2009—2017年中國耕地資源與糧食產(chǎn)量時空變化特征

屈群屹，楊 慧，趙永華，韓 磊

（長安大學(xué)土地工程學(xué)院/自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室/陜西省土地整治重點實驗室，西安 710054）

“民以食為天，國以糧為本”。自古以來，中國始終將保障糧食安全作為重要的戰(zhàn)略目標(biāo)。進入21世紀以來，隨著中國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，糧食生產(chǎn)格局與糧食消費格局發(fā)生了巨大的變化，而耕地作為糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其面積的減少、后備資源不足、生產(chǎn)潛力下降等問題與糧食消費需求增加的矛盾日益嚴重。

耕地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的物質(zhì)條件，其數(shù)量和質(zhì)量直接影響糧食產(chǎn)量和糧食有效供給［1］。近幾年，全國耕地利用空間格局發(fā)生了巨大變化，對糧食生產(chǎn)潛力造成了一定的影響。國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)研究主要集中于耕地面積變化的時空特征及驅(qū)動因素［2-9］、耕地資源的保護［10］、糧食產(chǎn)量的變化及影響因素［11-13］、糧食生產(chǎn)與耕地面積變化之間的關(guān)系［14-17］等；國外學(xué)者主要從土地綜合利用角度研究了耕地變化及其與糧食生產(chǎn)的關(guān)系［18-20］。國內(nèi)學(xué)者在研究糧食生產(chǎn)與耕地面積變化的關(guān)系方面，劉洛等［15］認為中國耕地糧食生產(chǎn)潛力存在顯著的空間差異，總體表現(xiàn)為東部高西北部低的趨勢，并且在1990—2010年耕地變化對糧食生產(chǎn)潛力的影響差異明顯；王介勇等［13］認為耕地資源的空間格局及其變動趨勢是糧食產(chǎn)量重心移動的客觀基礎(chǔ)；劉彥隨等［16］認為1990—2005年糧食產(chǎn)量變化對耕地變化的敏感性呈增強趨勢，且糧食產(chǎn)量重心與耕地重心之間的距離與糧食產(chǎn)量變化大致呈反向態(tài)勢；相慧等［17］分析了中國糧食主產(chǎn)區(qū)耕地生產(chǎn)能力空間分布特征，揭示了耕地生產(chǎn)能力層次差異；李昊儒等［11］從自然因素、科技因素（物質(zhì)裝備）、社會經(jīng)濟因素和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件等方面對近30年中國糧食產(chǎn)量的影響進行量化分析，揭示了不同影響因素對糧食生產(chǎn)的影響差異。這些研究都較好地揭示了中國各級區(qū)域耕地面積與糧食產(chǎn)量的時空變化之間的關(guān)系，但在分析影響糧食產(chǎn)量和耕地面積變化的因素方面，還有待更加綜合的分析方法。

當(dāng)前，中國正處于鞏固脫貧攻堅成果和全面實施鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵時期，糧食安全對于維護社會穩(wěn)定與國家安全具有至關(guān)重要的作用，且中國的糧食生產(chǎn)時空特征發(fā)生了顯著的變化，“南糧北運”已演變?yōu)椤氨奔Z南調(diào)”［16］。糧食主產(chǎn)區(qū)的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)對于中國糧食安全顯得格外重要，對于糧食主產(chǎn)區(qū)耕地資源保護的重要性也就尤為突出，因此，研究耕地與糧食生產(chǎn)的時空變化特征對保護耕地與保障糧食安全具有重要意義。在整理多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建耕地面積重心模型、糧食產(chǎn)量重心模型和糧耕敏感度模型等，并以省域為單位，分析中國2009—2017年耕地面積和糧食產(chǎn)量時空變化特征及其二者的時空耦合關(guān)系，定量研究耕地面積重心與糧食產(chǎn)量重心的移動變化軌跡，揭示耕地面積與糧食產(chǎn)量的關(guān)系，以期為中國的糧食區(qū)域協(xié)調(diào)和耕地資源保護提供理論支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

截至2017年底，中國人口總數(shù)達13.9億人，其中城鎮(zhèn)人口8.1億，鄉(xiāng)村人口5.8億；全年國內(nèi)生產(chǎn)總值82.7萬億元，同比增長6.9%，經(jīng)濟社會發(fā)展態(tài)勢良好；全國耕地面積134 881.2×103hm2，同比減少39.7×103hm2；全年全國糧食總產(chǎn)量61 791萬t，比上年增加166萬t，增長0.3%；糧食單位面積產(chǎn)量6 105 kg/hm2，人均原糧消費130.1 kg。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

數(shù)據(jù)來源于2009—2017年《中國統(tǒng)計年鑒》［21］以及各?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）的統(tǒng)計年鑒、各年份省域尺度的土地利用詳查變更數(shù)據(jù)與糧食產(chǎn)量相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)；以中國31個省級行政區(qū)為單位（由于缺乏相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，臺灣省、香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)除外），整理得到耕地面積、糧食產(chǎn)量、農(nóng)作物播種面積、糧食作物播種面積等數(shù)據(jù)，利用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析，并使用ArcGIS 10.2軟件對數(shù)據(jù)進行時空處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)空間表達。

2 方法

2.1 重心模型

重心模型主要用于研究一定區(qū)域范圍內(nèi)某一類要素在空間上移動變化的過程。依據(jù)人口重心模型［22］、經(jīng)濟重心模型［23］等原理，構(gòu)建耕地面積重心模型與糧食產(chǎn)量生產(chǎn)重心模型來研究中國2009—2017年耕地面積與糧食產(chǎn)量的空間變化及耦合關(guān)系；區(qū)域重心的選擇不同于人口重心模型與經(jīng)濟重心模型選擇省會城市的重心位置，而是基于ArcGIS 10.2軟件的重心分析功能選擇了各省級行政單位的幾何重心。

基本重心模型公式如下。

式中，Ti j（i=1，2，3，…，n）表示第i評價單元第j年某要素的總量；（Xi，Yi）為第i評價單元的地理中心坐標(biāo)；（Xj，Y j）為該要素第j年的全國重心坐標(biāo)。

2.2 土地利用變化動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度是用來表示某研究區(qū)一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其對研究該區(qū)域的土地利用變化區(qū)域差異以及該地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)未來的發(fā)展趨勢具有重要意義。其表達式如下。

式中，K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段長，當(dāng)T的時段設(shè)定為年時，K就是該研究區(qū)某種土地利用類型年變化率。

2.3 糧耕敏感度模型

引入糧耕敏感度分析模型［16］來定量分析糧食產(chǎn)量與耕地面積之間的變化關(guān)系，公式如下。

式中，β為糧耕敏感度；Pi和Pi+1分別為研究區(qū)域初始期和末期的糧食產(chǎn)量；Qi和Qi+1分別為研究區(qū)域初始期和末期的耕地面積。

當(dāng)β＞0時，表明糧食產(chǎn)量與耕地面積的變化呈正向變化，且取值越大表示糧食產(chǎn)量對耕地面積變化敏感度越高。其中，當(dāng)0＜β＜1時，糧食產(chǎn)量變化率低于耕地面積的變化率；當(dāng)β＞1時，糧食產(chǎn)量變化率高于耕地數(shù)量變化率，即耕地數(shù)量較小的變化就會使得糧食產(chǎn)量產(chǎn)生同向較大的變化。當(dāng)β＜0，表明糧食產(chǎn)量與耕地數(shù)量的變化呈反向變化，糧食產(chǎn)量對耕地面積變化不敏感。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地面積與糧食產(chǎn)量時空變化特征

3.1.1 耕地面積時空變化特征2009—2017年全國耕地面積總體呈逐年減少趨勢，共減少503.4×103hm2，年均減少55.9×103hm2。在區(qū)域尺度上，2009—2011年華北、東北、華東、華中和西北地區(qū)耕地面積均呈減少趨勢，華東地區(qū)減少最大，減少了82.0×103hm2，減少動態(tài)度為0.110%/年；華南、西南地區(qū)耕地面積有所增加，華南地區(qū)增加最大，增加了56.9×103hm2，增加動態(tài)度為0.247%/年。2012—2014年東北、華東、華中、西南地區(qū)耕地面積減少，華中地區(qū)減少最大，減少了64.4×103hm2，減少動態(tài)度為0.122%/年；華北、華南和西北地區(qū)耕地面積增加，西北地區(qū)增加最大，增加了25.2×103hm2，增加動態(tài)度為0.051%/年。2015—2017年全國只有華北地區(qū)和西北地區(qū)耕地面積增加，其余地區(qū)均減少，其中，西南地區(qū)耕地面積減少最大，減少了79.7×103hm2，減少動態(tài)度為0.131%/年；西北地區(qū)耕地面積增加最大，增加了42.0×103hm2，增加動態(tài)度為0.085%/年。

總體來說，2009—2017年華北和西北地區(qū)耕地面積呈增加趨勢，且耕地面積增加動態(tài)度也呈加大趨勢；東北、華東、華中、華南和西南地區(qū)耕地面積均呈減少趨勢，其中，東北地區(qū)耕地面積減少動態(tài)度波動變化，華東和華中地區(qū)減少動態(tài)度呈減少趨勢，華南和西南地區(qū)減少動態(tài)度呈加大趨勢（圖1）。

圖1 各地區(qū)耕地面積變化量及動態(tài)度

3.1.2 糧食產(chǎn)量時空變化特征分析2009—2017年全國糧食產(chǎn)量總體呈增長趨勢，2017年較2009年糧食產(chǎn)量增加13 078.3萬t，增長了24.6%，糧食產(chǎn)量年均增加1 453.1萬t。從區(qū)域角度來看，2009—2011年除西南地區(qū)以外，其他地區(qū)均實現(xiàn)糧食增產(chǎn)，東北地區(qū)糧食產(chǎn)量增幅最大，達2 373.1萬t；2012—2014年除華南地區(qū)以外，其他地區(qū)糧食產(chǎn)量均有所增加，但各地區(qū)糧食產(chǎn)量增幅均較小；2015—2017年華南和西北地區(qū)糧食減產(chǎn)，其余地區(qū)糧食增產(chǎn)，東北地區(qū)糧食產(chǎn)量依舊增幅最大，達1 921.5萬t，華北、華東地區(qū)糧食產(chǎn)量增幅次之，分別為997.5萬t和907.4萬t?？傮w而言，2012—2014年較其他2個時期糧食產(chǎn)量增幅要??；東北、華東、華中地區(qū)為全國糧食主要產(chǎn)區(qū)，3個地區(qū)糧食總產(chǎn)量全國占比保持在60%以上；各地區(qū)糧食產(chǎn)量全國占比整體呈波動變化。整個研究期內(nèi)（2009—2017年）東北地區(qū)糧食產(chǎn)量占比增加最大，上升了5.2個百分點，華東地區(qū)下降最大，降低了1.9個百分點（表1）。

表1 2009—2017年各地區(qū)糧食產(chǎn)量及占比

3.2 耕地重心移動與糧食產(chǎn)量重心移動特征

3.2.1 耕地重心移動軌跡及特征2009—2017年耕地重心呈“西移北上”的趨勢，年移動距離呈先減小后增大的態(tài)勢。2009—2015年全國耕地重心均位于山西省晉城市陵川縣境內(nèi)，2016—2017年位于山西省長治市壺關(guān)縣境內(nèi)。2009—2017年全國耕地重心移動軌跡為先西南后西北，2011年為轉(zhuǎn)折點。2009—2011年耕地重心向西偏南方向移動，2年間分別移動507.5 m和517.4 m。從2011年開始全國耕地重心均向西偏北方向移動，到2017年底，平均每年移動197.2 m，2012—2013年移動距離最小，為219.6 m，2015—2016年移動距離最大，為827.6 m（圖2）。

圖2 2009—2017年耕地面積重心移動軌跡

3.2.2 糧食產(chǎn)量重心移動軌跡及特征2009—2017年糧食產(chǎn)量重心呈“北上東移”趨勢。2009年糧食產(chǎn)量重心位于河南省開封縣西南部，到2011年向北偏東方向移動到河南省新鄉(xiāng)市長垣縣境內(nèi)，分別移動了43.8 km和30.1 km。2011—2016年糧食產(chǎn)量重心呈現(xiàn)短距離的“西移”趨勢，移動軌跡為“西偏北—北偏東—南偏西—北偏東—西偏南”，重心移動到安陽市滑縣，重心移動距離也較2011年以前大幅減少，重心移動距離2013年最大，為17.0 km，2012年最小，為3.1 km。2017年糧食產(chǎn)量重心移動距離為9年間最大，向北偏東方向移動64.2 km到河南省濮陽市華龍區(qū)（圖3）。

圖3 2009—2017年糧食產(chǎn)量重心移動軌跡

3.3 糧耕敏感度分析

耕地對于糧食產(chǎn)量的變化具有基礎(chǔ)性的作用，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，耕地面積的數(shù)量也直接決定著糧食的產(chǎn)量。有研究顯示，2004—2011年中國耕地面積年均減少0.177%，糧食產(chǎn)量年均增長3.624%［24］。這表明隨著農(nóng)業(yè)科技的快速發(fā)展以及中國對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大量投入，糧食產(chǎn)量變化對耕地面積變化的敏感性較以往有所降低?；诩Z耕敏感度模型，計算得出2009—2011、2011—2014、2015—2017年3個時期的糧耕敏感度指數(shù)，結(jié)合糧耕敏感度指數(shù)的意義，將其劃分為4個程度：①β≤0，糧食產(chǎn)量對耕地面積變化不敏感；②0＜β≤20，糧耕敏感性為一般敏感；③20＜β≤50，糧耕敏感性為中度敏感；④β＞50，糧耕敏感性為高度敏感（圖4）。

圖4 2009—2017年全國各?。ㄊ?、自治區(qū)）糧耕敏感度

2009—2011年，全國有20個?。ㄊ?、自治區(qū)）糧耕敏感度為不敏感，平均值為-51.01；7個?。ㄊ?、自治區(qū)）為一般敏感，平均值為8.42；中度敏感1個，為新疆維吾爾自治區(qū)，敏感值為26.29；高度敏感3個，平均值為207.21。2012—2014年和2015—2017年，全國糧耕敏感性不敏感?。ㄊ?、自治區(qū)）均為18個，平均值分別為-17.54和-142.63；一般敏感均為4個，平均值分別為9.25和10.61；中度敏感均為5個，平均值分別為42.51和34.74；高度敏感均為4個，平均值分別為100.15和166.83；二者較第一個時期，數(shù)量上具有敏感度的?。ㄊ?、自治區(qū)）增加，尤其中度和高度敏感的省份數(shù)量有所增加，數(shù)值上，全國各?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）敏感度有所降低，一般敏感程度和中度敏感程度增加，高度敏感程度下降。數(shù)量上較上一時期沒有變化，數(shù)值上，不敏感程度總體呈減小趨勢，一般敏感和高度敏感程度增強，中度敏感程度下降。

從空間上來看，2009—2011年糧耕中度敏感和高度敏感的省（市、自治區(qū)）有內(nèi)蒙古、河北、新疆、青海、貴州、四川等，這些多為自然條件相對較差的地區(qū)，糧食產(chǎn)量對耕地面積的依賴性較強；2012—2014年糧耕敏感度為中度敏感和高度敏感的?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）有黑龍江、北京、上海、四川、遼寧、內(nèi)蒙古、新疆、西藏、江西、海南等，這一時期，除去自然條件較差的地區(qū)，一些經(jīng)濟發(fā)達、耕地系統(tǒng)較為脆弱的地區(qū)也表現(xiàn)出較大程度的敏感性；2015—2017年糧耕敏感性為中度敏感和高度敏感的省份主要有浙江、湖南、海南、河南、寧夏、內(nèi)蒙古、廣西、江西、西藏等，較前2個時期，東部沿海以及中部的一些省份糧耕敏感度增加，這與這些地區(qū)的土地利用方式的變化有很大的關(guān)系?？傮w來看，全國糧耕敏感度較高的地方主要集中于自然條件較差和耕地系統(tǒng)脆弱的一些?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)），但是，近幾年糧耕敏感度較高的地區(qū)有向中部和經(jīng)濟發(fā)展較好、城市化程度較高的地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢。

4 小結(jié)與討論

4.1 小結(jié)

2009—2017年中國耕地面積和糧食產(chǎn)量的時空變化特征如下。

1）耕地面積總體呈減少趨勢，但減少幅度呈下降趨勢?？臻g變化上表現(xiàn)為“東減西增”，華北、西北地區(qū)耕地面積呈增長趨勢，其余地區(qū)耕地面積均呈減少趨勢。省域變化特征上，耕地面積減少動態(tài)度較大的地區(qū)主要集中于經(jīng)濟發(fā)達的北京、天津、上海、江蘇、廣東等東部地區(qū)，只有內(nèi)蒙古和新疆的耕地面積呈增加趨勢。

2）糧食產(chǎn)量總體呈增長趨勢?？臻g變化上表現(xiàn)為“北增南減”，東北、華東和華中地區(qū)糧食產(chǎn)量全國占比始終保持在60%以上，華北地區(qū)糧食產(chǎn)量全國占比呈增長趨勢，華東、華南、西南地區(qū)呈下降趨勢，東北、西北地區(qū)波動變化。省域變化特征上，位于糧食主產(chǎn)區(qū)的省份糧食產(chǎn)量穩(wěn)定增長，大部分省份糧食產(chǎn)量呈波動變化，只有個別省市有糧食減產(chǎn)的情況。

3）耕地面積重心移動與糧食產(chǎn)量重心移動在東西方向上呈反向變化，耕地重心表現(xiàn)為“西移北上”，糧食產(chǎn)量重心表現(xiàn)為“北上東移”，二者之間距離先減小后增大。耕地重心移動速率先減小后加快，變化幅度較小，表現(xiàn)了中國耕地面積在數(shù)量上變化幅度較小，但區(qū)域波動較為明顯。糧食產(chǎn)量重心在2009—2016年移動速率呈大幅減小趨勢，但2017年移動速率又大幅增長，表現(xiàn)了中國糧食產(chǎn)量的大幅變化以及區(qū)域糧食生產(chǎn)的明顯波動。

4）全國糧耕敏感度呈下降趨勢，糧食產(chǎn)量對耕地面積變化敏感的省份有所增加，但總體敏感度值呈下降趨勢。在自然條件相對較差以及耕地系統(tǒng)較為脆弱的地區(qū)，由于糧食產(chǎn)出率較低，表現(xiàn)為較大的糧耕敏感度。在經(jīng)濟發(fā)展較好、城市化程度較高的地區(qū)，由于土地利用結(jié)構(gòu)的變化，糧耕敏感度有增強趨勢。

4.2 討論

耕地是糧食生產(chǎn)的基本物質(zhì)基礎(chǔ)，耕地面積也是糧食產(chǎn)量最基本的影響因素，研究結(jié)果顯示，中國耕地面積總體上呈“東減西增”的趨勢，糧食產(chǎn)量則呈“北增南減”的趨勢。在此背景下，如何保證糧食的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)以及解決區(qū)域糧食需求增長同糧食產(chǎn)量不足的矛盾，是中國農(nóng)業(yè)在以后面臨的一大主要問題。當(dāng)前，中國糧食生產(chǎn)仍集中于東北、華東和華中等東部地區(qū)，而這些地區(qū)的用地矛盾也較為突出。同時還應(yīng)看到，盡管土地的節(jié)約集約利用有助于提升建設(shè)用地利用效率、減緩耕地資源減少的壓力［25］，但一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)糧耕敏感度依然有增強趨勢。因此，優(yōu)化農(nóng)業(yè)政策和土地政策、改善農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施水平以及提升土地利用效率對糧食的穩(wěn)產(chǎn)十分重要。中國耕地后備資源主要集中在西北地區(qū)，近年來，西北地區(qū)耕地面積也有較大幅度的增長，但是，其耕地生產(chǎn)潛力開發(fā)不足，糧食單產(chǎn)相對較低。因此，增加新增耕地單位面積糧食生產(chǎn)的物質(zhì)投入，對糧食的增產(chǎn)具有重大的作用。還需注意的是，在全國土壤污染點位超標(biāo)率達16.1%的背景下［26］，通過技術(shù)手段增加糧食單產(chǎn)應(yīng)避免造成土壤污染。以“高投入、高產(chǎn)出、高污染”為主要特征的常規(guī)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展模式盡管在短期內(nèi)會大大提高糧食產(chǎn)量，但是不可持續(xù)，必須要重視現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展［27］。

在區(qū)域糧食需求增長與糧食產(chǎn)量不足的現(xiàn)實情況下，跨區(qū)域的糧食調(diào)動是解決這一矛盾的主要措施。因此，研究糧食產(chǎn)量與耕地面積時空變化的耦合關(guān)系十分重要。研究在分析耕地面積和糧食產(chǎn)量重心的時空變化特征以及糧耕敏感度的基礎(chǔ)上，揭示了中國耕地資源變化與糧食產(chǎn)量變化在空間上的差異性。未來，在保證18億畝耕地紅線的基礎(chǔ)上，通過改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入、因地制宜地優(yōu)化農(nóng)業(yè)政策、調(diào)整土地利用方式以及優(yōu)化糧食消費結(jié)構(gòu)等，對綜合保障中國耕地面積和糧食生產(chǎn)安全具有重大的意義。

研究僅對2009—2017年中國耕地面積與糧食產(chǎn)量的時空變化特征進行了分析，時間尺度較小。同時，糧耕敏感度模型對糧食產(chǎn)量與耕地面積之間的關(guān)系研究太過單一，因此，在接下來的研究中將針對其不足，進一步深化對糧食生產(chǎn)與耕地面積變化的關(guān)系分析，并據(jù)此有針對性地提出相應(yīng)的對策和建議。