1990_2010年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响_刘洛
地理学报ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第69卷第12期
2014年12月V ol.69,No.12December,2014收稿日期：2013-10-15；修订日期：2014-06-04
基金项目：国家科技支撑计划(2013BAC03B01)；中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB3-08-01)；高分辨率对地观
测系统重大专项(05-Y30B02-9001-13/15-10)[Foundation:National Key Project of Scientific and Technical
Supporting Programs,No.2013BAC03B01;No.STSN-14-00;Project of CAS Action-plan for West
Development,No.KZCX2-XB3-08-01;Important National Project of High-resolution Earth Observation
System,No.05-Y30B02-9001-13/15-10]
作者简介：刘洛(1987-)，男，汉族，湖南益阳人，博士研究生，主要从事土地利用土地覆被变化研究。
E-mail:liuluo87930@qq
通讯作者：徐新良(1972-)，男，山东青岛人，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事土地利用土地覆
被变化研究。
E-mail:xuxl@lreis.ac
1767-1778页
1990-2010年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响
刘洛1,2,3，徐新良2，刘纪远2，陈曦1，宁佳2,3
(1.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐830011;
2.中国科学院地理科学与资源研究所，资源与环境信息系统国家重点实验室，北京100101;
3.中国科学院大学，北京100049)
摘要：1990年以来，在国家生态环境保护工程实施、经济快速增长等因素的影响下，中国耕
地数量与空间格局发生了巨大变化，对粮食生产潜力造成了巨大影响。本文采用GAEZ 模型，结合中国气象、地形、土壤等因素，定量分析了中国耕地粮食生产潜力空间特征以及1990-
2010年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响。主要结论如下：①2010年全国耕地粮食生产潜
力总量为10.55亿t ，全国耕地平均粮食生产潜力为7614kg/hm 2。中国耕地粮食生产潜力存在
显著的空间差异，总体表现为东部高而西北部较低的趋势，并且高值区主要分布在长江中下
游地区和华南区。②1990-2010年的20年间，中国耕地粮食生产潜力变化表现出明显的时空
差异，总体呈现南减北增、总量减少的基本特征。新增耕地粮食生产潜力的重心逐步由东北
向西北转移。耕地粮食生产潜力总量净减少297万t ，占2010年全国实际粮食总产量的
0.29%。③在1990-2000年与2000-2010年两个时期，耕地变化对耕地粮食生产潜力影响差异
明显。前10年，耕地粮食生产潜力总量净增加1011万t ，主要集中在东北平原区和北方干旱半
干旱区；后10年，耕地粮食生产潜力总量净减少1308万t ，主要集中在长江中下游地区和黄淮
海平原区。从总体看，近20年来耕地粮食生产潜力总量增加主要是由林、草地和未利用土地
开垦所导致，而耕地粮食生产潜力总量减少主要是由城市扩展和退耕还林还草所导致。
关键词：耕地；粮食生产潜力；GAEZ 模型；中国
DOI:10.11821/dlxb201412003
1引言
粮食是关系国民生计的特殊商品和重要战略储备资源，粮食安全是国家安全的重要组成部分。作为人口众多的发展中国家，中国的粮食安全问题对世界粮食安全具有重要影响，始终受到国内外学者的广泛关注[7]。影响粮食生产的因素很多，如制度与政策的创新、科技进步、物质和劳动的投入、耕地和气候资源变化等因素[1-3]。耕地资源是农业生产最基本的物质条件，耕地数量和质量的变化直接影响粮食产量，从而影响到粮食有效供给[4]。中国目前正处在工业化、城市化进程加快和生态文明建设的重要时期，耕地资源日益受到工业和城市土地利用的竞争，部分耕地非农化的趋势不可逆转，这已严重地影响到国家的粮食安全，并引起了国内外的广泛关注[4]。
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69卷过去20年，由于开垦耕地、城市化侵占耕地以及退耕还林还草等的影响，中国的耕地资源在面积、空间分布和质量上都发生了巨大变化[2-5]。为了揭示区域耕地资源变化及其对粮食生产和粮食安全的影响，国内外学者开展了大量研究。例如，刘纪远等分析了20世纪90年代中国LUCC过程对农田
光温生产潜力总量和区域分异的影响[5]；闫慧敏等分析了中国城市化进程和退耕还林草生态工程对耕地的分布与生产力的影响[6]；石淑芹等分析了东北地区耕地数量、质量和作物种植制度等对粮食生产能力的影响[7]；徐新良等则揭示了气候波动与LUCC过程对东北农田生产潜力的影响[8]。从上述研究可以看出，目前研究主要针对区域耕地变化以及粮食生产和安全问题。在全球粮食安全危机的背景下，从国家尺度的宏观层面，系统地揭示耕地资源变化格局和态势，及其导致的粮食生产潜力的变化及其区域差异，还有待继续深入。为提高中国粮食产量，增强农业生产抵御风险的综合能力，2009年中国政府开始核定全国耕地增产潜力及其区域分布，并对过去土地生产力的变化进行了科学的分析与评估[9]。因此，总结归纳中国耕地资源时空过程，准确掌握耕地开垦和损失导致的粮食生产力变化及其区域分布，对进一步把握耕地供需规律及耕地变化与粮食安全的关系，巩固粮食生产基础和保障粮食安全具有重要的战略意义。
本研究针对20世纪90年代以来中国耕地发生的巨大变化，结合1990年、2000年、2010年三期耕地数据、30年来的气象数据、土壤数据和高程DEM数据，采用GAEZ (Global Agro-Ecological Zones)模型综合考虑光、温、水、CO2浓度、病虫害、农业气候限制、土壤、地形等多方面因素，估算了中国粮食生产潜力，进而分析了耕地变化导致的粮食生产潜力的变化、空间分布以及变化原因，以揭示1990-2010年来中国耕地变化对粮食生产力影响的空间格局及区域差异规律。
2数据与方法
2.1数据来源
本研究的输入数据主要包括耕地数据、地形高程数据、气象数据和土壤数据。
耕地数据包含1990年、2000年和2010年三期，来源于中国科学院资源环境数据中心的全国土地利用数据库。该数据库是在国家科技支撑计划、中国科学院知识创新工程重要方向项目等多项重大科技项目的支持下经过多年的积累而建立的覆盖全国陆地区域的多时相1:10万比例尺土地利用现状数据集[10-13]。该数据集是以Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型。通过野外调查实地验证，土地利用一级类型综合评价精度达到94.3%以上，满足1:10万比例尺用户制图精度[14-15]。本研究利用GIS技术，从三期土地利用现状数据集中提取耕地空间分布数据用于开展1990-2010年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响研究。
地形高程数据来源于美国奋进号航天飞机的雷达地形测绘(Shuttle Radar Topography Mission，SRTM)数据。SRTM数据有现实性强、免费获取等优点，全球许多应用研究都采用SRTM数据开展环境分析[16]。
气象数据是基于中国气象局的760多个气象观测站点的1980-2010年的月平均数据，包括最高气温、最低气温、降水量、相对湿度、10m高度处的风速和日照时数，在考虑地形高程差异的条件下使用ANU
SPLIN软件进行空间插值，获得全国1km×1km的月气象要素空间格网数据[17-19]，以此作为粮食生产潜力计算的气候条件基础。
土壤数据来源于中国科学院资源与环境科学数据中心1:100万全国土壤数据集，包括土壤类型、土壤成分、土壤深度和土壤持水力等属性。
12期刘洛等：1990-2010年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响2.2研究方法
(1)耕地变化分析
方法。耕地变化分析
是利用GIS 的空间分
析方法从1990年、
2000年和2010年三期
耕地数据集中获取耕
地面积数量和空间格
局特征，进而获取
1990-2000年和2000-
2010年前后两期耕地
变化的面积数量和空
间格局特征，以及耕地与其他土地利用类型之间的转换特征，
如林、草地开垦导致的耕地扩张和退耕还林还草以及城市扩张导致的耕地损失特征。
(2)粮食生产潜力方法。本研究粮食生产潜力的估算采用了GAEZ 模型，该模型是由FAO (联合国粮农组织)和IIASA (国际应用系统研究所)共同研发的近30年的大尺度土地生产力模型。GAEZ 模型首先根据气候条件估算种植某种作物的气候适宜性，然后对适宜种植的作物，采用逐级限制法来计算土地粮食生产潜力，即按光合生产潜力(仅光照限制)—光温生产潜力(光照和温度限制)—气候生产潜力(光照、温度和水分限制)—土地生产潜力(光照、温度、水分和土壤限制)—农业生产潜力(农业投入水平、经营管理方法等限制)[20-23](图1)。本研究采用GAEZ 模型计算了1980-2010年平均气候条件下的粮食生产潜力，主要考虑了小麦(4个品种)、玉米(4个品种)、水稻(2个品种)、大豆和甘薯五种作物。这五种作物是中国主要的粮食作物，约占粮食总产量的97.7%[24]。计算过程中结合耕地分布数据，水稻仅能在水
田上种植，而其他作物在旱地上种植。
中国大部分地区都采用多熟制耕作制度，故在估算总粮食生产潜力时需要考虑作物的多熟制[25]。本文根据GAEZ 模型计算的潜在熟制结合中国实际种植制度，考虑了多种熟制的经验方式组合(包括一年两熟、两年三熟、一年三熟)来获取最大土地粮食生产潜力。
GAEZ 模型包含灌溉和雨养两种模拟情景。雨养条件下仅考虑降水对作物产量的影响，而灌溉条件则假设水分充足，即不考虑水分对作物的影响。灌溉和雨养情景下的生产潜力利用灌溉比例数据获得最终粮食生产潜力[26]，具体方法如下：
yield total =yield rain -fed ()1-i +yield irrigated ×i (1)
式中：yield totol 是粮食总生产潜力；yield rain-fed 是指雨养条件下的粮食生产潜力；yield irrigated 指在灌溉条件下的粮食生产潜力；i (%)是从中国国家统计局得到的全国各县(市)灌溉面积与总耕地面积的比率。
3结果与分析
3.1结果验证
为了对基于GAEZ 模型估算的中国耕地粮食生产潜力进行验证，利用2010年月气候数据和2010年耕地数据估算了2010年中国耕地的粮食生产潜力，从估算结果看，2010年全国耕地平均粮食生产潜力为8316kg/hm 2，是全国实际粮食平均产量统计值的1.55倍。以全国各县(市)为统计单元，统计各县(市)2010年耕地粮食生产潜力总量，并用2010
年图1GAEZ 模型结构图Fig.1Schematic diagram of overall structure and data integration of GAEZ 1769
69卷地理学报全国各县(市)粮食产量统计数据进行比
较(图2)。
图中虚线表示估算的各县(市)粮食生
产潜力总量与实际粮食产量的相关趋势
线，从两者的拟合情况来看，各县(市)粮
食生产潜力总量与实际粮食产量的相关系
数为0.82，标准差为0.74万t ，两者相关性
较好，实际粮食总产量为估算结果的
65.4%，因此各县(市)粮食生产潜力总量
的变化在很大程度上能反映实际粮食产量
的变化趋势。
3.22010年中国耕地粮食生产潜力空间特征为研究中国1990-2010年耕地变化对粮食生产潜力的影响，假设气候条件、地
形高程和土壤要素不变的前提下，且气候数据为从1980年到2010年月平均气候要素，分析仅由耕地变化所导致的粮食生产潜力变化。
2010年中国耕地粮食生产潜力总量为10.55亿t ，中国耕地平均粮食生产潜力为7614kg/hm 2。全国耕地粮食生产总潜力空间格局呈现东部生产总潜力高，西北部生产力较低的趋势(图3)。这主要是由于中国耕地资源空间分布不均，东部地形平坦、土壤肥沃、水热条件较好，而西部地区地形复杂、土壤退化、水热条件较差。从全国耕地粮食生产潜力空间分异看，长江中下游地区是中国耕地粮食生产潜力最高的地区，其总产量达到32842.71万t ，遥遥领先其他地区，该地区亦是中国经济发展最快的地区，故成为了用地矛盾最突出的地方；青藏高原区是中国耕地粮食生产潜力最少的地区，其总产量仅为213.23万t 。该区域人烟稀少，耕地数量少，耕地质量差，水分和热量条件均不利于作物的生长发育。华南区耕地最大粮食生产潜力为25989kg/hm 2，远远高于中国其他区域，该地区雨水充沛、温度适宜作物生长、太阳辐射较大、作物生长期较长等因素促使中国最大耕地粮食生产潜力存在于该区域。此外，中国农田平均单产最大的地方也分布在长江中下游地区，其平均产量为12089kg/hm 2(图4)。
3.3中国耕地变化对粮食生产潜力的影响
3.3.11990-2010年中国耕地变化基本特征1990-2010年，中国耕地总量基本保持平衡，但在前后两个10年耕地数量变化表现出不同的特征。1990-2000年耕地面积净增加
2.83万km 2，耕地总量变化总体趋势是南减北增，新增耕地主要集中在北方干旱半干旱区的东部，耕地减少主要发生在长江中下游地区(图5)；2000-2010年耕地净减少1.02万km 2，主要是由于东部沿海地区城镇居民工矿用地的扩张和中西部生态脆弱区退耕还林还草占用了大量耕地，此外北方干旱半干旱区的西部也发生局部地区耕地开垦现象(图6)。
1990-2010年，城镇扩展是导致中国耕地面积减少的主要原因。前10年，城镇扩展占用耕地占该时期耕地减少总面积的45.96%；后10年，城镇扩展占用耕地占该时期耕地减少面积的55.44%。随着中国城市化进程的加快，建设用地占用耕地的年均速率已由1990-2000年的每年约200万亩，激增到2000-2010年的每年300万亩以上，因此耕地保护与城镇化之间的矛盾进一步凸显。林、草地与耕地之间的转换亦是导致耕地面积变化的另一个主要原因。前10年，由于林、草地与耕地转换，耕地净增加4.05万km 2，但这种增加是以牺牲生态环境质量为代价的；后10年，林、草地与耕地转换，耕地仅净增加0.93万km 2，
主要是由于中国开始注重生态保护，全国大范围实施退耕还林还草工程，从而导致耕地面图22010年中国各县(市)粮食生产潜力总量与实际粮食产量的对比Fig.2Comparison between potential and actual production
in each county of China in 20101770
12期刘洛等：1990-2010
年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响图42010年中国耕地粮食生产潜力统计图
Fig.4Statistics of potential production of China in
2010
图51990-2000年中国耕地动态变化图
Fig.5Map of farmland change in China from 1990to
中国面积2000图32010年中国耕地粮食生产潜力空间分布图(kg/hm 2)Fig.3Distribution of farmland potential production of China in 2005(kg/hm 2)1771

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