粮食安全直接关系到国家稳定、社会发展和民生福祉。粮食产量由耕地面积、复种指数和单位面积产量等决定,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[1]。随着城市化、工业化和全球化的快速发展,我国大量耕地被占用、非农化和非粮化利用,18亿亩耕地面积的“安全底线”面临考验,现有耕地数量、质量和生态“三位一体”保护任务艰巨[2,3,4,5]。因此,通过作物品种改良、水肥管理优化、栽培措施提升等措施,挖掘现实单产潜力、缩小产量差,成为耕地面积稳定下粮食产量增加和未来粮食供给保障的首要途径[6,7,8,9,10,11,12,13]。然而,许多研究表明,很多粮食主产区的单产增长出现停滞、甚至下降,增加区域的单产增长率低于未来粮食需求的增长率[14,15,16]。这主要是由于随着现实作物单产水平的不断提高、逐步接近最大单产水平时,单产增加的难度日益加大,出现“天花板效应”[17,18]。因此,像保护大熊猫一样保护耕地、努力实现单产水平持续增加的同时,寻求更多的粮食产量提升空间和途径成为稳定粮食综合生产能力、保障国家粮食安全的重大需求[19,20]。
从农业土地系统学科角度,科学提升耕地复种指数、挖掘耕地集约化利用潜力,可成为我国未来粮食增产的重要途径之一[20,21,22]。耕地复种指数研究成为了地理学、生态学、农学等领域的前沿和热点研究方向。一方面,复种种植模式在时间和空间上高效利用现有耕地资源,在耕地面积总量不变的情况下,可以有效增加粮食作物播种面积,提高粮食产量[23,24]。我国多熟种植耕地占全国总耕地面积的50%,其播种面积约占总播种面积的2/3,农作物产量约占总产量的3/4[25]。耕地复种指数提高是我国粮食持续增产的重要因素之一,对保障国家粮食安全发挥了重要作用。另一方面,复种模式及其变化对陆地生态系统地球物理和地球化学循环过程有着重要影响,驱动区域生态环境变化。多熟种植的不同作物组合会增加农田种植系统的稳定性、提高养分循环再利用率,但同时农药、化肥和生产设施的过量使用会导致土壤污染、水质量的降低,增加温室气体排放等,破坏区域的生态环境[26,27]。同时,近年来农业比较效益低下、小规模农户经营模式和种粮积极性下降,我国很多平原地区生产力高的优质农田复种指数下降,加上部分区域的耕地轮作休耕,实际播种面积减少,一定程度上抵消了单产增加带来的正效应[28,29]。因此,在当前耕地外延式扩展难以满足、粮食单产提升难度加大的新形势下,重新深入思考耕地复种指数的作用、探讨耕地复种指数提升具有重要的科学价值和现实意义。
过去20多年里,在国际土地利用/土地覆盖变化计划与全球土地计划两大科学研究计划的推动下,农业土地集约化和可持续利用研究成为了农业土地系统科学的重要研究方向[30]。国内外很多****对耕地种植制度和复种模式等给予高度关注,耕地复种指数研究在理论、技术方法和应用实践方面都取得了长足的进展。基于此,本文从农业土地系统科学视角出发,系统梳理近年耕地复种指数研究进展,凝练耕地复种指数研究的研究框架和关键科学问题,为进一步丰富和完善农业土地系统科学学科体系,推动全球变化、粮食安全及农业可持续研究提供参考。
1 耕地复种指数研究框架
耕地复种指数描述的是单位面积耕地一年几熟或几年几熟的种植方式,体现了耕地在时间和空间上的集约化利用[31],本质反映了“人类-自然”复合关系。一方面,耕地的复种可能性受到区域的气候、高程等自然资源环境承载约束,人类技术进步和管理措施提升一定程度上会改变自然环境的约束阈值;另一方面,耕地复种的实现程度受到技术、品种、经济、管理等人类活动因子影响,也会正向或负向反馈于自然生态环境。因此,耕地复种指数具有自然性、社会性的双重属性,其研究的核心目的在于科学理解和解释这种复杂的“人类-自然”耦合关系,进而科学服务于农业可持续发展目标。从所属学科看,耕地复种指数作为耕作制度或农作制中衡量耕地集约化利用程度的重要指标,既是农学学科的研究范畴,也是地理学科的研究范畴,具有多学科交叉的特点。经过多年、多学科的融合发展,耕地复种指数研究形成了如图1所示的总体研究框架,包括复种指数的格局与过程探测、功能与效应分析、优化与调控等3个核心研究内容。格局与过程探测研究是基础,是后两者研究的前提;功能与效应分析是核心,是格局与过程研究的延伸,也是优化与调控的依据;优化与调控是目标,实现过程和功能的权衡,以及人类-自然的协和发展。每个核心研究内容涉及的研究对象和研究方向具有多样性和复杂性,研究数据涵盖遥感、地面观测、社会经济统计等多源数据集,研究方法从定性描述向定量模拟、单一方法向综合模型进行转变。可见,耕地复种指数研究需要自然科学、工程科学和社会科学等多个学科门类的综合、交叉和集成,才能更好揭示其复杂现象的科学本质。
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2 耕地复种指数的格局与过程
耕地复种是人类对土地资源持续开发利用和不断干预的过程。耕地复种指数的格局与过程是指不同耕地单元复种指数的空间分布关系与演变过程。格局是复种指数的外在表象,过程是复种指数变化的内在机理;格局影响过程,过程改变格局。因此,科学弄清耕地复种指数的数量大小、空间分布、区域差异及其时空变化过程是耕地复种指数研究的首要任务,受到了国内外很多****的广泛关注。耕地复种指数可分为潜在复种指数和实际复种指数。潜在复种指数是指充分利用水、土、光和热等自然资源时能达到的最大复种指数,其估算方法包括农业气候法、作物生长模型法和经济学模型法[31]。农业气象法是最常用的估算方法,其通过分析关键气候要素对不同复种模式的水热需求满足度和气候要素盈余来计算最大潜在复种指数。最早20世纪80年代中期,刘巽浩[32]通过对不同区域的熟制和水热资源进行实际调查,对全国的耕地复种指数进行了估算;范锦龙等[33]根据平均热量、降水条件和最大复种指数的统计关系,采用外包络线法估算了全国积温和降水潜在复种指数,并取两者最小值作为潜在复种指数;此后,杨晓光等众多****先后根据潜在复种指数与气象因子的关系建立潜在复种指数估算模型,分析研究了全国、淮河流域和河南省的耕地潜在复种指数分布空间格局、区域差异及其时空演变特征[34,35,36,37,38,39]。作物生长模型法以Agro-Ecological Zones（AEZ）模型为代表,将气候、土壤、地形、土地利用方式、灌溉条件等因素与农作物生长模型整合,估算潜在复种指数[40,41,42]。经济学模型法将复种指数看成是产出,将光温水等自然条件看作是生产投入要素,采用经济学中用来衡量技术有效性的随机边界生产函数能对复种指数的潜力进行测度[43]。
实际复种指数是指受经济、政策、人力和技术条件等因素制约下所实现的实际复种水平。早期的统计法是利用行政区划单元的播种面积和耕地面积统计数据计算实际复种指数,该方法已经广泛应用于全国[44,45]、区域[46,47]以及省域尺度[48,49,50]的复种指数时空格局、变化特征分析。随着对地观测技术的快速发展,遥感监测法迅速成为区域耕地复种指数监测的主流方法。该方法的理论依据是时间序列遥感数据变化可以较好描述年内作物从生长到成熟、衰落等周期性活动过程[51,52]。利用时间序列植被指数,采用滤波法（如Savitzky-Golay 滤波法[53]、小波变换[54,55]和傅立叶变换[56]）和非线性拟合法（如Logistic 函数拟合法[57]和非对称性高斯函数拟合法[58]）等进行生长曲线拟合,在此基础上构建特征提取算法,如交叉拟合度检验法[59]、决策树法[60]、滑动分割法[61]、排序形态学滤波法[62]、二次差分法[63,64,65,66,67,68,69]、峰值频数法[70,71,72,73,74,75]等实现复种指数的有效监测。目前该方法先后在全国[63-64, 70-71]、太湖流域[67]、环渤海[68, 74]、黄淮海[72]、鄱阳湖[73]、关中地区[69]、以及浙江省[65,66]和陕西省[75]的实际复种指数时间变化特征和空间差异研究中得到应用。同时,部分****利用这些方法分析我国地下水漏斗区（如华北地区的河北省）、重金属污染区（如湖南省等）、生态严重退化地区（如西南喀斯特地区、西北干旱区、北方草原退化区等）的耕地复种指数变化,并深入解析近年推广实施的耕地轮作休耕制度对耕地复种指数的影响[76,77,78,79]。
上述不同研究方法各具特色,在分析耕地的时空格局与变化过程中发挥了重要作用。但是研究发现,这些已有研究多是从单一的学科视角（如农业气象学或遥感科学）出发,研究耕地复种指数格局和过程,而综合考虑潜在复种指数与实际复种指数两者的耕地复种提升潜力（即复种差）研究较为欠缺。受到多因素共同影响,农业生产中实现的实际复种指数和最大潜在复种指数往往存在差距,科学掌握复种提升潜力对于进一步挖掘粮食主产区的生产能力具有重要意义。一方面,部分研究围绕潜在复种指数开展复种提升潜力研究,重点分析历史或未来不同气候变化带来的耕地潜在多熟种植制度界限迁移,以及带来的潜在复种指数提升空间[80,81,82]。这些研究由于没有考虑现实中实际发生的复种指数,其估算的复种指数提升潜力实际上是复种指数理论潜力,难以较好描述实际到最大的“距离”有多远、可挖掘的潜力有多大,使得在实际应用中存在诸多不足。另一方面,少量研究结合实际和潜在复种指数,分析我国不同粮食主产区、西南和长江中下游等重点区域的耕地复种指数提升潜力[83,84,85,86],但是这些研究往往利用行政单元的统计数据,研究结果仅能反映统计单元水平上的潜力数量特征,难以描述潜力的空间分布特征以及统计单元内部的空间变异性。因此,综合多学科交叉,结合潜在与实际复种指数的复种提升潜力研究必将是该方向未来的研究重点之一。
3 耕地复种指数的功能和效应
受自然生态环境和社会经济条件的双重影响,耕地复种指数格局始终处于持续变化过程之中,直接驱动复种指数的功能和效应发生变化。耕地复种指数的功能和效应是指耕地复种行为所表现出的能力、功效和对资源环境的扰动和破坏。复种指数的功能属性和效应属性往往相伴而生,功能多具有特定的效应,效应也会影响功能的发挥,两者共同对社会-经济系统和自然生态系统产生重要影响。因此,全面分析耕地复种指数时空变化的功能和效应成为耕地复种指数研究的核心内容。耕地复种指数首先影响农业土地系统能够提供的产品、服务和功能,尤其是粮食产出。国内外很多****在弄清耕地复种指数时空格局及其变化的基础上,分析评估耕地复种指数对粮食产量和保障粮食安全的贡献作用。研究发现,这些研究多侧重于耕地复种多熟种植制度或复种指数变化对播种面积的影响评估。如围绕耕地潜在复种指数,张厚瑄[36]、王馥棠[37]和杨晓光[34,81]等先后利用气候数据分析了过去或未来中国潜在的多熟种植界限变化对播种面积的影响。他们的研究结论一致认为,气候变暖使得我国多熟种植界限呈现北移西扩的迁移,在品种和生产力水平不变的前提下,我国一熟种植面积大大缩小、两熟或三熟等多熟适宜种植面积明显扩大,有利于我国播种面积的扩展。需要说明的是,这些结论是仅基于热量资源得到的,若进一步考虑水分的影响,则多熟适宜种制区会发生较大变化。同时,部分****结合潜在和实际复种指数评估了耕地复种提升空间及其对播种面积的影响。何文斯等[87]认为,在现有耕地面积不变的情况下,提升耕地复种潜力可新增约30%的农作物播种面积。YU[88]等提出了“收获面积差”的新概念,在充分利用热量资源下提高复种指数,我国收获面积差可占全国总耕地面积的68%;考虑水资源约束,我国仍有2—5.4亿亩的收获面积提升潜力。张志国[39]研究表明,河南省依靠提高耕地复种指数来增加播种面积的空间已经不大;金姝兰[85]等发现长江中下游地区六省一市近30年耕地复种指数下降,农作物总播种面积、粮食播种面积和总产量减少,但未来耕地复种指数可挖掘潜力很大。需要说明的是,目前耕地复种指数的粮食生产效应研究多关注于复种指数变化对播种面积的影响。事实上,仅分析复种指数变化对播种面积的影响,难以准确解析复种指数变化对国家或区域粮食产量的作用机制。我国区域辽阔,不同的复种模式下作物时空配置不一样,复种指数变化实际上会带来农作物时空格局变化。只有充分考虑不同复种模式特定的农作物组合匹配,综合分析复种指数导致的作物播种面积变化和单产变化,才能科学估算复种指数提升对实际粮食产量变化的影响作用。此外,近年实施的耕地休耕轮作制度对国家粮食安全的影响也需要进行科学评估[79]。
耕地复种指数在影响土地产出的同时,也会反馈于农田生态环境。一方面,有研究表明多熟种植一定程度上提高资源利用效率[89],如缓和区域水循环减少[90],充分利用水资源并保证作物高产高效[91,92];可以改善农田土壤生态环境[93],高复种复合农作区土壤保肥、保水、供肥较好,而低复种旱作区土壤质量和供肥、保肥、保水等性状较差[94];通过复合生物共生循环配置模式,利用物种间既有生存竞争又有伴生和联合作用,增加农田生物多样性,防止病虫害,维持生态系统平衡和稳定性[95]。另一方面,从已有的事实看,很多国家或地区一味通过提高复种指数维持耕地高产,导致肥料和农药等生产投入增加,加大了水土资源的承载压力,带来显著的环境效应,尤其以负面效应为主,威胁到农业生产的可持续发展[96,97]。复种指数提高导致了对水资源的过度开采,使区域水资源失衡[98];速溶性化肥的频繁施用,使得多余的氮和磷从土壤进入水体,造成农业区域的河流、湖泊水质下降,水体的富营养化[99]。同样,复种指数增加会带来化肥、杀虫剂、除草剂和地膜等的大量使用,导致农田土壤养分失衡、土壤酸化、有害物质积累等土壤污染和退化,造成土壤通透性降低、排水量减少,加重土壤侵蚀作用和土壤矿化损失,降低土壤肥力[100,101]。化肥中含氮化合物使用增加农田温室气体的排放,对大气对流层和同温层的化学性质以及空气组成造成严重影响[102]。此外,耕地集约化利用对植物和动物生态系统具有重要影响。如农药过量使用和大型机械反复碾压造成土壤中蚯蚓、微生物等生物数量减少,土壤生物群落多样性降低,土壤的生物降解及养分有效调节功能发生重大改变,间接影响作物生长状况和产量[103]。然而,目前有关耕地复种指数变化的生态环境效应多是土壤学、生态学、环境学等领域****开展的微观试验性研究为主,效应分析的局地特征和复种指数的宏观特征存在明显的尺度错位,使得目前并没有形成广泛认可的一致性科学结论。因此,耕地复种指数效应研究需要进一步加强和深入,建立综合效应分析框架,从不同的学科、视角和尺度揭示耕地复种指数对区域资源配置、社会经济和生态环境等的影响和反馈机制,进而为其科学调控和优化提供理论依据。
4 耕地复种指数的优化和调控
面对国家粮食安全战略需求、生态安全基本约束的新形势,在继续严格保护耕地数量、轮作休耕养地的同时,提升耕地复种指数、走耕地内涵式集约利用模式,是我国未来粮食增产和确保国家粮食安全的重要策略[101]。耕地复种指数提升有助于高效利用有限的耕地资源、增加单位土地面积的粮食产出能力,但需要以最低的资源消耗和生态环境为代价。因此,需要在科学层面系统开展耕地复种潜力优化配置研究,实现可持续、合理的挖掘复种潜力。耕地复种指数的优化和调控实际上是对资源、环境和生态的扰动过程,具有“双刃剑”效应。可见,需要综合考虑耕地集约化利用与资源、环境、生态的相互关系,进行不同区域、不同系统之间的权衡优化,建立耕地集约利用和科学保护协同、资源节约型和环境友好型相结合的可持续复种模式[104,105,106]。为此,耕地“可持续集约化”的科学概念应时而生,即“提高现有耕地单位面积产出的同时,减轻并最小化集约化利用过程对生态环境的压力和影响”[107,108]。但是,如何科学推进可持续性集约化利用仍待深入研究[109,110],尤其需要强化可持续性评估、障碍性因子分析和系统性优化调控等方面的科学研究。
首先,可持续性科学评估是优化调整的基本前提,其核心目标是实现耕地复种利用与自然生态本底特征、经济社会发展需求相匹配。目前,可持续集约化侧重于强化农田生态系统管理,优化或重建生态系统功能,维持现有甚至减少外部投入,达到保护农田生态系统和周围环境的目的[111]。可持续性评估多以耕地复种的综合效应或生态服务价值为对象,构建可持续评价的指标体系和评价因子,应用专家打分法、德尔菲法、层次分析法以及灰色关联评价法等实现多熟种植系统的定量评价[112,113]。此外,部分****引入能值分析理论或协调度来衡量不同熟制或不同复种方式的可持续性[114,115,116]。如以粮食增产为前端牵引,以生态代价最低化为后端控制,通过估算单位产量增加需要的生态环境效应,利用粮食产量和生态效应的平衡度来衡量耕地复种潜力提升的可持续性,并建立不同区域的耕地可持续性复种利用的优先序。需要说明的是,未来可持续评估需要重点考虑耕地集约化利用多功能、多效应之间的协同耦合关系,不仅关注单向扰动过程,更要考虑双向或多向的复杂反馈过程和机制。
其次,障碍性因子分析是优化调整的科学依据,其关键在于科学理解耕地复种指数提升的各种影响因素及其作用过程和机制。总体来看,复种指数提升的限制性因子包括自然环境、社会经济和政策制度等方面,但不同因子在不同区域的作用不同。如环渤海地区耕地复种指数主要受到地形、耕地收益和农作物轮作制度影响[68];李琳凤[24]认为比较效益低和耕地承包到户的经营体制是制约我国耕地复种指数提高的主要障碍因子;谢花林等[45]利用计量经济学模型从人文视角探讨了耕地复种指数变化的影响因素,发现人口非农化比重对耕地复种指数产生了显著负向作用,产业非农化比重、农业政策、人均经营耕地和农村家庭人均经营纯收入对耕地复种指数产生了显著正向作用;ZUO等[117]建立实际复种指数与农村劳动力、人均收入、土地收益、农业机械化水平、灌溉面积比重、土壤侵蚀、地形等统计关系,并将我国耕地划分7个区域,分别研究了不同区域的耕地复种提升潜力和关键限制因素。
最后,系统性优化调控是在耕地复种可持续性评估和障碍因子分析的基础上,研究提出耕地复种指数持续高效利用的调控策略。总体来看,优化调控主要体现宏观和微观两个方面。宏观层面主要是针对复种潜力提升的关键障碍因子,提出因子消除的措施方案,包括土地经营体制、基础设施投入、机械化提升、价格补贴和产权明晰等政府调控和市场机制[118],破解土地经营规模小、组织化程度低、社会化服务缺乏、种植积极性不高的难题,为耕地复种指数提升提供支撑条件。微观层面是提升农户的专业技术知识,推进新品种、新技术和新装备的集成,优化不同复种模式下的作物连作模式以及田间管理措施[30];或设计全新的连作或轮作模式,如华北平原传统的冬小麦-夏玉米两熟复种模式向玉米-玉米的两熟复种模式转换[119],在实现产量的提升和资源的高效利用的同时,降低土壤污染、加强地力培育、控制水土流失和减缓温室气体排放等。需要指出的是,无论采取何种优化调控策略,科学评估策略的实施效果需要重点考虑。
5 展望
耕地复种模式对保障我国过去粮食安全发挥了重要作用,也是未来粮食增产和确保国家粮食安全的重要策略。国内外****围绕耕地复种指数开展了大量研究,在理论研究和技术方法方面取得了显著进展,为科学掌握耕地复种指数的时空格局、变化过程和原因、影响和效应,为支撑政策制定和宏观决策等发挥了重要作用。本文从农业土地系统科学视角出发,提出了耕地复种指数研究的总体框架,系统论述了耕地复种指数3个核心研究内容的现状、进展和存在的问题。耕地复种指数的格局与过程探测重点在于科学揭示耕地复种指数的数量大小、空间分布、区域差异及其时空变化过程和规律,是耕地复种指数功能与效应分析、优化调控的基础前提。耕地复种指数的功能与效应分析是其研究核心内容,关键在于科学掌握复种指数及其时空变化对社会-经济系统和自然生态系统的影响和反馈效应。耕地复种指数的优化调控是其研究出口,核心在于科学提出可持续挖掘和提升耕地复种潜力的策略,追求粮食安全、资源安全和生态安全的权衡协调。耕地复种本质上反映了复杂的“人-地”耦合关系,每个核心研究内容研究面临诸多难点和挑战,需要从系统性和整体性的科学视角来开展综合研究,更好揭示复杂现象的本质。因此,多数据、多尺度、多模型和多方法的综合研究将是未来耕地复种指数研究的重点发展方向,将会促进自然科学、工程科学和社会科学等多个学科门类的综合、交叉和集成研究。
The authors have declared that no competing interests exist.
