牲畜驱动的农业扩张与墨西哥北部旱地食物系统转型：Comarca Lagunera 2003–2023年土地利用/覆被变化及2050年情景模拟

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Livestock-driven agricultural expansion and the transformation of a dryland food system in northern Mexico

　　

Introduction：农业扩张和集约化是土地利用和土地覆被变化（LULC，land use and land cover change）的主要驱动力，对生态系统和自然资源可持续性具有重要影响。在旱地地区，面向畜牧的生产系统扩张可推动农业生产系统专业化并加速景观转型。本研究考察牲畜驱动的农业扩张如何重塑 Comarca Lagunera 的土地利用格局，该区域是墨西哥北部主要旱地粮食产区和该国最重要的乳业盆地之一。
Methods：利用官方统计数据（SIAP）分析农业和畜牧生产趋势，同时基于 Landsat 影像并利用 Google Earth Engine（GEE）绘制 2003、2013 和 2023 年土地覆被变化。使用纳入生物物理和社会经济驱动因子的空间显式模型（spatially explicit model），在代表长期历史趋势和近期历史趋势的两种情景下模拟至 2050 年的未来土地利用和土地覆被轨迹。
Results：与集约化畜牧生产（intensive livestock production）相关的饲料作物（forage crops）扩张成为主导变化，主要取代原生灌丛（native shrubland）和供人类消费的粮食作物（food crops destined for human consumption）。2003 年至 2023 年间，饲料作物从收获面积的 51% 扩大到 70%，而供人类消费的作物从 23% 下降至 4%。土地转换与基础设施可达性（infrastructure accessibility）、气候适宜性（climatic suitability）和畜牧部门活动（livestock-sector activity）密切相关。在近期历史趋势下，到 2050 年可能丧失超过 2,000 km² 的自然覆被，对已受地下水压力（groundwater stress）影响地区的水资源可用性和生态系统保护具有潜在影响。
Discussion：这些发现表明牲畜导向生产如何驱动农业系统专业化并重构景观，同时强调综合土地利用规划（integrated land-use planning）和水资源管理（water management）的必要性。

研究背景：农业扩张和集约化是土地利用和土地覆被变化（LULC，land use and land cover change）的主要驱动力，对生态系统和自然资源可持续性影响显著。旱地占地球陆地表面超过40%，承载约25亿人，维持近一半世界牲畜和45%全球粮食生产。拉丁美洲经历了全球最快农业扩张之一，墨西哥北部干旱灌丛中农业扩张主要受饲料作物（forage crops，用于牲畜饲草生产的作物）需求驱动。Comarca Lagunera 位于 Chihuahuan Desert、Meseta Central Matorral 和 Sierra Madre Oriental pine-oak forests 生态区之间，面积约52,000 km²，是墨西哥主要乳业盆地，也生产牛肉、禽肉和作物。尽管水资源稀缺，农业依赖约3,000口井地下水抽取以及 Lázaro Cárdenas 和 Francisco Zarco 水坝地表灌溉。2023年畜牧和农业部门分别贡献 Coahuila 和 Durango 国内生产总值（GDP）的2.2%和9.1%，并分别雇佣2.3%和12.6%人口。但关于牲畜导向农业如何重塑旱地景观及未来压力的综合评估有限。研究人员分析牲畜导向农业生产对LULC的影响并预测至2050年，具体包括：分析过去20年农业和畜牧生产动态；评估2003、2013、2023年LULC变化；识别主要驱动因子；在长期历史趋势和近期历史趋势情景下预测2050年LULC并探讨区域可持续性意义。

技术方法概要：利用SIAP官方统计（农业2003–2023，畜牧2006–2023）和Mann-Kendall（MK）检验分析生产趋势；基于Landsat Tier 1 TOA影像和Google Earth Engine（GEE）制作2003、2013、2023年LULC分类，使用随机森林（Random Forest）100棵决策树、归一化差异植被指数（NDVI）和归一化差异水体指数（NDWI），并以Kappa评估；2023年4月野外随机采样420个点，归为六类；用Dinamica EGO 7.0.8元胞自动机模型、转移矩阵和证据权重（WoE），从44个变量筛选17个，按长期（2003–2023）和近期（2013–2023）历史趋势模拟至2050。样本队列来源为Comarca Lagunera的15个市。

研究结果：
3.1 农业生产：SIAP统计显示近20年种植近80种作物，但80%收获面积仅由7种作物贡献，分为饲料作物（紫花苜蓿、饲用燕麦、饲用玉米、饲用高粱）、人类消费作物（human consumption crops，豆类、玉米籽粒）和工业作物（棉花）。2003年收获面积156,000 ha，饲料占51%（81,000 ha）、人类消费23%（36,000 ha）、棉花4%（6,000 ha）、其他22%（33,000 ha）；2013年总171,000 ha，饲料66%、人类消费13%、棉花4%、其他17%；2023年总190,000 ha，饲料70%（133,000 ha）、棉花7%、人类消费4%（7,000 ha）、其他19%。饲料收获面积显著上升（tau=0.857，p<0.01），人类消费作物显著下降（tau=?0.638，p<0.01）；产量趋势类似，饲料产量平均为人类消费作物10倍。单产方面，紫花苜蓿显著上升，豆类显著下降，表明饲料生产增加主要来自面积扩张而非单产提升。
3.2 畜牧生产：2006–2023年，鸡从161.5百万头增至190.459百万头（tau=0.307，p=0.08）；牛奶从2.12百万吨增至近2.89百万吨（tau=0.843，p=0.001），显著；牛从2006年395,050头降至2013年364,604头，2023年回升至426,148头，不显著（tau=?0.098，p=0.59）。饲料作物主导、畜牧生产上升和人类消费作物下降表明农业系统向牲畜导向专业化。
3.3 历史LULC变化趋势：2003、2013、2023年灌丛（shrubland）始终为优势覆被，占研究区>85%，盐碱土约11%，饲料作物约2%，饲养场（feedlots）、核桃种植园、水体和城市合计1%。2003–2013年变化有限，灌丛增加约1,100 km²，饲料作物减少约293 km²，饲养场减少约12 km²，核桃种植园减少约58 km²。2013–2023年，饲料作物增加约755 km²，灌丛减少约728 km²，饲养场增加约25 km²，核桃恢复约53 km²。饲料作物年扩张率16.5% yr^?1，灌丛下降0.16% yr^?1，饲养场增加3.2% yr^?1。分类总体精度0.93–0.95，Kappa 0.73–0.82。
3.4 变化驱动因子：2003–2023年，44%转变为灌丛→饲料作物、饲养场和核桃种植园，44%为盐碱土→灌丛，8%为饲料作物→灌丛、核桃和饲养场。2013–2023年，约60%为灌丛→饲料作物、饲养场和核桃，35%为盐碱土→灌丛，5%为饲料作物→灌丛和核桃。最强社会经济变量为靠近道路（<2 km）和城市（<6 km）、牛奶产值最高（MXN $1,920±$150 million）和人口密度（<460 inhabitants/km²）。生物物理变量中温度、海拔和降水最重要。饲料扩张集中在约21°C中等温度区；灌丛→饲养场主要在中等海拔（1,045 m±1,320 m）和低降水（204 mm）；灌丛→核桃在低海拔（<1,210 m）和中低降水（222 mm）。
3.5 2050年LULC预测：长期趋势情景下，饲料作物从2023年1,213 km²增至1,564 km²（+350 km²，29%），灌丛从45,401 km²降至44,781 km²（?620 km²，1.4%），饲养场从182 km²增至392 km²（+210 km²，115%），核桃从103 km²增至162 km²（+59 km²，58%）。近期趋势情景下，饲料作物增至3,339 km²（+2,126 km²，175%），灌丛降至43,040 km²（?2,361 km²，5.2%），饲养场增至378 km²（+196 km²，107%），核桃增至143 km²（+40 km²，39%）。差异主要源于历史转移矩阵数量变化，而非空间因子。

讨论部分总结：
4.1 农业和畜牧扩张：过去20年农业动态重构，饲料收获面积和产量显著增加，人类消费作物下降，反映农用地功能从粮食作物转向饲料生产，与乳品和禽肉产量增加一致。饲料扩张进入灌丛，使区域从多样化农业景观转向饲料主导。全球牲畜扩张由动物产品消费增加驱动，墨西哥人均牛奶和禽肉消费上升。
4.2 土地利用和土地覆被变化：农业扩张是自然覆被损失关键驱动力。本研究灌丛年损失率?0.16% yr^?1，与智利、厄瓜多尔和墨西哥其他研究可比。灌丛面积大，低损失率也造成大面积减少，影响生物多样性和特有种。自然覆被损失与饲料作物和饲养场扩张有关，饲料面积年增16.5%，饲养场年增3.2%，生产依赖机械、改良种子、肥料、农药和压力灌溉等。
4.3 土地覆被变化驱动因子：预期河流邻近是主要驱动，但最强关联为温度、降水和海拔。河流影响有限，因区域河流多为非永久性，农业依赖地下水抽取，59%农业面积使用泵灌、31%重力灌溉、10%雨养。灌丛转农业主要靠近城市和交通基础设施，降低运输成本并促进投入和市场准入。
4.4 两种历史趋势情景下LULC预测：两种情景均显示2050年继续农业扩张，近期趋势情景饲料扩张更大。持续扩张可能增加自然植被和水资源压力，但不应视为必然结果，取决于水资源、资源治理和土地利用政策。Comarca Lagunera 作为重要乳业区，供应全国动物性食品，易受动物产品需求增长影响。地下水超采和气候变化可能限制扩张，情景代表潜在结果而非确定性预测。
4.5 模型假设与研究局限：预测为两种替代情景，代表可能未来而非预测。政策、技术、市场、土地管理变化未模拟。地下水可得性空间数据不可得，未纳入模型；未来气候变化情景未包括；WorldClim 2 数据分辨率限制；小覆被类变化对分类不确定性更敏感；SIAP和遥感信息互补但不同。

结论翻译：对牲畜产品需求增长与 Comarca Lagunera 饲料作物持续扩张密切相关，导致过去二十年粮食作物逐渐被取代以及灌丛转为农业用地。这一转变反映旱地农业食品系统更广泛重构和专业化，农业生产日益围绕牲畜饲料生产组织。灌丛向饲料作物转换与牲畜导向农业扩张相关，是区域主导土地覆被转换。尽管灌丛转换年率中等，但由于墨西哥北部灌丛广泛分布和生态重要性，累积影响环境显著。这些动态揭示牲畜导向农业扩张、生态系统保护和长期可持续性之间的结构性权衡。空间格局进一步表明基础设施可达性和气候适宜性在塑造土地利用结果中起核心作用。在两种替代情景下，若历史土地利用动态持续，牲畜导向农业扩张可能持续到2050年，但长期历史趋势和近期历史趋势情景的预测扩张幅度不同。在地下水超采已有记录的地区，持续农业扩张可能进一步增加已受限水资源和生态系统压力，增加区域农业食品生产可持续性挑战。通过连接生产动态、空间驱动因子和未来情景，这些发现强调整合土地利用规划、水治理和农业政策以支持面临环境与生产压力增加的旱地农业食品系统长期可持续性和韧性的重要性。