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为了科学评估中国食物供给现状和变化趋势,模拟预测未来气候变化条件下的食物供给情景,该论文对国内外土地承载力、食物生产潜力、食物安全现状、主要食物来源、食物实际生产量及其变化趋势,以及耕地、水资源、气候变化等影响食物生产的因素和相关研究方法进行了分析和总结,在此基础上,收集整理和对比现有的食物供给模拟分析方法,建立了包含以下8个模型在内的食物供给模拟分析方法体系:食物营养转化模型、食物供给能力计算模型、食物营养供给平衡模型、食物供给平均中心计算模型、食物潜力转化率计算模型、食物供需平衡指数模型、食物供给人口压力计算模型以及食物供给情景模拟分析模型。
首先,运用ArcGIS空间分析工具对全国1980—2005年的耕地、草地、水域等生态系统的食物产量和进出口食物总量的调查统计数据进行空间化处理,做成以县域为多边形边界的矢量图,同时结合土地利用图进行1km栅格化。分别计算1980-2005年全国耕地、草地、水域、进出口的食物供给情况,并利用食物营养转化模型将各来源食物折算成三大食物营养——热量、蛋白质、脂肪,结合不同生活标准下的食物营养消费标准,利用食物供给能力计算模型计算全国总的食物供给总量和人口供养能力,分析各来源食物占食物总量的比例及其多年的发展变化趋势。
结果表明(以2004年为例):中国实际食物总供给量为:热量1.601×1015kcal,蛋白质6163万t,脂肪2717万t。其中,内陆生态系统热量、蛋白质和脂肪的实际供给分别达到了陆地生态系统食物生产潜力的32.46％、38.33％和41.12％,食物供给还有较大的增长空间。三大食物营养的供给中,食物脂肪是薄弱环节,可供给人口数量明显少于热量和蛋白质。经过食物营养供给平衡模型的计算,2004年,在温饱、小康、富裕水平下,中国可以供养的人口分别为:15.34亿,15.00亿和14.11亿,这表明,如果能够进一步调整优化种植结构,合理增加油脂食物的种植或养殖,均衡营养产出比例,中国实际食物供给较为充足。中国的食物供给总量中,农田生态系统食物供给占据绝对主体,但所占份额有下降趋势,从1998年的84.66％,下降到2004年的74.72％；水域和草地食物供给所占份额较小,变化也较小；净进口食物所占份额有上升趋势,1998年仪占4.04％,2004年已达13.82％,这表明我国对进口食物(尤其是豆类和油料类)的依赖程度正在增长,但目前国内的食物供给能力也在持续提高,自给率仍然保持在较为安全的水平。
重点分析了全国农田生态系统水稻、小麦、玉米、大豆、油料五大类食物的产量以及粮食总产的时空格局,并对各类作物、各类营养成分的平均中心进行计算分析,得出各类作物以及食物营养供给的平均中心迁移变化的方向和迁移距离。1990—2005年,我国水稻、大豆、肉类生产的平均中心均有向东北方向迁移的趋势:粮食总产平均中心有北移趋势；玉米生产的平均中心向西南方向有小幅度迁移；小麦和油料生产的平均中心有向东南方向迁移的趋势,但迁移距离均较小；三大食物营养供给的平均中心均有向东北方向迁移的趋势。整体而言,中国的食物供给平均中心位置较人口分布的平均中心靠北,且有往北偏东方向迁移的趋势,而人口平均中心则有向南偏东方向迁移的趋势,这表明我国食物供给与需求存在空间上的不平衡,且这一不平衡仍将持续。未来的食物供给将更加依赖区域之间的流通。以食物供给研究结果为基础,结合全国县域人口数据,利用食物供需平衡指数计算模型和人口压力模型对全国县级和省级的食物供需平衡状况进行时空分析,得到全国的食物供需平衡分布状况和人口压力空间分布格局。结果表明:东北地区的人口压力最小,食物供给有盈余。其次为西南和西北的部分地区,再次为黄淮海地区和长江中下游的部分地区；东南沿海地区、华北地区的京津冀地区等,人口压力较大。西南地区东部和南部、中南地区南部等地综合的食物供给人口压力也较大,而这些地区食物热量和蛋白质供给均充足有盈余,因此人口压力大的原因主要在于这些地区食物脂肪的供给不足,未来应注重提高食物脂肪的供给能力。
利用本研究组在全国生态系统食物供给潜力方面的研究基础,结合实际食物生产数据,本文计算了全国的食物供给潜力转化率(即实现率),并进行分省和和分区的统计分析,结果显示:中国食物供给潜力南高北低,而目前的潜力转化率分布则是北高南低,而食物供给的平均中心却有整体向北迁移的趋势,人口平均中心有南移趋势,这一状况若持续下去则不利于我国长久的食物安全发展,认清这一局势,为我国未来粮食政策的调整提供有效的建议和决策依据。
本文还以我国产粮大省之一的江西省为例,按照上述食物供给模拟分析方法,进行了省级食物供给、人口供养、供需平衡的总量计算和区域时空格局的计算和分析。结果证明,全国尺度的食物供给模拟分析方法体系同样适用于省级。
最后,本文利用并改进生态系统食物供给潜力的逐级修订计算模型,结合SRES HadCM3A1FI,A2和B2的气象数据,以及各项背景栅格数据(太阳辐射、土壤、DEM等),模拟农田和草地生态系统在2010-2039年(T2)、2040-2069年(T3)、2070-2099年(T4)三个时期的食物供给功能情景,并对中国农田生态系统食物供给功能的现实潜力与各情景下的潜力进行分区统计分析。结果表明,在A1FI、A2和B2情景下,全国陆地生态系统的食物供给能力整体上呈快速上升趋势,在T2,T3,T4时期分别可以供养13.2-14.1亿人,15.6-16.3亿人和17.6-18.3亿人(小康的营养供给标准)。B2情景下的食物供给较另外两个情景大。若继续保持目前的食物生产结构,未来中国陆地生态系统食物供给结构将更加不平衡:三类食物营养成分的供给能力差距大,食物热量供给能力最大,蛋白质其次,脂肪最小。东北、西北和华北地区,未来增产潜力小于华东和中南地区,因此对于仍存较大食物供给潜力的华东地区和中南地区,耕地保护、提高农田食物生产力显得尤为重要,对保障中国未来的农田生态系统食物供给持续稳定增长具有重大意义。
该论文整理了食物供给模拟分析方法,并利用其对我国的实际食物供给和人口供养能力及其20多年来的发展变化趋势进行时空分析,对全国人口压力和食物供给潜力转化率的空间格局进行了计算和分析,并对未来的食物供给情景进行了探索性模拟分析,在实践和论证的基础上,发展和完善全国食物营养供给的综合评估模拟方法体系,为全国生态系统食物安全问题提供决策依据。