強型繪圖儀（TM/ETM）數據、HJ-1衛星電荷耦合器件（CCD）數據等。
綜上所述，過去幾十年來中國耕地空間格局變化顯著，但是由於受到耕地自然資源稟賦的限制，轉入與轉出耕地之間的糧食產量並不能保證相等，耕地空間格局的變化會給糧食生產帶來一定影響。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？如何定量評估這種影響？
在以前的研究中，學者通常傾向於用潛在生產力作為描述糧食生產力的指標，它通常比實際產量要高。為進一步提高精度，本研究利用北師大土壤數據庫的土壤有機質數據來重新調整縣域內部柵格尺度的耕地單產。此前，學者發現在中國的不同地區，土壤有機碳和作物產量之間存在著一個正相關的線性關係，這為縣域尺度內調整格網的糧食生產力提供了依據。
二、數據與方法
（一）數據來源
本文所用的土地利用圖（1990年、2000年、2010年）來自中國科學院資源環境科學數據中心，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、溼地、建設用地和未利用地。野外調查和隨機檢驗表明，解譯的精確度超過了90%。
1990年、2000年、2010年的縣級農業統計數據來源於中國種植業信息網，包括糧食作物的總產量和播種面積，以及所有農作物的耕地面積和播種面積。
1km空間分辨率的土壤有機質數據是基於第二次土壤調查（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8979個土壤剖面，收錄在北京師範大學的土壤數據庫內。
（二）研究方法
首先，以縣級為單位計算每個縣的多年糧食平均單產，即先求出某一年某個縣的播種單產（糧食播種產量/糧食播種面積），然後乘以耕地的複種指數（所有作物播種面積/耕地面積）得到耕地的糧食單產，最後求多年的平均值。
其次，將縣級平均產量根據土壤有機質的水平進行內部調整，從縣級尺度細化到1km的格網內，得到每個格網的多年平均單產。具體方法是計算每個縣表層土壤（0~30cm）的平均有機質含量，以該縣內每個格網的有機質含量與縣平均有機質含量的比值為係數，調整該格網內的糧食單產。
三、結果與討論
（一）耕地空間格局變化
研究數據顯示，1990—2010年，耕地面積整體淨增加了0.87%，以2000年左右為分界點呈現出先增長後下降的趨勢。2000年前，年均淨增加耕地面積約為2.8×105hm2，而2000年後，年均淨減少面積約為1.3×105hm2。
1990—2010年，全國的新增耕地中最多是由草地轉來的，佔比為46.9%，其次是林地，大約佔38.8%，溼地和未利用地一共僅佔14.3%。北方的新增耕地主要來源是草地，南方則主要來源於林地。分時段來看，前期（1990—2000年）中國的新增耕地來源中草地佔比為46.0%，林地佔比為42.7%，後期（2000—2010年）草地佔比上升了6.1%，林地佔比則大幅下降了28.2%，意味著後期耕地的開墾相對而言更多向草地、溼地以及荒地偏移（見圖1）。
圖1 中國1990—2000年和2000—2010年新增耕地來源佔比變化
1990—2010年，中國的城市化進程不斷推進，全國轉出的耕地中有24.5%被建設用地佔用。另一方面，受到1999年推行的退耕還林、還草、還溼等生態保護政策以及農村勞動力不斷向城鎮轉移的影響，主動或被動減少的耕地中有37.9%轉為了林地，28.7%轉為了草地，7.3%轉為了溼地。轉出耕地呈現出大幅向建設用地傾斜的趨勢，後10年轉出為建設用地的耕地佔比大幅上升了32.3%，佔比達到了53.0%（見圖2）。
圖2 中國1990—2000年和2000—2010年轉出耕地類型佔比變化
雖然整體看來中國的耕地面積變化幅度不大，但觀其內部可發現耕地面積此消彼長，不同區域之間差異顯著。根據中國農業綜合區劃，中國有八個主要的農產品主產區。
八大農產品主產區中，黃淮海平原、長江中游和江淮地區、四川盆地以及華南蔗果區的耕地在1990—2010年共淨減少了1.65×106hm2，而在新疆、內蒙古東部地區和東北平原（包括松嫩平原和三江平原），耕地淨增加共3.67×106hm2（見圖3）。
圖3 1990—2010年中國農產品主產區耕地面積變化
從空間上來看，1990—2010年間的新增耕地主要分佈在中國的東北和西北地區。在八大農產品主產區中，內蒙古東部地區、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，佔比分別達到了70.8%、68.8%、57.7%、44.1%以及35.7%。南部的主產區華南蔗果區、四川盆地和長江中游及江淮地區的耕地則主要來源於林地，佔比分別為85.3%、74.9%和53.0%。三江平原侵佔溼地開墾耕地的現象十分嚴重，新增耕地中有38.3%都來源於溼地。在前人的研究中，這個比例甚至更高。新疆地區的新增耕地主要來源除了草地以外，未利用地也佔了23.2%左右。
在八大農產品主產區的轉出耕地中，黃淮海平原、四川盆地、長江中游及江淮地區以及華南蔗果區四個經濟相對發達的地區一共佔了70.91%。黃淮海平原的損失耕地中有72.2%都轉為了建設用地，在長江中游及江淮平原這個比例也高達44.9%。從空間分佈上可以看到城市周圍建設用地侵佔耕地的現象十分明顯，尤其是在京津冀、長三角、珠三角三大城市群範圍內。1990—2010年，北京周邊的轉出耕地中，建設用地佔用了72.5%，上海周邊這個佔比則高達90.0%。
（二）耕地空間格局變化對糧食生產的影響
在本研究的假設中，1990—2010年農藥、化肥、種子等各種影響因素不變。由前文計算得到中國耕地的糧食生產力，以此為耕地地塊的固有屬性，再結合1990年、2000年、2010年的土地利用數據，發現耕地空間格局變化造成全國範圍內糧食生產力的平均值在1990—2010年下降了約2%。在20世紀90年代，全國的平均糧食生產力下降了1.5%，而2000年以後下降趨勢明顯緩和，10年僅下降了0.5%。
從八大主產區的角度來看，長江中游及江淮地區、四川盆地、黃淮海平原以及華南蔗果區的糧食生產力較強，均超過了全國平均值，而東北和西北的四個主產區則遠低於全國平均值（見圖4）。由此可見，現今的農業生產出現了與糧食生產力相悖的發展方式，新增耕地集中的地區反而是糧食生產力較弱的地區。
圖4 八大主產區耕地平均糧食生產力
注：紅線為全國耕地平均糧食生產力。
由於建設用地是耕地損失最主要的途徑之一，為保障國家糧食安全，中國實行了耕地“佔補平衡”的政策，即非農建設經批准佔用耕地之後，要按照“佔多少，補多少”的原則，補充數量和質量相當的耕地，以保證耕地總量基本平衡。但實際上很難做到質量和數量的雙重平衡，其主要原因有兩個：
（1）通常而言，補充的耕地土壤質量較差，且多位於氣候條件不太適宜耕作的地區。優質耕地則大多分佈在城鎮周邊或交通沿線，容易和城鎮建設用地發生衝突，被城鎮擴展所佔用。因而同地區耕地之間容易出現“佔優補劣”。例如在八大主產區內部，被建設用地佔用的耕地的糧食生產力通常也高於該地區新增耕地的糧食生產力。
（2）熱量條件決定了我國北方耕地複種指數較低，南方耕地複種指數較高，而經濟發展程度上又恰好相反，加之近些年節水灌溉技術的發展，水資源對北方耕作的限制作用減弱，所以從總體格局上出現南方耕地被建設用地侵佔，北方耕地大規模連片開墾的情況，南北耕地之間容易“佔優補劣”。
建設用地在轉出耕地中的佔比僅在研究期內的兩個時段中就上升了32.28%，而中國城鎮化率還有很大的提升空間。因而未來建設用地佔用仍然會是耕地流失的主要原因。另一方面，新增耕地主要分佈於東北、西北這些地區，而這些地區耕地的糧食生產力比全國範圍內建設用地佔用耕地的生產力要低得多。新疆、東北平原、內蒙古東部地區新增耕地的平均糧食生產力分別是5.7t/hm2、4.4t/hm2和2.5t/hm2，如果想彌補全國範圍內1hm2被建設用地佔用的耕地，就需要在新疆地區補1.6hm2，在東北平原補2.0hm2，在內蒙古東部地區補3.6hm2才能保證總的產能平衡。新增耕地一是糧食產量相對較低，並且缺乏對耕地質量的後續提升與管理措施；二是容易對區域生態安全問題造成困擾，因而新增耕地的大量開墾存在一定的風險，未來需謹慎開發。
四、結語
本文定量評估了1990—2010年中國耕地空間格局變化帶來的糧食生產變化。為更精準地評估這種變化，本文基於縣級農業數據和中國土壤有機質的格網數據，建立了1km分辨率的格網級耕地糧食生產力數據庫。將得到的格網級糧食生產力與土地利用變化數據相結合，可以發現：
（1）1990—2010年，中國耕地面積先增長後下降，總體變化幅度不大，但其內部耕地面積在不同地區發生較大變化。
（2）1990—2010年，中國新增耕地主要來源是草地（46.9%），後期（2000—2010年）草地佔比上升，主要去向前期（1990—2000年）是林地（36.6%），後期建設用地佔比上升，成為主要去向（53.0%）。南方的新增耕地主要來源於林地，北方則來源於草地，東北地區開墾溼地的現象較為嚴重。
（3）耕地的空間格局變化造成中國平均糧食生產力在20年間下降了2%。在保證耕地產能平衡的前提下，全國每有1hm2耕地被建設用地佔用，就需要在新疆開墾1.6hm2耕地作為彌補，在東北平原則需要2.0hm2耕地作為彌補，而在內蒙古東部地區則需要3.6hm
2耕地作為彌補。
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