耕地復種指數研究的關鍵科學問題

吳文斌，余強毅，陸苗，項銘濤，謝安坤，楊鵬，唐華俊

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耕地復種指數研究的關鍵科學問題

吳文斌，余強毅，陸苗，項銘濤，謝安坤，楊鵬，唐華俊

（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）

在當前耕地外延式擴展難以滿足、糧食單產提升難度加大的新形勢下，提升耕地復種指數、走耕地內涵式集約利用模式，是確保未來我國糧食增產和國家糧食安全的重要途徑。本文從農業土地系統科學視角出發，系統總結了耕地復種指數研究的總體研究框架和核心研究內容，全面梳理了國內外該領域的研究現狀、進展及存在的問題。研究認為，第一，格局與過程探測是耕地復種指數研究的重要基礎。不僅要關注耕地潛在或實際復種指數的數量、空間分布、區域差異及其時空變化過程，更要關注耕地復種指數的提升空間，科學描述可挖掘的復種潛力。第二，功能與效應分析是耕地復種指數研究的核心內容。現有研究多聚焦耕地復種指數提升對糧食產量增加的貢獻作用，復種指數變化的生態環境效應研究以微觀試驗性研究為主；迫切需要建立綜合效應分析框架，從不同的學科、視角和尺度揭示耕地復種指數對區域資源配置、社會經濟和生態環境等的影響和反饋機制。第三，優化調控是耕地復種指數研究的關鍵任務。科學提出可持續挖掘和提升耕地復種潛力的策略，重點強化可持續性評估、障礙性因子分析和系統性優化調控等方面的研究，追求糧食安全、資源安全和生態安全的權衡協調，以建立人地和諧、可持續的農業土地利用模式。耕地復種本質上反映了復雜的“人-地”耦合關系，多數據、多尺度、多模型和多方法的綜合研究將是未來耕地復種指數研究的重要發展方向，將會促進自然科學、工程科學和社會科學等多個學科門類的綜合、交叉和集成研究。

耕地；復種指數；格局與過程；功能與效應；優化調控；權衡；可持續

糧食安全直接關系到國家穩定、社會發展和民生福祉。糧食產量由耕地面積、復種指數和單位面積產量等決定，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[1]。隨著城市化、工業化和全球化的快速發展，我國大量耕地被占用、非農化和非糧化利用，18億畝耕地面積的“安全底線”面臨考驗，現有耕地數量、質量和生態“三位一體”保護任務艱巨[2-5]。因此，通過作物品種改良、水肥管理優化、栽培措施提升等措施，挖掘現實單產潛力、縮小產量差，成為耕地面積穩定下糧食產量增加和未來糧食供給保障的首要途徑[6-13]。然而，許多研究表明，很多糧食主產區的單產增長出現停滯、甚至下降，增加區域的單產增長率低于未來糧食需求的增長率[14-16]。這主要是由于隨著現實作物單產水平的不斷提高、逐步接近最大單產水平時，單產增加的難度日益加大，出現“天花板效應”[17-18]。因此，像保護大熊貓一樣保護耕地、努力實現單產水平持續增加的同時，尋求更多的糧食產量提升空間和途徑成為穩定糧食綜合生產能力、保障國家糧食安全的重大需求[19-20]。

從農業土地系統學科角度，科學提升耕地復種指數、挖掘耕地集約化利用潛力，可成為我國未來糧食增產的重要途徑之一[20-22]。耕地復種指數研究成為了地理學、生態學、農學等領域的前沿和熱點研究方向。一方面，復種種植模式在時間和空間上高效利用現有耕地資源，在耕地面積總量不變的情況下，可以有效增加糧食作物播種面積，提高糧食產量[23-24]。我國多熟種植耕地占全國總耕地面積的50%，其播種面積約占總播種面積的2/3，農作物產量約占總產量的3/4[25]。耕地復種指數提高是我國糧食持續增產的重要因素之一，對保障國家糧食安全發揮了重要作用。另一方面，復種模式及其變化對陸地生態系統地球物理和地球化學循環過程有著重要影響，驅動區域生態環境變化。多熟種植的不同作物組合會增加農田種植系統的穩定性、提高養分循環再利用率，但同時農藥、化肥和生產設施的過量使用會導致土壤污染、水質量的降低，增加溫室氣體排放等，破壞區域的生態環境[26-27]。同時，近年來農業比較效益低下、小規模農戶經營模式和種糧積極性下降，我國很多平原地區生產力高的優質農田復種指數下降，加上部分區域的耕地輪作休耕，實際播種面積減少，一定程度上抵消了單產增加帶來的正效應[28-29]。因此，在當前耕地外延式擴展難以滿足、糧食單產提升難度加大的新形勢下，重新深入思考耕地復種指數的作用、探討耕地復種指數提升具有重要的科學價值和現實意義。

過去20多年里，在國際土地利用/土地覆蓋變化計劃與全球土地計劃兩大科學研究計劃的推動下，農業土地集約化和可持續利用研究成為了農業土地系統科學的重要研究方向[30]。國內外很多學者對耕地種植制度和復種模式等給予高度關注，耕地復種指數研究在理論、技術方法和應用實踐方面都取得了長足的進展。基于此，本文從農業土地系統科學視角出發，系統梳理近年耕地復種指數研究進展，凝練耕地復種指數研究的研究框架和關鍵科學問題，為進一步豐富和完善農業土地系統科學學科體系，推動全球變化、糧食安全及農業可持續研究提供參考。

1 耕地復種指數研究框架

耕地復種指數描述的是單位面積耕地一年幾熟或幾年幾熟的種植方式，體現了耕地在時間和空間上的集約化利用[31]，本質反映了“人類-自然”復合關系。一方面，耕地的復種可能性受到區域的氣候、高程等自然資源環境承載約束，人類技術進步和管理措施提升一定程度上會改變自然環境的約束閾值；另一方面，耕地復種的實現程度受到技術、品種、經濟、管理等人類活動因子影響，也會正向或負向反饋于自然生態環境。因此，耕地復種指數具有自然性、社會性的雙重屬性，其研究的核心目的在于科學理解和解釋這種復雜的“人類-自然”耦合關系，進而科學服務于農業可持續發展目標。

從所屬學科看，耕地復種指數作為耕作制度或農作制中衡量耕地集約化利用程度的重要指標，既是農學學科的研究范疇，也是地理學科的研究范疇，具有多學科交叉的特點。經過多年、多學科的融合發展，耕地復種指數研究形成了如圖1所示的總體研究框架，包括復種指數的格局與過程探測、功能與效應分析、優化與調控等3個核心研究內容。格局與過程探測研究是基礎，是后兩者研究的前提；功能與效應分析是核心，是格局與過程研究的延伸，也是優化與調控的依據；優化與調控是目標，實現過程和功能的權衡，以及人類-自然的協和發展。每個核心研究內容涉及的研究對象和研究方向具有多樣性和復雜性，研究數據涵蓋遙感、地面觀測、社會經濟統計等多源數據集，研究方法從定性描述向定量模擬、單一方法向綜合模型進行轉變。可見，耕地復種指數研究需要自然科學、工程科學和社會科學等多個學科門類的綜合、交叉和集成，才能更好揭示其復雜現象的科學本質。

圖1 耕地復種指數研究框架

2 耕地復種指數的格局與過程

耕地復種是人類對土地資源持續開發利用和不斷干預的過程。耕地復種指數的格局與過程是指不同耕地單元復種指數的空間分布關系與演變過程。格局是復種指數的外在表象，過程是復種指數變化的內在機理；格局影響過程，過程改變格局。因此，科學弄清耕地復種指數的數量大小、空間分布、區域差異及其時空變化過程是耕地復種指數研究的首要任務，受到了國內外很多學者的廣泛關注。

耕地復種指數可分為潛在復種指數和實際復種指數。潛在復種指數是指充分利用水、土、光和熱等自然資源時能達到的最大復種指數，其估算方法包括農業氣候法、作物生長模型法和經濟學模型法[31]。農業氣象法是最常用的估算方法，其通過分析關鍵氣候要素對不同復種模式的水熱需求滿足度和氣候要素盈余來計算最大潛在復種指數。最早20世紀80年代中期，劉巽浩[32]通過對不同區域的熟制和水熱資源進行實際調查，對全國的耕地復種指數進行了估算；范錦龍等[33]根據平均熱量、降水條件和最大復種指數的統計關系，采用外包絡線法估算了全國積溫和降水潛在復種指數，并取兩者最小值作為潛在復種指數；此后，楊曉光等眾多學者先后根據潛在復種指數與氣象因子的關系建立潛在復種指數估算模型，分析研究了全國、淮河流域和河南省的耕地潛在復種指數分布空間格局、區域差異及其時空演變特征[34-39]。作物生長模型法以Agro-Ecological Zones（AEZ）模型為代表，將氣候、土壤、地形、土地利用方式、灌溉條件等因素與農作物生長模型整合，估算潛在復種指數[40-42]。經濟學模型法將復種指數看成是產出，將光溫水等自然條件看作是生產投入要素，采用經濟學中用來衡量技術有效性的隨機邊界生產函數能對復種指數的潛力進行測度[43]。

實際復種指數是指受經濟、政策、人力和技術條件等因素制約下所實現的實際復種水平。早期的統計法是利用行政區劃單元的播種面積和耕地面積統計數據計算實際復種指數，該方法已經廣泛應用于全國[44-45]、區域[46-47]以及省域尺度[48-50]的復種指數時空格局、變化特征分析。隨著對地觀測技術的快速發展，遙感監測法迅速成為區域耕地復種指數監測的主流方法。該方法的理論依據是時間序列遙感數據變化可以較好描述年內作物從生長到成熟、衰落等周期性活動過程[51-52]。利用時間序列植被指數，采用濾波法（如Savitzky-Golay 濾波法[53]、小波變換[54-55]和傅立葉變換[56]）和非線性擬合法（如Logistic 函數擬合法[57]和非對稱性高斯函數擬合法[58]）等進行生長曲線擬合，在此基礎上構建特征提取算法，如交叉擬合度檢驗法[59]、決策樹法[60]、滑動分割法[61]、排序形態學濾波法[62]、二次差分法[63-69]、峰值頻數法[70-75]等實現復種指數的有效監測。目前該方法先后在全國[63-64, 70-71]、太湖流域[67]、環渤海[68, 74]、黃淮海[72]、鄱陽湖[73]、關中地區[69]、以及浙江省[65-66]和陜西省[75]的實際復種指數時間變化特征和空間差異研究中得到應用。同時，部分學者利用這些方法分析我國地下水漏斗區（如華北地區的河北省）、重金屬污染區（如湖南省等）、生態嚴重退化地區（如西南喀斯特地區、西北干旱區、北方草原退化區等）的耕地復種指數變化，并深入解析近年推廣實施的耕地輪作休耕制度對耕地復種指數的影響[76-79]。

上述不同研究方法各具特色，在分析耕地的時空格局與變化過程中發揮了重要作用。但是研究發現，這些已有研究多是從單一的學科視角（如農業氣象學或遙感科學）出發，研究耕地復種指數格局和過程，而綜合考慮潛在復種指數與實際復種指數兩者的耕地復種提升潛力（即復種差）研究較為欠缺。受到多因素共同影響，農業生產中實現的實際復種指數和最大潛在復種指數往往存在差距，科學掌握復種提升潛力對于進一步挖掘糧食主產區的生產能力具有重要意義。一方面，部分研究圍繞潛在復種指數開展復種提升潛力研究，重點分析歷史或未來不同氣候變化帶來的耕地潛在多熟種植制度界限遷移，以及帶來的潛在復種指數提升空間[80-82]。這些研究由于沒有考慮現實中實際發生的復種指數，其估算的復種指數提升潛力實際上是復種指數理論潛力，難以較好描述實際到最大的“距離”有多遠、可挖掘的潛力有多大，使得在實際應用中存在諸多不足。另一方面，少量研究結合實際和潛在復種指數，分析我國不同糧食主產區、西南和長江中下游等重點區域的耕地復種指數提升潛力[83-86]，但是這些研究往往利用行政單元的統計數據，研究結果僅能反映統計單元水平上的潛力數量特征，難以描述潛力的空間分布特征以及統計單元內部的空間變異性。因此，綜合多學科交叉，結合潛在與實際復種指數的復種提升潛力研究必將是該方向未來的研究重點之一。

3 耕地復種指數的功能和效應

受自然生態環境和社會經濟條件的雙重影響，耕地復種指數格局始終處于持續變化過程之中，直接驅動復種指數的功能和效應發生變化。耕地復種指數的功能和效應是指耕地復種行為所表現出的能力、功效和對資源環境的擾動和破壞。復種指數的功能屬性和效應屬性往往相伴而生，功能多具有特定的效應，效應也會影響功能的發揮，兩者共同對社會-經濟系統和自然生態系統產生重要影響。因此，全面分析耕地復種指數時空變化的功能和效應成為耕地復種指數研究的核心內容。

耕地復種指數首先影響農業土地系統能夠提供的產品、服務和功能，尤其是糧食產出。國內外很多學者在弄清耕地復種指數時空格局及其變化的基礎上，分析評估耕地復種指數對糧食產量和保障糧食安全的貢獻作用。研究發現，這些研究多側重于耕地復種多熟種植制度或復種指數變化對播種面積的影響評估。如圍繞耕地潛在復種指數，張厚瑄[36]、王馥棠[37]和楊曉光[34,81]等先后利用氣候數據分析了過去或未來中國潛在的多熟種植界限變化對播種面積的影響。他們的研究結論一致認為，氣候變暖使得我國多熟種植界限呈現北移西擴的遷移，在品種和生產力水平不變的前提下，我國一熟種植面積大大縮小、兩熟或三熟等多熟適宜種植面積明顯擴大，有利于我國播種面積的擴展。需要說明的是，這些結論是僅基于熱量資源得到的，若進一步考慮水分的影響，則多熟適宜種制區會發生較大變化。同時，部分學者結合潛在和實際復種指數評估了耕地復種提升空間及其對播種面積的影響。何文斯等[87]認為，在現有耕地面積不變的情況下，提升耕地復種潛力可新增約30%的農作物播種面積。Yu[88]等提出了“收獲面積差”的新概念，在充分利用熱量資源下提高復種指數，我國收獲面積差可占全國總耕地面積的68%；考慮水資源約束，我國仍有2—5.4億畝的收獲面積提升潛力。張志國[39]研究表明，河南省依靠提高耕地復種指數來增加播種面積的空間已經不大；金姝蘭[85]等發現長江中下游地區六省一市近30年耕地復種指數下降，農作物總播種面積、糧食播種面積和總產量減少，但未來耕地復種指數可挖掘潛力很大。需要說明的是，目前耕地復種指數的糧食生產效應研究多關注于復種指數變化對播種面積的影響。事實上，僅分析復種指數變化對播種面積的影響，難以準確解析復種指數變化對國家或區域糧食產量的作用機制。我國區域遼闊，不同的復種模式下作物時空配置不一樣，復種指數變化實際上會帶來農作物時空格局變化。只有充分考慮不同復種模式特定的農作物組合匹配，綜合分析復種指數導致的作物播種面積變化和單產變化，才能科學估算復種指數提升對實際糧食產量變化的影響作用。此外，近年實施的耕地休耕輪作制度對國家糧食安全的影響也需要進行科學評估[79]。

耕地復種指數在影響土地產出的同時，也會反饋于農田生態環境。一方面，有研究表明多熟種植一定程度上提高資源利用效率[89]，如緩和區域水循環減少[90]，充分利用水資源并保證作物高產高效[91-92]；可以改善農田土壤生態環境[93]，高復種復合農作區土壤保肥、保水、供肥較好，而低復種旱作區土壤質量和供肥、保肥、保水等性狀較差[94]；通過復合生物共生循環配置模式，利用物種間既有生存競爭又有伴生和聯合作用，增加農田生物多樣性，防止病蟲害，維持生態系統平衡和穩定性[95]。另一方面，從已有的事實看，很多國家或地區一味通過提高復種指數維持耕地高產，導致肥料和農藥等生產投入增加，加大了水土資源的承載壓力，帶來顯著的環境效應，尤其以負面效應為主，威脅到農業生產的可持續發展[96-97]。復種指數提高導致了對水資源的過度開采，使區域水資源失衡[98]；速溶性化肥的頻繁施用，使得多余的氮和磷從土壤進入水體，造成農業區域的河流、湖泊水質下降，水體的富營養化[99]。同樣，復種指數增加會帶來化肥、殺蟲劑、除草劑和地膜等的大量使用，導致農田土壤養分失衡、土壤酸化、有害物質積累等土壤污染和退化，造成土壤通透性降低、排水量減少，加重土壤侵蝕作用和土壤礦化損失，降低土壤肥力[100-101]。化肥中含氮化合物使用增加農田溫室氣體的排放，對大氣對流層和同溫層的化學性質以及空氣組成造成嚴重影響[102]。此外，耕地集約化利用對植物和動物生態系統具有重要影響。如農藥過量使用和大型機械反復碾壓造成土壤中蚯蚓、微生物等生物數量減少，土壤生物群落多樣性降低，土壤的生物降解及養分有效調節功能發生重大改變，間接影響作物生長狀況和產量[103]。然而，目前有關耕地復種指數變化的生態環境效應多是土壤學、生態學、環境學等領域學者開展的微觀試驗性研究為主，效應分析的局地特征和復種指數的宏觀特征存在明顯的尺度錯位，使得目前并沒有形成廣泛認可的一致性科學結論。因此，耕地復種指數效應研究需要進一步加強和深入，建立綜合效應分析框架，從不同的學科、視角和尺度揭示耕地復種指數對區域資源配置、社會經濟和生態環境等的影響和反饋機制，進而為其科學調控和優化提供理論依據。

4 耕地復種指數的優化和調控

面對國家糧食安全戰略需求、生態安全基本約束的新形勢，在繼續嚴格保護耕地數量、輪作休耕養地的同時，提升耕地復種指數、走耕地內涵式集約利用模式，是我國未來糧食增產和確保國家糧食安全的重要策略[101]。耕地復種指數提升有助于高效利用有限的耕地資源、增加單位土地面積的糧食產出能力，但需要以最低的資源消耗和生態環境為代價。因此，需要在科學層面系統開展耕地復種潛力優化配置研究，實現可持續、合理的挖掘復種潛力。

耕地復種指數的優化和調控實際上是對資源、環境和生態的擾動過程，具有“雙刃劍”效應。可見，需要綜合考慮耕地集約化利用與資源、環境、生態的相互關系，進行不同區域、不同系統之間的權衡優化，建立耕地集約利用和科學保護協同、資源節約型和環境友好型相結合的可持續復種模式[104-106]。為此，耕地“可持續集約化”的科學概念應時而生，即“提高現有耕地單位面積產出的同時，減輕并最小化集約化利用過程對生態環境的壓力和影響”[107-108]。但是，如何科學推進可持續性集約化利用仍待深入研究[109-110]，尤其需要強化可持續性評估、障礙性因子分析和系統性優化調控等方面的科學研究。

首先，可持續性科學評估是優化調整的基本前提，其核心目標是實現耕地復種利用與自然生態本底特征、經濟社會發展需求相匹配。目前，可持續集約化側重于強化農田生態系統管理，優化或重建生態系統功能，維持現有甚至減少外部投入，達到保護農田生態系統和周圍環境的目的[111]。可持續性評估多以耕地復種的綜合效應或生態服務價值為對象，構建可持續評價的指標體系和評價因子，應用專家打分法、德爾菲法、層次分析法以及灰色關聯評價法等實現多熟種植系統的定量評價[112-113]。此外，部分學者引入能值分析理論或協調度來衡量不同熟制或不同復種方式的可持續性[114-116]。如以糧食增產為前端牽引，以生態代價最低化為后端控制，通過估算單位產量增加需要的生態環境效應，利用糧食產量和生態效應的平衡度來衡量耕地復種潛力提升的可持續性，并建立不同區域的耕地可持續性復種利用的優先序。需要說明的是，未來可持續評估需要重點考慮耕地集約化利用多功能、多效應之間的協同耦合關系，不僅關注單向擾動過程，更要考慮雙向或多向的復雜反饋過程和機制。

其次，障礙性因子分析是優化調整的科學依據，其關鍵在于科學理解耕地復種指數提升的各種影響因素及其作用過程和機制。總體來看，復種指數提升的限制性因子包括自然環境、社會經濟和政策制度等方面，但不同因子在不同區域的作用不同。如環渤海地區耕地復種指數主要受到地形、耕地收益和農作物輪作制度影響[68]；李琳鳳[24]認為比較效益低和耕地承包到戶的經營體制是制約我國耕地復種指數提高的主要障礙因子；謝花林等[45]利用計量經濟學模型從人文視角探討了耕地復種指數變化的影響因素，發現人口非農化比重對耕地復種指數產生了顯著負向作用，產業非農化比重、農業政策、人均經營耕地和農村家庭人均經營純收入對耕地復種指數產生了顯著正向作用；Zuo等[117]建立實際復種指數與農村勞動力、人均收入、土地收益、農業機械化水平、灌溉面積比重、土壤侵蝕、地形等統計關系，并將我國耕地劃分7個區域，分別研究了不同區域的耕地復種提升潛力和關鍵限制因素。

最后，系統性優化調控是在耕地復種可持續性評估和障礙因子分析的基礎上，研究提出耕地復種指數持續高效利用的調控策略。總體來看，優化調控主要體現宏觀和微觀兩個方面。宏觀層面主要是針對復種潛力提升的關鍵障礙因子，提出因子消除的措施方案，包括土地經營體制、基礎設施投入、機械化提升、價格補貼和產權明晰等政府調控和市場機制[118]，破解土地經營規模小、組織化程度低、社會化服務缺乏、種植積極性不高的難題，為耕地復種指數提升提供支撐條件。微觀層面是提升農戶的專業技術知識，推進新品種、新技術和新裝備的集成，優化不同復種模式下的作物連作模式以及田間管理措施[30]；或設計全新的連作或輪作模式，如華北平原傳統的冬小麥-夏玉米兩熟復種模式向玉米-玉米的兩熟復種模式轉換[119]，在實現產量的提升和資源的高效利用的同時，降低土壤污染、加強地力培育、控制水土流失和減緩溫室氣體排放等。需要指出的是，無論采取何種優化調控策略，科學評估策略的實施效果需要重點考慮。

5 展望

耕地復種模式對保障我國過去糧食安全發揮了重要作用，也是未來糧食增產和確保國家糧食安全的重要策略。國內外學者圍繞耕地復種指數開展了大量研究，在理論研究和技術方法方面取得了顯著進展，為科學掌握耕地復種指數的時空格局、變化過程和原因、影響和效應，為支撐政策制定和宏觀決策等發揮了重要作用。

本文從農業土地系統科學視角出發，提出了耕地復種指數研究的總體框架，系統論述了耕地復種指數3個核心研究內容的現狀、進展和存在的問題。耕地復種指數的格局與過程探測重點在于科學揭示耕地復種指數的數量大小、空間分布、區域差異及其時空變化過程和規律，是耕地復種指數功能與效應分析、優化調控的基礎前提。耕地復種指數的功能與效應分析是其研究核心內容，關鍵在于科學掌握復種指數及其時空變化對社會-經濟系統和自然生態系統的影響和反饋效應。耕地復種指數的優化調控是其研究出口，核心在于科學提出可持續挖掘和提升耕地復種潛力的策略，追求糧食安全、資源安全和生態安全的權衡協調。耕地復種本質上反映了復雜的“人-地”耦合關系，每個核心研究內容研究面臨諸多難點和挑戰，需要從系統性和整體性的科學視角來開展綜合研究，更好揭示復雜現象的本質。因此，多數據、多尺度、多模型和多方法的綜合研究將是未來耕地復種指數研究的重點發展方向，將會促進自然科學、工程科學和社會科學等多個學科門類的綜合、交叉和集成研究。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Key Research Priorities for Multiple Cropping Systems

WU WenBin, YU QiangYi, LU Miao, XIANG MingTao, XIE AnKun, YANG Peng, TANG HuaJun

(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agricultural Remote Sensing, Ministry of Agriculture, Beijing 100081)

To feed the China’s growing population, more food needs to be produced using currently available cropland. Further expansion of cropland seems to be unlikely as it largely conflicts with biodiversity conservation, greenhouse gas emission mitigations, and hydrological changes. Crop yield growth is also confronting with large challenges as it becomes more difficult to sustain further yield increase as farmers’ yields approach the potential threshold. Increasing cropping intensity may thus provide another promising opportunity to increase food production. An increase in cropping intensity by increasing the number of crops per cropping cycle or intercropping with other crops can increase the frequency of harvests each year, resulting in increased food supplies without additional cropland expansion. This paper, from the perspective of agricultural land systems, proposed the overall study framework of multiple cropping systems and provided an overview of current research progresses in the three key research priorities. It was indicated that: (1) Multi-faceted patterns and processes of multiple cropping systems were the basis for subsequent analysis. It should consider not only the quantity, spatial distribution, regional difference of potential or actual multiple cropping systems, but also the cropping intensity gaps so as to expand the harvest areas by closing these gaps. (2) Understanding of the effects of multiple cropping systems on socio-economic and biophysical systems was the core task. Currently, most of studies were focused on the positive contribution of multiple cropping systems to food production, and less attention was paid to its impacts on eco-environment. Interdisciplinary approaches and cross-scale integration are critically necessary for better understanding the complex effects and feedbacks of multiple cropping systems on regional resource allocation, socio-economic development and eco-environment health. (3) How to sustainably increase the multiple cropping indexes was facing great challenges. It was important to link the multiple cropping systems with other parallel systems to understand their synergies and trade-offs, in order to build up a sustainable pathway for increasing future cropping intensity. All these solutions would substantially promote the interdisciplinary integration and would contribute to better understand the coupled human-environment interactions across time, space and scales.

cropland; multiple cropping index; pattern and process; function and effect; optimization and regulation; trade-off; sustainable

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.09.006

2017-06-06；

2018-03-30

中國工程科技中長期發展戰略研究（2016-ZCQ-08）

吳文斌，Tel：010-82105070；E-mail：wuwenbin@caas.cn