气候变化和土地利用变化对中国冬小麦可耕种面积的影响及其经济效益

《Land Use Policy》：Impacts of climate and land use changes on the cultivable area for winter wheat and their economic benefits in China

本研究利用HSI方法分析气候变化和土地利用变化对冬小麦种植面积及经济收益的影响。结果表明：气候变化使潜在适宜种植面积减少6.2%（RCP4.5）和3.1%（RCP8.5），而土地利用变化增加种植面积37.0%（RCP4.5）和23.4%（RCP8.5）；经济收益方面，RCP4.5下达59.84亿美元，但气候变化导致损失9.3亿和6.7亿。结论指出土地利用变化可缓解气候影响，建议优化土地规划和灵活转让策略。

　　

孙浩伟|王丽

山西农业大学，太原，山西 030031，中国

摘要

确保有足够的耕地对于实现国家粮食安全至关重要。气候和土地利用的变化对可用于作物生产的土地面积有着深远的影响。本研究采用高稳定性指数（HSI）方法，旨在：（1）分析气候变化对冬小麦潜在适宜种植面积的影响；（2）确定气候变化和土地利用变化对未来冬小麦可耕地面积的影响；（3）评估这些因素导致的可耕地面积变化所带来的经济效益。结果表明，在RCP4.5和RCP8.5情景下，气候变化将分别使潜在适宜种植面积减少6.2%和3.1%。土地利用变化则分别使可耕地面积增加37.0%和23.4%。气候变化会导致冬小麦的潜在适宜种植区和可耕地面积分布更加分散。与基准期相比，土地利用变化在RCP4.5情景下可能带来高达598.4亿美元的年均经济效益，在RCP8.5情景下则为395.8亿美元。相反，在RCP4.5和RCP8.5情景下，气候变化也可能分别导致高达93亿美元和67亿美元的年均经济损失。未来的土地利用变化有可能缓解或抵消气候变化对冬小麦种植区的不利影响。考虑到土地所有权对田间管理、土地恢复、土地转让和土地碎片化的影响，结合更清晰的土地利用模式顶层设计和更灵活的土地转让策略，将有助于农业用地更好地抵御气候变化的不利影响。本研究为政策制定者在应对气候变化和土地利用变化背景下的粮食安全问题提供了宝贵的见解。

引言

俄罗斯和乌克兰是两个主要的粮食出口国，它们之间的冲突显著加剧了全球通货膨胀和谷物价格（Carriquiry等人，2022年；Mottaleb等人，2022年；Zhou等人，2023年；Sun等人，2023b年）。随着全球紧张局势和地区争端的加剧，越来越多的国家将粮食安全作为优先事项。确保有足够的适宜种植面积对于一个国家粮食安全的健康稳定发展至关重要。在中国，政府启动了多项计划，如“良田”计划和“18亿亩（相当于0.0667公顷）耕地红线”，以确保耕地的充足性。这些努力凸显了中国在维持足够耕地资源以实现粮食自给自足方面的重视。通过扩大和改善耕地，这些计划体现了中国在全球不确定性面前保障粮食安全的决心。

小麦是全球三大主要粮食作物之一，在提供全球约20%的热量和蛋白质摄入量方面发挥着关键作用（Sun等人，2023a年）。对于约25亿低收入人群来说，小麦尤为重要（Shiferaw等人，2013年；Sun和Wang，2024年）。中国贡献了全球17.6%的小麦产量，使其不仅是主要生产国，也是这一重要谷物的最大消费国（FAO 2022年统计年鉴）。凭借每年1.36亿吨的产量和2300万公顷的种植面积（中国统计年鉴2022年），中国在全球粮食供应链中占据重要地位。因此，保持中国广阔的小麦种植面积对于全球粮食供应的可持续发展和确保全球粮食安全至关重要（Sun和Wang，2024年）。

为了评估适宜的作物种植面积，研究人员通常使用两种主要方法：物种分布模型（SDMs）和基于指标的统计方法。SDMs研究物种的空间分布与其影响因素之间的关系（Peterson等人，2011年）。这些模型越来越多地被用于评估作物适宜种植面积，特别是在气候变化的背景下。例如，Mugiyo等人（2022年）使用MaxEnt模型预测南非夸祖鲁-纳塔尔省未来适合种植芋头的面积将会减少。同样，Evangelista等人（2013年）利用MaxEnt模型预测埃塞俄比亚四种主要作物中大麦的种植面积将大幅减少。Guga等人（2021年）使用同一模型分析了中国广西省2000年代至2010年代间甘蔗的分布范围，并发现气候适宜性呈下降趋势。Jiang等人（2022年）进行了一项综合研究，结合了SDMs、作物模型和全球气候模型，发现SDMs在预测小麦产量方面引入了最大的不确定性。Yu等人（2022年）指出，中国杂交稻的总潜在种植面积为1869万公顷。相比之下，基于指标的统计方法提供了另一种确定适宜种植区域的方法。例如，Yang等人（2015年）利用年累计温度高于0°C的数据表明，多熟制种植系统向北迁移可以提高全国谷物产量。

HSI常用于培育优良作物品种和优化田间管理的研究中。Li等人（2021年）应用HSI来确定理想的种植日期和马铃薯品种，得出延迟种植可以提高产量和稳定性的结论。最近，HSI也被用于评估作物种植的适宜性。例如，Zhao和Yang（2018年）使用APSIM模型模拟的HSI来确定玉米种植的最佳和适宜区域。此外，Sun等人（2023c）利用HSI评估了河南省县级范围内的夏季花生的气候适宜性。在我们之前的研究中，我们开发了HSI方法来估算1999-2019年中国冬小麦的潜在适宜种植面积。

然而，关于气候变化和土地利用变化对冬小麦可耕地面积影响的研究仍然有限。基于此，目前尚不清楚应采取何种土地利用策略来应对气候变化的影响。因此，本研究采用HSI方法来解决这一局限性。本研究的目标有三个：（1）分析气候变化对冬小麦潜在适宜种植面积和可耕地面积的影响；（2）评估气候变化和土地利用变化对未来冬小麦的影响；（3）评估这些因素导致的可耕地面积变化所带来的经济效益及其政策含义。

研究框架

在本研究中，冬小麦的可耕地面积包括冬小麦潜在适宜种植面积（高度适宜、中度适宜和不适宜）以及耕地土地利用类型。气候变化的影响是指由于主要气候要素的变化，导致冬小麦潜在适宜种植面积内的耕地分布范围和面积的变化，而不考虑未来的土地利用变化（假设土地使用保持不变）

未来的气候变化

如表1所示，影响冬小麦HSI值的关键气候指标预计会在全国范围内发生变化。总体而言，未来气候情景表明温度和降水量将升高，极端事件的发生频率将增加，年际变异性将增大。Tmax预计从基准期的11.7±0.01°C分别增加到RCP4.5下的12.7±0.01°C和RCP8.5下的13.0±0.01°C。RX1Day_sd预计也将增加

HSI方法在土地利用研究中的优势

准确预测气候变化对作物潜在分布面积的影响对于适应和缓解全球环境变化的负面影响以及确保粮食安全至关重要（Yue等人，2019年）。特别是在全球变化的背景下，许多国家面临与粮食生产、城市发展和生态保护相关的挑战。确定作物的适宜种植区域对于空间规划和平衡这些方面至关重要

结论

我们使用HSI方法量化了气候变化和土地利用变化对冬小麦可耕地面积的影响。研究表明，在RCP4.5和RCP8.5情景下，气候变化将分别使冬小麦的潜在适宜种植面积减少约6.2%和3.1%。在中国，土地利用变化将分别使冬小麦的可耕地面积增加37.0%和23.4%。气候变化将减少冬小麦的可耕地面积

作者贡献声明

王丽：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，资金获取，概念构思。孙浩伟：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，软件应用，方法论，数据分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42377318和U24A20629）的支持。我们感谢澳大利亚新南威尔士州初级产业部的Deli Liu教授提供的降尺度数据。