李 俊,石曉麗,史文嬌,王紹強

(1.中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室,北京 100101;2.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室/ 河北師范大學地理科學學院,河北 石家莊 050024;3.河北省環(huán)境變化遙感識別技術(shù)創(chuàng)新中心/ 河北師范大學地理計算與規(guī)劃研究中心,河北 石家莊 050024;4.中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049)

耕地資源保護是關(guān)系到全球可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略性問題,近年來受國際形勢變化、極端天氣頻發(fā)等多種因素影響,糧食安全問題頻出,因此耕地資源保護更加迫切[1]。2012年我國人均耕地面積僅為0.08 hm2,遠低于全球人均0.20 hm2的水平[2]。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,我國耕地面積逐年減少,對糧食安全的威脅日益加大[3]。部分國家早期已采取有效的耕地保護和農(nóng)田質(zhì)量提升措施,著重于保障糧食安全[4-5]。我國在耕地保護和高標準農(nóng)田建設(shè)方面雖然起步較晚,但一貫十分重視[6]。對于高標準農(nóng)田建設(shè),我國于2012年頒布《高標準基本農(nóng)田建設(shè)標準(試行)》,政策實施逐步進入規(guī)范化階段[7]。到2020年底,全國已完成0.53×108hm2高標準農(nóng)田建設(shè)任務,耕地面積為1.28×108hm2,實現(xiàn)了耕地保有量1.24×108hm2的目標,在耕地資源保護和農(nóng)田質(zhì)量提升方面取得了巨大成效。在國內(nèi)外的發(fā)展經(jīng)驗中,耕地數(shù)量和質(zhì)量被認為是確保糧食安全的至關(guān)重要的調(diào)控因素。因此,對耕地數(shù)量和質(zhì)量的相關(guān)預測研究顯得尤為緊迫。

目前,對于耕地面積和高標準農(nóng)田面積預測的研究相對較少?，F(xiàn)有研究采用了多種方法,如流向統(tǒng)計法[8]、糧食需求法、供需平衡法、趨勢外推法[9]、空間自回歸模型[10]、時間序列預測模型[11]、PCA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12]等。例如,王柳等[8]利用流向統(tǒng)計法從不同角度分析了中國糧食安全現(xiàn)狀,并建立模型預測了2020、2025、2030年高標準農(nóng)田面積。趙永等[10]則采用空間自回歸模型,基于多個自變量對全國的耕地面積進行了預測。羅益等[13]以糧食需求法為基礎(chǔ),對貴州省2035年的耕地保有面積進行了初步推測。然而,現(xiàn)有研究多集中在對耕地面積的單一預測,較少涉及對耕地面積和高標準農(nóng)田面積的同時預測。此外,這些研究往往僅對面積進行預測,沒有提出相應的預測指標,而且預測年份也較為有限,大多僅到2035年。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,對2035年以后的預測和相關(guān)預測指標的研究需求變得更加迫切。

該研究提出耕地面積保有率和高標準農(nóng)田占耕地比例2個指標,利用統(tǒng)計年鑒及其他公布數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,對2025、2030、2035、2050年2個指標在全國、區(qū)域、省級尺度的變化規(guī)律進行預測。該研究提供的預測方法可為相關(guān)宏觀預測提供科學參考,預測結(jié)果可以為未來土地利用、國土空間規(guī)劃、耕地布局、農(nóng)田利用等提供依據(jù)。

1 研究方法、研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源見表1。根據(jù)《全國高標準農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃(2021—2030年)》,將全國(除港澳臺地區(qū)外)分為七大區(qū)域:東北區(qū)、黃淮海區(qū)、西北區(qū)、長江中下游區(qū)、東南區(qū)、西南區(qū)、青藏區(qū)。在《全國高標準農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃(2021—2030年)》中,將內(nèi)蒙古自治區(qū)分為東北區(qū)和西北區(qū),但筆者搜集到的數(shù)據(jù)是按省份劃分的省級數(shù)據(jù),因此該研究將內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)一劃入東北區(qū)(表2)[14]。

表1 數(shù)據(jù)來源

表2 高標準農(nóng)田分區(qū)

1.2 指標選擇

根據(jù)發(fā)達國家的經(jīng)驗并結(jié)合我國實際情況,基于耕地面積保有率和高標準農(nóng)田占耕地比例2個指標,對我國2025、2030、2035、2050年的耕地和高標準農(nóng)田變化趨勢進行預測。采用耕地面積保有率表征耕地的數(shù)量變化,以本年末與上年末耕地面積的變化趨勢表示。采用高標準農(nóng)田占耕地比例表征耕地的質(zhì)量變化,以本年末高標準農(nóng)田面積占本年末耕地面積的比例表示。

1.3 預測方法

1.3.1耕地面積保有率

耕地面積保有率是衡量農(nóng)業(yè)用地的穩(wěn)定性和可持續(xù)性的指標。如果保有率高,說明農(nóng)業(yè)用地相對穩(wěn)定,變化不大;如果保有率低,表示農(nóng)業(yè)用地可能面臨較大的波動。2030、2050年全國耕地面積來源于相關(guān)規(guī)劃文件,2025、2035年全國耕地面積是基于最小二乘法的二次多項式擬合[19]進行推算。為保證每個省份產(chǎn)糧地位不變,假設(shè)未來各省份耕地和高標準農(nóng)田面積占全國的比例不變,根據(jù)2020年各省份耕地面積占全國耕地面積的比例預測其在2025、2030、2035、2050年的耕地面積。

為保證糧食安全,假設(shè)2050年以后全國以及各省份的耕地面積將保持穩(wěn)定不變,且2050年耕地面積保有率穩(wěn)定在100%,2025、2030、2035年的耕地面積保有率按照如下公式估算:

(1)

式(1)中,S為耕地面積保有率,%;G為本年末耕地面積,hm2;Q為上年末耕地面積,hm2。

1.3.2高標準農(nóng)田占耕地比例

2025、2030、2050年全國高標準農(nóng)田面積來源于相關(guān)規(guī)劃文件,2035年全國高標準農(nóng)田面積基于最小二乘法的二次多項式擬合進行推算,2025、2030年各省份高標準農(nóng)田面積來源于《全國高標準農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃(2021—2030年)》。基于各省份高標準農(nóng)田面積地位在未來總體不變的假設(shè),根據(jù)2030年各省份高標準農(nóng)田面積占全國高標準農(nóng)田面積的比例預測2035、2050年各省份高標準農(nóng)田面積占耕地比例。對于高標準農(nóng)田占耕地比例超過90%的省份和年份,其占比統(tǒng)一用≥90%表示。高標準農(nóng)田占耕地比例的計算公式為

(2)

式(2)中,P為高標準農(nóng)田占耕地比例,%;Y為高標準農(nóng)田面積,hm2;X為耕地面積,hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 國家尺度

總體來說,2020—2050年全國耕地面積呈減少趨勢,到2050年全國耕地面積穩(wěn)定在1.20×108hm2;全國高標準農(nóng)田面積呈增長趨勢,到2050年全國高標準農(nóng)田面積將達1.03×108hm2。

預測結(jié)果顯示,2025、2030、2035、2050年全國耕地面積分別為1.23×108、1.22×108、1.21×108、1.20×108hm2(圖1)。2020年全國耕地面積保有率為96.91%,在2050年將達到100%,這代表2050年之后耕地面積不會發(fā)生大幅波動(表3)。高標準農(nóng)田面積從2020年的0.57×108hm2增長到2050年的1.03×108hm2,增長接近一倍。與此同時,高標準農(nóng)田占耕地比例則從2020年的43.59%增長到2050年的85.89%,預計2050年之后高標準農(nóng)田建設(shè)將主要集中在已有高標準農(nóng)田的提質(zhì)改造(表4)。

圖1 全國耕地面積和高標準農(nóng)田面積預測

表3 區(qū)域和省級尺度耕地面積保有率預測結(jié)果

表4 區(qū)域和省級尺度高標準農(nóng)田占耕地比例預測結(jié)果

2.2 區(qū)域尺度

東北區(qū)作為我國重要的糧食生產(chǎn)基地,2020—2050年耕地面積一直居于首位,2050年耕地面積為0.37×108hm2,占全國耕地總面積的30.8%。相較而言,東南區(qū)和青藏區(qū)的耕地面積較小,2020—2050年分別介于0.048×108～0.051×108和0.009 3×108～0.01×108hm2之間,其他4個區(qū)域的耕地面積均在0.19×108～0.22×108hm2之間(圖2)。就耕地面積保有率而言,2020—2050年,東北區(qū)、西北區(qū)分別從108%、105%下降到100%,這反映了西北區(qū)和東北區(qū)在某些年份耕地面積還會出現(xiàn)小幅增長,其余區(qū)域則從70%～90%上升到100%(圖2)。

圖2 國家尺度與區(qū)域尺度耕地面積及其保有率、高標準農(nóng)田面積及其占耕地比例預測結(jié)果

2020—2050年,七大區(qū)域高標準農(nóng)田面積及其占耕地比例均呈增加趨勢,各區(qū)域之間存在差異。就高標準農(nóng)田面積而言,2020—2050年東北區(qū)的高標準農(nóng)田面積介于0.12×108～0.25×108hm2之間,占全國高標準農(nóng)田面積的20%～24%,在七大區(qū)域中占比最高;除青藏區(qū)和東南區(qū)高標準農(nóng)田面積較小外(介于0.004×108～0.008×108和0.039×108～0.046×108hm2之間),其余區(qū)域的高標準農(nóng)田面積均在0.07×108～0.18×108hm2之間。就高標準農(nóng)田占耕地比例而言,2020年長江中下游區(qū)和東南區(qū)的高標準農(nóng)田建設(shè)比例較高,分別達61.71%和75.57%,其他區(qū)域高標準農(nóng)田占耕地比例處于30%～60%之間。到2050年,黃淮海區(qū)、長江中下游區(qū)、東南區(qū)、青藏區(qū)的高標準農(nóng)田占耕地比例均達90%以上,而西南區(qū)和西北區(qū)的高標準農(nóng)田占耕地比例處于70%～90%之間,只有東北區(qū)的高標準農(nóng)田占耕地比例處于70%以下。東北區(qū)高標準農(nóng)田占耕地比例較低的原因有以下兩點:首先是內(nèi)蒙古東部地區(qū)緯度高,溫度低,森林面積較大,滿足高標準農(nóng)田建設(shè)標準的耕地較少;其次是東北區(qū)部分耕地存在土壤鹽堿化、土壤酸化、黑土地肥力下降、水資源分布不均、農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施薄弱等問題,因此該區(qū)高標準農(nóng)田建設(shè)任務艱巨。

2.3 省級尺度

從耕地面積保有率預測結(jié)果來看,各省份的耕地面積保有率存在明顯的空間差異。到2050年全國各省份耕地面積保有率均達100%。北方省份的耕地面積保有率普遍較高,部分省份在2020年耕地面積保有率已達100%,如內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省、黑龍江省、新疆維吾爾自治區(qū);而南方省份與北方相比耕地面積保有率較低,普遍在70%～90%之間。出現(xiàn)這種差異的原因與南北方的經(jīng)濟發(fā)展水平、城市化進程、各省份發(fā)展的側(cè)重點不同有關(guān)。

從預測結(jié)果來看,各省份高標準農(nóng)田占耕地比例也存在明顯的空間差異。各省份高標準農(nóng)田占耕地比例均呈上升趨勢,南方省份高標準農(nóng)田占耕地比例普遍高于北方省份。2020年,上海市、浙江省、江蘇省、福建省、廣東省等省份高標準農(nóng)田占耕地比例達70%以上,而北方省份大部分處于50%以下,整體建設(shè)比例低于南方省份。但北方省份的高標準農(nóng)田建設(shè)速度較快,如山東省、河南省、遼寧省、寧夏回族自治區(qū)。到2050年,全國有一半以上的省份高標準農(nóng)田占耕地比例達90%以上,高標準農(nóng)田占耕地比例“南高北低”的現(xiàn)象有所緩解。在各省份高標準農(nóng)田占耕地比例大于90%后,將這些省份的高標準農(nóng)田占耕地比例預測值統(tǒng)一調(diào)整為≥90%,因為此時高標準農(nóng)田建設(shè)的工作重點應考慮從新建轉(zhuǎn)變?yōu)橐延懈邩藴兽r(nóng)田維護和提質(zhì)改造,為各省份提供一個較為寬泛的參考值范圍,便于各省份自行擬定高標準農(nóng)田建設(shè)的后續(xù)發(fā)展和規(guī)劃。

3 討論

3.1 區(qū)域差異性與區(qū)域建議

2020—2050年全國耕地面積保有率呈不斷上升趨勢,到2050年達100%,原因是到2050年要守住1.20×108hm2耕地紅線,2050年之后耕地面積將保持穩(wěn)定。未來30 a,我國將持續(xù)推進高標準農(nóng)田建設(shè),高標準農(nóng)田占耕地比例將不斷增加。西北區(qū)和東北區(qū)都屬于地廣人稀的區(qū)域,其耕地面積保有率分別從105%、108%下降到100%,反映了西北區(qū)和東北區(qū)在某些年份耕地面積還會出現(xiàn)小幅增長,其余區(qū)域耕地面積保有率則逐年增長到100%,到2050年之后保持不變,這與全國耕地面積保有率的變化趨勢相同。2020—2050年,黃淮海區(qū)、東南區(qū)、長江中下游區(qū)高標準農(nóng)田占耕地比例增長速率較慢,這些區(qū)域由于高標準農(nóng)田建設(shè)起步較早,2020年高標準農(nóng)田占耕地比例已達70%左右,后續(xù)需新建高標準農(nóng)田較少。2020—2050年,東北區(qū)、西南區(qū)、西北區(qū)、青藏區(qū)高標準農(nóng)田占耕地比例增長速率較快,這些區(qū)域由于高標準農(nóng)田建設(shè)比例相對較低,可建設(shè)空間較大。

該研究針對我國不同區(qū)域的農(nóng)田特征提出了差異化的耕地保護和高標準農(nóng)田建設(shè)措施,以推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?？偟膩碚f,各區(qū)域應當在強化高標準農(nóng)田新增建設(shè)和改造提升的同時,加強具有高產(chǎn)潛力的中低產(chǎn)農(nóng)田改造,可根據(jù)制約因素因地制宜合理分配高標準農(nóng)田建設(shè)數(shù)量,優(yōu)先在農(nóng)業(yè)資源較好的平原地區(qū)推進高標準農(nóng)田建設(shè),但應注意保護生態(tài)脆弱地區(qū)[20]。具體來講,在東北區(qū)強調(diào)黑土保護,同時致力于防治土壤鹽堿化和土壤酸化,完善農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施,加大力度推進新增高標準農(nóng)田建設(shè),特別關(guān)注水稻、玉米、大豆、甜菜等保障基地的建設(shè)。黃淮海區(qū)應注重農(nóng)田節(jié)水設(shè)施建設(shè),提高灌溉水資源利用率,著眼于小麥、玉米、大豆、棉花等保障基地的建設(shè)。長江中下游區(qū)需解決土壤酸化問題,加強農(nóng)田防護工程建設(shè),提升平原圩區(qū)和漬害嚴重區(qū)的農(nóng)田防洪除澇能力,特別關(guān)注水稻、小麥、油菜籽、棉花等保障基地的建設(shè)。東南區(qū)應重視農(nóng)田土壤酸化、潛育化、水田冷浸等問題,加強農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),提高農(nóng)田防洪抗災能力,改良土壤,特別關(guān)注水稻、糖料甘蔗等保障基地的建設(shè)。西南區(qū)需應對土壤酸化、農(nóng)田滯水潛育等問題,加強農(nóng)田田間道路、灌排工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),進行細碎化農(nóng)田整理,丘陵區(qū)建設(shè)水平梯田,配置農(nóng)田防護設(shè)施,特別關(guān)注水稻、玉米、油菜籽、糖料甘蔗等保障基地的建設(shè)。西北區(qū)需解決土壤沙化和土壤鹽堿化等問題,強化土壤改良和農(nóng)田節(jié)水工程建設(shè),提升田間道路通行標準,特別關(guān)注小麥、玉米、棉花、甜菜等保障基地的建設(shè)。青藏區(qū)需應對土壤肥力差和土層淺薄等問題,加大農(nóng)田生態(tài)保護力度,加強沿河引水灌溉區(qū)農(nóng)田開發(fā)建設(shè),特別關(guān)注小麥、青稞等保障基地的建設(shè)[14]。

3.2 方法合理性與研究結(jié)果對比

研究基于最小二乘法的二次多項式擬合方法,對2025、2030、2035、2050年國家、區(qū)域和省級尺度高標準農(nóng)田面積和耕地面積及相應指標進行預測,該方法在以往研究中被廣泛運用[13,21]。已有研究表明,未來中國耕地面積將呈逐漸減少趨勢[22],筆者的研究結(jié)果與其一致。于昊辰等[23]構(gòu)建兼顧人口、人均糧食、糧食單產(chǎn)的耕地預測模型,預測結(jié)果顯示2025、2030、2035年的耕地基礎(chǔ)應保量分別為1.18×108、1.19×108、1.07×108hm2,而筆者預測的耕地面積分別為1.23×108、1.22×108、1.21×108hm2,略高于于昊辰等的結(jié)果。出現(xiàn)這種差異與預測時考慮的因素不同有關(guān),于昊辰等[23]基于人口、糧食產(chǎn)量等因素建立預測模型,而筆者側(cè)重于考慮國家規(guī)劃、歷史數(shù)據(jù)等因素。目前,對全國高標準農(nóng)田面積預測的研究相對較少。以往研究中,王柳等[8]采用流向統(tǒng)計法從糧食、谷物和口糧自給率的角度建立預測模型,預測得到2020、2025、2030年高標準農(nóng)田面積分別為0.68×108、0.71×108、0.72×108hm2。筆者則對2030年之后的高標準農(nóng)田面積進行了預測,填補了已有研究的空白。通過這一預測,有望獲得更全面、長遠的關(guān)于高標準農(nóng)田建設(shè)發(fā)展趨勢的信息。

3.3 不足與展望

該研究還存在一些不足之處。首先,研究根據(jù)國家規(guī)劃數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計年鑒進行預測,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及國家政策的變化,預測結(jié)果僅在一定的時間范圍內(nèi)具有參考性,后續(xù)有待從糧食需求、土地利用變化、自然和社會經(jīng)濟變量等多角度對我國的耕地面積保有率和高標準農(nóng)田占耕地比例進行預測,以得到更為科學可靠的結(jié)果。其次,目前尚未全面考慮其他政策因素對耕地保護和高標準農(nóng)田建設(shè)的潛在影響。例如,一些省份提出了具體的政策措施,計劃在2035年逐步將永久基本農(nóng)田全部建設(shè)為高標準農(nóng)田,這類政策變化可能對預測趨勢產(chǎn)生一定的影響。在未來的工作中,需要充分結(jié)合各省份的實際情況,對這些具體政策的實施情況進行更深入的分析和研究,包括政策的實際執(zhí)行情況以及可能的影響機制等。

4 結(jié)論

(1)預測結(jié)果表明,2025—2050年我國耕地面積呈逐漸減少趨勢,到2050年耕地面積保有率穩(wěn)定在100%,2020—2050年我國高標準農(nóng)田占耕地比例從43.59%增長到85.89%。

(2)2050年七大區(qū)域的耕地面積保有率均穩(wěn)定在100%,黃淮海區(qū)、長江中下游區(qū)、東南區(qū)、青藏區(qū)高標準農(nóng)田占耕地比例均可達到90%以上。

(3)從各省份來看,在高標準農(nóng)田建設(shè)方面,南方省份的高標準農(nóng)田占耕地比例普遍較高。相反,在耕地面積保有率方面,北方地區(qū)則普遍高于南方地區(qū)。

該研究提供的耕地面積及其保有率、高標準農(nóng)田面積及其占耕地比例等指標的分省份預測值可以為未來相關(guān)部門制定國土空間規(guī)劃等提供科學依據(jù),為未來耕地布局和農(nóng)田利用等研究提供分省份的總量參考。