【文献分享：耕地利用与保护（四）】管理中国细碎化耕地以获得环境和经济效益

耕地细碎化导致生产力低下，撂荒风险高。利用详细的土地利用图上的空间统计数据，发现由于空间限制，中国10%的耕地没有潜力进行大规模耕作（>10公顷）。这些细碎化的耕地只占作物总产量的8%，却使用了15%的氮肥，导致中国12%的肥料损失。优化细碎化耕地种植结构以满足中国动物食品需求，可使动物食品供应量增加19%，相当于按比例增加耕地。这种作物转换方法将使氮和温室气体排放量分别减少10%和101%，每年可产生70亿美元的净效益。如果将这些细碎的耕地重新整治，形成大规模的耕作单位，牲畜、蔬菜和水果的产量将分别增加8%、3%和14%，活性氮和温室气体的排放量将分别减少16%和5%，每年的净效益为440亿美元。这两种解决方案都可以通过提高农业生产率来实现粮食安全、经济效益和环境保护之间的协同效应，而无需扩大总体耕地面积。

1.细碎化耕地

本研究将“耕地细碎化”定义为空间连续面积小于10公顷的耕地。据预测，中国将有13Mha的细碎化耕地（约占全国耕地总面积的10%），无法通过土地整理聚合成大规模的连通耕地（图1a、b）。根据中国各地的国情调整大尺度土地面积标准，从2公顷到15公顷不等，将导致耕地分散，占全国土地总面积的9-17%。此外，耕地面积的形状在实现规模化生产方面也起着一定的作用，但由于数据限制，本标准未将其考虑在内。2017年，这些分散的耕地分别生产了8.7、2.0、0.7和2.0Mha的谷物、蔬菜、水果和经济作物（如棉花、糖、油籽等）。这些耕地仅占全国作物总产量的8%，其中谷物、蔬菜、水果和经济作物的产量分别占7%、10%、10%和11%（图1c、d）。然而，它们消耗了15%的总氮肥（图1e、f），并导致12%的总氮损失，分别有13%、11%和10%的NH3、NO3和N2O排放（图1g、h）。

细碎化耕地的生产力低下可归因于两个主要原因。（1）破碎耕地以坡地和阶地为主，平均海拔684m和坡度9°，显著高于国内其他耕地平均水平（573m和5°，P<0.01）。这限制了某些农业作业，对农民构成安全隐患，并增加了水土流失的风险。此外，细碎化耕地与其他土地用途相交，不可能合并成连续的、更大的耕地区域，从而限制了更有效、更大规模的运营。大约78%（10Mha）的细碎化耕地与草原相交，主要位于内蒙古和中国西南部。另外15%（2Mha）与森林相交，集中在成都平原。其余7%（1Mha）与建成区相交，主要分布在长三角、珠三角和成渝经济圈（图2）。耕地细碎化的空间分布与废弃耕地的空间分布呈显著相关，强调其被遗弃的可能性及其对国家粮食安全的间接影响。

2.优化方案有利于粮食安全

制定了两种优化方案，即OCS和DC，以确保整体耕地面积保持不变。OCS情景涉及根据中国整体粮食需求和周边土地利用调整种植结构，促进规模化养殖。与草地、林地和建成地相交的细碎化耕地将分别用于生产饲料、水果和蔬菜，重点是大规模经营。目前，我国粮食生产已实现自给自足，但43%的国内主食用于畜牧饲料，仍不足以满足我国畜牧饲料需求。进口牛肉占中国总需求的25%，明显高于猪肉，猪肉进口约占全国总需求量的7%。因此，根据当前的供需平衡，优先考虑牛肉生产而不是猪肉生产是一个合乎逻辑的选择。在OCS情景中，10.4Mha与草原相交的细碎化耕地用于喂养牛，根据牛饲料配方，分别有7.3Mha和3.1Mha用于生产草料和谷物（图3a）。如果畜牧场与内蒙古和西南高原的牧草生产分布相结合，这将与奶牛和牦牛养殖的热点地区相匹配，并有助于建立适合大规模养殖的牲畜和耕地单位。同时，假设在细碎化耕地（~8.7Mha）上种植的谷物在传统需求下用于喂养猪，并且还提供了与OCS情景相当的基线。

与林地和建成地相交的细碎化耕地分别生产水果（2Mha）和蔬菜（1Mha）。在OCS情景下，虽然零散耕地的谷物饲料和蔬菜产量将分别减少65%和45%，但肉类和水果产量将分别增加19%和212%（图3b、c）。水果和蔬菜的生产变化符合中国的进出口要求，因为中国在过去5年中一直是水果净进口国和蔬菜净出口国。新的蔬菜生产主要区域将主要分布在长三角、珠三角和成都平原，这些地区的位置也较好，可以满足这些地区城市居民的蔬菜需求。因此，虽然直接谷物饲料生产将减少，但全链粮食生产将增加，并且基于更有效的粮食结构和空间分布。总体结果不仅是减少谷物饲料、肉类和奶制品的进口，而且缓解水果和蔬菜生产和消费之间的不平衡。

DC情景假设细碎化耕地将完全恢复为自然土地利用，同时从适合大规模耕作的地区的自然土地上开垦相同面积的耕地（图3d）。结果表明，内蒙古和西南地区零散的耕地将恢复为自然地，而东北平原、长江中下游平原和成都平原将开垦新的耕地，这些地区耕作条件较好，海拔坡度明显降低（P<0.01）。虽然在土地复垦的早期阶段，作物产量最初可能较低，但从长远来看，预计它们将超过零散的耕地。“退耕还林”已经成功运行了二十多年，正在进行的花园和林地转变为耕地也表明了DC情景的潜力和可行性。如果DC情景完全实施，谷物、蔬菜、水果、经济作物和畜牧业产量将分别增加8%、3%、6%、14%和8%（图3b、e）。

3.减少活性氮损失

为了解这两种情景对农业可持续性的影响，在以下各节中量化了两种情景下氮收支和温室气体排放的变化情况。对碎片化耕地系统中整个氮循环的分析表明，优化情景可提高氮利用效率（NUE）并减少整个粮食生产链的整体氮损失。与BAU情景下的“粮-猪系统”相比，OCS情景下的“草料-粮-牛系统”的氮损失将增加124GgN（+52%），其中NH3、NO3-和N2O分别为79、33和12GgN（图4a、b）。然而，与BAU情景相比，OCS情景下全生产链的总氮损失将减少139GgN（−9%），全链NUE从38%增加到65%。一方面，牧草产量的NUE（64%）高于粮食产量（49%）；另一方面，牛产生的大量粪便可以直接用于草料生产，从而减少35%的合成肥料使用。“草粮牛系统”耦合，大大减少了内蒙古的氮损失，有利于中国北方生态脆弱地区的环境保护（图4e）。

与OCS情景下的总氮损失相比，DC情景下的总氮损失将进一步减少244GgN（−16%）（图4d），其中畜牧生产阶段增长8%，种植阶段减少21%。在DC情景下，新开垦的耕地具有更好的耕作条件，有可能为动物生产更多的谷物，随着畜牧业产量的增加，导致畜牧业生产阶段的氮损失增加。然而，新开垦的大规模耕地可以减少氮肥的使用，从而通过更好的农业管理来减少氮损失。从空间上看，东北平原、长江中下游平原和成都平原的氮损失增加，内蒙古减少，反映耕地的迁移（图4f）。

4.增加碳固存

在OCS情景下，如果“草料和谷物-牛系统”取代细碎化耕地的“谷物-猪系统”，肠道发酵的温室气体排放量将增加约24TgCO2eq，粪便管理的温室气体排放量将减少15TgCO2eq（图5a）。同时，由于作物种植面积的减少减少了CH4排放，以及化肥施用变化导致的直接和间接N2O排放减少，种植系统中的温室气体排放量将减少15TgCO2eq（-42%）。此外，由于7.3Mha耕地转为草地，陆地碳汇将增加53TgCO2eq，这可以抵消种植阶段的温室气体排放总量。总体而言，通过OCS将减少101%的温室气体排放，这表明OCS情景可以实现温室气体中和。碳封存热点分布在内蒙古和中国西南地区（图5c）。

在DC情景下，耕地的搬迁将导致温室气体排放量的小幅过度减少（-3TgCO2eq，-5%），主要是因为它不会改变不同土地利用的总面积和这些土地上的生产过程（图5b）。一方面，由于畜牧业产量增加，开垦的大规模耕地增加了谷物和秸秆，农业过程中的温室气体排放量略微增加了2TgCO2eq（+8%）。另一方面，新耕地的大规模耕作将减少化肥的使用量，从而减少直接和间接温室气体排放量5TgCO2eq（-13%）。从空间上看，温室气体排放的热点与氮损失一致（图5d）。

5.成本效益分析

氮循环和温室气体排放的变化将导致人类和生态系统健康的成本和效益。计算了所有方案的实施成本和由此产生的收益。与BAU情景相比，OCS与明确的影响成本无关，因为它只需要对整个生产链进行边际变化，但与BAU相比，OCS的总收益为70亿美元。由于养牛的净利润是养猪的36倍，农产品净值将同比增加50亿美元（+33%）（图6a、b）。同时，健康和生态效益将每年增加20亿美元，因为NH3和NO3-的减少可以减少空气和水污染及其相关的人类健康损害。气候效益计算为4亿美元，主要来自草原碳封存的加强。

在DC情景下，实现耕地复垦和重新造林将需要大约220亿美元（图6c）。然而，由于通过节省化肥和节省劳动力增加经济回报，提高粮食生产的产值，以及减少氮污染和温室气体排放，以及对人类和生态系统健康以及气候变化的多重好处，重新安置耕地以实现大规模耕作将带来约660亿美元的总效益。

6.政策意涵及可行性

由于农村向城市的迁移和人口老龄化，由于缺乏大规模农业所需的现代农业设施，加速了对耕地细碎化的放弃。优化这些耕地的管理至关重要，在中国，循证决策至关重要。细碎的耕地生产力低下是农民无法维持生计的主要原因，导致耕地被遗弃。尽管中国政府已采取措施遏制耕地荒废，包括停止农业补贴和开垦荒地等处罚措施，但由于这些措施对农民整体收入的经济贡献很小，因此效果有限。

细碎化耕地效率低下的主要原因是作物类型与其空间位置不匹配，主要在丘陵地区观察到。尽管采取了梯田等措施，但现代机械化农业仍然具有挑战性。转向饲料作物种植或专注于肉类生产更符合现代实践和饮食趋势。此外，丘陵地区的土壤肥力低限制了生产力。虽然田间一级的改进产生了一些影响，但丘陵地区的生产力仍然落后于平坦地区的生产力。调整作物类型或耕地空间分布可以从根本上解决这些问题。这两种调整方案已被证明可以提高整个作物和畜牧业生产链的生产力，减少对环境的负面影响，并每年产生100-400亿美元的经济效益。这不仅可以减少耕地荒废，还可以帮助农民消除贫困。区域规划可以根据自然资源、饮食习惯和环境压力进行调整。

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责编：巩晓曦

文字：刘   硕

排版：杨婉怡

校对：刘双瑜