基于土地利用變化對生態系統服務影響的農業轉型技術路徑

鄭紅艷 翁佩瑩 林文雄

摘 要：【目的/意義】探索現代農業轉型的技術路徑，有助于恢復、保護以及可持續的利用我國的土地資源并充分發揮其生態系統服務功能。【方法/過程】運用文獻分析法，就土地資源的重要性出發，綜述了國內外土地利用及其空間格局變化對生態系統服務功能的影響。【結果/結論】我國的土地利用變化主要特征是從由人類主導的大規模開發模式向開發與保護并行模式轉變。總體的態勢是表現為以南方水田減少為主導致的耕地面積減少;在東南沿海與內陸地勢平坦地區，表現為以占用優質耕地為突出特征的城鄉建設用地顯著增加;在中西部地區，通過“退耕還林”政策的實施，林地面積呈現增加態勢;在東北和西北地區，受氣候變遷和比較利益驅動，大量的草地被轉化為農田，草地總面積呈現減少態勢。研究認為應加強理論研究并實施嚴格的節約集約用地策略，重視開展高度適應現代農業的生態化轉型，構建相適應的綜合農業系統模式及其對策研究。

關鍵詞：土地利用;空間變化格局;綜合農業系統;生態化轉型

中圖分類號：文獻標志碼：A文章編號：1637-5617（2020）05-0040-07

Abstract： 【Objective/Meaning】The exploration of the technological path of modern agricultural transformation is conducive to the restoration， protection and sustainable use of land resources in China and giving full play of its ecosystem service function. 【Methods/Procedures】Based on the importance of land resources， the influence of land use and its spatial pattern changes on the ecosystem service function at home and abroad was reviewed by literature analysis.【Results/Conclusions】The main characteristics of land use change in China have changed from the large-scale development mode dominated by human beings to the parallel mode of development and protection. The general trend was manifested as the decreases of cultivated land area mainly caused by the decreases of paddy field in south China. In the southeast coastal and inland areas with flat terrain in China， the land used for the urban and rural construction， which was characterized by occupying the high-quality cultivated land， has increased significantly. In the central and western regions of China， through the implementation of the policy of “returning farmland to forest”， the forestland area showed an increasing trend. In northeast China and northwest China， driven by the climate change and comparative interests， a large number of grasslands have been converted into farmland， while the total grassland area has been decreasing in this situation. It was suggested that we should strengthen the theoretical research and implement the strict strategy of economical and intensive land use， and attach importance to carrying out the research work on the ecological transformation of modern agriculture and the construction of an adaptive comprehensive agricultural system model and its countermeasures.

Key words： Land use spatial change pattern Integrated agricultural system Ecological transformation

據相關數據顯示，當前人類利用的土地面積約占無冰地表的69%～76%。在土地利用方面，人們目前的普遍做法是將1/4～1/3的土地潛在凈初級生產量用于食品、飼料、纖維、木材和能源。除此之外，土地還是許多其他生態系統功能和服務的基礎，其中就包括了對人類有著至關重要作用的水文調節服務等。據報道，全球陸地生態系統服務的年度價值約相當于全球的年度GDP。土地既是溫室氣體（greenhouse gases，GHGs）的源，又是溫室氣體的匯，它在地表與大氣之間的能量、水分和氣體交換中起著關鍵作用。研究可知，陸地生態系統和生物多樣性在不同程度上容易受到持續的氣候變化及極端天氣的影響。而可持續的土地管理則有助于減少包括氣候變化在內的多種壓力因素對生態系統和社會的負面影響[1]。因此，研究土地利用方式和空間格局對農業生產乃至整個區域社會經濟發展的影響具有極其重要的理論和現實意義，受到國內外學者的普遍關注，成為了近年來研究的熱點，并取得了重要的研究進展[1]。

1 土地利用時空變化對生態系統服務的影響

1.1 土地利用/覆被變化的內涵

土地利用/覆被變化（Land Use/Cover Change，LUCC）是人類活動與自然環境之間產生相互作用最為直接的表現形式[2]。隨著全球化進程的加快，LUCC已成為全球環境變化的重要組成部分及主要驅動力之一。20世紀90年代以來，LUCC模型的發展呈現出3種重要的趨勢：一是應用地理信息系統，從空間格局與時間過程兩個角度相結合對區域或全球環境的異質性進行了研究;二是遙感數據在LUCC模型中的廣泛應用;三是將自然、生態、社會經濟和人文要素納入到土地利用變化的協同研究中[3]。LUCC的變化過程不僅與地球表面物質循環和生命過程密切相關，還會引起地表結構的巨大變化。采取不同的土地利用策略會影響區域內的景觀格局、氣候水文、土壤環境、生物多樣性等，進而對自然生態系統提供服務的結構與過程產生影響，最終影響到生態系統為人類提供服務與產品的能力。因此，研究LUCC與生態系統服務之間的協同/制約關系成為了土地利用變化研究的熱點內容之一[1]。從LUCC的角度切入，定量評估不同土地利用策略下生態系統服務的時空特征，對于區域土地利用的規劃與管理、國土資源開發的空間優化和生態系統服務功能的提高具有重要的指導意義。

土地利用是指人們應用特定工具對土地資源進行長期和定期的管理和改造，是人類活動對地球表面系統影響最為直接的表現形式，在全球環境變化過程中起著非常重要的作用[7]。而土地利用變化的空間格局是指在不同地域空間上的人-地關系在一定時段的作用強度及作用模式[2]。定量分析土地利用變化過程，是厘清土地利用變化成因及過程、揭示生態系統對人類活動響應程度的重要方式和途徑[8-9]，進而對構建科學有序的用地布局和結構具有重要的現實意義。剖析土地利用變化時空格局演變是區域整合發展戰略與可持續發展研究的重要內容，對土地資源的合理利用具有重要意義。

1.2 土地利用時空變化特征

1991-2000年期間，為滿足國家和各級政府對土地資源時空信息日益迫切的需求，中科院資源環境科學與技術局聯合農業農村部、國家林業和草原局、國家氣象局、國家測繪局等部委所屬相關科研單位，通過國家資源環境遙感信息平臺，應用遙感和地理信息系統技術，恢復重建了20世紀80年代末期以來中國的土地利用狀況，并在全國范圍內首次建成了1∶10萬比例尺土地利用數據庫[4]。20世紀80-90年代，我國土地利用呈現出明顯的區域差異，具體表現為：（1）東部及四川盆地由于城鎮化進程導致城鄉建設用地擴張明顯，且多為優質耕地被占用;（2）在東北山區及內蒙古東部地區的土地利用變化則以林地和草地的開墾面積增加為特征;（3）東北平原則是以旱地、水田的轉換為主要特征;（4）華北山區、秦嶺山區及黃土高原區由于退耕還林還草政策，草地面積和林地面積增加，但同時也存在耕地撂荒的現象;（5）東南、華南丘陵地區林地面積增加明顯，反映出植樹造林的效果顯著;（6）華中地區毀林與造林現象同時并存，在一些湖泊密集地區以退田還湖為顯著特點;（7）西南地區的土地利用以林地的變化為主;（8）西北地區以耕地的變化為主要特征，綠洲農業區邊緣的一些土地被新開墾為耕地，而在綠洲內部由于土地退化，耕地存在撂荒現象。

我國的土地利用呈現出從由人類主導的大規模開發模式向開發與保護并行的模式轉變的特征。總體態勢表現為以南方水田減少為主導致全國耕地面積的減少：（1）在東南沿海與內陸地勢平坦地區，表現為以占用優質耕地為突出特征的城鄉建設用地顯著增加;（2）在中西部地區，通過“退耕還林”政策的實施，林地面積呈現增加態勢;（3）在東北和西北地區，受氣候變化和比較利益驅動的影響，大量的草地被轉化為農田，草地總面積呈現減少態勢。

2017年，我國建設用地總面積為3958.65萬hm2，當年度共征遷土地面積19.35萬hm2，新增建設用地53.44萬hm2;與此同時，全國耕地面積為13486.3萬hm2，因建設占用等因素導致耕地面積凈減少6.09萬hm2 [6]，土地供需矛盾的逐漸加劇，給社會經濟的可持續發展帶來了嚴峻挑戰。實施嚴格的節約集約用地策略，對于解決土地資源供需矛盾與緩解緊張的人地關系具有重要意義。

1.3 土地利用時空變化成因分析及其對生態系統服務的影響

近年來，不少學者從省市域尺度研究土地利用及其變化的時空格局，并取得了很好的研究成果。劉紀遠等[2]分析了21世紀初5年中國土地利用變化的空間格局與驅動力，指出這一時期我國土地利用變化格局的形成是人類活動與氣候變化共同作用的結果，同時也深受著國家以及地區宏觀發展政策的影響[2]。韋素瓊等[10]通過ArGIS分析了1985-2000年福建省土地利用類型景觀格局的變化，認為福建省土地利用變化的這一過程受到國家宏觀政策的影響和制約;同時通過逐步回歸分析認為經濟快速發展也是導致土地利用變化的一個重要原因。除了由于土地不同用途之間的經濟差異導致非農用地的增加外，耕地面積減少的另外一個原因在于農業內部自身結構的調整。蘇凱等[11]研究表明土地利用變化是生態系統服務空間格局和總體供應變化的主要驅動力，指出福建省土地利用結構主要以耕地、林地和城鎮用地為主，而城鎮用地面積是所有土地利用類型中增加量最大的地類。2000-2018年福建省生態系統服務價值總體呈下降趨勢，表明福建省生態系統服務能力存在一定的脆弱性。值得關注的是，福建省生態系統服務價值中占主導地位的地類是耕地、林地和水域，三者的生態系統服務價值占ESV總值的比重在98.86%～99.06%之間波動，說明這3種地類在福建省生態功能中發揮著極其重要的作用。從二級生態系統服務分類來看，氣體調節、水文調節和維持生物多樣性是福建省生態系統服務功能的主體，三者的生態系統服務價值共占ESV總值的45.5%以上;而食物生產的生態系統服務價值僅占總值的1.58%左右，這在一定程度上說明了，福建由于山多（耕）地少的緣故，糧食自給率長期維持在50%左右的水平，因此如何創新糧食生產的增長方式，完善提高生態系統的服務功能及其水平，確保食物安全、促進可持續發展是當前福建省各級政府工作所要解決的首要問題[11]。

2 現代農業轉型的技術路徑探索

由上述分析可知，土地的不合理利用勢必導致氣候變化、土壤環境破壞，進而影響農業可持續生產，危及人類的生存與安全[12]。中國由于城鎮化建設導致非農用地加大、耕地資源減少，這是過去幾十年來土地利用變化的主要驅動力與關鍵影響因素。因此，必須科學規劃，在嚴格保護耕地資源的同時，轉變原有粗放式的生產方式，走集生產、生活、生態為一體的農業生態化轉型之路，這樣才能恢復、保護以及可持續利用土地資源并充分發揮其生態系統服務功能。近年來，國內外專家學者研究并提出了多種新型生態農業模式，統稱綜合農業系統，包括：氣候智能型農業、保護性農業以及可持續集約化農業。

2.1 氣候智能型農業（Climate-smart agriculture，CSA）

氣候智能型農業是一種以聯合協作方式應對當前糧食安全和氣候變化挑戰的方法，主要目標是：持續提高農業產量和收入，建立和提高土地應對氣候變化的適應能力，減少和（或）消除大氣中的溫室氣體排放[13-15]。氣候智能型農業系統是一種應對糧食安全、適應與緩解氣候變化等挑戰的綜合性方法，能夠使各國確定土地效益最大化的選擇和做出需要管理的權衡[15]。

目前，許多農業實踐和生產技術已被證明對糧食安全、提高土地恢復力和生產力有一定的好處[16]。在許多情況下，可以通過更改管理實踐套件來實現這些功能。例如，通過增加土壤有機質既可以提高農業景觀的持水能力，也可以提高固碳能力。在種植制度的實踐中，從傳統耕作方式轉變為最低耕作方式可以使從只提供適當、緩解效益或既不提供適當效益也不提供緩解效益的制度轉變為既提供適當效益又提供緩解效益的制度[17-18]。通過在農業領域使用更多的化肥來增加糧食產量，可以在氣候變化的情況下保持作物產量，但這也可能導致溫室氣體排放總量的增加。然而，如果通過采用更好的肥料管理措施來提高營養利用效率，不但可以增加或保持相同的產量水平，也有助于糧食安全和減緩氣候變化[18]。此外，將作物、牲畜、漁業和農林間作充分結合起來的混合農業系統也可以在氣候變化的情況下保持作物產量，幫助原有生態系統更好地適應氣候風險，并通過不斷改善系統內的營養流動使溫室氣體排放實現最小化[19-21]。這類系統有助于使生產和收入多樣化，支持有效且及時的使用投入，從而有助于提高土地復原力，但需要地方種子和輸入系統以及推廣服務的支持。通過對農場的模擬試驗表明，綜合農畜系統在經濟和環境方面上都有好處。然而Gil等[22]通過運用包括氣候適應能力在內的多個經濟和環境指標比較了不同的大豆-牲畜系統后發現，這種系統帶來的潛在好處要視具體情況而定。

盡管氣候智能型農業是一個系統的工程，是多種方法的綜合應用，但有的研究卻將它狹隘地集中在生產水平的技術方面[23-24]。通過研究歐洲采用和推廣氣候智能型農業技術創新時所遇到的障礙，Long等[25]發現現有政策與氣候智能型農業目標之間存在不兼容性，氣候智能型農業系統的實施取決于具體的國家環境和能力，以及更好的信息獲取、協調的政策和制度安排、靈活的激勵機制和融資機制等多方面的支持。因此，關注影響實踐采用和技術獲取的潛在社會經濟因素，對于增強生物物理過程、提高生產力和大規模減少溫室氣體排放是至關重要的。

2.2 保護性農業（Conversion agriculture，CA）

保護性農業的原理是基于土壤最小干擾和永久覆蓋的原則，采用適當的作物進行輪作。在經濟和環境的雙重壓力下，保護性農業被證明對小農戶有著積極的回報[26-27]。該農業生產系統使用了一套土壤殘留物管理方法來控制土壤侵蝕[28]，同時通過增加有機質含量、改善孔隙度、結構穩定性和保水性能等來進一步改善土壤質量[29-30]。20世紀下半葉，集約化農業（IA）的發展導致了土壤退化和自然資源的損失，并引起了氣候變化。可持續的土壤管理措施不僅可以有效解決農業系統面臨的這些挑戰，如土壤有機碳（SOC）的封存可以改善土壤質量和緩解氣候變化[31]。同時，保護性農業的實施還會帶來土壤性質的有利變化、降低生產成本、提高農業生產效率并減少溫室氣體的排放，進而影響自然生態系統服務的提供[32-36]。但是Powlson等[35-36]通過對熱帶地區土壤碳的數據庫進行分析后卻認為在CA系統中，特別是因免耕導致的有機碳含量的增加和溫室氣體減排作用其實是被夸大了。

多數研究認為，土壤中有機碳的增加及其對保護性農業緩解溫室氣體排放的貢獻在很大程度上是取決于返回到土壤中的有機質數量[37-38]。同樣，用更多樣化的種植系統和農林復合系統以及用造林和砍伐森林來取代單一種植系統也是可以緩沖溫度的上升并增加碳儲存的，并且在氣候變化面前提供出更多樣化和健康的食品選擇。

2.3 可持續集約化農業（Sustainable intensification agriculture，SIA）

可持續集約化只是一個目標，沒有預先規定要通過實施何種農業技術來實現。可以是多種技術和管理方法的結合，比如將保護性農業和農林復合經營相結合，從而帶來額外的經濟、生態系統服務和碳效益。根據FAO的估計，隨著世界人口的日益增長，到2050年需要增加50%的糧食產量[39]，但糧食產量的增加可能會帶來溫室氣體排放的增加和以生物多樣性喪失為代價的環境影響。目前所有人為排放的溫室氣體有8%～10%是來自于農業用地，而當前對可持續集約化農業的呼吁正是基于新土地的擴張對環境的破壞超過了在新土地上生產出更多糧食的好處這一前提[40]。但是Jat等[41]研究發現通過恢復已經退化的土地來增加凈生產面積，一方面可以增加產量，另一方面也可以增加碳的吸收，從而促進農業生產的增加和自然資本產出的改善[42]。可持續集約化農業是通過提高營養、水和其他投入的使用效率，來縮小產量差距和促進糧食安全[43]，進而減少相關生產投入的損失和溫室氣體的排放。目前，非洲和南亞的大多數地區潛在作物產量實現了不到40%，縮小產量差距是提高單位產量土地利用效率的一種有效方式。綜合農業系統（如作物+牲畜混合種植、作物+水產養殖）正是在單位土地上生產出更多產品的一種策略，可以有效地保障糧食安全。因此，可持續集約化農業被認為是實現糧食安全和適應/緩解氣候變化目標的途徑之一[44]。

然而，SIA并不總是在糧食安全和氣候變化適應/緩解方面帶來共同利益。Thu等[45]在越南進行的研究認為，通過節約土地，稻米和生豬的集約化生產在短期內減少了溫室氣體排放，但在20年后，與更高投入相關的排放可能會超過節約土地所帶來的效益。Palm等[46]在非洲進行的一項研究報告稱，在人口密度低和土地利用率高的情況下，糧食安全和氣候緩解的目標可以通過強化情景來實現，從而產生可用于重新造林的剩余作物面積。相比之下，在人口密度高、農場規模小的情況下，要實現糧食安全和減少溫室氣體排放，就需要使用更多的肥料，以便為重新造林提供土地。然而，由于環境退化和社會不平等加劇等不利因素的影響，對旱地實行某些形式的強化可能會增加而不是減少其脆弱性[47]。此外，在同時提高產量和環境績效的背景下采用高投入形式的農業將吸引到更多的投資，從而使其采用率更高，但可持續集約化的環境成分卻很快被放棄了。因此，如果采用可持續集約化農業（SIA），就需要保證達到可持續發展的要求：（1）確定加強農村社區、改善小農生計和就業、避免帶來負面社會和文化影響的4項農業措施;（2）投資于社會、金融、自然和物質資本，以促進SIA的實施;（3）建立機制，向采取可持續措施的貧困農民支付經濟成本，即實施生態補償。

3 總結

土地利用是指人類為獲取所需的產品或服務，按照一定的經濟、社會目的，根據土地的自然特點所進行的一系列土地資源利用活動，包括對土地進行長期或周期性的經營和改造等活動。土地利用是人類利用自然資源滿足自身生產生活的主要途徑，與人類活動關系密切。由于人類活動所引起的或自然形成的土地覆蓋狀況稱為土地覆被，土地利用變化是導致土地覆被變化的最為重要的一個驅動因子，是人類活動與自然生態環境相互作用的集中體現，二者具有因果及反饋機制。土地利用/覆被變化，是全球環境變化的主要驅動力和重要組成部分。土地利用方式的變化不僅使地表結構發生變化，而且還改變著區域的氣候、水文狀況、土壤健康以及生物多樣性和生物地球化學循環。這一驅動過程引發了一系列的自然環境問題，從結構和功能上影響著整個生態系統。如前所述，人類活動通過土地利用方式的不同與生態系統之間產生了反饋策略，土地利用策略通過生態系統結構和過程的改變影響著區域生態系統服務的價值。氣候智能型農業、保護性農業以及可持續集約化農業等這些綜合農業系統和做法都是試圖通過合理利用土地，增強糧食系統對氣候變化的適應能力，減少溫室氣體排放，同時有助于實現土地利用的可持續性。因此，土地利用策略的變化所產生的生態環境效應及其對生態系統服務的影響也逐漸成為了當前土地利用變化研究的核心內容之一，也應當是未來研究的重點所在。

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