基于土地利用变化对生态系统服务影响的农业转型技术路径

郑红艳 翁佩莹 林文雄

摘 要：【目的/意义】探索现代农业转型的技术路径，有助于恢复、保护以及可持续的利用我国的土地资源并充分发挥其生态系统服务功能。【方法/过程】运用文献分析法，就土地资源的重要性出发，综述了国内外土地利用及其空间格局变化对生态系统服务功能的影响。【结果/结论】我国的土地利用变化主要特征是从由人类主导的大规模开发模式向开发与保护并行模式转变。总体的态势是表现为以南方水田减少为主导致的耕地面积减少;在东南沿海与内陆地势平坦地区，表现为以占用优质耕地为突出特征的城乡建设用地显著增加;在中西部地区，通过“退耕还林”政策的实施，林地面积呈现增加态势;在东北和西北地区，受气候变迁和比较利益驱动，大量的草地被转化为农田，草地总面积呈现减少态势。研究认为应加强理论研究并实施严格的节约集约用地策略，重视开展高度适应现代农业的生态化转型，构建相适应的综合农业系统模式及其对策研究。

关键词：土地利用;空间变化格局;综合农业系统;生态化转型

中图分类号：文献标志码：A文章编号：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

據相关数据显示，当前人类利用的土地面积约占无冰地表的69%～76%。在土地利用方面，人们目前的普遍做法是将1/4～1/3的土地潜在净初级生产量用于食品、饲料、纤维、木材和能源。除此之外，土地还是许多其他生态系统功能和服务的基础，其中就包括了对人类有着至关重要作用的水文调节服务等。据报道，全球陆地生态系统服务的年度价值约相当于全球的年度GDP。土地既是温室气体（greenhouse gases，GHGs）的源，又是温室气体的汇，它在地表与大气之间的能量、水分和气体交换中起着关键作用。研究可知，陆地生态系统和生物多样性在不同程度上容易受到持续的气候变化及极端天气的影响。而可持续的土地管理则有助于减少包括气候变化在内的多种压力因素对生态系统和社会的负面影响[1]。因此，研究土地利用方式和空间格局对农业生产乃至整个区域社会经济发展的影响具有极其重要的理论和现实意义，受到国内外学者的普遍关注，成为了近年来研究的热点，并取得了重要的研究进展[1]。

1 土地利用时空变化对生态系统服务的影响

1.1 土地利用/覆被变化的内涵

土地利用/覆被变化（Land Use/Cover Change，LUCC）是人类活动与自然环境之间产生相互作用最为直接的表现形式[2]。随着全球化进程的加快，LUCC已成为全球环境变化的重要组成部分及主要驱动力之一。20世纪90年代以来，LUCC模型的发展呈现出3種重要的趋势：一是应用地理信息系统，从空间格局与时间过程两个角度相结合对区域或全球环境的异质性进行了研究;二是遥感数据在LUCC模型中的广泛应用;三是将自然、生态、社会经济和人文要素纳入到土地利用变化的协同研究中[3]。LUCC的变化过程不仅与地球表面物质循环和生命过程密切相关，还会引起地表结构的巨大变化。采取不同的土地利用策略会影响区域内的景观格局、气候水文、土壤环境、生物多样性等，进而对自然生态系统提供服务的结构与过程产生影响，最终影响到生态系统为人类提供服务与产品的能力。因此，研究LUCC与生态系统服务之间的协同/制约关系成为了土地利用变化研究的热点内容之一[1]。从LUCC的角度切入，定量评估不同土地利用策略下生态系统服务的时空特征，对于区域土地利用的规划与管理、国土资源开发的空间优化和生态系统服务功能的提高具有重要的指导意义。

土地利用是指人们应用特定工具对土地资源进行长期和定期的管理和改造，是人类活动对地球表面系统影响最为直接的表现形式，在全球环境变化过程中起着非常重要的作用[7]。而土地利用变化的空间格局是指在不同地域空间上的人-地关系在一定时段的作用强度及作用模式[2]。定量分析土地利用变化过程，是厘清土地利用变化成因及过程、揭示生态系统对人类活动响应程度的重要方式和途径[8-9]，进而对构建科学有序的用地布局和结构具有重要的现实意义。剖析土地利用变化时空格局演变是区域整合发展战略与可持续发展研究的重要内容，对土地资源的合理利用具有重要意义。

1.2 土地利用时空变化特征

1991-2000年期间，为满足国家和各级政府对土地资源时空信息日益迫切的需求，中科院资源环境科学与技术局联合农业农村部、国家林业和草原局、国家气象局、国家测绘局等部委所属相关科研单位，通过国家资源环境遥感信息平台，应用遥感和地理信息系统技术，恢复重建了20世纪80年代末期以来中国的土地利用状况，并在全国范围内首次建成了1∶10万比例尺土地利用数据库[4]。20世纪80-90年代，我国土地利用呈现出明显的区域差异，具体表现为：（1）东部及四川盆地由于城镇化进程导致城乡建设用地扩张明显，且多为优质耕地被占用;（2）在东北山区及内蒙古东部地区的土地利用变化则以林地和草地的开垦面积增加为特征;（3）东北平原则是以旱地、水田的转换为主要特征;（4）华北山区、秦岭山区及黄土高原区由于退耕还林还草政策，草地面积和林地面积增加，但同时也存在耕地撂荒的现象;（5）东南、华南丘陵地区林地面积增加明显，反映出植树造林的效果显著;（6）华中地区毁林与造林现象同时并存，在一些湖泊密集地区以退田还湖为显著特点;（7）西南地区的土地利用以林地的变化为主;（8）西北地区以耕地的变化为主要特征，绿洲农业区边缘的一些土地被新开垦为耕地，而在绿洲内部由于土地退化，耕地存在撂荒现象。

我国的土地利用呈现出从由人类主导的大规模开发模式向开发与保护并行的模式转变的特征。总体态势表现为以南方水田减少为主导致全国耕地面积的减少：（1）在东南沿海与内陆地势平坦地区，表现为以占用优质耕地为突出特征的城乡建设用地显著增加;（2）在中西部地区，通过“退耕还林”政策的实施，林地面积呈现增加态势;（3）在东北和西北地区，受气候变化和比较利益驱动的影响，大量的草地被转化为农田，草地总面积呈现减少态势。

2017年，我国建设用地总面积为3958.65万hm2，当年度共征迁土地面积19.35万hm2，新增建设用地53.44万hm2;与此同时，全国耕地面积为13486.3万hm2，因建设占用等因素导致耕地面积净减少6.09万hm2 [6]，土地供需矛盾的逐渐加剧，给社会经济的可持续发展带来了严峻挑战。实施严格的节约集约用地策略，对于解决土地资源供需矛盾与缓解紧张的人地关系具有重要意义。

1.3 土地利用时空变化成因分析及其对生态系统服务的影响

近年来，不少学者从省市域尺度研究土地利用及其变化的时空格局，并取得了很好的研究成果。刘纪远等[2]分析了21世纪初5年中国土地利用变化的空间格局与驱动力，指出这一时期我国土地利用变化格局的形成是人类活动与气候变化共同作用的结果，同时也深受着国家以及地区宏观发展政策的影响[2]。韦素琼等[10]通过ArGIS分析了1985-2000年福建省土地利用类型景观格局的变化，认为福建省土地利用变化的这一过程受到国家宏观政策的影响和制约;同时通过逐步回归分析认为经济快速发展也是导致土地利用变化的一个重要原因。除了由于土地不同用途之间的经济差异导致非农用地的增加外，耕地面积减少的另外一个原因在于农业内部自身结构的调整。苏凯等[11]研究表明土地利用变化是生态系统服务空间格局和总体供应变化的主要驱动力，指出福建省土地利用结构主要以耕地、林地和城镇用地为主，而城镇用地面积是所有土地利用类型中增加量最大的地类。2000-2018年福建省生态系统服务价值总体呈下降趋势，表明福建省生态系统服务能力存在一定的脆弱性。值得关注的是，福建省生态系统服务价值中占主导地位的地类是耕地、林地和水域，三者的生态系统服务价值占ESV总值的比重在98.86%～99.06%之间波动，说明这3种地类在福建省生态功能中发挥着极其重要的作用。从二级生态系统服务分类来看，气体调节、水文调节和维持生物多样性是福建省生态系统服务功能的主体，三者的生态系统服务价值共占ESV总值的45.5%以上;而食物生产的生态系统服务价值仅占总值的1.58%左右，这在一定程度上说明了，福建由于山多（耕）地少的缘故，粮食自给率长期维持在50%左右的水平，因此如何创新粮食生产的增长方式，完善提高生态系统的服务功能及其水平，确保食物安全、促进可持续发展是当前福建省各级政府工作所要解决的首要问题[11]。

2 现代农业转型的技术路径探索

由上述分析可知，土地的不合理利用势必导致气候变化、土壤环境破坏，进而影响农业可持续生产，危及人类的生存与安全[12]。中国由于城镇化建设导致非农用地加大、耕地资源减少，这是过去几十年来土地利用变化的主要驱动力与关键影响因素。因此，必须科学规划，在严格保护耕地资源的同时，转变原有粗放式的生产方式，走集生产、生活、生态为一体的农业生态化转型之路，这样才能恢复、保护以及可持续利用土地资源并充分发挥其生态系统服务功能。近年来，国内外专家学者研究并提出了多种新型生态农业模式，统称综合农业系统，包括：气候智能型农业、保护性农业以及可持续集约化农业。

2.1 气候智能型农业（Climate-smart agriculture，CSA）

气候智能型农业是一种以联合协作方式应对当前粮食安全和气候变化挑战的方法，主要目标是：持续提高农业产量和收入，建立和提高土地应对气候变化的适应能力，减少和（或）消除大气中的温室气体排放[13-15]。气候智能型农业系统是一种应对粮食安全、适应与缓解气候变化等挑战的综合性方法，能够使各国确定土地效益最大化的选择和做出需要管理的权衡[15]。

目前，许多农业实践和生产技术已被证明对粮食安全、提高土地恢复力和生产力有一定的好处[16]。在许多情况下，可以通过更改管理实践套件来实现这些功能。例如，通过增加土壤有机质既可以提高农业景观的持水能力，也可以提高固碳能力。在种植制度的实践中，从传统耕作方式转变为最低耕作方式可以使从只提供适当、缓解效益或既不提供适当效益也不提供缓解效益的制度转变为既提供适当效益又提供缓解效益的制度[17-18]。通过在农业领域使用更多的化肥来增加粮食产量，可以在气候变化的情况下保持作物产量，但这也可能导致温室气体排放总量的增加。然而，如果通过采用更好的肥料管理措施来提高营养利用效率，不但可以增加或保持相同的产量水平，也有助于粮食安全和减缓气候变化[18]。此外，将作物、牲畜、渔业和农林间作充分结合起来的混合农业系统也可以在气候变化的情况下保持作物产量，帮助原有生态系统更好地适应气候风险，并通过不断改善系统内的营养流动使温室气体排放实现最小化[19-21]。这类系统有助于使生产和收入多样化，支持有效且及时的使用投入，从而有助于提高土地复原力，但需要地方种子和输入系统以及推广服务的支持。通过对农场的模拟试验表明，综合农畜系统在经济和环境方面上都有好处。然而Gil等[22]通过运用包括气候适应能力在内的多个经济和环境指标比较了不同的大豆-牲畜系统后发现，这种系统带来的潜在好处要视具体情况而定。

尽管气候智能型农业是一个系统的工程，是多种方法的综合应用，但有的研究却将它狭隘地集中在生产水平的技术方面[23-24]。通过研究欧洲采用和推广气候智能型农业技术创新时所遇到的障碍，Long等[25]发现现有政策与气候智能型农业目标之间存在不兼容性，气候智能型农业系统的实施取决于具体的国家环境和能力，以及更好的信息获取、协调的政策和制度安排、灵活的激励机制和融资机制等多方面的支持。因此，关注影响实践采用和技术获取的潜在社会经济因素，对于增强生物物理过程、提高生产力和大规模减少温室气体排放是至关重要的。

2.2 保护性农业（Conversion agriculture，CA）

保护性农业的原理是基于土壤最小干扰和永久覆盖的原则，采用适当的作物进行轮作。在经济和环境的双重压力下，保护性农业被证明对小农户有着积极的回报[26-27]。该农业生产系统使用了一套土壤残留物管理方法来控制土壤侵蚀[28]，同时通过增加有机质含量、改善孔隙度、结构稳定性和保水性能等来进一步改善土壤质量[29-30]。20世纪下半叶，集约化农业（IA）的发展导致了土壤退化和自然资源的损失，并引起了气候变化。可持续的土壤管理措施不仅可以有效解决农业系统面临的这些挑战，如土壤有机碳（SOC）的封存可以改善土壤质量和缓解气候变化[31]。同时，保护性农业的实施还会带来土壤性质的有利变化、降低生产成本、提高农业生产效率并减少温室气体的排放，进而影响自然生态系统服务的提供[32-36]。但是Powlson等[35-36]通过对热带地区土壤碳的数据库进行分析后却认为在CA系统中，特别是因免耕导致的有机碳含量的增加和温室气体减排作用其实是被夸大了。

多数研究认为，土壤中有机碳的增加及其对保护性农业缓解温室气体排放的贡献在很大程度上是取决于返回到土壤中的有机质数量[37-38]。同样，用更多样化的种植系统和农林复合系统以及用造林和砍伐森林来取代单一种植系统也是可以缓冲温度的上升并增加碳储存的，并且在气候变化面前提供出更多样化和健康的食品选择。

2.3 可持续集约化农业（Sustainable intensification agriculture，SIA）

可持续集约化只是一个目标，没有预先规定要通过实施何种农业技术来实现。可以是多种技术和管理方法的结合，比如将保护性农业和农林复合经营相结合，从而带来额外的经济、生态系统服务和碳效益。根据FAO的估计，随着世界人口的日益增长，到2050年需要增加50%的粮食产量[39]，但粮食产量的增加可能会带来温室气体排放的增加和以生物多样性丧失为代价的环境影响。目前所有人为排放的温室气体有8%～10%是来自于农业用地，而当前对可持续集约化农业的呼吁正是基于新土地的扩张对环境的破坏超过了在新土地上生产出更多粮食的好处这一前提[40]。但是Jat等[41]研究发现通过恢复已经退化的土地来增加净生产面积，一方面可以增加产量，另一方面也可以增加碳的吸收，从而促进农业生产的增加和自然資本产出的改善[42]。可持续集约化农业是通过提高营养、水和其他投入的使用效率，来缩小产量差距和促进粮食安全[43]，进而减少相关生产投入的损失和温室气体的排放。目前，非洲和南亚的大多数地区潜在作物产量实现了不到40%，缩小产量差距是提高单位产量土地利用效率的一种有效方式。综合农业系统（如作物+牲畜混合种植、作物+水产养殖）正是在单位土地上生产出更多产品的一种策略，可以有效地保障粮食安全。因此，可持续集约化农业被认为是实现粮食安全和适应/缓解气候变化目标的途径之一[44]。

然而，SIA并不總是在粮食安全和气候变化适应/缓解方面带来共同利益。Thu等[45]在越南进行的研究认为，通过节约土地，稻米和生猪的集约化生产在短期内减少了温室气体排放，但在20年后，与更高投入相关的排放可能会超过节约土地所带来的效益。Palm等[46]在非洲进行的一项研究报告称，在人口密度低和土地利用率高的情况下，粮食安全和气候缓解的目标可以通过强化情景来实现，从而产生可用于重新造林的剩余作物面积。相比之下，在人口密度高、农场规模小的情况下，要实现粮食安全和减少温室气体排放，就需要使用更多的肥料，以便为重新造林提供土地。然而，由于环境退化和社会不平等加剧等不利因素的影响，对旱地实行某些形式的强化可能会增加而不是减少其脆弱性[47]。此外，在同时提高产量和环境绩效的背景下采用高投入形式的农业将吸引到更多的投资，从而使其采用率更高，但可持续集约化的环境成分却很快被放弃了。因此，如果采用可持续集约化农业（SIA），就需要保证达到可持续发展的要求：（1）确定加强农村社区、改善小农生计和就业、避免带来负面社会和文化影响的4项农业措施;（2）投资于社会、金融、自然和物质资本，以促进SIA的实施;（3）建立机制，向采取可持续措施的贫困农民支付经济成本，即实施生态补偿。

3 总结

土地利用是指人类为获取所需的产品或服务，按照一定的经济、社会目的，根据土地的自然特点所进行的一系列土地资源利用活动，包括对土地进行长期或周期性的经营和改造等活动。土地利用是人类利用自然资源满足自身生产生活的主要途径，与人类活动关系密切。由于人类活动所引起的或自然形成的土地覆盖状况称为土地覆被，土地利用变化是导致土地覆被变化的最为重要的一个驱动因子，是人类活动与自然生态环境相互作用的集中体现，二者具有因果及反馈机制。土地利用/覆被变化，是全球环境变化的主要驱动力和重要组成部分。土地利用方式的变化不仅使地表结构发生变化，而且还改变着区域的气候、水文状况、土壤健康以及生物多样性和生物地球化学循环。这一驱动过程引发了一系列的自然环境问题，从结构和功能上影响着整个生态系统。如前所述，人类活动通过土地利用方式的不同与生态系统之间产生了反馈策略，土地利用策略通过生态系统结构和过程的改变影响着区域生态系统服务的价值。气候智能型农业、保护性农业以及可持续集约化农业等这些综合农业系统和做法都是试图通过合理利用土地，增强粮食系统对气候变化的适应能力，减少温室气体排放，同时有助于实现土地利用的可持续性。因此，土地利用策略的变化所产生的生态环境效应及其对生态系统服务的影响也逐渐成为了当前土地利用变化研究的核心内容之一，也应当是未来研究的重点所在。

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