基于農業生態地帶模型的中國糧食產能動態評估

摘要 隨著人口增加和人們生活水平的不斷提高，我國糧食消費需求將繼續呈剛性增長，使得糧食品種和區域結構性矛盾加劇，而糧食產能的動態評估能夠讓我們加深認識我國糧食供需平衡，對制定適宜于我國經濟社會發展同時保障糧食安全的糧食可持續發展戰略具有重要意義。論文選取農田生產力作為我國糧食產能的指標，通過改進農業生態地帶（AEZ）模型，動態嵌入不同縣域水平的管理和投入水平的限制性因子，集成縣級截面數據估計投入系數權重，并基于此估算了全國2000-2010年間農田生產力水平。研究發現，2000年以來，我國農田生產力雖年際間存在波動，但總體呈現增長的態勢，且區域差異性顯著。農田生產力水平存在從沿海到內陸、從南向北及從東向西的遞減的梯度，而局部地區農田生產力變化明顯，表現出明顯的東西分異規律，其次是南北分異規律。而對各個地區農田生產力平均值統計發現，東部沿海地區與南部省份的農田生產力要高于內陸省份，西部地區農田生產力普遍低于東部和中部地區。2000、2005、2010年全國分縣統計的糧食產量數據與動態估算結果進行精度驗證，其相關系數分別達到0.82、0.76和0.89，實際產量為估算結果的69.4%、73.4%、67.2%，較好的反映了我國農田生產力的基本狀況。最后，基于我國農田生產力時空變化規律和局部差異性特征，以及我國經濟區水平上的中國農田生產力的變化規律，從耕地數量保障、農業管理和投入水平提高以及適宜的農業區劃方面，提出適宜于我國自然環境狀況和社會經濟發展的農田生產力保障策略，對保障我國的農田生產力的穩定增長方面的規劃決策與政策制定具有參考價值。

關鍵詞AEZ模型；糧食產能；農田生產力

中圖分類號S-9文獻標識碼A文章編號1002-2014（2013）10-0102-08

我國是一個糧食生產大國，也是一個糧食消費大國，農田生產力作為表征糧食產能的重要指標，科學、動態評估我國農田生產力水平不僅關乎國家糧食安全，更是穩定世界糧食市場健康發展的前提。21世紀以來，隨著人口增加，我國糧食消費呈剛性增長，同時，城鎮化、工業化進程加快，水土資源、氣候等制約因素使糧食持續增產的難度加大[1]。糧食播種面積和糧食單產是影響糧食產能最主要的兩個指標[2]，只有通過提高擴大生產面積或者提高單位面積糧食產量即糧食產能，才能夠滿足人類對于糧食需求的進一步增長[3-4]。然而，我國人口眾多，土地資源有限，耕地資源尤其是利用的耕地資源十分短缺，而且社會經濟的高速發展使得其他用地類型不斷向耕地擴張，導致耕地資源總量逐漸減少，質量也不斷下降，使得擴大生產面積這一方案受到限制。農田生產力作為耕地本身的屬性，關系到一個區域的社會經濟發展方向，是區域發展和生態環境建設的重要基礎條件[5]。研究表明，中國耕地面積自1958年以來已經下降了378萬畝[6]，且總面積呈現加速下降的趨勢。過去20年來，我國對糧食需求的增長速度顯著加快[7]，使得我國正面臨著一個十分嚴峻的問題，即接下來我國的農田生產力是否能夠滿足這種不斷增長的糧食需求[8-10]。解決當前這一矛盾的方法之一就是對農田生產力在進行動態評估。隨著中國加入世界貿易組織（the World Trade Organization， WTO），為增強我國糧食綜合生產能力和抗風險能力，2009年國務院討論并原則通過了《全國新增1 000億斤糧食生產能力規劃（2009-2020年）》，然而未來城市化、工業化進程仍將持續進行，保證18億畝耕地面積及16億畝糧食播種面積的“安全底線”正面臨著重大考驗[11]。準確動態的核定全國農田生產力分布及其變化，需要對過去農田生產力的動態變化進行科學的分析與評估。

1研究進展

當前，關于農田生產力模型已有諸多研究，且取得的相關研究成果直接服務于糧食產能區劃和區域社會經濟發展。農田生產潛力是作物在一定的土壤肥力、化學、物理及生物特性影響下的綜合指標，是指農田在一定條件下能夠持續生產人類所需的生物產品的潛在能力。在對農田生產力進行估算時，當前國內外多是通過模型建立起農田生產潛力和農田生產力之間的轉換函數來估算農田生產力且相關研究更多側重于計算氣候變化所導致的農田生產潛力的變化，所采用的模型已經比較成熟，劉紀遠等將其概括為3類：潛力衰減法、氣候因子綜合法和作物生長過程模擬方法[12]。其中潛力衰減法即使用環境因子逐段訂正模型，通過對光合生產潛力→光溫生產潛力→氣候生產潛力→農田生產潛力幾個階段的逐步訂正來計算農田生產潛力，這類方法從作物光合作用與其環境條件相互關系出發，其關鍵技術在于采用合適的參數和訂正函數。氣候因子綜合法，即經驗法，這類模式主要有邁阿密模型、筑后模型、瓦赫寧根（Wageningen）法和農業生態區域法（AEZ）等，這類模型主要利用經驗公式來計算農田生產潛力，但是此類方法存在模型和數據的不確定性問題。作物生長過程模擬方法是根據作物光合作用過程、生理生態特性和外界環境因子來計算農田生產潛力，這類模型主要包括CERES模型、EPIC模型、CROPGRO模型等。由于農田生產力的最終形成除受光照、溫度、降水、土壤、地形等自然條件外，還受到諸如農田管理措施等人為因素的影響，特別是與當地的管理和投入水平的限制性因子息息相關。然而，上述系列模型雖然都考慮了自然因素與社會經濟因素，但是其輸入項卻難以動態嵌入當地管理投入水平以及相關政策、農作物組合等限制性因子，尚不能滿足對農業生產力的動態評估需求。

戰金艷等：基于農業生態地帶模型的中國糧食產能動態評估中國人口·資源與環境2013年第10期農業生態地帶（AEZ）模型作為最為廣泛用于評估農田生產力的模型之一，能夠較為科學的評估我國農田生產力的狀況，但受數據精度和參數訂正方案限制，難以實現我國農田生產力的動態評估。國際應用系統研究所土地利用變化（LUC）研究小組的專家曾利用AEZ模型對中國的土地生產力進行過評估[13]。作為農業氣候區劃的一部分，Fischer與Sun曾利用1958-1988年間的歷史數據與AEZ模型的水分平衡模型模擬了作物生長的水資源供需平衡[14-15]。在模擬過程中，不僅考慮了土壤屬性，還考慮了諸如輻射水平與溫度條件的氣候特征。在利用各種環境條件評估土地生產潛力的過程中，每個基本分析單元的潛在生產力與農業氣候條件緊密聯系，作物類型不同，各種作物的特定環境與設定的投入水平的差異也相應地影響生產潛力，模型的產出主要包括不同情景下的作物產量，為了提高模型模擬的精度，LUC工作組的專家在模擬的過程中還考慮了休耕、坡度影響系數與表土質地等因素對生產潛力的影響。其適用于評估生物生產力和環境限制性因素之間的關系的特點，正是當前估算我國農田生產力所需要的模擬工具，且對農田生產力估算方面的有效性已經被證實[16-17]。但AEZ模型在中國區估算方面存在模型參數精度不高、動態估算不足的問題。

本文應用改進AEZ模型對我國農田生產力進行了動態估算。農田土地生產力是土地自然特性和社會經濟要素在不同的結合與共同制約下形成的土地綜合生產力，準確估算農田生產力，厘清農田生產潛能與可控因素（例如化肥使用量等）、不可控因素（例如土壤和地形等）以及當地的管理和投入水平的限制性因子之間的關系十分必要[18]。這些限制性因子將導致在同一塊研究區內不同限制條件下農田生產力產生動態的變化。在總結分析前人使用的農田生產潛力模型參數以及訂正方案的基礎上，計算了農田生產力，通過在全國范圍內逐年動態嵌入管理和投入水平的限制性因子，并且考慮多種作物間的組合種植方式有可能相互之間影響，基于AEZ模型發展了農田生產力動態估算方法，使得應用模型對農田生產力的估算成為可能。

2模型估算方法

AEZ模型估算的核心包括兩部分，涵蓋土地資源數量累積的估算和對土地適宜度的評價。前者是由土地利用類型及土地使用強度所決定的，后者即是指農作物生長對氣候因素的需求，例如輻射、溫度以及降水等。模型還封裝了土地利用類型的替代性和作物類型的多目標規劃模型。另外，AEZ模型將相關的輸入信息以及管理參數增加到操作參數中，形成了一個開放性的可擴展的決策系統，并集成生態經濟規劃原則，可被應用于農業可持續發展的管理當中[19]。

除考慮農田生產力的自然因素和社會因素外，本文在以上工作的基礎上動態嵌入管理和投入水平的限制性因子，集成縣級截面數據并基于計量經濟模型估計投入系數權重，同時考慮多種作物間的種植有可能相互之間影響，即農田生產潛力的發揮與一定的投入要素是成正比的。在投入中，基本可分為兩大方面：一是改善土地狀況的基礎性投入，主要是農田基本建設，如丘陵坡地修筑梯田、平原地區的土地平整和排水等；二是具體生產過程中的常規生產性投入，主要是肥料、農藥、良種、農機等。只有在前者投入的基礎上，創造一個良好的土地資源的生態環境，常規生產性投入才能發揮單項的和綜合效應。本研究估算每個1 km×1 km柵格上不同農業發展戰略、不同投入水平等情景下的農田生產力，一般根據投入系數和農田生產潛力估算最終生產力水平，估算模型如下[20]：