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农作物之间的嬗替，不仅发生在外来作物与本土作物之间，外来作物也存在竞争与嬗替，其中棉花与油料作物就是典型的事例。棉花的原产地在印度，宋元时期传入中国的属于树棉即亚洲棉。19世纪西方纺织机传入中国，直接针对亚洲棉（后被称为中棉）发起挑战：中棉对手工纺织而言比较合适，但作为机器纺织原料则存在纤维短的不足。晚清时期原产地为新大陆的陆地棉（亦称美棉）被引进中国，并在各界的促导下，经过一番改良，逐渐推向全国，不仅在中国大部分地区占据了优势，而且逐渐取代了原来种植的中棉。棉花作为纤维类作物，从中棉到美棉属于品种之间的嬗替，而油料作物之间则属于种类的取代。油料作物的种类很多，主要用途在食用与照明。汉以前大麻与荏子作为含油性籽粒用在食品制作中，但使用量不大，多数食物添加的是动物油。“丝绸之路”开通后，原产于地中海沿岸的芝麻传入中国，并遍植于中国南北，变成主要食品油。元代随着秋种夏收越冬型油用油菜传入中国，油菜在油料作物中的地位逐渐提升[20]；明代利用油菜越冬生长的属性，将其纳入与其他作物一年两熟的轮作体系之中，油菜获得更大的种植空间，并在南方取代芝麻的地位，成为食用油料作物的主流。就此形成北方芝麻、南方油菜的分布格局。进入20世纪，随着西方榨油机的引入，原本中国式榨油机不能榨取的大豆、花生等大籽粒果实能够在机器上顺利榨取成油，使这些作物马上进入油料作物的行列，而这些作物替代的是北方芝麻。北方各地大面积种植大豆、花生的同时，芝麻的占地比例不断萎缩，油料作物出现了第二次嬗替。
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作物间的嬗替是农作物与自然环境、人类社会需求之间的优选过程，正是这一过程的存在，有效地推动了农业发展与农业土地利用的深化。
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2．农业生产种植制度
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中国农业地理格局的形成经历多次强化过程，所谓强化指单纯空间扩展之外的技术投入，即土地空间扩展虽然是中国历史上解决民生问题的主要途径，但其间并不乏农业生产技术的提升，融空间与技术为一体是中国农业地理格局形成的基本途径，而在这一途径中农作物复种制度占有突出地位。
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农作物种植制度指农业生产中依托当地自然条件、农业技术条件建立的农作物熟制以及相应的轮作体系，水热条件与土壤条件是决定农作物一熟还是多熟的前提，而能否实现多熟既取决于农业技术与作物组合形式，也取决于社会需求与农业技术进步。因此农作物复种制并非从来就有的，推动复种制形成的动力同样是人口对于粮食的需求，正因此，一个地区在几乎同样的自然环境下，却要等社会发展到一定阶段才会出现复种制。
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中国古代因天时、顺地力的农业技术措施，并非稳定在一个技术阶段，农业生产技术从粗放经营到精耕细作、从易田制到土地连作，农作物种植制度实现了从一年一熟到两年三熟、一年两熟的发展变化，不同熟制不仅来自自然属性不同的区域，而且也由不同作物组合而成。以休耕、撂荒为前提的易田制实行于中国历史早期，以夏、商、周三代为代表；进入春秋战国时期，伴随人口增殖，对于土地的需求量加大，土地利用形式从易田制走向连作制，而由于土地连年耕种，地力缺失，农业技术逐渐在粗放经营方式中纳入精耕细作的环节。就农作物熟制而言，无论处于易田制还是连作制时期，均采取一年一熟制。中国农业首先出现的复种制为两年三熟制，战国时期今山东一带率先实行以冬小麦为核心作物的两年三熟制，并在以后伴随小麦加工技术的进步[21]，不断扩展冬小麦的种植空间，唐宋时期华北一带冬小麦分布区与两年三熟制实行区基本吻合，对于环境有重要标识意义的冬小麦分布北界循陇东一带至渭北高原，经山西中部越过太行山，向东伸向燕山东麓。一年两熟制出现在北宋时期，核心作物仍然是冬小麦，并实行稻麦轮作一年两熟；南宋时期在北方移民的推动下，江浙等地均实行这一种植制度。但作为稻麦轮作一年两熟核心作物的冬小麦，毕竟源于北方，南宋末随着北方移民转变为当地土著，并从面食改为稻米，影响了对于小麦的需求，一年两熟稻麦轮作区逐步缩小，主要分布在太湖平原一带。以水稻为核心的一年两熟制即双季稻出现在明朝晚期[22]，零星出现在长江中下游地区。清康熙年间派遣李煦在江南一带推广“御稻”，是在官方鼓励下正式种植双季稻的开端，但江南双季稻实行的时间并不长，至嘉庆年间基本终止，仅在湖南南部、湖北中部等地留有零星记载。中国历史时期自唐宋以后一年两熟制分布北界基本位于秦岭——淮河一线，虽然构成一年两熟制的农作物代有更迭，但基本分布区域以长江流域及其以南地区为主。清代珠江流域人口增多，南部地区出现一年三熟制。
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水热条件与土壤条件是决定农作物一熟还是多熟的前提，而能否实现多熟则在于农业技术与作物轮作组合。元代以前实行一年一熟制的北方旱地作物，主要在粟（谷子）、黍、豆类之间进行轮作，元以后至明清时期则将高粱、玉米纳入轮作系列。唐宋时期北方两年三熟制中冬小麦前作以粟、豆为多，明清以来则部分为玉米、高粱取代；宋代以来南方一年两熟水旱轮作中冬小麦为旱地作物的主体，明清时期则被棉花取代。多熟制中南北方形成明显的地域差异，从黄河流域的两年三熟到长江流域的一年两熟，其间相差约1000年时间，再从长江流域的一年两熟到珠江流域的一年三熟又相距近1000年，参加复种轮作的农作物也从旱地作物间的轮作向水旱轮作发展，最终实现双季稻、三季稻种植。中国农业空间开发进程有如抢占滩头的海浪，一浪高过一浪，早期农业的核心虽在黄河流域，农业开发最晚的珠江流域却因南亚热带优越的农业生产资源而取得耀目的成就。
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农业生产在满足人们衣食基本需求的同时，也尽可能地追求经济效益，农作物多熟制实行中核心作物与轮作作物的变化就是技术支撑与经济效益的共同产物。最初无论北方两年三熟制还是南方一年两熟制，冬小麦均为多熟制轮作中的核心作物；明清时期江南一带水稻逐渐进入核心作物的行列，出现冬小麦、水稻同时成为核心作物的现象。核心作物连年种植，与之轮作的其他作物需要不断倒茬，正是由于这样的特点，核心作物收获后需要留有满足其他作物生长周期的时限，冬小麦等越冬作物一般秋播夏初收获，收获后留有5个月或6个月的生长期，能够满足后作的生长要求。北方两年三熟轮作体系中冬小麦的后作多为豆、粟、黍等旱地作物，江南一年两熟制地区冬小麦的后作为晚稻。明清时期江南地区出现以早稻为核心的新的水旱轮作体系，在这一体系中一般早稻收割后，后作多为菜、豆、油菜等，双季稻出现后实行早、晚稻之间的连作。农作物多熟制的出现是土地利用率提升的标志，而多熟制核心作物由冬小麦到水稻，则是在土地利用率不变的前提下，农作物种植结构转型的标志，江南一带尤其突出。南方在以小麦为核心的轮作体系下，轮作中无论核心作物还是后作均为粮食作物，农业生产的主要目标为粮食；当核心作物转向水稻，生产的主要目标则侧重于经济作物，其中的关键在于棉花的大量种植。明清时期江南一带棉花种植面积大幅度增加，不但取代了稻田面积，而且影响了传统的稻麦轮作制，其原因在于棉花需要占用一年中完整的农作物生长期，因此种植棉花的土地一般不与其他作物在年内轮作，实行一年一熟。明清时期两年棉一年稻是江南地区通常的年际轮作形式，种植水稻的年度往往选择早稻，早稻的后作若选择小麦将会影响次年棉花的播种期，所以一般将豆、菜等作物作为后作。显然以水稻为核心作物的轮作中，农业生产追求的产品已经发生了明显变化，农业地理格局也因此而发生改变。
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复种轮作制的出现为土地带来二次开发，如果说第一次开发是农业种植空间的延伸，那么第二次开发不仅提升了土地利用强度，且叠加了更多的技术元素。虽然中国古代农耕区的扩展起步于黄河流域，但最终融汇更多传统农业技术的地区却是在长江流域，中国古代农耕区的扩展不仅实现了南北方绝对空间的延伸，而且凭借差异性的耕作技术营造了江南这一经济重心。伴随中国古代经济重心自黄河中下游地区移向江南，中国农业地理经历了一次重要的技术中心扩展与产量中心转移；而从以太湖平原为主的“苏湖熟天下熟”到以两湖平原为主的“湖广熟天下足”，中国农业地理则经历了农作物种类的区域生产中心转移，即明清时期东部沿海地区从原来的粮食作物生产转向偏重经济作物，这一趋向不仅限于平原，山区开发也具有从东到西，从经济作物开发到粮食作物开发的空间变化特征。
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农业开发与环境改造是在人类农业活动控制下的由天然植被变为农田的过程，这一过程的产生缘于人类对粮食乃至所有农产品的需求，正是需求使人类通过扩展耕地获得农产品时，也试图将满意的收获持续下去。也许人类最初的农事活动并没有意识到环境问题，那么随着农业开发规模扩大，特别是从易田制进入土地连作制，人们越来越清楚自己埋下的那粒种子能带来什么样的收获，不仅取决于人，包括天、地的环境具有更重要的作用。于是，辨方、物土[23]、因天时、顺地力等融汇天、地、人三才思想为一体的技术举措被纳入农业生产，成为保证收获且协调农业开发与环境改造的基本途径。农业技术介于农作物与自然环境之间，带有鲜明的地理烙印。在长期的农耕生产中，人们洞悉到地域之间的环境差异，不仅在旱地与水田、平原与山地、北方与南方实行不同的农业技术体系，而且掌握了农作物与环境之间的依存关系以及技术适应方式。为了寻求自然环境属性与农作物生理特征之间的吻合，人们根据土壤特征、灌溉条件等，因地制宜安排农作物；根据气候因素的时空变化，合理安排农时，通过农业生产建立了人类活动与自然环境之间的和谐关系。正因此，尽管农业改造了环境，但农业自身也成为人类从事时间最久远的一项活动，从原始农业起步至今，大约有一万年。
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中国历史地理十五讲 二 农业开发带来的环境问题
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农业是一项决定人类生存的生产，因此人们出于求生的欲望，对农业的开发并非永远处于理智状态。农业开发本身用单一农作物取代多样性的天然植被，已经导致自然环境出现重大改变；而非理性的农业开发对于环境的影响不仅仅是植物类型的取代，还伴随着对于环境物理性的破坏与严重的生态遗患。
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说起人类活动、农业生产与环境的关系，我们会想起古代先哲发人深省的见解，荀子说：“草木荣华滋硕之时，则斧斤不入山林，不夭其生，不绝其长。”孟子云：“不违农时，谷物不可胜食也；数罟不入污池，鱼鳖不可胜食也；斧斤以时入山林，林木不可胜用也。”先秦诸子“不夭其生，不绝其长”的思想肯定了生态环境、生物资源与人类生存的互依互利关系，不但构成人们早期环境意识的核心部分，而且一直影响着后代相关政令。唐玄宗开元二十一年诏曰：“献岁之吉，迎气方始，教顺天时，无违月令，所繇长吏可举旧章，诸有藏伏孕育之物，蠢动生植之类，慎无杀伐，致令夭伤。”[24]宋代帝王也发布过这样的诏令：“方春阳和之时，鸟兽孳育，民或捕取以食，甚伤生理而逆时令，自宜禁民二月至九月无得捕猎，及持竿夹弹探巢摘卵，州县吏严饬里胥伺察，擒捕重置其罪。”[25]辽代也有“方夏，长养、鸟兽孳育之时，不得纵火于郊”的规定[26]。古人的这些环境思想，在官方号令所及的地方，对于保护生物资源起了一定作用，但并非任何时候都具有指导人们行动的功用，在无饥馑之忧的地方会抑制人们的行为，但面对为求生而寻觅生存资源的人们就显得十分无力。特别是随着人口增加，土地开垦扩展，人类赋予环境的已不仅仅是“不夭其生，不绝其长”，而是生物生存空间受到毁灭性扰动的后果，这样的问题直接影响到农业可持续发展与环境对农业开发的承载能力。
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回顾中国历史，非理性的农业开发渗透在各个时代与南北方各地，但从历史遗患至今，唯宋代以来江南地区围湖造田、宋元明清以来南方山区开发、清代以来沿长城地带开垦农业三者最为显著。而用单一农作物取代多样性的天然植物，不属于非理性农业开发范畴之内，是农业生产的必然结果。
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（一）农业开发用单一农作物取代多样性的天然植物
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农耕业的核心是农作物，大地上的农作物均属于人工栽培的产物，也有极少部分凭借动物、风、水等自然传播方式落地生根，但是无论人工播种还是自然传播，种子有着与天然植物一样的对于环境、对于水热条件的选择。尽管哪一类作物种植在什么地方是人类操控的结果，但人类安排农作物的种植地域并非随心所欲，其中起控制作用的是作物内在的生理属性，这就是农作物会在一些地方枝繁叶茂、果实饱满，而在另一些地方枯萎凋落、难以生存的原因。农作物与环境之间的对应关系，导致农作物在大地上呈现与天然植物一致的地带性分布特征[27]，如糖料作物中甜菜适宜于北方，尤其东北地区；甘蔗适宜于南方，尤其华南等地。但农作物毕竟不是天然植物，在人工培育之下往往拥有对于环境广域性的适应能力，即一些作物可以在北上南下中获得更大的生存空间，如冬小麦、谷子（粟）既是北方的优势作物，也在南方赢得了种植空间；盛行于南方的水稻，同样在北方获得了一席之地。农作物广域性的环境适应特点，通过同一作物不同品种而实现，并在对于天然植被的取代中，形成同一的、辽远的种植空间。
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农作物保持着与天然植物一致的对于环境的依赖性，但同样的绿色却有着不同的内容，农作物在取代天然植被的同时，也改造了环境，其显著之处在于：其一，天然植物是与复杂的自然环境对应的产物，就其种类而言包括乔木、灌木以及草本，而农作物多属于草本植物，且种类单一，由农作物取代天然植被最明显的环境改造是植物多样性的消失。其二，天然植被不存在因周期性破坏而出现的裸地，而农作物的播种、收获经历着一年内周期性的土地裸露，无论南北方，裸地的出现均带来明显的环境后果。其三，长年连续耕作，必然出现土壤肥力降低、土壤结构改变、土壤退化的结果。
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如果说由农业开发导致的环境破坏仅局限于某一个时代，那么单一农作物取代多样性的天然植物则贯穿农业开发的始终。
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（二）宋代以来江南地区围湖造田引起的湖泊面积萎缩
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水乡泽国是江南一带的环境特点，人类社会早期没有人口压力，也不具备征服自然的技术，因此对于水乡环境的利用小心翼翼。唐宋以来，伴随人口增多，人地矛盾日益加重，人们不再满足于对环境的利用，改造环境并取得更多的农业用地成为那个时代群体性的追求，围湖造田是其中对环境扰动最大的举措。
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圩田是江浙水乡围湖造田的主要形式，宋人称“堤河两岸，而田其中，谓之圩”[28]。这种田制创始于宋代以前，宋代随着人口增加不但圩田面积和数量不断发展，而且名目与形制也有所更新，如涂田、沙田等均属此列。由圩田派生的各种新的土地利用形式，是江南农户的创举。元人王祯《农书》总结这些垦殖形式，圩田“凡一熟之余不惟本境足食，又可赡及邻郡”，是各类围水造田形式中最重要的一种；在涂田上布种，“其稼收比常田，利可十倍”；种植在沙田上的庄稼更“以无水旱之忧”而胜于他田。尽管王祯的话有夸大其词之嫌，不能尽视为信语，但无疑圩田等各种围水造田形式取得了巨大成功。圩田得之于诸多优越性，迅速在江南各地推广起来。
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围水造田在获得农业产量成功的同时，也因过度围垦造成环境恶化、湖面缩小。宋代就有人对围水造田引发的环境影响提出看法，围田之前，“东南地濒江海，水易泄而多旱。历代以来，皆有陂湖蓄水以备旱岁，盖湖高于田，田又高于江海，水少则泄田中，水多则放入海，故无水旱之岁，荒芜之田也”；北宋中期以后，围水造田活动兴盛，至政和年间两浙地区的湖泊已大有“尽废为田”的态势，于是出现了“涝则水增溢不已，旱则无灌溉之利”的景象，农民岁被水旱之患。[29]许多著名湖泊如鉴湖、夏盖湖等都是在这一时期被围垦成田的。
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鉴湖本为越州境内蓄水、灌溉能力最强的湖泊，被围垦前可灌溉山阴、会稽两县境内9000顷农田，水量仍沛然有余。北宋前期就有人盗湖围田，以后有增无已。大中祥符年间有27户，治平年间80余户，围田700余顷[30]；熙宁年间增至900余顷[31]。鉴湖水面日益减少，严重影响了当地农业生产，朝廷不得不派官前来调理。熙宁年间朝廷派至浙东的官员，面对大片湖水已被围垦成田的现状也无可奈何，只好采取妥协之计，“立碑为界，内者为田，外者为湖”[32]，使现有湖田两存，即一方面承认既有围田的合法性，另一方面又尽力阻止围田进一步扩展。这样软弱无力的做法自然丝毫不能阻止围垦湖田的强盛势头，至宣和二年（1120）湖田面积已达2200多顷，时人惊呼整个鉴湖已经“湮废尽矣”[33]。与鉴湖情况相似，位于越州上虞县境内的夏盖湖、余姚县境内的汝仇湖、明州鄞县境内的广德湖等也都在这一时期因围垦而湮废。
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