21世紀以來三江平原農作物種植結構演化研究

杜國明，張揚，李全峰

（東北農業(yè)大學公共管理與法學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

近十幾年來，種植結構優(yōu)化、布局調整作為影響糧食產量的重要因素，對保障我國糧食安全起到了重要的作用[1-2]。與此同時，農產品有效供給不足與結構性過剩并存成為現(xiàn)階段我國農業(yè)生產的主要問題，并由此導致糧食生產量、庫存量、進口量“三量齊增”以及農產品價格倒掛等問題，影響著國家糧食安全的穩(wěn)定性，阻礙著農業(yè)現(xiàn)代化水平的提升和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，從農業(yè)供給側出發(fā)，優(yōu)化調整農作物種植結構勢在必行。2019年中央一號文件《國務院關于堅持農業(yè)農村優(yōu)先發(fā)展做好“三農”工作的若干意見》與《全國種植業(yè)結構調整規(guī)劃（2016—2020年）》明確指出，優(yōu)化調整農作物種植結構是推進農業(yè)供給側改革、提升農業(yè)供給側改革質量與效率的重要保障?？茖W合理地優(yōu)化區(qū)域農作物種植結構成為當前國家糧食安全與經濟轉型的重要措施。而如何客觀認識與識別區(qū)域農作物種植結構特征演變與驅動機制是優(yōu)化國家/區(qū)域農作物種植結構的必要前提。

當前國內學者對農作物種植結構進行了大量相關研究，其學科領域涉及經濟學、生態(tài)學與地理學等[3-5]。從信息源獲取方式看，面板數據、遙感解譯數據與調查數據構成了農作物種植結構研究的多源數據平臺[6-7]。從內容看，學者們主要從不同空間尺度探討了農作物種植結構的時空演變及其驅動機制[8-10]。如劉珍環(huán)等[3,11]分別對中國全域和中國東北地區(qū)近30 a農作物種植結構分析發(fā)現(xiàn)，全國范圍內多元種植結構正在代替單一種植結構，但東北地區(qū)種植結構單一化明顯，可見不同空間尺度存在不同的種植結構演變特征；并且不同驅動因素影響，不同地區(qū)或者同一地區(qū)不同時期也會形成不同的農作物種植結構變化規(guī)律[12-14]。近年來，東北地區(qū)作為國家商品糧供給的核心區(qū)，其集約化、規(guī)?；c專業(yè)化趨勢愈加明顯，區(qū)域糧食生產格局逐漸趨于穩(wěn)定[15]。三江平原作為東北地區(qū)新興商品糧生產基地，是國家級現(xiàn)代農業(yè)綜合改革配套試驗區(qū)的核心區(qū)，農作物種植結構演變卻鮮有相關研究。全面認識三江平原農作物種植結構時空特征及其演變態(tài)勢，對推動東北地區(qū)農業(yè)供給側結構性改革與保障國家糧食安全戰(zhàn)略具有重要意義。

綜上所述，農作物種植結構時空演變是單一/多種類型農作物交替組合過程，呈現(xiàn)出明顯的時空動態(tài)性、空間聚集性和區(qū)域差異性[3,16-17]。因此，本研究擬通過數理統(tǒng)計與GIS空間分析方法，刻畫2000—2015年不同時間尺度農作物種植結構時空特征，揭示三江平原農作物種植結構演變趨勢，探究影響三江平原農作物種植結構演變的主要驅動機制，以期為該區(qū)域農業(yè)種植結構調整與布局優(yōu)化、耕地可持續(xù)利用等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三江平原位于黑龍江省東北部（圖1），土地總面積為10.9×104km2。三江平原由黑龍江、烏蘇里江和松花江匯積而成，地勢平坦，呈南高北低，西高東低。當前三江平原農作物種植以玉米和水稻等為主，2000—2015年間，三江平原糧食產量由1 197×104t增至 3 605×104t，增幅 2 408×104t，其中玉米產量增幅1 409×104t，水稻產量增幅1 276×104t，而大豆產量減幅115×104t。

1.2 數據來源

選 取 2000、2005、2010年 Landsat TM 以 及2015年Landsat OLI 的云量符合標準的6月及8月耕作期影像為主要數據源，在對衛(wèi)星影像數據進行大氣校正、幾何校正和圖像增強的基礎上，分別進行TM數據4、5、3（OLI數據5、6、4）波段融合。在已有三江平原2000、2005、2010、2015年土地利用數據基礎上[18]，從土地利用數據中提取耕地矢量數據，然后利用耕地層矢量數據切割影像以獲取4期耕地層影像進行非監(jiān)督分類，根據分類成果中各類型作物的像元數，統(tǒng)計得到2000—2015年三江平原不同農作物的種植面積。根據《黑龍江省2016年統(tǒng)計年鑒》、《黑龍江墾區(qū)2016年統(tǒng)計年鑒》和依蘭縣、穆棱市農業(yè)統(tǒng)計數據，獲取2015年三江平原主要農作物種植面積統(tǒng)計數據，以此對農作物提取面積進行了精度驗證，大豆、玉米和水稻面積（其他作物種植面積統(tǒng)計數據難以統(tǒng)計，因此針對大豆、玉米和水稻提取面積進行精度驗證）提取精度分別為83.34%、86.58%、90.08%（表1），并通過樣本點野外勘測檢驗，反演精度不低于92%。

表1 2015年主要農作物遙感提取面積精度驗證Table 1 Validation of area accuracy of the remote sensing extraction of major crops in 2015

1.3 研究方法

本文選擇動態(tài)度模型、變化幅度來描述三江平原農作物種植面積變化情況。為進一步揭示三江平原農作物種植結構變化特征，使用作物類型變化分析方法分析其種植結構類型變化特征。

1.3.1 農作物種植面積變化 1）農作物面積變化速度。動態(tài)度模型可以描述研究區(qū)某時期農作物面積的變化速度，計算公式[19]為：

式中：K為研究時段內農作物面積變化速度；a和b分別表示研究初期與末期，Ua、Ub分別為研究初期和研究末期的種植面積；T為研究時間間隔，單位為年。

2）農作物面積變化幅度。該指數可用來表示某種農作物在一段時期內的面積變化比例，計算公式[20]為：

式中：ΔS為作物面積變化幅度，a和b分別表示研究初期與末期，Ua和Ub分別為研究初期和末期某一作物類型的面積。此指數可以表示某種農作物在一段時間內的面積變化情況，其數值的“±”表示作物面積變化方向。

1.3.2 農作物種植結構類型判定及演化 以縣市為單元，依據2000—2015年大豆、玉米、水稻、其他作物占耕地總面積的百分比為樣本判定種植結構類型。結合前人在東北地區(qū)的研究[11,21]，作物組合類型數不超過3種，種植結構類型判定情況為：當縣域只有某一種農作物占耕地面積比例超過30%時，則為該作物單一型，如單一水稻型；當有2類或3類農作物超過30%，則為作物組合型，如大豆-水稻型、大豆-水稻-其他作物型；當所有農作物比例都不超過30%時，則以前3位農作物組合。此外，為定量計算種植結構類型變化，對前后兩期種植結構類型進行空間疊加運算，得到農作物種植結構類型互相轉化的轉移矩陣，以表現(xiàn)種植結構類型變化數量比例及其空間分布，具體計算公式[22]如下：

式中：a和b分別表示研究初期與末期，Am×n為某一時期的種植結構類型，Cm×n為研究初期到末期的種植結構類型變化結果。

2 結果與分析

2.1 農作物種植面積變化分析

整體上看，2000—2015年間大豆與其他作物種植面積減少（減幅分別為24.10%，17.46%），玉米與水稻種植面積增加（增幅分別為18.33%，23.23%）。15年來，三江平原大豆種植比例呈現(xiàn)先穩(wěn)定后持續(xù)減少的趨勢，而玉米呈現(xiàn)先穩(wěn)定后持續(xù)增加的趨勢，其變化時點均為2005年；而其他作物和水稻種植比例分別呈現(xiàn)“階梯狀”的下降與上升趨勢，其變化時點為2005與2010年?？傮w而言，自2005年后玉米和水稻等農作物逐漸成為三江平原主要種植類型，其種植總比例由33.27%增加至74.82%（圖2、圖 3）。

圖2 2000—2015年三江平原農作物面積變化Fig. 2 Changes of major crop areas in Sanjiang Plain during 2000—2015

具體而言，2000—2015年三江平原大豆和其他作物種植面積減少速度呈現(xiàn)增加趨勢，年均減少速度分別為-4.95%和-3.31%；而玉米種植面積增加速度呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，水稻種植增加速度呈現(xiàn)先增加后減緩趨勢，年均增加速度分別為9.93%和7.83%。從不同時段看，2010—2015年大豆和玉米面積變化幅度與年均變化速度均達到最大，大豆為-70.6%、-14.12%，玉米為84.76%、16.95%（表2）。在此期間，大豆種植面積快速減少而玉米種植面積快速增加，說明農民對農作物種植類型的選擇發(fā)生變化；而水稻和其他作物種植面積變化幅度與速度在2005—2010年達到最大，在此期間，水稻種植面積快速增加而其他作物面積快速減少。

圖3 2000—2015年三江平原農作物比例變化Fig. 3 Changes of major crop proportions in Sanjiang Plain during 2000—2015

2.2 農作物種植結構類型演變

2.2.1 種植結構類型時間變化 2000—2015年以縣域為單元的三江平原農作物種植結構變化累計為10種類型（表3），主要表現(xiàn)為玉米和水稻的單一化類型階段性增加，以大豆與其他作物組合型為主導的縣域農作物種植結構類型向水稻和玉米組合型逐漸轉變。

表2 2000—2015年三江平原農作物變化幅度及年均變化速度（%）Table 2 Ranges and speeds of the crop structure changes in Sanjiang Plain during 2000—2015（%）

表3 2000—2015年三江平原農作物種植結構類型縣域數量比例變化（%）Table 3 Proportion changes of the crop structure and planting regions in Sanjiang Plain during 2000—2015（%）

15年來，三江平原農作物種植單一化類型的縣域數量比例呈現(xiàn)先增加后減少趨勢（詳細數據見表3）。其中三江平原大豆種植單一化類型的縣域數量比例于2015年降至為0；而水稻種植單一化類型的縣域數量比例呈現(xiàn)顯著增加趨勢，于2010年達到最高（39.13%）；玉米種植單一化類型縣域數量比例略增加，于2015年達到最高（21.74%）；其他作物種植單一化類型縣域數量比例明顯下降，于2010年降至最低（8.70%）。農作物組合類型縣域數量比例先減少后增加，2000年時最高（43.48%），于2010年降至最低（26.09%）。主要以大豆與其他作物組合型為主導的縣域農作物種植結構類型向以玉米與水稻組合型轉變。

2.2.2 種植結構類型空間分布特征 2000—2015年三江平原縣域農作物種植結構類型空間聚集性和區(qū)域分異特征明顯（圖4）?？傮w而言，農作物種植結構類型在東北部河流沿岸縣域、中部地形平坦縣域與西北、西南部山地丘陵縣域呈聚集分布且彼此差異明顯。

具體來看，2000年，縣域種植結構類型由北到南以其他作物主導型、大豆-其他作物型和單一大豆型為主。2005年縣域種植結構類型由北到南以單一大豆型、大豆-其他作物型、其他作物主導型為主。2010年縣域種植結構類型以單一水稻型、大豆-水稻型、單一玉米型為主。單一水稻型連片分布在黑龍江、松花江及烏蘇里江沿岸縣域，大豆-水稻型區(qū)域主要分布在東部富錦—密山一帶平原縣域，單一玉米型區(qū)域分布在集賢、雞東等山地丘陵區(qū)縣域。2015年縣域種植結構類型以單一水稻型、單一玉米型、玉米-水稻型為主。單一水稻型連片分布在黑龍江、松花江和烏蘇里江沿岸縣域，玉米-水稻型在北部呈“小聚集”狀態(tài)分布，單一玉米型連片分布在依蘭—寶清一帶平原縣域。

圖4 三江平原農作物種植結構類型空間分布Fig. 4 Spatial distribution of crop structures in Sanjiang Plain during 2000—2015

2.2.3 種植結構類型變化區(qū)域分異特征 通過對比不同時期縣域農作物種植結構類型變化可發(fā)現(xiàn)，15年來，三江平原東北部河流沿岸縣域和中部平原縣域向水稻、玉米的單一化類型和組合型轉變且趨于穩(wěn)定，西北部和南部山地丘陵縣域向大豆與其他作物組合型轉變（圖5）。

2000—2005年三江平原北部農作物種植結構類型以單一大豆及其組合型代替其他作物主導及其組合型為主，南部其他作物主導及其組合型成為主要農作物種植結構類型。2005—2010年東北部農作物種植結構類型由單一大豆及其組合型改為單一水稻及其組合型；單一大豆及其組合型代替其他作物主導型在三江平原南部呈“小聚集”狀態(tài)分布；其他作物主導及其組合型退出三江平原主要種植結構類型序列。2010—2015年東北部農作物種植結構類型趨于穩(wěn)定，以中部平原和西南部依蘭、樺川地勢平坦地區(qū)單一大豆及其組合型改為單一玉米及其組合型為主。

3 種植結構演變驅動機制

3.1 驅動因素分析

3.1.1 自然環(huán)境驅動因素 自然環(huán)境（氣候、地形、水文等）影響耕地資源稟賦，決定了農作物種植的適宜性。近年來，三江平原顯著的氣候變暖為玉米、水稻等喜溫作物的種植和擴張?zhí)峁┝藲夂驐l件，驅使著玉米、水稻種植面積的增加。與山地丘陵地區(qū)相比，平原地區(qū)地形平坦，適宜大規(guī)模機械化耕作，這為大宗農產品集中連片種植創(chuàng)造了積極條件。而水文條件制約著農作物灌溉條件，直接影響水稻的種植條件。三江平原東北部和中部地形平坦，水資源豐富，灌溉便利，隨著氣候變暖，水稻和玉米種植面積迅速增加（增幅分別為18.33%和23.23%），原有的大豆與其他作物逐漸向西北部與南部山地丘陵萎縮，自然環(huán)境因素是影響三江平原農作物種植結構演變空間特征的直接因素。

圖5 2000—2015年三江平原農作物種植結構類型變化Fig. 5 Changes of crop structures in Sanjiang Plain during 2000—2015

3.1.2 社會經濟驅動因素 社會經濟狀況（市場需求、經濟效益、農業(yè)政策）歷來被認為是影響糧食生產的重要因素[23]。我國北糧南運的糧食產業(yè)格局逐漸成型，三江平原作為我國重要的商品糧基地，玉米和水稻等大宗農產品需求逐漸加大，促進了玉米和水稻種植面積的增加。并且在市場經濟條件下，農民按照市場價值規(guī)律從事農業(yè)生產，農產品收購價格和產量的高低直接關系農業(yè)生產的經濟效益，進而影響到農業(yè)生產和種植結構變化。此外，黑龍江省2004年取消農業(yè)稅、2005年制定并且逐步上調水稻收購價格至3.1元/kg、2008年制定玉米臨儲收購價格且逐步上調至2.22元/kg，以及諸多農業(yè)生產補貼形成農產品間的比較效益，影響著農民對農作物種植類型的選擇，導致了2005年和2010年以后水稻與玉米種植面積的快速增加，在土地報酬遞減規(guī)律作用下，經濟效益較少的大豆和其他作物面積減少，種植區(qū)域向山地丘陵縣域萎縮，從而影響到農作物種植結構類型的變化。

3.1.3 科技驅動因素 農業(yè)投入與技術進步是推動農業(yè)生產發(fā)展的重要因素。2000年以來，三江平原東部地區(qū)土地整理重大工程107個子項目及其他土地整治等項目[24]陸續(xù)實施，通過平整土地、完善排灌渠道、建設農業(yè)附屬設施、完善改進農田水利工程，為水稻、玉米等大宗農作物的大規(guī)模種植奠定了物質基礎，水稻育秧、栽培、植保技術發(fā)展，具有耐寒、高產等特性的水稻、玉米等作物新品種不斷繁育，農業(yè)機械化水平不斷提高，為克服農作物種植結構變化限制因素，促進玉米、水稻大規(guī)模種植提供了有利條件，直接影響著種植結構與格局的變化。

3.2 驅動機制

區(qū)域種植結構演變是在自然與社會經濟規(guī)律共同作用下，區(qū)域種植結構從一種空間狀態(tài)向另一種空間狀態(tài)變化的過程，是自然環(huán)境與人類活動相結合的結果[25]，充分體現(xiàn)了人地關系矛盾沖突性與動態(tài)適應性。

從本文結果規(guī)律看，人文要素與自然要素共同驅動著區(qū)域農作物種植結構格局變化，具體表現(xiàn)為自然環(huán)境、社會經濟狀況、科學技術等因素。自然環(huán)境中氣候、地形和水文條件直接影響著農作物種植格局狀態(tài)，其時空變化是種植結構變化的約束力與驅動條件；在此基礎上，社會經濟中市場需求、經濟效益和政策的調控影響農作物種植類型的選擇，促使農作物種植類型由大豆和其他作物轉向經濟效益更高的玉米和水稻，間接影響著區(qū)域農作物種植結構變化，對種植結構影響較為快速和明顯；農業(yè)投入及土地整治、農業(yè)機械和農藝技術的進步能動地改變了水稻、玉米生長的限制因素，對種植結構與格局影響具有直接性和持續(xù)性。自然環(huán)境、社會經濟、科學技術等因素相互影響，共同驅動著三江平原農作物種植面積和種植結構類型的時空變化，并對區(qū)域農業(yè)氣候、經濟發(fā)展水平具有一定的反饋作用（圖6）。

圖 6 三江平原種植結構變化驅動機制Fig. 6 Driving mechanism of crop structure changes in Sanjiang Plain

4 結論與討論

4.1 結論

通過對三江平原2000—2015年農作物進行遙感提取，并且運用數理統(tǒng)計和GIS統(tǒng)計分析了近15 a三江平原農作物種植結構類型時空變化特征，主要結論如下：

1）15 a來三江平原大豆、其他作物種植面積減少，玉米、水稻種植面積增加，且種植總比例由33.27%增加至74.82%；2005—2010年水稻種植面積快速增加，其他作物種植面積快速減少，2010—2015年大豆種植面積快速減少，玉米種植面積快速增加。

2）15 a來以縣域為單元，種植結構類型共有10種類型，農作物單一化類型縣域數量占比始終超過50%，并且由大豆和其他作物的單一化類型向玉米和水稻的單一化類型轉變；作物組合類型由大豆與其他作物組合型為主導，變?yōu)橛衩着c水稻的組合型為主導。

3）從縣域種植結構類型空間分布及變化區(qū)域差異來看，三江平原北部主要河流沿岸及中部平原縣域變?yōu)樗?、玉米的單一化類型和組合型且趨于穩(wěn)定，大豆、其他作物主導和組合型逐漸向西北和南部山地丘陵縣域萎縮。

4）21世紀以來，自然環(huán)境、社會經濟狀況和科學技術等因素相互影響、相互作用，共同推動了三江平原農作物種植面積和種植結構類型的變化。

4.2 討論

1）三江平原水稻面積快速增加，農業(yè)需水量已經引起局部地下水超采，改變了原有的水循環(huán)特征[26-27]。水稻種植時農田地表水集中連片分布會對區(qū)域熱環(huán)境產生影響，導致氣溫及積溫下降[28]。大面積旱地改為水田，必然對區(qū)域土壤的理化性質產生深遠影響，甚至呈現(xiàn)出土壤類型的變化[29]。由于旱作作物單一，三江平原的旱地區(qū)難以形成合理科學的輪作制度，不利于耕作土壤養(yǎng)分的保持。因此，如何合理控制水田規(guī)模，實現(xiàn)三江平原水、土、熱等農業(yè)資源的可持續(xù)利用已經迫在眉睫。

2）糧食是戰(zhàn)略性資源，確保谷物基本自給、口糧絕對安全是我國的糧食安全戰(zhàn)略。在國際貿易、氣候變暖、農業(yè)補貼政策等綜合影響下，三江平原的種植業(yè)規(guī)模、結構與布局不斷演化。但由于其作為國家級商品糧基地的重要意義，保證該區(qū)域種植業(yè)規(guī)模、結構、布局的相對穩(wěn)定、有序變化對于我國推進農業(yè)供給側改革、保證糧食安全特別是粳稻、大豆安全舉足輕重[30]。后續(xù)，如何針對該類地區(qū)調整和優(yōu)化農業(yè)補貼和糧食收儲制度來保障戰(zhàn)略性農產品安全意義重大。

3）三江平原國營農場與普通農村相間分布，分別實施不同的土地所有制和土地使用制度，耕地生產經營的行為及種植特征存在顯著的差異。因此，針對該區(qū)域的種植業(yè)結構調整與布局優(yōu)化措施，應該因地制宜、分類施策。在國營農場改革、自然資源管理制度改革的背景下，優(yōu)化種植業(yè)結構與布局管理也是應有之義，當審慎為之。