中國收獲面積差及其產量潛力情景分析*

余強毅，吳文斌

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部農業遙感重點實驗室，北京 100081;2.荷蘭阿姆斯特丹自由大學，荷蘭阿姆斯特丹1081 HV)

?

·農業供給側結構性改革專欄·

中國收獲面積差及其產量潛力情景分析*

余強毅1， 2，吳文斌1※

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部農業遙感重點實驗室，北京 100081;2.荷蘭阿姆斯特丹自由大學，荷蘭阿姆斯特丹1081 HV)

[目的]文章以提升耕地復種為切入點,從區域自然資源稟賦與利用的角度研究我國糧食產量潛力, 能為國家科學優化水土資源配置, 推進農業供給側結構性改革提供有益參考。[方法]引入收獲面積差的概念，在作物單產與耕地面積保持不變的前提下，從提升復種的角度估算我國收獲面積差及其產量潛力。[結果]2005年左右網格尺度研究結果表明：第一，不同水資源分配情景下，中國可收獲面積差在0.135億～0.363億hm2(約合2億～5.4億畝)之間波動；第二，與不同農業土地利用水平下可能獲得的作物產量相結合，該收獲面積差最高可轉化成7.4億t的產量潛力；第三，最實際情況下，通過水資源、作物類型、灌溉措施3方面配置，我國擁有0.135億hm2(2億畝)收獲面積差，其可轉化為1.17億t的產量潛力，相對于現實產量5.97億t，約增產19.6%。第四，長江中下游地區同時擁有好的水熱條件與相對優良的灌溉設施，而該地區較大的收獲面積差與產量潛力說明其水土資源利用還有較高的調整優化空間。[結論]糧食總產受作物單產、耕地面積、復種指數等3個方面綜合影響, 但前兩大因素對我國糧食產量潛力的貢獻已經非常有限。

單產差 土地利用 復種 糧食安全 水土資源配置 農業供給側結構性改革

0 引言

過去幾十年，我國農業農村發展取得了世人矚目的成就，利用全球7%的耕地供養了全球22%的人口，農村經濟發展和農民增收不斷邁上新臺階[1]。當前我國農業發展面臨的主要矛盾由總量不足轉變為結構性矛盾，主要表現為階段性的供過于求和供給不足并存，矛盾的主要方面在供給側。2015年年底的中央農村工作會議首次提出了“農業供給側結構性改革”， 2017年中央一號文件對推進農業供給側結構性改革進行了總體部署，推進農業供給側結構性改革成為當前和今后一個時期農業農村工作的主線。農業供給側結構性改革目標是解決供求結構失衡、要素配置不合理、資源環境壓力大、農民收入持續增長乏力等問題，絕不是要降低糧食產能，而是要建設更高水平、更高質量的糧食供給能力，實現更有效率、更可持續的糧食安全保障體系。因此，在農業供給側結構性改革的新形勢下，如何從生產角度穩定糧食生產、鞏固提升糧食產能是重大國家需求之一[2]。

圖1 收獲面積差概念(類比單產差)

一般來說，糧食總產與作物單產、收獲面積密切相關，而收獲面積主要取決于耕地面積的多少與復種指數的高低。因此，可將影響糧食總產的因素分解為作物單產、耕地面積、復種指數3個方面[3]，受到耕地數量和質量、水熱資源、作物品種、田間栽培等諸多因素綜合影響。雖然作物單產增加對我國糧食總產的貢獻顯著，但有關研究表明，我國的主要糧食作物單產已經接近“天花板”，提升空間已經非常有限[4-6]。在城市化、工業化和全球化快速發展背景下，我國大量耕地被占用、非農化和非糧化利用，現有耕地數量、質量和生態“三位一體”保護任務艱巨，耕地面積難以增加[7， 8]。因此，科學提升耕地復種、挖掘農業土地集約化利用潛力，可成為我國未來糧食增產的重要途徑之一。

復種指數指單位收獲面積與耕地面積的比值，反應區域農業土地資源的利用程度。我國大部分地區地處中緯度地區，熱量資源豐富，具有發展多熟種植的有利條件。研究表明，我國耕地復種情況普遍存在，但近年來，部分平原地區生產力高、優質的農田復種指數下降。同時，氣候變暖的背景下，我國耕地的復種潛力呈增加趨勢[9， 10]。然而，復種指數作為一個比值指標，很難直接評估其對糧食總產的貢獻程度。Yu等人[11]綜合收獲面積與復種指數，提出了定量評估復種指數對糧食總產貢獻的新指標：收獲面積差(HAG，harvested area gap，圖1)。與“單產差”[12]類似，HAG指區域內最大潛在收獲面積(HAp)與實際收獲面積(HAa)之間的差值。實際中，填補收獲面積差需要考慮多種因素，導致可獲得收獲面積(HAt)在兩者之間波動。其中，水資源保障是最為重要的限制因素之一，與其他因素綜合影響HAt的大小[11]。文章旨在研究不同水資源空間分配情景對收獲面積差的影響，并結合不同農業土地利用水平，評估二者對我國糧食生產潛力的綜合影響，為國家科學優化水土資源配置，推進農業供給側結構性改革提供參考。

1 方法與數據

1.1 水資源約束下的可獲得收獲面積差估算

該文假設其他因素都已處于最優水平，可獲得收獲面積差(HAGt)僅受水資源限制。在有效降水無法完全支持HAt的情況下，水資源缺口可以通過水資源配置實現。同時，該文假設水資源可以根據一定的規則，在流域內自由分配。根據“最大潛力(P)”、“按需分配(D)”，“平均分配(E)”，“灌溉條件(I)”等原則，該文設置了4種水資源分配情景(表1)。通過HAGt的空間分異特征，評估不同水資源配置情景對HAGt的影響，并認為“根據灌溉條件分配水資源”是最為實際的水資源分配情景。

表1 可獲得收獲面積差估算情景設置

情景依據處理方法P最大限度開發收獲面積潛力收獲面積差大的網格優先分配水資源，直到流域剩余水資源分配完畢為止D根據需求分配水資源根據用水需求，按比例將流域水資源分配至每一個網格E平均分配水資源平均將流域水資源分配至每一個網格I根據灌溉條件分配水資源根據灌溉面積，按比例將流域水資源分配至每一個網格

1.2 不同農業土地利用水平下的產量潛力估算

糧食總產等于作物單產與收獲面積的乘積。一方面，HAGt估算結果為產量潛力評估提供收獲面積情景； 另一方面，該文假設耕地面積不變，以作物選擇和灌溉條件反應不同農業土地利用水平，二者共同為產量潛力評估提供作物單產情景(圖2)。具體的作物選擇、灌溉情景設置見表2，并認為平均作物單產(SYca)與實際收獲單產(SYh)反應最為實際的農業土地利用水平。

表2 產量潛力估算情景設置

處理對象依據情景數量與類型水資源收獲面積體現水資源分配對可收獲面積的影響(表1)4(P/D/E/I)作物選擇單產采用網格最高/最低/平均作物單產體現作物選擇對單產的影響3(SYch/SYcl/SYca)灌溉單產采用網格實際收獲/灌溉最優單產體現灌溉對單產的影響2(SYh/SYi)

圖2 產量潛力估算示意圖

圖3 國家尺度收獲面積差估算結果

表3 數據用途及處理

1.3 研究數據

該研究在5-arc minute空間網格尺度開展，中國區空間分辨率約10 km。所采用的數據源主要包括SPAM農業生產數據[13]，IIASA-IFPRI耕地數據[14]。此外，所用數據還包括Yang等人估算的中國潛力復種指數分布[10]以及《中國水資源公報》估算的流域水資源數據[15]等。所有數據時間均為2005年左右。具體的數據用途及處理見表3。

2 結果與分析

2.1 全國尺度收獲面積差與產量潛力

圖3顯示不同水資源分配情景對可獲得收獲面積差的影響，其中P按照收獲面積差的大小順序分配，流域水資源充分分配完即止； D按照充分滿足收獲面積差的水資源需求比例分配； E均勻分配； I按照灌溉條件比例分配。4種水資源分配情景下，中國分別擁有0.135億～0.363億hm2(約合2億～5.4億畝)可收獲面積差(HAGt)。其中I最接近實際情況(圖3右下)。

圖4 國家尺度產量潛力估算結果

將網格尺度不同水資源分配情景下的可獲得收獲面積差，與不同農業土地利用水平下可能獲得作物產量相結合，估算產量潛力的浮動范圍(圖4)。相對于現實產量5.97億t，國家層面匯總結果表明：(1)如果水資源、作物類型、灌溉措施3方面實現最優配置，我國存在7.4億t的產量潛力，約+125%； (2)最現實情況下(見2.1與2.2部分)，我國存在1.17億t的產量潛力，約+19.6%； (3)作物選擇對產量潛力的影響最大，不論水資源配置與灌溉設施如何優化，不合適的作物選擇僅能帶來0.3億t到0.74億t的產量潛力，約+5%到+12.4%(圖4下虛線)。

2.2 區域尺度收獲面積差與產量潛力

表4為區域尺度收獲面積差估算結果。雖然“最大潛力(P)”情景下，南方丘陵、華南、長江中下游、云貴高原、長江中下游等地區均擁有超過600萬hm2的可收獲面積差，但如果考慮真實灌溉條件，在“灌溉條件(I)”情景下，僅長江中下游與南方丘陵地區仍保持相對較高的收獲面積差(分別為0.043億hm2與0.037億hm2)，說明僅有這些地區同時擁有好的水熱條件與相對優良的灌溉設施。

表4 收獲面積差與產量潛力區域統計

農業區/編號?收獲面積差(百萬hm2)產量潛力(百萬t)??PDEIPDEI東北(7)4 43 71 61 035 527 212 110 1黃土高原(3)0 70 80 50 17 96 43 51 5西北—0 00 00 00 00 00 00 00 1華北平原(4)0 40 20 10 13 72 00 71 3青藏高原—0 00 10 10 00 00 10 10 0長江中下游(1)6 35 32 24 365 154 822 843 8四川盆地(8)4 14 12 11 021 420 910 76 2南方丘陵(2)7 27 04 03 756 252 829 931 1云貴高原(5)6 46 23 50 937 635 219 05 9華南(6)6 66 34 12 241 438 925 317 7全國36 333 718 213 5268 8238 3124 1117 6 注：?與圖5“區域尺度產量潛力估算結果”中的編號相對應；??根據“實際收獲(SYh)”的“平均作物單產(SYca)”情景，情景設置詳情見表2

圖5為區域尺度產量潛力估算結果，展示了不同水資源分配情景下的可獲得收獲面積差，與不同農業土地利用水平下可能獲得作物產量相結合的產量潛力浮動范圍。其中，東北地區(7)四川盆地(8)的情景差異特征與全國尺度的估算結果較為一致； 黃土高原(3)云貴高原(5)華南(6)的產量潛力估算結果根據情景設置呈逐漸遞減趨勢； 長江中下游(1)華北平原(4)在“灌溉條件(I)”情景下的產量潛力高于“平均分配(E)”情景，說明該地區的灌溉水平顯著優于其他地區； 南方丘陵(2)的產量潛力浮動范圍特征與長江中下游(1)與華北平原(4)較為一致，但從平均作物單產角度看，四種情景下的產量潛力差異并不明顯。根據表4(區域統計結果)，西北與青藏高原的可收獲面積差及其產量潛力都非常有限，不在分析范圍。

3 討論

該研究的收獲面積差估算基于了多種假設。Yang等人[10]對最大潛力復種指數的估算針對的是“糧食作物”而非每種特定作物，相應的，本研究將所有糧食作物的收獲面積累加，作為網格的“實際收獲面積”，由此造成后續收獲面積差估算也無法區分特定作物。實際上，不同作物對溫度、水分、田間管理等的需求各不相同，例如一塊地不太可能連續種植3茬玉米，該研究采用糧食作物代替特定作物，雖能在一定程度上簡化估算體系，但也可能導致估算結果不能完全反映現實情況。Yu等人[11]對收獲面積差的定義、內涵與估算做了詳細討論，由于這仍是一個較新的研究領域，已有研究成果、數據產品等還不能足夠支持收獲面積差的深入研究，例如，生產作物分布與輪作數據，并探究不同輪作體系對農業資源的配置需求，對推動收獲面積差相關研究具有重要作用。

另一方面，農業土地利用情景也存在一定的不確定性。例如，當前的作物單產情景直接獲取于SPAM數據集。SPAM數據集是將統計數據按照一定規則向空間網格分配的結果，因此，網格數據并不一定反映真實情況[13]。此外，各種產量指標僅體現網格的平均情況，網格最高作物單產(SYch)與灌溉最優單產(SYi)等，可能僅代表網格內的某一特定情況，而非一般情況。這意味著，最高單產與最優單產可能無法在全網格內加以實現，因此，產量潛力的估計范圍稍稍顯大。而且，最高單產與最優單產的實現與許多因素有關，包括品種、病蟲害、田間管理等[16]，這些因素在該研究中均未加以考慮。介于這些不確定性，該研究雖不能詳細刻畫網格尺度的現實情況，但卻有助于從宏觀角度探討水土資源優化配置的理論意義與現實意義。例如，該研究定量揭示了作物選擇的貢獻遠大于水資源分配與灌溉條件這兩個因素，且發現收獲面積差及其產量潛力在不同農業區之間的差異明顯，這些結果能為合理制定農業供給側結構性改革方案提供參考。

4 結論

我國在現有耕地資源(1.3億hm2,約19.5億畝)的基礎上，通過提高復種，還有很大的收獲面積擴展潛力，在不同水資源分配情景下，可獲得收獲面積差約為0.135億～0.363億hm2(2億～5.4億畝)。如果將這些收獲面積差與作物單產相結合，在不同農業土地利用水平下，可轉化成最高7.4億t的產量潛力。在水資源、作物類型、灌溉措施3方面最實際情況下，我國存在1.17億t的產量潛力，相對于現實產量5.97億t，約增加19.6%。同時，我國的收獲面積差及其產量潛力在不同農業區之間的差異明顯，其中長江中下游同時擁有好的水熱條件與相對優良的灌溉設施，而該地區較大的收獲面積差與產量潛力說明其水土資源利用還有較高的調整優化空間，應該成為農業供給側結構性改革的重點關注區域。研究結果充分表明，區域自然資源稟賦與水土資源科學配置，是推動農業供給側結構性改革的重要依據。未來還需進一步考慮氣候變化及人類行為因素等對收獲面積差及其產量潛力的影響與貢獻。

[1] Brown L R.State of the World 1995：A Worldwatch Institute Report on Progress Toward a Sustainable Society.New York：W W Norton， 1995.255

[2] Ye L，Xiong W，Li Z，et al.Climate change impact on China food security in 2050.Agronomy for Sustainable Development， 2013, 33(2): 363～374

[3] Wu W，Yu Q，Peter V H，et al.How could agricultural land systems contribute to raise food production under global change?Journal of Integrative Agriculture， 2014, 13(7): 1432～1442

[4] Li K，Yang X，Liu Z，et al.Low yield gap of winter wheat in the North China Plain.European Journal of Agronomy， 2014， 59： 1～12

[5] Li X，Liu N，You L，et al.Patterns of Cereal Yield Growth across China from 1980 to 2010 and Their Implications for Food Production and Food Security.PLOS ONE， 2016， 11(7)：e159061

[6] Tao F，Zhang S，Zhang Z，et al.Temporal and spatial changes of maize yield potentials and yield gaps in the past three decades in China.Agriculture，Ecosystems & Environment， 2015， 208： 12～20

[7] Liu Y，Fang F，Li Y.Key issues of land use in China and implications for policy making.land Use Policy， 2014, 40(40): 6～12

[8] He C，Liu Z，Xu M，et al.Urban expansion brought stress to food security in China：Evidence from decreased cropland net primary productivity.Science of The Total Environment， 2017， 576： 660～670

[9] 何文斯， 吳文斌，余強毅，等.1980～2010年中國耕地復種可提升潛力空間格局變化.中國農業資源與區劃， 2016, 37(11): 7～14

[10]Yang X，Chen F，lin X，et al.Potential benefits of climate change for crop productivity in China.Agricultural and Forest Meteorology， 2015， 208： 76～84

[11]Yu Q，Wu W，You L，et al.Assessing the harvested area gap in China.Agricultural Systems， 2017， 153： 212～220

[12]Lobell D B，Cassman K G，Field C B.Crop yield gaps：their importance，magnitudes，and causes.Annual Review of Environment and Resources， 2009, 34(1): 179～204

[13]You L，Wood S，Wood-Sichra U，et al.Generating global crop distribution maps：From census to grid.Agricultural Systems， 2014， 127(18):53～60

[14]Fritz S，See L，McCallum I，et al.Mapping global cropland and field size.Global Change Biology， 2015, 21(5): 1980～1992

[15]中華人民共和國水利部. 中國水資源公報.2006

[16]Yu Q，Wu W，Yang P，et al.Proposing an interdisciplinary and cross-scale framework for global change and food security researches.Agriculture，Ecosystems and Environment， 2012， 156： 57～71

HARVESTED AREA GAP IN CHINA AND ITS PRODUCTION POTENTIAL*

Yu Qiangyi1， 2，Wu Wenbin1※
(1. Key Laboratory of Agricultural Remote Sensing (AGRIRS), Ministry of Agriculture/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;2. Environmental Geography Group, VU University Amsterdam, Amsterdam 1081HV, The Netherlands)

Total grain production is determined by three aspects: crop yield, cropland area, and cropping frequency. While the potential in crop yield and cropland area is very limited in China for increasing its grain production. This study introduced the concept of harvested area gap(HAG) and estimated its potential for grain production in China, given the crop yield and cropland area keep in a stable condition. The grid level estimation around year 2005 suggested that: (1) the attainable HAG in China ranged from 13.5 to 36.3 million ha, depending on the selected water allocation scenario. (2) While combining such HAG with the crop yield scenarios that reflected the status of agricultural land use, the attainable HAG could bring about a 740 million ton grain production potential in the most optimized situation. (3) in the most realistic scenario that considered water allocation, crop choice and irrigation, China had a 13.5 million ha attainable HAG, which corresponded to a 117 million ton grain production potential, relative to a +19.6% against the current available grain production of 579 million ton. (4) the Lower Yangtze region had the largest potential to increase harvested area due to triple-cropping, sufficient water available, and a good irrigation infrastructure. However, its relatively higher attainable HAG and production potential indicated the necessity of better land and water use optimization to be carried out in this region. This study explored the grain production potential in China from the perspective of resource endowment and utilization, indicating that the agricultural 'supply-side structural reform' in China could be achieved by optimizing the resource reallocation of land and water.

yield gap; land use; multiple cropping; food security; resource reallocation; supply-side structural reform

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170604

2017-06-06

余強毅(1986—)，男，湖南冷水江人，博士、助理研究員。※通訊作者：吳文斌(1976—)，男，湖北潛江人，博士、研究員。主要研究方向為農業土地系統。Email：wuwenbin@caas.cn

*資助項目：國家自然科學基金青年科學基金項目( 41501111)； 國家留學基金項目(201503250030)

F326.11

A

1005-9121[2017]06021-06

致謝：感謝阿姆斯特丹自由大學Peter Verburg教授、Jasper van Vliet博士對該研究的有益建議