一種區域種植業發展水平的度量方法及其應用：以重慶市萬盛區石林鎮為例*

李建國,劉金萍,2,劉麗麗,郭晴晴,竇賢明,關冰,程曉昀,邵景安

(1.重慶師范大學地理科學學院,重慶400047;2.G IS應用研究重慶市重點實驗室,重慶400047;3.中國礦業大學資源與地球科學學院,江蘇徐州221008)

自從1974年世界糧農組織(FAO)提出“糧食安全”的概念以來[1],糧食安全已經得到了國內外眾多學者的關注,并取得了大量的成果[2-13],其研究方法和度量尺度,國際上已經有了基本一致的看法。但是,隨著工業化、城市化的加速,城市對農業的發展引動力加大,引發了農業內部的結構調整,加速了農業內部資源的整合。這也導致了糧食生產僅僅作為農業產品中的一部分,而且這部分比例還在不斷的降低,部分地區農業生產已經脫離了糧食生產的傳統軌跡,開始向多元化、深層次、全方位的現代農業轉變,糧食生產已經逐漸遠離了種植業的主角地位,經濟作物、蔬菜等逐漸成為了現代農業結構調整的重要方向。例如我國長江三角洲地區,由于高強度的土地開發、企業占用、基礎設施建設,人均耕地面積只有0.051 hm2,不到全國平均水平的1/2,也低于國際糧農組織確定的0.053 hm2/人的警戒線。三角洲地區早已脫離了“魚米之鄉”的傳統農業生產角色。而且,國際上通常用本年糧食結轉庫存量占下年消費量的百分比作為糧食安全系數,只能從表面上反映區域糧食供求狀況,并不能反映影響農業發展的科技投入、耕地面積變化和糧食生產的穩定性等對種植發展的影響,不能反映農業實際狀況。急需尋找一個全面衡量區域種植業發展水平的概念和度量方法,該文提出了種植業發展指數的概念及其度量模型,并以重慶市萬盛區石林鎮為例進行種植業發展指數的實例研究。

1 種植業發展指數的定義和內涵

種植業發展指數是反映區域種植業發展水平的綜合性無量綱指標,用E表示。E＞0,E值越大,區域種植業發展水平越高;反之,越低。種植業發展指數由種植業產量波動程度、科學技術水平、農業產品供求狀況3個部分合力表征,充分反映了該指標的綜合性和可調控性,此概念的提出優點在于克服糧食安全系數的表面化的不足,從種植業內部結構系統的復雜性出發,綜合反映區域種植業的發展狀況(圖1)。

1.1 種植業發展指數的約束力指標——種植業產量波動程度

種植業產量波動程度OA(見圖1),賦予了區域種植業發展程度的可塑性。這種可塑性不是無限的,農業生態系統是自然生態系統的一部分,自然也服從自然生態系統的運行機理。從生態學中Logistic模型中的K值概念,發現區域種植業產量波動程度和K值一樣,都是呈梯階穩態分布。因為在巨大的農業生產系統中,物質循環和能量流轉的相互作用,建立了自校穩態機制(Self-correction homeostasis),但是這種穩態機制是有限度的,即有一定的波動范圍。當波動水平超出了這個限度閾值后,系統便發生轉變,從一種穩態走向另一種穩態,著名的生態學家Odum E.P.將這種變化看作是一系列臺階,稱作穩態臺階[13]。種植業產量波動程度是表征區域種植業產量的穩定性的重要指標,同時在一定程度上也反映區域糧食安全的水平,在區域種植業發展水平的表征中具有重要的地位。種植業產量波動程度的大小表征了區域種植業抵御自然災害、市場波動、社會經濟差異導致的內部結構不穩定性的一個顯著性指標。

圖1 種植業發展指數內涵示意圖

1.2 種植業發展指數的支持力指標——科學技術水平

區域科學技術等物質資料的投入(OC)對于區域種植業的發展至關重要,如果不是科學技術的作用,人類早已陷入人口爆炸、饑荒的漩渦之中。可見科學技術是區域種植業發展最強大的支持要素。區域種植業產量從一種穩態向另一種穩態過渡(正向過渡)都是科技顯示出的巨大驅動力。沒有科學技術的支撐,農業發展是無本之木,無源之水,是不會長久的。就目前的情況來看,科學技術的進步對種植業本身的發展不具有負效應。

如果沒有科學技術的支持,種植業的正向穩態過渡是不可能的,在人口呈指數增長的今天,種植業的絕對不變穩態是難以想象的,必將會出現全球范圍內的饑荒。相對于人口數量的急劇增長,種植業的不變穩態是一種變相的負向穩態過渡。這種過渡往往是呈跳躍式的,而非漸進式的。也就是說,一旦出現上述的情況,意味著種植業水平的巨大下降和不可或難以逆轉的變化。

1.3 種植業發展指數的彈性力指標——農產品供求狀況

農產品的供求狀況(OB)指標賦予了種植業發展指數彈性力,這種彈性力的產生是由于種植業外部的農產品供求不穩定性決定的。就如彈簧一樣,彈簧在由外力的作用下,彈簧才能被拉伸,這時彈簧彈性力才能得到體現,而這種體現是由外力的大小來表征。這種彈性力(外力)也正是種植業產量波動程度的外在拉力,這種外在拉力的作用機理在于:當農產品市場的供大于求時,外部的需求拉力減小,促使種植業減少對農產品的生產,產量下降。這時種植業產量波動呈變大的趨勢;當農產品市場求大于供的時候,外部的需求拉力增大,促使種植業加大對農產品的生產,產量增加。這時種植業產量波動呈先減小后增大的趨勢。這種趨勢的進一步作用,將會促使種植業生產由目前的穩態向更高層次的穩態過渡(正向過渡),這也就形成農業生產的不斷進步。

2 區域種植業發展指數的度量模型

2.1 種植業產量波動程度度量模型

種植業產量波動程度具有波動系數的概念,可以用農產品產量波動系數表征種植業產量波動程度,這里需要特別說明的是,這里的農產品產量并不全是糧食的產量,還包括經濟作物等林、草、瓜、果的產量,有的要根據區域的特點,因地制宜。例如在西南地區還要計入茶葉、方竹筍等地方特色農產品的產量。農產品產量波動系數通常采用標準差,它是統計學中描述一組數據沿平均值分散開來的度量觀念,是描述事物波動水平的重要方法,此處將農產品產量的變異系數,即一定時間區間內的農產品產量標準差與平均值的比值作為本次研究的農產品產量波動系數[14],用K表示。公式如下:

式中:K——波動系數;σ——農產品產量的標準差;ˉp ——一定時間內的農產品產量平均值;xi——一定時間序列上的區域農產品實際產量;n——時間區間。

2.2 科學技術水平度量模型

科學技術水平度量用最小人均耕地面積、耕地壓力指數來表征,最小人均耕地面積是在一定區域范圍內,一定食物自給水平和耕地生產條件下,為滿足當地人口正常生活消費所需的耕地面積,最小人均耕地面積在一定程度上反映區域耕地質量、土地利用效率對糧食生產的影響,是區域土地利用結構調整,維持區域糧食安全的耕地數量底線[15],用S min表示。公式如下:

式中:Sm in——最小人均耕地面積;β——區域農產品自給率;G——人均農產品需求量;p——區域農產品單產;q——作物播種面積占總播種面積的比重;r——復種指數。

耕地壓力指數是最小人均耕地面積與實際人均耕地面積之比,衡量區域耕地資源的稀缺和沖突程度,給出了耕地保護的閾值,公式如下:

式中:I——耕地壓力指數;Smin——最小人均耕地面積;S——實際人均耕地面積。

2.3 種植業發展指數度量模型

種植業發展指數是衡量區域種植業發展水平的最重要的指標,本文基于區域數據獲取的可行性,綜合考慮區域農業生產的穩定性、耕地的利用程度和區域糧食供給與需求給出了種植業發展指數度量模型,公式如下:

式中:E——區域種植業發展指數;L——區域耕地面積;T——農產品單產;G——人均農產品需求量;p——區域人口總數;I——區域耕地壓力指數;K ——區域農產品產量波動系數;α——修正系數。

3 研究區概況

石林鎮位于重慶市萬盛區南部,南北長15 km,東西寬 9 km,東經 106°49′-106°56′、北緯 28°57′-29°05′。石林鎮屬云貴高原大婁山余脈,全境為中低山區,境內最高山峰南天門海拔1 664m,最低河谷當灣海拔350m。全鎮呈拱掌地形,東南高、西北低,落差1 300m的陡坡山地中形成大致的三級坡梯,立體氣候明顯。

全鎮轄7個行政村49個合作社,3 400余戶,常住人口1.2萬余人,面積94 km2,其中,耕地797 hm2,耕地面積狹小,且中低產田較多。境內森林資源、旅游資源十分豐富,有萬盛石林和奧陶紀公園兩大旅游景區。

4 種植業發展指數動態分析及預測

4.1 人口、農產品產量、耕地動態變化分析

1970年以來,石林鎮總人口總體呈緩慢上升的態勢(圖2),1970年全鎮總人口為9 653人,2005年增加到12 188人,35 a間增加了26.26%。但中間出現了兩個下行時段,分別是1978-1980年、2000-2005年。1978-1980年主要是由于行政區劃變更導致的人口總數變化;2000-2005年則主要是由于戶籍制度放開、人口遷移導致的機械變動。

1970-2005年農產品產量總體呈振蕩式上升的趨勢(圖2),該區農產品產量大致經歷三個階段:第一階段是從1970-1976年,農產品生產呈波動性下降趨勢,主要是由于農業生產受到政治運動的沖擊影響,加之積極性不高的合作社經營方式的影響。農產品產量從1970年的3 047 t,下降到1976年的2 663 t,7 a間下降了12.6%;第二階段是1977-1997年,農產品產量呈波浪式上升趨勢,產量從1977年的2 974 t上升到1997年的5 639 t,增幅達89.61%。這主要得益于國家對農村經營體制的改革,經營權和所有權分離,提高了農民參加農業生產的積極性,另外科學、勞動等物質資料的投入也是不可忽視的;第三階段是1998-2008年,農產品生產呈波動性下降趨勢,產量從1998年的5 028 t下降到2005年的4 359 t,降幅達13.31%,主要是由于:一方面耕地面積的減少,另一方面水土流失等影響使得耕地肥料大量流失,耕地質量下降。

石林鎮耕地面積變化趨勢和全國的變化趨勢基本一致[16](圖2),呈遞減趨勢。1970年耕地面積為1 089.07 hm2,2005年為 743.67 hm2,下降了31.72%。究其原因主要是:一方面,工業化、城鎮化的加速和國家退耕還林還草政策的出臺致使耕地面積減少,另一方面,比較利益驅動下的農業結構調整,也造成了耕地減少,特別是2000年以后,在當地政府“1152”工程(一萬畝蔬菜、一萬畝茶葉、五萬畝方竹筍、兩萬頭生豬)的政策引導下,基礎設施建設力度明顯加大,致使 2000年以后耕地面積縮減很大。

圖2 1970-2008年石林鎮農產品產量、人口和耕地面積變化

4.2 區域種植業發展指數動態分析及預測

4.2.1 區域種植業產量穩定性動態分析 農產品產量波動系數是區域種植業發展水平的重要指標,波動系數越大,表明區域農業生產越不穩定;反之,則越穩定。從計算結果(圖3)可以看出,石林鎮農產品產量波動系數年際波動較大,但總體呈下降趨勢,其波動系數折線變化趨勢和該區農產品產量折線變化趨勢基本一致,都表現出明顯的三個階段,兩個谷峰:第一階段是1970-1976年,農產品產量呈波動性下降趨勢,產量不穩定,導致農產品產量波動系數呈緩慢上升趨勢,1976年達到歷史最高水平38.34%。第二階段是1977-1997年,農產品產量波動系數經歷了由初期的急劇下降到后期緩慢上升的過程,主要是因為1978年的農業經營體制的改革,使農民的生產積極性得到極大的釋放,產量已經達到歷史平均水平,波動系數從1977年的31.13%驟降到1978年的4.67%,隨后,農產品產量波動系數雖有起伏,但均沒有超過18%,1990年以后波動系數呈波動上升趨勢,1997年已經達到30.58%,這主要是因為農業在經過一定時期的發展之后進入了產業結構調整的重構階段,城鎮化、工業化導致的耕地非農化在不斷壓縮耕地面積,導致這一階段農產品產量波動系數上升較快。第三階段是1998-2008年,農產品產量波動系數呈顯著下降趨勢,主要是由于農業種植結構的多樣化(“1152”工程)和退耕還林還草的實施,使耕地面積減少。

圖3 1970-2008年石林鎮農產品產量波動系數變化

4.2.2 區域種植業科技水平動態分析 區域種植業科技水平的高低,主要由最小人均耕地面積和耕地壓力指數來表征,國家發展改革委員會預測出2010年我國人均農產品需求量為402 kg[17]。參照此成果,計算結果(圖4)可以看出,1970-2008年,石林鎮最小人均耕地面積、耕地壓力指數都呈先增后減的趨勢,且變化時間基本一致,谷峰均出現在1996年。在此之后,石林鎮最小人均耕地面積和耕地壓力指數都呈下降趨勢。這和重慶成為直轄市后對農業科技、資本的投入加大不無關系[18],資金、技術的大量投入使耕地單產提高很快,單產的提高也就等于增加了隱形的耕地面積,這對于減少耕地壓力有巨大的推動作用,這也是石林鎮1997年以后,耕地壓力指數和最小人均耕地面積持續下降的主要原因。

4.2.3 區域種植業發展指數動態分析 根據公式(4)種植業發展指數的度量模型,計算出石林鎮1970-2008年的種植業發展指數。從計算結果(圖5)可以看出,1970-2008年,石林鎮的種植業發展指數總體呈下降趨勢,特別是1985年達到了歷史的最低點,種植業發展指數為0.82,主要是因為一方面1984年糧食獲得大豐收以后,出現了“賣糧難”的現象,當地政府誤以為糧食生產已經過關,提出按“特、經、糧”順序安排種植業,主張大幅調減糧食播種面積[19],導致1985-1992年農產品產量波動很大;另一方面1985-1992年也是我國農業種植結構重構的重要時期,耕地面積年際變化很大。從石林鎮同期的農產品產量波動系數、最小人均耕地面積、耕地壓力指數也可以看出,1985-1992年農產品產量波動系數出現劇烈的震蕩;最小人均耕地面積、耕地壓力指數也呈上升趨勢,這都從側面反映出石林鎮農業生產狀況。2000年以后,種植業發展指數出現了顯著的下降趨勢,雖然2004-2008年出現了小幅的回升,但是種植業發展指數總體還是呈下滑趨勢。

圖4 1970-2008年石林鎮最小人均耕地面積和耕地壓力指數變化

4.2.4 區域種植業發展指數形勢預測 灰色預測模型GM(n,h)是將隨機量看作是在一定范圍內變化的灰色量。對于貧信息的灰色系統,灰色變量所取的值十分有限,并且數據變化無規律。灰色預測模型運用累加生成運算AGO(Accum ulated Generating Operation)和累減生成運算 IAGO(Inverse Accumu lated Generating Operation),使數據變化規律化,進而進行預測,是基于小樣本數據預測的優選工具,具有較好的預測精度。

圖5 1970-2008年石林鎮種植業發展指數動態變化

目前常見的灰色預測主要有兩種模型:GM(1,1)模型和GM(1,n)模型。GM(1,1)模型僅利用單一的時間序列數據,無法反映多個變量間的相互影響、協同發展與制約情況,而GM(1,n)模型則綜合考慮到GM(1,1)模型的不足,具有較好的預測效果。為此本文采用GM(1,n)模型,它是GM(1,1)模型在 n元多變量情況下的推廣,但不是GM(1,1)模型的簡單組合,也不同于GM(1,1)模型只建立單個n元一階微分方程,而是建立n個微分方程,通過聯立求解,使GM(1,n)模型中的參數能夠反映變量間的相互影響[20]。

本文采用石林鎮39 a的人口、耕地面積、農產品產量數據,帶入GM(1,n)模型進行預測分析,預測結果(見表1)。

表1 石林鎮2009-2015年種植業發展指數預測

5 結果分析及調控途徑

從預測結果(表1)中可以看出:2009-2015年石林鎮人口總數、耕地面積、農產品產量將呈緩慢下降趨勢;最小人均耕地面積、耕地壓力指數短期內無明顯變化,這主要是由于人口的緩慢減少,從而減緩了對土地的開發利用強度,減少了對耕地生態系統的干擾;農產品產量波動系數呈迅速上升趨勢,這主要是農產品產量的逐年下降,此次研究主要參考的是石林鎮水稻、小麥、玉米、甘薯、茶葉、方竹筍、黃金梨等主要農作物的產量,而在2006年實施新農村規劃之后,農業種植結構出現了巨大的變化,茶葉、方竹筍、無公害蔬菜等經濟作物及都市農業的發展,極大地壓縮了糧食作物的種植面積,致使糧食產量下降較快,農業產品總量相應的也有所下降;另一方面,從遠期農產品需求來看,隨著經濟的快速發展,人民生活水平的逐步提高,消費結構升級加快,對牛奶等高蛋白食品的需求加大,對糧食的需求將逐步降低。另外,農業人口的機械變化(農業人口外出務工人員的增加,導致農業勞動力數量減少)也削弱了種植業的發展,進而導致對種子糧及糧食的需求量下降。糧食市場的需求拉力下降導致糧食產量的降低,但茶葉、方竹筍、無公害蔬菜產量急劇增加,致使種植業發展指數有緩慢上升的趨勢,但變化不明顯,最高的2014年僅為3.29。從預測結果來看,石林鎮未來5 a的種植業有惡化的趨勢,種植業發展形勢不容樂觀。

針對以上石林鎮種植業發展的狀況和區域特點,在此提出幾點石林鎮未來5 a農業生產的主要建議:

(1)明確耕地紅線,保護耕地資源。根據發達國家的經驗,經濟的快速發展、工業化的持續推進,耕地總量將會呈持續剛性下降,這種剛性下降能持續到什么時候,要看區域的經濟社會發展狀況和當地政府農業政策的調整。確定區域耕地總數的底線,是保證區域農業發展的重要手段;合理的耕地保有量,對于減輕人類活動對于耕地的壓力有巨大的作用。另外,一定數量的耕地面積作為生態系統的重要組成部分,對維護區域生態安全也發揮著不可替代的作用。

(2)做好石林鎮人均耕地資源安全底線試探性研究。人均耕地資源安全底線是在綜合區域農業生產的時間、空間特點基礎上,同時考慮到耕地在種植糧食作物時,必須同時種植適宜比例的經濟作物,以滿足人類對農產品的全面需求,參考不同的糧食自給水平而制定出來的人均耕地面積。人均耕地資源安全底線是確保區域糧食安全的閾值,是進行區域土地利用結構調整、耕地種植結構調整的調控指標。現在該項研究在全國還處在初期階段,試探性的論證該項研究的合理性,具有重大的現實意義。

(3)做好區域農業發展規劃。合理的農業規劃對于促進區域農業的快速發展具有前瞻性的重要意義,農業規劃不僅為當前農業發展中的問題做出了詳細的分析,也為未來的區域農業發展指明了方向,是區域農業發展的綱領性文件。石林鎮要抓住社會主義新農村建設的大好時機,做好新農村規劃。在此基礎之上提出合理的農業發展計劃,根據石林鎮的區域特點,重點做好兩大經濟走廊(朱行至柏樹生態農業觀光走廊、大壩至百花旅游環線公路旅游休閑度假觀光走廊),四個基地(萬只山羊養殖基地、黃金梨種植基地、高山反季節蔬菜種植基地、花卉苗木基地)的建設。在此基礎之上做好村、合作社一級的農業發展規劃,加強區域農業發展的協調性與互補性。

(4)調整種植結構,改造中低產田。石林鎮地形地貌以山地、丘陵為主,中低產田比重較大,這是石林鎮農業發展的主要特點,要充分利用山地、丘陵立體氣候資源,發展中草藥、茶葉、高山反季節蔬菜的種植,提高經濟效益;石林鎮的糧食單產較低,2008年糧食單產為5 089 kg/hm2,低于全國同期平均水平,針對石林鎮丘陵、山地的地貌特點,合理改造中低產田,提高糧食單產,這對于減輕人口對耕地的壓力具有重要的意義。

6 討論

在短期效用下科技、勞動等物質資料的投入也必然會引致農產品產量的提高。陳百明[17]先生就提出農業生產中的耕地密集型和勞動密集型的概念,筆者認為耕地密集型才是中國式農業下的標準生產方式,從經濟學的角度上講,短期效用下科技、勞動等物質資料的投入的確會引致糧食產量的迅速提高,但是,從遠期來看,由于邊際效用的影響,物質資料的投入和糧食產量的正向關聯將會越來越小,甚至會出現負效用。所以,耕地面積是保證區域農業發展的基礎,這從石林鎮(圖2)的研究中也得到了印證。耕地面積的變化是區域土地利用結構調整的結果,是區域土地利用大環境下綜合作用的結果,區域種植業發展亦在其影響之下。本次研究僅從農業生產和耕地變化本身探討區域種植業發展水平,沒有從區域土地利用的角度去深層次探求區域土地利用結構和區域種植業發展水平的關系,這是模型需要改進的方向之一。

最后,區域農產品供給和需求是區域種植業發展水平參考的重要內容,而區域農產品供給一部分依靠區域本身的農業生產能力,另一部分主要是依靠農產品貿易來獲得。通過農產品貿易來補充區域農產品供給的缺口也是保證區域農業發展的重要手段。文章中的種植業發展指數度量模型沒有將其考慮在內,具有一定的片面性,還有待進一步改進。

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