协调华北平原的粮食安全与生态压力：一种“甜甜圈”框架方法

《Agricultural Systems》：Coordinating food security and ecological pressures in the North China Plain: A Doughnut framework approach

华北平原粮食安全与生态压力耦合评估及转型路径研究。基于Doughnut框架和行星边界理论，构建了涵盖2005-2022年四维粮食安全指标和氮磷水生态阈值的综合评价体系，揭示区域粮食安全达标但氮磷超载率达112.3%和89.6%，需年均削减12.11%氮、1.93%蓝水资源压力，协调度指数下降0.15个标准差。时空异质性显著，地下水超采区生态赤字扩大，揭示农业系统与生态系统的动态博弈机制，提出分阶段资源承载力阈值管理方案。

　　

戴雅婷|于乐|曹博文

中国清华大学全球变化研究所地球系统科学系，教育部地球系统建模重点实验室，北京100084

摘要

背景

全球农业系统日益面临粮食生产与环境可持续性之间的权衡。华北平原作为中国的主要粮仓，贡献了全国约35%的粮食产量，对国家粮食安全至关重要。然而，该地区面临多重挑战，包括地下水过度开采、土壤退化以及严重的生态赤字。很少有研究系统地评估粮食不安全与环境压力之间的双重风险及其相互作用。

目的

为填补这一空白，我们量化了华北平原的粮食安全状况和环境压力，并首次应用“甜甜圈”框架来评估城市农业系统。

方法

本研究基于“甜甜圈”框架和四个地球边界，构建了一个新的粮食-生态系统评估框架。我们考察了2005年至2022年间华北平原粮食安全和生态压力的变化情况。此外，还采用了耦合协调模型来分析粮食系统与生态系统之间的权衡与协同效应。

结果与结论

应用于华北平原（2005–2022年）的结果表明，尽管粮食安全在很大程度上得到了保障，但该地区已接近或已超过多个生态上限。为了在2050年前回到安全运行空间，氮、磷和蓝水的生态超量使用量需要每年分别减少12.11%、0.18%和1.93%。目前，粮食系统和生态系统表现出中等程度的耦合协调性；然而，它们之间的协调性最近有所减弱，空间不平衡现象加剧，预示着新的挑战。

意义

这些发现为解决农业权衡问题以及推动该地区农业的可持续转型提供了重要见解。

引言

在人口增长、经济发展和气候变化的综合压力下，全球农业生态系统面临着粮食生产与环境可持续性之间的日益严峻的权衡。增加粮食生产的努力往往伴随着土壤退化、温室气体排放（Crippa等人，2021年）、水资源短缺和生物多样性丧失（Li等人，2025年）。因此，农业食品系统已成为地球边界突破的主要驱动力（Springmann等人，2018年）。同时，“消除饥饿、实现粮食安全和改善营养、促进可持续农业”是可持续发展的核心目标（SDG 2）。然而，朝着这一目标的进展仍然有限，2024年全球约有28%的人口面临中度或严重的粮食不安全问题。2025年中国粮食产量增长了1.2%，达到7.1488亿吨，自2004年以来已连续22年丰收（Grinberga-Zalite和Zvirbule，2022年）。随着中国粮食产量的稳定增长，农药和化肥的过度使用导致了环境污染（Yu等人，2022年）。在许多地区，长期不合理利用耕地导致了严重的土壤退化、重金属污染和土壤有机质流失。因此，迫切需要将粮食安全与农业生产的环境影响整合到一个统一的框架中。

农业食品系统既是生态压力的主要驱动因素，也是受这些压力深刻影响的领域，形成了复杂的相互作用网络（Martínez-Cano等人，2026年）。粮食生产的集约化大大扩大了生态足迹，其驱动因素包括高农用化学品投入、水资源消耗和耕地扩张（Obekpa等人，2025年）。相反，生态条件也对粮食生产能力产生制约作用，这些制约因素包括土壤健康、水资源和生物多样性（Fang等人，2023年）。先前的研究表明，中国耕地所承受的定量压力与生态压力之间存在权衡关系（Xiong等人，2025年）。目前对粮食生产生态影响的评估主要依赖于生态足迹和压力-状态-响应（PSR）框架等方法（Jing等人，2024年）。尽管这些方法可以量化生态系统压力，但它们对主观参数设置的依赖性限制了可比性和政策相关性，并且无法系统地捕捉粮食生产对关键地球系统过程（包括氮、磷和碳循环）的扰动。为了在地球系统背景下评估农业系统的影响，最近的研究应用了地球边界框架来量化粮食生产产生的生态压力（Hu等人，2020年）。Raworth（2012年）提出的“甜甜圈”框架将人类基本需求和福祉与地球边界相结合，为这类评估提供了有用的方法论基础。最近的研究开始将这一框架应用于农业系统，通过定义生态上限和粮食安全阈值来评估“一带一路”国家的粮食生产可持续性（Wang等人，2025年）。然而，将其应用于微观层面的农业系统仍然有限。鉴于粮食生产生态足迹的显著区域差异，需要进一步研究以开发适合当地系统特征的农业“甜甜圈”框架。此外，以往的粮食安全评估主要关注结果指标，如作物产量和耕地面积，而往往忽视了维持地区粮食安全所需的潜在过程和条件（Nicholson等人，2021年）。

根据中国国家统计局2025年发布的数据，五种主要作物——水稻、小麦、玉米、大豆和块茎作物——占全国粮食总产量的98%以上，而其他所有粮食作物的贡献不足2%，表明它们对整体粮食安全的影响相对有限。华北平原作为中国的主要粮仓，贡献了全国约35%的粮食产量。其传统的冬小麦-夏玉米双季种植系统显著提高了粮食生产效率。然而，该地区面临多重挑战，包括地下水过度开采、土壤退化和严重的生态赤字（Zhao等人，2021年）。在此背景下，本研究将“甜甜圈”框架应用于华北平原的农业食品系统。通过构建粮食安全和环境压力的评估指标体系，研究了它们的区域模式和相互作用（图1）。本研究旨在确定农业食品系统的安全运行空间，为华北平原粮食系统面临的风险提供系统视角，并为向更可持续的农业转型提供启示。

研究区域

华北平原是中国第二大平原，是国家粮食安全的核心支柱，包括北京、天津以及河北、山东、河南、安徽和江苏等省份（图2）。凭借其高人口密度，它构成了中国经济中心的重要组成部分，也体现了在全球农业挑战中的关键地位，例如在干旱条件和人口压力下确保粮食安全，以及在资源紧张的情况下实现农业发展

粮食安全状况

• (1)
  粮食供应维度。2005年至2022年间，华北平原的整体粮食供应水平始终高于基准安全水平。根据中位数数据，粮食供应量比基准水平高出约15–30%。如图4所示，这期间76个城市中的粮食供应状况稳步改善，未达到基准水平的城市比例从26.4%下降到14.5%。对于低于基准水平的城市，包括北京、天津和南京，粮食供应不足

提高粮食的营养吸收和利用

2025年，五种主要作物占中国粮食产量的98%以上，其他作物的贡献不足2%，对粮食安全的影响很小。华北平原是中国主要的粮食生产区，也是全球重要的谷物生产基地。本研究全面评估了2000年至2022年间其粮食安全在供应、获取、利用和稳定性四个维度上的情况。总体而言，粮食安全状况仍然稳健；然而，仍需进一步

结论

通过应用“甜甜圈”框架，本研究对华北平原的粮食安全和生态压力进行了全面评估，探讨了这些维度之间的联系以评估粮食生产的可持续性。结果表明，尽管粮食安全在很大程度上得到了保障，但在有效吸收和利用粮食方面仍存在挑战。同时，生态上限已被严重突破，中位数据显示

作者贡献声明

戴雅婷：撰写——初稿、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建。于乐：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。曹博文：方法论设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFF1307600）、中国高效利用耕地国家重点实验室开放项目、中国农业科学院农业资源与区域规划研究所（EUAL-2025-03）以及五邑山区生态环境与人类健康调查研究项目（20242120035）的支持。