《Applied Geography》：Addressing spatial imbalance and alleviation strategies in the water–land–food nexus across China
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中国农业水土资源与食物生产存在空间失衡，威胁粮食安全。研究基于335个地级市2000-2020年数据，构建多维度失衡框架，发现水资源下降9.96%，土地下降19.39%，部分城市失衡改善，但区域差异显著。面板回归显示机械化、城市化缓解失衡，而高产量加剧失衡。研究提出新数据库和区域优化策略，促进资源合理配置和粮食安全。
郭娜亮|石晨晨|吴峰
中国科学院地理科学与自然资源研究所，北京，100101，中国
摘要
中国面临着农业水资源/土地资源与粮食生产之间的严重空间失衡问题，这威胁到了国家的粮食安全。为了解决这一问题，本研究分析了335个中国地级城市（2000-2020年）的农业水资源-土地资源和粮食生产数据，以衡量这种空间失衡现象并探讨其背后的驱动因素。采用面板回归模型来分析水资源-粮食和土地-粮食失衡的决定因素。结果显示，在20年间，可用的农业水资源和土地资源分别减少了9.96%和19.39%。值得注意的是，46.76%的城市改善了水资源-粮食失衡情况，而35%的城市改善了土地-粮食失衡情况。回归结果表明，更高的粮食产量、单位面积产量以及农业就业加剧了失衡现象，而机械化和信息化则有助于缓解这种失衡。水资源-粮食失衡与土地-粮食失衡之间的正相关关系表明，两者之间存在相互强化的效应，可能会加速水资源-土地-粮食系统内的空间失衡。本研究提供了一个新的地级农业水资源-土地数据集，并为制定针对不同地区的政策以优化资源配置和加强中国粮食安全提供了依据。
引言
粮食生产是全球粮食安全的基础，是数十亿人的主要营养来源，也是农村生计的重要支柱（Geng等人，2019；Zeng等人，2023）。随着人口快速增长和气候变化的加速，农业系统面临日益巨大的压力，提高粮食生产力对于可持续农业发展至关重要（Dalin等人，2015；Yang等人，2022）。在影响粮食产量的关键因素中，土地和水资源是基础（Li等人，2017；Lu等人，2019；Ren & Ni，2025）。这些资源的可用性及其与生产区的空间协调性在很大程度上决定了农业满足不断增长的粮食需求的能力（Li等人，2024；Struik & Kuyper，2017）。在中国，由于可耕地和淡水的限制，加上空间分配效率低下，粮食产量的提高受到限制（Li & Wu，2025；Song等人，2025；Yang等人，2022）。虽然土地资源管理已经得到了广泛研究，但水资源的空间匹配问题尽管至关重要，却受到的学术关注较少（Güneralp等人，2020；Li等人，2022；Liu & Zhou，2021）。值得注意的是，水资源可用性与粮食生产之间的系统性空间失衡要求有针对性地缓解生产力和可持续土地利用方面的限制（Xu等人，2021，2024）。
鉴于此，一个关键的研究问题是：中国水资源-土地-粮食系统内的空间失衡程度如何？其背后的关键驱动因素是什么？因此，本研究将水资源、土地和粮食生产整合到一个统一的分析框架中。在水资源-土地-粮食框架下，农业可用水资源（在一些研究中也称为“广义农业水资源”）和农业可用土地资源被定义为可用于粮食生产的自然资源禀赋（Fan等人，2025；Yang等人，2022）。空间失衡指的是资源禀赋与生产结果之间的空间错配程度。因此，本研究定义和探讨的“水资源-土地-粮食系统内的空间失衡”是指农业水资源和土地资源的空间分布与粮食生产活动的强度和空间模式不一致的情况。
我们的重点是从供应方面诊断自然资源的分配模式，而不直接考虑城市层面的需求或区域间的粮食贸易。与以往强调利用效率的研究（例如水资源利用效率和土地利用效率）不同，我们关注的是未充分利用或负担过重的水资源和土地资源，为诊断水资源-土地-粮食系统中的空间失衡提供了新的视角，并确定了潜在的缓解途径（Deng等人，2006；Fei等人，2021；Wallace，2000）。量化过剩或超负荷的资源可以帮助农业规划者识别发展机会并优化空间布局（Vargas等人，2023）。类似于研究“资源诅咒”的研究，这些研究探讨了自然财富是否转化为经济增长（Yang等人，2024），本研究评估了资源丰富是否转化为粮食生产，并通过空间不匹配系数来表征这种转化，并探讨了其影响因素。
尽管全球资源分配不合理的认识日益增强，但对水资源-土地-粮食系统失衡的系统性、次国家级实证分析仍然有限。为了解决这一空白，本研究开发了一个多维失衡框架，并将其应用于对中国335个地级城市（2000-2020年）的细致分析。首先，利用灌溉和降水数据量化了农业可用水资源，通过耕地和播种面积统计数据评估了农业可用土地资源。然后，构建空间不匹配系数来捕捉资源禀赋与粮食生产之间的匹配模式。随后，利用面板回归模型探讨了这些指数的决定因素。本研究通过超越单一因素分析，转向一个整合水资源和土地禀赋的多维失衡框架，并提供了比以往在国家或省级层面进行的研究更细致的城市级分析，从而推进了现有研究。
研究区域
中国广阔的领土具有显著的地理、气候和资源异质性，这形成了不同的农业生产模式。基于这些自然和社会经济特征，中国的农业分区被划分为九个主要粮食生产区（图1）：东北平原区（NPR）、云贵高原区（YGPR）、北部干旱和半干旱区（NASR）、华南农业区（SCR）、黄淮海平原区（HHHPR）等。
中国城市中农业可用水资源和土地资源的时空变化
从2000年到2020年，中国的农业总可用水资源减少了9.96%，尽管有45.54%的地区出现了局部增长，部分原因是气候变化和部门间的水资源重新分配。观察到显著的区域差异（图2a）：东北平原区和华南农业区分别增加了22.12%和7.95%，这可能是由于灌溉和水资源管理的改善（Ju等人，2023）。云贵高原区和华南农业区则分别减少了24.44%和23.24%，水资源短缺问题加剧。
水资源-土地-粮食系统空间失衡的区域差异
水资源-土地-粮食系统中的空间失衡表现出强烈的区域差异，特别是在黄淮海平原等地区，这些地区面临严重的水资源短缺问题，郑州和新乡等城市的水资源可用性显著下降，关键粮食生产区的空间不匹配系数超过20%。相比之下，四川盆地和青藏高原地区的情况相对较好。
结论
本研究构建了一个全面的长期数据集，涵盖了中国300多个地级城市的水资源-粮食和土地-粮食不匹配系数，为诊断农业资源分配的空间失衡提供了坚实的实证基础。通过识别水资源和土地资源相对于粮食生产而言是过度利用还是未充分利用的地区，研究结果揭示了潜在的发展潜力以及面临持续资源压力的区域。
作者贡献声明
郭娜亮：撰写——初稿、可视化、方法论、正式分析、数据管理、概念构建。石晨晨：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、概念构建。吴峰：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理和资金筹集。
资助
本研究得到了国家社会科学基金重大项目（项目编号：23&ZD104）和国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3804002）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
