河北省糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化及其水土資源效應(yīng)

沈 方， 郝瑞彬， 尹力軍， 殷書柏

(唐山師范學(xué)院資源管理系，河北唐山 063000)

糧食安全問題一直是政府和學(xué)界關(guān)注的熱點。對中國而言，糧食安全的核心就是有效供給問題。不斷增強糧食生產(chǎn)能力是我國在資源短缺、開發(fā)過度、污染加重的資源環(huán)境硬約束下保障有效供給的必然選擇。

有研究顯示，耕地面積、復(fù)種指數(shù)、糧作比例、作物單產(chǎn)和糧食內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是糧食產(chǎn)量變動的5個直接決定因素。但通過梳理文獻發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物空間布局變化一直是學(xué)界關(guān)注的重要問題，但糧食作物內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)變化及其資源環(huán)境效應(yīng)則在一定程度上被“忽視”了，相關(guān)文獻較少。而已有研究概括起來主要集中在以下2個方面：(1)糧食作物種植結(jié)構(gòu)的時空演變及其驅(qū)動力研究。近年，一些學(xué)者在全國、區(qū)域或省域糧食作物種植結(jié)構(gòu)的空間分布、變動趨勢、影響因素等方面做了一些研究，其中糧食種植結(jié)構(gòu)變動的影響因素是關(guān)注的重點。部分學(xué)者采用定性分析的方法進行研究，如王洋等認為種植結(jié)構(gòu)變化是國家政策、科技進步、社會需求、經(jīng)濟效益、自然條件等綜合作用的結(jié)果[1]；何艷芬等則認為，單產(chǎn)水平、穩(wěn)產(chǎn)程度以及經(jīng)濟收益是決定區(qū)域糧食結(jié)構(gòu)組成的主要因素[2]。更多的學(xué)者則采用定量方法進行研究。如李奇峰等針對東北三省的研究[3-4]，霍靈光針對吉林省的研究都采用了比較優(yōu)勢指數(shù)法進行分析[5]，由于比較優(yōu)勢指數(shù)變化同糧食作物種植結(jié)構(gòu)變化呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，因此認為比較優(yōu)勢是糧食作物種植結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在動力。也有學(xué)者從單因子角度對糧食作物種植格局變化進行研究。如云雅如等的研究顯示，黑龍江省糧食作物種植格局的變化與氣候變暖帶來的積溫增加及積溫帶北移東擴密切相關(guān)[6]?？偟膩砜?，相關(guān)研究并不深入，不同學(xué)者對于哪些因素是決定糧食種植結(jié)構(gòu)變動的決定性因子并沒有一致的意見。朱晶等認為，比較經(jīng)濟效益是結(jié)構(gòu)變動的決定性因素[7]，但也只是定性分析，尚未有關(guān)于比較經(jīng)濟效益影響糧食種植結(jié)構(gòu)變動機理的深入探討。(2)糧食作物種植結(jié)構(gòu)時空演變的資源環(huán)境效應(yīng)。近幾年，作物種植結(jié)構(gòu)變動的糧食產(chǎn)量效應(yīng)已經(jīng)受到一些學(xué)者的關(guān)注。如朱晶等較早提出糧食內(nèi)部結(jié)構(gòu)變動對區(qū)域糧食產(chǎn)量變化的貢獻，并做了相應(yīng)的測算，結(jié)果顯示，2004—2012年糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對我國糧食增產(chǎn)的平均貢獻率達到了26%[7]。之后又有一些學(xué)者利用因素分解方法對特定區(qū)域做過相關(guān)測算[8-10]，測算結(jié)果對于正確認識特定區(qū)域糧食增產(chǎn)本質(zhì)有重要意義：一方面，明確了糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)改變的產(chǎn)量意義；另一方面，加深了對區(qū)域糧食“單產(chǎn)”，實為加權(quán)平均單產(chǎn)本身的認識，由于近年糧食內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整的產(chǎn)量效應(yīng)均為促產(chǎn)效應(yīng)，因此通常見到的加權(quán)平均單產(chǎn)的提高并非區(qū)域單位播種面積“真實”產(chǎn)出能力的增加，內(nèi)部包含了由于糧食內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整導(dǎo)致的產(chǎn)出增加。

同樣，由于不同糧食作物間存在單產(chǎn)差異，在只考慮糧食總產(chǎn)量的情況下，播種結(jié)構(gòu)不同獲取單位糧食產(chǎn)量所需要的播種面積不同，因此糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)的變化必然對糧食生產(chǎn)的耕地(播種面積)消耗帶來影響，李天祥等曾在全國和區(qū)域?qū)用?，就糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對土地資源消耗的影響進行測算，但是省域?qū)用娴南嚓P(guān)研究尚鮮有報道[11]。

此外，由于不同糧食作物單位播種面積的耗水量(虛擬水)存在較大差異，因此對區(qū)域糧食作物之間的種植面積進行合理調(diào)整，將有望實現(xiàn)區(qū)域水資源的最優(yōu)配置[12]?；诖?，部分學(xué)者專門對特定區(qū)域水資源與農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整之間的關(guān)系進行了研究，如張洪嘉[13]、鄒君[14]、蔡超等[15]。但是相關(guān)研究都是將糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整問題置于整個農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的背景下進行研究，并未就糧食內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整對水資源消耗的影響做專門分析。

河北省是全國13個糧食主產(chǎn)省份之一，糧食生產(chǎn)在全國占有重要地位。2015年糧食產(chǎn)量3 363.81萬t，占全國 5.42%。因此，本研究嘗試構(gòu)建一個糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化的水土資源效應(yīng)的測算方法，并以河北省為例進行實證研究。測算結(jié)果對于全面認識河北省糧食生產(chǎn)變化的本質(zhì)、判斷未來糧食增產(chǎn)前景有一定的現(xiàn)實意義；研究思路及測算方法可以為其他地區(qū)類似研究提供一定的參考借鑒。

1 河北省糧食產(chǎn)量及其播種結(jié)構(gòu)變化

1.1 河北省糧食生產(chǎn)發(fā)展時序特征

1990—2015年，河北省糧食生產(chǎn)經(jīng)歷2次較快增長，1次明顯回落，整體呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，以糧食產(chǎn)量先后達到高、低位的1998年和2003年為界，可分為3個階段：第1階段(1990—1998年)為快速增長階段。1990年以來，糧食市場化改革導(dǎo)致糧價逐漸放開，糧食播種面積穩(wěn)定提高，刺激了糧食生產(chǎn)，與此同時糧食加權(quán)平均單產(chǎn)持續(xù)快速提高，至1994年糧食總產(chǎn)量突破2 500萬t；之后糧食生產(chǎn)繼續(xù)保持強勁增長勢頭，總產(chǎn)量至1998年達到2 917.50萬t。這一時期玉米和小麥共同驅(qū)動了糧食快速增產(chǎn)，分別增產(chǎn) 358.04 萬t和325.92萬t，增產(chǎn)貢獻率分別為55.90%和50.89%。第2階段(1998—2003年)為明顯滑坡階段。河北省糧食總產(chǎn)量1998年達到2 917.50萬t，自1999年開始，河北省糧食5年連續(xù)減產(chǎn)，至2003年糧食產(chǎn)量只有 2 387.80萬t，相對于1998年減少了18.16%。這一時期，由于糧食種植效益下降和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整共同作用，糧食播種面積大幅縮減，加權(quán)平均單產(chǎn)雖有小幅提高，但不足以沖抵播種面積減少帶來的糧食減產(chǎn)，結(jié)果所有糧食作物均出現(xiàn)不同程度減產(chǎn)，其中減產(chǎn)幅度最大的是小麥和玉米，減產(chǎn)貢獻率分別為44.33%和21.45%。第3階段(2003—2015年)為持續(xù)快速增長階段。由于國家一系列“惠農(nóng)優(yōu)糧”政策的實施，極大地提高了農(nóng)民種糧積極性。2003年之后，河北省糧食作物播種面積持續(xù)增加、單產(chǎn)繼續(xù)提高，二者綜合作用引致糧食總產(chǎn)量11年連續(xù)增長，至2011年突破3 000萬t，2015年達到3 363.81萬t。這一時期是新中國成立以來河北省糧食生產(chǎn)發(fā)展最好的一個時期，其間對糧食增產(chǎn)貢獻最大的是玉米和小麥，貢獻率分別為61.14%和42.64%。

從研究期整體(1990—2015年)看，河北省糧食增產(chǎn)總量1 086.81萬t，其中玉米增產(chǎn)841.16萬t、增產(chǎn)貢獻率 77.40%，小麥增產(chǎn)507.30萬t、增產(chǎn)貢獻率46.68%，其他糧食作物均為減產(chǎn)狀態(tài)，貢獻率為負。

1.2 河北省糧食播種結(jié)構(gòu)變化

從單產(chǎn)的角度看，研究期(1990—2015年)各糧食作物單產(chǎn)都有一定幅度的提高(表1)。表1數(shù)據(jù)顯示，研究期各糧食作物單產(chǎn)提高幅度不同，其中小麥和玉米單產(chǎn)提高幅度最大，其次是大豆和薯類，雜糧和稻谷單產(chǎn)提高幅度相對較??；此外，各糧食作物單產(chǎn)的相對高低次序也發(fā)生了變化，由1990年的稻谷>玉米>小麥>薯類>雜糧>大豆，變?yōu)?015年的稻谷>小麥>玉米>薯類>雜糧>大豆。

表1 河北省各糧食作物單產(chǎn)變化及排序

從播種面積變化的角度看，研究期(1990—2015年)河北省各糧食作物播種面積及其占比也發(fā)生了很大變化(表2)。小麥播種面積在1998年之前基本穩(wěn)定，之后明顯減少，但占比基本穩(wěn)定；稻谷播種面積在1998年之前略有增加，之后快速減少，2015年稻谷占比僅為1.33%；玉米播種面積在1998年之前略有增加，至2003年又略有減少，之后快速增加，占比則持續(xù)提高，2015年已經(jīng)達到50.81%；大豆播種面積在1998年之前快速增加，之后又快速減少，至2015年播種面積僅有11.59萬hm2，占比1.81%；薯類播種面積總體上持續(xù)下降，但由于總得糧食作物播種面積的減少，2003年占比相對1998年提高了0.60百分點；雜糧播種面積和占比均持續(xù)下降。從各作物播種面積和占比來看，目前河北省糧食作物主體是玉米和小麥，其他作物均居次要地位。

表2 河北省各糧食作物播種面積及占比變化情況

河北省糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)變化呈現(xiàn)明顯的相對高產(chǎn)的玉米種植比例增加，而相對低產(chǎn)的大豆、薯類和雜糧種植比例下降的趨勢，即相對高產(chǎn)作物對低產(chǎn)作物的種植替代。由于糧食生產(chǎn)須要密集消耗水土資源，且不同糧食作物單位質(zhì)量的耗地程度不同、單位播種面積的耗水程度也有差異，糧食種植結(jié)構(gòu)的變化及由此導(dǎo)致的各糧食作物播種面積的變化必然會對河北省糧食生產(chǎn)總的水土資源消耗帶來影響。

那么，近期河北省糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整趨勢如何？結(jié)構(gòu)調(diào)整對全省水土資源消耗的影響到底有多大？選取適當?shù)姆椒?，對此進行定量分析，無疑具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2 糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化的水土資源效應(yīng)測算

2.1 測算方法

由于不同糧食作物之間存在單產(chǎn)差異，即獲取單位糧食產(chǎn)量，所需要的播種面積不同。當相對高產(chǎn)糧食作物種植比例增加時，必然引致區(qū)域糧食加權(quán)平均單產(chǎn)提高，在只考慮糧食總產(chǎn)量的情況下，為獲得一定糧食產(chǎn)量，所需的糧食播種面積將減少；反之亦然。

為測算結(jié)構(gòu)調(diào)整對耕地資源消耗(播種面積變化)的影響，可以用無結(jié)構(gòu)調(diào)整情形，即保持各糧食作物播種比例不變時，為獲得相同產(chǎn)量需要的糧食播種面積，與實際已經(jīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)調(diào)整情形下的糧食播種面積之間的差值來表示。如果二者的差值大于0，則表明結(jié)構(gòu)調(diào)整相對“節(jié)省”了耕地資源(糧食播種面積)；反之則表明結(jié)構(gòu)調(diào)整“增加”了糧食生產(chǎn)的耕地資源消耗。具體測算方法如下[11]。

區(qū)域糧食產(chǎn)量既可以表示為區(qū)域糧食作物播種面積與糧食加權(quán)平均單產(chǎn)的乘積，也可以表示為各糧食作物播種面積與其自身單產(chǎn)的乘積之和，因此有：

式中：G為區(qū)域糧食總產(chǎn)量；L為區(qū)域糧食作物播種總面積；P為加權(quán)平均單產(chǎn)；Li為糧食作物i的播種面積；Pi為糧食作物i的單產(chǎn)；Ci為i作物播種面積占糧食作物播種總面積的比例。

由此，時期t區(qū)域糧食總產(chǎn)量可表示為

Gt=∑Lt·Ci,t·Pi,t=Li·∑Ci,t·Pi,t。

而時期t+1糧食總產(chǎn)量則為

Gt+1=Lt+1·∑Ci,t+1·Pi,t+1。

由此可得各糧食作物播種比例Ci不變的情況下，時期t+1的糧食作物播種面積為

由于不同糧食作物之間除了存在單產(chǎn)差異之外，還存在耗水差異。當相對高耗水糧食作物比例提高時，必然會引致糧食生產(chǎn)單位面積加權(quán)平均耗水量的增加，進而增加糧食生產(chǎn)過程中的水資源消耗；反之亦然。

Wt+1=∑Lt+1·Ci,t+1·Mi；

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究中用到的河北省各糧食作物播種面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)均取自相應(yīng)年份《河北經(jīng)濟年鑒》，根據(jù)河北省糧食統(tǒng)計數(shù)據(jù)特征，將糧食作物分為小麥、稻谷、玉米、大豆、薯類和雜糧共6類進行分析；不同糧食作物單位播種面積耗水量數(shù)據(jù)參考《中國農(nóng)業(yè)需水與節(jié)水高效農(nóng)業(yè)建設(shè)》[16]。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)調(diào)整對河北省糧食生產(chǎn)耕地資源消耗的影響 從全省看，1990年以來，糧食作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，即相對高產(chǎn)的玉米對低產(chǎn)大豆、薯類和雜糧的種植替代，一定程度上提高了河北省糧食加權(quán)平均單產(chǎn)，使得與無結(jié)構(gòu)調(diào)整情形相比較，在獲得相同產(chǎn)量時，結(jié)構(gòu)調(diào)整較好地發(fā)揮了節(jié)地(播種面積)的作用(表3)。1990—2015年，糧食作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整為河北省相對節(jié)約播種面積6.82萬hm2；分階段看，不管是在糧食快速增長的1990—1998年、2003—2015年，還是糧食生產(chǎn)相對下滑的1998—2003年，結(jié)構(gòu)調(diào)整對河北省糧食加權(quán)平均單產(chǎn)都有一定的提升作用，整個研究期，年均節(jié)約播種面積為0.27萬hm2，其中1990—1998年節(jié)地效應(yīng)更高，年均達到 0.38 萬hm2。

從河北省下轄各市看，由于各市糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整在方式和程度上存在很大差別，致使結(jié)構(gòu)調(diào)整對各市糧食加權(quán)平均單產(chǎn)提升效應(yīng)各異，由此各市相對節(jié)地(播種面積)效應(yīng)也存在較大差別(表4)。

從研究期河北省糧食生產(chǎn)變化的3個階段看：1990—1998年，節(jié)地效應(yīng)相對較高的是河北北部的張家口和承德，節(jié)地效應(yīng)相對較低的是冀東的唐山和秦皇島；1998—2003年，節(jié)地效應(yīng)相對較高的是張家口、滄州和邢臺，而唐山、石家莊和秦皇島的節(jié)地效應(yīng)為負，表明其間3市糧食結(jié)構(gòu)調(diào)整中存在相對低產(chǎn)作物對高產(chǎn)作物的種植替代；2003—2015年，節(jié)地效應(yīng)相對較高的是滄州、張家口和邯鄲，相對較低的是承德、秦皇島和廊坊。

表3 河北省糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)變動的播種面積效應(yīng)測算

表4 河北省各市糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)變動的播種面積效應(yīng)測算

從研究期整體(1990—2015年)看，節(jié)地效應(yīng)相對較高的是張家口和滄州，分別節(jié)地17.20萬hm2和11.40萬hm2，節(jié)地效應(yīng)相對較小的是秦皇島和唐山，分別節(jié)地只有 0.37萬hm2和0.51萬hm2。

2.3.2 結(jié)構(gòu)調(diào)整對河北省糧食生產(chǎn)水資源消耗的影響 從全省看，1990年以來，糧食作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，改變了單位播種面積的加權(quán)平均耗水量，使得與無結(jié)構(gòu)調(diào)整情形相比，在獲得相同產(chǎn)量時，結(jié)構(gòu)調(diào)整發(fā)揮了一定的節(jié)水作用(表5)。1990—2015年，糧食作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整為河北省相對節(jié)約水資源8.39億m3。分階段看，節(jié)水效應(yīng)在糧食生產(chǎn)發(fā)展的不同階段存在明顯差異，1990—1998年結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水效應(yīng)為負，表明其間存在相對高耗水作物對低耗水作物的種植替代；1998—2003年和2003—2015年，結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水效應(yīng)均為正值，表明其間存在相對低耗水作物對高耗水作物的種植替代。

整個研究期，因種植結(jié)構(gòu)調(diào)整年均節(jié)約水資源量為0.34億m3，其中糧食生產(chǎn)相對下滑的1998—2003年，節(jié)水效應(yīng)更明顯，年均達到了1.51億m3。

表5 河北省糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)變動的水資源效應(yīng)測算

從河北省下轄各市看，各市糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及由此導(dǎo)致的節(jié)水效應(yīng)也存在較大差別(表6)。

從研究期整體(1990—2015年)看，由于糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，河北省下轄11市中有10個市實現(xiàn)了一定的節(jié)水效應(yīng)。其中，節(jié)水量相對較大的是張家口、邯鄲和衡水，分別節(jié)水 3.51億、1.10億、1.07億m3；節(jié)水量相對較小的是石家莊、承德和和唐山，分別節(jié)水0.35億、0.41億、0.51億m3；而滄州市，結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水效應(yīng)為負，相對于無結(jié)構(gòu)調(diào)整多消耗水資源1.25億m3。

從研究期3個階段看，1990—1998年，11個地級市有7個結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水效應(yīng)為正，節(jié)水效應(yīng)相對較高的是衡水、張家口和邢臺，而滄州、承德、廊坊和秦皇島市節(jié)水效應(yīng)為負，其中滄州市有結(jié)構(gòu)調(diào)整相對與無結(jié)構(gòu)調(diào)整增加水資源消耗 1.70億m3。1998—2003年，11個地級市有10個結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水效應(yīng)為正，節(jié)水效應(yīng)相對較高的是張家口、唐山和滄州，其中張家口節(jié)水效應(yīng)最突出，而衡水節(jié)水效應(yīng)為0。2003—2015年，11個地級市有8個節(jié)水效應(yīng)為正，節(jié)水效應(yīng)相對突出的是承德、廊坊和邯鄲，而唐山、滄州和石家莊節(jié)水效應(yīng)為負。

3 結(jié)論與討論

本研究分析了1990—2015年河北省糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化特征，并從河北全省和下轄各市2個層面系統(tǒng)測算了糧食種植結(jié)構(gòu)變化對水土資源消耗的影響，結(jié)論如下：(1)1990年以來，河北省糧食生產(chǎn)快速發(fā)展；糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)為相對高產(chǎn)的玉米種植比例不斷增加，而相對低產(chǎn)的大豆、薯類和雜糧種植比例持續(xù)下降。(2)從全省來看，糧食種植結(jié)構(gòu)變化，使得與無結(jié)構(gòu)調(diào)整情形相比，在獲得相同產(chǎn)量時，結(jié)構(gòu)調(diào)整較好地發(fā)揮了節(jié)地(播種面積)、節(jié)水的作用。1990—2015年，結(jié)構(gòu)調(diào)整為河北省相對節(jié)約6.82萬hm2的播種面積和8.39億m3的水資源消耗。(3)分區(qū)域看，1990—2015年，除滄州外，糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整在河北省下轄10個市均發(fā)揮了“節(jié)地節(jié)水”的作用；而在滄州則表現(xiàn)為“節(jié)地但耗水”的作用。(4)河北省內(nèi)各市糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整空間差異較大，由此引致結(jié)構(gòu)調(diào)整的水土資源效應(yīng)存也在較大的空間差異。

表6 河北省各市糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)變動的水資源效應(yīng)測算

從長遠來看，水土資源作為最基礎(chǔ)的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源，將成為制約河北省糧食生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的剛性約束因素，糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向和空間也將主要受水土資源條件的限制。1990—2015年，河北省依靠種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，一定程度上實現(xiàn)了節(jié)約水土資源的作用，在某種程度上是對河北省“地多水少”的水土資源匹配特征的一種適應(yīng)，有利于河北省農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。但是，河北省由于多年連續(xù)超采地下水，已經(jīng)形成多個地下水沉降漏斗，并產(chǎn)生了嚴重的生態(tài)后果；疊加糧食生產(chǎn)過程中大量化肥、農(nóng)藥的使用已經(jīng)帶來了嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染，表明今后維持河北省糧食持續(xù)增產(chǎn)的難度將會增大。因此，在糧食生產(chǎn)調(diào)控過程中，在關(guān)注糧食種植結(jié)構(gòu)變化的糧食產(chǎn)量效應(yīng)和水土資源效應(yīng)的同時，也不應(yīng)忽視結(jié)構(gòu)調(diào)整的資源、環(huán)境影響，以及由此導(dǎo)致的糧食生產(chǎn)與消費的結(jié)構(gòu)性矛盾。