我国粮食生产的耕地资源环境效应特征与代价分析

刘洪涛＊，郭小夏,2，成升魁，甄 霖，刘晓洁

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049）

1 粮食生产的耕地资源环境现状与背景

2004—2015 年，我国的粮食生产实现了“十二连增”，为国家经济发展起到重要的保障作用。与此同时，作为粮食生产的重要载体与依托——耕地的环境效应与地力变化情况却不容乐观，这侧面说明粮食产量进一步连续增长的势头，已显示出乏力状态。自20 世纪80 年代以来，我国粮食生产取得的成效举世瞩目，在我国粮食产量不断增长的背后，是化肥、农药等农业投入品的大量消耗和使用。统计结果表明， 2004—2012 年，全国粮食生产的环境效率均值在此期间下降了27%，这在一定程度上说明中国的粮食产量增收是在农业环境和地力资源不断走低的基础上取得的[1]，持续的增产对水土资源消耗造成了极大的压力。由于农药、化肥带来的重金属污染，以及矿区等不宜区域的开垦利用，耕地土壤污染进入集中多发期。污染物积累到农产品之中，导致突发性、区域性的粮食污染事件（如2013 年湖南镉米事件），对农产品质量安全构成一定的潜在影响[2]。2014 年发布的《全国土壤污染状况调查公报》结果表明，我国土壤环境状况总体不容乐观，其中耕地土壤的点位超标率达到19.4%。

在华北、西北和湘赣等中南地区，地下水超采、土地退化和重金属污染，已对我国的可用水土资源形成了较大压力，一方面与我国客观形成的资源禀赋有关；另一方面，也反映出对耕地资源保护和地力恢复的忽视，导致目前多个区域的情况不容乐观，已不适合规模化的粮食生产。与水、大气、固体废弃物的保护管理相比，我国土壤环境保护管理工作起步晚，管理体系尚不成熟[3]。

2015 年，原农业部正式启动“2020 年化肥、农药使用量零增长行动”，预计到2020 年，在不影响国家粮食安全的基础上，我国化肥和农药使用总量将实现零增长，逐步实现“化肥减量提效、农药减量控害”的目标。2016 年，国务院发布《土壤污染防治行动计划》（简称“土十条”），其中划定了土地的保护优先序，以耕地为重点，分别采取相应管理措施，保障农产品质量安全。科学地看待耕地的污染是粮食生产中化学品过度投入造成，合理地、有区别地划分耕地类型，有的放矢地制定利用策略，是顶层设计的一大进步。这些政策的及时出台，是基于对我国耕地环境现状的客观理性认知、前瞻性担忧应运而生，实施后的效果有待进一步的科学和客观评价。

过去十余年我国粮食产量保持在高增长的水平线上是事实，但必须要承认的是，粮食产量的增长在成本上几乎未考虑资源消耗和环境效益问题，即资源环境成本的外部化。从我国粮食生产连续增长带给耕地的环境效应负荷、国家对于耕地污染和粮食安全间关系的认知和政策转变，可以看出当前我国的粮食生产结构调整驱动所伴生的环境污染和水土资源保护的压力仍然很大。在粮食战略安全、农业生产供给侧改革、环境资源涵养保护之间取得平衡，还需要不断地探索、完善。

2 农业投入品使用导致的耕地环境问题

2.1 化肥过量施用导致的耕地环境问题

化肥的大量施用对粮食产量的提高确实做出了重要贡献，但同时对耕地土壤地力和农产品质量的下降有一定影响[4]。据2015 年的统计数据表明，我国耕地面积占全世界耕地面积的8%，化肥消耗量却占全世界的35%，化肥投入量相当于美国和印度两国的总和[5]。最近十年间，我国的化肥施用量呈现出明显的增加态势，从2005 年的4760 万t 逐渐增加到2014 年的近6000 万t，增长率达到26%，而同期粮食产量增加25.4%；我国的化肥施用强度为国际公认的化肥施用安全上限的1.6 倍，亩均化肥用量高出世界平均水平60%，而单产量却明显低于欧美国家。

我国粮食生产过程中，化肥投入对环境所产生的影响显著。1983—2010 年，化肥年均施用量是粮食增速的3.5倍，化肥施用引起的环境成本以每年7.4%的速度增长。化肥施用量每增加1 个百分点，粮食产量增加0.32 个百分点，化肥施用的环境成本则增加了1.74 个百分点[6]。因此，化肥投入与环境效益之间严重不成正比。更为突出的问题是，我国的化肥综合利用效率只有30%，化肥过量施用已成为我国现阶段农业面源污染的主要成因，未被利用的大量氮、磷流失至土壤和水体中，造成严重的农业面源污染[7]。根据《第一次全国污染源普查公报》，水体污染中农业污染源排放的总氮量占全国氮排放总量的57.2%，总磷量占全国磷排放总量的67.4%[8]。由此可见，在未来一段时期内，提高化肥利用效率仍然是主要农业面源污染治理的重要发力点。

尽管化肥过量施用较为严重，但在现阶段，化肥仍是我国粮食生产增收的主要驱动力，与此伴生的“肥越用越多，地越种越贫瘠”现象较为突出。土壤板结、地力下降、耕作层变浅等问题一直困扰着我国粮食生产的可持续发展。不难看出，粮食产量增长与化肥的投入和施用存在着严重的依赖关系。

2.2 农药不合理使用导致的耕地环境问题

农药在粮食种植生产过程中发挥着重要的损失挽回作用，但同时也应认识到农药残留污染问题日益严重[9]。早期，我国主要使用有机氯类农药，在全国范围内大量广泛的使用使之对农田土壤环境造成严重的污染。有机氯农药被替代以后，作为替代品的有机磷、有机氯、氨基甲酸酯类杀虫剂和磺酰脲类除草剂等被大量投入使用。与有机氯农药相比，替代性农药虽不容易构成大范围、持久性的污染，但其污染潜力也不容忽视。目前，我国耕地土壤的农药污染处于有机氯农药与替代性农药共存的状态[10]。据统计，目前约有8600～10 700 km2的耕地受到农药污染，从主要农药类型来看，多环芳烃（PAHs）、滴滴涕（DDTs）和六六六（HCHs）较为突出，对应的点位超标率分别为1.4%、1.9%、0.5%。

统计数据显示，最近十年内，我国的农药使用量表现出明显增加态势，从2005 年的146 万t 逐渐增加到2013 年的180 万t，增长率高达23.4%。根据同期横向比较结果，我国农药用量是世界平均水平的2.5 倍。但实测结果显示，我国每年使用的农药仅有15%～30%附着在农作物上[11]，其余大部分扩散至生态环境系统中，造成耕地土壤的大面积有机污染[12,13]。与此同时，在农药使用管理方面，我国仍存在农药使用者专业知识不足、农药使用监管缺失、农药管控激励不足等诸多问题[14]，加剧了农药不合理使用的现象。

农药是保障粮食生产的重要农业投入品，我国农药的使用量在今后相当长的时期内都将保持较高水平，因此如何科学合理使用农药，并通过调节土壤结构，改善土壤性质、增强残留农药降解能力是未来防控农田土壤生态环境危害发生的关键。

2.3 地膜残留污染的耕地环境问题

我国的耕地粮食生产使用地膜的习惯由来已久，地膜使用量以每年15%的速度增加。由于超薄地膜的泛滥、农村劳动力流失、缺乏适用的回收机械，残留在耕地里的地膜已形成白色污染，对耕地土壤质量的影响较为严重[15,16]。大量在农田中残留的地膜可以破坏土壤结构，影响土壤有益微生物的正常代谢，妨碍作物生长。中国农业科学院监测数据显示，目前我国长期覆膜的农田土壤，耕地地膜残留量累计达到100 万t[17]。研究表明，当土壤中地膜残留量达到1.5 kg/km2时，粮食产量平均下降20%[18]。无论从稳粮增收还是从农业环境污染治理的角度，残膜回收都是个迫在眉睫的问题。由于地膜全覆盖的观念根深蒂固，现阶段甚至未来一段时期内，伴随着粮食生产的地膜污染问题仍然会持续存在。因此加大膜回收力度，减少“白色污染”，也是粮食生产不可忽视的重要环境问题。

3 休耕模式和粮食主功能区战略政策的环境效应分析

3.1 休耕模式减缓耕地资源消耗和环境污染压力

2016 年6 月，国务院发布《探索实行耕地轮作休耕制度试点方案》（以下简称“方案”）。方案出台的目的在于巩固提升粮食产能，保障粮食安全；对休耕地采取保护性措施，不减少或破坏耕地、不改变耕地性质、不削弱农业生产能力，确保急用时能够复耕，粮食能产得出、供得上。

严格意义上讲，休耕属于耕地保护的范畴，最终落脚点是为了协调土地供需矛盾，提高耕地地力，更好地保障粮食生产可持续发展。但休耕需要放弃的是短期内作物产量的增长，前提是对粮食供需矛盾的有效协调，即着眼于“藏粮于地，藏粮于技”[19]。尽管休耕模式所带来的环境效益还有待评估，但不可否认的是：在区域范围内，休耕制度一旦推行开来，势必带来化肥、农药等农业投入品的“熔断式”减量。

休耕模式是在客观认知当前我国粮食生产耕地现状的基础上，提出的国家战略性指导政策，对涵养生态环境、保护耕地资源、提高土壤有机质、减轻农业环境污染具有重要的现实意义[20,21]。鉴于在过去一段时期内，粮食产量在持续增长的同时，耕地地力已接近耗竭的现状，因此对生产力较低或污染严重的耕地，应加强休耕模式的推进力度，在休耕的同时，治理污染、恢复植被、逐渐恢复土地的生产力[22,23]。

我国土地幅员辽阔，耕地资源禀赋差异较大，休耕需要分类型地有序推进，针对不同区域的情况因地制宜地开展和实施，建立适应国情的休耕制度，合理规划休耕面积比例与年限[24,25]。但不容忽视的是，出于对当前我国耕地资源紧张、保障粮食安全的考虑，土地休耕模式仍存在一定的争议。但伴随着国内粮食库存高企，资源消耗和生态环境矛盾突出，耕地休耕模式试点的推广迎来了最佳时机。2016 年以来，在地下水漏斗区 （河北省，6.7 万hm2）、重金属污染区 （湖南省，0.67 万hm2）、生态严重退化区 （云南省、贵州省、甘肃省各0.13 万hm2）等典型区域，已逐步开启休耕工作试点。

3.1.1 地下水超采区

地下水漏斗区域主要集中在严重干旱缺水的华北平原，如河北省南部地下水超采区（沧州、邢台、衡水）。自80年代以来，黄淮海、华北平原地下水逐年下降，成为世界上面积最大的地下水漏斗区[26]。在区域粮食增产目标过高、一年两熟种植制度下，高集约化的耕地需要高强度的地下水井灌，这是造成地下水快速下降的主要原因[27]。在这些典型的地下水资源约束型地区，应落实最严格的水资源管理制度，调整冬小麦等高耗水农作物的种植结构，适时降低耕地利用强度[28,29]。在区域内推行耕地休耕，对于缓解地下水超采问题将起到立竿见影的效果。

3.1.2 重金属污染区

重金属严重污染区域主要集中在我国南方地区，这些地区既是稻米等传统主粮作物种植区，也是采矿密集区，采矿尾渣和废物垮坝外泄对土壤等形成点源污染的现象较为普遍，农田耕地重金属污染较重，时常发生粮食重金属超标事件，有些耕地甚至已弃荒。如2013 年湖南镉米事件，在当地耕地土壤的镉背景值较高的背景下，长期大量施用化肥，使得土壤酸度增强而导致镉被大幅活化，最终造成稻米谷粒中镉严重超标。这种土壤中镉超标不突出，种植作物中镉却严重超标的现象，实际上是重金属污染源的叠加效应造成。目前针对类似特征的耕地污染，湖南省已在长沙、株洲、湘潭重金属重度污染区划定了休耕试点区，以减缓耕地重金属污染恶化趋势；同时建立防护隔离带、施用石灰、施用绿肥、施用钝化剂，并控制化肥施用强度，为耕地恢复地力和土壤环境质量改善赢取喘息之机，为保障区域内未来粮食安全储备可用耕地资源，厚积薄发。

3.1.3 生态严重退化区

生态严重退化地区的特征是土壤表面植被负载量和生产力已严重退化，难以支撑起粮食高产需求。这部分区域除了历史客观形成的土壤禀赋因素之外，未能对有限的耕地地力进行保护、恢复和涵养，也是主要原因之一。目前该类型休耕试点的区域主要集中在西南云贵地区的石漠化区和以甘肃省为典型的西北生态严重退化区。通过以地力涵养型植物代替粮食作物的种植结构调整模式，改种的植物以防风固沙、涵养水分、保护耕作层、恢复有机质等功能为主；同时减少农事相关活动，促进退化区域耕地地力的改善。生态退化区的耕地往往处在干旱区和山区，这些区域既是生态脆弱区也是边际作物区，种植结构以玉米和小宗谷物为主，是目前重点取舍的边际型产能，在生态退化区开展休耕，减缓小宗作物面积，将产能集中到适宜种植区域，有利于边际粮食产能的统筹。

尽管目前休耕推进实施的面积有限，但结合国内外的经验证实：中短期休耕后，耕地地力恢复良好，生态效益显著[25,30,31]。因此当前休耕的任务是亟待加强推行力度，增加休耕面积，并探索在污染、退化、水亏缺重点区域，平衡粮食生产与土地休养生息的博弈关系，形成粮食供求余缺与休耕恢复决策互动的调节体系。

3.2 粮食生产主功能区确定的环境效益

在当前我国农业耕地与城镇化发展矛盾凸显、地力退化严重的背景下，粮食生产主功能区的划定是一项国家战略前瞻规划，其背后蕴含的战略意义巨大，所带来的环境效应预期会在未来凸显。

当前环境负荷是粮食主功能区结构调整的基础，而结构调整又势必对环境效应带来一定影响。在主功能区的农业投入品强度差异方面，研究发现：粮食生产功能区的差异是导致我国化肥施用强度存在差别的主要原因[32]。基于2004—2011 年的统计数据，农产品种植结构调整有利于减缓化肥施用强度[33]。从主功能区域分布来看，在我国南方地区，特别是长江流域，不仅有种植水稻的传统，还种植一定面积规模的小麦和油菜，存在一定程度重叠（即复种区），多次喷施的农药、化肥交叉污染，加重了土壤环境负荷和地力恢复难度；如果确定区域内主要种植类型，则环境效应将得到一定提升。又如东北地区，在国务院公布的《关于建立粮食生产功能区和重要农产品生产保护区的指导意见》中，既被划定为玉米主产区，又确定为大豆生产保护区，而这部分复种区的环境承载力已基本“触底”，成为农业结构调整的最大瓶颈。近年来在这部分复种区，玉米种植效益较高，由连茬种植造成的化肥农药施用量逐年增加，导致耕地土壤日趋板结、有机质含量下降，已不具备适宜粮豆轮作的条件。由此可见，粮食主功能区调整与确定，对环境效应而言，正面或负面的影响均有可能，需进一步研究分析。

可以肯定的是，随着粮食主产区格局调整逐渐清晰，化肥、农药的投入势必更加集中，取代原有的点源分散状态，这对于地力恢复和环境治理而言，具备了一定的优势条件，即：可对主产区的污染隐患进行集中消除，治理和恢复难度降低，成本效益显现，环境基本面好转的概率更高，这与主功能产区划定的初衷——“积极发展适度规模经营”完全呼应，适当放缓粮食生产的增速，集中优势产区，可降低污染负荷压力，为建立基于环境负载的可持续农业发展模式赢得喘息之机。

4 结语

客观地看，过去十余年的粮食生产耕地资源环境代价是较为沉重的，改变传统的生产模式和效益理念是必然趋势。本文认为，应该从以下几个方面科学严格地控制农业投入品，减缓水资源消耗，重视地力恢复，确定粮食生产重点发力的主功能区域。

（1）从技术角度出发，应科学合理规划化肥、农药、地膜等农业投入品的使用。根据不同地力实际情况确定化肥的施用配比和数量，探索化肥与有机肥的合理配施方案。改善农药质量，研发绿色农药，提高农药利用效率并降低其降解难度，减少农地内源性污染。因地制宜种植合适的作物，减少地膜的投入量，研发地膜回收和降解技术。

（2）从管理部门角度出发，应本着适度放缓的原则制定粮食目标，在科学评估耕地地力恢复速率与环境负荷、资源消耗的基础上，将环境污染和资源消耗成本纳入粮食生产成本体系中。这与习近平生态文明思想中的“绿水青山就是金山银山”理论一脉相承，“在鱼和熊掌不可兼得的情况下，我们必须懂得机会成本，善于选择，学会扬弃，做到有所为、有所不为”。如果失去耕地资源保护和耕地环境恢复的最佳时机，意味着未来要付出更大、更重的成本才能实现粮食的可持续发展。

（3）随着我国粮食安全战略的调整，应加强对粮食耕地的资源消耗成本的剖析与反思。耕地是承载国家粮食安全战略的重要资源保障，现阶段对耕地资源消耗、环境质量效应和地力涵养间的平衡，重视力度仍显不足。改变以牺牲资源环境为代价换取粮食持续增长的时机已成熟，结合国情，展望未来，改善我国粮食耕地的资源环境效应，依然任重道远。