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厉害!赵华甫教授团队最新成果:破解中国农业与生态“权衡”难题,提出土地利用新方略

2026-04-01 08:18:44

农业生产与生态保护的平衡是全球可持续发展的重要课题，更是中国保障粮食安全、缓解环境压力过程中亟待解决的核心问题。但现有土地保护与共享相关研究，难以定量评估区域资源禀赋对农业和生态发展的约束上限，也缺乏从宏观区域到微观单元的系统性分析思路；同时传统分析多聚焦小尺度研究，忽视了国家尺度的资源空间异质性，无法通过跨区域对比揭示农业生态权衡的宏观规律。为破解这些问题，中国地质大学（北京）赵华甫教授团队联合多家单位，将生产可能性前沿理论与土地保护 - 共享框架有机整合，构建了 “边界刻画 — 功能定位 — 结构诊断” 的层级分析框架，以中国十大农业资源环境区为研究范围，整合多源地理数据开展实证研究，定量解析粮食供给与生态系统服务的权衡关系，识别不同区域的土地利用效率类型与主导功能，诊断土地利用结构偏差问题，为各地实施差异化的土地利用空间治理、协调农业生产与生态保护发展提供科学的方法支撑和实践参考。

标题：From efficiency boundaries to structural diagnosis: Informing land use strategies in China through an integrated production possibility frontier and land sparing/sharing framework

中译标题：从效率边界到结构诊断：基于生产可能性前沿与土地保护 - 共享整合框架的中国土地利用策略研究

作者：Tao Wang、Huafu Zhao*、Zhe Feng、Kening Wu、Jiacheng Qian、Xiao Li、Qinghua Wang、Xiaoxiao Wang、Congjie Cao、Huiqin Han

发表年份：2026 年，Applied Geography，190 期

一、研究背景

该研究的开展立足于全球农业环境研究中农业生产与生态保护平衡的核心诉求，而中国作为粮食生产大国，同时面临保障粮食安全与缓解环境压力的双重迫切任务，这一矛盾表现得尤为突出。传统土地保护 - 共享（LSS）框架缺乏对区域资源禀赋施加的理论上限的定量评估，无法精准刻画农业生产与生态保护之间的权衡关系，且现有相关研究多聚焦于市县尺度，忽视了国家尺度的资源禀赋空间异质性，难以通过跨区域比较揭示宏观规律。与此同时，国际社会虽出台了一系列可持续农业相关政策文件，但将政策愿景转化为实际成效的关键在于优化土地利用空间配置，而生产可能性前沿（PPF）模型为分析有限土地资源下的生产 - 生态权衡提供了有效方法，二者的整合具备理论与实践可行性。在此背景下，研究以中国十大农业资源环境区为研究范围，将 PPF 整合至 LSS 框架，构建 “边界刻画 — 功能定位 — 结构诊断” 的层级分析框架，旨在为协调农业生产与生态保护、实施差异化空间治理提供科学依据，同时弥补传统框架的研究不足。

二、研究方法

研究构建了 PPF 与 LSS 策略融合的理论框架，并以此为基础搭建 “边界刻画 — 功能定位 — 结构诊断” 的层级分析框架，以中国十大农业资源环境区的农业生态复合单元为研究对象，采用 10km×10km 渔网单元作为基础分析单元，同时剔除城市建成区和原始荒野等干扰单元。在数据来源上，整合了土地利用、地形、气象、土壤、粮食产量、NDVI、NPP、生物多样性完整指数等多源数据，并统一投影和重采样为 1km 分辨率。

研究方法上，首先通过 NDVI 空间化方法实现县域粮食产量的栅格化处理，结合 InVEST 模型、熵权法等完成粮食供给（GS）与综合生态系统服务（CES，包含产水、土壤保持、固碳、生物多样性保护四项）的定量评估与归一化处理；其次运用 Pearson 相关分析探究 GS 与各项生态系统服务的相关关系；接着通过识别帕累托最优点，采用指数函数拟合各区域 PPF 曲线，计算协同潜力和权衡强度指标，基于 PPF 曲线凹凸性判断 LSS 策略适宜性；然后结合 K-means 聚类和相对优势度法，将研究单元划分为不同效率类型并识别其主导功能；最后以帕累托最优的高效单元为基准，通过欧氏距离量化低效单元的土地利用结构偏差，完成结构诊断。此外，研究还通过克鲁斯卡尔 - 沃利斯检验验证了农业资源环境区划方案的科学性，通过残差分析验证了 PPF 曲线拟合模型的可靠性。

图1. 本研究框架

三、研究结论

研究结果显示，中国粮食供给与四项生态系统服务在全国尺度呈现显著的空间异质性，粮食供给高值区集中在东北、黄淮海、长江中下游平原丘陵区等核心粮食产区，而综合生态系统服务高值区则主要分布在南方和西南地区，且多数区域粮食供给与生态系统服务呈显著负相关，生态系统服务间多为正相关。

十大农业资源环境区的 PPF 曲线均向原点凸，表明中国整体更适宜采用土地保护策略，即通过有限土地的农业集约化实现粮食供给目标，同时预留充足生态空间保护关键生态系统服务；各区域资源利用效率差异显著，西北干旱区和长城沿线内蒙古区的权衡强度最高，分别为 0.786 和 0.549，南方区域则呈现出相对均衡的特征，且青藏高寒区的协同潜力最高，达 0.628。

基于 K-means 聚类的效率类型划分显示，生产优势区集中在核心粮食产区，生态优势区主要分布在西南山区和南方生态屏障区，低效权衡区则在北方干旱半干旱区呈集群分布，其中东南区是唯一识别出均衡高效区的区域。主导功能识别结果表明，粮食供给是多个区域的核心主导功能，生态主导功能则与自然地理格局紧密耦合，土壤保持主导区集中在黄土高原和西南区，固碳主导区以东北区为核心，生物多样性保护主导区分布在青藏高寒区和东南区，产水主导区沿长江流域呈带状分布。

土地利用结构偏差的空间格局表现为整体偏低、局部高值集聚，高偏差区主要集中在西北干旱区、长城沿线内蒙古区及其与周边区域的过渡地带，东南区的无偏差单元占比最高，达 80.7%，长城沿线内蒙古区的结构偏差最为显著，极端严重偏差单元占比 45.7%。

四、学习小结

研究的写作逻辑遵循 “研究背景与问题提出 — 理论与研究框架构建 — 研究设计与方法阐述 — 实证结果分析 — 讨论与结论” 的经典学术研究范式，层层递进、逻辑严密。首先从全球和中国的农业生产与生态保护矛盾出发，指出传统 LSS 框架的不足和 PPF 模型的应用潜力，明确研究问题；随后构建 PPF 与 LSS 整合的理论框架，设计 “边界刻画 — 功能定位 — 结构诊断” 的层级分析框架，为研究提供理论支撑和分析路径；接着详细阐述研究区、数据来源和具体研究方法，保证研究的可重复性；然后从空间分布、PPF 特征、效率类型、主导功能、结构偏差五个方面呈现实证结果，全面刻画中国农业生态复合单元的生产 - 生态权衡特征；最后结合研究结果展开讨论，分析理论价值、政策启示、不确定性，并提出未来研究方向，最终总结研究核心结论，回应研究最初提出的问题。