当前位置：首页>南京>南京大学金晓斌教授团队最新发文!新兴经济体未来的粮食需求与农田退化:基于“金砖国家+”的空间系统诊断

南京大学金晓斌教授团队最新发文!新兴经济体未来的粮食需求与农田退化:基于“金砖国家+”的空间系统诊断

2026-03-22 10:11:37

文章基本信息

期刊：Agricultural Systems（中科院一区TOP）
英文题目：Future food demand and agricultural land degradation in emerging economies: A spatial systems diagnosis from BRICS-plus

中文题目：新兴经济体未来的粮食需求与农田退化：基于“金砖国家+”的空间系统诊断

发表时间：2026年
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.agsy.2026.104702

摘要

背景：快速的城市化和饮食结构转型不断推高新兴经济体的粮食需求，这引发了人们对农业系统长期可持续性的迫切担忧。如果忽视土地退化的风险，受生物物理条件的制约，未来各国的粮食安全目标可能难以实现。

目标：构建一个空间显式诊断框架，将国家层面的粮食需求轨迹与金砖国家及伙伴经济体未来粮食主产区的生物物理可行性联系起来，从而识别出需求驱动的生产可能超出土地系统承载能力的区域。

方法：将“全球贸易分析项目-能源”（GTAP-E）模型得出的宏观经济粮食需求预测与反向模式人工神经网络相结合，以估算两个关键的耕地适宜性约束因素：土壤有机碳（SOC）和排水等级。随后，将这些约束因素与基于过程的侵蚀模型相结合，该模型改编自修订版通用土壤流失方程（RUSLE）。通过将未来主要粮食产区与侵蚀强度及SOC/排水阈值叠加，对受土地退化约束下的需求驱动型扩张进行了事后可行性评估。

结果与结论：反演模型表现出强劲的预测能力（SOC 的 R² = 0.9675；排水等级的 R² = 0.8322）。结果表明，未来粮食主要产区中约 17.46%受生物物理约束，难以维持稳定生产，这相当于约13亿吨的潜在粮食供应损失。严重的侵蚀热点在空间上与巴西、印度、中国和埃塞俄比亚的高需求驱动型生产区重合，表明这些关键粮食生产区域的粮食生产潜力将遭受重大损失。

意义：通过将粮食系统需求轨迹与土地退化相关的生物物理阈值明确关联，本研究表明，水土流失风险不仅仅是一种环境结果，更是决定未来粮食需求能否得到可持续满足的关键制约因素。所提出的框架支持实施空间差异化的土地利用治理、优先推进生态修复以及需求侧干预措施（例如饮食多样化及减少收获后损失），并为快速转型经济体中协调农业发展目标与生态限制提供了可推广的工具。

理论框架

城市化推动了居住模式和饮食习惯的深刻转变，催生了更加多样化且资源密集型的食品需求。在许多新兴经济体中，家庭收入的增长正引发饮食模式的显著转变。消费者正逐步减少对主食谷物的依赖，并增加水果、蔬菜、乳制品及动物源性蛋白质等营养密度高、价值高的食品摄入。这些食品的生产通常需要更高的农业投入，且受更严格的生态约束。这些特征引发了人们对资源效率、环境可持续性以及粮食生产系统韧性的严重关切。这些农产品的种植对土地提出了严苛的要求，特别是在土壤有机质（SOC）、排水性、土壤结构和地形稳定性方面。这些参数主导着若干关键的生物物理过程，包括保水能力、养分循环、根系发育能力和抗侵蚀能力。这些过程共同决定了土地的可耕性，同时也决定了集约化、高回报生产系统的可行性和长期可持续性。

满足这一需求不仅仅是增加耕地面积的问题，而是根本上取决于土地是否具备可持续集约化生产所必需的生态属性。因此，土地适宜性在“粮食-土地-环境”三者关联中起着系统性过滤器的作用。它调节着消费驱动的压力如何在空间上表现出来，并界定了哪些地貌能够在不造成退化的情况下容纳耕地扩张。这种适宜性受土壤肥力、水文条件、地形以及气候适应性等相互作用的特性所制约，而这些特性的分布不均导致了全球粮食体系中的结构性失衡。与将土地视为同质且可改良的传统模型相反，农业生态学研究强调某些质量阈值是不可替代的。一旦超过这些阈值，景观可能会产生非线性反应，引发产量崩溃、土壤退化或不可逆的肥力丧失等连锁效应。

在此语境下，土地退化不仅是一种环境症状，更是需求与生态承载力之间日益加剧的脱节所引发的系统性反应。退化现象在边缘地带尤为显著，这些地区常成为粮食系统扩张的目标，而空间错配导致耕作活动侵占了原本韧性较低的景观。这些区域本身并非先天退化，但因土壤有机质含量低、排水不畅、坡度陡峭，以及基础设施压力和保护不足等人为因素，在承受压力时更容易失稳。一旦生态阈值被突破，侵蚀、养分耗竭和水文失衡等退化过程便会迅速加剧，最终削弱长期生产力。

这种概念上的关联可以理解为一个递进的序列：不断增长的城市食品需求推动了农业扩张，而这一过程又遭遇了土地适宜性的限制，最终导致了土地退化的风险增加。在这个过程中，土地适宜性并非是一个静态的环境背景，而是一个积极的调节因素，它将社会经济驱动因素转化为生态结果。这种观点将退化重新定义为一种条件性结果。它不仅仅是管理失败或外部冲击的结果，而是一种在接收区域的生态缓冲能力无法满足需求时出现的系统性指标。这种重新定义要求采用前瞻性的诊断和治理框架，将土地适宜性作为可持续空间规划中的一个限制因素纳入考量（图 1）。

研究框架

本分析聚焦于与陆地耕作及生态扰动直接相关的食品类别，即谷物、蔬菜和水果。由于畜牧产品和水产品对地表土地退化的直接影响微乎其微，因此未将其纳入分析范围。

研究采用三阶段的方法论框架（图3）。第一阶段，在快速城市化发展路径下，利用可计算一般均衡（CGE）模型生成食品需求预测（第3.3.1节）。该情景反映了在“一切照旧”（BAU）发展轨迹下，人口增长和收入驱动的膳食结构扩张。该模型对2050年选定国家及各类食品的食品需求进行了细分估算。这些估算同时涵盖国内生产和国际贸易流量，从而综合反映了国家饮食偏好与跨境农业贸易的双重影响。

在第二阶段，构建了一种空间分析方法，以评估在生产压力加剧的情况下土地系统的脆弱性。该方法纳入了 12个解释变量，包括与土地相关的属性（有机质含量、pH值、阳离子交换容量、砂粒比例、容重和土壤分类）、地形和气候因素（降水量、坡度、朝向和水分指数）以及社会经济指标（人口密度和人均国内生产总值）。这些指标的具体使用情况以及相关的建模设置在第3.3.2节中进行了描述，而每个变量的详细定义、数据来源和访问信息则在补充表1中提供。净初级生产力（GPP）被用作空间缩放因子，将国家级需求缩小到网格单元分辨率，以确保与当地生产力潜力的一致性。采用逆向估计技术来确定能够支持预期生产水平的可能的土地质量条件。这一过程有助于揭示未来农业情景下的潜在环境限制。

在最后阶段，通过采用源自 RUSLE 的生物物理估算框架来评估具有空间特性的土地退化强度。该方法整合了五个关键要素：降雨侵蚀力（R）、土壤易蚀性（K）、坡长和坡度（LS）、覆盖管理因素（C）以及保护措施因素（P）。这些输入来自空间数据集，并通过已确立的实证方法进行计算（第 3.3.4 节）。由此得出的侵蚀强度估计值用于描述土地系统在生产压力下的敏感性以及在需求驱动的农业扩张下潜在的退化风险。

基于这些结果，土地退化强度进一步被纳入对未来粮食主产区的生物物理可用性的评估中。通过将未来粮食生产区域的空间分布与侵蚀强度、土壤有机碳含量和排水条件指数进行叠加，该分析确定了在给定的粮食需求和土地利用扩张路径下可能受到生物物理限制的农田区域，并评估了相关的潜在粮食供应损失。重要的是，此次评估并非单纯关注退化程度本身，而是考察在持续高强度使用的情况下，土地是否仍能维持稳定的粮食安全状况。

未来展望

尽管本研究提出了一个将食物需求轨迹与土地退化风险联系起来的空间诊断框架，但仍需承认其存在一些局限性。

首先，本研究将土壤水蚀作为土地退化的主要表现形式，并未系统地纳入其他退化途径，包括风蚀、盐碱化、土壤结构退化和压实、养分耗竭和酸化、长期土壤有机碳损失、生物退化以及荒漠化。之所以将水蚀作为重点，是因为其在全球范围内的空间覆盖范围广泛，对农田生产力有直接且有充分记录的影响，并且有相对成熟且可重复的建模框架支持，这些框架与各国的情景分析相协调，便于在各国之间进行一致的整合。然而，土地退化本质上是一个多过程的现象。在许多“金砖国家+”成员国中，存在多种退化途径，并且这些途径可能与水蚀相互作用，共同影响农业系统的恢复能力。因此，仅考虑水蚀这一因素，尽管其具有代表性，但可能会导致对某些地区的退化风险评估出现低估或结构偏差，这是本研究的一个重要局限性。

其次，本研究采用了事后空间约束诊断策略。在给定的食物需求和土地利用扩张轨迹下，确定了未来主要粮食生产区域与关键生物物理阈值之间可能存在的冲突，以评估需求驱动型生产布局中的可行性损失。该策略能够描述受约束生产区域的空间分布和范围，以及相关的潜在粮食供应损失。然而，模型框架中尚未充分内化退化过程及其对生产、价格和土地分配动态的长期累积影响。

尽管存在这些局限性，本研究提出的空间诊断框架为前瞻性粮食安全治理提供了一个可扩展的分析平台。未来的研究可以在两个主要方向上进一步完善这一框架。首先，可以引入更多的退化过程，以开发综合的多过程约束指标或基于多源数据的退化诊断框架，从而提高在不同气候区和农业系统中对退化风险的描述的完整性。其次，情景分析可以探索在经济-土地利用模型中对关键退化约束的参数化或部分内生化，从而实现食物系统动态与生态约束之间的更紧密耦合。