【文献分享】| HABITAT INT.：粮食主产区耕地恢复空间分布、土地类型及成效的多情景对比研究

研究背景

粮食自给自足是联合国粮食及农业组织（FAO）一直致力于实现的粮食安全目标不可或缺的一部分。耕地是粮食生产的基础，对人类生存和可持续发展具有重要意义。长期以来，粮食安全一直是中国政府在国家政治议程上的首要关注点。中国政府为实现粮食自给目标制定了一系列政策，其中最具代表性的是划定保护永久基本农田和耕地总量动态平衡的红线。然而，由于城市快速扩张、退耕还林和农业结构调整，第二次全国土地调查与第三次全国土地调查相比，全国耕地面积减少了75,333.33 km2。此外，部分现有耕地可能不适合长期稳定使用，可能需要退耕。在过去的20年里，中国的粮食产量有所增加，但这种增长并不能保证它将继续保持高产。在中国这样人均耕地稀缺、耕地质量普遍不高的发展中国家，为了保证粮食供应，仍然需要对耕地面积进行补偿。因此，中国政府已将耕地恢复（CLR）确定为中国耕地保护的重要战略，以阻止耕地流失，确保粮食安全。实施CLR需要确定最优耕地并优化土地利用配置。换句话说，必须系统地处理当前的问题，并在科学的层面上充分考虑粮食生产所需的自然条件和稳定利用条件，以及恢复耕地的经济成本和生态风险。综上所述，本研究以中国粮食主产区之一的成都平原为例，确定了CLR的适宜位置和最适合恢复的耕地类型。此外，修复目标之间的修复效果差异也是需要回答的问题。为了回答这三个问题，本研究以不同情景下的土地可耕性为重点，设置了4个CLR情景，并确定了CLR优先区域。通过测算不同土地利用类型的增长概率，确定了优先恢复区域的水田、灌溉地和旱地的具体恢复区域。最后，本研究比较了CLR在不同情景下的效果和影响。通过回答这些问题，本研究的目标是提高本研究对耕地资源保护和可持续利用的理解，同时也为其他同样需要CLR的国家或地区有效管理农业用地提供见解。

理论框架

1. 耕地恢复的对象和内涵

在中国，由于建设用地占用和农业结构调整导致耕地边缘化，导致耕地空间失配。为了更有效地保护具有粮食生产功能的土地，现有耕地中可能仍有一部分低质量土地需要退耕。因此，本研究认为CLR的潜在对象是所有潜在耕地（PAL），包括现有耕地和目前未开垦但可以整理或恢复耕种的土地。PAL的CSE是对土地可耕种能力进行评级的过程。通过CSE确定的具有高适耕性的土地称为耕地。CLR是指恢复现有耕地面积以外的耕地和退耕现有耕地面积内非耕地的过程（图2a）。这个过程的核心是谷物的适宜性。此外，现有耕地范围内的耕地可视为稳定耕地，优先保护。

2.耕地恢复的目标

加强粮食生产有效供给是CLR的核心目标。实现CLR是一项涉及多个维度的庞大系统工程。因此，CLR在实践中的目标可能是多元化的。这里考虑了四个方面：自然质量、稳定利用、成本最小化和生态健康。

研究材料和方法

1. 研究区域

成都平原位于中国四川盆地西侧，地势西高东低。该区域包括成都、德阳、绵阳、雅安、乐山、眉山等6个城市的部分地区，共37个县，总面积26165.02平方公里（图3）。

2. 研究数据

本研究使用的数据包括基础地理信息数据、土地利用数据和社会经济数据（表1）。所有数据的时间点均为2019年，基于ArcGIS制作的数据库，采用模糊隶属函数归一化，统一为30m数据精度，采用GaussKrüger投影，采用CGCS2000坐标系。

3. 研究方法

3.1 研究框架

研究框架包括四个步骤：GIS、生态系统服务与权衡综合评估（InVEST）、Fragstats和PLUS模型。它旨在回答三个问题，即它在CLR中的位置、内容和效果如何，目的是更好地支持土地利用管理政策的实施（图4）。

3.2 PAL的栽培适宜性

在CLR背景下，PAL的适宜性不仅取决于其内在特征和周围的自然条件，还取决于CLR实施者设定的恢复目标。因此，本研究从自然质量、稳定利用、成本最小化和生态健康四个维度对PAL进行了CSE。自然质量是评价适宜性的基础，后三个维度代表不同的恢复目标。不同维度指标属性如表2所示。

基于定义的CLR分析维度，本研究根据不同的CLR目标确定了四个CLR场景。(1) PSS以稳定利用为主要目标，在自然质量评价后优先恢复土地长期稳定利用。(2) PCS在自然质量评价后优先修复成本较低的土地，以成本最小化为主要目标。(3) PES设计以生态健康目标为主，在自然质量评价后优先修复生态干扰较小的土地。(4)通过自然质量评价，综合考虑了稳定利用、成本最小化和生态健康三个目标。在此基础上，通过对不同情景下的PAL进行CSE分析，得到各情景下的耕地优先恢复面积。综合评价公式如下：

3.3 耕地空间分布识别

以PAL为区域边界约束，以耕地保留目标为数量控制，并基于CSE结果进行空间配置，识别耕地空间分布。然后，确定耕地恢复区和耕地退耕区（图5）。具体规则如下：首先，将满足PAL的区域作为待评价斑块。然后，根据CSE的结果对待评估的补丁进行从大到小的排序，并累积补丁的面积。接下来，以耕地保有量作为阈值，将CSE结果大于等于阈值的区域筛选为耕地面积。最后，将耕地边界内的当前非耕地确定为耕地恢复区，将耕地边界外的当前耕地确定为耕地退耕区。

3.4 测算各类土地的生长概率，确定耕地退耕还林规律

在这里，本研究使用PLUS模型中的土地扩展分析策略（LEAS）来评估研究区域土地利用转换的概率，从而确定每种土地利用类型适合恢复的区域。LEAS采用随机森林分类算法，计算每种驱动因素对每种土地利用类型发展的影响，从而确定每种土地利用类型的增长概率。通过两期土地利用数据提取各类土地利用变化区域，随机抽取样本点进行分析，通过训练数据集得到土地利用变化规律。LEAS的计算方法如下：

参考相关研究，本研究选取了高程、温度、坡度、水土距离等自然环境因素，以及人口、GDP、与政府的距离、与铁路的距离、与公路的距离等社会经济因素作为驱动因素，采样率设为0.01，决策树数设为20，模拟得到了每种土地利用类型的生长概率。

3.5 不同情景的恢复效果和影响

本研究利用全球农业生态区（GAEZ）模型来评估恢复耕地的生产潜力。这使本研究能够有效地描述耕地的生产力水平。GAEZ的计算公式如下：

考虑到CLR的实施会带来土地利用空间配置的调整，有必要对不同情景的影响进行比较。本研究通过Fragstats测量了斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）、传染指数（CONTAG）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）和聚集指数（AI），分别描述了土地利用类型的破碎化程度、分布规律、连通性、多样性、均匀度和聚集性。

结果与分析

1. CLR的空间分布

1.1 PAL的CSE结果

图6为各维度指标的评价结果。

1.2 不同情景下CLR的空间分布

根据“十三五”耕地保留目标，从高到低提取CSE结果，得到各情景下耕地的空间分布情况（图7a-d）。通过比较耕地范围和土地利用现状，得到不同情景下的耕地恢复区和耕地退耕区（图7e-h）。

2. 不同情景下的耕地恢复与退耕

2.1 不同情景下的土地利用分布

土地利用类型的分布在每个场景是通过恢复稻田灌溉土地,和旱地耕地恢复区,和退休当前耕地等非耕地花园土地、林地、草地和耕地退休区(图8)。

2.2 耕地的恢复和退耕

各情景净土地利用变化面积由大到小依次为：PSS (3530.37 km2) > PES (3496.93 km2) > CRS (3481.40 km2) > PCS （3417.98 km2）。土地利用变化均呈现园地、林地、水体等非耕地减少，耕地增加的趋势。主要变化为耕地的净增加，主要变化类型为：(1)园地向水田、灌地和旱地转变；（二）林地转为水田、灌溉地、旱地；(3)水田水体。各情景空间置换优化的土地变化面积由大到小依次为：PSS (8791.53 km2) > CRS (4986.22 km2) > PES (4793.47 km2) > PCS （4354.08 km2）。四种情景下的耕地恢复来源基本一致。

3. CLR在不同情景下的效果和影响

3.1 不同情景下CLR效果的比较

图9显示了每种情景下的粮食生产水平。实施CLR后，各情景粮食生产水平均有所提高，提高程度由高到低依次为：PSS > PES > CRS > PCS。

3.2 跨情景CLR影响的比较

图10显示了不同情景下的景观格局指数。

讨论

1. CLR在中国的意义

总体而言，发达国家的耕地保护政策更加强调耕地的生态环境保护和土地资源的可持续利用。这是因为发达国家已经处于城市化的中后期，漫长而渐进的城市化进程有利于缓解和吸收耕地保护问题，使发达国家能够更轻松地解决耕地保护问题。耕地保护的关键和基础是数量保护。由于中国仍处于快速城市化的过程中，当务之急是确保足够数量的耕地。有必要澄清的是，在中国实施CLR主要是为了提高粮食生产力，而不是优先优化生态或生活功能。研究发现，CLR主要来源于CSE值较高的林地、草地和园地。本研究认为，在中国实施CLR有利于保障粮食安全，优化土地利用结构，实现耕地资源和农业的可持续利用和管理。

2. 政策影响

2.1 在CLR中，所有土地都应被确定为可能修复的土地，并进行全面环境保护

研究表明，目前存在一定比例的低质量耕地需要退耕，同时存在相当数量的高质量非耕地。因此，在中环复垦区，所有土地都应确定为可能的修复用地，并进行全面环境保护。通过进行CSE，可以识别出具有较高耕作适宜性的土地，本研究将这些对象称为耕地。本研究提出耕地应当成为耕地保护的对象。从政策的连续性来看，这种管理对象的界定也可以看作是对第二次全国土地调查中耕地认定思路的延续，中国政府可以在此基础上建立稳定的耕地概念和分类方法。

2.2 实现耕地的长期稳定利用，是粮食主产区实施CLR的目标

实施CLR乃至对耕地的利用控制，都应该以实现耕地的可持续利用为目标，通过数量补偿和置换优化，提高耕地的数量和质量。研究结果表明，在粮食主产区以稳定利用为目标实施CLR可以最大限度地提高粮食生产能力，同时有效地优化土地资源配置。因此，本研究认为，实现耕地的长期稳定利用，特别是在粮食主产区，应该是CLR实施的目标。考虑到地域差异，各地区应根据其具体的资源条件和社会发展需要制定本地区的CLR目标。例如，生态脆弱地区可能优先考虑恢复生态健康，经济发达地区可能侧重于成本最小化，经济发达地区可能强调全面恢复。

结论

本研究以中国粮食主产区成都平原为例，回答了实施CLR的三个关键问题：在哪里恢复、恢复什么、恢复效果如何。为了探讨这些问题，本研究建立了四种不同的目标恢复场景，即PSS、PCS、PES和CRS。结果表明，具有良好自然条件的平坦地形地区是高CSE值的关键地点。在不同的恢复目标情景下，观察了耕地恢复空间的空间分异。CLR的主要来源包括园地和林地，包括园地转水田、林地转水田和园地转旱地。水田恢复范围更广，灌地恢复主要集中在成都中部，旱地恢复主要分布在研究区南部。实施CLR显著提高了粮食生产水平，促进了土地利用形态规律性、类型多样性、均匀分布和空间集聚，其中PSS效果最好。本研究认为，科学、合理地实施粮食产量控制制度，对保障主产区粮食生产水平具有重要意义。本研究建议在实施CLR时，所有土地都应被视为潜在的恢复对象，并受到CSE的约束。此外，中国政府应在界定耕地内涵的基础上，确立稳定的耕地概念和分类方法。此外，不同地区可以根据当地情况采取不同的恢复目标。然而，本研究强调，在粮食主产区，实施CLR应优先考虑实现耕地长期稳定利用的监管目标。

分享人：李妍孜

排版：崔晓洁

审核：张青青