基于系統科學的中國糧食安全評價研究

朱曉禧，方修琦，高 勇

(1.農業部規劃設計研究院農業與農村規劃研究所，北京 100125;2.北京師范大學地理與遙感科學學院，北京 100875;3.北京大學遙感與地理信息系統研究所，北京100871)

在構成區域人類安全的諸要素中，糧食安全是與人類生存關系最為緊密的一個部分，受全球環境變化影響也最直接。中國既是糧食生產大國，也是糧食消費大國，糧食安全問題不僅關系著國家發展，也影響著世界糧食市場。中國糧食安全問題的研究和分析，對于國家糧食生產布局調整、糧食宏觀決策和糧食安全保障具有重要的意義。

關于糧食安全的概念，大多數學者沿用了聯合國糧農組織 (FAO)的三次定義［1］，其1996年的定義為“只有當所有人在任何時候都能夠在物質上和經濟上獲得足夠、安全和富有的糧食，來滿足其積極和健康生活的膳食需要及食物喜好時，才實現了糧食安全”。此后，FAO在2001年明確了“可持續的糧食安全和生產”的理念，2002年又給出了一個便于操作的糧食安全的概念框架，尤其強調了糧食獲取能力穩定性問題。

但目前還沒有公認的糧食安全的度量方法。國際上主要以每個國家或地區營養不良人口在總人口的比重作為糧食安全評價指標，如果達到或超過15%，就屬于糧食不安全地區。在全球變化背景下，國際上主要采用數值模擬、試驗方法和統計模型三大基本方法，研究氣候變化對糧食安全的影響，同時也比較注重經濟影響評估。Fort Lesley和J.McNair［2］模擬分析顯示全球農業結構很可能發生變化，加拿大、俄羅斯的谷物部門將處于更有利地位，美國的糧食出口將減少。P.Crosson［3］模擬分析美國的農業比較優勢將會明顯東移，其它中、高緯度國家內也有類似的移動。Parry［4］指出區域尺度上的食品保障將受到嚴重威脅，尤其在熱帶的欠發達國家，中緯度主要糧食出口國的減產將使糧價上升，每減產10%則糧價上升7%。中國學者也提出了一些糧食安全評價指標，例如:糧食市場價和糧食收購價的差率、比較利益差距率、糧食儲備量、產量預測［5］;人口增長率、糧食凈出口率、糧食儲備率［6］;糧食產量增長率、糧食需求增長率、糧食總庫存率［7］等指標體系;以及未來糧食安全綜合警限指標［8］、中國—世界農業區域市場均衡模型［8］等評價方法;也分析了一些影響中國糧食安全的關鍵因素［9-10］。目前各種指標體系差異較大。

目前，國內外糧食安全的評價方法多從農業生產的角度出發，基于農業生產量、生產技術、糧食消費情況等評價糧食安全情況，進而研究其對社會和經濟的影響。但糧食安全問題是在自然、經濟、社會大環境背景下的綜合問題，是多重因素綜合作用的結果。因此，該文利用系統科學的理論方法，不僅僅從糧食生產體系內部選取指標進行評價，而是將糧食安全系統放在自然社會大環境系統中，提出綜合考慮自然、人力科技和社會經濟等多方面因素的評價指標體系與方法。

1 數據資料

該文所使用的統計數據主要來源于2000年～2005年的《中國縣級統計年鑒》和中國科學院自然資源數據庫。所涉及的統計指標包括年末總人口、地區生產總值、農業總產值、農業機械化總動力、城鄉居民年末存款余額等指標。在該統計數據中，縣/區/縣級市的總個數為2840個左右，其中每個指標的有效數據比例超過85%。數據無效的類別主要是0值或無數據，無效數據主要集中在部分市區和大中城市的城郊區，由于行政沿革而撤、并、拆的地區，及部分數據明顯錯誤的地區。數據的前期處理主要包括:匹配地區編碼、修正有行政沿革變更地區的數據、數據有效性檢驗和統一不同來源數據的數值單位。

該文所使用的空間數據主要是全國縣級行政區矢量數據，數據來源為國家基礎地理數據1:100萬數字地形圖，并通過前期處理使其與統計數據的地區編碼相匹配。

由于該文要對中國的糧食安全系統進行脆弱因素識別和空間特征分析，因此所選指標的空間分辨率應該盡可能大。而在我國現有的統計數據中，可獲取的最小行政單元的數據為縣級數據，因此，該文的評價指標以縣級數據為基本單元。指標的選取需要符合以下原則:

(1)可獲取性:數據真實，符合國家相關規定，數據來源嚴謹;

(2)時間連續性:數據序列在1999～2005年連續;

(3)覆蓋范圍:全國2840個縣，數據缺失量低于15%;

(4)代表性:符合指示器的系統科學意義，其等級分異能夠有效代表基礎指示器;

(5)獨立性:與其他指標沒有顯著的相關性，其實際意義沒有顯著直接的因果關系。

2 研究方法

2.1 基于系統科學的系統安全評價方法

該研究不同于傳統的糧食安全，而是將糧食問題與相關的自然社會環境看成相互作用的系統，不單純研究糧食本身的安全性，而是綜合考慮糧食在自然社會大系統中與其他因素之間相互作用的安全性。若對其進行評價就必須綜合自然、人文和社會經濟因素等多方面的指標，評價結果主要是解釋糧食在自然社會大環境中的安全性和穩定性。

根據系統科學的定義，系統是由相互制約的各個部分組成的具有一定功能的整體［11］。在一個系統中，子系統的功能及其交互關系的高效組織是保障母系統和子系統安全的必要條件。在某個特定的系統環境中，每個子系統都必須是安全的，并只有每個子系統都安全了才能保障整個母系統的安全性。因此評價一個系統的安全性，首先要將其分解成子系統、甚至多層次子系統，通過對子系統進行評價，再將評價結果綜合成母系統的安全性指標。

在系統科學方法中，使用“基礎指示器”作為反映系統 (或子系統)與系統環境相互作用是否安全的重要指標。基礎指示器是反映系統與系統環境之間相互關系的特征值，用于指示系統環境的某一特征與系統生存和發展所必要的某一功能/結構/利益需求之間的聯系。目前復雜系統普遍適用的基礎指示器包括存在性、自由性、有效性、穩定性、適應性、共存性、自我繁殖性、責任性、心理需求等。對于全球變化背景下的糧食安全系統評價而言，本研究選擇的指示器及其基本含義為:

(1)存在性:系統與所存在的環境狀態相兼容。信息、能源和材料的輸入必須有保障。

(2)自由性:系統在維持自身生存的同時尚有余力/潛力和儲備資源應對環境變化所帶來的挑戰。

(3)有效性:系統能夠有效的 (不一定要高效率的)保障稀缺資源量 (信息、物質、能量等)和努力改變環境。

(4)穩定性:系統在面對環境變化的不良影響時有能力保護自己，盡量不改變系統的結構和組份，能夠正常生存甚至可以繼續發展。

(5)適應性:面對較高頻率或高幅度的環境變化，系統能夠通過學習、調節和改變自組織形式來應對這一挑戰作出適當的回應，使得系統在面對外部環境波動的情況下，雖然系統的組織形式發生改變，但是盡量使系統的功能波動最小。

2.2 糧食安全系統的分解與指標選取

根據社會經濟環境與糧食系統之間的作用關系以及糧食系統的自身特點，基于系統科學中的安全性評價方法將全球變化背景下的糧食安全系統分解為3個子系統 (圖1)。

(1)自然系統:實現糧食生產的自然資源系統，如耕地、水熱資源、生物資源等，它是糧食生產的基礎，同時也是直接與環境變化產生聯系的系統;

(2)支撐系統:人類在依賴自然系統生產糧食的同時，還依靠自身的技術手段，對自然資源的利用進行調節，更加合理充分的利用自然環境，并獲得更多糧食產量的系統，如水利設施、農業機械設備、農業技術研究等;

(3)調配系統:通過本區域的自然系統和支撐系統無法保障糧食生產和糧食安全，而依靠其他經濟社會手段獲取糧食的系統，例如糧食購銷、流通、交換等。

選擇表達各子系統的基礎指示器為:存在性、自由性、有效性、穩定性、適應性。具體指示器的系統表現、指標/指數選擇和計算方法如下 (表1～3)。

圖1 糧食安全系統的分解

表1 自然系統指示器

表2 支撐系統指示器

表3 調配系統指示器

能夠描述一個指示器的指標有很多種，任何一個能夠代表指示器等級變化的指標都可以作為其評價參量，但只需選取最具代表性且可獲取的某一指標來進行指示器評價即可，而非將所有相關指標融合到一個函數中進行評價。另外，在該文所采用的系統科學方法中，是使用指標所代表的實際意義的等級分異，而非指標值的絕對大小，來反映指示器的安全等級。

2.2 糧食安全系統評價方法

建立指標體系后得到各個指示器的安全指數序列，并對其進行均一化，將每個安全指數計算為1～5五個等級的安全度，依次代表安全性很低、低、中等、高和很高。每個子系統都包含能夠代表其系統功能和性質的5個基礎指示器，子系統的安全度是由各個指示器的安全度指數的大小和均衡性共同決定的(圖2)，因此子系統安全評價模型應由這兩個因子共同決定。

在模型中，以雷達圖中封閉五邊形的面積作為安全度指數大小的參量A，代表組成子系統的安全度等級的高低;以各指示器的安全度指數的方差作為衡量子系統均衡性的參量σ，σ越大說明指示器越不均衡。則子系統的安全度指數SD定義為A和σ的比值:

其中:s1～sn為指示器安全度，n=5;為指示器安全度均值。

根據安全度指數SD對子系統的安全度進行分等定級，安全度等級仍分為5級，即1:安全性很低，2:安全性低，3:安全性中等，4:安全性高，5:安全性很高。

圖2 子系統安全度評價雷達圖

3 中國糧食安全特征分析

基于前文所述的數據資料，計算中國縣級行政區各基礎指示器的安全度等級，在此基礎上計算自然、支撐和調配3個子系統的安全度指數，進而將其耦合為中國糧食安全系統的安全度。基礎指示器代表了我國糧食安全系統的各個組成部分以及相互配合的情況，其安全度的空間分異情況相應的反映了我國糧食安全系統各個環節的區域發展差異情況。因此，對中國糧食安全系統脆弱性的空間特征分析，有利于揭示我國糧食安全情況的區域差異，有助于因地制宜的制定區域性糧食保障政策和措施。

3.1 系統安全脆弱性空間特征

對于中國糧食安全系統及其子系統，若各指示器的安全等級都較低，或者指示器安全度之間的差異過大，都是系統脆弱的表現。選擇整體安全度等級低的脆弱縣的標準為雷達圖面積小于9.5;選擇系統不均衡的脆弱縣的標準為指示器安全度方差大于1.8。

自然系統因安全度低而脆弱的縣主要分布在內蒙古中部-河北北部-黃土高原-寧夏和甘肅南部一帶，這一地區屬于農牧交錯帶，自然條件和氣候條件較為惡劣，土地退化和水土流失嚴重;另外西藏、青海和新疆部分自然條件較差的地區也有此類脆弱縣分布。支撐系統整體安全度等級低的地區主要分布在青海和西藏地區，該地區自然條件差、環境閉塞，社會發展程度低，因此農業投入不足;另外在華北平原區和貴州廣西等西南地區也有部分此類脆弱縣。調配系統的典型脆弱縣比較少，僅在西藏、甘肅、寧夏和貴州等地有零星分布。詳見圖3。

圖3 安全度低的區域分布

自然系統因指示器安全度不均衡造成的脆弱縣主要分布在內蒙古的中部和東部地區、山西北部和寧夏甘肅的部分地區以及新疆的西北部。支撐系統因指示器安全度不均衡造成的脆弱縣主要分布在青海、西藏和甘肅北部地區以及內蒙古東部的零星地區。而調配系統此類脆弱縣數量極少，零星分散分布。詳見圖4。

圖4 安全度不均衡的區域分布

3.2 子系統安全程度空間特征

按照子系統安全度的評價模型，基于基礎指示器的安全度，計算中國糧食安全子系統的安全度指數，分析3個子系統的整體空間特征分布規律。

自然子系統的安全度1級區和3級區所占比重最高，因此，我國糧食安全自然子系統安全度水平整體偏低，明顯的分為三帶:內蒙古東部-黃土高原-西南地區一帶為脆弱帶，以其為分界線的西部和東南的兩部分為安全度等級中等的地區，其中東南的安全度水平略高于西北。詳見圖5。

圖5 自然系統安全度等級區域分布

圖6 支撐系統安全度等級區域分布

我國糧食安全支撐子系統的安全度整體偏低，其中1級區和3級區比重最高，而且呈現明顯的東西三帶分異的特征，內蒙古東部-黃土高原-青海西藏一帶為脆弱帶，其西部和東南的兩部分為安全度等級中等的地區，其中東南的安全度水平略高于西北。詳見圖6。

我國糧食安全調配系統的安全水平整體要高于自然系統和支撐系統。除了西南地區和青海西藏以外，大部分地區都達到了安全度中等及以上的水平，說明我國糧食安全調配系統確保我國糧食安全的能力較強。詳見圖7。

3.3 糧食安全系統安全程度空間特征

利用各個基礎指示器的安全度等級計算出每個子系統的安全度指數后，將3個子系統的安全度指數耦合為中國整個糧食安全系統的安全度。中國糧食安全程度呈現比較明顯的空間分異特征。根據縣級糧食安全度指數，可以將全國分為3個類型區 (圖8):

3.3.1 糧食安全度低級區

內蒙古東部-農牧交錯帶-黃土高原-西南一線。主要以安全度1級區和2級區為主。該地區自然環境條件差，農業發展水平低，人民生活水平也相對貧困。因此無論是糧食安全的自然系統、支撐系統還是調配系統都比較薄弱。

3.3.2 糧食安全度中級區

東部農業區和西部牧業區的部分發展情況平穩的地區。該地區自然條件較好，適合于種植業或畜牧業發展，當地的農業生產基本上可以滿足當地人民生存需要，另外農業基礎設施的建設和人民收入也達到一定的水平，可以實現保障農業生產和購買調配糧食的需要。

3.3.3 糧食安全度高級區

東部農業區和西部牧業區的部分發展較好的地區。東部主要是我國的重要商品糧生產基地和經濟發達地區，其中前者主要是自然條件適合糧食生產，國家又投入大量的人力、物力和財力保障當地糧食的穩產高產，因此安全度等級高;而后者則主要是由于經濟技術發展水平高，所以農業的基礎設施和生產效率水平都較高，加之政府和人民的經濟實力都較強，通過購買、調配獲取糧食的能力也較高，因此糧食安全更加有保障。西部則主要分布在內蒙古西部和新疆東南部的傳統牧業區和綠洲農業區，該地區農業生產自然條件較好，人口密度小，加之農業生產歷史悠久，生產水平和技術也較高。

通過中國糧食安全脆弱性分析，現階段我國農業生產的自然資源尚不構成限制，但是生產效率低下，且不穩定，易受自然災害、氣候變化等環境波動影響;農業基礎設施建設和農業物資投入還很不夠，而且沒有充分發揮作用;我國購買和調配糧食的能力正不斷加強，整體調配能力處于安全范圍內，但是調配效率較低。

圖7 調配系統安全度等級區域分布

圖8 糧食安全系統安全度等級空間分布

4 結論與展望

糧食安全研究是當前全球變化研究中的一個重要議題，對中國糧食生產、糧食供應和糧食消費等具有重要的意義。該文采用系統論的方法，建立人類安全體系下中國區域糧食安全評估方法，確定中國糧食安全的脆弱性主要表現在農業生產效率低下不穩定、農業投入和基礎建設不足、糧食調配效率低等方面。同時，中國糧食安全程度也呈現比較明顯的空間分異特征。上述研究方法和分析結果，可以為調整國家區域糧食生產布局、提高糧食宏觀政策的地區針對性、構建多層次的糧食安全保障體系以及適應氣候變化科學決策等提供理論依據。

該文提出的糧食安全評價模型是基于系統科學的方法，基礎指示器的指標選擇具有較高的靈活性，因此對于不同區域、不同尺度、不同數據源都能很好的應用，適用性比較廣泛。同時，該方法是在人類安全體系下的面向綜合宏觀層面的糧食安全評價分析，與單純的糧食供求平衡分析和糧食產量、價格、供應等單一指標的變化趨勢分析預測等并不相同。

該文的研究還有很多工作有待進一步深入展開。在分析方法上，本文礙于數據獲取途徑的限制，只選取了中國2000～2005年的縣級統計數據為主要的數據源，時間跨度相對較小。另外還應該進一步將中國區域糧食安全評價與預警分析緊密結合，建立完善高效的中國糧食安全預警體系，更好的為國家和政府決策服務。

［1］肖國安.中國糧食安全研究.北京:中國經濟出版社，2005

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