余強毅，項銘濤，謝安坤，申 格，楊 鵬，吳文斌

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點實驗室，北京100081）

0 引言

中國農(nóng)業(yè)在過去幾十年取得了舉世矚目的成就，利用全球8%的耕地供養(yǎng)了全球20%的人口［1-2］?！笆濉币詠恚覈^續(xù)推進“谷物基本自給、口糧絕對安全”的國家糧食安全戰(zhàn)略，確保中國人的飯碗始終牢牢端在了自己手上。2017年“中央一號”文件明確，推進農(nóng)業(yè)供給側結構性改革的進程中要確保糧食生產(chǎn)能力不降低，同時還進一步提出，深入實施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略，嚴守耕地紅線，保護優(yōu)化糧食產(chǎn)能。然而，面對當前我國人口持續(xù)增長、資源環(huán)境限制不斷加大等問題，如何確保糧食生產(chǎn)能力建設不斷夯實，成為我國推進糧食安全戰(zhàn)略的新挑戰(zhàn)［1］。

糧食總產(chǎn)等于作物單產(chǎn)與收獲面積的乘積，而收獲面積主要取決于耕地面積的多少與復種的次數(shù)。進而，影響糧食總產(chǎn)的因素可以分解成作物單產(chǎn)、耕地面積、復種3個方面。作物單產(chǎn)方面，近年來作物單產(chǎn)增加對我國糧食總產(chǎn)的貢獻顯著，但研究表明，我國的作物單產(chǎn)已經(jīng)接近“天花板”［3］，提升空間已經(jīng)非常有限［4］。耕地面積方面，在快速城市化背景下，我國耕地面積總體呈下降趨勢，對糧食總產(chǎn)產(chǎn)生負面影響［5］。因此，在嚴守耕地數(shù)量和質(zhì)量紅線、努力提高作物單產(chǎn)的同時，還應該注重提高耕地資源集約利用程度。

復種（multi-cropping）是反應耕地資源集約利用程度的重要指標［6］，具體指一塊地上一年內(nèi)種收一季以上作物的種植方式［7］；“復種潛力”（multi-cropping potential）是指在考慮地塊所處的自然環(huán)境特征的基礎上，理論上一年內(nèi)的最大種收次數(shù)［8-9］。圍繞復種與復種潛力，相關案例研究已經(jīng)廣泛在全球尺度［10-11］以及區(qū)域尺度開展，包括中國［12］，亞洲［13］，歐洲［14-15］，北美［16］，南美［17-18］等。在已有耕地基礎上增加復種以縮小復種與復種潛力之間的差值（即復種差），成為能否繼續(xù)提高耕地資源集約利用程度的關鍵［19-21］。

當前研究大多利用復種指數(shù)描述復種情況?！皬头N指數(shù)”（multi-cropping index）是指區(qū)域收獲面積與耕地面積的比值（值可以為小數(shù)），反映的是區(qū)域的平均情況而非地塊的特定情況。此外，“種植頻率”（cropping frequency）也用以描述復種情況，指的是具體的種收次數(shù)（值只能為整數(shù)），其不僅反映了地塊的特定情況，也體現(xiàn)了復種的原始內(nèi)涵。已有研究容易忽視概念、數(shù)據(jù)、方法方面的差別，導致不同研究之間缺乏可比性。該文將以“復種差概念—實際復種研究—潛力復種研究—復種差研究”為主線，系統(tǒng)梳理當前復種差研究的相關國內(nèi)外研究進展。進而，總結了基于復種指數(shù)在區(qū)域尺度研究復種差的不足，并提出了一個基于種植頻率在地塊復種差研究的可行模式，為未來復種差研究提供理論與方法參考。

1 復種差概念的提出

作物需要在特定的水熱條件下，經(jīng)過一定時間生長才能達到成熟，農(nóng)學上稱之為成熟天數(shù)（days to maturity，DTM）。這一過程需要從兩方面理解：一方面，DTM很大程度上與作物類型、品種、種植期等因素有關［22-23］，體現(xiàn)作物本身特征與栽培管理水平；另一方面，作物種植也需要考慮環(huán)境因素，例如適宜的溫度與降水。因此，農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)業(yè)地理等學科從資源利用的角度提出了生育期長度的概念（length of growing period，LGP），即特定區(qū)域內(nèi)降水與溫度共同使作物得以生長的持續(xù)時間，用“天”來表示［24］。

理論上而言，如果一個區(qū)域的LGP能夠先后包含多個完整DTM，那么該區(qū)域一年內(nèi)就能種收多季作物（地塊復種潛力的數(shù)學表達見表1）。我國主要作物的DTM在60～250d之間（包括冬季作物越冬期），平均標準DTM為90d左右［25］。標準情況下，根據(jù)溫度、降水等自然條件，我國南方的某些區(qū)域一年內(nèi)理論上最多能支持種收3次（即LGP≥3*DTM，圖1a），大部分地塊支持種收2次（即3*DTM≥LGP≥2*DTM，圖1b），北方冷涼地區(qū)的地塊一般只能種收1次（即2*DTM≥LGP≥DTM，圖1c）。由于區(qū)域尺度的LGP一般是特定的，而DTM是根據(jù)作物類型、品種以及種植方式等變化而變化的，理論上可通過合理配置作物類型與種植方式，提高地塊種收的次數(shù)，反之亦然。例如，如果選擇種植DTM較長（≥90d）的作物，可能會因為其占用的LGP過長，而使得剩余的LGP不夠支持種收一季DTM同樣較長的作物，從而降低地塊的潛在種收次數(shù)。此外，間作、套作、連作等種植方式可以使前后兩季作物共生一段時，最高可達80d左右［25-26］。這些方式可以有效提高對LGP的利用，例如，采用間作套作方式種植兩季DTM=90d的作物，兩季共同利用的LGP將小于180d，而使得LGP相對不足的情況下，仍然能夠支持復種（圖1d）。

圖1 復種潛力的農(nóng)學與地理學意義Fig.1 Concept of multi-cropping

復種差研究是復種研究在實際維度與潛力維度的整合與深化。與復種相關的學術概念很多，包括種植頻率［17］、收獲頻率［10］、種植指數(shù)［7］、（統(tǒng)計）復種指數(shù)、（遙感）復種指數(shù)、潛力復種指數(shù)［27-28］等。首先值得說明的是，種植頻率與收獲頻率（類比于種植面積與收獲面積），二者雖有差別，但該研究不重點關注年初與年末種收之間的差異，因此，二者等同對待。表1簡單梳理了復種差研究的主要概念，并將相近或相似的概念進行了合并處理。雖然作物DTM與區(qū)域LGP是復種差研究的理論基礎，但當前研究很少考慮作物生長期特征，而是直接考慮復種情況，且大多在區(qū)域尺度或者像元尺度開展（表1）。

表1 復種差研究的主要概念Table 1 Concepts for multi-cropping studies

續(xù)表

由于數(shù)據(jù)獲取方面的優(yōu)勢，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的復種指數(shù)研究率先在區(qū)域尺度開展［32］（表1）。但復種指數(shù)與復種的原始定義（即種收次數(shù)）稍有差別：首先，復種指數(shù)作為區(qū)域內(nèi)種植面積與耕地面積的比值，是二者的因變量，而對于特定地塊，種收次數(shù)是種植面積的自變量，二者在內(nèi)涵上已經(jīng)有本質(zhì)差別；其次，由于種植面積與耕地面積等統(tǒng)計指標相對獨立，且統(tǒng)計數(shù)據(jù)一般統(tǒng)計各類作物的種植面積，并不直接統(tǒng)計“作物種植面積”這一綜合指標，因此在計算統(tǒng)計復種指數(shù)的時候，一般需要先將各類作物的種植面積進行匯總，然而這一過程標準較難統(tǒng)一，由此統(tǒng)計復種指數(shù)計算結果可能出現(xiàn)違背常理的情況（如遠大于三）。

隨著遙感技術的發(fā)展，利用遙感植被指數(shù)，可以在空間像元尺度觀測作物生長狀況（表1）。通過平滑作物生長曲線，提取波峰頻數(shù)，進而可了解像元的復種情況［31-33］。遙感提取種的植頻率已經(jīng)十分接近復種的原始定義，但遙感影像（尤其是中低分辨率遙感影像）容易產(chǎn)生混合像元問題，導致網(wǎng)格提取的波峰頻數(shù)一般為多個地塊多種作物的平均值，這導致與地塊種收次數(shù)這一原始內(nèi)涵又稍存差別。

區(qū)域尺度、像元尺度的研究大多不考慮不同作物DTM的差異情況，因此，復種潛力一般由區(qū)域LGP與標準作物DTM之間的比值決定。例如，楊曉光等人將中國南方統(tǒng)稱為“潛在一年三熟區(qū)”［34］。在此基礎上，當前的復種差研究也大多基于區(qū)域平均情況開展［19-21］，而地塊尺度復種差研究暫未見報道（表1，圖2）。由于區(qū)域內(nèi)部各個地塊的作物類型、品種、種植方式等各不相同，如何理解區(qū)域尺度復種差的現(xiàn)實意義成為巨大挑戰(zhàn)。例如圖2所示，假設一個種植指數(shù)為1.89且標準復種潛力為3的地區(qū)，從復種指數(shù)的角度還有1.11的復種提升空間，但在哪提高、如何提高等問題需要轉換到地塊尺度視角才能有效解決。綜上所述，復種潛力是一個綜合的概念，與區(qū)域LGP、作物DTM以及種植方式等因素有關，但傳統(tǒng)區(qū)域尺度、基于復種指數(shù)的復種差研究無法考慮上述因素的協(xié)同影響。下面將分別從實際復種、潛力復種兩方面詳細梳理當前研究的進展，進而論述為何當前的實際復種與潛力復種研究無法科學支持復種差研究。

圖2 復種差研究的概念模型Fig.2 Conceptual model for multi-cropping studies

2 實際復種研究

實際復種研究是指對真實復種情況的觀測。由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)較容易獲取，統(tǒng)計復種指數(shù)研究率先開展。劉巽浩測算發(fā)現(xiàn)全國的種植指數(shù)由1952年的131%上升到1995年的158%，增加了27%，大致等于增加農(nóng)作物播種面積0.27億hm2；此外，我國以復間套種為中心的多熟制土地上所生產(chǎn)的糧食約占全國的75%，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位，在世界上也是走在前面［7］。隨后，一些學者利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲取的播種面積與耕地面積兩個指標，將復種指數(shù)（時間）變化特征研究［35］，擴展到時空差異研究［10，32］，并探討引起這種時空差異的原因［36］。這類研究結果直接匯總在行政單元，有利于對比不同行政區(qū)之間的耕地集約化利用程度；此外，由于數(shù)據(jù)獲取較易，有利于分析較長時間段內(nèi)復種指數(shù)的變化特征。但受限于數(shù)據(jù)特性，行政區(qū)內(nèi)部的空間差異特征無法體現(xiàn)，即統(tǒng)計復種指數(shù)僅體現(xiàn)多個地塊平均的復種情況，而每個地塊的復種信息無法獲取。

隨著遙感技術的發(fā)展，遙感復種指數(shù)研究逐步興起。一些學者利用NOAA/AVHRRNDVI［37］，SPOT/VGT-NDVI［33，38-39］，MODIS-NDVI［14，40］，MODIS-EVI［41］以及多源遙感數(shù)據(jù)長時序NDVI［42-43］或EVI［44］，對作物生長過程進行觀測。并采取Savitzky-Golay濾波［45］，HANTS［33，37］，非線性擬合［29，46］，小波變換方［39］等方法對植被指數(shù)進行平滑后提取波峰個數(shù)（或者直接采用決策樹法提取波峰個數(shù)［41］），進而判斷像元的復種情況。這類研究一般采用中低分辨率遙感影像（如分辨率1 km），考慮到中國耕地破碎化程度較高，網(wǎng)格提取的波峰頻數(shù)一般為多個地塊多種作物的平均值，并不能代表每個地塊種植頻率的具體值。此外，當前遙感復種指數(shù)研究一般都會以網(wǎng)格耕地面積為權重，將結果匯總到統(tǒng)計單元并與統(tǒng)計復種指數(shù)對比，以此校正波峰頻數(shù)提取結果，大大降低了復種指數(shù)信息的獨立性。

由于數(shù)據(jù)獲取限制，地塊尺度的實際種植頻率較難獲取，相關研究鮮見報道，這也成為未來研究需要著眼解決的關鍵科學問題之一。有研究開始嘗試用Landsat與MODIS數(shù)據(jù)相融合的方法，在30 m空間分辨率尺度獲取遙感復種指數(shù)［47］；另有研究將多年地塊尺度Cropland Data Layers（美國官方作物分布數(shù)據(jù)）疊加估算種植頻率［48］；中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研發(fā)的eFarm系統(tǒng)，通過眾包（human sensing &crowdsourcing）的手段，能直接獲取每個空間地塊的復種信息［30］，這些新研究為提取地塊尺度復種情況提供了有益參考。

3 復種潛力研究

復種潛力研究是指對潛在復種能力的預測。楊曉光等人利用大于等于0℃有效積溫，選擇5 900℃與4 200℃為閾值，劃分中國一年三熟、兩熟種植北界［34］；同樣利用溫度閾值法，Ray等人在全球10 km空間尺度估算了網(wǎng)格的最大復種潛力［10］。范錦龍與吳炳方利用縣級尺度統(tǒng)計復種指數(shù)與溫度、降水的相關關系，建立復種潛力經(jīng)驗估算模型［28］；劉洛等人利用農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)模型，綜合考慮溫度、降水、蒸散、土壤、地形等因素，在10 km空間分辨率尺度，估算中國復種潛力格局［49］。左麗君等人基于250 m空間分辨率尺度全國遙感復種指數(shù)提取結果，利用隨機前沿法，估算氣象、地形、社會經(jīng)濟等因素綜合影響下的復種潛力最大值［12］。

已有研究多關注氣候等自然因素對區(qū)域尺度標準復種潛力的影響，而地塊尺度、考慮特定作物種植情況的復種潛力研究較少。具體而言，已有研究一般估算的是潛力復種指數(shù)，且潛力復種指數(shù)估算本身的方法與理論也存在一些問題。例如，根據(jù)范錦龍與吳炳方的經(jīng)驗方法［28］，年平均溫度與年平均降水量是決定區(qū)域潛力復種指數(shù)的僅有兩個變量，這種簡單化處理無法考慮年內(nèi)溫度降水波動、雨熱不同季、極端天氣事件等問題，加大了估算結果的不確定性。此外，標準復種指數(shù)估算大多預先限定了潛力復種的上限，如中國最高為一年三熟［28，34］，但這可能與實際不符。一方面，在氣溫非常適宜的地區(qū)配合以灌溉、間作套作、作物品種優(yōu)選等田間管理手段，完全可能實現(xiàn)種植次數(shù)超過3次；另一方面，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，一些縣的統(tǒng)計復種指數(shù)的確存在高于3的情況。這意味著由這套方法估算的復種潛力指數(shù)，可能并不是真實的潛力上限。簡單忽略這些情況，具有明顯的人為傾向性，最終會導致整個估算結果的偏差加大。

潛力復種指數(shù)的內(nèi)涵是泛化的，估算結果是固定的，不能很好地反應現(xiàn)實情況；而地塊尺度復種潛力的內(nèi)涵是具體的，估算結果是浮動的（與區(qū)域LGP、作物DMT以及種植方式等因素有關）。因此二者不能簡單等同。相對于區(qū)域標準復種潛力，地塊復種潛力對科學制定集約化方案有更為直接的參考意義。不同作物類型、種植方式的組合將對地塊標準復種潛力產(chǎn)生何種影響是未來研究需要著眼解決的另一關鍵科學問題。

4 復種差研究

復種差研究是評估實際復種情況下繼續(xù)開發(fā)復種潛力的可能性。何文斯等人利用“溫度—降水”復種潛力經(jīng)驗估算模型測算縣級尺度潛力復種指數(shù)，然后將其與縣級尺度統(tǒng)計統(tǒng)計復種指數(shù)相減，估算復種差［27］。利用同樣的思路，左麗君等人將其在250 m空間尺度估算得到的標準復種潛力與遙感提取的復種指數(shù)相減估算復種差［12］。在全球尺度，吳文斌等人與Ray等人分別提出了cropping intensity gap［20］與harvest gap的概念［10］，在網(wǎng)格尺度與國家尺度估算了復種差。

測算復種差的最終目的在于通過提高復種，實現(xiàn)糧食增產(chǎn)。在楊曉光等人估算的的一年多熟種植北界基礎上［9］，結合網(wǎng)格尺度真實耕地面積數(shù)據(jù)與作物種植面積數(shù)據(jù)［50］，余強毅等人將這3者相結合，量化了不同水資源分配情景下的收獲面積潛力。據(jù)其測算，中國在2005年左右的收獲面積潛力在1 333.33萬hm2左右［21］，受氣候變化與耕地實際利用程度的共同影響，1981—2010年間，中國的收獲面積潛力經(jīng)歷了先減少再增加的過程［19］，當前的收獲面積潛力在現(xiàn)有糧食生產(chǎn)力水平下約相當于1.17億t產(chǎn)量潛力［51］。

耕地過度集約化利用，會帶來極大的環(huán)境影響，從而影響可持續(xù)發(fā)展。實施保護性農(nóng)業(yè)（conservation agriculture）是緩解環(huán)境壓力的一個有效手段［52］。同時，發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)，推進生態(tài)文明建設也成為新時期我國推動“四化同步”發(fā)展的新要求［53］。農(nóng)業(yè)集約化過程的“投入—產(chǎn)出—環(huán)境”綜合效益，受種植方式的影響很大。例如，一季中稻的平均單產(chǎn)約為8.0 t/hm2，而雙季水稻平均單產(chǎn)之和約為13.4 t/hm2（早稻6.5 t/hm2，晚稻6.9 t/hm2），二者的比例關系約為1：1.6［54］。這說明種植兩季能獲得的產(chǎn)量一般小于種植一季能獲得的產(chǎn)量的2倍（圖3b），同時也印證了品種的DTM越長，單產(chǎn)一般會越高［55］。受限于地塊尺度種植頻率與復種潛力觀測，當前復種差研究只能基于“混合作物”的前提開展。這意味著，即便在了解復種差的情況下（圖2），也無法有效評估不同集約化措施的不同效果。如何在“投入—產(chǎn)出—環(huán)境”綜合維度提高集約化效益，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要考慮的一大難題［56］，在復種差開發(fā)與利用的過程中，也需要綜合考慮集約化過程的“權衡與協(xié)同”效應（tradeoff and synergy）。

圖3 不同種植方式的投入—產(chǎn)出關系（根據(jù)文獻Wang et al.（2017）修改［55］）Fig.3 Input-output relation under different multi-cropping practices.（The figure is adopted from Wang et al.，2017）

5 復種差研究展望

綜上所述，傳統(tǒng)復種差研究大多基于復種指數(shù)開展，而這類研究的理論意義大于現(xiàn)實意義。筆者認為從地塊尺度、種植頻率的視角重新評估復種差將是未來研究的一個可行模式。兩種模式的具體差別體現(xiàn)在以下方面。

傳統(tǒng)模式認為：復種差=潛力復種指數(shù)-實際復種指數(shù)。傳統(tǒng)模式一般是直接將標準復種潛力與實際復種指數(shù)相減，考慮到標準復種潛力估算已經(jīng)是取整之后的結果，即LGP/標準DTM（取整），取整過程已經(jīng)抹去了一定的“殘值”。此外，標準情況下支持一年三熟的地塊，在種收一季DTM較長的作物之后，復種差可能小于二；但如果采用間作套作等種植方式，并選擇DTM較短的作物，則仍可能在這塊地上繼續(xù)種收兩季（圖1）。同時，標準情況無法包括所有情況，從而可能使評估結果存在系統(tǒng)誤差（biased estimation），例如圖4所示，在LGP足夠長的地區(qū)，傳統(tǒng)模式會認為所有種收1次的地塊，都將存在2次復種差，然而，如果現(xiàn)有作物已經(jīng)占用了相當長的LGP，復種差也將隨之減少。

圖4 作物種植頻率與復種差判定示意圖Fig.4 Illustration for cropping intensity gap based on different multi-cropping frequency

此外，在復種差評估基礎上，地塊模式還可服務于復種差利用方案的優(yōu)化選擇。如圖3a所示，針對不同復種差利用方案，可利用作物模型等工具開展投入、產(chǎn)量、管理過程、環(huán)境效應等模擬。綜合從LGP利用率、投入、產(chǎn)量、品質(zhì)、環(huán)境影響等方面設置評價規(guī)則，分析不同方案下的“投入—產(chǎn)出—環(huán)境”綜合效益，為合理提高耕地集約化利用開展科學評估。

圖5 復種差利用方案對比示意圖Fig.5 Illustration for different alternatives for filling the cropping intensity gap

6 結語

該文系統(tǒng)梳理了當前復種差研究的進展與問題，并從復種的原始意義出發(fā)，提出了一個地塊尺度復種差研究的新模式。這一模式將具體探究以下關鍵科學問題：在了解區(qū)域復種指數(shù)差的前提下，復種差發(fā)生在哪些地塊？發(fā)生在什么季節(jié)？進一步，如果填補該復種差，從LGP占用的角度是否還存在可能？該選取何種作物？需采取何種種植方式？最后，在“投入—產(chǎn)出—環(huán)境”綜合維度如何優(yōu)化耕地集約化利用方案？

地塊尺度復種差研究的核心理論是將復種差轉換成作物DTM對區(qū)域LGP的動態(tài)利用程度，而不再是簡單的將其等同于潛力復種指數(shù)與實際復種指數(shù)的靜態(tài)差值。此外，地塊尺度復種差研究具有較強的學科交叉性，可借鑒相關領域成熟的研究方法，如將種植頻率提?。ㄟb感）、物候期提?。ㄟb感）、遙感作物分類（遙感）、以及LGP估算（農(nóng)業(yè)氣象）、產(chǎn)量模擬（農(nóng)業(yè)氣象）、投入產(chǎn)出分析（農(nóng)業(yè)經(jīng)濟）等有機結合，創(chuàng)新性的應用于地理學（自然資源利用）研究。地塊模式將有效填補復種差研究的“知識鴻溝”（knowledge gap），為優(yōu)化資源利用方式，提高自然資源利用效率提供新的視角。