基于重心模型的糧食生產(chǎn)與水資源時(shí)空耦合分析

劉楚杰，李曉云，聶媛

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，湖北 武漢 430070）

糧食安全始終是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生與社會(huì)政治穩(wěn)定的重大戰(zhàn)略問題。我國(guó)人口總量和糧食總需求量巨大，但糧食生產(chǎn)高度依賴的淡水資源極為有限，人均水資源量?jī)H占世界平均水平的28%，生態(tài)環(huán)境的不斷惡化以及農(nóng)業(yè)用水效率低下的現(xiàn)狀，也使得糧食生產(chǎn)面臨的水資源約束越來越突出[1-3]。除此以外，我國(guó)水資源和土地資源空間分布不均衡,水土資源匹配錯(cuò)位,且近年來中國(guó)糧食生產(chǎn)的地域重心逐漸轉(zhuǎn)向水資源相對(duì)缺乏的北方，傳統(tǒng)的“南糧北調(diào)”格局正逐漸被“北糧南運(yùn)”格局所取代，這也意味著糧食生產(chǎn)布局與水資源分布的失衡進(jìn)一步加劇[4-5]。 區(qū)域間水資源分布不均及區(qū)域水資源相對(duì)短缺已 經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至國(guó)家糧食供給安全的瓶頸之 一[6]，研究水資源稟賦與糧食生產(chǎn)之間的關(guān)系顯得尤為重要。

現(xiàn)有關(guān)于水資源約束視角下糧食生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)比較豐富。不少學(xué)者從新時(shí)期我國(guó)糧食安全保障的層面出發(fā)，指出水資源約束下如何有效保障國(guó)家糧食供給安全是當(dāng)前亟待解決的重要問題，必須樹立可持續(xù)糧食安全觀、推動(dòng)糧食生產(chǎn)與資源環(huán)境承載力相匹配[7-9]。部分學(xué)者探究了我國(guó)水資源與糧食生產(chǎn)之間的耦合關(guān)系，采用基尼系數(shù)、不平衡系數(shù)揭示了我國(guó)糧食生產(chǎn)與水資源量空間匹配狀態(tài)不斷惡化的現(xiàn)狀[10-11]，以及運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)度模型 分析了我國(guó)省際層面水-能源-糧食系統(tǒng)的耦合協(xié)調(diào)程度，并探究了種植制度、農(nóng)林水支出等因素對(duì)其耦合協(xié)調(diào)度的影響[12-13]。也有學(xué)者探討了氣候變化背景下我國(guó)北方多個(gè)流域水資源短缺問題加劇的態(tài)勢(shì)[14]，并提出為應(yīng)對(duì)趨緊的水資源約束，應(yīng)通過優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、調(diào)整飲食模式等途徑緩解水資源 壓力[15-17]。

基于現(xiàn)實(shí)情景與已有研究，本文認(rèn)為從全國(guó)、區(qū)域兩個(gè)層面分析糧食生產(chǎn)與水資源的耦合程度或矛盾程度，有利于針對(duì)性地充分發(fā)揮區(qū)域水資源優(yōu)勢(shì)，通過調(diào)整糧食生產(chǎn)布局，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展，保障國(guó)家糧食與生態(tài)安全。因此本文擬通過重心模型研究我國(guó)糧食生產(chǎn)與水資源兩要素的時(shí)空耦合狀況，該模型在經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、地理學(xué)等領(lǐng)域已有廣泛地應(yīng)用[18-20]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，已有學(xué)者開展了關(guān)于糧食生產(chǎn)單要素重心變化趨勢(shì)，以及糧食重心與經(jīng)濟(jì)重心耦合程度的研究[21-23]，但關(guān)注糧食生產(chǎn)與水資源雙要素重心的耦合態(tài)勢(shì)的文獻(xiàn)還較少，且對(duì)區(qū)域?qū)用娴姆治鲆草^為不足。本文擬先從1999—2000年、2017—2018年糧食產(chǎn)量與水資源量的空間分布入手，對(duì)兩者的時(shí)空變化格局進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析；而后采用重心模型從全國(guó)和區(qū)域?qū)用鎸?duì)1999—2018年的糧食生產(chǎn)和水資源重心演變趨勢(shì)進(jìn)行剖析，并通過雙要素重心耦合態(tài)勢(shì)模型探究糧食生產(chǎn)和水資源重心的時(shí)空耦合程度。

本文的邊際貢獻(xiàn)在于，將雙要素重心模型運(yùn)用到糧食生產(chǎn)與水資源的時(shí)空耦合分析中，揭示近二十年來糧食生產(chǎn)重心與水資源重心的演變趨勢(shì)、時(shí)空耦合態(tài)勢(shì)以及兩要素的矛盾程度，探索如何緩解水資源約束下糧食產(chǎn)需之間的緊張形勢(shì)；同時(shí)從水資源稟賦角度分區(qū)域探討糧食生產(chǎn)與水資源的區(qū)域特性，深入?yún)^(qū)域?qū)用娣治鰞梢氐鸟詈蠎B(tài)勢(shì)及匹配狀況，從而針對(duì)性地對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)水資源合理利用與糧食生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供有效信息。

1 模型方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 模型方法

1.1.1 重心模型 重心模型假設(shè)研究區(qū)域由n個(gè)單元組成，第i（i=1, 2, …,n）單元重心坐標(biāo)為（xi，yi），即要素所在的經(jīng)度和緯度，則考察要素重心坐標(biāo)可表示為：

1.1.2 重心移動(dòng)趨勢(shì) 為探究某單一要素在一段時(shí)期內(nèi)的重心變動(dòng)趨勢(shì)，我們通過重心移動(dòng)距離與移動(dòng)方向的測(cè)算來進(jìn)行描繪。

1）重心移動(dòng)距離。假定t期考察要素重心坐標(biāo)為則t+1期相對(duì)t期移動(dòng)平面距離公式為：

式中：D表示平面移動(dòng)距離；C為常數(shù)，取值為111.111 km/（°）。

2）重心移動(dòng)方向。假定考察要素t+1期相對(duì)t期的移動(dòng)夾角用θ表示，則：

式中：k= 0, 1, 2；θ∈（-180°，180°），界定正東方向?yàn)?°，逆時(shí)針方向?yàn)檎S坐標(biāo)系中，第1象限為東北方向（0°，90°）。

1.1.3 耦合態(tài)勢(shì)模型 通過計(jì)算兩要素重心的空間重疊性和變動(dòng)一致性，對(duì)兩要素的時(shí)空耦合程度進(jìn)行分析。其中重心距離指標(biāo)即空間重疊性代表重心耦合的靜態(tài)視角分析，重心方向變動(dòng)一致性指標(biāo)代表重心耦合的動(dòng)態(tài)視角分析。

1）空間重疊性。重心距離指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中：下標(biāo)p、q分別代表水資源與糧食生產(chǎn)這兩種不同要素的屬性。l值越小，兩要素空間距離越近，則兩者空間重疊性越高，耦合性越好；反之，則表示重疊性越弱，耦合性越差。

2）變動(dòng)一致性。重心方向變動(dòng)一致性用每一年不同屬性重心相對(duì)于前一年度產(chǎn)生位移的矢量夾角ω衡量。設(shè)定變動(dòng)一致性指標(biāo)cosω，當(dāng)0≤ cosω≤0.5時(shí)，匹配度較高，耦合性較好；當(dāng)0.5＜ cosω＜1時(shí)，匹配度高，耦合性好；當(dāng)cosω= 1時(shí)，呈完全匹配關(guān)系，兩個(gè)屬性重心完全同向移動(dòng)；當(dāng)-0.5≤cosω＜0時(shí)，匹配度較低，耦合性較差；當(dāng)-1＜cosω＜-0.5時(shí)，匹配度低，耦合性差；當(dāng)cosω=-1時(shí)，呈完全不匹配關(guān)系，兩個(gè)屬性重心完全反向移動(dòng)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文運(yùn)用了全國(guó)（除港澳臺(tái)）以外的31個(gè)行政省區(qū)1999—2018年的糧食生產(chǎn)與水資源數(shù)據(jù)，其中，糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要來源于《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》，水資源數(shù)據(jù)主要包括降雨量以及水資源總量，來源于各省統(tǒng)計(jì)年鑒、中國(guó)水資源公報(bào)、各省水資源公報(bào)，缺失的2001年青海省水資源總量數(shù)據(jù)由前后兩年的數(shù)據(jù)取平均值所得。由于本文考慮的是自然資源稟賦與糧食生產(chǎn)之間的時(shí)空耦合情況，故選取糧食產(chǎn)量作為糧食生產(chǎn)要素的指標(biāo)，水資源總量（特定區(qū)域在一定時(shí)段內(nèi)地表水資源與地下水源補(bǔ)給的有效數(shù)量總和，即扣除河川徑流與地下水重復(fù)計(jì)算部分）作為水資源要素的指標(biāo)，而未使用農(nóng)業(yè)用水量指標(biāo)。

在具體到區(qū)域?qū)用娣治鰰r(shí)，我們參照Kaneko等[24]、楊騫等[25]采用的六大區(qū)域劃分方法,即東北地區(qū)（遼寧、吉林、黑龍江），黃河流域（北京、天津、河北、山西、山東、河南、陜西），長(zhǎng)江流域（上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南），南部沿海（福建、廣東、海南、廣西），西南地區(qū)（重慶、四川、貴州、云南），西北地區(qū)（內(nèi)蒙古、西藏、甘肅、青海、寧夏、新疆）。該區(qū)域劃分方法考慮了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)尤其是農(nóng)業(yè)用水的相似性，并從水資源稟賦視角考慮到了流域的分布，有助于本文從區(qū)域?qū)用孢M(jìn)行分析。

2 糧食生產(chǎn)與水資源的時(shí)空分布分析

2.1 全國(guó)糧食生產(chǎn)與水資源的時(shí)空分布分析

囿于篇幅有限，本文僅繪制1999—2000年、2017—2018年兩個(gè)時(shí)間段的全國(guó)糧食產(chǎn)量的空間分布，如圖1所示。自2003年起，全國(guó)糧食產(chǎn)量呈持續(xù)上升趨勢(shì)，近幾年增速有所變緩。從圖1糧食產(chǎn)量分布格局來看，產(chǎn)量最多的為黃淮海平原，其次是長(zhǎng)江中下游平原以及東北地區(qū)；從時(shí)間變化來看，研究期間內(nèi)，由于機(jī)械化水平、技術(shù)水平提高等原因，大部分地區(qū)糧食產(chǎn)量有了較大幅度的增加，產(chǎn)量為2 500～7 600萬t之間的省份數(shù)量由1999—2000年階段的7個(gè)增至2017—2018年的11個(gè)，其中，代表東北平原與黃淮海平原糧食產(chǎn)量的板塊顏色變深，而同時(shí)南方地區(qū)糧食產(chǎn)量在1 500萬t以下的省份增多，這也在一定程度上反映了糧食生產(chǎn)重心的北移。

圖2為1999—2000年、2017—2018年全國(guó)水資源總量分布圖。由圖2可以看出我國(guó)水資源總量變化不大，整體上呈現(xiàn)由西南地區(qū)及東南地區(qū)向內(nèi)陸地區(qū)逐漸減少的規(guī)律，其中，黃淮海平原為水資源量最為匱乏的地區(qū)。由于南方有西南季風(fēng)和東南季風(fēng)帶來的豐富降雨及分布的眾多江河湖泊，使得南方地區(qū)大部分省份水資源量均在700億m3以上。而處于干旱半干旱地區(qū)的西北內(nèi)陸及黃淮海平原，常年總降雨量少，地表徑流少，加之早期對(duì)植被的破壞加劇了水土流失，以及過度抽取地下水形成嚴(yán)重漏斗區(qū)，進(jìn)而使地表蓄水能力不足，水資源量極為短缺；同時(shí)，黃淮海平原作為我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，農(nóng)業(yè)用水需求量大，這與該區(qū)水資源不足的現(xiàn)實(shí)構(gòu)成了嚴(yán)峻且急需解決的矛盾。

2.2 區(qū)域糧食生產(chǎn)與水資源的時(shí)空變化分析

為進(jìn)一步具體了解區(qū)域?qū)用婕Z食產(chǎn)量和水資源稟賦的現(xiàn)實(shí)情況，本文參照上文提到的六大區(qū)域劃分方法，選取以下四個(gè)在我國(guó)糧食生產(chǎn)中占有重要地位的區(qū)域，即東北地區(qū)、黃河流域、長(zhǎng)江流域、西南地區(qū)，并按照糧食主產(chǎn)區(qū)和非糧食主產(chǎn)區(qū)分類呈現(xiàn)了1999—2000年、2017—2018年四個(gè)區(qū)域的糧食產(chǎn)量和水資源總量。

如表1所示，研究期間內(nèi)四個(gè)區(qū)域的糧食產(chǎn)量均有所增加，尤其是東北地區(qū)糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度最大，由1999—2000年的6 177.5萬t增至2017—2018年的13 613.5萬t，約占全國(guó)糧食產(chǎn)量的20.7%。但另一方面東北地區(qū)水資源總量?jī)H占全國(guó)的5.4%，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源有限，且松花江流域的西部春旱嚴(yán)重，遼河流域上游及干流西側(cè)多黃土沙丘、水土流失嚴(yán)重，該區(qū)在穩(wěn)糧的同時(shí)應(yīng)通過發(fā)展高水效農(nóng)業(yè)、促進(jìn)農(nóng)藝抗旱節(jié)水措施的應(yīng)用等途徑推動(dòng)灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

另外，由表1可知，2017—2018年黃河流域的糧食產(chǎn)量已超過長(zhǎng)江流域，且僅由河北、河南、山東三個(gè)糧食主產(chǎn)省份貢獻(xiàn)了全國(guó)23.5%的糧食產(chǎn)量，而三省水資源總量?jī)H占全國(guó)的2.1%，加之由于地下水超采導(dǎo)致的大規(guī)模漏斗區(qū)，使得該區(qū)域水資源極度短缺、水糧矛盾極為突出，必須進(jìn)一步優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)水資源尤其是地下水的有效管理。

表1 區(qū)域糧食產(chǎn)量與水資源總量變化Table 1 Changes in grain production and total water resources in the regional level

相比于其他區(qū)域，長(zhǎng)江流域糧食主產(chǎn)區(qū)與非糧食主產(chǎn)區(qū)的水土資源比例合理，在推動(dòng)本區(qū)域糧食穩(wěn)定生產(chǎn)的同時(shí)，應(yīng)推進(jìn)跨流域調(diào)水工程以緩解華北平原水資源緊張局面。西南地區(qū)糧食產(chǎn)量與水資源總量變化不大，降水量及水資源稟賦雖較充足，但由于該地區(qū)多為高原山地地形，喀斯特地貌分布較廣，導(dǎo)致該地區(qū)石漠化嚴(yán)重、土壤貧瘠，水資源難以留在地表，工程性缺水嚴(yán)重且農(nóng)業(yè)灌溉比例低（2017年重慶、云南、貴州灌溉比例分別為29%、24%、29%，均遠(yuǎn)低于全國(guó)平均值），該地區(qū)應(yīng)在加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、依靠技術(shù)進(jìn)步發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)的同時(shí)，重視該區(qū)域生態(tài)保護(hù)，提高水資源承載能力。

3 糧食生產(chǎn)與水資源的重心演變分析

3.1 糧食生產(chǎn)重心演變趨勢(shì)

3.1.1 全國(guó)層面糧食生產(chǎn)重心演變趨勢(shì)分析 利用式（1）～（3）測(cè)算并繪制了1999—2018年我國(guó)糧食生產(chǎn)重心軌跡變化趨勢(shì)圖，如圖3所示。從糧食生產(chǎn)重心空間位置及所在地級(jí)市我們可以看到，1999—2018年間我國(guó)糧食生產(chǎn)重心地理坐標(biāo)介于113.73°～115.40°E和33.16°～35.61°N之 間，2011年以前全國(guó)糧食生產(chǎn)重心均在河南省境內(nèi)移動(dòng)，具體由河南省中東地區(qū)轉(zhuǎn)移至東北地區(qū)；2011年之后糧食生產(chǎn)重心主要位于河南省東北地區(qū)與山東省西南地區(qū)。河南省和山東省均是我國(guó)糧食主產(chǎn)省份之一，2018年兩省糧食產(chǎn)量分別占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的10.11%與8.09%，為保障國(guó)家糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。從糧食生產(chǎn)重心的移動(dòng)距離與移動(dòng)方向看，糧食生產(chǎn)重心整體上向東北方向移動(dòng)了238.78 km，這一結(jié)果與“糧食生產(chǎn)地域重心正由南向北逐漸轉(zhuǎn)移”的觀點(diǎn)一致[26-27]。

同時(shí)，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，糧食生產(chǎn)重心遷移路徑大致可分為以下兩個(gè)階段：

第一階段：1999—2015年間，糧食生產(chǎn)重心總體上向東北方向轉(zhuǎn)移，由河南省駐馬店市轉(zhuǎn)移至河南省濮陽市，且南北向移動(dòng)幅度大于東西向；糧食生產(chǎn)重心整體移動(dòng)的距離為246.29 km，年均轉(zhuǎn)移速度為15.39 km/a。糧食生產(chǎn)重心之所以在這一階段呈現(xiàn)較明顯的向東北方向移動(dòng)的情形，主要源于該時(shí)期內(nèi)水稻、小麥最低收購(gòu)價(jià)政策、玉米臨時(shí)收儲(chǔ)價(jià)格政策等一系列價(jià)格支持政策的施行，調(diào)動(dòng)了主產(chǎn)區(qū)農(nóng)民的種糧積極性。糧食播種面積和糧食產(chǎn)量逐年攀升，尤其是玉米相比于其他糧食作物受到了更為強(qiáng)勁的影響，播種面積與產(chǎn)量增速最快，為糧食增產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)[28-29]。

第二階段：2016—2018年間，糧食生產(chǎn)重心主要在東西方向上移動(dòng)，南北向移動(dòng)的幅度非常小，且重心移動(dòng)距離也較小。本文推測(cè)這一結(jié)果主要源于以下兩方面：一是自2016年起，我國(guó)水稻小麥種植面積基本穩(wěn)定，而北方玉米產(chǎn)區(qū)受臨時(shí)收儲(chǔ)政策取消和農(nóng)業(yè)部關(guān)于“鐮刀彎”地區(qū)玉米結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)意見的影響明顯，使得玉米播種面積及產(chǎn)量呈現(xiàn)較顯著的下降趨勢(shì)，比如東北三省玉米播種面積及產(chǎn)量分別由2016年的1.36×107hm2、9 009萬t下降至2018年的1.33×107hm2、8 445萬t；二是近年來學(xué)者和政府決策者越來越意識(shí)到糧食生產(chǎn)重心北移的潛在危機(jī)，越發(fā)重視資源和生態(tài)環(huán)境問題，在生態(tài)脆弱區(qū)采取了退耕還林等一系列節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境等政策。

3.1.2 區(qū)域?qū)用婕Z食生產(chǎn)重心演變趨勢(shì)分析 圖4展現(xiàn)了區(qū)域?qū)用?999—2018年間糧食生產(chǎn)重心的遷移路徑，為使移動(dòng)軌跡更清晰，將1999—2005、2006—2012、2013—2018三個(gè)時(shí)間段用不同顏色呈現(xiàn)。根據(jù)重心的經(jīng)緯度變化可知，東北地區(qū)糧食生產(chǎn)重心主要在吉林省中西部移動(dòng)，黃河流域糧食生產(chǎn)重心主要在河南省北部地區(qū)移動(dòng)，長(zhǎng)江流域糧食生產(chǎn)重心主要由安徽省西南部轉(zhuǎn)移至湖北省東部地區(qū)，南部沿海糧食生產(chǎn)重心主要在廣西省梧州市內(nèi)移動(dòng)，西南地區(qū)糧食生產(chǎn)重心主要由四川省東南部轉(zhuǎn)移至重慶西部再轉(zhuǎn)移至四川省東南部，西北地區(qū)糧食生產(chǎn)重心主要在內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部移動(dòng)。

除東北地區(qū)、長(zhǎng)江流域及南部沿海地區(qū)以外，其余地區(qū)并未呈現(xiàn)較明顯的階段性特征。其中，東北地區(qū)糧食生產(chǎn)重心總體上向東北地區(qū)移動(dòng)了54.21 km，1999—2004年間，糧食生產(chǎn)重心主要向西南地區(qū)移動(dòng)；2005—2015年間，糧食生產(chǎn)重心主要向東北方向移動(dòng)，這在一定程度上得益于農(nóng)業(yè)抗寒品種選育與耕作技術(shù)的進(jìn)步，加之氣候變暖使得東北地區(qū)糧食作物的種植范圍向北推移以及復(fù) 種指數(shù)的提高，使得東北地區(qū)寒冷區(qū)域糧食產(chǎn)量增加[30-31]；2016—2018年間，重心又轉(zhuǎn)向西南地區(qū)移動(dòng)，這可能與全國(guó)糧食生產(chǎn)重心在這一階段的變化原因相同，即受到了“鐮刀彎”地區(qū)玉米結(jié)構(gòu)調(diào)整政策的較大影響。另外，本文發(fā)現(xiàn)除南部沿海和西南地區(qū)以外，其余區(qū)域的糧食重心在緯度上均呈現(xiàn)由南向北轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)，一定程度上說明在區(qū)域?qū)用嫔弦泊嬖诩Z食生產(chǎn)重心由南向北的移動(dòng)態(tài)勢(shì)。從移動(dòng)范圍來看，西北地區(qū)移動(dòng)范圍最大，其余地區(qū)移動(dòng)范圍均較小，研究期間西北地區(qū)糧食生產(chǎn)重心地理 坐 標(biāo) 介 于104.23°E～109.04°E，39.49°N～41.41°N之間。

3.2 水資源重心演變趨勢(shì)

3.2.1 全國(guó)層面水資源重心演變趨勢(shì)分析 同樣，利用式（1）～（3）測(cè)算并繪制了1999—2018年我國(guó)水資源重心軌跡移動(dòng)趨勢(shì)圖，如圖5所示。1999—2018年間我國(guó)水資源重心地理坐標(biāo)介于106.36°～118.71°E，29.54°～30.72°N之間，東西方向上的移動(dòng)幅度大于南北方向上的移動(dòng)幅度。我國(guó)水資源重心在近20年間位置變化不強(qiáng)烈，主要在四川省東北部、重慶市中西部以及湖北省西部地區(qū)移動(dòng)。四川省、湖北省以及重慶市均是我國(guó)水資源較豐富的地區(qū)，全年降水量充足且河流湖泊眾多，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。從移動(dòng)的空間距離與方向來看，水資源重心幾乎在各年份間移動(dòng)的距離遠(yuǎn)大于糧食生產(chǎn)重心，最大距離出現(xiàn)在2010—2011年，轉(zhuǎn)移距離為191.55 km；水資源重心的移動(dòng)主要體現(xiàn)在東西方向上的不斷交替變化，南北向的移動(dòng)幅度較小，且其移動(dòng)路徑并無明顯階段性特征，這是由于每年西南季風(fēng)及東南季風(fēng)的強(qiáng)弱不穩(wěn)定帶來了西南地區(qū)與長(zhǎng)江流域降水量的波動(dòng)，從而導(dǎo)致水資源量變化的不均勻與異常性較強(qiáng)。

3.2.2 區(qū)域?qū)用嫠Y源重心演變趨勢(shì)分析 圖6展現(xiàn)了六區(qū)域1999—2018年間水資源重心的遷移路徑。根據(jù)經(jīng)緯度變化可知，東北地區(qū)和黃河流域的水資源重心分別主要在吉林省中西部及山西省中東部地區(qū)移動(dòng)，長(zhǎng)江流域水資源重心主要由江西省西北部轉(zhuǎn)移至湖北省東部地區(qū)，再移至江西省西北部，南部沿海和西南地區(qū)水資源重心分別主要在廣西省中西部及四川省東南部移動(dòng)，西北地區(qū)水資源重心主要在青海省玉樹州內(nèi)移動(dòng)。區(qū)域?qū)用娴乃Y源重心移動(dòng)軌跡并無明顯階段性特征，同樣說明由于降雨量的年際變化波動(dòng)大、空間分布不均導(dǎo)致水資源量變化的不穩(wěn)定性。但對(duì)比六區(qū)域內(nèi)糧食生產(chǎn)重心的移動(dòng)軌跡，可以看出東北地區(qū)及西南地區(qū)糧食生產(chǎn)與水資源雙要素重心的移動(dòng)范圍幾乎重疊，因此推測(cè)這兩區(qū)域內(nèi)糧食生產(chǎn)與水資源重心的時(shí)空耦合程度是比較高的，糧食生產(chǎn)與水資源之間呈現(xiàn)較為良性的耦合關(guān)系。

從移動(dòng)范圍來看，所有區(qū)域水資源重心在東西向的移動(dòng)幅度均大于在南北向的移動(dòng)幅度，這與我國(guó)降雨主要受海洋性季風(fēng)氣候影響，由東向西逐漸減弱有關(guān)；另外，與糧食生產(chǎn)情況一致，西北地區(qū)水資源重心移動(dòng)范圍最大，該區(qū)域內(nèi)部的糧食產(chǎn)量與水資源總量較不穩(wěn)定。

4 時(shí)空耦合分析

為進(jìn)一步探究糧食生產(chǎn)與水資源雙要素重心的時(shí)空耦合態(tài)勢(shì)，本文分別從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)視角利用空間距離、變動(dòng)一致性指數(shù)來進(jìn)行分析。

4.1 全國(guó)層面時(shí)空耦合分析

全國(guó)糧食生產(chǎn)重心始終位于水資源重心的東北方向。從靜態(tài)視角看圖7，1999—2018年間雙要素重心的空間距離曲線平穩(wěn)上升，由1999年的887.56 km上升到2018年的1 067.21 km，空間重疊性整體下降。其中2000年雙要素重心的空間距離達(dá)到最小值828.88 km，2017年達(dá)到最大值1 099.08 km。雖然空間距離值在波動(dòng)中呈上升趨勢(shì)，但近幾年該值的上升趨勢(shì)變緩，波動(dòng)幅度變小。1999—2018年間糧食生產(chǎn)與水資源重心的空間距離變大、重疊性減弱，糧食生產(chǎn)與水資源的耦合程度呈下降趨勢(shì)，一定程度上說明糧食生產(chǎn)的水資源利用愈發(fā)不合理，兩者之間的矛盾更加緊張，我國(guó)糧食生產(chǎn)重心不斷北移和水資源重心變化不明顯也證實(shí)了二者矛盾的加??；但同時(shí)，近幾年糧食生產(chǎn)與水資源雙要素重心的空間距離上升速度下降，說明北方糧食增長(zhǎng)速度趨緩，在保證糧食產(chǎn)量穩(wěn)定的同時(shí)也越發(fā)重視水資源合理利用與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理念。

其次，從動(dòng)態(tài)視角看，由圖8呈現(xiàn)的1999—2018年間雙要素重心的變動(dòng)一致性指數(shù)在正負(fù)值之間來回波動(dòng)，耦合過程呈現(xiàn)出多個(gè)波峰和波谷的特征，說明雙要素重心的移動(dòng)方向具有較大差異。具體來看，雙要素重心的變動(dòng)一致性指數(shù)大于0的有9年，其中處于0.5 ～ 1之間的有6年，而小于0值的有10年，其中處于-0.5 ～-1之間的有8年，平均匹配度為-0.06，呈較不匹配狀態(tài)，整體上耦合性較差。但2014—2018年間，平均匹配度為0.14，一致性指數(shù)略有上升。之所以如此，本文認(rèn)為可能由于近年來北方灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展理念受到重視，北方糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)速度變緩，糧食生產(chǎn)重心由南北向移動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾》秶臇|西向移動(dòng)，與水資源重心變動(dòng)方向更加一致，糧食生產(chǎn)與水資源雙要素重心的耦合性略有增強(qiáng)。

另外，結(jié)合上述內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，水資源量的變化主要源于降雨量的變化，但又由于季風(fēng)氣候?qū)е碌慕涤炅磕觌H變化波動(dòng)大、空間分布不均勻，加上每年極端天氣的不可抗性，水資源重心移動(dòng)軌跡并無明顯階段性特征。而雙要素重心的空間距離增加主要源于糧食生產(chǎn)重心的東北向移動(dòng)，變動(dòng)一致性指數(shù)波動(dòng)主要源于水資源重心移動(dòng)的不規(guī)律性。這也從側(cè)面印證了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與糧食生產(chǎn)布局是由長(zhǎng)時(shí)間人類活動(dòng)形成的，最初依賴自然資源進(jìn)行生產(chǎn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展，自然資源的限制力量逐漸減弱，于是出現(xiàn)了資源利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域不平衡的問題。若要加強(qiáng)糧食生產(chǎn)與水資源的耦合程度，緩解兩者之間的矛盾，必須推動(dòng)水資源的高效合理利用，進(jìn)一步統(tǒng)籌協(xié)調(diào)糧食生產(chǎn)布局。

4.2 區(qū)域?qū)用鏁r(shí)空耦合分析

從靜態(tài)視角看，由圖9可知，六區(qū)域中，1999— 2018年間雙要素重心的空間距離最小即重疊性最強(qiáng)的是東北地區(qū)，空間距離始終在80 km以內(nèi)變化，其次是西南地區(qū)，空間距離幾乎在100 km以內(nèi)波動(dòng)，這與之前由重心地理位置推測(cè)出的結(jié)果一致。相比之下，西北地區(qū)糧食生產(chǎn)與水資源雙要素重心的空間距離最大，其值在小幅度波動(dòng)中緩緩上升，由1999年的1 491.41 km升至2018年的1 863.40 km，空間重疊性減弱。西北地區(qū)糧食生產(chǎn)與水資源重心分別在內(nèi)蒙古自治區(qū)和青海省內(nèi)移動(dòng)，作為糧食主產(chǎn)區(qū)之一的內(nèi)蒙古干旱少雨，荒漠化、水土流失嚴(yán)重，青海水資源豐富但糧食生產(chǎn)受地形及溫度因素限制，應(yīng)更加重視該區(qū)域糧食生產(chǎn)與水資源之間的矛盾，通過加大植被保護(hù)力度、優(yōu)化糧食生產(chǎn)布局、推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水生產(chǎn)技術(shù)等途徑促使兩者關(guān)系更加良性。另外，由空間距離變化趨勢(shì)可以看出，其在長(zhǎng)江流域和西北地區(qū)整體上呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。其中，長(zhǎng)江流域糧食生產(chǎn)重心整體上呈現(xiàn)西北方向的移動(dòng)，而水資源重心呈現(xiàn)東北方向的移動(dòng)，但2012—2018年間，雙要素重心的空間距離值正由2012年的峰值177.34 km波動(dòng)下降，重疊性逐漸加強(qiáng)，這或許得益于近年來長(zhǎng)江流域退耕還湖、完善水利基礎(chǔ)設(shè)施等政策的實(shí)施，一定程度上克服了季風(fēng)氣候?qū)е碌慕邓考竟?jié)性變化大、水資源量不穩(wěn)定的不利因素，保障了糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定。

從動(dòng)態(tài)視角看，由圖9呈現(xiàn)的1999—2018年間六區(qū)域糧食生產(chǎn)與水資源雙要素重心的變動(dòng)一致性指數(shù)在正負(fù)之間來回波動(dòng)，均有多個(gè)波峰與波谷。由計(jì)算得出六區(qū)域平均匹配度分別為0.14、0.04、 -0.14、0.07、0.21、0.12，由此看出總體上西南地區(qū)耦合性最強(qiáng)，其次是東北地區(qū)，這與上文區(qū)域?qū)用嬷匦倪w移路徑圖得出的結(jié)果一致，但關(guān)注雙要素重心耦合態(tài)勢(shì)的同時(shí)不能忽視東北地區(qū)較嚴(yán)重的春旱問題及西南地區(qū)工程性缺水問題，兩區(qū)域降水量受季風(fēng)氣候影響主要集中在夏季，春季少雨且作物蒸散量大，抗旱保春耕仍是重大任務(wù)。另外，長(zhǎng)江流域的平均匹配度為負(fù)值，這是由于受夏季風(fēng)帶來的梅雨、西南暖濕氣流等自然因素影響，長(zhǎng)江流域雨季時(shí)間長(zhǎng)，糧食生產(chǎn)受暴雨洪澇災(zāi)害的影響較重[32]，一定程度上使得水資源重心與糧食生產(chǎn)重心呈反方向變動(dòng)，匹配度較低。另外，黃河流域與南部沿海兩區(qū)域的雙要素重心的變動(dòng)一致性指數(shù)在2011—2018年間大多為負(fù)值，耦合程度較之前一階段1999—2011年變差，且黃河流域水資源量較為匱乏，受溫帶季風(fēng)氣候影響春季干旱少雨，水糧比例極不匹配，必須加強(qiáng)水資源管理與合理利用、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局以推動(dòng)該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

5 研究結(jié)論與對(duì)策建議

5.1 研究結(jié)論

本文分析了全國(guó)糧食產(chǎn)量與水資源總量的空間分布格局，以及糧食生產(chǎn)與水資源雙要素重心時(shí)空耦合程度，得到以下研究結(jié)論：

1）全國(guó)各地區(qū)糧食產(chǎn)量均有所增長(zhǎng)，東北地區(qū)增幅最大，黃河流域及長(zhǎng)江流域?yàn)槲覈?guó)糧食產(chǎn)量最大的區(qū)域；全國(guó)水資源總量變化不大，且與降水量的變化波動(dòng)一致，水資源總量整體上由西南地區(qū)及東南地區(qū)向內(nèi)陸地區(qū)減少。

2）我國(guó)糧食生產(chǎn)重心于河南省和山東省內(nèi)移動(dòng)，1999—2018年間整體上向東北方向移動(dòng)了238.78 km；從區(qū)域?qū)用婵?，幾乎所有區(qū)域的糧食生產(chǎn)重心均呈現(xiàn)北移的趨勢(shì)。我國(guó)水資源重心相對(duì)穩(wěn)定，主要在四川省東北部、重慶市中西部及湖北省西部地區(qū)移動(dòng)，但其在東西方向上各年份間擺動(dòng) 明顯。

3）我國(guó)糧食生產(chǎn)與水資源雙要素重心的空間距離呈上升趨勢(shì)，空間重疊性下降，但2011—2018年間的空間距離相對(duì)穩(wěn)定；雙要素重心的變動(dòng)一致性指數(shù)在正負(fù)之間來回波動(dòng)，指數(shù)均值為-0.06，呈較不匹配狀態(tài)，但2014—2018年間指數(shù)均值為0.14，耦合性略有增強(qiáng)。區(qū)域?qū)用嫔希髂系貐^(qū)和東北地區(qū)雙要素重心的時(shí)空耦合程度較強(qiáng)，西北地區(qū)和黃河流域較弱，同時(shí)也要關(guān)注到西南地區(qū)工程性缺水與東北地區(qū)季節(jié)性缺水的問題。

5.2 對(duì)策建議

在保障糧食安全與水資源利用的可持續(xù)性上，需要在時(shí)間和空間上把握糧食生產(chǎn)與水資源的主要矛盾，從全國(guó)糧食安全與資源可持續(xù)利用的高度，針對(duì)不同區(qū)域的水資源變化特征，提出政策措施，促進(jìn)糧食生產(chǎn)與水資源利用之間的良性關(guān)系：

1）全國(guó)層面上，糧食生產(chǎn)與水資源的時(shí)空耦合程度在近年來有所增強(qiáng)，但兩者之間的矛盾仍較嚴(yán)峻，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注水資源約束趨緊的糧食主產(chǎn)省份，通過推廣良種良法、提高科技水平以提高糧食單產(chǎn)的同時(shí)推動(dòng)水資源的合理利用、增強(qiáng)農(nóng)民節(jié)水意識(shí)，其次通過統(tǒng)籌優(yōu)化糧食生產(chǎn)布局促使水資源與糧食生產(chǎn)關(guān)系的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2）區(qū)域?qū)用嫔?，需因地制宜采取具體措施，對(duì)于時(shí)空耦合程度較高但水資源相對(duì)有限的東北地區(qū)，在穩(wěn)糧的同時(shí)應(yīng)發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)、提高水資源利用效率；對(duì)于時(shí)空耦合程度較高但工程性缺水嚴(yán)重的西南地區(qū)，應(yīng)在推動(dòng)水利基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善的同時(shí)注重生態(tài)保護(hù)；對(duì)于水資源匱乏且時(shí)空耦合程度較差的西北地區(qū)、黃河流域，應(yīng)進(jìn)一步統(tǒng)籌協(xié)調(diào)糧食生產(chǎn)布局，從生態(tài)脆弱性出發(fā)適當(dāng)減少脆弱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的壓力；對(duì)于洪澇災(zāi)害多發(fā)且耦合程度較低的長(zhǎng)江流域，應(yīng)加強(qiáng)防范異常氣候，并通過退耕還湖、水利設(shè)施建設(shè)等措施減小洪澇災(zāi)害對(duì)糧食生產(chǎn)帶來的影響。