前沿佳文·全球1992-2016年城市扩展占用耕地的启示(总第88期)

图1 2000-2015年耕地NPP多年平均值的全球分布情况

简介

全球正经历着大规模的城市扩展过程。这一过程对耕地及其净初级生产力(net primary productivity, NPP)的影响对于全球和区域实现粮食安全和可持续发展目标具有重要意义。然而，已有研究大多忽略了耕地生产力、集约利用和气候变化（如全球绿化）的影响，通常低估了城市扩展对耕地的影响。此外，以往多数研究仅在国家和区域尺度上在评价城市扩展对耕地的影响，仍然缺乏在全球尺度上评价城市扩展对耕地面积和NPP历史影响的研究。

为此，本文基于最新发布的长时间序列城市扩展动态数据集，从多个尺度分析了全球1992-2016年城市扩展对耕地占用和耕地NPP的影响。首先，我们基于最新发布的全球城市扩展动态数据集，从全球、大洲和国家三个尺度分析了过去25年间城市扩展对耕地的占用情况。然后，量化了全球城市扩展对耕地NPP的影响。最后，探讨了城市扩展占用耕地对亚非发展中国家粮食产量的影响，为中国、越南和埃及等国的粮食安全和可持续发展提供了政策建议。

该文于2020年8月13日正式刊登在杂志Environmental Research Letters（2019年影响因子6.096）。文章第一作者为景观可持续科学与地理设计团队黄庆旭副教授，主要完成人为2018级直博生刘紫玟，通讯作者为何春阳教授。

科学问题

全球1992-2016年城市扩展对耕地面积、耕地NPP和粮食产量的影响如何？

研究步骤

1、量化城市扩展的动态变化

首先，在全球、大洲和国家三个尺度分别统计了各区域内的城市土地面积。然后，用城市土地面积变化量和城市土地面积增长率两个指标分析了1992-2016年间城市扩展过程。

2、分析城市扩展对耕地的占用情况

基于欧空局发布的全球1992年土地利用数据，通过空间叠加的方法提取了1992-2016年间全球城市扩展(He et al., 2016)所占用的耕地面积。

3、量化城市扩展对耕地NPP的影响

结合城市扩展期间的NPP均值以及1992-2016年的全球土地利用数据和城市扩展数据，量化了城市扩展造成的耕地NPP损失量。考虑到CO₂增强导致的全球绿化趋势(Chen et al., 2019)，使用2000-2015年MODIS NPP的长期平均值代替城市扩展期间的NPP均值，估算了城市扩展对耕地NPP的影响。我们还设置了95%的置信区间加强数据准确性，以此表征气候变化和全球绿化带来的不确定性。

研究发现

1、全球城市扩展过程

全球经历了大规模的城市扩展过程。1992-2016年间全球城市扩展面积达3.47×10⁵ km²，年均增长率为3.5%。在大洲尺度上，亚洲城市土地面积的增长量最大，共增加1.44×10⁵ km²，占全球城市土地增长总量的41.6%。在国家尺度上，过去25年间全球共有186个国家的城市土地面积在增长。中国、美国、巴西、印度和阿根廷的城市土地面积增长量超过了1万km²。

图2 全球城市土地面积增长

2、全球城市扩展对耕地的占用情况

全球将近一半的城市扩展来自对耕地的占用。1992-2016年间，全球城市扩展总共占用了1.59×10⁵ km²的耕地，占城市扩展总量的45.9%。在大洲尺度上，亚洲城市扩展占用的耕地面积最多，共占用8.29万km²的耕地，占全球城市扩展占用耕地总量的52.0%。在国家尺度上，超过一半由城市扩展造成的耕地损失集中在中国、美国、巴西、印度和阿根廷五个国家。

图3 全球城市扩展占用耕地的面积

3、全球城市扩展对耕地NPP的影响

全球城市扩展造成了大量的耕地NPP损失。1992-2016年间全球城市扩展造成耕地NPP损失58.71TgC（56.52~59.81，95%置信区间）。在大洲尺度上，超过2/3由城市扩展造成的耕地NPP损失集中在亚洲和南美洲。在国家尺度上，中国、巴西、美国、阿根廷和印度是城市扩展引起耕地NPP损失量最多的前五个国家。

图4 全球城市扩展造成的耕地NPP损失

讨论和结论

1、城市扩展对粮食产量的影响具有区域差异性

假设将损失的耕地NPP都用于种植粮食作物，亚洲城市扩展占用的耕地能够产出的粮食产量是最大的。具体地，亚洲粮食产量占全球粮食总产量的比例为51.2%，远高于其耕地NPP损失量占全球耕地NPP总损失量的比例（38.5%）。这是由于亚洲城市扩展主要占用的是高产量的优质耕地。同样地，非洲粮食产量所占的比重也远高于其耕地NPP损失量所占的比重。

从国家尺度上看，中国、印度、越南和埃及等亚非发展中国家同样面临着城市扩展占用肥沃耕地的问题。这些国家的耕地NPP损失量所占的比重均低于粮食产量所占的比重，这意味着城市扩展占用的耕地单产效率高，粮食生产潜力强。这些肥沃耕地一旦被占用，便很难再被用于农作，终将造成数量更为巨大的粮食损失。

图5 全球损失的耕地NPP用于作物种植所能产出的粮食产量

2、城市扩展对亚非发展中国家的粮食安全影响最深刻

全球粮食需求与有限耕地资源间的冲突是人类当前面临的最大挑战之一，城市扩展占用耕地可经由多条渠道加剧全球和区域的粮食安全问题。首先，尽管全球损失的耕地NPP所能产出的粮食产量仅占1992年全球粮食总产量的0.73%，但这一小部分粮食却能够满足3600万饥饿人口一年的生存需要，相当于阿富汗全国总人口数。因此，快速城市扩展可能会进一步加剧全球贫困、饥饿及粮食隐患，威胁全球可持续目标的达成。

其次，快速城市扩展占用耕地会加大高度依赖粮食进口的亚洲和非洲发展中国家的粮食安全隐患。通过对比各国城市扩展的年均增长率和粮食进口的数量（包括食物和饲料），可以发现亚非发展中国家（如中国、埃及和越南）的城市扩展速度和粮食进口量都高于全球平均水平，而这些国家的城市扩展大多占用了粮食产出效率较高的耕地。在此情形下，全球粮食价格的不稳定及国际自由贸易的障碍，会影响这类亚非发展中国家的粮食安全。

图6 各国城市扩展速度与粮食进出口的关系

此外，城市扩展还会与战争动乱和气候变化等问题共同作用，加剧区域的粮食安全问题。据预测，未来城市扩展将集中在非洲和亚洲的发展中国家，如埃塞俄比亚、刚果和巴基斯坦等国(Ariti et al., 2015)。最后，城市扩展占用耕地还意味着需要提高剩余耕地的粮食单产以保障粮食产量，然而提高耕地单产将给环境带来巨大压力，引发农药化肥污染、土壤质量恶化和地下水超采等环境问题。今后，亚非发展中国家应考虑在城市扩展和耕地保护之间取得平衡，严格限制耕地占用，鼓励城市智能增长。

摘要：

Large-scale urban expansion worldwide has exerted great impacts on cropland and its net primary productivity (NPP), which can affect whether food security and sustainable development goals will be met at global and local scales. Although important, the impacts at the global scale over the last 25 years remain unclear. Based on the latest long-term dynamic urban expansion data, this study analyzed global urban expansion and its impacts on cropland NPP from 1992 to 2016 at multiple scales. The results showed that the expansion of urban land occupied a total of 159,170 km² of cropland, accounting for 45.9% of the total expanded urban area. The cropland NPP decreased by 58.71 (56.52~59.81, 95% confidence interval) TgC as a result of urban expansion, which represents approximately 0.42% (0.40%~0.43%) of the multiyear average of total cropland NPP from 2000 to 2015. If the cropland NPP losses were converted to the grain production (i.e. 1.44×10⁷ tons), it is equivalent to the minimum annual food intake demands for at least 36 million people. More importantly, urban expansion is exacerbating the risk of food security in developing countries in Asia and Africa, such as China, Vietnam and Egypt. In the future, these countries should balance urban expansion with cropland protection by strictly restricting the occupation of cropland and encouraging smart urban growth.

文章引用：

Qingxu Huang, Ziwen Liu, Chunyang He, Siyuan Gou, Yansong Bai, Yihang Wang, Miaogen Shen. 2020. The occupation of cropland by global urban expansion from 1992 to 2016 and its implications. Environmental Research Letters. 15.084037

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推文来源：景观可持续科学与地理设计

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