未来30年我国粮食增产潜力与保障能力研究

陈源源，孙 艺

（天津商业大学公共管理学院，天津 300134）

2020年新冠肺炎疫情全球蔓延，粮食安全问题再次成为各界关注的焦点[1]。得益于稳定的粮食增产成就、充裕的粮食储备以及脱贫攻坚的显著成就，疫情未对我国粮食安全造成重大冲击[2-3]。但此次疫情让我们更加深刻地意识到，“手中有粮、心中不慌在任何时候都是真理”。目前，我国粮食安全仍存在水土资源紧缺、结构性矛盾突出、质量安全存在隐患及支持保护政策有待完善等问题，也面临着需求不断增加、生产成本高企、比较效益下降及国际贸易不确定性增加等诸多挑战[4-5]，其“头等大事课题”的地位任何时候都不能动摇[6]。“十四五”时期我国全面推进乡村振兴和加快推进农业现代化，首要任务也是“确保重要农产品特别是粮食供给”[7-8]。

保障粮食安全，关键是保障粮食生产能力。明晰我国能否长期保障粮食安全、“把饭碗牢牢端在自己手上”，关键要查清楚我国的粮食增产潜力，即我国目前的粮食生产能力与粮食作物所需自然条件、耕作技术、品种和田间管理水平都处于最佳状态时产量所能到达的上限水平的差距，这决定了我国未来依靠自己的力量还能满足多大的粮食需求增量。目前，已有较多学者采用不同的方法对全国及不同地区的粮食增产潜力进行了研究，陈百明通过订正农业生态区划（agro-ecological zones,AEZ）模型计算了我国2010、2030和2050年的粮食作物生产能力[9]，刘洛等基于全球农业生态区划（global agro-ecological zones,GAEZ）模型，结合中国气候、地形、土壤等因素估算了2010年全国耕地粮食生产潜力[10]，张琳等基于我国高中低产田的利用现状评估了改造不同类型中低产田可挖掘的粮食单产增量[11]；何文斯、张锦宗等从复种指数的视角评估挖掘耕地的复种潜力可带来的全国粮食增量[12-13]；陈印军等应用时间序列模型，从高产示范区单产水平、品种区试单产水平、趋势单产等多视角分析了2020年全国粮食增产潜力[14]；陈丽等以土地利用现状数据为基础，通过空间均衡增产途径分析评估了黄淮海平原的粮食增产潜力[15]；吕丽华等通过周年试验评估了华北地区冬小麦晚播和夏玉米晚收所带来的增产潜力[16]；张伟、柏林川、葛自强、刘学文和周霖等分别采用计量模型、GIS分析等方法对河南、山东、江苏、四川和重庆等省份的粮食增产潜力进行了研究[17-21]。

这些研究大多未区分作物品种，研究对象大多只聚焦全国或某个省份，因而无法全面系统地了解我国主要粮食作物的增产潜力及其空间分布特征。同时，将粮食增产潜力与粮食需求相结合来分析粮食保障能力，尤其未来中长期粮食保障能力的研究较少。目前，我国正朝着第二个百年奋斗目标迈进，比任何时候都需要确保粮食发展与安全。那么，未来30年，我国各省份不同品种和总的粮食增产潜力还有多大？能否依靠国内实现粮食自给呢？这无疑需要对我国未来的粮食生产能力和消费需求进行系统评估。鉴于此，本文基于已得到广泛应用的GAEZ模型，对全国及各省份主要粮食作物（稻谷、小麦、玉米和大豆）及总体粮食的增产潜力进行系统评估，并基于向量自回归模型（vector autoregression，VAR）模型和分项估算法预测我国未来30年粮食需求量，进而分析我国未来30年的粮食保障能力。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 粮食生产潜力计算

首先，基于GAEZ模型模拟全国和各地区主要粮食作物的潜在单产。GAEZ模型基于1978年起用于评估农业生产潜力、潜在单产和单产差距的FAO土地评价框架，其估算作物潜在单产的机理为：全面地考虑影响作物生长的主要气候因素（辐射、温度和降水等），以标准作物的生物量和生物量总量为基础，然后依次进行温度订正、叶面积订正、净生物量订正和收获指数订正，这些订正过程都与具体的作物种类有关，并且分生育期进行，以此来确定受气候、辐射和温度支配的某种已经适宜的作物的最高产量[22]。该模型由联合国粮农组织（the food and agriculture organization,FAO）和国际应用系统分析研究所（international institute for applied systems analysis,IIASA）合作开发，IIASA还建立了GAEZ门户网站（http://webarchive.iiasa.ac.at/research/LUC/GAEZv3.0/），用户可以免费注册进入该模型，通过选择不同的土地、气候和作物等参数获得相应的模拟结果[23]。基于我国农业生产条件和本文的研究目标，本文选择的模型参数如下表1所示。

表1 GAZE模型参数选择结果Table 1 The parameter selection results of GAZE model

其次，结合各作物潜在单产和2019年的种植面积和产量，计算相应的生产和增产潜力，并根据主要粮食作物产量占粮食总产量比例，计算全国和各地区的粮食生产和增产潜力，即：

式中，IPPi、PPi和PYi分别为作物i（稻谷、小麦、玉米和大豆）的增产潜力、生产潜力和潜在单产，Si和Pi分别为2019年作物i的种植面积和产量，IGPP和GP分别为总的粮食增产潜力和2019年的产量，r为稻谷、小麦、玉米和大豆这4种作物产量占粮食总产量的比例，本文中取近5年的均值94%。

1.1.2 粮食需求量预测

粮食的需求类型不仅包括口粮消费，还包括饲料、加工和种子等需求及损失与浪费等，本文采用分项估算的方法，对这些需求类型进行分别预测，再汇总得出总的粮食需求量。

首先，基于向量自回归模型（vector autoregression，VAR）模型对我国居民未来30年的粮食和主要畜产品（猪牛羊禽肉、蛋类和奶类）、水产品的人均食用需求量进行预测，并结合联合国人口部对我国未来人口数量的预测，计算我国未来30年口粮需求量和主要畜产品、水产品的食用需求量。VAR模型采用联立方程的形式，在每个方程中，所有的内生解释变量对其他解释变量的滞后项进行回归，以此估算出内生变量间的相互动态的关系，并可利用滞后项进行未来预测。VAR模型可以看作是以k个第t期变量Y1t、Y2t…Ykt为因变量、以k个因变量的最大p阶滞后变量为自变量的方程组模型，其一般表达式为：

由于居民收入水平和城镇化水平是驱动我国食物消费水平提升的最主要因素，因此，本文选取1990—2019年各类食物的人均消费量、去除价格影响的人均收入和城镇化率构建模型。

其次，结合主要畜产品和水产品的粮食转化率[24]，估算粮食的饲料需求。再次，加工用粮需求主要是大豆的榨油需求（占比在80%以上），榨油的主要目的是获取豆粕来为饲料提供蛋白质来源，且近30年来加工用粮的变化趋势与饲料粮的变化趋势相近，因此未来加工用粮需求量按饲料粮需求的年变化率计算。最后，口粮、饲料粮和加工用粮需求之和占粮食总需求的比重常年保持稳定，据此计算总的粮食需求量，即：

式中，Foodit和PCFCit分别为食物i第t年总食用需求和人均食用需求，Popt为第t年的人口数量，CRi为畜产品和水产品食物i的粮食转化率，Feedt、Processt和Consumptiont分别为第t年粮食的饲料需求、加工需求和总需求量，R为口粮、饲料粮和加工用粮需求之和占粮食总需求的比重，本文中取近5年的均值88%。在此基础上，根据2019年不同粮食需求类型中主要粮食作物占比，计算汇总未来稻谷、小麦、玉米和大豆的需求量。

1.2 数据来源

全国和各地区主要粮食作物的潜在单产基于GAEZ模型模拟得出，2019年全国和各地区主要粮食作物的单产、种植面积和产量数据来源于中国统计数据库，1990年以来我国主要粮食作物的食用、饲料、加工、种子、损失与浪费等类型的消费量数据以及主要畜产品和水产品的人均消费量数据均来源于FAO食物平衡表，人均收入和城镇化率来源于中国统计数据库，2020—2050年全国人口数量预测数据来源于联合国人口部数据库。

2 结果与分析

2.1 我国粮食增产潜力

模拟结果显示，我国稻谷、小麦、玉米和大豆的潜在单产分别为10.69、7.66、11.95和4.71 t/hm2。其中，小麦的实际单产最接近潜在单产，2019年的产量差仅为26.50%。其次是稻谷和玉米，其实际单产分别低于潜在单产33.96%和47.13%。大豆生产能力偏低，与潜在单产存在近60%的差距。全国稻谷、小麦和玉米的生产潜力（即潜在的年生产能力）分别为3.17、1.82和4.93亿t（表2），较2019年的年产量分别高出1.08、0.48和2.33亿t，即三大作物分别存在51.30%、36.05%和89.16%的增产潜力。大豆的产量也比生产潜力低了0.25亿t，未来仍有超1.5倍（153.75%）的增长空间。按四大作物产量占粮食总产量的比例计算，总体的粮食生产潜力为11.06亿t，比目前的粮食生产水平高出4.42亿t，即还有66.56%的增产潜力。

分省份来看，得益于作物优势产区相对优越的气候、水土资源和农业生产条件，稻谷、小麦、玉米和大豆增产潜力高的地区仍然主要分布在其相应的优势产区，粮食增产潜力高的地区仍然主要位于粮食主产区。若按粮食主产区13个省份统计，其粮食增产潜力之和占全国的比重达到74%。具体来看，稻谷增产潜力较高的地区主要分布在南方各省份和东北3省，尤其是江西、湖南、黑龙江、安徽、江苏、广东、广西和湖北等省份，增产潜力均超过500万t。小麦增产潜力高的地区主要集中在华北平原相关省份，河南、山东和江苏的增产潜力均超过500万t，河北、安徽等地小麦增产潜力也超过300万t。玉米增产潜力高的地区主要位于华北和东北地区，河南、山东和河北的玉米增产潜力超过2 000万t，黑龙江、辽宁、吉林、山西和内蒙古的玉米增产潜力也超过1 000万t。大豆增产潜力高的省份主要为黑龙江，其增产潜力达到1 061.52万t，其次是内蒙古和安徽，增产潜力超过200万t，这3个省份的大豆增产潜力占全国的67.80%，其他地区大豆增产潜力均不足100万t。总的粮食增产潜力高的省份均为粮食主产区省份，河南、黑龙江、山东和河北这4个省份的粮食增产潜力均超过了3 000万t，其中河南和黑龙江的粮食增产潜力超过了4 000万t；其次是内蒙古、安徽、江苏、辽宁、四川、湖南、江西、吉林、山西和湖北等10个省份，粮食增产潜力为1 500～2 500万t；其他地区粮食增产潜力均不足1 400万t，增产潜力之和仅占全国的22.26%（见表2）。

表2 全国及各省份粮食增产潜力Table 2 The increase potential of grain production of China and each province 104t

2.2 我国未来30年粮食需求量

预测结果显示，未来30年我国稻谷和小麦的人均消费需求量将保持相对平稳，主要畜产品和水产品的人均消费需求量不断增加，但增速将不断下降。至2050年，牛肉、羊肉、猪肉、禽肉、蛋类、奶类和水产品的人均消费需求量预计分别增加至6.12、4.16、43.78、17.14、24.75、36.00和43.38 kg，较2018年分别提高 33.33%、19.32%、14.33%、20.56%、25.40%、55.63%和14.24%，但增速均下降至不足0.5%。结合人口数量变化，口粮需求预计在2031年达到峰值3.10亿t，之后将随人口数量下降而不断下降，2050年下降至2.97亿t。饲料粮和加工用粮需求预计在2046年达到峰值3.50和1.37亿t，此后不断下降，2050年分别下降至3.49和1.36亿t。粮食总需求量预计在2040年达到峰值9.02亿t，之后不断下降，2050年下降至8.92亿t，但仍较2018年多1.12亿t（图1）。根据2019年不同粮食需求类型中主要粮食作物占比，汇总计算未来稻谷、小麦、玉米和大豆的需求量，结果表明，未来30年，稻谷和小麦的需求量预计在2035年达到峰值2.16和1.43亿t，之后分别下降至2.09和1.40亿t；玉米和大豆的需求量预计分别在2045年达到峰值3.38和1.39亿t，之后分别下降至3.36和1.38亿t（图1）。

图1 1990—2050年我国不同粮食需求类型（左）和主要品种（右）的需求量Figure 1 Demand of different grain demand types(left)and main varieties(right)in China during 1990—2050

2.3 我国未来30年粮食保障能力

根据以上的研究结果，未来30年，我国稻谷、小麦、玉米和总体粮食的增产潜力比其预计的需求量的增长空间要分别高出1.01、0.39、1.55和2.04亿t。这表明，未来30年，如果不断提高农业科技和管理水平，保证农业要素高投入，使各类粮食作物达到潜在单产，并且保持目前的种植面积，我国有能力保障口粮绝对安全、谷物和粮食总量自给。而对于大豆，其增产潜力比其预计的需求量的增长空间要低0.90亿t。这表明，即使全国各地区目前所种植的大豆均达到了其潜在单产，其生产能力也无法完全保障大豆需求。但是，如果充分挖掘大豆增产潜力，使其在2045年之前达到其生产潜力，我国大豆自给率将由2019年的17.60%提升至30%。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文基于GAEZ模型，对全国及各省份主要粮食作物及总体粮食的增产潜力进行系统评估，并结合对未来粮食需求量的预测，对我国未来的粮食保障能力进行分析。结果表明，我国稻谷、小麦、玉米和大豆的潜在单产分别为10.69、7.66、11.95和4.71 t/hm2，其增产潜力分别为51.30%、36.05%、89.16%和153.75%，总体的粮食生产潜力为11.06亿t，增产潜力为66.56%。这表明，我国的粮食生产能力仍有较大的提升空间。空间分布上，我国稻谷、小麦、玉米和大豆增产潜力高的地区仍然主要分布在其相应的优势产区，粮食生产潜力高的地区仍然主要位于粮食主产区省份，尤其是河南、黑龙江、山东、河北、安徽和内蒙古。

随着未来人口数量和居民食物消费水平变化，我国稻谷和小麦的需求量预计在2035年达到峰值2.16和1.43亿t，米和大豆需求量预计分别在2045年达到峰值3.38和1.39亿t，粮食总需求预计在2040年达到峰值9.02亿t。若充分挖掘主要粮食作物的增产潜力，未来30年我国有能力保障口粮绝对安全、谷物和粮食总量自给，也有能力将大豆保障能力提升至30%。

3.2 讨论

本文评估的粮食增产潜力是基于对粮食作物理想条件下最高单产的模拟得出，然而现实中，大多数耕地难以达到理想的自然和利用条件。有研究表明，谷类作物单产在接近其潜在产量的80%时会出现增长停滞。同时，粮食生产还会受到国际宏观环境变化以及国家政策的影响。如近年来中美贸易摩擦频繁，为了减轻对美国进口大豆的依赖，我国加大了对国内大豆的生产支持，从而大幅压缩了玉米种植面积，导致2015—2018年玉米产量连续下降，2019年才略有回升；国家推行乡村振兴战略以来，有些地区引导工商资本下乡缺乏监管，导致出现耕地“非粮化”“非农化”现象，严重影响国家粮食安全。此外，我国未来粮食生产还面临水土资源限制、非粮作物竞争以及环境污染等诸多挑战。因此，尽管我国有保障粮食安全的潜在能力，但是有能力不代表一定可以实现，未来仍需从耕地数量、耕地质量、农业科技和资源配置等方面采取措施，充分挖掘粮食增产潜力，提高我国粮食安全保障能力。

（1）挖掘耕地后备资源的潜力。耕地后备资源是指在当前技术条件下，能够通过开发、复垦措施改变成为耕地的后备土地资源，主要包括荒草地、沼泽地和滩涂等，此外也包括采煤塌陷地、空心村等。根据2017中国土地矿产海洋资源统计公报，2016年底我国其他草地、滩涂、盐碱地和沼泽地面积共9 053.72万hm2，占当年土地总面积的10.68%、耕地总面积的67.10%。此外，全国还存在大量的采煤塌陷地，仅山东省采煤塌陷地就8.66万hm2。同时，未来随着城镇化进程和乡村振兴，大量的空心村需要迁村并点，拆迁之后的土地就可以复垦为耕地。据中国科学院测算，在分批推进城镇化情景下，全国空心村综合整治增地潜力可达760万hm2[25]。通过加强这些后备耕地资源的开发利用，增加耕地面积，可以有效促进粮食增产。

（2）挖掘耕地质量提高的潜力。耕地质量是决定粮食产出的基础因素。根据《2019年全国耕地质量等级情况公报》，目前我国耕地平均等级是4.76等，但一至三等耕地面积仅占31.24%，即仍有68.76%（0.93亿hm2）的中低产田可以改造。其中，容易改造的低产田（七至十等耕地）面积为0.30亿hm2，按改造后每公顷增产1.5 t计算（提高一个等级），仅这部分就可以带来0.45亿t的粮食增产量。因此，通过农业综合开发，对中低产田进行改造，大力建设高产稳产的高标准基本农田，可挖掘巨大的粮食增产潜力。

（3）挖掘农业科技进步的潜力。科技进步是粮食增产的不竭动力。尽管2020年我国农业科技进步贡献率已达到60.70%，但距发达国家70%以上的水平仍有差距，并且我国的化肥、农药利用率及微生物农业、精准农业和基因工程等新技术的推广应用均落后于发达国家，制种研发与发达国家也有差距。未来通过加快农业科技进步，尤其是加快种业创新发展，同时加强农业技术推广，尤其是在非粮食主产区的推广，还可以挖掘巨大的粮食增产潜力。

（4）挖掘资源有效配置的潜力。目前我国的粮食种植仍以小规模生产为主，使得资本、劳动力和技术等农业生产要素难以实现优化配置。通过引导农村土地承包经营权的流转，发展适度规模经营，不但可以减少耕地撂荒，还可以促进资源优化配置和土地生产率的提高，如河北省南和区金沙河合作社的小麦单产比普通农户高1 875 kg/hm2，黑龙江省克山县仁发合作社的玉米单产比普通农户高2 355 kg/hm2[26]。目前我国耕地经营权流转存在地区差异大、市场不健全和流转后“非粮化”“非农化”等问题，未来还有较大优化和改善空间，进而挖掘更多的粮食增产潜力。