文章题目：The potential role of abandoned cropland for food security in China
发表期刊：Resources, Conservation & Recycling
影响因子：11.2
第一单位：中国科学院地理所
在线日期：2024-11-07
全球粮食安全问题日益严峻，尤其在政治冲突、气候变化和疫情等因素的共同影响下，全球粮食短缺问题不断加剧。实现“零饥饿”已成为联合国可持续发展目标中的重要任务之一，而粮食安全不仅是国家发展的基础，也直接关系到社会的稳定与经济进步。作为世界第二人口大国的中国，尽管粮食安全一直是国家重点关注的议题，但人均耕地面积仅为0.1公顷，远低于全球平均水平，这对粮食生产形成巨大压力。扩展耕地成为增加粮食产量的重要途径，包括开垦新的耕地和重新利用废弃耕地。相比之下，再耕废弃农田对生态环境的影响相对较小，但现有关于弃耕农田再利用潜力的研究较为有限，尤其是在中国地区缺乏对其再耕适宜性的系统性评估。弃耕农田的适宜性取决于多种因素，如土地的肥力、降水条件、经济可行性等，而这些因素的评估有助于科学规划弃耕农田再利用，提升中国粮食生产的潜力。
本研究聚焦中国弃耕农田的再耕潜力，通过优化的机器学习方法评估弃耕农田的适宜性，并模拟不同作物种植模式，以期为决策者提供科学数据支持，从而制定合理的种植策略和粮食储备政策，以减缓中国的粮食安全压力。此外，研究还填补了关于废弃农田再利用潜力评估的知识空白，有助于其他国家在农业土地利用和粮食安全方面提供借鉴。
研究采用了三个主要步骤：（1）基于1990年至2022年的土地覆盖时间序列数据，识别并绘制中国废弃耕地的空间分布图；（2）利用机器学习模型评估废弃耕地的再耕适宜性，通过历史再耕实例作为训练样本，并优化模型参数；（3）模拟不同作物种植模式下的粮食生产潜力，以评估废弃耕地在不同情景下对粮食安全的潜在贡献。
研究结果显示，2022年中国弃耕耕地总面积达到了3120万公顷，占全国耕地总面积的16.49%。利用机器学习模型预测发现，其中82.54%的弃耕耕地具有再耕潜力，特别集中在东北地区的中部以及黄河上游的区域。这些区域的气候条件较为适宜，且经济条件相对不发达，劳动力外流问题导致了土地的废弃。弃耕耕地的再耕适宜性评估结果展示了较高的准确性，模型的AUC值达到0.875 ± 0.002，较全球类似研究的AUC值高出10.76%。
在当前种植模式下（S1情景），弃耕耕地每年可生产约1.62亿吨粮食，其中马铃薯、玉米和水稻产量位居前列，提供的总能量约为2×10¹⁴千卡，能够养活约1.79亿人一年。进一步优化作物种植模式，通过产量最大化和能量最大化策略，弃耕耕地的生产潜力显著提高。在产量最大化情景下（S2），弃耕耕地的平均产量提高了24.95%，提供的能量增加了21.30%；在能量最大化情景下（S3），废弃耕地的能量供应增加了43.14%。这种种植模式的调整尤其能提高东北和黄河上游地区的粮食产量。
本研究提出，中国的弃耕耕地在不同种植情景下具有巨大的粮食生产潜力，通过合理的政策支持和经济激励措施，可以有效推动弃耕耕地的再耕利用，缓解中国的粮食安全压力。此外，研究结果为其他国家或地区开展弃耕耕地再利用提供了参考，也为未来进一步优化土地资源利用、提升粮食自给率奠定了基础。
图1.本研究的总体流程。
图2.1990—2022年中国弃耕耕地时空动态。
图3.中国弃耕农田复耕适宜性建模。
图4.三种情景下的县级 YR 值。YR定义为一个栅格内作物的产量与中国该作物最高可实现产量之比。
图5.三种情景下的县级能源供应。
