方修琦, 叶瑜, 张成鹏, 唐婵婵. (2019)中国历史耕地变化及其对自然环境的影响* [J]. 古地理学报, 21(1): 160-174
Fang Xiu-Qi, Ye Yu, Zhang Cheng-Peng, Tang Chan-Chan. (2019)Cropland cover change and its environmental impacts in the history of China[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(1): 160-174.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.01.009
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中国历史耕地变化及其对自然环境的影响*
方修琦, 叶瑜, 张成鹏, 唐婵婵
北京师范大学地理科学学部地理学院,北京 100875

第一作者简介 方修琦,男,1962年生,教授,主要从事环境演变及其影响研究。E-mail: xfang@bnu.edu.cn。

收稿日期:2018-11-23
基金资助:国家重点研发计划“全球变化与应对”专项项目课题(编号: 2017YFA0603304)资助
摘要

农业开发已经直接或间接地影响并正在影响自然环境的许多方面,中国农业开发历史悠久,对自然环境造成的影响广泛而强烈,对认识人类活动导致的全球与区域环境变化具有代表性。文中总结了近年来基于考古和历史文献记录的中国历史耕地变化定量重建和耕地开发环境影响的研究成果。主要结论包括: (1)中国在历史耕地变化重建方面具有独特的优势,主要数据源包括田亩、税赋、人口等与耕地数量相关的数值记录,考古遗址点、聚落、路网、行政建制等与农业活动相关的信息,有关土地开发和农业生产的描述性记录等三大类。 (2)对全国尺度的耕地面积推断始于春秋战国时期,过去1000年以来已重建了省(路)域的垦殖率,过去300年基于历史记录重建的东北、华北等区域垦殖率的分辨率已到县,在重建基础上利用分配模型获得的过去300年格网化垦殖率的分辨率可达10 km×10 km甚至1 km×1 km。相比于当前广泛使用的国际数据集,这些区域定量重建结果更为准确。(3)历史时期中国耕地的3次大规模扩张分别主要出现在西汉、两宋和清中叶,与此相对应,植被破坏和水土流失从北方地区扩展到南方地区,从平原低地扩展到低山丘陵、深山地区;过去300年耕地变化导致了碳排放的增加和可辨识的区域气候变化。未来中国的历史耕地变化重建及其对环境影响研究,应与国际过去土地利用/覆盖研究衔接,研究重点为延长历史耕地重建时限、提高重建单元的空间分辨率和改进耕地格网化分配模型。

关键词: 土地利用/覆盖变化; 重建; 耕地; 农业; 气候变化; 中国
中图分类号:P532;P534.63 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)01-0160-15
Cropland cover change and its environmental impacts in the history of China
Fang Xiu-Qi, Ye Yu, Zhang Cheng-Peng, Tang Chan-Chan
Faculty of Geographical Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China

About the first author Fang Xiu-Qi,born in 1962,obtained his Ph.D. degree from Beijing Normal University in 1994,now is a professor of Physical Geography at Faculty of Geographical Science,Beijing Normal University. His major research field is environment change. E-mail: xfang@bnu.edu.cn.

Fund:Financially supported by the National Key R & D Program of China(No.2017YFA0603304)
Abstract

Agricultural land-use change has directly or indirectly affected and is affecting many aspects of the natural environment. China is one of the representative areas for understanding the global and regional environmental changes induced by cropland change caused by the extensive and intensive impacts on natural environment in its long agricultural history. This paper reviewed the achievements of the historical LUCC (land use and cover change) reconstruction based on historical documents and archaeological records,and the environmental impacts caused by land reclamation in China in recent years. The main conclusions are shown as follows: (1)China has unique advantages in the study of historical cropland reconstruction because of its abundant historical and archaeological data sources,including figures related to cropland,such as cropland area,tax,and population, etc.;location-related information on agriculture,such as archaeological sites,settlements,road network,administrative systems, etc.;literature descriptions on the history of land reclamation and agriculture development. (2)The earliest estimation on the area of cropland or fraction of cropland on national scale is as early as the Spring and Autumn Period and Warring States Period;the fraction of cropland cover reconstructed based on historical documents on provincial(Lu)scale has been already reconstructed since the past 1000 years in the traditional agricultural region of China,and county scale over the last 300 years in the regions of Northeast China,North China, etc.;and down scaling by the allocation model,the spatial resolution of the grid derived from the historical documents-based reconstructions in last 300 years could reach 10 km×10 km or even 1 km×1 km. These regional reconstructions are more accurate than the current widely used global datasets. (3)There are mainly three times large-scale expansion of cropland reclamation in the Western Han Dynasty,Song Dynasties and middle Qing Dynasty,respectively. Vegetation deterioration,soil erosion correspondingly extended from the northern China to the southern China,from plains to low hills and remote mountains. The cropland reclamation over the last 300 years has led to increase of carbon emissions and identifiable regional climate changes. Prospects on the studies of historical cropland cover change and its environmental impacts in China should be integrated into international researches on past land use/cover. The main focuses are on extending the duration of reconstruction,fining the spatial resolution of reconstruction units,and improving the allocation model.

Key words: land use and cover change; reconstruction; cropland; agriculture; climate change; China
1 概述

农业的起源与发展是全新世期间一个重大事件。全新世以来, 特别是工业革命以来农业开发所导致的土地利用/覆盖变化(land use and cover change, 简称LUCC), 已经影响并正在影响自然环境的许多方面(Gaillard et al., 2018)。据“ 全球历史环境数据集” (简称为HYDE数据集)给出的全球耕地数据, 自农业出现到1000 AD之前, 全球耕地不到陆地总面积的1%, 1850 AD全球耕地的占比达到4.4%, 2015 AD全球耕地的占比达到12.2%(Goldewijk et al., 2017)。耕地的扩张不仅重塑了地表景观, 对陆地生态系统直接造成了深远的影响, 而且通过改变陆地表面物理条件(地表反照率、辐射强迫、蒸散发和土壤侵蚀)和生物地球化学循环等过程, 深刻地影响全球的、区域的环境变化(Ruddiman, 2003; Goldewijk et al., 2007; Pongratz et al., 2008; Pielke et al., 2011; Zhang et al., 2012; Ellis et al., 2013; Gaillard et al., 2018)。深入了解过去土地开发的时空演变过程, 定量重建格式规范统一的历史LUCC变化数据集, 并分析其在时间与空间上对自然环境所造成的影响, 是过去全球变化研究所面临的挑战, 其研究成果对通过可持续的景观管理和土地利用策略应对减缓全球变暖具有重要的借鉴意义(Gaillard et al., 2018)。

20世纪80年代至90年代初, Houghton等(1983)为估算土地利用变化导致的CO2排放量, 统计了1700 AD全球10个地理区包括耕地和草地在内的14种土地覆盖类型的数量; Richards(1990)重建了1700 AD以来全球耕地数量的变化; Esser(1991)对20世纪全球耕地面积进行了探讨。在此之后的几十年中, 国际上面向全球变化研究相继建立了多个全球高时空分辨率的历史LUCC数据集, 其中最具有代表性的是荷兰环境评价局(Netherlands Environmental Assessment Agency)建立的HYDE数据集, 已更新到HYDE3.2版本(空间分辨率为5'× 5', 重建时段为10 000 BC— 2015 AD)(Goldewijk and Battjes, 1997; Goldewijk, 2001; Goldewijk et al., 2011, 2017)。此外, 还有美国威斯康星大学全球环境和可持续发展中心(Center for Sustainability and the Global Environment)的Ramankutty和Foley(1999)建立的“ 全球土地利用数据集” (简称SAGE数据集, 重建时段为1700— 1992 AD, 分辨率为0.5° × 0.5° ), 以及Pongratz等(2008)建立的PJ数据集、Kaplan等(2009, 2010)建立的KK10数据集, 等等。这些数据集已应用于很多研究, 成为定量研究土地覆盖变化对气候和对碳、水等物质循环影响的基础数据。但由于过去土地利用变化重建所采用的原始数据和空间分配模型的某些缺陷, 上述全球尺度数据已被众多区域尺度重建结果证明存在很大偏差(Kaplan et al., 2009; Li et al., 2010; Leite et al., 2012; He et al., 2013; Zumkehr and Campbell, 2013; Yuan et al., 2017)。如何改进全球土地利用数据精度一直是国际LUCC研究关注的热点, 也是国际上正在执行的LandCover6k计划的研究目标(Gaillard, 2015)。

基于区域史实, 重建相对准确的历史土地利用/覆盖变化, 是改进全球土地利用数据精度的根本途径之一, 也是准确地认识其对区域自然环境影响的基础。中国是全球农业起源地之一, 其自然环境复杂多样、农业开发历史悠久、人口众多, 农业对自然环境的影响强烈。利用丰富的考古和历史文献记录, 中国学者对历史土地利用/覆盖变化及其对自然环境的影响进行了大量研究, 取得了一系列在国内外有影响的成果(葛全胜等, 2003, 2008; 叶瑜等, 2006, 2009; 林珊珊等, 2008; 李蓓蓓等, 2010, 2014; 何凡能等, 2011, 2012, 2016; Yu et al., 2012, 2016; Zhang et al., 2012; Ge et al., 2013; Li et al., 2016; Wei et al., 2016; 李美娇等, 2018; Li et al., 2018)。作者基于这些成果, 概括有关中国历史耕地覆盖定量重建及其对自然环境影响的最新进展和认知。

2 中国土地开发过程

作为世界上重要的农作物栽培起源区之一, 中国原始农业萌芽于距今11 500— 9000年, 确立于距今9000— 7000年(张居中等, 2014)。根据人类活动对自然环境影响方式和强度的不同, 可将中国土地开发历史划分为原始农业、传统农业和现代农业3个时期(彭世奖, 2000; 方修琦等, 2008)。

2.1 原始农业时期

原始农业(约11 500年前到约500 BC)为掠夺式农业(彭世奖, 2000)。土地开发主要以石器为农业工具, 耕地主要集中在较平坦的区域。由于自然环境条件、农业起源和生产方式的差异, 逐渐形成以黄河中下游为重心的北方粟、黍等旱作与以长江中下游为重心的南方稻作的土地利用格局(方修琦等, 2008; 张居中等, 2014)。5000— 2000 BC的仰韶、龙山文化时期, 史前农业达到兴盛, 根据耕作方式可划分为北方的粟作农业区、南方的稻作农业区和黄淮地区的稻粟混作农业区, 稻作与旱作栽培的分界较现今偏北2~3个纬度(图1为仰韶文化时期); 北方以粟为主的旱作农业的北界达到现今以畜牧为主或半农半牧的内蒙古长城地带及西北的甘青地区; 至夏商之际, 受全球气候环境恶化的影响, 长城沿线的原始旱作农业蜕变为以半农半牧、时农时牧的土地利用方式为特征的农牧交错带, 长江以南地区的稻作农业也出现不同程度的衰落, 而黄河中下游地区则相对繁盛成为原始农业的中心区(方修琦等, 2008; 张居中等, 2014)。西周时期农耕区亦主要集中在黄河中下游地区(中国科学院地理研究所经济地理室, 1980)(图2)。

图1 5000— 3000 BC中国稻— 粟作大植物遗存分布示意图(据张居中等, 2014)Fig.1 Sketch map showing macro-remains of rice and millet plants during 5000-3000 BC in China(after Zhang et al., 2014)

图2 西周以来中国农耕区的扩张(据中国科学院地理研究所经济地理室, 1980)Fig.2 Spatial expansion of agricultural region in China since Western Zhou Dynasty(after Department of Economic Geography of Institute of Geography, Chinese Academy of Sciences, 1980)

2.2 传统农业时期

传统农业(500 BC— 1950 AD)以循环式农业为特色(彭世奖, 2000), 其思想基础是, 承认自然环境的限制作用, 强调在此前提下主动地适应自然环境, 从以人为本的基点出发去保护自然环境、追求人与自然环境的和谐(方修琦和萧凌波, 2007)。铁器与牛耕技术等得到广泛使用是进入传统农业时期的技术标志, 它使人类改造利用自然的能力增强, 在促进了人口增长的同时, “ 土地狭小, 民人众” 的土地紧张局面也随着人口的不断增加而日益突出。作为中国历史上解决人口增长问题的主要手段(方修琦等, 2008), 土地开垦面积在整个传统农业时期不断扩大, 开垦的土地类型从平原向丘陵、山地和湖泊低地扩展; 为在提高土地利用率的同时, 保持土壤肥力、减少对自然环境的破坏, 中国发展了精耕细作的传统农业。

在传统农业时期, 中国的主要农业区有3次大规模的扩张, 它们分别主要出现在西汉、两宋和清中叶(图2)。

农耕区的第1次快速扩展发生在西汉, 土地开垦主要集中在北方地区。西汉的200年是中国历史上人口第1次快速增长时期, 人口增长到5900万, 同期的耕地面积增长迅速, 建立了北方农耕区的基本格局, 汉武帝时农区北界的位置在西北远至新疆、河西走廊和陇西地区, 东北至山西、河北北部和辽宁(图2)。此后的2000多年中, 中国传统农耕区北界的位置基本稳定, 只是随中原汉民族与周边少数民族势力的彼此消长而发生一定幅度的摆动, 中国北方地区的耕地面积随社会战乱与稳定局面的交替而出现多次增减。

农耕区的第2次快速扩展主要在两宋时期。西汉之时, “ 江南地广, 或火耕水溽, 民食鱼稻” 。自东汉后期至宋元时期, 大批中原士民为避灾荒战乱而逃往南方, 加上铁制农具的普遍使用, 南方地区农田开辟扩大, 开发次序大体是从平原低地、到低山丘陵、再到深山地区。

农耕区的第3次快速扩展主要在清中叶, 主要表现为东北等边疆地区的拓垦和南方山地的开发(图2)。在经历明清之际的人口减少后, 清康熙至乾隆的100多年间全国人口由不足1× 108骤然增至3× 108, 约50年后的1840年突破4× 108大关, 是历史上人口的第1个快速增长期(曹树基, 2000)。在巨大的人口压力下, 全国各地都加大了对山地的开发, 尤其是适于山地种植的玉米、花生、甘薯和马铃薯等外来旱地农作物在清中期普遍推广后, 山地开发明显加速, 致使大量陡坡旱地、山坡地和丘陵地被开发。19世纪中叶以后, 清统治者取消了禁止汉人进入东北地区的禁令, 东北地区出现了大规模的移民开垦。

2.3 现代农业时期

现代农业(1950年以后)是建立在现代工业基础上的投入式农业(彭世奖, 2000)。新中国成立后, 人口进入中国历史上的第3个快速增长期。实现国家工业化、发展经济和解决人民群众的基本生活问题等被放在特别优先的地位, 新垦耕地迅速增长的同时, 城市扩展对耕地的占用不断增加, 化肥、农药和机械等的投入使得对耕地的利用强度达到前所未有的程度(葛全胜等, 2005)。

3 中国历史耕地变化重建
3.1 历史耕地重建的主要数据源

丰富的历史文献和考古记录是中国历史耕地重建的主要来源, 也使得中国历史土地利用/覆盖研究在国际上独具特色。此外, 沉积物中的孢粉、碳同位素等自然记录亦能够用于重建过去耕地变化(许清海等, 2010)。按照历史文献和考古记录的特点, 可分为以下3类。

1)有关田亩、税赋和人口等数值记录。中国历史悠久, 历代王朝对农业发展高度重视, 在历史文献中保存了大量可用于重建过去土地利用/覆盖的信息, 在定量重建历史耕地变化方面具有独特的优势。20世纪以前耕地覆盖的定量重建, 多采用历史文献中较为丰富的田亩、税赋和人口记录, 也包括缺乏现代地图要素的舆图资料等, 中国历代与耕地面积有关的数字主要保存于历代正史和政书中, 明清以来数量丰富的政府档案和通志、方志等是被广泛使用的数据源, 通常情况下, 年代愈加久远, 保存下来的文字资料相对越少, 这些数字需要考证和进行若干订正后才能使用。受西方影响, 从20世纪早期开始出现了耕地统计和调查数据, 包括政府出版的年鉴、农业统计和调查资料, 以及学者和外国势力进行农业调查的数据。新中国成立以后的耕地数据源以规范记录的统计年鉴和针对不同需求所开展的详查、概查资料为主, 在20世纪70年代出现了基于多时相遥感影像的土地利用/覆盖数据(表1)。历史耕地重建基本空间单元的大小受资料的空间分辨率制约, 通常分为国家、省级和府/县级3个尺度; 已有的重建主要集中在资料相对丰富的过去1000年、特别是过去300年(葛全胜等, 2003; 叶瑜等, 2009; 何凡能等, 2011)。利用这些指标进行重建时需要解决的关键问题主要包括: (1)不同时段、不同地域数据的计量单位的统一; (2)不同时段和不同记录形式的数据之间的整合, 如统计数据与实际调查数据之间、历史重建数据与现代调查数据等多源数据之间的相互对比、校准和补充(叶瑜等, 2009)。

表1 定量重建中国历史土地利用/覆盖的主要数据源 Table1 Quantitative data sources for historical LUCC reconstruction in China

2)与农业活动相关的考古遗址点、聚落、路网和行政建制等信息。考古遗址点、聚落、路网和行政建制等信息中有部分与农业开发利用相关, 上述记录都具有具体的地理坐标, 其位置指示在周边存在农业活动, 其数量的多少指示人口密度和农业开发的强度, 是史前耕地覆盖重建证据的主要来源, 在历史时期可作为缺乏数值记录情况下重建耕地变化的代用指标。在其他条件相同的情况下, 利用与农业活动有关的考古遗址的数量和分布范围能够推断农业开垦范围和强度(方修琦, 1999; Liu and Feng, 2012; Jia et al., 2017); 通过建立考古遗址密度与耕地覆盖度的关系模型, 能够利用考古遗址点的信息定量重建史前耕地覆盖度(于严严等, 2010; Yu et al., 2012)。利用与农业相关的聚落地名和行政建制记录, 重建聚落和城镇体系的演变, 能够推断历史时期土地开垦的时空变化(方修琦等, 2005; 曾早早等, 2011; Jia et al., 2018); 根据聚落地名命名的类型, 甚至能够区分出私垦、官垦和放垦等不同耕地开垦类型(曾早早等, 2011)。值得注意的是, 在利用此类信息重建中国农业开垦历史时, 要充分考虑中国农业起源和发展的复杂性和记录不完整性, 避免以偏概全。

3)有关土地开发和农业生产的描述性记录。历史文献中有大量关于过去土地利用/覆盖的描述性记录, 其记录的内容十分丰富, 涉及耕地开垦的区域和开垦方式(亿里, 2000), 耕地开垦前的植被类型和覆盖状况(张学珍等, 2011), 等等。利用这些记录可判断开垦过程及开垦前后植被类型的变化。

3.2 中国历史耕地覆盖变化定量重建结果

史前耕地覆盖的定量重建主要依据考古记录和孢粉等自然记录, 此类定量重建难度和不确定性较大, 目前的研究仅局限于少数案例。例如, 基于考古遗址点的分布和数量等信息, 利用史前土地利用模型(prehistoric land use model, PLUM)重建的渭河流域的垦殖率在8— 4 ka BP期间从0.2%增加到 12%(Yu et al., 2016); 仰韶文化前期(7— 6 ka BP)伊洛河流域的垦殖率约达7%, 主要分布于下游河流两岸坡度较缓的低地(于严严等, 2010)。

中国历史上全国尺度的耕地面积推断可追溯到春秋战国时期, 估计为2.3× 108亩(卜风贤, 2007)。明确的耕地面积记载最早出现在《汉书· 地理志》, 汉代平帝元始二年(2 AD)已有垦田8.27× 108亩, 折算现代单位为5.72× 108亩, 占西汉时期全国总面积的5.7%(卜风贤, 2007), 这是世界上少有的具有高可信度耕地数据记录, 汉代的耕地主要集中在以黄河中下游地区为核心的北方农耕区中, 南方稻作农业区的大部分地区开发程度较低(图2)。1953年中国政府公布的耕地面积为16× 108亩, 相当于中国传统农业时期耕地面积的上限。整个传统农业时期其他时段全国的耕地总量估算结果显示(表2), 魏晋南北朝的耕地减少至3.85× 108亩, 约为汉代的2/3; 隋唐时期的耕地超过汉代, 最高达到6.42× 108亩, 南北方的耕地面积数量相当(卜风贤, 2007)。北宋时期(11世纪末)全国耕地总面积为7.74× 108亩, 农耕区内的垦殖率达到11.5%(Li et al., 2018); 明代全国耕地面积10.7× 108亩(卜风贤, 2007), 清末传统农业区18省的耕地面积12.28× 108亩(何凡能等, 2016)。

表2 中国历代耕地面积估算 Table2 Estimated area of historical cropland in China

自葛全胜等(2003)利用历史记录定量重建过去300年中国传统农耕区18个省的耕地变化(省级垦殖率)以来, 对宋元时期以来中国或主要农耕区内多个时段的耕地空间分布已有定量重建结果(葛全胜等, 2003; 何凡能等, 2011, 2016; Li et al., 2018)。据Li等(2018)重建的10— 13世纪中国东部路域垦殖率结果, 该时段内全国耕地在11世纪末达到峰值, 耕地总面积为7.74× 108亩, 垦殖率达到11.5%(图3), 较1000 AD的垦殖率增加了3.8%; 其中, 北宋境内的耕地面积为7.32× 108亩, 垦殖率16.9%。在11世纪末, 北方地区除东北地区垦殖率低于3%外, 各路垦殖率均在10%以上, 黄淮海平原的垦殖率达到20%以上, 北宋境内北方地区的平均垦殖率达到17.9%。东南地区的垦殖率为28.3%, 其中, 长江中下游平原局部地区的垦殖率超过40%, 江南东路、荆湖南路和两浙路的垦殖率分别达到33.3%、22.9%、16.1%; 福建路垦殖率低于15%。西南地区的平均垦殖率为5.0%, 其中, 除成都府路的垦殖率达到32.2%外, 其他各路垦殖率均低于6%, 夔州路和广南西路垦殖率仅在2%左右(何凡能等, 2016; Li et al., 2018)。

图3 中国东部11世纪末路域垦殖率重建(据何凡能等, 2016; Li et al., 2018)Fig.3 Distribution of reclamation fractions in eastern China in late 11th century(modified after He et al., 2016; Li et al., 2018)

在过去300年中国耕地变化重建研究中, 葛全胜等(2000)系统地收集、整理并校准了民国与1949年以后的各种土地利用调查和普查资料, 重建了20世纪以来中国土地利用变化; 其后, 基于历史文献资料和现代统计资料, 重建了300余年以来中国内地18省的分省耕地数据变化。在此之后, 基于空间分辨率达到府县尺度的历史耕地统计和调查资料, 经过对不同来源数据的记录订正和归一化处理, 全国许多区域耕地变化重建的分辨率达到了县级, 这些区域主要包括: 东北、华北、内蒙古、青海的河湟谷地和西藏等地区(田砚宇, 2005; 赵赟, 2005; 叶瑜等, 2006, 2009; 傅辉, 2008; 张青瑶, 2012; 汪桂生等, 2013; 罗静等, 2014; 张丽娟等, 2014; Ye and Fang, 2015; Ye et al., 2015; Wei et al., 2016)。

上述基于史料记载的重建结果为利用空间分配模型建立格网化数据集提供了基础。基于葛全胜等(2003)重建的传统农耕区18个省的垦殖率, 林珊珊等(2008)以海拔高度、坡度和人口分布等因子构建了历史耕地数据格网化分配算法模型, 得到过去300年空间分辨率为60 km× 60 km的传统农耕区格网化耕地数据集; 其后, 有许多学者采用不同指标构建耕地分配模型, 得到多个时间断面上分辨率为10 km或1 km的全国格网化耕地数据集(林珊珊等, 2008; 冯永恒等, 2014; Jin et al., 2015; 魏希文等, 2016; Li et al., 2016); 在东北、华北、西南和青藏等地区也先后进行了多个时间断面的1° 、10 km或1 km的格网化耕地重建(李蓓蓓等, 2010; 李士成等, 2012, 2015; 魏学琼, 2016; Yang et al., 2016)。然而, 现有网格化分配算法模型均是以自然环境的宜垦性为基础的, 宜垦性高的地区优先分配耕地。这些方法未考虑人文因素对开发过程的影响, 也未考虑历史环境演变可能造成的宜垦性变化, 加之模型中某些因子的合理性和空间辨识度尚有待改进, 因此, 格网化分配的结果与耕地的实际分布仍存在一定的偏差, 且格网化的空间分辨率越高、被分配的原始耕地数据的空间单元越大, 偏差越大(Yuan et al., 2017)。

正在执行的LandCover 6k计划将6 ka BP、1500 AD和1850 AD定为重建时优先考虑的断面(Gaillard, 2015), 其中, 1850 AD被视为工业革命前后时间节点上土地利用状况的代表。据HYDE3.2估算, 1850 AD全球耕地占陆地总面积比的4.4%, 主要分布在中国东部地区、印度、欧洲和北美洲的东南部地区(Goldewijk et al., 2017)。对中国耕地开发而言,

1850 AD也是一个重要的时间断面。1840 AD第一次鸦片战争后中国进入半封建、半殖民地的时代, 特别是1860 AD清政府结束了长达200多年的东北封禁政策, 其后东北地区开始了大规模的移民开垦。基于中国学者利用历史记录重建的分省/分县耕地重建结果(葛全胜等, 2003; 田砚宇, 2005; 赵赟, 2005; 张莉, 2005; 傅辉, 2008; 叶瑜等, 2009; 罗静等, 2014, 2015; 王宇坤, 2015; Ye and Fang, 2015; Ye et al., 2015; 陶娟平, 2016; 魏学琼, 2016), 对1850 AD中国耕地的空间根据进行集成重建(唐婵婵, 2018)。优先选择1850 AD前后各区域高空间分辨率重建耕地数据, 结合区域行政沿革信息对行政边界进行调整, 将所有重建数据订正到1850 AD, 得到基于现代(2000 AD)中国行政底图的1850 AD分省/分县垦殖率空间分布图(图4)。其中, 东北地区、华北地区、新疆维吾尔自治区和青藏高原地区垦殖率的空间分辨率达到县, 其余地区垦殖率以省为基本单元。

图4 1850年不同空间分辨率垦殖率重建的集成(据唐婵婵, 2018)Fig.4 Integration of cropland cover reconstruction with different spatial resolution in China in 1850 AD(after Tang, 2018)

1850 AD中国的耕地主要分布在华北平原及长江中下游平原地区, 华北平原大多数县域的垦殖率超过30%; 而西藏、青海和甘肃等地及当时未全面开禁的吉林省和黑龙江省的耕地极少, 在县域分辨率水平上均在5%以下。在省域/亚省域水平线, 陕西、山西、河南西部、湖南、湖北和江苏南部等的垦殖率达到15%~30%; 其余省域的垦殖率低于15%, 西南的云南、四川和重庆等地区的垦殖率不足10%(唐婵婵, 2018)。

3.3 中国历史耕地重建结果与国际数据集对比

基于历史记录定量重建的中国多时相耕地空间分布结果, 为评估国际上已有全球LUCC数据集在中国的可靠性提供了参照。已有的评估结果均显示国际上流行的全球LUCC数据集在中国存在显著的偏差。导致偏差的原因主要包括, 依据现代耕地分布格局回推历史耕地分布的假设与真实开垦进程不符, 全球数据集所采用的利用遥感资料解译的现代耕地数据存在误差(李蓓蓓等, 2010); 耕地分配模型中河流附近土地优先被开垦等假设在中国不完全适用(Zhang et al., 2012; 魏学琼, 2016; Yuan et al., 2017)。

HYDE数据集在其不断更新的版本中, 通过吸收国家及亚国家尺度上基于历史记录的区域耕地重建结果改善其重建的精度, 但与历史重建结果对比仍存在偏差。在1100 AD前后, 重建的北宋中期耕地总量为7.32× 108亩, 土地垦殖率为17%; 而HYDE3.1的耕地总量为5.66× 108亩, 垦殖率为13%。HYDE数据集对北宋东南各路及成都府路的耕地重建结果明显偏低, 其中江南西路、江南东路和成都府路分别低了76.2%、77.2%和79.1%; 而对北方地区和西南各路的重建结果相对偏高, 其中京东路、梓州路和广南西路分别高了75.7%、218.9%和410.5%(何凡能等, 2016)。以上结果说明, HYDE数据集中1100 AD前后中国的耕地数据与史实不符; 其空间分配模型也存在某种缺陷, 有待改进。

在过去300年, HYDE3.1以后版本的数据集中采用了中国传统农区历史耕地的重建结果, 因此在中国传统农区的耕地总量与基于历史重建的结果较为接近, 但在省区和格网尺度上仍存在显著偏差, 在某些河流和大运河附近耕地分配比例偏高(何凡能等, 2012; 魏学琼, 2016; Yuan et al., 2017), 说明空间分配模型的合理性有待改进, 特别是模型中河流两岸地区优先分配耕地假设的合理性需要进一步评估, HYDE分配模型亦未考虑历史时期河道变迁和河流功能多样性等因素对耕地分布的影响。在清代后期以来移民开垦的东北地区, HYDE数据集的耕地重建结果无论总量的变化趋势还是各时间断面空间分布都与基于历史记录重建的历史开垦过程有较大偏差, 其最大的缺陷是在耕地面积回推和空间分配过程中未考虑移民对东北地区开垦的影响(李蓓蓓等, 2010)。对SAGE数据集的评估结果表明, 该数据集中过去300年的耕地数据与中国全国及多个区域的重建结果存在显著的偏差, SAGE数据集所采用的现代耕地数据和历史回溯结果均与史实不符(李蓓蓓等, 2010; 何凡能等, 2012; 杨绪红, 2014; 袁存等, 2015; 魏学琼, 2016)。

4 历史土地利用变化对中国自然环境的影响

农业的出现是人类开始干扰与改变自然环境的标志。农业开发意味着用农业景观替代自然景观, 对自然环境的影响首先表现在对植被的破坏方面。

农业区域的扩展和农业土地利用强度的增大, 导致了森林破坏、水域湿地等自然景观的退缩和消失、土地退化和土壤侵蚀的加剧、动植物数量减少以至灭绝等一系列环境问题。农业不仅重塑了地表景观的格局, 也对区域及全球气候产生影响。

4.1 植被破坏

原始农业时期的人类以适应自然环境为主(方修琦等, 2004, 2017), 土地开发主要集中在较平坦的区域, 对植被的改变多是局地性的, 在一些考古点遗址附近的孢粉记录中可辨识出农业生产活动造成的植被区域变化(许清海等, 2010)。

战国时期高地、平地和低洼地3种类型的土地均得到开发, 但坡陀地和低洼地的开发主要在居民点附近, 山林和薮泽主要是人们采集和渔猎的场所, 大部分地区仍是地广人稀(方修琦等, 2008)。秦汉以后, 中国耕地开垦扩张的次序大体是从北方地区到南方地区, 从平原低地到低山丘陵、再到深山地区(方修琦等, 2008), 植被破坏的过程与此对应。

北方农耕区内可开垦的草地和林地在西汉时期大都受到开垦, 汉代中后期因大量森林被垦辟为农田, 以至于政府再也无力像汉朝中前期那样将公有林地和皇家园林发放给无地流民(王建革, 1997)。宋金时期, 关中平原和汾涑河流域已无天然森林, 黄土丘陵和山地植被也遭到破坏; 及至清代, 北方地区不仅平地被开垦殆尽, 而且一些坡度很陡的丘陵沟壑区, 也被开垦(方修琦等, 2008)。清后期以来, 农业开垦扩散到长城以外的东北及内蒙古地区, 东北地区的草地和林地随着耕地大幅度向北推进与面积迅速增加而受到破坏(叶瑜等, 2009; Zhang et al., 2012)。

自战国后期到汉魏六朝时期, “ 火耕水耨” 仍广泛流行于南方稻作农业区。江南地区的大规模开发主要发生在唐宋以后, 与北方人口大规模南迁密切相关, 开发的次序大体是从平原低地, 到低山丘陵, 再到深山地区(方修琦等, 2008)。四川盆地从东汉后期开始, 农业垦殖活动已经在丘陵地区开展; 到南宋中期, 农地垦殖进抵盆周高半山区(郭声波, 2003)。为抑制坡地开发带来的山地水土流失问题, 东汉时重庆彭水已有少量梯田出现(刘沛林, 1998), 唐宋时期梯田的快速发展使得山地开发速度进一步加快, 南宋时期长江流域的丘陵低山地带呈现出明显的农业景观(周宏伟, 1999)。明代长江流域的丘陵低山地带天然森林已所余无多(史立人, 2002), 而在位置偏避的中、高山地区, 原始森林植被面貌尚未改变。至清代, 特别是清中期后, 人口剧增使南方山地遭到大规模开垦, 如清初四川盆地的垦殖与森林破坏尚主要局限于丘陵中部及山地坡麓(海拔约800~1500 m)以下, 至清中叶时向丘陵顶部、半山上部(海拔约1000~2000 m)推进, 并向盆周及川西南乃至川西山区逐渐深入, 至1937 AD已达到川西南中山、川西高山地区(海拔约2000 m以上)(郭声波, 2003)。

4.2 水土流失

原始农业时期中国被开发的区域主要集中在较平坦的地段, 基本维持自然侵蚀。从原始农业到传统农业、现代农业, 人们不断地破坏林草植被、辟为农田, 尤其是大规模开发山地和丘陵, 水土流失程度不断加剧(方修琦等, 2008)。

传统农业时期的人为加速侵蚀, 可分为3个阶段。第1阶段始于西汉时期, 水土流失开始凸显于北方地区, 至少从西汉时起黄土高原等北方地区农业开垦引起的水土流失已经较为明显, 黄河泥沙含量高的特点已经出现(谭其骧, 1962)。第2阶段始于唐宋时期, 水土流失区从北方扩展到南方地区。唐宋以后, 北方地区人为加速侵蚀增强, 按以自然侵蚀为主观点的估计(景可和陈永宗, 1983), 1020 BC— 1194 AD黄土高原土壤年均侵蚀量11.6× 108 t, 较全新世中期增加0.85× 108 t, 增长率约7.9%; 黄河下游沉积速率, 战国到南北朝时期为2~4 mm/a; 在隋唐以后增加到20 mm/a以上(许炯心和孙季, 2003)。在南方地区, 对丘陵山区的开发致使水土流失明显化, 并日趋加剧, 荆江洪水位在汉至宋元时期, 平均上升量为1.6 mm/a, 而从宋元至今平均上升量为13.9 mm/a(刘沛林, 1998)。第3阶段始于到清中叶, 水土流失随着山地的开发而普遍加重。在南方地区, 四川盆地周边、湘西、鄂西、江西、浙江和安徽徽州等地(鲁西奇和蔡述明, 1996; 周宏伟, 1999; 史立人, 2002; 郭声波, 2003)都记载了清中叶以后山地开垦导致水土流失加剧的情况。在北方地区, 明清时期黄土高原区开垦的多已是大于25° 坡耕地, 坡耕地的侵蚀又影响到沟谷侵蚀和重力侵蚀, 致使水土流失严重增强(郑粉莉等, 1995); 1194 AD— 1855 AD黄土高原的年均侵蚀量13.3× 108 t, 1919 AD— 1949 AD增加到约16.8× 108 t(景可和陈永宗, 1983), 黄河下游沉积速率在清中期以来急剧上升(许炯心等, 2003)。

现代农业时期, 新垦耕除黑龙江省、新疆绿洲和内蒙古草原、云南省等新开垦地区外, 其余大部分为原有农耕区内坡地、陡坡地开垦, 水土流失进一步加剧。进入20世纪80年代后, 水土保持工作得到恢复和加强, 水土保持和防治工程取得了明显效益, 1997年中央开始实施退耕还林还草试点工程, 中国水土流失状况总体上得到改善。

4.3 碳排放

对中国耕地开垦所导致的碳排放估算主要集中在过去300年以来。就整个中国大陆而言, 过去300年耕地开垦导致的植被碳排放量大于土壤碳排放量, 两者合计的净碳排放为4.50~9.54 PgC(最适估计为6.18 PgC), 只有Houghton等(2003)估算结果的1/3~1/5(葛全胜等, 2008)。2个估算结果均利用“ 簿记” 模型(Bookkeeping Model), 所用土壤和碳密度基础资料基本相似, 但Houghton等(2003)所使用的耕地数据存在误差, 导致其对中国过去300年土地利用导致的碳排放偏高。

在移民开垦最为显著的东北地区, 1683 AD— 1980 AD开垦导致的碳排放量为1.06~2.55 PgC(适中估计值为1.45 PgC), 其中1850 AD后的碳排放占92%, 碳排放主要来自对森林和草地的开垦, 其中土壤的碳损失量是地上植被的2倍。采用分县的耕地重建数据提高了区域碳排放量估算的精度, 在相同时段(1700 AD— 1949 AD)内总排放量的估算值只有Houghton等(2003)同样利用“ 簿记” 模型方法估算结果的1/2(李蓓蓓等, 2014)。

4.4 区域气候

有关历史耕地开垦对气候的影响主要通过全球或区域气候模式模拟来检测, 相关成果显示历史上的耕地开垦对区域气候存在影响。

以重建的过去300年耕地变化作为输入变量, 利用区域模式(WRF-SSiB)模拟的结果显示, 过去300年耕地变化对中国夏季气温和降水均有影响(Ge et al., 2013)。在黄河和长江中下游地区, 因耕作导致的净辐射和显热增加而增温0.6 ℃, 进而使得区域内的某些地区对流雨增加; 而耕地变化可能导致夏季风减弱, 造成黄河和长江中下游地区的降水减少。在东北地区, 大量草地开垦为农田导致的潜热增加对温度的影响很小, 但开垦导致的水汽通量增加, 导致对流雨增加。

对东北地区的模拟结果显示, 过去300年东北平原地区农田替代草地导致地表反照率减小, 使得春季和秋季变暖0.1~0.2 ℃, 冬季变暖0.1~0.3 ℃; 周边山区农田替代森林尽管能导致反照率增加, 但温度变化不显著(Zhang et al., 2012)。

5 结论与展望

定量重建全球耕地时空变化历史及其对全球和区域环境的影响, 是过去全球变化研究所面临的挑战之一。基于区域史实的历史土地利用/覆盖变化重建是改进全球土地利用数据精度的根本途径之一。中国农业开发历史悠久, 考古和历史文献记录丰富, 在研究历史耕地变化及其对自然环境影响方面具有独特优势, 并取得了一系列有影响的成果。文中对相关研究成果进行了总结, 主要结论如下。

1)用于中国历史耕地重建的数据源可分为3大类, 包括: 田亩、税赋和人口等与耕地数量相关的数值记录, 考古遗址点、聚落、路网和行政建制等与农业活动相关的信息, 有关土地开发和农业生产的描述性记录等。

2)基于上述记录, 中国学者已定量重建了多个典型时间断面、具有不同空间覆盖范围和空间分辨率的耕地面积/垦殖率。全国尺度的耕地面积/垦殖率估算可追溯到春秋战国时期; 过去1000年以来已重建了省(路)域的垦殖率, 其中过去300年基于历史记录重建的东北和华北等区域垦殖率的分辨率到已县; 在重建基础上利用分配模型获得的过去300年全国及部分区域格网化垦殖率的分辨率可达10 km× 10 km甚至1 km× 1 km。相比于当前广泛使用的国际数据集, 这些区域定量重建结果更为准确, 充分显示出中国在定量重建历史耕地变化方面的独特优势。

3)历史时期中国耕地开垦经历了3次大规模扩张, 分别主要出现在西汉、两宋和清中叶, 扩张的大体次序是从北方地区到南方地区, 从平原低地到低山丘陵、再到深山地区, 植被破坏和水土流失加剧的过程与此对应。基于定量重建的全国及区域过去300年耕地变化所推断的碳排放量, 明显低于利用国际全球土地利用/覆盖数据集估算的结果; 在中国东北、华北和长江中下游等主要农耕区, 可以辨识出过去300年耕地变化对区域气候的影响。

未来中国的历史耕地变化重建及其环境影响研究, 应充分发挥中国丰富的历史文献和考古记录优势, 取得更多具有国际影响的研究成果, 具体应当加强以下方面的研究。

1)充分挖掘历史文献和考古记录中的耕地变化信息, 加强与自然记录信息的结合, 不断提高历史耕地重建单元的空间分辨率, 加强对过去1000年乃至更早时期的历史耕地变化重建。

2)加强用于生成耕地格网化数据的降尺度分配模型(多类型、多区域和多时段)的研究, 提高对历史耕地变化格网化空间表达的精度, 逐步建立高精度的、规范化的区域历史耕地数据集。

3)重视中国历史耕地重建与国际过去土地利用/覆盖研究的衔接, 加强对LandCover 6k国际计划重点关注的12ka BP、6ka BP、4ka BP、1000 AD、1500 AD和1850 AD等时间断面的耕地重建, 为提高国际全球土地利用/覆盖数据集的精度做出应有的贡献。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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