粮食安全是人民群众基本民生的重要保障，也是政治稳定、经济发展和社会和谐的重要基础。我国始终将粮食安全作为治国理政的头等大事，坚持立足国内保障粮食基本自给的方针，走出了一条中国特色粮食安全之路。“民以食为天，食以农为源，农以地为本”，耕地是提高粮食生产至关重要的自然资源本底，是保障粮食安全必不可少的战略物资，因此粮食安全的核心就是保障耕地安全，我国耕地保护基本国策的地位不容动摇。虽然近几十年来我国耕地保护工作对保障粮食安全发挥了关键性的作用，2021年我国实现粮食产量“十七连丰”。然而，我国耕地保护红线的预警却从未停止，新时代耕地保护的转型也存在一定的困难,落实“数量、质量、生态”三位一体的耕地保护仍在探索中。在资源环境压力的约束下，耕地质量下降、水土资源不匹配、要素投入边际效用递减、自然灾害及极端天气频发等诸多因素限制了耕地的高效利用。除此之外，当前我国人口总量的持续增长以及居民膳食结构的变化，粮食消费需求强劲增长都对耕地保护提出了更高的要求。可见，要实现我国粮食的可持续增产，保障新时代背景下的粮食安全，我国耕地保护形势依然十分严峻，耕地保护工作任重而道远。

虽然耕地保护为我国粮食增产发挥了积极的作用，但是粮食增产背后的生态代价不容忽视，尤其是碳排放。我国碳排放总量接近全球人为碳排放的1/3，其中农业碳排放约占人为碳排放总量的16%-17%，1961-2018年农业碳排放增加了250%。具体来说，自改革开放以来，我国引入以化肥、农药等化工产品为要素的生产模式，石油农业的发展与推广使得我国耕地粮食生产能力迅速提高。虽然我国粮食供求紧张局面得以改善，但石油农业已成为威胁耕地保护的系统性风险源。因为耕地利用效率提升的同时，大量物资投入和能源消耗不可避免地直接或间接产生碳排放，这种只考虑短期经济效果的行为不仅会损害耕地生态系统，影响耕地的可持续利用，也会阻碍农业的高质量发展。以化肥为例，2019年我国化肥施用强度高达325.65公斤/公顷，远远超过国际公认的化肥施用环境安全上限225.00公斤/公顷，投入量是发达国家的3-5倍，但是利用效率却不足发达国家的一半。

保障粮食安全和碳减排是当前我国社会经济高质量发展的重要议题，也是我国实现可持续发展的两个重要战略目标。因此，在城市化进程继续推进、人口持续增长等背景下，如何高效地提升耕地保护与利用对粮食安全的保障作用，同时也发挥耕地保护与利用在碳减排中的积极作用是当前我国耕地保护转型面临的重要挑战。

充分认识我国耕地和粮食生产重心逐渐北移的发展态势是开展粮食生产空间优化的基础。随着城市的快速扩张，城镇周边大量优质耕地被开发为建设用地，主要集中在我国的南部地区，粮食生产空间的萎缩无疑会对我国粮食安全构成威胁。为了遏制耕地流失，保障粮食安全，中国执行了严格的耕地占补平衡政策，但是补充的耕地却集中在西北和东北地区，粮食生产空间逐渐向远离人口聚集的地区移动，其重心发生了北移。与此同时，随着农村产业结构、农业劳动生产率、劳动力机会成本等诸多因素发生改变，农业劳动力析出，我国人口迁移流动的基本态势仍然是向东南沿海和东部地区转移。我国南北方两个区域之间粮食流向和流量出现历史性转变，即由“南粮北运”转变为“北粮南运”。我国粮食调出区域主要集中在河南、东北等粮食主产区，而东南沿海经济发达地区和中西部山地丘陵生态环境脆弱地区多为粮食调入区域。同时，越来越多的省份加入粮食调入行列或者粮食扩大调入行列，使得我国粮食生产与消费分离的趋势愈加明显。

粮食生产重心北移的趋势给兼顾粮食安全保障与碳减排双重目标的耕地保护与利用转型带来新的挑战。首先，从粮食供给端而言，粮食生产重心北移增加了北方地区粮食生产的资源及环境压力，而北方相对脆弱的生态环境给稳定粮食生产造成了压力；从粮食需求端而言，随着经济发展、人口增长和城镇化的推进，南方粮食消费区的粮食产量逐渐减少，但是粮食需求量却逐渐增大，对粮食主产区的依赖性增强。其次，粮食生产重心北移还可能增加粮食生产端、运输过程的碳排放。一方面，由于北方地区通过追加机械、化肥、农药等生产要素来弥补自然禀赋条件的不足，导致农业碳排放大量增加。我国北方地区单位面积碳排放强度明显大于南方地区，并且北方地区农业碳排放总量年均增长率也明显高于南方地区，分别为2.92%和1.94%。另一方面，粮食生产北移也加剧了粮食供销距离的增加，进而导致粮食运输碳排放增加。尽管运输技术更新升级可能会提高能源效率，但是随着粮食运输量扩大、运输距离拉长，粮食运输压力不断加重，与粮食运输相关的能源消耗增加，碳排放压力加大。

虽然粮食生产重心北移给耕地保护与利用转型带来了压力，但是也为粮食生产空间优化提供了突破口，通过优化粮食生产空间可以支撑耕地保护与利用转型。一方面，科学合理的粮食生产布局,通过优质耕地资源投入提高粮食生产效率，在促进粮食稳产增产的同时，一定程度上能够减少化肥、农药等高碳农业生产资料的过度投入，降低粮食生产碳排放。另一方面，优化粮食生产布局，从源头降低粮食生产地与粮食消费地之间的运输距离，平衡粮食供需空间分布，减少粮食消费地对远程粮食运输的依赖，从而缓解粮食运输压力，降低粮食运输碳排放。

当前，我国粮食产量已稳定在较高水平，但粮食需求仍在增长，并且更加多元化，对耕地保护与利用提出了更高的要求。同时，在产品品质提升、生产投入减量及环境成本下降等多重因素约束下，耕地利用效率大幅度提升的难度与日俱增。另外，在生态保护优先和绿色高质量发展等新理念下，以及我国耕地利用正呈现出“非粮化”“非食物化”“边际化”“弃耕化”等新兴“四化”趋势下，粮食播种面积难以扩大，甚至可能缩小。加之全球气候变化、自然灾害频发，我们可以推断：如果没有新的科技和政策突破以实现品质和单产的同步提升，我国粮食实现持续增产将面临巨大挑战。因此，在坚持耕地保护这一基本国策的前提下，优化粮食生产空间可以为实现粮食稳定供给、碳减排目标的协同发展提供可行的方案，同时也能够为耕地保护转型提供重要的依据。

耕地保护与利用转型背景下粮食生产空间优化目标是通过协调粮食安全保障与碳减排双重目标，充分发挥各地区粮食生产优势，巩固并提高粮食生产能力、有效减少碳排放，同时优化后的粮食生产空间布局能够为耕地保护政策的完善提供科学支撑。优化思路主要是以粮食生产空间格局与粮食运输量之间的关系为核心构建非线性优化模型，在一定粮食安全策略下实现粮食生产最大化、碳排放量最小化的布局。具体而言，基于不同粮食安全策略开展协调粮食安全保障与碳减排双重目标的粮食生产空间优化布局实验：利用非线性优化模型，以各地区粮食产量为决策单元，以粮食生产空间分布的碳排放效应（包括生产和运输两个阶段的碳排放）构建非线性目标函数，以地区粮食生产潜力或特定粮食安全策略为约束条件，以粮食供给量满足粮食需求以及粮食生产运输过程碳排放最小为两个优化目标，开展粮食生产空间布局优化。基于各地区最优粮食产量与实际粮食产量测算的赤字/盈余，确定粮食生产补偿值，构建粮食生产区际补偿机制，并进一步完善当前的耕地保护政策。

在提供科学合理的粮食生产布局方案的基础上，建立与之匹配的粮食生产区际补偿机制是落实粮食生产空间布局优化的有效政策工具。粮食安全和碳减排均具有典型的外部性特点，粮农因生产粮食而出现“私人收益”受损，粮食消费者从事非农生产而从粮食的正外部性中受益，造成明显的收益不公现象。粮农采用农业碳减排的技术和措施会产生额外的投入成本和机会成本，也包括由于粮食产量降低所减少的收益，但由农业碳减排带来的环境效益为社会所共享。因此，粮食安全和碳减排均应置于政府公共政策之中，采取一定手段纠正其负外部性，即需要建立合理的区际补偿机制。基于粮食安全与碳减排的区际补偿机制是指，以各区域粮食生产及碳减排责任为基础，测算区域粮食生产与碳排放的赤字/盈余，确定耕地/粮食生产补偿面积，将区域补偿/受偿与耕地非粮化收益挂钩，因地制宜确定不同区域的补偿方式，构建纳入综合考量粮食安全与碳减排的区际补偿机制，从而引导耕地保护与利用的合理优化以实现粮食生产与碳减排的协调发展。