PNAS | 未来城市土地扩张及其对全球农田的影响

摘要

城市扩张通常发生在农田上。然而，对于未来城市扩张的全球模式将如何影响世界耕地面积，目前几乎没有科学的认识。在此，我们将城市扩张的空间明确预测与全球农田和作物的产量数据集相结合。我们的结果表明，到2030年，城市扩张将导致全球耕地减少1.8%至2.4%，区域差异很大。城市扩张造成的全球农田损失约80%将发生在亚洲和非洲。在亚洲和非洲，将失去的大部分农田产量是全国平均产量的两倍多。亚洲的耕地绝对损失率最高，而非洲国家的耕地损失率最高。在全球范围内，2000年可能损失的农田占全球作物产量的3-4%。预计城市扩张将发生在产量比全球平均水平高1.77倍的农田上。农田的丧失可能伴随着其他可持续性风险，并威胁着生计，不同的大城市区域具有不同的特点。因此，城市地区扩张的治理成为确保全球南方农业经济生计的一个关键领域。

研究背景

城市土地扩张——创造建成环境以容纳城市人口及其活动的过程——是城市化的基本方面之一。城市土地扩张会改变栖息地、生物地球化学、水文、土地覆盖和地表能量平衡。在世界大多数地区，城市土地的扩张速度快于城市人口。城市人口预计将从2000年的26亿增加到2030年的50亿，几乎翻一番，而城市地区预计在2000年到2030年间将增加两倍。当代城市化的一个显著特征是超大城市区域的兴起：将多个城市区域合并为一个连续的城市结构。这些MUR与拥有1000万或以上人口的特大城市在两个重要和根本的方面有所不同：在行政上，它们由多个相邻实体组成，具有离散的治理结构；从生物物理学角度来看，它们是一个单一的连续城市区域，其绝对空间大小给城市、土地和交通管理带来了挑战。城市土地扩张的速度和规模受到许多宏观因素的影响，包括收入、经济发展和人口增长，以及许多地方和区域因素，如土地利用政策、非正规经济、资本流动和运输成本。

据预测，未来大部分城市人口和城市面积扩张将发生在亚洲和非洲，通常发生在贫困率高、粮食系统可能出现系统性破坏的地方。对于其中许多国家来说，农业在创收、占国民生产总值（GDP）的百分比和就业来源方面是一个至关重要的经济部门。因此，有必要评估城市扩张对全球、国家和国家以下各级农田的影响，以确定潜在的冲突地区以及形成更可持续的城市扩张形式的战略。

本文通过解决以下问题来填补这些知识空白：（i）由于未来城市扩张，哪里的农田最容易被改造？（ii）未来城市扩张造成的农田损失，特别是主要农田损失的程度如何？（iii）农田损失将如何影响农田总面积以及农业对不同国家的相对经济重要性？巨型城市化时代的可持续性要求了解城市化与粮食系统之间的“隐性联系”，包括在何处以及如何维持农田种植粮食，这是人类最基本的必需品。在此，我们将食品系统定义为“连接食品生产、加工、分销、消费和废物管理以及所有相关监管机构和活动的活动链”。

研究结果

未来的城市扩张很可能发生在目前正在耕种的地区（图1）。在全球范围内，2000年460万公顷（中等情景；从低到高情景：43-55万公顷）的农田位于预计到2030年将城市化的地区，相当于现有耕地的3.2%（3.0-3.8%）。然而，众所周知，城市农业在许多城市都很重要。因此，我们通过叠加2000年城市地区和农田的地图来说明城市农业，并发现平均而言，36%的城市地区用于作物生产。我们假设，当城市面积扩大但考虑到区域差异时，城市农业占主导地位（例如，亚洲为41%，非洲为32%）。

地图显示了预计到2030年的城市扩张将导致耕地损失的位置。竞争地区（红色）拥有农田，但到2030年城市化的可能性很高（>75%；中等水平）。（A-E）城市扩张热点特写。

虽然城市扩张对全球农田的总体影响不大，但区域影响将是严重的和不同的。在中等城市化情况下，亚洲和非洲将遭受全球农田总损失的80%左右，约2400万公顷。非洲受影响最严重的地区包括埃及、尼日利亚和东非维多利亚湖盆地周围地区（图1）。在亚洲，农田损失的热点是河谷和海岸线，其中许多位于MUR附近，例如中国的渤海经济圈和长江三角洲，或印度尼西亚的爪哇岛（图2）。

选定MUR中农田和城市扩张之间的竞争。地图显示了预计到2030年的城市化将导致耕地损失的地方。竞争地区（红色）拥有农田，但到2030年城市化的可能性很高（>75%；中等情景）。显示的MUR有（a）珠江三角洲，（B）长江三角洲，，（C）渤海经济圈，（D）东海道走廊，（E）德里国家首都区和斋浦尔，（F）恒河布拉马普特拉三角洲（加尔各答、达卡和吉大港地区），（G）爪哇，（H）东北大都市圈，（I）扩大的圣保罗大都市综合体，（J）大伊巴丹-拉各斯-阿克拉走廊（GILA）和（K）大开罗地区。

未来的城市土地扩展将继续在优质农业土地上进行。我们观察到，由于城市扩张，农作物总产量损失3.7%（3.4-4.2%）。平均而言，由于城市扩张而损失的耕地产量是全球平均耕地产量的1.77倍。因此，我们的结果证实了当地案例研究的证据，表明城市群周围是生产力高于平均水平的农田。我们进一步分析了一系列MUR的农田损失，这些MUR被定义为具有多个城市中心和总人口超过2000万的连续城市区域，通常扩展超过10000平方公里。在11个案例研究中，主要农业用地尤其容易转换为MUR，估计农田损失在0.1至1.2Mha之间（图2）。

随着城市面积的扩大，城郊交界处的剩余农田和农民面临着更大的水资源竞争，面临的气候危害也越来越大。例如，城市向恒河-雅鲁藏布江三角洲的扩张，导致了作为防洪设施的湿地和水体的损失。此外，由于沉积物负载、压实、地下水抽取和沉积减少，耕地转换导致三角洲下沉。海平面上升和下沉也是大开罗的重大担忧，因为尼罗河三角洲的相当一部分已经接近或低于海平面，预计将进一步下沉。南部大坝造成的泥沙流量减少将增加三角洲的压力，最终将减小其规模。我们的结果表明，尽管尼罗河沿岸不稳定的农田对维持城市中心的粮食供应很重要，但城市化仍在以很高的速度转化着不稳定的耕地。将城市化从肥沃的土地转移到沙漠的努力正在进行，但效果不如预期。

研究结论

我们的研究表明，未来的城市扩张预计将在2000年至2030年期间在全球范围内转化27-35万公顷农田（占全球农田的1.8-2.4%，占年产量的3.4-4.2%），这将为土地利用的全球影响增加额外的组成部分。平均而言，这相当于每年消耗1Mha的土地，几乎是1961年至2009年338Mha·y-1农业扩张的三分之一。我们的研究受到分析的空间分辨率的限制；虽然更高分辨率的数据会产生更详细的见解，但这些结果提供了对城市扩张可能导致的农田损失模式的全球评估。

正如Seitzinger等人所言，“城市地区必须承担更大的责任，激励和实施解决方案，考虑到它们与地球其他地区的深刻联系和影响。”这一点在城市地区和农田的交界处最为明显。未来几十年将是一个大规模城市扩张的时期，在世界许多地区，这将发生在主要农田上。我们的调查结果表明，对少数国家来说，耕地的损失将大大减少国家耕地的总份额。由于预计将被转换的大部分农田的生产力高于全球平均水平，因此需要努力弥补这一损失，无论是通过增加剩余农田还是将农业生产扩大到新的地区。结果表明，有效引导城市扩张模式的战略和政策对于保护耕地至关重要。在一个日益相互关联的世界中，不能将城市地区的可持续性与其他地方的资源和生计的可持续性分开来考虑。

来源：早晚地理