1980～2010年中國耕地復種可提升潛力空間格局變化*

何文斯，吳文斌，余強毅，胡文君，譚杰揚，胡亞楠

(農業部農業信息技術重點實驗室/中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

1980～2010年中國耕地復種可提升潛力空間格局變化*

何文斯，吳文斌※，余強毅，胡文君，譚杰揚，胡亞楠

(農業部農業信息技術重點實驗室/中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

利用1980～2010年中國分縣農業統計數據和中國地面氣候日值數據，分別估算20世紀80年代、90年代及21世紀初的中國縣級實際復種指數(MCI)和潛力復種指數(PMCI)，據此分析過去30年中國耕地復種可提升潛力(PIMCI)的空間格局變化，并進而探究復種可提升潛力對全國糧食增產潛力的貢獻大小。結果表明：(1)在時間尺度上，中國耕地PIMCI從20世紀80年代的50.2%減少到90年代的48.7%，之后受PIMCI與MCI逆向變化的影響，到21世紀初耕地可提升復種指數擴大到59.6%。(2)從不同地理區域看，中國不同農業種植區耕地PIMCI變化具有明顯的地理空間差異。黃淮海區和云貴區的PIMCI低于10%，且30年內變化相對穩定； 西北區和北部高原區的PIMCI有減少的趨勢； 東北區、川陜區及青藏區連續增加； 水熱資源充沛的南方各農業區波動劇烈。(3)在現有耕地面積保持不變的基礎上，通過提高土地集約化利用強度，充分挖掘耕地的復種潛力，可以新增約30%的農作物播種面積，糧食增產潛力達到全國糧食總產的32.2%。其中潛力較高的區域主要集中在南方的3個農業區(長江中下游區、華南區、南方丘陵區)及青藏區，這4個區域的糧食增產潛力可達到全國增產總潛力的70%。但該潛力的實際利用需要充分考慮區域的資源稟賦、技術水平、生態環境和經濟政策等因素。

中國 復種指數 可提升潛力 時空變化 糧食增產潛力

0 引言

糧食安全問題是關系國計民生的重大問題[1-3]，是國家穩定和發展的基礎[4]。糧食產量的提高會受到諸如可利用土地數量、水熱資源、作物品種等多方面因素的限制[5]，這些限制因素直接影響到未來糧食增產的可能性。中國地少人多，改革開放以來的社會經濟快速發展，城市化進程加快，大量農用地被占用和非農化利用，加劇了人地緊張矛盾[6]。在耕地面積難以增加的背景下，如何實現現有耕地資源的科學高效利用，提高耕地集約化利用是政府和科研工作者高度關注的問題。耕地復種是在時間和空間上加強耕地集約化利用的最簡單措施之一，目前我國約有40%的耕地存在復種模式[7]，所生產的糧食有1/4來源于耕地復種指數的提升[8]。可見，復種不僅是提高糧食總產的重要途徑，對于保障國家糧食安全起到重要作用，也一定程度上緩解了糧食作物與經濟作物、綠肥作物的爭地矛盾[7]。

復種指數作為衡量復種效率的重要指標，反映了農業生產在時間尺度上利用農業生產資源的程度[9]。潛力與實際復種指數是復種指數研究中的重要內容，潛力復種指數是指充分利用該地區光、水、熱資源時耕地所能達到的最大復種指數，而實際復種指數是指受經濟、政策、人力、技術條件等因素的制約下所能達到的實際復種水平。受自然生態環境和社會經濟條件的雙重影響，一個區域的耕地潛力復種指數與實際復種指數會不斷發生變化[10]。國內外眾多學者圍繞實際復種指數與潛力復種指數及其時空變化進行了研究[11-12]。傳統的實際復種指數研究方法多基于統計數據在行政區劃單元上進行復種指數計算[13-18]。隨著遙感技術的發展，基于時間序列遙感數據的復種指數提取方法得到廣泛應用，其中時間序列遙感數據峰值探測法成為實際復種指數遙感監測的主要方法[19-29]。潛力復種指數研究主要從農作學、生態學和氣象學等方面展開，如科學配置不同作物種類實現復種[30-31]以及從氣候要素盈余角度出發研究復種潛力[32-35]。近年來，部分學者結合實際復種與潛力復種情況對耕地復種可提升潛力進行了初步研究。金姝蘭[36-38]、張志國[39]、趙永敢[40]等利用統計數據與氣象數據對部分省區耕地可提升復種指數進行了估測。左麗君等[11， 41]采用遙感與經濟學模型方法研究了全國復種指數分布格局，并結合區域限制因素分析了不同區域的潛力提升可能性。總結以上研究進展發現，目前將耕地實際復種指數與潛力復種指數相結合的研究并不多見，復種可提升潛力方面的相關研究仍較為薄弱，尤其對于全國尺度、長時間序列的復種可提升潛力時空格局變化研究尚為欠缺。

基于此，該研究擬利用氣象資料和統計資料在全國尺度上分別估算耕地潛力與實際復種指數，再結合實際與潛力復種指數對我國耕地復種可提升潛力時空格局變化進行分析，并根據結果進一步估算復種可提升潛力對糧食增產潛力的貢獻。研究結果可為對高潛力區域制定優先發展政策提供理論依據，為氣候變化對農業資源利用影響評估服務，也可為評估糧食安全狀況和不同空間尺度下的土地利用效率提供支撐。

1 數據與方法

1.1 數據源及處理

20世紀80年代后中國經濟高速發展同時氣候變化影響顯著，研究時段確定為1980～2010年。該研究所采用的統計數據來自農業部1980～2010年全國縣級農業調查卡片數據，選用數據項包括年末耕地面積、總播面積和糧食作物合計總產等； 氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http：//data.cma.cn/)的中國地面氣候日值數據集(824氣象臺站)，時間范圍同樣選取1980～2010年，選取數據項為日降水總量及日平均溫度。行政區劃邊界為2010年全國縣級行政區劃圖。

縣級農業調查卡片數據存在部分年份的耕地面積和播種面積數據缺失和誤差，需要進行數據校正。首先利用1980～2010年每10年間的有效年份數據計算縣級耕地面積和縣級播種總面積的平均值，篩選出耕地面積與播種面積數據中的異常數據； 再利用每個縣10年平均值計算實際復種指數，實際復種指數的理論值在0%～300%之間。

針對氣象數據，首先將全國824個氣象站點的30年日值數據轉換成年值數據，利用EXCEL數據透視表功能將日降水數據計算成年降水總量，求算日平均溫度穩定通過0℃起止日期的≥0℃年活動積溫； 再計算各站點10年平均年降水量及10年平均≥0℃年活動積溫。在ArcGIS環境下，通過大區域插值效果較好的克里金插值法(Kriging)對氣象數據插值，所設定的 Cell size 的參數均為1km，生成空間柵格數據。最后將插值后的空間氣象數據通過GME(Geospatial Modelling Environment)工具在縣級行政單元邊界內平均得到縣域單元10年平均年降水量及10年平均≥0℃年活動積溫。

1.2 全國耕地可提升復種指數計算

耕地可提升復種指數是最大潛力復種指數與實際復種指數的差值，用于量化提升的復種潛力，計算公式如下：

PIMCI=PMCI-MCI

(1)

式中，PIMCI代表耕地可提升潛力復種指數(Potential increment of multiple cropping index)，PMCI為耕地潛力復種指數(Potential multiple cropping index)，MCI為耕地實際復種指數(Multiple cropping index)。

耕地潛力復種指數參考“熱量-降水”模型[33]。該模型基于區域的熱量和降水條件，分別計算受兩者因素限制下的潛力復種指數，取兩者最小值作為區域的潛力復種指數，在計算熱量復種指數潛力時根據溫度差異≥℃積溫3 400℃、4 200℃、5 200℃和6 200℃為復種指數變化的4個明顯邊界； 計算降水復種指數潛力時，用500mm和1 200mm作為復種指數潛力預測的分界線。該研究將縣域單元10年平均年降水量和10年平均≥平℃年活動積溫作為模型輸入，計算求得縣級10年平均潛力復種指數。計算模型如下：

(2)

(3)

(4)

式中，PMCI代表潛力復種指數，MT代表積溫復種指數潛力(%)，MR代表降水復種指數潛力(%)，T代表≥表℃積溫(℃)，R代表多年平均降水量(mm)。

實際復種指數在行政區劃單元上利用作物播種面積和耕地面積統計數據進行計算，公式如下：

MCI=As/Acl

(5)

式中，MCI為耕地實際復種指數；As為全年作物總收獲面積；Acl為總耕地面積。

1.3 復種可提升潛力可能貢獻的新增糧食產量

耕地復種可提升潛力如果可以充分利用，可以在耕地面積不變下增加農作物播種面積，帶來糧食總產量的增加。現實層面中不同區域耕地都會種植一定比例的經濟作物及飼料作物，復種指數提升增加的播種面積并不等同于糧食作物播種面積的增加。因此，該研究中結合耕地面積和糧食作物播種面積比計算可新增糧食作物播種面積，再根據縣級糧食單產計算新增糧食產量。具體計算公式如下：

新增糧食產量=可新增播種面積×糧食作物播種面積比×糧食單位面積產量=(復種指數可提升潛力*耕地面積)×(糧食作物總播種面積/總播面積)×(糧食作物總產/糧食作物總播種面積)=復種指數可提升潛力×耕地面積×糧食作物總產/總播面積

(6)

2 結果與分析

2.1 1980～2010年中國縣域耕地復種指數可提升潛力變化

近30年氣候變暖特征明顯，而降水相對穩定，基于“積溫-降水模型”計算得出中國總體的潛力復種指數從20世紀80年代的201.1%升高到21世紀初的210.9%，而實際復種指數在這30年中先增后降，從150.9%增加到159.6%又減少到151.3%。結合以上結果，圖1為1980～2010年中國耕地復種可提升潛力空間格局變化。中國PIMCI空間分布與水熱資源的分布相一致，表現出從北到南的遞增特征，水熱資源豐富的南方地區PIMCI明顯較高。20世紀80年代全國復種指數可提升潛力為50.2%， 90年代及21世紀初分別為48.7%和59.6%，表現為先降后升的總體趨勢。變化比較劇烈的區域主要分布在中國的西南，華南，長江中下游的部分地區。其中，中國西南的部分區域在30年內表現出PIMCI連續減少。華南及長江中下游的部分地區的變化特征為先減少后增加。而廣大的中國西北地區由于水熱資源的限制，復種可提升潛力在30年中的變化并不明顯，這些區域屬于傳統的種植制度一熟區。

圖1 1980～2010年中國耕地復種可提升潛力空間格局變化(圖a為1980～1990年變化；圖b為1990～2000年變化；圖c為2000～2010年變化)

對復種可提升潛力進行分級(1級：≥50%， 2級： 25%～50%， 3級： 0%～25%， 4級：≤0%)，并統計不同潛力區域內耕地面積的變化，結果如表1:20世紀80年代到90年代不同潛力區域之間的耕地變化特征主要表現為1級區內耕地面積減少(-5.1%)， 2級區內耕地面積增加(+5.9%)， 3級區與4級區耕地面積比較穩定。從20世紀90年代到21世紀初， 1級區與4級區耕地面積增加(分別為+5.3%和+6%)， 2級區與3級區耕地面積減少(分別為-7.4%和-4.1%)。

表1 1980～2010年各復種可提升潛力區域面積的變化 %

2.2 1980～2010年中國種植農業分區復種可提升潛力變化

從我國不同農業區上來看，PIMCI在這30年的變化存在明顯的空間差異(圖2)。黃淮海區及云貴區的PIMCI較低，黃淮海區的PIMCI幾乎為0%，云貴區的PIMCI在10%以下，且在30年內沒有發生明顯變化。東北區、川陜區及青藏區表現出連續增加的趨勢，其中東北區PIMCI從9.9%增加到24.5%，川陜區PIMCI從15.7%增加到26.6%，青藏區PIMCI整體較高，增加幅度也較大，從47.9%增加到76.4%。西北區及北部高原區的PIMCI有減少的趨勢。變化波動較為劇烈的區域主要出現在我國水熱資源較為豐盈的南方區域，長江中下游區、南方丘陵區、華南區。長江中下游區和華南區在30年中PIMCI先降后增，具體變化值分別為115.6%-92.3%-137.5%和76.6%-52.1%-101.6%。長江中下游區成為中國耕地復種可提升潛力最高的農業區。南方丘陵區雖然水熱條件上與鄰近農業區相似，其PIMCI卻維持在比較低的水平(20%～30%左右)。

2.3 耕地復種潛力提升對全國糧食增產的貢獻

在不開墾新的耕地及糧食單產維持不變的條件下，單純通過提高復種效率仍有很可觀的糧食增產潛力。在理想狀況下， 2010年中國復種可提升潛力所能轉化的新增糧食作物種植面積為4 970萬hm2，約占全國糧食作物播種總面積的30%。雖然1級區(PIMCI≥50%)面積雖然只占到全國耕地總面積的21.3%，其可新增種植面積達到2 840萬hm2，占全國可新增種植面積的64.2%。

圖3顯示了全國不同區域通過提高復種可新增糧食產量。就全國范圍而言，糧食增產潛力空間分布與復種可提升潛力與我國水熱資源分布特征大體一致，從西北內陸到東南沿海由低到高分布。而從種植區劃上來看，糧食增產潛力較高的區域主要集中在東南沿海的3個農業區和青藏區，黃淮海區和云貴區的糧食增產潛力很低。統計2010年全國各縣糧食增產潛力后計算得到全國可新增糧食總產約達到1.740 0億t，按照全國糧食總產量為5.464 1億t計算(2010年國家統計局數據)，通過提高耕地復種指數所增加的糧食產量相當于當年糧食總產的32%。其中南方的3個農業區(長江中下游區、華南區、南方丘陵區)及青藏區的糧食增產潛力可達到2 000萬～4 000萬t，這4個區域的糧食增產潛力可達到全國增產總潛力的約70%。

圖2 1980～2010年中國農業區復種可提升潛力變化R1：東北大豆春麥玉米甜菜區； R2：北部高原小雜糧甜菜區； R3：黃淮海棉麥油煙果區； R4：長江中下游稻棉油桑茶區； R5：南方丘陵雙季稻茶柑橘區； R6：華南雙季稻熱帶作物甘蔗區，R7：川陜盆地稻玉米薯類柑橘桑區； R8：云貴高原稻玉米煙草區； R9：西北綠洲麥棉甜菜葡萄區； R10：青藏高原青稞小麥油菜區

圖3 2010年全國糧食增產潛力空間分布

3 討論

該文的耕地復種可提升潛力是利用縣級農業統計數據和氣象數據2種不同的數據源分別計算得到，所使用數據源不同且處理過程中尺度的轉化使得由計算相減所得到的復種可提升潛力不可避免的會出現一定誤差，這也是大多數利用多源數據的研究都需要面對的科學難點問題，如何統一多源數據，解決多源數據的尺度不同問題具有重要的科學意義，該文在對于數據的處理過程中充分考慮到了這一點，將研究的重點確定為空間格局變化的分析，這使得絕對的數據結果轉換為相對變化的分析，在一定程度上減少了由數據獲取方式及其尺度的差異導致的系統誤差； 此外，對于潛力復種指數的計算方法該文采用了“積溫-降水”模型，該模型目前在提取潛力復種指數的研究中得到廣泛的應用。但此模型的問題是其只考慮氣候資源對耕地最大復種潛力的限制因素，僅僅將≥0℃年積溫和年降水總量作為模型輸入的參數值。但實際上，在我國的部分區域，設施農業的利用可在一定程度上彌補由降水量低所導致的復種潛力限制，所以在以灌溉作為主要農作物水分來源的耕作區域，由此模型所得到的復種潛力可能是偏低的。因此，在后續的研究應引入“灌溉-雨養”的相關數據集。

20世紀90年代后，長江中下游區和華南區的復種效率出現了顯著的降低趨勢。該區域是我國重要的商品糧基地，是中國重要的水稻產區，大部分耕地的種植條件可以滿足作物一年三熟制的種植制度，此外，該區域分布著大面積的復種潛力1級區(PIMCI≥50%)。改革開放后城鎮化、工業化進程迅猛，城鄉差距懸殊，中國農業從業人口的大量流失及勞動力成本提高很可能是這一階段影響復種變化的重要因素[42-44]，而這一區域耕地復種指數降低所導致的糧食減產會對國家糧食安全產生較大影響[36]。該研究的分析結果對于在政策上提供對“熱點”區域的優先支持具有非常重要的指導意義。未來應深入分析引起區域性變化的內在影響因素，如社會經濟因素、務農人員教育水平、土壤條件、農業機械化等。了解相關限制因素對復種系統的影響，可使我們能在現實層面上實現各區域耕地資源的有效利用。

4 結論

該研究結合實際復種指數與潛力復種指數對中國耕地復種可提升潛力進行了研究，利用農業氣象學的方法和傳統統計學的方法在全國縣級尺度上分別計算潛力復種指數與實際復種指數，結合兩者的結果對1980～2010年全國耕地復種可提升潛力的時空格局變化特征進行了分析，并進一步估算了利用復種可提升潛力促進中國糧食增產的可能性。該文的研究結論包括以下幾點。

(1)從全國整體來看，復種可提升潛力從20世紀80年代的50.2%到90年代的48.7%緩慢降低，到了21世紀初增長到59.6%。其原因是90年代后實際復種水平未響應由氣候變暖影響導致的潛力復種指數的提高。40%以上的耕地利用效率已經達到100%。20%左右的耕地仍有50%以上的潛力，這些區域雖然只占到全國耕地總面積1/5，如果利用得當，其可新增種植面積可達到全國可新增總種植面積的60%以上。

(2)耕地復種可提升潛力在30年中的變化表現出明顯的空間差異，按照中國種植農業區劃來看，黃淮海區、云貴區可提升潛力非常小，且相對穩定。西北區及北部高原區的PIMCI有減少的趨勢。變化劇烈的區域主要集中在水熱資源充沛的南方區域，包括長江中下游區、南方丘陵區、華南區。長江中下游區和華南區在30年中PIMCI先降后增。東北區、川陜區及青藏區表現出連續增加的趨勢。

(3)在不開墾新耕地且糧食單產維持不變的條件下，單純通過提高復種效率仍有可觀的糧食增產潛力來應對未來中國的糧食安全問題。以2010年為例，通過挖掘耕地的剩余生產潛力所能增加的糧食產量約有1.740 0億t，相當于糧食總產的1/3。其中東南沿海的3個農業區(長江中下游區、華南區、南方丘陵區)及青藏區的糧食增產潛力可達到2 000萬～4 000萬t，這4個區域的糧食增產潛力可達到全國增產總潛力的70%。糧食增產高潛區應予以更高的政策優先級扶持，關注這些重點區域的耕地流失、務農人員轉移及其他限制因素也許能在未來解決中國人地矛盾及糧食供給的進程中起到非常重要的作用。

中國的作物種植制度復雜多樣，多熟種植體系中還有間作、套種等方式，以農戶家庭為管理單元的耕地上作物種植結構相當復雜[7]。種植制度在各農業區的差異反應了不同區域農業土地利用的自然環境與社會經濟因素的差異性和多樣性，其形成和變化是不同尺度下自然和人文因素綜合作用的結果，實質上反映的是“人類-環境”的復雜關系問題。該文結合多源數據對中國近30年的耕地復種可提升潛力的空間格局變化特征進行了分析，在未來可嘗試加入作物種類及土壤屬性、灌溉設施、光照條件，社會經濟等因素的考量，加強耕地復種指數可提升潛力的量化精確度，在現實層面上實現各區域耕地資源的有效利用。為國家食物安全評估及農業發展科學決策提供更科學的理論依據。

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doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20161103

CHANGES IN SPATIO-TEMPORAL DISTRIBUTION OF POTENTIAL INCREMENT MULTIPLE CROPPING IN CHINA DURING 1980～2010*

He Wensi，Wu Wenbin※，Yu Qiangyi，Hu Wenju，Tan Jieyang，Hu Yanan

(Key Laboratory of Agri-informatics，Ministry of Agriculture/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China)

This paper evaluated the spatio-temporal dynamics of potential increment multiple cropping index(PIMCI) of China during 1980 to 2010, which can reveal the land use change under the climate warm and the rapid economic growth since 1980s and identify the regional potential to increase food supply, based on the potential multiple cropping index(PMCI) extracted by ago-meteorology data and census data. The results indicated that (1)The overall PMCI decreased from 50.2% to 48.7% during 1980s to 1990s and increased to 59.6% by the start of 21st century. (2)The changes of PIMCI showed tremendous heterogeneity in China. Huang-Huai-Hai plain and Yunnan-Kweichow Plateau changed less over the past decades. Southeast coastal area had large fluctuation during this period. Northwest China, Inner Mongolia and along the Great Wall regions decreased significantly, while Northeast China, Loess Plateau, Qinghai-Tibet Plateau changed into the opposite trend. (3) the harvest area and food production increased by 30% and 32.2%, respectively, by improving the MCI and PMCI. The high potential region mainly located at south China, Middle and lower reaches of Yangtze River, Hilly Area of South China, and Qinghai-Tabet Plateau. The potential increment of crop yield in these regions can reach 70% of the whole potential of China, but it still needed to consider the factors such as natural resources, technology, environment and regional economic policy, and so on.

China; multiple cropping index; potential increment; spatial distribution; food production

10.7621/cjarrp.1005-9121.20161102

2016-03-17

何文斯(1989—)，男，河北任丘人，碩士研究生。研究方向：全球變化對農業影響研究。※通訊作者：吳文斌(1976—)，男，湖北潛江人，博士、研究員。研究方向：農業遙感和土地利用變化等方面。Email：wuwenbin@caas.cn

*資助項目：國家自然科學基金項目“基于農戶決策行為的農作物時空格局動態變化機理機制研究”(41271112)；中央級公益性科研院所專項資金資助項目(IARRP-2015-10)

S-03; F323.211

A

1005-9121[2016]11-0007-08