未来30年中国耕地和高标准农田分布的省级预测

李 俊,石晓丽,史文娇,王绍强

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室,北京 100101;2.河北省环境演变与生态建设实验室/ 河北师范大学地理科学学院,河北 石家庄 050024;3.河北省环境变化遥感识别技术创新中心/ 河北师范大学地理计算与规划研究中心,河北 石家庄 050024;4.中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049)

耕地资源保护是关系到全球可持续发展的重要战略性问题,近年来受国际形势变化、极端天气频发等多种因素影响,粮食安全问题频出,因此耕地资源保护更加迫切[1]。2012年我国人均耕地面积仅为0.08 hm2,远低于全球人均0.20 hm2的水平[2]。随着社会经济发展,我国耕地面积逐年减少,对粮食安全的威胁日益加大[3]。部分国家早期已采取有效的耕地保护和农田质量提升措施,着重于保障粮食安全[4-5]。我国在耕地保护和高标准农田建设方面虽然起步较晚,但一贯十分重视[6]。对于高标准农田建设,我国于2012年颁布《高标准基本农田建设标准(试行)》,政策实施逐步进入规范化阶段[7]。到2020年底,全国已完成0.53×108hm2高标准农田建设任务,耕地面积为1.28×108hm2,实现了耕地保有量1.24×108hm2的目标,在耕地资源保护和农田质量提升方面取得了巨大成效。在国内外的发展经验中,耕地数量和质量被认为是确保粮食安全的至关重要的调控因素。因此,对耕地数量和质量的相关预测研究显得尤为紧迫。

目前,对于耕地面积和高标准农田面积预测的研究相对较少。现有研究采用了多种方法,如流向统计法[8]、粮食需求法、供需平衡法、趋势外推法[9]、空间自回归模型[10]、时间序列预测模型[11]、PCA-BP神经网络[12]等。例如,王柳等[8]利用流向统计法从不同角度分析了中国粮食安全现状,并建立模型预测了2020、2025、2030年高标准农田面积。赵永等[10]则采用空间自回归模型,基于多个自变量对全国的耕地面积进行了预测。罗益等[13]以粮食需求法为基础,对贵州省2035年的耕地保有面积进行了初步推测。然而,现有研究多集中在对耕地面积的单一预测,较少涉及对耕地面积和高标准农田面积的同时预测。此外,这些研究往往仅对面积进行预测,没有提出相应的预测指标,而且预测年份也较为有限,大多仅到2035年。随着社会经济的发展,对2035年以后的预测和相关预测指标的研究需求变得更加迫切。

该研究提出耕地面积保有率和高标准农田占耕地比例2个指标,利用统计年鉴及其他公布数据进行统计分析,对2025、2030、2035、2050年2个指标在全国、区域、省级尺度的变化规律进行预测。该研究提供的预测方法可为相关宏观预测提供科学参考,预测结果可以为未来土地利用、国土空间规划、耕地布局、农田利用等提供依据。

1 研究方法、研究区域与数据来源

1.1 数据来源

研究数据来源见表1。根据《全国高标准农田建设规划(2021—2030年)》,将全国(除港澳台地区外)分为七大区域:东北区、黄淮海区、西北区、长江中下游区、东南区、西南区、青藏区。在《全国高标准农田建设规划(2021—2030年)》中,将内蒙古自治区分为东北区和西北区,但笔者搜集到的数据是按省份划分的省级数据,因此该研究将内蒙古自治区统一划入东北区(表2)[14]。

表1 数据来源

表2 高标准农田分区

1.2 指标选择

根据发达国家的经验并结合我国实际情况,基于耕地面积保有率和高标准农田占耕地比例2个指标,对我国2025、2030、2035、2050年的耕地和高标准农田变化趋势进行预测。采用耕地面积保有率表征耕地的数量变化,以本年末与上年末耕地面积的变化趋势表示。采用高标准农田占耕地比例表征耕地的质量变化,以本年末高标准农田面积占本年末耕地面积的比例表示。

1.3 预测方法

1.3.1耕地面积保有率

耕地面积保有率是衡量农业用地的稳定性和可持续性的指标。如果保有率高,说明农业用地相对稳定,变化不大;如果保有率低,表示农业用地可能面临较大的波动。2030、2050年全国耕地面积来源于相关规划文件,2025、2035年全国耕地面积是基于最小二乘法的二次多项式拟合[19]进行推算。为保证每个省份产粮地位不变,假设未来各省份耕地和高标准农田面积占全国的比例不变,根据2020年各省份耕地面积占全国耕地面积的比例预测其在2025、2030、2035、2050年的耕地面积。

为保证粮食安全,假设2050年以后全国以及各省份的耕地面积将保持稳定不变,且2050年耕地面积保有率稳定在100%,2025、2030、2035年的耕地面积保有率按照如下公式估算:

(1)

式(1)中,S为耕地面积保有率,%;G为本年末耕地面积,hm2;Q为上年末耕地面积,hm2。

1.3.2高标准农田占耕地比例

2025、2030、2050年全国高标准农田面积来源于相关规划文件,2035年全国高标准农田面积基于最小二乘法的二次多项式拟合进行推算,2025、2030年各省份高标准农田面积来源于《全国高标准农田建设规划(2021—2030年)》。基于各省份高标准农田面积地位在未来总体不变的假设,根据2030年各省份高标准农田面积占全国高标准农田面积的比例预测2035、2050年各省份高标准农田面积占耕地比例。对于高标准农田占耕地比例超过90%的省份和年份,其占比统一用≥90%表示。高标准农田占耕地比例的计算公式为

(2)

式(2)中,P为高标准农田占耕地比例,%;Y为高标准农田面积,hm2;X为耕地面积,hm2。

2 结果与分析

2.1 国家尺度

总体来说,2020—2050年全国耕地面积呈减少趋势,到2050年全国耕地面积稳定在1.20×108hm2;全国高标准农田面积呈增长趋势,到2050年全国高标准农田面积将达1.03×108hm2。

预测结果显示,2025、2030、2035、2050年全国耕地面积分别为1.23×108、1.22×108、1.21×108、1.20×108hm2(图1)。2020年全国耕地面积保有率为96.91%,在2050年将达到100%,这代表2050年之后耕地面积不会发生大幅波动(表3)。高标准农田面积从2020年的0.57×108hm2增长到2050年的1.03×108hm2,增长接近一倍。与此同时,高标准农田占耕地比例则从2020年的43.59%增长到2050年的85.89%,预计2050年之后高标准农田建设将主要集中在已有高标准农田的提质改造(表4)。

图1 全国耕地面积和高标准农田面积预测

表3 区域和省级尺度耕地面积保有率预测结果

表4 区域和省级尺度高标准农田占耕地比例预测结果

2.2 区域尺度

东北区作为我国重要的粮食生产基地,2020—2050年耕地面积一直居于首位,2050年耕地面积为0.37×108hm2,占全国耕地总面积的30.8%。相较而言,东南区和青藏区的耕地面积较小,2020—2050年分别介于0.048×108～0.051×108和0.009 3×108～0.01×108hm2之间,其他4个区域的耕地面积均在0.19×108～0.22×108hm2之间(图2)。就耕地面积保有率而言,2020—2050年,东北区、西北区分别从108%、105%下降到100%,这反映了西北区和东北区在某些年份耕地面积还会出现小幅增长,其余区域则从70%～90%上升到100%(图2)。

图2 国家尺度与区域尺度耕地面积及其保有率、高标准农田面积及其占耕地比例预测结果

2020—2050年,七大区域高标准农田面积及其占耕地比例均呈增加趋势,各区域之间存在差异。就高标准农田面积而言,2020—2050年东北区的高标准农田面积介于0.12×108～0.25×108hm2之间,占全国高标准农田面积的20%～24%,在七大区域中占比最高;除青藏区和东南区高标准农田面积较小外(介于0.004×108～0.008×108和0.039×108～0.046×108hm2之间),其余区域的高标准农田面积均在0.07×108～0.18×108hm2之间。就高标准农田占耕地比例而言,2020年长江中下游区和东南区的高标准农田建设比例较高,分别达61.71%和75.57%,其他区域高标准农田占耕地比例处于30%～60%之间。到2050年,黄淮海区、长江中下游区、东南区、青藏区的高标准农田占耕地比例均达90%以上,而西南区和西北区的高标准农田占耕地比例处于70%～90%之间,只有东北区的高标准农田占耕地比例处于70%以下。东北区高标准农田占耕地比例较低的原因有以下两点:首先是内蒙古东部地区纬度高,温度低,森林面积较大,满足高标准农田建设标准的耕地较少;其次是东北区部分耕地存在土壤盐碱化、土壤酸化、黑土地肥力下降、水资源分布不均、农田基础设施薄弱等问题,因此该区高标准农田建设任务艰巨。

2.3 省级尺度

从耕地面积保有率预测结果来看,各省份的耕地面积保有率存在明显的空间差异。到2050年全国各省份耕地面积保有率均达100%。北方省份的耕地面积保有率普遍较高,部分省份在2020年耕地面积保有率已达100%,如内蒙古自治区、吉林省、黑龙江省、新疆维吾尔自治区;而南方省份与北方相比耕地面积保有率较低,普遍在70%～90%之间。出现这种差异的原因与南北方的经济发展水平、城市化进程、各省份发展的侧重点不同有关。

从预测结果来看,各省份高标准农田占耕地比例也存在明显的空间差异。各省份高标准农田占耕地比例均呈上升趋势,南方省份高标准农田占耕地比例普遍高于北方省份。2020年,上海市、浙江省、江苏省、福建省、广东省等省份高标准农田占耕地比例达70%以上,而北方省份大部分处于50%以下,整体建设比例低于南方省份。但北方省份的高标准农田建设速度较快,如山东省、河南省、辽宁省、宁夏回族自治区。到2050年,全国有一半以上的省份高标准农田占耕地比例达90%以上,高标准农田占耕地比例“南高北低”的现象有所缓解。在各省份高标准农田占耕地比例大于90%后,将这些省份的高标准农田占耕地比例预测值统一调整为≥90%,因为此时高标准农田建设的工作重点应考虑从新建转变为已有高标准农田维护和提质改造,为各省份提供一个较为宽泛的参考值范围,便于各省份自行拟定高标准农田建设的后续发展和规划。

3 讨论

3.1 区域差异性与区域建议

2020—2050年全国耕地面积保有率呈不断上升趋势,到2050年达100%,原因是到2050年要守住1.20×108hm2耕地红线,2050年之后耕地面积将保持稳定。未来30 a,我国将持续推进高标准农田建设,高标准农田占耕地比例将不断增加。西北区和东北区都属于地广人稀的区域,其耕地面积保有率分别从105%、108%下降到100%,反映了西北区和东北区在某些年份耕地面积还会出现小幅增长,其余区域耕地面积保有率则逐年增长到100%,到2050年之后保持不变,这与全国耕地面积保有率的变化趋势相同。2020—2050年,黄淮海区、东南区、长江中下游区高标准农田占耕地比例增长速率较慢,这些区域由于高标准农田建设起步较早,2020年高标准农田占耕地比例已达70%左右,后续需新建高标准农田较少。2020—2050年,东北区、西南区、西北区、青藏区高标准农田占耕地比例增长速率较快,这些区域由于高标准农田建设比例相对较低,可建设空间较大。

该研究针对我国不同区域的农田特征提出了差异化的耕地保护和高标准农田建设措施,以推动农业可持续发展。总的来说,各区域应当在强化高标准农田新增建设和改造提升的同时,加强具有高产潜力的中低产农田改造,可根据制约因素因地制宜合理分配高标准农田建设数量,优先在农业资源较好的平原地区推进高标准农田建设,但应注意保护生态脆弱地区[20]。具体来讲,在东北区强调黑土保护,同时致力于防治土壤盐碱化和土壤酸化,完善农田基础设施,加大力度推进新增高标准农田建设,特别关注水稻、玉米、大豆、甜菜等保障基地的建设。黄淮海区应注重农田节水设施建设,提高灌溉水资源利用率,着眼于小麦、玉米、大豆、棉花等保障基地的建设。长江中下游区需解决土壤酸化问题,加强农田防护工程建设,提升平原圩区和渍害严重区的农田防洪除涝能力,特别关注水稻、小麦、油菜籽、棉花等保障基地的建设。东南区应重视农田土壤酸化、潜育化、水田冷浸等问题,加强农田基础设施建设,提高农田防洪抗灾能力,改良土壤,特别关注水稻、糖料甘蔗等保障基地的建设。西南区需应对土壤酸化、农田滞水潜育等问题,加强农田田间道路、灌排工程等基础设施建设,进行细碎化农田整理,丘陵区建设水平梯田,配置农田防护设施,特别关注水稻、玉米、油菜籽、糖料甘蔗等保障基地的建设。西北区需解决土壤沙化和土壤盐碱化等问题,强化土壤改良和农田节水工程建设,提升田间道路通行标准,特别关注小麦、玉米、棉花、甜菜等保障基地的建设。青藏区需应对土壤肥力差和土层浅薄等问题,加大农田生态保护力度,加强沿河引水灌溉区农田开发建设,特别关注小麦、青稞等保障基地的建设[14]。

3.2 方法合理性与研究结果对比

研究基于最小二乘法的二次多项式拟合方法,对2025、2030、2035、2050年国家、区域和省级尺度高标准农田面积和耕地面积及相应指标进行预测,该方法在以往研究中被广泛运用[13,21]。已有研究表明,未来中国耕地面积将呈逐渐减少趋势[22],笔者的研究结果与其一致。于昊辰等[23]构建兼顾人口、人均粮食、粮食单产的耕地预测模型,预测结果显示2025、2030、2035年的耕地基础应保量分别为1.18×108、1.19×108、1.07×108hm2,而笔者预测的耕地面积分别为1.23×108、1.22×108、1.21×108hm2,略高于于昊辰等的结果。出现这种差异与预测时考虑的因素不同有关,于昊辰等[23]基于人口、粮食产量等因素建立预测模型,而笔者侧重于考虑国家规划、历史数据等因素。目前,对全国高标准农田面积预测的研究相对较少。以往研究中,王柳等[8]采用流向统计法从粮食、谷物和口粮自给率的角度建立预测模型,预测得到2020、2025、2030年高标准农田面积分别为0.68×108、0.71×108、0.72×108hm2。笔者则对2030年之后的高标准农田面积进行了预测,填补了已有研究的空白。通过这一预测,有望获得更全面、长远的关于高标准农田建设发展趋势的信息。

3.3 不足与展望

该研究还存在一些不足之处。首先,研究根据国家规划数据以及统计年鉴进行预测,随着社会经济的发展以及国家政策的变化,预测结果仅在一定的时间范围内具有参考性,后续有待从粮食需求、土地利用变化、自然和社会经济变量等多角度对我国的耕地面积保有率和高标准农田占耕地比例进行预测,以得到更为科学可靠的结果。其次,目前尚未全面考虑其他政策因素对耕地保护和高标准农田建设的潜在影响。例如,一些省份提出了具体的政策措施,计划在2035年逐步将永久基本农田全部建设为高标准农田,这类政策变化可能对预测趋势产生一定的影响。在未来的工作中,需要充分结合各省份的实际情况,对这些具体政策的实施情况进行更深入的分析和研究,包括政策的实际执行情况以及可能的影响机制等。

4 结论

(1)预测结果表明,2025—2050年我国耕地面积呈逐渐减少趋势,到2050年耕地面积保有率稳定在100%,2020—2050年我国高标准农田占耕地比例从43.59%增长到85.89%。

(2)2050年七大区域的耕地面积保有率均稳定在100%,黄淮海区、长江中下游区、东南区、青藏区高标准农田占耕地比例均可达到90%以上。

(3)从各省份来看,在高标准农田建设方面,南方省份的高标准农田占耕地比例普遍较高。相反,在耕地面积保有率方面,北方地区则普遍高于南方地区。

该研究提供的耕地面积及其保有率、高标准农田面积及其占耕地比例等指标的分省份预测值可以为未来相关部门制定国土空间规划等提供科学依据,为未来耕地布局和农田利用等研究提供分省份的总量参考。