《Land Use Policy》：Reducing cropland requirement by optimizing provincial grain trade patterns in China
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Xin Xuan|Yuping Bai|Xiangzheng Deng|Yecui Hu|Fan Zhang中国地质大学（北京）土地科学与技术学院，北京100083，中国摘要优化粮食贸易模式以保护耕地对于提升粮食生产的“内循环”至关重要。本研究分析了中国三大主要粮食作物——小麦、
Xin Xuan|Yuping Bai|Xiangzheng Deng|Yecui Hu|Fan Zhang
中国地质大学（北京）土地科学与技术学院，北京100083，中国
摘要
优化粮食贸易模式以保护耕地对于提升粮食生产的“内循环”至关重要。本研究分析了中国三大主要粮食作物——小麦、玉米和水稻的当前供需状况，涵盖了人类消费、饲料需求以及整个食品供应链中的食物损失和浪费情况。我们建立了基于线性规划的粮食贸易模拟与优化模型，用以确定这三种作物的省际贸易模式及其虚拟耕地交易结构，进而评估通过优化省际粮食贸易模式可减少的耕地需求量。研究发现，在以利润为导向的贸易模式下，粮食贸易主要遵循就近原则，河南、山东、安徽等主要粮食生产省份通过省际贸易在一定程度上缓解了耕地资源的不平衡问题。优化贸易模式可使全国耕地需求减少近15,000平方公里。此外，还需关注减少耕地需求与降低运输相关碳排放之间的协同效应。优化粮食贸易结构并发挥各主要粮食生产区的生产优势，不仅能减少耕地需求，还能进一步提升土地资源管理在保障粮食供应方面的作用。
引言
耕地是粮食生产的基础。中国各地资源禀赋和社会经济发展水平存在差异，导致粮食生产地和需求地之间存在显著的空间不对称性（Kastner等人，2021；Liu等人，2024）。在气候变化背景下，粮食贸易通过连接资源丰富地区和资源匮乏地区，有助于解决这些不平衡问题，对缓解资源和环境压力发挥着重要作用（Bai等人，2024a；Cui和Wang，2024；Liu等人，2025）。目前，耕地资源的开发与利用已不再局限于特定区域，而是通过贸易来满足当地的粮食需求（Kinnunen等人，2020；Shaikh等人，2024；Zhai等人，2024）。除了粮食本身的重新分配外，区域间粮食贸易还体现了虚拟耕地等资源要素的空间流动与再分配（Zhao等人，2021；Bai等人，2024b）。贸易带来的资源与环境外部性与其相应的经济收益之间的失衡，是中国各地区经济面临的一个普遍挑战（Wang等人，2022；Liu和Deng，2024；Chen等人，2025a；Capello等人，2025）。粮食贸易有助于平衡区域发展，推动基于比较优势的专业化分工，缓解土地使用冲突（Chen等人，2025b），同时也能间接满足不断增长的城镇人口对营养的需求（Qi等人，2022；Springmann等人，2023；Long等人，2025）。
中国的粮食贸易模式已转变为“北粮南运”。然而，粮食生产空间集中度的上升进一步加剧了粮食生产区与消费区之间的矛盾（Qi等人，2023；Xuan等人，2023；Wang等人，2024；Yang等人，2025）。随着中国粮食体系的变革，粮食贸易不仅有助于保护全球土地资源（Li等人，2025；Wang等人，2025），还能提升环境效益和经济可行性（Biesbroek等人，2023；Kou等人，2024；Deng等人，2025）。由于耕地资源有限，仅依靠耕地本身无法彻底解决耕地资源短缺的问题。在“双循环”战略和气候变化的背景下，增强中国粮食安全的韧性已成为一项紧迫的战略任务（Qing等人，2023；Li等人，2024）。因此，对体现在粮食贸易中的虚拟耕地进行战略管理和配置，成为缓解资源短缺、保障粮食安全的重要手段（Dalin和Rodríguez-Iturbe，2016；Ali等人，2017；Meng等人，2024；He等人，2024）。通过将粮食生产转移到更高效的地区来保障粮食安全，不仅可以减少耕地需求，还能带来耕地保护的积极外部效应。
从方法论角度来看，中国缺乏省级层面的官方粮食平衡表以及详细的省际粮食贸易统计数据（Wu等人，2018a；Qi等人，2023；Liu等人，2024），这使得研究不得不转向多区域投入产出模型。经过环境扩展的多区域投入产出模型已成为追踪粮食贸易模式和量化资源流动的重要工具（Feng等人，2023；Ju等人，2024；Chen等人，2025c）。此外，还有混合型多区域投入产出模型被开发出来（Ye等人，2022）。一些替代性的评估框架则利用国际贸易数据库或基于代理的建模方法来模拟粮食系统动态（Ge等人，2021；Li等人，2022；Namany等人，2024）。与多区域投入产出模型编制过程中固有的时间滞后相比，线性规划模拟在考虑区域约束的情况下能够实现最优的需求与资源分配，其有效性已得到广泛验证（Wu等人，2018a；Xuan等人，2023）。
在本研究中，我们综合考虑了中国三大主要粮食作物在整个食品供应链中的人类消费、牲畜饲料需求以及食物损失和浪费情况。我们基于线性规划建立了粮食贸易模拟与优化模型，用以确定中国主要粮食作物的省际贸易模式及其虚拟耕地交易模式，进而探索通过优化省际粮食贸易模式减少耕地需求的潜力。我们所建立的线性规划模型能够在保障粮食安全的前提下，通过合理分配土地资源来最小化全国耕地需求。这一耕地数量是由区域生产能力、消费模式以及贸易成本共同决定的。
本研究展示了如何通过优化的贸易框架来实现可持续的土地利用配置，从而有效平衡国家粮食安全与环境保护这两大目标。本研究旨在回答三个关键问题：（i）省际粮食贸易导致的虚拟耕地转移具有怎样的时空特征？（ii）地区间的土地生产力差异如何影响耕地需求？（iii）通过优化中国粮食作物的贸易模式，能减少多少耕地需求？我们提出了一个优化的贸易模式，以进一步保护耕地，并为衡量中国各地区的粮食供需状况、优化粮食生产的“内循环”以及科学配置资源提供了解决方案。
本研究通过揭示在中国这样的大型国家中优化粮食贸易模式的复杂性，为国家级优化策略所面临的实际挑战及潜在优势提供了重要见解。因此，它也可作为其他正在考虑采用类似方法提升资源效率与粮食安全的大型国家或地区的案例研究。
章节节选
食物消费与作物生产的转换
本研究涉及三种主要粮食作物：小麦、玉米和水稻。根据国家粮食和物资储备局的统计，中国粮食总产量的38%用于城乡居民的直接消费，而牲畜饲料需求占比更高，达42%。种子用粮的需求量低于这两种需求，因此未被纳入研究范围。因此，我们研究了粮食用粮和饲料用粮的消耗情况。
粮食供需的时空分析
2000年至2020年间，中国整体粮食产量呈现显著增长趋势，而需求则总体呈下降态势（见图1）。2003年，受非典疫情影响，小麦、玉米和水稻的产量均有所下降。2003年这三种主要粮食作物的产量为362.99百万吨，比2002年下降了6%。2008年，由于干旱等极端天气事件的影响，玉米的产量增长速度放缓，2008年的玉米产量为172.12百万吨。自2015年以来，
讨论与政策建议
粮食贸易在解决区域粮食供需失衡方面发挥着重要作用。本研究分析了中国当前粮食供需的动态情况，明确了省际粮食贸易模式，并计算了粮食贸易所对应的耕地转移量。同时，本研究还提出了一种能够最大程度减少耕地需求的粮食贸易优化方案，并量化了其潜在效果。该研究为未来中国粮食贸易的优化提供了参考依据。
结论
本研究基于线性规划方法构建了一组粮食贸易模拟与优化模型，并将其应用于中国三种主要粮食作物的贸易分析。通过这些模型，我们确定了这三种作物的省际贸易模式，识别出了相关的虚拟耕地流动情况，同时也探讨了通过优化省际粮食贸易模式减少耕地需求的潜力。
中国这三种主要粮食作物已经实现了自给自足，而省际间的
CRediT作者贡献说明
Xin Xuan：撰写——初稿、方法论、概念设计。Yuping Bai：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、数据整理、概念设计。Xiangzheng Deng：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、调研、资金获取。Yecui Hu：撰写——审稿与编辑、可视化处理、软件应用、方法论、调研。Fan Zhang：验证、监督、软件应用、方法论、数据整理。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：72474200、72104223）、中国国家自然科学基金创新研究群体项目（项目编号：72221002）以及中国国家自然科学基金区域创新与发展联合基金（项目编号：U23A2014）的支持。
