中国收获面积差及其产量潜力情景分析*

余强毅，吴文斌

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部农业遥感重点实验室，北京 100081;2.荷兰阿姆斯特丹自由大学，荷兰阿姆斯特丹1081 HV)



·农业供给侧结构性改革专栏·

中国收获面积差及其产量潜力情景分析*

余强毅1， 2，吴文斌1※

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部农业遥感重点实验室，北京 100081;2.荷兰阿姆斯特丹自由大学，荷兰阿姆斯特丹1081 HV)

[目的]文章以提升耕地复种为切入点,从区域自然资源禀赋与利用的角度研究我国粮食产量潜力, 能为国家科学优化水土资源配置, 推进农业供给侧结构性改革提供有益参考。[方法]引入收获面积差的概念，在作物单产与耕地面积保持不变的前提下，从提升复种的角度估算我国收获面积差及其产量潜力。[结果]2005年左右网格尺度研究结果表明：第一，不同水资源分配情景下，中国可收获面积差在0.135亿～0.363亿hm2(约合2亿～5.4亿亩)之间波动；第二，与不同农业土地利用水平下可能获得的作物产量相结合，该收获面积差最高可转化成7.4亿t的产量潜力；第三，最实际情况下，通过水资源、作物类型、灌溉措施3方面配置，我国拥有0.135亿hm2(2亿亩)收获面积差，其可转化为1.17亿t的产量潜力，相对于现实产量5.97亿t，约增产19.6%。第四，长江中下游地区同时拥有好的水热条件与相对优良的灌溉设施，而该地区较大的收获面积差与产量潜力说明其水土资源利用还有较高的调整优化空间。[结论]粮食总产受作物单产、耕地面积、复种指数等3个方面综合影响, 但前两大因素对我国粮食产量潜力的贡献已经非常有限。

单产差 土地利用 复种 粮食安全 水土资源配置 农业供给侧结构性改革

0 引言

过去几十年，我国农业农村发展取得了世人瞩目的成就，利用全球7%的耕地供养了全球22%的人口，农村经济发展和农民增收不断迈上新台阶[1]。当前我国农业发展面临的主要矛盾由总量不足转变为结构性矛盾，主要表现为阶段性的供过于求和供给不足并存，矛盾的主要方面在供给侧。2015年年底的中央农村工作会议首次提出了“农业供给侧结构性改革”， 2017年中央一号文件对推进农业供给侧结构性改革进行了总体部署，推进农业供给侧结构性改革成为当前和今后一个时期农业农村工作的主线。农业供给侧结构性改革目标是解决供求结构失衡、要素配置不合理、资源环境压力大、农民收入持续增长乏力等问题，绝不是要降低粮食产能，而是要建设更高水平、更高质量的粮食供给能力，实现更有效率、更可持续的粮食安全保障体系。因此，在农业供给侧结构性改革的新形势下，如何从生产角度稳定粮食生产、巩固提升粮食产能是重大国家需求之一[2]。

图1 收获面积差概念(类比单产差)

一般来说，粮食总产与作物单产、收获面积密切相关，而收获面积主要取决于耕地面积的多少与复种指数的高低。因此，可将影响粮食总产的因素分解为作物单产、耕地面积、复种指数3个方面[3]，受到耕地数量和质量、水热资源、作物品种、田间栽培等诸多因素综合影响。虽然作物单产增加对我国粮食总产的贡献显著，但有关研究表明，我国的主要粮食作物单产已经接近“天花板”，提升空间已经非常有限[4-6]。在城市化、工业化和全球化快速发展背景下，我国大量耕地被占用、非农化和非粮化利用，现有耕地数量、质量和生态“三位一体”保护任务艰巨，耕地面积难以增加[7， 8]。因此，科学提升耕地复种、挖掘农业土地集约化利用潜力，可成为我国未来粮食增产的重要途径之一。

复种指数指单位收获面积与耕地面积的比值，反应区域农业土地资源的利用程度。我国大部分地区地处中纬度地区，热量资源丰富，具有发展多熟种植的有利条件。研究表明，我国耕地复种情况普遍存在，但近年来，部分平原地区生产力高、优质的农田复种指数下降。同时，气候变暖的背景下，我国耕地的复种潜力呈增加趋势[9， 10]。然而，复种指数作为一个比值指标，很难直接评估其对粮食总产的贡献程度。Yu等人[11]综合收获面积与复种指数，提出了定量评估复种指数对粮食总产贡献的新指标：收获面积差(HAG，harvested area gap，图1)。与“单产差”[12]类似，HAG指区域内最大潜在收获面积(HAp)与实际收获面积(HAa)之间的差值。实际中，填补收获面积差需要考虑多种因素，导致可获得收获面积(HAt)在两者之间波动。其中，水资源保障是最为重要的限制因素之一，与其他因素综合影响HAt的大小[11]。文章旨在研究不同水资源空间分配情景对收获面积差的影响，并结合不同农业土地利用水平，评估二者对我国粮食生产潜力的综合影响，为国家科学优化水土资源配置，推进农业供给侧结构性改革提供参考。

1 方法与数据

1.1 水资源约束下的可获得收获面积差估算

该文假设其他因素都已处于最优水平，可获得收获面积差(HAGt)仅受水资源限制。在有效降水无法完全支持HAt的情况下，水资源缺口可以通过水资源配置实现。同时，该文假设水资源可以根据一定的规则，在流域内自由分配。根据“最大潜力(P)”、“按需分配(D)”，“平均分配(E)”，“灌溉条件(I)”等原则，该文设置了4种水资源分配情景(表1)。通过HAGt的空间分异特征，评估不同水资源配置情景对HAGt的影响，并认为“根据灌溉条件分配水资源”是最为实际的水资源分配情景。

表1 可获得收获面积差估算情景设置

情景依据处理方法P最大限度开发收获面积潜力收获面积差大的网格优先分配水资源，直到流域剩余水资源分配完毕为止D根据需求分配水资源根据用水需求，按比例将流域水资源分配至每一个网格E平均分配水资源平均将流域水资源分配至每一个网格I根据灌溉条件分配水资源根据灌溉面积，按比例将流域水资源分配至每一个网格

1.2 不同农业土地利用水平下的产量潜力估算

粮食总产等于作物单产与收获面积的乘积。一方面，HAGt估算结果为产量潜力评估提供收获面积情景； 另一方面，该文假设耕地面积不变，以作物选择和灌溉条件反应不同农业土地利用水平，二者共同为产量潜力评估提供作物单产情景(图2)。具体的作物选择、灌溉情景设置见表2，并认为平均作物单产(SYca)与实际收获单产(SYh)反应最为实际的农业土地利用水平。

表2 产量潜力估算情景设置

处理对象依据情景数量与类型水资源收获面积体现水资源分配对可收获面积的影响(表1)4(P/D/E/I)作物选择单产采用网格最高/最低/平均作物单产体现作物选择对单产的影响3(SYch/SYcl/SYca)灌溉单产采用网格实际收获/灌溉最优单产体现灌溉对单产的影响2(SYh/SYi)

图2 产量潜力估算示意图

图3 国家尺度收获面积差估算结果

表3 数据用途及处理

1.3 研究数据

该研究在5-arc minute空间网格尺度开展，中国区空间分辨率约10 km。所采用的数据源主要包括SPAM农业生产数据[13]，IIASA-IFPRI耕地数据[14]。此外，所用数据还包括Yang等人估算的中国潜力复种指数分布[10]以及《中国水资源公报》估算的流域水资源数据[15]等。所有数据时间均为2005年左右。具体的数据用途及处理见表3。

2 结果与分析

2.1 全国尺度收获面积差与产量潜力

图3显示不同水资源分配情景对可获得收获面积差的影响，其中P按照收获面积差的大小顺序分配，流域水资源充分分配完即止； D按照充分满足收获面积差的水资源需求比例分配； E均匀分配； I按照灌溉条件比例分配。4种水资源分配情景下，中国分别拥有0.135亿～0.363亿hm2(约合2亿～5.4亿亩)可收获面积差(HAGt)。其中I最接近实际情况(图3右下)。

图4 国家尺度产量潜力估算结果

将网格尺度不同水资源分配情景下的可获得收获面积差，与不同农业土地利用水平下可能获得作物产量相结合，估算产量潜力的浮动范围(图4)。相对于现实产量5.97亿t，国家层面汇总结果表明：(1)如果水资源、作物类型、灌溉措施3方面实现最优配置，我国存在7.4亿t的产量潜力，约+125%； (2)最现实情况下(见2.1与2.2部分)，我国存在1.17亿t的产量潜力，约+19.6%； (3)作物选择对产量潜力的影响最大，不论水资源配置与灌溉设施如何优化，不合适的作物选择仅能带来0.3亿t到0.74亿t的产量潜力，约+5%到+12.4%(图4下虚线)。

2.2 区域尺度收获面积差与产量潜力

表4为区域尺度收获面积差估算结果。虽然“最大潜力(P)”情景下，南方丘陵、华南、长江中下游、云贵高原、长江中下游等地区均拥有超过600万hm2的可收获面积差，但如果考虑真实灌溉条件，在“灌溉条件(I)”情景下，仅长江中下游与南方丘陵地区仍保持相对较高的收获面积差(分别为0.043亿hm2与0.037亿hm2)，说明仅有这些地区同时拥有好的水热条件与相对优良的灌溉设施。

表4 收获面积差与产量潜力区域统计

农业区/编号∗收获面积差(百万hm2)产量潜力(百万t)∗∗PDEIPDEI东北(7)4 43 71 61 035 527 212 110 1黄土高原(3)0 70 80 50 17 96 43 51 5西北—0 00 00 00 00 00 00 00 1华北平原(4)0 40 20 10 13 72 00 71 3青藏高原—0 00 10 10 00 00 10 10 0长江中下游(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云贵高原(5)6 46 23 50 937 635 219 05 9华南(6)6 66 34 12 241 438 925 317 7全国36 333 718 213 5268 8238 3124 1117 6 注：∗与图5“区域尺度产量潜力估算结果”中的编号相对应；∗∗根据“实际收获(SYh)”的“平均作物单产(SYca)”情景，情景设置详情见表2

图5为区域尺度产量潜力估算结果，展示了不同水资源分配情景下的可获得收获面积差，与不同农业土地利用水平下可能获得作物产量相结合的产量潜力浮动范围。其中，东北地区(7)四川盆地(8)的情景差异特征与全国尺度的估算结果较为一致； 黄土高原(3)云贵高原(5)华南(6)的产量潜力估算结果根据情景设置呈逐渐递减趋势； 长江中下游(1)华北平原(4)在“灌溉条件(I)”情景下的产量潜力高于“平均分配(E)”情景，说明该地区的灌溉水平显著优于其他地区； 南方丘陵(2)的产量潜力浮动范围特征与长江中下游(1)与华北平原(4)较为一致，但从平均作物单产角度看，四种情景下的产量潜力差异并不明显。根据表4(区域统计结果)，西北与青藏高原的可收获面积差及其产量潜力都非常有限，不在分析范围。

3 讨论

该研究的收获面积差估算基于了多种假设。Yang等人[10]对最大潜力复种指数的估算针对的是“粮食作物”而非每种特定作物，相应的，本研究将所有粮食作物的收获面积累加，作为网格的“实际收获面积”，由此造成后续收获面积差估算也无法区分特定作物。实际上，不同作物对温度、水分、田间管理等的需求各不相同，例如一块地不太可能连续种植3茬玉米，该研究采用粮食作物代替特定作物，虽能在一定程度上简化估算体系，但也可能导致估算结果不能完全反映现实情况。Yu等人[11]对收获面积差的定义、内涵与估算做了详细讨论，由于这仍是一个较新的研究领域，已有研究成果、数据产品等还不能足够支持收获面积差的深入研究，例如，生产作物分布与轮作数据，并探究不同轮作体系对农业资源的配置需求，对推动收获面积差相关研究具有重要作用。

另一方面，农业土地利用情景也存在一定的不确定性。例如，当前的作物单产情景直接获取于SPAM数据集。SPAM数据集是将统计数据按照一定规则向空间网格分配的结果，因此，网格数据并不一定反映真实情况[13]。此外，各种产量指标仅体现网格的平均情况，网格最高作物单产(SYch)与灌溉最优单产(SYi)等，可能仅代表网格内的某一特定情况，而非一般情况。这意味着，最高单产与最优单产可能无法在全网格内加以实现，因此，产量潜力的估计范围稍稍显大。而且，最高单产与最优单产的实现与许多因素有关，包括品种、病虫害、田间管理等[16]，这些因素在该研究中均未加以考虑。介于这些不确定性，该研究虽不能详细刻画网格尺度的现实情况，但却有助于从宏观角度探讨水土资源优化配置的理论意义与现实意义。例如，该研究定量揭示了作物选择的贡献远大于水资源分配与灌溉条件这两个因素，且发现收获面积差及其产量潜力在不同农业区之间的差异明显，这些结果能为合理制定农业供给侧结构性改革方案提供参考。

4 结论

我国在现有耕地资源(1.3亿hm2,约19.5亿亩)的基础上，通过提高复种，还有很大的收获面积扩展潜力，在不同水资源分配情景下，可获得收获面积差约为0.135亿～0.363亿hm2(2亿～5.4亿亩)。如果将这些收获面积差与作物单产相结合，在不同农业土地利用水平下，可转化成最高7.4亿t的产量潜力。在水资源、作物类型、灌溉措施3方面最实际情况下，我国存在1.17亿t的产量潜力，相对于现实产量5.97亿t，约增加19.6%。同时，我国的收获面积差及其产量潜力在不同农业区之间的差异明显，其中长江中下游同时拥有好的水热条件与相对优良的灌溉设施，而该地区较大的收获面积差与产量潜力说明其水土资源利用还有较高的调整优化空间，应该成为农业供给侧结构性改革的重点关注区域。研究结果充分表明，区域自然资源禀赋与水土资源科学配置，是推动农业供给侧结构性改革的重要依据。未来还需进一步考虑气候变化及人类行为因素等对收获面积差及其产量潜力的影响与贡献。

[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， 吴文斌，余强毅，等.1980～2010年中国耕地复种可提升潜力空间格局变化.中国农业资源与区划， 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]中华人民共和国水利部. 中国水资源公报.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

余强毅(1986—)，男，湖南冷水江人，博士、助理研究员。※通讯作者：吴文斌(1976—)，男，湖北潜江人，博士、研究员。主要研究方向为农业土地系统。Email：wuwenbin@caas.cn

*资助项目：国家自然科学基金青年科学基金项目( 41501111)； 国家留学基金项目(201503250030)

F326.11

A

1005-9121[2017]06021-06

致谢：感谢阿姆斯特丹自由大学Peter Verburg教授、Jasper van Vliet博士对该研究的有益建议