黄土高原新一轮退耕还林草工程对粮食生产的影响

2022-05-04时亚坤郭金金方怒放2

水土保持研究 2022年3期

时亚坤, 曾奕, 郭金金, 方怒放2,

(1.国家林业和草原局西北调查规划设计院, 西安 710041; 2.西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨陵 712100;3.华中农业大学资源与环境学院, 武汉 4300703; 4.中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨陵 712100)

我国是世界上人口和粮食压力最大的国家之一，从1949—1998年的50 a间，我国人口增加了7.12亿。据第一次全国土地资源调查，全国共有耕地130万km2，其中20°以上坡耕地12万km2，25°以上坡耕地6万km2[1]。大面积毁林开荒造成水土流失加剧，土地退化严重，旱涝灾害不断，生态环境急剧恶化。为改善这一状况，政府于1999年开展第一轮退耕还林还草工程。该工程是世界上规模最大的植被恢复工程，对我国实现《联合国2030年可持续发展议程》中的消除贫困、减缓气候变化和保护生物多样性等可持续发展目标至关重要[2]。

黄土高原是退耕还林草工程的核心区之一，自1999年退耕还林草工程实施以来，区域植被覆盖显著改善，由1999年的31.6%提高到了2017年的65%[3]，有效控制了水土流失，改善了生态环境。然而退耕还林还草的实质是以粮食供给换取生态价值[4]，2002年国务院下发的《关于进一步完善退耕还林政策措施的若干意见》明确表示“林权是核心，给粮是关键”。为确保耕地不少于18亿亩的红线，有关部门于2007年暂停了退耕还林草工程[1]。这一阶段初期的退耕威胁到部分农民的生计和粮食供应[5]，在黄土高原区出现了复耕现象，影响了退耕还林还草的可持续性[6-8]。关于退耕和粮食产出的均衡问题已有较多报道，有研究认为陡坡种植导致水土流失严重，而退耕工程改善了生态环境，促进农业生产由粗放向集约化发展，有益于粮食生产[9]；也有人认为，退耕还林草减少粮食种植面积，影响区域粮食供给[5]；此外还有学者认为退耕还林草工程占用的多是产量极低的陡坡地，对区域粮食影响不大[10]。

坡耕地是黄土高原退耕还林草的目标区域，主要集中在贫困的黄土丘陵沟壑区。脆弱的生态系统，频繁的自然灾害，落后的交通系统，使得农民强烈依赖坡耕地维持生计[11]。退耕还林还草改变了他们的生活方式，一旦退耕补贴停止或降低，将增加土地复垦风险，从而影响区域退耕还林还草的可持续性[8]。新一轮退耕还林草工程于2014年正式实施，总规模已超过6.7万km2，特别关注了工程区的陡坡耕地[1]。因此，有必要对新一轮退耕还林草工程实施下区域的陡坡地退耕和粮食供给进行系统的预测评估。鉴于此，本研究以黄土高原退耕还林还草核心区域的陕西、山西两省为例，结合多元遥感数据、统计年鉴、政府报告等资料，在地理信息系统的支持下，评估新一轮退耕还林还草工程对区域粮食生产的影响，预测至2030年退耕还林还草背景下区域人口、粮食、坡耕地面积之间的平衡关系，以期为区域生态恢复的可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况与分析方法

1.1 研究区概况

本研究选择黄土高原坡耕地分布最集中的陕西、山西两省作为研究区。根据中国科学院资源环境科学与数据中心(http:∥www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=275)的中国九大农业区区划，将两省称为黄土高原农业区(下文简称黄土高原区)。该区面积约为37万km2，是中国最主要的黄土覆盖区。其气候为暖温带向干旱半干旱区域过渡。海拔范围为174～3 677 m，其南部为秦岭山脉，中部为关中平原，北部为黄土丘陵沟壑区。研究区2015年常住人口为7457万，60岁以上人口1131万人，农业人口4791万人，下属21个地级市和225个县级行政区，其中2015年有86个属于贫困县。黄土高原区是最早实施退耕还林还草工程的区域。截至2014年，陕西共退耕还林还草12 453 km2，山西共退耕还林还草9 333 km2。从2014年开始，两省实施新一轮退耕还林还草工程，其中陕西预期退耕还林还草1 900 km2，山西预期退耕还林还草2 553 km2。

1.2 分析方法

1.2.1 坡耕地提取考虑到统计数据中坡耕地坡度的测量误差，本研究结合大尺度遥感数据进行坡耕地的提取并分析其空间分布特征。使用美国地质调查局全球粮食安全数据(GFSAD)中的30 m分辨率的2015年中国耕地栅格数据(https:∥croplands.org/downloadLPDAAC)[12]。与全球其他30 m分辨率的土地利用产品相比，该产品专注于提供更精确的耕地范围，而不是对所有土地利用进行分类，因此能够提供更准确的坡耕地空间分布数据。对于中国范围内的耕地数据，其总体精度为94%，生产者精度为80%，用户精度为84%，且与中国统计年鉴数据高度相符[13]。

在获取研究区耕地空间分布数据的基础上，使用30 m分辨率的SRTM数字高程模型(DEM)数据在ArcGIS 10.5上生成坡度图层。将不同的坡度与耕地图层叠加，以获取对应的坡耕地图层。本研究重点关注20°～25°以及>25°的极陡坡耕地，这也是退耕还林还草工程的主要目标区域。

1.2.2 粮食单产估算不同坡度范围的坡耕地粮食单产采用Feng等[9]的方法估算：

(1)

式中:Gt是区域粮食总产量(t)；Gave是统计年鉴中的区域粮食单产(t/km2),a0～a5是<6°,6°～10°,10°～15°,15°～20°,20°～25°和>25°的坡耕地面积(km2),β0～β5代表某一坡度范围坡耕地单产和该区域平均粮食单产的比值。本研究中,β0～β5的取值参考Feng等[9]和杨艳昭等[14]研究中黄土高原区域的统计数据和问卷调查资料。

1.2.3 粮食自给率指数本研究采用粮食自给率系数评估粮食供给风险：

(2)

式中:GSSI表示粮食自给率系数；Gt表示区域粮食总产量(t)；P是区域总人口；k是最低人均粮食需求量,本研究采用联合国粮农组织(FAO)推荐的0.4 t/人[15]。根据国家发改委相关文件[16],粮食自给率系数大于1属于完全自给(粮食自给率>1),0.95～1属于基本自给自足(0.95<粮食自给率<1),0.90～0.95属于可以接受的粮食安全水平(0.90<粮食自给率<0.95),而一个区域粮食自给系数低于0.90(粮食自给率<0.90),则粮食供给风险较高[17]。

1.2.4 情景分析为准确估算不同情景下的粮食自给率，需要对人口和粮食单产进行准确预测。本研究基于1998—2015年中国统计年鉴中的人口和粮食单产数据，采用逻辑斯蒂预测模型来预测2015—2030年研究区人口和粮食单产。逻辑斯蒂预测模型被广泛用于农业、社会和经济等领域，在人口和粮食产量预测上有较好应用效果[18-19]。在SPSS 25.0软件中进行逻辑斯蒂回归分析。

通过情景分析来模拟退耕还林草工程对研究区粮食安全的影响。设计了3种基础情境，分别为不退耕、退耕20°以上坡耕地(>20°退耕)和退耕25°以上坡耕地(>25°退耕)。此外，黄土高原地区广泛修建淤地坝，根据《黄土高原地区综合治理规划大纲(2010—2030年)》，预计到2030年黄土高原地区将新建设56000余座淤地坝。坝地成为粮食产出不可忽略的因素，因此将坝地因素也加入到情景模拟中，设计第4种退耕还林草模式，即退耕20°以上坡耕地的同时考虑坝地的粮食增产效益(>20°退耕+淤地坝)。

对于不退耕情景，粮食自给率只受2015—2030年的人口和粮食单产的影响。第i年的粮食自给率(GSSIi)可以通过以下公式计算：

(3)

式中:GSSIi表示第i年的粮食自给率系数；Gave, i是第i年的区域平均粮食单产(t/km2),根据逻辑斯蒂预测模型预测;At是总耕地面积(km2)；Pi是第i年区域总人口；k是最低人均粮食需求量(kg/人)。

对于退耕情景(>20°退耕和>25°退耕)，坡耕地退耕会直接导致耕地面积和粮食产量减少，从而影响粮食自给率。我们假设2015—2020年每年因退耕减少的粮食产量是均匀的，那么第i年因退耕减少的粮食总产量为：

(4)

式中:Gθ,i表示第i年因退耕减少的粮食总产量(t)；Gθ表示坡度>θ的坡耕地的粮食总产量(t)；坡度θ在本文为退耕坡度20°和25°。

对应的第i年的粮食自给率通过以下公式计算:

(5)

对于考虑淤地坝坝地的情景(>20°退耕+淤地坝)，在退耕情景的基础上，还要每年加上淤地坝坝地增加的粮食产量。第i年淤地坝坝地增加的粮食总产量通过以下公式计算：

ΔGdam,i=Gdam,i×Adam,i

(6)

式中:ΔGdam,i代表第i年淤地坝坝地增加的粮食总产量(t)；Gdam；i代表第i年淤地坝粮食单产(t/km2)；根据《黄土高原区淤地坝专题调研报告》[20]中的数据估算;Adam；i是第i年淤地坝坝地面积(km2)；根据《黄土高原地区综合治理规划大纲(2010—2030年)》[21]中的数据估算。

对应的第i年的粮食自给率通过以下公式计算:

(7)

1.3 数据来源

相关社会经济发展数据通过《中国统计年鉴》、《中国农业统计资料》《中国农村统计年鉴》等获取，主要包括人口特征，粮食产量和经济发展等数据。政策信息和相关规划主要通过《黄土高原地区综合治理规划大纲(2010—2030年)》[21]、《中国退耕还林还草二十年(1999～2019)[1]、《全国坡耕地水土流失综合治理“十三五”专项建设方案》等[22]获取。

2 结果与分析

2.1 坡耕地分布特征及其粮食产出

研究区2015年坡耕地总面积为36 022 km2，其中坡度为20°～25°的坡耕地面积2 500 km2，25°以上坡耕地面积2 250 km2。20°以上坡耕地比重较大，约占研究区坡耕地总面积的13%。

从空间分布上来看，20°以上坡耕地广泛分布于整个研究区。其中陡坡耕地分布最密集的区域位于研究区西北部的黄土丘陵沟壑区。坡耕地的粮食单产随坡度的上升显著降低，从293 t/km2(6°～10°坡耕地)下降至117 t/km2(25°以上坡耕地)。根据不同坡度范围的坡耕地面积以及对应的粮食单产，估算坡耕地的粮食产出。在本研究区，坡耕地贡献了相当大的粮食产出，约占区域粮食总产量的25.5%(图1)。其中20°以上坡耕地年粮食产量约为65万t，按照0.4 t/人的最低人均粮食需求量，每年可供应约162.5万人的粮食需求。

图1 不同坡度范围坡耕地面积、粮食单产和粮食总产量占比

2.2 坡耕地分布影响因素

研究区坡耕地空间分布具有很大的空间差异，这可能是由多种因素共同驱动的。利用县级的坡耕地面积和经济发展数据来分析造成坡耕地空间分布差异的主要原因。

结果表明，坡耕地与平均坡度正相关，与区域经济发展水平因子(GDP、人均GDP、农业增加值、居民储蓄存款余额和社会消费品零售总额)均呈显著负相关(p<0.05)(表1)。说明地区经济发展越差坡耕地越多，而更多的耕地又限制了当地农业和经济的发展。从表1还可以看出，人均GDP与农业增加值占比极显著负相关，与社会消费品零售总额极显著正相关(p<0.01)。这说明越穷的县对农业生产的依赖越大，且其零售相关的贸易越弱。

表1 县级尺度坡耕地面积及其影响因素

2.3 不同植被恢复情景下粮食自给率分析

图2显示在第一轮退耕还林还草工程的早期(1998—2001年)，研究区的粮食自给率显著下降。粮食总产量由1998年的2380万t下降到2001年的1670万t，降幅超过30%。这也导致粮食自给率由1998年的0.88大幅下降至2001年的0.60。在第一轮退耕还林还草工程的中期(2002—2007年)，研究区粮食自给率先上升后逐渐平稳。在第一轮退耕还林还草工程的末期(2008—2015年)，研究区粮食自给率又显著提升。到2015年，黄土高原的粮食自给率为0.83，仍远低于0.90。

进一步分析不同植被恢复情景下区域粮食自给率的变化。可以看到，与第一轮退耕还林不同，新一轮退耕还林所有退耕情景下的粮食自给率在2015年以后都没有下降趋势，与实际情况一致。对于不退耕情景，研究区将在2020年左右达到0.90的粮食自给率，逐渐自给自足。相比之下，不同的退耕情景会导致达到0.90的粮食自给率的时间不同。>25°退耕情景下，研究区将在2021年左右达到0.90的粮食自给率。而>20°退耕情景下，研究区将在2023年左右达到0.90的粮食自给率。值得注意的是，修建淤地坝对粮食增产有积极的作用，显著提高粮食自给率增长速率。>20°退耕+淤地坝情景下的粮食自给率将在2022年达到0.90，在2025年超过>25°退耕情景，在2028年超过不退耕情景。对于本研究区，新一轮退耕还林只需要在退耕初期补充适当的粮食，就可以保证粮食自给率达到0.90。例如，在3种不同的退耕情景下，最多需要在2016年左右额外提供126～137万t粮食，即可保证本研究区不低于0.90的粮食自给率。

图2 黄土高原区粮食自给率指数和缺少粮食总量的预测

3 讨论

3.1 坡耕地分布特征及其负面影响

截至2015年，黄土高原区仍然广泛分布着陡坡耕地，且主要集中在黄土丘陵沟壑区。坡耕地的空间分布不仅受地形因素的影响，也受区域经济发展的较大影响。黄土高原区相当一部分的陡坡耕地分布在贫困县内。贫困限制了这些区域的教育水平和产业结构[23]。受教育程度较低的农民无法将劳动力转移到第二和第三产业，导致农民过度依赖农业。而丘陵沟壑区地形的限制和对粮食的基本需求迫使人们加剧对陡坡的开垦，使陡坡耕地面积进一步增加[9]。黄土丘陵沟壑区密集的陡坡耕作会加速土壤侵蚀，降低土壤保水保肥和抵御自然灾害的能力[24]。农业生产条件和生态环境恶化导致区域粮食产量低且不稳定。坡耕地的扩张反过来又降低了农民的收入水平，严重制约区域经济的可持续发展[25]。因此，这些地区可能陷入越穷越耕，越耕越穷的贫困陷阱[26]。

3.2 退耕还林对粮食供应的影响

大规模植被恢复可能会影响区域粮食价格和粮食供应，从而威胁区域粮食安全[27]。第一轮退耕还林还草工程高出预期的退耕造成区域粮食短缺[5]，导致中国政府在2004年调整了退耕还林还草工程的年度任务，将粮食补贴改为现金补贴。此外，中国政府在2007年暂停了退耕还林还草工程，以确保全国耕地面积不低于1.2亿亩[1]。上述政策调整使区域粮食自给率逐步提高。

情景分析结果表明新一轮退耕还林还草工程对黄土高原区的粮食供应无显著负面影响。首先黄土高原区大于25°的陡坡耕地面积占比相对较低[22]，只有大约13%。其次，黄土高原区陡坡耕地的粮食单产非常低[9,14]，25°以上坡耕地粮食单产约为117 t/km2。最后，淤地坝修建显著提供了更多的优质农地[28]。坝地主要由上游流域坡面上的表土经历侵蚀—运移—沉积作用后形成，含有大量植物残体和富含有机质的细颗粒，坝地土壤肥沃，含水率高，抗旱性强，可作为高产稳产的基本农田。根据黄河水利委员会2002年实测资料，淤地坝的粮食单产是梯田的2到3倍，是坡耕地的6到10倍，其年均粮食单产约为450 t/km2，最高可达1 050 t/km2左右[20]。据报道，黄土高原淤地坝坝地面积占黄土高原耕地面积的9%，提供了20.5%的粮食总产量。此外，根据《黄土高原综合治理规划纲要》估算[21]，到2030年黄土高原将有114607座淤地坝，形成淤积土地约2 109.6 km2，每年提供粮食约182万t。

区域粮食自给自足，对黄土高原区，尤其是黄土丘陵沟壑区的粮食安全至关重要[29]。该区域人口众多，粮食需求量大，依赖贸易不能保证区域粮食安全。当主产区的粮食产量因极端气候事件而大幅下降时，过度依赖区域粮食贸易可能导致区域粮食供应不足[30]。此外，由于山区交通和贸易不发达，农民通常选择种植而不是购买粮食来满足他们的需求[9]。最后，根深蒂固的小农思想使山区农民仍然保持低强度、低产量、低利润的自给自足的农业生产模式[31]。

3.3 复耕问题及植被恢复的可持续性

根据预测结果，虽然新一轮退耕还林还草工程对黄土高原区的粮食供应没有产生显著的负面影响。但由于设定的粮食自给自足阈值0.90仅仅是保证区域粮食自给自足的最低标准，由植被恢复带来的区域粮食供应不足所产生的负面影响仍然需要关注。高于预期的植被恢复将直接影响弱势群体(贫困、低教育程度和老龄化)的粮食供应和生计问题[8]。当有粮食补贴时，他们可以继续维持退耕还林还草。而粮食补贴一旦停止，植被恢复增加了弱势群体的生存风险，已经恢复的土地则面临复耕的风险[7,32]。黄土高原区是弱势群体相对集中的区域。根据2014年数据估算，在679个贫困县中，有20%以上的具有严重老龄化特征的贫困县集中在黄土高原、四川盆地和云贵高原[33]。这些山区的贫困老人不能或不愿意外出务工，强烈依赖于周围的环境资源，通常选择开垦更多的坡耕地来养家糊口。此外，大量关于退耕还林还草工程的问卷调查数据(包括第一轮和新一轮)显示，为满足粮食需求和维持生计，11.8%～60%的农民已经复耕或有复耕意愿。一旦植被恢复项目威胁到当地农民的生计，减少了当地农民的利益，农民往往会选择复耕[34]。而一旦复耕，农民将不会再选择退耕还林还草。复耕对植被恢复造成的破坏是不可逆转的，会使几十年的植被恢复成果毁于一旦，且进一步导致农民重新陷入越耕越穷，越穷越耕的贫困陷阱。