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2024 , Vol. 44 >Issue 9: 153 - 162

DOI: https://doi.org/10.15957/j.cnki.jjdl.2024.09.016

三农、土地与生态

面向农食系统碳减排的耕地空间格局优化

  • 黄贤金 , 1, 2 ,
  • 漆信贤 , 1, 2, ※ ,
  • 刘泽淼 1, 2 ,
  • 吴珍 1, 2 ,
  • 李龙 1, 2
展开
  • 1.南京大学 地理与海洋科学学院，中国江苏 南京 210023
  • 2.自然资源部碳中和与国土空间优化重点实验室，中国江苏 南京 210023
※漆信贤（1994—），男，博士，研究方向为可持续土地与食物系统、自然资源利用与可持续发展。E-mail：

黄贤金（1968—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为双碳治理与国土空间优化。E-mail：

收稿日期: 2023-10-13

  修回日期: 2024-05-08

  网络出版日期: 2024-10-31

基金资助

国家社会科学基金重大项目(23&ZD099)

国家自然科学基金项目(42201301)

国家自然科学基金项目(71921003)

江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金项目(BK20220037)

中央高校基本科研业务费专项资金项目(020914380116)

收起

Optimization of Farmland Spatial Pattern for Carbon Emission Reduction in the Agriculture and Food System

  • HUANG Xianjin , 1, 2 ,
  • QI Xinxian , 1, 2, ※ ,
  • LIU Zemiao 1, 2 ,
  • WU Zhen 1, 2 ,
  • LI Long 1, 2
Expand
  • 1. School of Geography and Ocean Science，Nanjing University，Nanjing 210023，Jiangsu，China
  • 2. Key Laboratory of Carbon Neutrality and Territory Space Optimization （Ministry of Natural Resources），Nanjing 210023，Jiangsu，China

Received date: 2023-10-13

  Revised date: 2024-05-08

  Online published: 2024-10-31

Fold

摘要

耕地系统承载着农食系统的土地利用及其生产阶段，创新耕地空间格局优化路径对实现农食系统的碳减排以及协调好粮食安全与气候变化减缓的关系至关重要。文章通过构建气候—耕地—农食系统耦合的碳效应分析框架，厘清了耕地利用与农食系统碳减排的关系以及“气候—耕地—农食”系统的时空耦合协同机理，探索了气候变化背景下以农食系统降碳增汇为目标的耕地空间格局优化路径。结果表明：①“大食物观”背景下的耕地保护转型不仅增加了国土空间对于农食系统支撑的需求，同时也加剧了农食系统应对气候变化的减排压力。②不同尺度耕地空间的规模、结构、功能和布局优化可以从宏观总量和红线管控、中观“两区”划定和后备资源利用以及微观国土整治与“两平衡”方面实现食物系统碳减排。最后，据此提出了加强高生产潜力、低碳生产空间的耕地利用，优化饲养空间布局、建立区域和城市可持续食物系统保障体系，优化耕地空间格局、增强固碳增汇潜力，及以耕地占补平衡和格局优化增强区域内农食系统供需平衡的政策建议。

关键词： 农食系统; 碳排放; 耕地保护; 国土空间优化; 气候变化; 固碳增汇

本文引用格式

黄贤金 , 漆信贤 , 刘泽淼 , 吴珍 , 李龙 . 面向农食系统碳减排的耕地空间格局优化[J]. 经济地理, 2024 , 44(9) : 153 -162 . DOI: 10.15957/j.cnki.jjdl.2024.09.016

Abstract

The farmland system plays a critical role in the land use and production stage of the agri-food system. Innovating strategies to optimize the farmland spatial patterns is essential for achieving the carbon emission reduction of the agri-food system and coordinating the relationship between food security and climate change mitigation. This study establishes an analytical framework of the carbon effects of coupling system among climate,farmland,agriculture and food,clarifies the relationship between farmland use and carbon emission reduction of the agriculture and food system,and explores the optimal path of farmland spatial pattern with the goal of carbon emission reduction and carbon sink enhancement of the agriculture and food system in the context of climate change. The results show that: 1) The transformation of farmland protection under the "Big Food Concept" not only increases the demand for land resources to support the agriculture and food system,but also intensifies the pressure on the agriculture and food system to reduce emissions in response to climate change. 2) Optimizing the scale,structure,function,and distribution of farmland at different scales can contribute to carbon reduction in the agriculture and food system through various approaches,including macro-level control of overall land use and red line, medium-level delineation of key functional zones and utilization of reserve resources,and micro-level land management and the "dual balance" approach. Based on these findings,this paper proposes several policy recommendations: strengthening the use of farmland with high production potential and low carbon output,optimizing the spatial distribution of grazing land,establishing regional and urban sustainable food system support frameworks,enhancing carbon sequestration potential through optimized farmland spatial patterns,and optimizing the spatial pattern of cultivated land,enhancing the potential of carbon sequestration and sink enhancement,improving the balance of supply and demand of agricultural and food system,keeping the requisition-compensation balance of farmland.

Key words： agricultural and food system; carbon emissions; farmland protection; spatial optimization; climate change; carbon sequestration and sink enhancement

IPCC《气候变化与土地特别报告》中将食物系统定义为“所有与食物的生产、加工、分配、准备和消费相关的要素（环境、人力、投入、过程、基础设施、机构等）和活动，以及这些活动的产出，也包括全球层面的社会经济和环境影响”[1]。为人类提供能量和营养的农食系统（“农业食物系统”的简称），不仅消耗着1/3的土地资源[2]，也产生了全球26%的温室气体（GHG）排放量[3]，食物系统的减排不仅对实现1.5℃控温目标至关重要[4]，而且对地球行星边界以及资源利用带来巨大的挑战[5-7]。因此，将农食系统的全生命周期纳入评估，能够通过整合其供应链以更加全面和系统地认识其资源环境影响[8]。
以往在关于农食系统温室气体变化的影响因素研究中，大多数学者借助相关性研究搭建了综合评估模型来分析气候—土地—食物系统的作用机理。如Ewert评估了气候变化对粮食生产的风险以及搭建以食物为中心的综合评估模型的变量需求，并认为在模型参数构建和不确定性方面仍存在困难[9]；Schlor以德国为研究区搭建了食物—能源—水综合评估模型，以德国2017年修订的可持续发展战略为背景研究其可持续性框架与政策过程[10]；Kebede则进一步构建了欧洲食物—水—土地—生态系统综合评估模型，研究了不同气候变化和区域政策情景下的欧洲可持续发展情况[11]。总体而言，针对中国气候—耕地—农食系统特征的多时空耦合协同综合评估模型研究仍较少，尤其是1980年代以来以及面向碳中和目标的我国“气候—耕地—农食”系统多时空动态耦合特征及规律还有待研究。同时，耕地承载了农食系统的土地利用变化和生产阶段，经核算耕地承载了农食系统总排放量的一半以上[12]。可见，耕地系统所承载的农食系统碳减排对于气候变化减缓具有重要的意义，而通过对耕地系统的空间格局优化对于农食系统的减排也具有较高的潜力[13]。然而，中国耕地和农食系统都是复杂的巨系统[14-15]，气候变化也会对农食系统的碳排放产生影响。当前，中国农食系统碳排放已占到碳排放总量的8.2%~19.0%[12,16]，且随着中国城乡居民生活品质的提升，这一比例还将继续提升。尤其是由气候变化和经济社会发展引致的中国耕地开发利用格局的变化[17]，也将使其承载的农食生产碳排放空间格局发生变化。例如，1980年代中后期以来东北地区积温逐渐上升[18]，使得东北地区成为我国重要的农业生产乃至水稻生产空间，同时东北地区也成为2001—2018年农业碳排放年均增长最快的区域[19]。因此，揭示“气候—耕地—农食”系统耦合协同特征，分析气候变化背景下耕地开发利用格局演变对农食系统碳排放的影响，并据此探索农食系统降碳增汇的耕地开发利用格局，对于减缓气候变化影响具有重要意义。
当前的研究证明通过优化农业生产布局对中国农食系统碳减排及作物增产将起到积极作用[20]，但还需要关注的是，未来气候变化对于耕地利用条件以及农业生产将持续产生深远的影响。已有证据表明，未来气候变化将进一步增加中国北方积温和降水，这将有利于中国北方地区的农业生产[21]。然而，气候变化所导致的适宜开发利用耕地空间进一步北移，由此对于农食系统碳排放影响还尚不明确；而与耕地北移相背的是人口和需求重心南移且更加集中于城镇[22-23]，这种供需分离的加剧导致了部分粮食主产区表现为增碳型供给[24]。因此，在气候变化和“大食物观”的背景下，由于关键陆表要素变化、耕地开发利用空间格局调整所引致的农食系统生产/消费空间供需分离加剧可能带来的碳源/汇效应尚不明确。这不仅需要进一步厘清耕地利用及其空间格局与农食系统碳排放的内在联系，还需要结合耕地用途管制，探索构建气候变化背景下面向降碳增汇的耕地系统与农食系统时空耦合协同机制。鉴于此，本文将基于粮食安全与气候治理的需要，解析耕地空间格局变化对于农食系统碳排放的作用机制，探索构建“气候—耕地—农食”系统多时空耦合协同机制，探求气候变化背景下以农食系统降碳增汇为目标的耕地空间格局优化路径，希冀有助于协同粮食安全与碳中和目标实现。

1 “大食物观”与耕地保护低碳转型

粮食安全是“国之大者”，中国的粮食安全问题历来受到国内外的广泛关注。1994年曾担任世界观察研究所所长的莱斯特·布朗提出了中国粮食安全威胁论，但1996年发表的《中国的粮食问题》白皮书，有力回应了国际社会关于“谁来养活中国人”的质疑，“粮食安全”也被作为历年中央一号文件的重点关注内容。随着中国粮食生产能力的提高，粮食产量实现“十八连丰”。即便如此，中国政府仍然将保护耕地 ① 作为基本国策，坚守十八亿亩耕地红线，采取“长牙齿”的硬措施，实现了谷物基本自给，口粮绝对安全，始终将饭碗牢牢端在自己手里。然而，中国以最严格的耕地保护制度筑牢粮食安全的根基，同时也面对着应对全球气候变化的压力。从2009年哥本哈根大会的“4045”减碳目标到巴黎协定的“6065”减碳承诺，中国以“3060”“双碳”目标的提出彰显了“大国责任”（图1）。面对这一挑战，中国提出了碳达峰碳中和“1+N”政策体系，明确提出了持续推进农业农村减排固碳的要求。由此，如何协同好粮食安全和减碳增汇两个目标，成为当前耕地保护的难题。
图1 “大食物观”与“双碳”战略的提出与发展

Fig.1 Proposal and development of “Big Food Concept” and ”Dual Carbon”

随着居民膳食消费需求的结构性转型，以及居民对肉类、蔬菜、水果、水产品等各种食物的需求增加，国家粮食安全的内涵也逐渐从保障基本能量供应到提供充足营养供应的新时期粮食安全观转变[25]。而高碳型食物需求的增加也在“双碳”背景下使得保障粮食安全面临着低碳可持续的挑战。在政策供给端，从“米袋子”省长负责制到“菜篮子”市长负责制，以及对“果盘子”“肉案子”“奶瓶子”等多元食物保障，都体现了面对食物多元供给的新形势、对耕地保护提出的新要求[26,28]，但耕地保护政策在支撑多元食物供应的同时还未兼顾其对于减排目标的协同性。“大食物观”在2015年中央农村工作会议中首次在中央层面被提出，“树立大食物观，面向整个国土资源，全方位、多途径开发食物资源，满足日益多元化的食物消费需求”也被写入2016年中央一号文件。2017年在中央农村工作会议上习近平总书记也指出：“食物需求更加多样化了，这就要求我们转变观念，树立大农业观、大食物观，向耕地草原森林海洋、向植物动物微生物要热量、要蛋白，全方位多途径开发食物资源”。由此，为协同新时代粮食安全与“双碳”的双重目标，大食物观背景下的耕地保护低碳转型主要面临着5个转变：一是从耕地保护的动力来看，由世界威胁向主动承载高品质绿色生活的转变。当前我国人均粮食保有量已从1990年的390.3 kg增长到2020年的474.1 kg，但肉蛋奶等高品质食物需求还远低于发达国家水平。由此引起的饲料用粮需求增多所带来的食物系统减排压力[29]，就要求更加主动地推进耕地保护低碳转型以保障人民的高品质绿色生活追求。二是从耕地保护的目标来看，从数量保障向质量、营养与减碳目标并重转变。第三次全国国土调查结果显示，我国耕地保有量19.18亿亩，其中高质量的优等地和良等地占35.5%，而这些优质耕地往往含有较高土壤有机碳（SOC），这就要求更加积极推进高标准农田建设并优化永久基本农田布局，以实现“藏粮于地”“藏营养于地”和“藏碳于地”。三是从耕地保护的方式来看，从充足粮食供给向多样化食物低碳生产和分配转变。随着多样化食物需求的增多，更加需要与多样化食物低碳生产相适应的设施农用地配套以及食物低碳流通和分配方式的建立。四是从耕地保护的手段来看，从供给导向向全生命周期碳监测与管理转变。耕地是食物系统生产阶段的重要载体，而食物系统的全生命周期不仅耦合了其生产阶段的耕地利用空间结构，而且链接了其消费阶段的人类粮食需求。伴随气候变化对耕地生产条件的影响，人类消费需求及其布局也发生了显著的变化，所以需要从减少农食系统全生命周期碳排放及其资源环境效应的角度构建适应消费需求的低碳化可持续的耕地优化布局。五是从耕地保护的管控来看，从耕地生产向多元生产性空间的可持续供给转变。随着统筹耕地、草原、森林和海洋对于热量和蛋白的供给需求的同时，还需要考虑不同碳排放强度生产空间分配的碳需求以全方位多途径开发多元食物生产性空间。通过研制科学的耕地占补平衡方案并确定耕地保护优先顺序以实现耕地及其食物生产性用地保护与减碳目标的协同（图2）。
图2 大食物观背景下耕地保护低碳转型

Fig.2 Low-carbon transformation of farmland protection under the background of “Big Food Concept”

由此，如何在气候变化和大食物观的背景下，协调好粮食安全与食物减排的关系?这就需要更好地厘清耕地利用与农食系统碳排放的内在联系，通过构建耦合气候—耕地—农食系统的资源环境效应综合分析框架，并以此提出气候变化背景下农食系统的适应和减缓方案，从而形成面向农食系统减碳的耕地保护优化格局。

2 耕地利用及其承载的农食系统碳排放

耕地系统既是碳“源”也是碳“汇”。一方面，耕地是巨大的碳库，主要包括土壤有机碳库和农作物生物碳库等。其中，耕地土壤有机碳库是陆地生态系统中最为活跃的碳库。研究表明，2010年全球耕地有机碳储量相对于1900年增加了125%，但仍远未达到饱和状态[30]。另一方面，耕地承载的全球农业排放的CO2占人为温室气体排放总量的21%~25%，如果包括燃料使用、化肥生产和农业引起的土地利用变化产生的CO2、CH4、N2O、NO和NH3等温室气体排放，这个数字将上升到30%[31]，而农作物的类型、土壤类型、天气模式和耕作实践等因素都将影响其排放[32]。随着中国耕地包括数量和空间分布在内的格局发生显著变化[33-34]，通过优化耕地利用格局来缓解其承载的食物系统排放成为可持续耕地利用的关键。耕地的空间格局优化对于食物系统碳减排的贡献主要有3个依据。
①由于耕地和其他地类碳排放强度的差异，导致了耕地用途转换以及保持产生排放。由于不同用地类型的排放强度差异导致了在耕地和不同用地类型的转换过程中产生差异化的碳排放和固定的效果，如耕地转换为园地、林地以及水域则可能固定更多的碳，而耕地转换为牧草地、建设用地和未利用地等则可能产生额外的排放[35]。此外，应用耕地保持低碳技术也可能产生固碳效应。由此，通过土地管理和国土空间优化对耕地用途进行管制可以减少农食系统土地利用阶段碳排放。
②由于耕地布局的自然资源禀赋和农业耕作实践的本底差异性，导致了耕地碳生产效率的异质性。耕地耕作层中养分的有限性和耕作条件的差异性等[36]决定了在自然资源禀赋较差的地区需要依赖更多化肥、农药、机械以及灌溉来弥补自然禀赋的不足，从而支撑稳产和高产，由此也会增加生产投入产生的碳排放。此外，耕地生产的不同作物结构改变也会产生差异化碳效应[20]。基于耕地生产潜力及其碳生产效率 ① 调查结果，在保障生产目标的前提下，开展不同尺度下低碳耕地优化研究，可实现碳生产效率的提升[24]。由此，通过耕地格局优化可以减少农食系统生产阶段碳排放。
③由于耕地生产空间和消费空间分布分离，加剧了食物供应环节的交通碳排放。粮食生产重心和耕地扩张北移以及人口南移的趋势，导致了全国粮食供给和需求的距离增加，由此也加剧了粮食运输碳排放[13]。由此，通过空间交互模型模拟协同本地化和跨区生产量以适应粮食需求，进而优化区域耕地布局以降低食物交通运输阶段碳排放[37]。
总的来讲，兼顾粮食安全和减碳增汇目标的耕地保护低碳格局优化大致可以分为3个路径（图3）。具体如下：
图3 耕地系统结构优化减少食物碳排放内涵解析

Fig.3 Connotation of carbon emission reduction of food by optimizing farmland system structure

①从宏观来看，基于保障粮食安全底线思维的耕地保护目标责任考核和永久基本农田划定是对耕地保护总量格局的基本约束。如基于国土空间开发适宜性和资源环境承载力的永久基本农田划定为耕地保护总量的调控提供了参考。由于不同地区在粮食生产的自然资源禀赋存在本底性的空间分异，若在粮食安全底线的约束下计算耕地保护弹性空间[39]，将粮食安全保障目标和区域碳生产效率作为耕地规划布局的重要约束条件，可为耕地规划布局和农业结构调整提供支撑。
②从中观来看，通过识别全国的低碳优势耕地生产空间，并应用在“两区”（粮食生产功能区和重要农产品生产保护区）划定和后备耕地资源的开发中是对耕地保护整体布局的优化补充。在识别全国低碳优势生产空间背景下，“两区”划定也是国家保障农产品有效自给的重要措施之一。由于不同粮食生产功能区、重要农产品生产保护区以及可利用后备耕地资源在自然资源本底上存在差异，在片块划定时通常会考虑农业规模和农田基础设施的相关信息来为划定提供科学依据，这促进了标准农田建设和农业用地的整体布局优化[41]。此外，识别农业低碳发展空间并通过“两区”用地类型优化对改善农业生态环境和提升农业生产效率具有重要作用，也为规划全国低碳优势生产空间提供了参考。
③从微观来看，以“全域国土整治和两平衡”的项目管理从耕作层和产能管理的角度，优化耕地微观的田块尺度的布局以提升耕地产能并降低耕地碳排放强度。基于不同地块的自然本底、工程设施及其农田管理方式的差异性，土地整治主要从3条路径来影响耕地碳排放：一是优化利用格局。通过土地整治“小块并大块”形成耕地生产的适度规模效益以降低耕地碳排放强度。此外通过不同用地类型的调整并由此改变耕地的土壤和植被碳库[42]。二是优化工程措施。一方面通过减少工程措施本身的物料投入和能源消耗，另一方面通过土地平整、农田水利、田间道路和地力培肥等工程措施以提升耕地生态系统的固碳能力[43]。三是优化农田管理。在施肥方面，转变施肥技术，使用测土配方[45]、缓控施肥[46]等具有较大的减肥减排潜力；在耕作方面，通过少耕/免耕或提高农机效率能够减少农机使用的能源，从而减少温室气体的排放[47]，而且增加土壤有机碳库，提高固碳能力，达到降低碳足迹的目的[49]。当前，耕地占补平衡制度进一步完善，将各类对耕地的占用统一纳入占补平衡管理并坚持“以补定占”，在“双碳”目标下，将耕地碳排放强度作为关键性指标纳入到补充耕地的质量管理中可进一步提升地块管理的可持续性[50]。
然而，由于缺少耕地及其承载的农食系统的关系解析，少有研究将耕地空间格局优化与农食系统减碳相结合，特别是面对未来气候变化对于农食系统的不确定影响。因此，通过进一步解析耕地空间格局优化与食物系统的相互作用关系，能够为气候变化背景下提出适应农食系统减碳目标的耕地空间格局优化方案提供支撑。气候变化对于农业生产条件的影响，为通过调整耕地生产布局和结构来减缓食物系统的碳排放提供了可能，也可能导致更多的碳排放。特别是，气候变化的影响也存在较大空间差异和不确定性[51]，而北方降水和积温的增加，将使得多熟作物种植北界向高纬度高海拔地区扩展，喜温作物、越冬作物以及冷凉气候区作物可种植面积扩大[52]。由此，为适应气候变化产生的区域性不确定影响，需要进一步揭示适应气候变化的耕地利用格局优化对于农食系统碳排放的影响机理及特征。

3 气候—耕地—农食系统耦合及其调控优化

气候—耕地—农食系统之间存在复杂的系统耦合关联（图4）。具体来说，农食系统在生产端受制于耕地系统尤其是耕地的数量与空间分布格局[53]，同时又在消费端通过价格机制对耕地的种植方式等产生影响[54]，进而形成复杂的食物—耕地系统耦合机制；农食系统通过温室气体排放对全球气候变化产生反馈和影响[10]，同时气候变化所导致的产量、消费习惯、政府政策也对食物系统的演变产生重要作用[53]，使农食—气候系统研究成为当前研究的热点；气候—耕地系统作为全球变化的重要研究方向，主要体现为气候变化所引起的光、温、水变化对土地（尤其是耕地）的生产潜力、作物熟制、灾害风险的影响[55]，以及耕地系统通过土地利用变化碳排放和局部土地利用格局对全球和局部气候所产生的影响[17]。尽管3个系统间存在相互影响机制，但耦合气候—耕地—农食系统的综合评估分析还少有涉及。
图4 “气候—耕地—农食”系统耦合及其减碳增汇效应

Fig.4 Coupling system of climate-farmland-agriculture and food and its effect on carbon reduction and sink enhancement

农食系统与耕地空间格局的关系必须置于气候—耕地—食物系统耦合的角度进行分析和预测。耕地系统，即耕地的数量与空间格局，是耦合系统的基础。一方面，耕地空间格局的变化使土壤有机质流失从而造成土地利用变化碳排放，这会增加温室气体浓度并对全球气候产生影响，同时局部植被乃至微地貌的改变也会对局部气候产生重要影响[17]；另一方面，耕地空间格局决定了食物系统的生产端产出与碳排放，并进一步决定了食物的运输和贸易格局及其过程中所产生的碳排放[37]。
气候与农食系统同样能够支撑耕地空间格局的优化。一方面在生产端，当前能够基于SSP-RCP气候路径对地区的光—温—水气候要素变化进行预测，并在此基础上对农作物的产量、熟制、灾害风险进行预测[55]，进而从单产层面指导耕地的空间格局优化；另一方面在消费端，随着人口变化、人均收入水平提高与饮食观念改变的影响，不同地区的食物消费量也在不断变化[56]，对消费端数量和结构的动态预测能够对耕地空间格局优化提供支撑，主要通过合理调整耕地空间布局以适应变化的消费格局，可以减少食物系统在运输、存储阶段的碳排放并增加社会总体福利。
国家政策调节机制可以通过多方面对气候—耕地—农食系统产生重要影响（图5）。例如，经济社会政策：经济社会与能源利用技术总体发展和减排政策对温室气体排放起决定性作用，进而通过温室气体辐射强迫对全球和局部气候产生影响[2]，也由此决定了耕地生产潜力。耕地保护政策：耕地政策能够通过耕地保护目标设定、永久基本农田的划定与耕地布局规划来优化区域耕地数量、结构和布局，并通过土地整理、土壤修复、技术推广等手段提高耕地单产并降低耕地碳排放水平[17]。消费引导政策：对消费者的政策与舆论引导也会对总体食物消费产生影响，这包括调节饮食结构、减少食物浪费、增加进口食物数量等[26]，当前我国已颁布《反食品浪费法》以及《中国居民膳食指南（2022）》从需求端引导消费转型。
图5 “气候—耕地—农食”系统耦合关系分析

Fig.5 Coupling diagram of climate-farmland-agriculture and food system

从气候—耕地—农食系统的研究视角来看，当前也正从农食—耕地系统对气候或气候对土地产能的相关性影响向气候—耕地—农食系统的综合评估模拟研究转变。学者们已经针对各系统要素间的相关性联系进行了大量的研究：人口和经济增长都是推动农业温室气体排放的重要因素，而经济增长主要是通过推动饮食结构向温室气体浓度更高的饮食结构转变[56]；虽然人口增长对中国食物需求总量影响有上限，但收入增长、城市化和消费偏好的改变将是未来食物需求总量增长和结构变化的主要驱动力[57]；同时，人口结构（包括年龄、职业等）的变迁也会导致食物需求出现波动，从而影响食物消费产生的温室气体排放[58]。
通过构建“气候—耕地—农食”系统耦合关联，可进一步依据气候变化及需求端的动态变化对供给端进行优化调控以实现食物系统的降碳增汇。①长时间尺度气候变化与耕地生产布局优化。通过监测和模拟未来气候变化对光温水热等生产要素的影响及其对耕地生产潜力的趋势研判，提出长时间尺度的耕地空间格局优化及后备耕地资源储备战略以适应未来气候变化的影响。②食物需求为导向的耕地空间格局优化。随着居民收入的增长和消费水平的提升，居民对于高营养的食物需求会加剧对于耕地布局及其扩张的影响，由此需要依据食物需求量的变化动态调整其耕地供给量。③耦合气候变化与食物消费习惯的耕地布局调整。随着未来全球增温影响的空间不均衡性，空间差异性的饮食消费习惯也会相应产生影响，具体体现于增温地区对于高热量食物以及食物需求总量的减少，从而导致耕地总量需求的变化。

4 气候变化背景下农食系统减缓及其耕地空间格局优化创新

农食系统直接作用于气候系统，通过农业和畜牧业等活动产生温室气体排放，对全球气候变化产生影响。同时，农食系统也将通过耕地系统间接影响气候变化，改变土地利用将影响碳循环和生物多样性，进而对气候产生反馈。因此，需要在系统耦合背景下提出农食系统减缓策略，特别是通过耕地系统的耕地空间格局优化得以实现。
在农食系统减缓方面，IPCC报告指出减缓农业、林业和土地利用管理在食物供给端和需求端的温室气体排放是控制21世纪气候变化的关键措施[1]。①从供给端来看，通过提高生产效率和增加土壤和生物量中的碳固存，可以减少农业土壤、土地利用变化、土地管理和农作物与牲畜生产过程中所产生的碳排放，同时增加陆地碳储量[59]。在能源消耗的阶段，可以通过提高能源效率和使用无碳燃料（包括生物质）替代化石燃料来减少食物系统各个阶段的GHG排放[60]。农业GHG减排措施包括农田管理、土壤有机质恢复、牧场管理和牲畜减排。预计到2030年，农业总减排潜力可达1.5~4.6 Gt CO2e/a[1]。其中，农林业减缓措施包括轮伐林地、长期休耕和综合土地利用；种植制度的实践包括改善土地和肥料管理、土地恢复、生物碳应用、培育根系发达的作物以及弥补产量差距[61]；牲畜业系统的减缓措施包括更好的粪便管理、牧场管理和动物饲养方式；农林复合经营与提高供应链的效率也是供给侧有效的减缓措施[62]。②从需求端来看，通过调整饮食结构、减少食物损失和浪费，可以有效减少温室气体的排放。减少食物损失和浪费可以通过改进食物供应链、提高存储和运输的效率，以及加强消费者对食物资源的合理利用意识来实现[63]。综合来看，减缓农食系统的排放更需要通过耦合农食系统的生命周期，提出部门协同的综合减排方案。
对于支撑农食系统生产阶段的土地系统来讲，优化低碳耕地空间格局也成为确保农食系统适应性、韧性和可持续性的关键措施之一。优化耕地空间格局的核心在于合理配置耕地数量和空间布局，需明细各类碳汇碳源用地的发展要求和矛盾，以综合方式确定耕地的数量和质量结构。具体优化路径如下：
①多样化的农作物组合和种养结合。混合种植被认为是缓解气候变化影响、提升农食系统适应性的有效策略。多样化耕地用途将有利于农业发展，将部分耕地用于种植果树、蔬菜、草本植物等农作物，增加耕地作物的多样性，降低农食系统的碳排放并增加其碳汇。同时，将农业引入城市周边或内部，能够有效减少作物运输距离，降低食物运输的交通碳排放，为城市提供可持续的食品来源。
②适度规模的耕地空间布局。依据未来长时间和空间尺度的气象要素模拟，甄别出气候变化下的适宜耕种区及其变迁，并由此开展未来耕地的布局规划。规模化耕地布局可以通过提升种植经营效率从而减少排放。而合理分散的耕地布局，可有效减轻风险集中所带来的冲击，同时减少过度开垦和耕种，保护土壤有机质和生态系统的稳定性，进而减少碳排放。
③可持续的耕地管理方案。合理的轮作安排、有机肥料运用以及土壤保护措施，不仅可以提升土地质量和生产力，还可以增加土壤有机质含量，提高碳储存能力。
综上所述，耦合农食系统生命周期的综合减排措施将有助于降低农食系统对气候变化的负面影响，而通过连接农食系统生产端的耕地系统的耕地数量和布局配置、多样化作物组合、合理耕地规模化布局和可持续土地管理等耕地空间格局优化方式，也能够有效减少耕地系统的碳排放并增加碳储量，为应对气候变化带来的农业挑战提供了有力支持。

5 结论与建议

5.1 结论

当前针对耕地所承载的农食系统及其碳效应的认识主要集中在农业生产过程及其碳排放以及消费端管理的减碳措施。本文通过厘清耕地利用与农食系统碳减排的关系以及“气候—耕地—农食”系统的多时空耦合协同机理，探索了气候变化背景下通过耕地空间格局优化以实现农食系统碳减排潜力。主要结论如下：
①“大食物观”背景下的耕地保护转型使其支撑的农食系统面临减排压力。居民膳食消费需求的结构性转型，不仅增加了国土空间对于农食系统支撑的需求，同时也加剧了农食系统应对气候变化的减排压力，因此需要推动耕地保护低碳可持续转型。耕地保护的动力逐渐由世界威胁向主动承载高品质绿色生活转变，耕地保护的目标逐渐从数量保障向质量、营养与减碳目标并重转变，耕地保护的方式逐渐从充足粮食供给向多样化食物低碳生产和分配转变，耕地保护的手段逐渐从供给导向向全生命周期碳监测与管理转变，耕地保护的管控逐渐从耕地生产向多元生产性空间的可持续供给转变。
②通过对不同尺度耕地空间的规模、结构、功能和布局优化可以实现农食系统碳排放。当前农食系统碳排放评估更多地关注了现实状态下农业生产技术、土地利用方式、农产品政策等对于农食系统碳排放效应的影响等。本文提出了耕地布局优化在用地转换、本底差异和空间分异影响农食系统生命周期碳排放的3条依据，并从宏观总量和红线管控，中观“两区”划定和后备利用，微观国土整治与“两平衡”，总结出耕地空间优化影响农食系统排放的3条路径。
③从系统耦合角度探究了农食系统的综合减排路径及其耕地空间格局优化方案。通过构建“气候—耕地—农食”系统耦合关联，可进一步在考虑政策调节的基础上，基于气候变化背景下从需求端的动态变化来对供给端进行优化调控，以实现农食系统的减碳增汇。同时，通过监测和模拟长时间尺度气候变化及其动态食物需求，制定了低碳农食系统为导向的耕地生产布局优化方案。

5.2 建议

耕地是农食系统的土地利用及其生产阶段的基本载体，“大食物观”背景下，农食系统消费端的快增长和高碳排的转型不仅增加了其减排压力，也给生产端的耕地系统管理带来了挑战。通过耕地空间格局的优化以实现农食系统的碳减排，进而发挥国土空间优化对于“双碳”目标实现的重要作用[64]，将成为中国实现可持续农食系统转型的重要命题。农食系统不仅是一个开放的复杂巨系统[11]，还由于其典型的“自然—社会”复杂耦合属性和耕地利用产生系统复杂的关联，特别是面对气候变化对耕地系统乃至国土空间影响的不确定性[65-66]，更需要厘清“气候—耕地—农食”的系统耦合关系，以提出农食系统适应和减缓的耕地保护应对措施。具体建议如下：
①加强高生产潜力低碳生产空间的耕地利用，推广低碳生产方式。一方面，随着未来气候变化，中国多熟制线的耕作区域将向北扩展；同时，随着中国复种指数的增加，将提高中国粮食的总生产潜力。另一方面，食物生产由于所处区域的气候、土壤和农场管理实践（能源使用、肥料施用）的差异导致其产生的碳排放也存在较强的空间异质性。由此，通过在“两区”划定以及后备资源开发时可依据耕地的低碳生产潜力开展耕地布局的空间优化，以促进农食系统低碳和增收的协同。
②优化饲养空间布局，建立区域和城市可持续农食系统保障体系。一方面通过积极探索种养结合的循环农业生产方式，可将畜牧产生的粪肥直接用于作物生长种植，减少处理畜牧业粪便产生的氮排放并节约畜禽养殖粪污处置的设施农用地面积；另一方面通过作物种植结构的优化来实现农食系统减排目标以及多种资源要素压力减缓的协同。
③挖掘全域土地整治过程中的格局优化及其固碳增汇潜力。要将低碳目标纳入全域土地整治中，注重在全要素全空间的土地实践活动中考虑低碳要素，如表土剥离技术对于土壤碳库的保留以及地块尺度土地利用结构变化的碳效应；要发挥土地系统全域土地整治的综合规划引领、工程建设以及建后管护对于农食系统生产前及生产过程中的降碳增汇潜力。
④探索符合区域供需特征的农食系统，以耕地占补平衡及格局优化增强区域内主粮与大食物的供给平衡。一方面远距离具有生产优势的食物供给会增加食物或饲料运输过程产生的碳排放，另一方面具有本地和区域性生产特征的食物更具供给的韧性以抵御突发性事件的食物供应风险，结合区域性低碳生产潜力特征，应探索兼具韧性和低碳生产优势并符合区域供需特征的农食系统，增强多种食物类型的供需平衡。

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