中国城市扩张导致的耕地粮食生产潜力下降：空间异质性及其驱动机制

《Journal of Cleaner Production》：Urban expansion-induced cropland grain production potential loss in China: Spatial heterogeneity and driving mechanisms

中国城市扩张对农作物生产潜力的影响研究显示，1980-2020年经历了“缓慢启动—快速强化—逐步回落”的演变，2000-2010年达到峰值，累计损失约2.475×10^7吨。空间上呈现高强度高潜力损失区（东部沿海、华北平原）与低强度低潜力区（西部山地）的分异特征，驱动因素包括人口密度、经济发展等，地形复杂区域存在负向约束。预测2030年耕地面积微增但仍有3.93×10^4平方公里被侵占，高敏感区需加强监管。摘要分隔符

　　

作者：双庆生、张中倩、黄金川、卢国阳

中国科学院地理科学与自然资源研究所，北京，100101，中国

摘要

中国快速城市化进程中的城市用地扩张对耕地和粮食生产潜力产生了深远影响。本研究结合了1980–2020年的土地利用遥感数据（CNLUCC）和耕地生产潜力数据集，构建了一个耦合框架，用于分析城市用地扩张强度（I-ULEC）与耕地粮食生产潜力损失（CGPPL）之间的关系。通过四象限分类法探讨了其时间演变、空间差异及驱动机制，并预测了2030年基准情景下的潜在影响。研究结果表明：（1）1980至2020年间，城市扩张呈现出“缓慢启动—快速加剧—逐渐下降”的阶段性特征，2000–2010年为高峰期；在此期间，耕地潜力损失达到1.16×10^7吨（占同期潜在总量的0.136%），相比1990–2000年增加了3.3倍，随后在2010–2020年下降至6.35×10^6吨（占0.075%）。40年内的累计损失约为2.475×10^7吨，相当于总潜力的0.29%，表明存在持续的潜在压力。（2）高扩张强度-高潜力损失区域主要分布在东部沿海地区、华北平原以及东北部、新疆和甘肃的部分地区，而低扩张强度-低潜力损失区域则集中在中西部山区，这反映了优质耕地的选择性占用和空间结构差异。（3）多变量回归分析（MGWR）显示，I-ULEC、人口密度、经济发展、交通便利性和优质耕地比例对CGPPL有显著的正向影响，而地形因素在复杂地形中则起到负面制约作用。这些驱动因素的强度和方向在不同区域存在差异。（4）2030年基准情景下，全国耕地面积预计略有增加至1.78×10^6平方公里，城市用地面积增至7.72×10^4平方公里，其中3.93×10^4平方公里的耕地被侵占（占2020年耕地面积的2.2%）。高扩张强度-高潜力损失区域的潜在压力预计将增加约5%，虽低于历史峰值，但仍需重点关注这些区域进行监管。总体而言，城市用地扩张对耕地的影响具有阶段性、结构差异性和空间异质性。这些发现提示，土地利用规划和耕地保护政策应同时考虑扩张强度和粮食生产潜力，以实现差异化管理，保障粮食安全并支持可持续城市发展。

引言

近几十年来，全球城市化进程显著加快，城市空间的快速扩张成为土地资源重组的关键驱动因素（Jing等，2022；Qiu等，2020）。研究表明，2000至2030年间全球耕地面积可能减少1.8%–2.4%，主要粮食作物的产量将下降3%–4%，尤其是亚洲和非洲等快速城市化的地区受影响更为严重（Bren d’Amour等，2017）。根据联合国的预测，到2050年全球城市人口占比将超过70%。在这种趋势下，城市扩张与耕地资源之间的结构性矛盾可能会加剧，对全球粮食安全和实现可持续发展目标（SDG 2：零饥饿；SDG 11：可持续城市和社区）构成持续挑战（Citaristi，2022；Sheng等，2025；Zimmerer等，2021）。现有研究主要从耕地面积损失或粮食生产响应的角度评估耕地变化，通常假设单位面积耕地生产力均匀。这些假设掩盖了耕地生产潜力的显著空间异质性，限制了对城市扩张导致粮食生产能力损失的深入理解（He等，2017；Hu等，2020）。

在中国快速城市化的背景下，这些问题尤为突出。自20世纪80年代以来，城乡地区的建设用地持续扩张，对耕地资源的压力不断加大，耕地转化为城市用地的问题日益突出（Liang等，2022；Sheng等，2025）。预测显示，到2035年耕地面积和城市用地面积将分别增加0.54%和8.26%，到2050年这一增幅预计将达到1.22%和10.74%（Sheng和Song，2026）。尽管在土地使用管理和征用补偿政策的作用下，耕地总量相对稳定（Lin等，2025），但城市扩张仍偏好占用农业条件优越的耕地。这种模式进一步加剧了城市发展与粮食安全之间的矛盾（Deng等，2011；Sheng和Song，2026）。以往研究主要关注城市扩张的速度、规模和空间模式，但大多仅分析耕地面积损失，很少考虑被转化耕地的生产潜力空间异质性，因此未能揭示同等面积耕地转化所带来的潜在粮食生产损失差异（Huang等，2020；Tu等，2023；Wu等，2024）。

近年来，一些研究开始结合粮食生产潜力指标或作物生长模型，利用遥感数据评估耕地质量和粮食供应能力，从而扩展了对耕地转化影响的分析视角（Han等，2024；Shen等，2023；Sheng和Huang，2025b）。然而，这些研究大多仅关注粮食生产潜力的静态分布，或将其视为背景变量，缺乏将生产潜力与城市扩张导致的耕地占用明确结合的系统分析框架（Liu等，2025；Sheng和Huang，2025b；Wang等，2021）。特别是在国家层面和多时间尺度分析框架下，关于城市扩张在县级层面引起的耕地转化、量化相关粮食生产能力损失以及进一步探讨空间异质性和驱动机制的研究仍较为有限。

为填补这些研究空白，本研究以1980–2020年中国为研究对象，系统分析了城市用地扩张引起的耕地转化的时空演变及其在县级层面的潜在粮食生产损失。具体而言，本研究：（1）从速度和强度两个方面分析了城市扩张对耕地占用的演变；（2）基于农田生产潜力数据评估了转化耕地的潜在粮食生产能力及空间差异；（3）构建了强度-潜力损失四象限分类框架，以识别不同区域类型及其空间特征；（4）在现有发展路径假设下模拟了2030年城市扩张对耕地粮食生产潜力的潜在影响。通过建立包含“面积量化—生产能力评估—类型分类—空间差异—未来模拟”的综合分析框架，本研究旨在量化城市扩张对耕地资源和潜在粮食生产的影响，为制定差异化的耕地保护策略和可持续粮食安全治理提供前瞻性见解。

研究区域

本研究涵盖了中国整个领土，以县级行政区为主要分析单位，涵盖了全国主要的耕地和城市发展区域（图1）。中国地形呈西高东低的三级梯度分布，山脉、高原和丘陵占陆地面积的约67%。该国自然条件高度异质，气候受东亚季风影响显著。

方法论

为系统研究城市用地扩张对耕地占用的影响及其对粮食生产潜力的影响，本研究提出了一个综合分析框架，包括“空间识别—特征量化—生产潜力评估—类型分类—驱动因素模拟”（图2）。研究使用了1980–2020年的土地利用数据和转换矩阵，以界定城市扩张引起的耕地转化的空间流动和时间演变。

城市扩张引起的耕地占用的时空模式

1980至2020年间，中国耕地总面积基本保持稳定，介于1.76×10^6至1.79×10^6平方公里之间，仅有小幅波动。相比之下，城市用地在同一时期经历了快速扩张，呈现出明显的时间阶段性。2000–2010年是城市增长最密集的阶段，城市用地面积从3.31×10^4平方公里增加到6.35×10^4平方公里，增长了91.6%。在此期间，城市扩张占用的耕地面积...

城市扩张侵占耕地的阶段性演变及其机制变化

1980至2020年间，中国城市扩张侵占耕地的过程呈现出明显的阶段性特征。这一过程并非线性累积，而是遵循“逐步增长—快速加剧—相对下降”的轨迹。2000–2010年是关键转折点，扩张强度和耕地粮食生产潜力损失均达到峰值，潜在损失显著增加。

结论

1980至2020年间，中国城市扩张侵占耕地的过程呈现出明显的阶段性演变，特征为“缓慢启动—快速加剧—逐渐下降”，2000–2010年是扩张速度、扩张强度和潜在粮食生产损失同时达到峰值的时期。2020–2030年的情景模拟表明，全国耕地粮食生产潜力预计将从2020年的8.38×10^8吨下降至8.21×10^8吨。

CRediT作者贡献声明

双庆生：撰写——初稿撰写、软件开发、方法论设计、数据整理、概念构建。张中倩：撰写——初稿撰写、软件开发、资金筹集、数据整理、概念构建。黄金川：撰写——审稿与编辑、可视化处理、项目监督、软件开发、资金筹集。卢国阳：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论设计、资金筹集、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。