湖北省耕地資源承載力及糧食用地需求分析

肖鵬南 木合塔爾·艾買提 李若瑄

摘要：對湖北省人口、耕地資源和糧食產量進行預測，對富裕型糧食消費標準為550 kg/人條件下的耕地資源承載力進行評價，估算2017—2025年的糧食和糧食用地需求量。運用機制法對湖北省耕地糧食生產潛力進行評價，以湖北省1990─2016年的戶籍總人口和單位面積糧食產量等數據為基礎，利用時間序列方法和灰色GM（1，1）模型對湖北省人口發展趨勢和耕地需求量進行預測。結果表明：（1）湖北省耕地生產潛力為18 397.73 kg/hm2，與實際生產力差距較大，屬于高生產潛力區;（2）1990─2016年的人均糧食生產量平均約為407.31 kg/人，以溫飽型消費水平為主，富裕型水平下的超載人口越來越多;（3）2025年湖北省人口將達到6 555.56萬人，在富裕型糧食消費標準下，耕地資源將面臨約有1 959.42萬人的人口壓力，糧食需求量在3 514.67萬～3 605.55萬t之間，湖北省需有567.334萬hm2的糧食種植面積才能滿足糧食需求。雖然湖北省糧食產量潛力較大，但在富裕型社會標準下，耕地資源承載力已超載，糧食問題將更嚴重，糧食需求量和耕地需求量將更大。

關鍵詞：耕地潛力;灰色模型;耕地承載力;適宜人口

中圖分類號： F323.211;F326.11 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）11-0326-07

收稿日期：2019-05-21

基金項目：國家自然科學基金（編號：41271534）。

作者簡介：肖鵬南（1992—），男，湖南婁底人，博士研究生，主要從事自然資源調查與評價研究。E-mail：xiaomaidang@mails.ccnu.edu.cn。

通信作者：木合塔爾·艾買提（1982—），男，新疆喀什人，博士研究生，講師，主要從事區域發展與資源環境評價等研究。E-mail：muhtar99@sina.com。 ?隨著我國工業化、城鎮化水平的不斷提高，非農用地面積不斷增多，耕地面積在逐年減小。人口數量的增多和生活水平的提高導致糧食需求量大幅上升，加上耕地質量下降等因素，人口與耕地、糧食之間的矛盾日益突出。為此，協調人與資源、經濟與環境、生產與需求的關系，尋求社會可持續發展，已引起各級政府和各界人士的廣泛關注。耕地質量評價、耕地環境效應、耕地結構演變、糧食生產和糧食安全等內容，已經成為當前學術界的研究重點。不管是耕地質量還是環境效應，都是為滿足人的消費需求而服務的，耕地研究的主要目的終究還是糧食安全問題。區域糧食生產和糧食安全與耕地質量和耕地投入量有直接關系，但耕地面積是有限的，產量是有限的，區域糧食生產水平主要由人口承載力進行衡量和評價。土地人口承載力的概念各異，但具體內容都包括時空范圍、一定的生產條件、土地生產潛力、一定生活水平的人口等要素[1]。土地人口承載力通常被稱為土地人口承載量、土地人口容量、土地資源承載能力等[2-3]。目前，我國對土地人口承載力的定義是在一定生產條件下土地資源的生產能力及在一定生活水平下所能持續供養的人口數量[4]。由土地承載力概念可知，耕地承載力是具有一定生產力的單位耕地能養活的人口數量，主要運用模型法進行測算。研究耕地生產力的方法從威廉·福格特的《生存之路》[5]到發展中國家土地的潛在人口承載能力研究[6]再到《中國土地資源生產能力及人口承載量研究》等[7-8]，不斷更新和完善。目前的研究方法有遵循最低因素限制率法、逆向限制因子修正法、資源綜合平衡法，我國主要采用黃秉維教授提出的作物光合潛力因子修正的逆向限制因子修正法[9-10]。這些方法通過光、溫、水、土系數逐級修正，因地制宜地考慮經濟投入要素對生產潛力的影響，最終得到土地生產潛力，在修正系數選取準確的條件下，計算出的數值與當地實際土地生產力較為接近[11-12]。關于土地生產潛力計算方法已有大量的研究，主要的計算方法可以分為趨勢外推法、經驗公式法和機制法（又稱潛力遞減法），其中潛力遞減法是目前估算土地生產潛力的最基本方法[13]。

對于人和地區發展來說，糧食生產至關重要，是國家的根本。湖北省地處中部地區，耕地資源稟賦優異，自古以來都是糧食主產區，也是中國的農業大省，更是全國重要的商品糧生產基地。2016年湖北全省戶籍總人口達到6 156.76萬人，人口城鎮化率達到58.1%。在經濟快速發展的背景下，工業化和城市化程度日益加深，耕地資源非糧化現象日趨嚴重，人口增長和糧食需求之間的矛盾日益凸顯[14]。本研究運用機制法對湖北省耕地糧食生產潛能進行評價，通過收集整理戶籍總人口、耕地面積、糧食產量等指標數據，分析1990─2016年湖北省耕地資源數量和糧食總產量的總體變化趨勢。在統計數據的基礎上，運用灰色模型和時間序列方法對湖北省人口、糧食生產和耕地面積的變化趨勢進行預測，以富裕型生活糧食消費為標準，預判湖北省2020—2025年的人口數量，并推算出需要的糧食用地面積。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

所用指標主要有戶籍總人口、耕地面積、糧食作物播種面積、糧食總產量、糧食單產等，這些指標原數據主要來自《湖北統計年鑒》（1991─2017年）、《湖北省國民經濟與社會發展公報》（1991─2017）、《湖北省國土資源綜合統計年報》（2000─2016年）以及中國知網、國家統計局、湖北省統計局和土地資源管理局網站等。

1.2 研究方法

1.2.1 耕地生產潛力評價 耕地生產潛力評價方法從開始到現在不斷更新和完善。自20世紀60年代起，黃秉維等對糧食生產潛力進行了深入的研究[15-17]，數學模型法和計算機科學在農業中的應用推動了有關計算參數逐步精確化，計算結果更接近實際。生產潛力評價方法中的機制法是應用最廣泛、比較成熟的研究方法。它依據作物生產力形成的機理，考慮光、溫等自然生態因子及技術等人為因子，從作物生長特征出發，依據作物能量轉化及糧食生產形成過程，通過逐步“衰減”來估算糧食生產潛力，具體函數式表達如下[18]：

式中：YG為糧食生產潛力，YQ為光合生產潛力，yT為溫度有效系數，yW為水分有效系數，yS為土壤有效系數，yM為社會有效系數，yZ為災害系數。

耕地光合生產潛力是在充分保證一個地區的光、熱、水等氣候資源條件和農業生產條件的基礎上，進一步考慮降水的限制作用后，這個地區作物可能達到的最高理論產量[19-21]。

糧食生產潛力是以光合生產潛力為基礎而計算出來的，用以下模型計算湖北省耕地光合生產潛力：

式中：YQ表示光合生產潛力;F表示最大光能利用率（最大理論值為15.68%，本研究取5%）;C表示干物質發熱量，多數作物的平均值為17.79 kJ/g;Q表示太陽全年總輻射量。湖北省全年太陽總輻射量為364.17～514.86 kJ/cm2，這里取組中值 439.51 kJ/cm2。全省無霜期在230～300 d之間，已取組中值265 d的溫度有效系數為0.73。通過公式（2）計算出來的光合生產潛力為 123 529.42 kg/hm2，根據公式（3）計算得出光溫生產潛力（YT）為90 176.48 kg/hm2。

氣候生產潛力及土地生產潛力都是對土地在自然生態條件下進行計算，并沒有進一步考慮人類活動等社會經濟因素對作物生長的影響。通過多年平均降水量與蒸發力的比值來表示的水分有效系數為0.88，估算出湖北省氣候生產潛力（YW）為79 355.30 kg/hm2。

土地生產潛力是在氣候生產潛力的基礎上，經過土壤有效系數“衰減”后形成的，因為無論土壤綜合條件多么優越，都會或多或少地限制氣候生產潛力的充分發揮。土壤有效系數（yS）采用李榮生對中國各省份糧食生產潛力影響系數的測算結果[22]，湖北省土壤有效系數為0.48，土地生產潛力（YS）為 38 090.54 kg/hm2。

農業投入對農作物的生長及產量具有重要影響力，因此在土地生產潛力計算的基礎上，引入農業投入系數即農業投入與農業產出的比重，對土地生產潛力進行訂正，最終得到社會生產潛力。湖北省社會有效系數（yM）取1990—2016年有效灌溉面積與耕地面積比值的平均值，為0.69，可以得出湖北省耕地社會生產潛力（YM）為26 282.48 kg/hm2。

自然因素和人為因素對農作物產量水平有一定影響力，如投入水平不高、干旱、洪澇、冰雹等。因此，在進行目標產量估算時，應考慮不利因素對糧食生產的負面影響，引入衰減系數計算耕地糧食生產潛力，其衰減系數一般取0.08～0.10[23]。

估算湖北省最終耕地糧食生產潛力的模型為

式中：YG是湖北省耕地糧食生產潛力，YM是湖北省耕地社會生產潛力，yZ是災害系數。湖北省災害系數的分析主要考慮旱澇情況。根據湖北省實際情況，衰減系數取0.7，根據公式（3）算出來的湖北省耕地糧食生產潛力為18 397.73 kg/hm2。

1.2.2 耕地承載力評價 首先，利用湖北省戶籍人口、糧食總產量、糧食單產等指標在1990—2016年的統計數據，采用統計方法算出各指標的均值、標準差、變異系數等參數，對指標進行描述性統計分析。運用時間序列法[24]和GM（1，1）灰色模型[25]，對湖北省人口、耕地、糧食生產在2025年的發展情況進行預測。在對湖北省耕地資源潛力和承載力進行評價的基礎上，估算出湖北省2020—2025年的糧食需求量和耕地需求量。在一定糧食消費水平下，區域耕地生產能力以所能供養的人口規模來體現，計算出湖北省耕地資源承載力。耕地承載力測算模型[26-27]為

式中：LCC是耕地資源承載力（人），G是耕地生產能力，Gp是糧食消費標準（kg/人）。

通常認為食物消費以糧食為主，通過人均消費糧食量可判別一個地區的社會經濟狀況。隨著社會的發展，人均糧食消費量不斷增多，糧食消費結構也不斷發生變化。考慮不同的消費標準和不同的發展階段，在評價湖北省耕地承載力時，參考聯合國糧農組織（FAO）公布的人均營養熱值標準和我國衛健委公布的標準，并結合湖北省實際情況，規定在溫飽型、小康型、富裕型生活水平下的糧食消費標準分別為400、450、550 kg/人。

2 結果與分析

2.1 糧食生產情況分析

以1990─2016年的統計數據為基礎，計算出戶籍人口和單位面積糧食產量等反映糧食生產基本情況要素的最小值、平均值等參數值，計算結果如表1所示。

由表1可知，湖北省人均糧食產量變異系數最大，表明數據之間的相對變化程度最大;單位面積糧食產量的標準差最小，為402.30 kg/hm2，表明數據離散程度最小;戶籍人口和耕地面積的變異系數均為4%，表明這2個指標在17年內的相對變化程度最小;由糧食總產量、人均糧食產量、單位面積糧食產量的變異系數判斷，這3個指標的數據波動性較大。在研究期間，湖北省人均糧食產量多達 400 kg/人，耕地實際糧食生產力大約為 5 385.75 kg/hm2。

根據表1所示信息和上述分析，可以得出：（1）人口和耕地面積的變化程度不高，可能的解釋是，政府政策和市場作用下進行的種植結構調整、城市化占用耕地、耕地占補平衡等導致種植糧食作物的耕地面積基本沒有增多;人口變化程度較小，考慮到人口自然增長，將其視為正常水平的變化。（2）單位面積糧食產量、糧食總產量的變化程度相對于人均糧食產量的變化程度而言，幅度較小，可能的解釋是，在研究期間人均糧食產量的變化較大，而單位面積糧食產量和糧食總產量提升，但產量提升的幅度與耕地面積下降的幅度不匹配，形成一定程度的糧食安全壓力。

2.2 耕地承載力的動態變化

湖北省總人口從1990年的5 373.50萬人增加到2016年的6 176.00萬人，在此期間人均糧食產量在403.69～467.10 kg/人之間，利用公式（5）計算出在富裕型消費標準下的耕地資源承載力，并得到超載人口，湖北省1990─2016年糧食總產量、人均糧食產量、人糧關系狀況等變化狀況如表2所示。

由表2可知，1990—2016年期間，湖北省總人口年均增長率大約為0.85%，人與糧食的關系狀況以溫飽型為主;糧食總產量從1990年的2 475.03萬t增加到2016年的2 554.11萬t，共增加了79.08萬t;在富裕型條件下的湖北省耕地資源承載力從 4 500.05萬人 增加到4 643.84萬人;超載人口也從873.45萬人增加到1 512.92萬人。湖北省糧食總產量、人均糧食產量、富裕型承載力、實際人口和超載人口均呈不斷上升的趨勢，其中糧食總產量和實際人口的年均增長率相同，均為0.2%，人均糧食產量的年均增長率為0.46%，超載人口的年均增長率為3.49%。

通過上述分析，可以得出結論：（1）1990—2016年間，湖北省糧食總產量和人均糧食產量未明顯提升，但實際人口和超載人口明顯增加。（2）雖然還未達到富裕型糧食消費標準，但已達到小康型糧食消費水平，富裕型水平下的超載人口在2006—2016年整體呈減少趨勢。

2.3 預測結果

以1990—2015年的時間序列數據為基礎，運用時間序列法和GM（1，1）灰色預測法，對湖北省2017—2025年戶籍人口、耕地面積、糧食總產量進行預測。

由表3可知，2017—2025年間，湖北省總人口、耕地面積、糧食總產量、單位面積糧食產量均不斷增多。總人口從6 257.95萬人增加到6 555.56萬人，年均增長速度為0.52%;耕地面積從 337.858萬hm2 增加到341.363萬hm2，年均增長速度為012%;糧食總產量、糧食單產分別增加到 2 527.87萬t、6 355.50 kg/hm2，年均增長速度分別為021%、0.61%。4個指標的年均增長率排序為單位面積糧食產量>總人口>糧食總產量>耕地面積。

注：Pop1、CL1、GP1、GYP1分別是采用時間序列法預測出的戶籍人口、耕地面積、糧食總產量、單位面積糧食產量;Pop2、CL2、GP2、GYP2分別是采用灰色模型法預測的戶籍人口、耕地面積、糧食總產量、單位面積糧食產量;Avepop、AveCL、AveGP、AveGYP分別是時間序列法、灰色模型法預測結果的平均值，并將平均值作為預測結果。

2.4 耕地資源承載力評價

運用時間序列法和灰色模型測出的2015、2020、2025年的湖北省總人口分別為6 138.9萬、6 353.57萬、6 555.55萬人，這3個不同時間段的糧食總產量的預測值分別為2 703.28萬、2 457.49萬、2 527.87萬t，在不同生活標準下的湖北省糧食總需求量、人口負載量和人口超載量如表4所示。

由表4可知，除了2015年溫飽型標準下湖北省人口存在載荷容量，其余年份和標準下人口均超載，尤其是在富裕型標準下人口超載量均多于1 000萬人。無論是在溫飽、小康還是富裕條件下，糧食總需求量均持續增加，人口超載量均增多。在富裕條件下，2015、2020、2025年的糧食總需求量分別為3 376.40萬、3 494.47萬、3 605.55 萬t。

2020年湖北省將全面進入小康社會，人的物質需求相應提高。預測結果顯示，湖北省糧食生產滿足不了需求，在溫飽型標準下也出現耕地資源超載人口。以富裕型的社會消費標準為依據，推算出湖北省2020—2025年期間所需要的播種糧食耕地面積和糧食產量，2015年的統計結果與2020—2025年的推算結果如表5所示。

由表5可知，2015年已出現富裕型標準下的超載人口，2015—2025年適宜人口、超載人口、糧食總需求量、耕地需求量呈不斷上升。在“十四五”規劃期內，2021年的超載人口達到1 953.24萬人，2025年的超載人口達到1 959.42萬人。2015年的實際糧食產量為6 052.50 kg/hm2，在耕地面積不變的情況下，單產達到9 825.90 kg/hm2才能滿足需求。根據湖北省2016年的經濟情況和耕地面積水平，如果在“十四五”規劃期內耕地面積無明顯增加，為保證糧食安全，湖北省單產需提升到大約 10 440.00 kg/hm2 才能滿足需求。

3 結論

湖北省是我國重要的糧食生產基地，本研究以人糧關系為著眼點，通過評價湖北省耕地資源糧食潛力和耕地資源承載力，對湖北省1990—2025年耕地資源承載力和人糧關系狀況做了總體分析，得出以下結論：

（1）湖北省耕地糧食生產潛力大約為 18 397.73 kg/hm2，表明耕地生產潛力十分巨大。1990—2016年的平均糧食總產量為2 379.85萬t，糧食生產力約為5 385.69 kg/hm2，與糧食生產潛力間的差值較大，因此耕地承載力的提升空間較大。探索提高糧食生產能力的措施，最大可能地發揮糧食生產能力并保證糧食安全，成為湖北省亟須解決的問題。

（2）在研究期間，湖北省耕地面積不斷減小，人口、糧食產量整體表現出增長趨勢，湖北省糧食生產能力不斷增長，耕地資源承載力不斷提高，耕地可承載的人口不斷增多。按富裕型社會標準推算的2015、2020、2025年超載人口分別為1 223.85萬、1 885.40萬、1 959.42萬人，表明湖北省人口超載嚴重，人地關系矛盾突出。從預測結果來看，2025年之前湖北省人均糧食占有量均在450 kg/人以內，這表明未來10年人均糧食占有量未達到全國標準的富裕型水平。湖北省人均糧食占有量不斷提高，與國家和世界平均水平持平，但與富裕型社會標準還有一定的差距。

（3）在1990年以后，湖北省糧食總產量和糧食單產不斷增多，預測單產和滿足需求的單位面積糧食產量與糧食生產潛力之差越來越小，表明湖北省糧食生產能力不斷提高;但是滿足糧食需求的單位面積產量期望值越來越大，表明滿足糧食需求的難度不斷增長。

（4）湖北省耕地資源的最大適宜人口不斷增多，但在富裕型生活標準下的超載人口也在增多。“十四五”期間湖北省糧食需求量在3 514.67萬～3 605.55萬t 之間，為此耕地面積為570.820萬～567.334萬hm2才能滿足需求。在人口壓力逐漸增大的背景下，湖北省面臨著糧食需求量增多、人口超過耕地資源承載范圍的巨大挑戰。到2025年湖北省大約有1 959.42萬人超載，糧食安全局面不容樂觀。

4 討論與建議

本研究采用統計方法對湖北省耕地承載力進行評價和預測，但是只用糧食產量和糧食消耗量來評價“人-耕”關系，不能全面反映實際情況。隨著社會經濟的發展，人類的生活習慣和膳食結構都在發生變化，而且與區外聯系更為緊密，這些都在一定程度上影響糧食生產和耕地生產結構。所以今后還需進一步考慮或研究人口結構、社會發展和飲食結構變化等要素對糧食生產和糧食消費的影響。

湖北省在富裕型消費標準下的糧食生產壓力比較大，為此需要制定保護耕地措施，通過進一步開發耕地潛在生產能力，提高糧食生產能力，提高耕地質量，協調人與糧食生產，正確引導社會糧食消費行為，系統規劃糧食生產到消費的整個過程，建立長期安全的糧食生產體系，不斷改善和解決人與耕地、糧食生產之間的關系。湖北省應繼續提高經濟發展水平，加大農用地開發與技術投入，提高土地生產力，改善農田基礎設施條件，推動糧食生產和經營的規模化、集約化，提高糧食收益，提高農民素質，阻止農用地向非農用地轉化，通過補貼政策提高農民種植糧食作物的積極性，充分利用國內、國際市場提高糧食流通等措施，保證在糧食生產自給的基礎上，更好地發揮湖北省作為國家糧食生產基地的重要作用。

參考文獻：

[1]李 霞. 區域承載力評價方法及應用[M]. 北京：經濟管理出版社，2014：22-38.

[2]封志明. 區域土地資源承載力研究模式雛議——以甘肅省定西縣為例[J]. 自然資源學報，1990，5（3）：271-283.

[3]楊文祿，熊康寧，趙 星. 貴州清鎮喀斯特溶原壩地耕地生產潛力研究[J]. 地域研究與開發，2004（2）：61-64.

[4]鄭宏艷，劉書田，王鑠今，等. 糧食生產潛力短期預測理論、模型及其應用[J]. 農業資源與環境學報，2014，31（3）：212-219.

[5]威廉·福格特. 生存之路[M]. 北京：商務印書館，1981：115-145.

[6]UNESCO，FAO. Carrying capacity assessment with a pilot study of kenya：a resource accounting methodology for exploring national options for sustainable development[R].1985.

[7]陳百明. 中國土地資源生產能力及人口承載量研究[M]. 北京：中國人民大學出版社，1991：1-19.

[8]陳百明. 中國農業資源綜合生產能力與人口承載能力[M]. 北京：氣象出版社，2001：90-98.

[9]王小榮，高九江. 陜北糧食生產潛力及土地人口承載力研究[J]. 水土保持通報，2006，26（5）：54-56.

[10]田 丹，周運超，周 焱，等. 沿河縣耕地生產潛力及人口承載力[J]. 貴州農業科學，2009，37（5）：173-175.

[11]李澤紅，郭文杰，董鎖成. 人口與經濟協調發展的相對資源承載力實證分析——以湖北省為例[J]. 地域研究與開發，2008（3）：83-87.

[12]蔡成鳳，劉友兆. 淮南市耕地資源生產潛力及人口承載能力研究[J]. 國土資源科技管理，2006，23（2）：316-317.

[13]劉 揚，賈樹海，那 波. 土地生產潛力計算方法研究[J]. 中國農學通報，2005，21（12）：376-381.

[14]曾志勇. 糧食生產技術效率視角下耕地可持續利用的實證研究[J]. 江蘇農業科學，2018，46（23）：454-458.

[15]黃秉維. 中國農業生產潛力——光合潛力[M]//地理集刊（17）.北京：科學出版社，1985：15-22.

[16]陳和彥，查玲梅，付麗云，等. 基于GIS的縣域耕地地力評價——以云南省云縣為例[J]. 農業資源與環境學報，2014，31（1）：32-37.

[17]聶慶華. 耕地生產潛力計算中土壤效應系數的評估——以陜西省洛川縣為例[J]. 中國科學院西北水土保持研究所集刊，1992（2）：55-60.

[18]萬 寧，米長虹，張 愛. 畜牧業發展規劃環境承載力研究[J]. 農業環境與發展，2012，29（4）：29-32.

[19]中國國家標準化管理委員會. 農用地質量分等規程：GB/T 28407—2012[S]. 北京：中國標準出版社，2012：227-229.

[20]李相璽，尹忠東，何長高. 土地生產潛力研究綜述[J]. 水土保持學報，2001（5）：33-36.

[21]李團勝，張 艷，閆 穎，等. 基于農用地分等成果的陜西周至縣耕地糧食生產能力測算[J]. 農業工程學報，2012，28（15）：193-198.

[22]李榮生. 人與糧食概論[M]. 武漢：湖北科學技術出版社，1998：97-100.

[23]侯西勇，孫西華. 耕地糧食生產潛力及人口承載力研究——以長清縣為例[J]. 地理信息科學，2002（4）：24-29.

[24]孫儀陽，李貽學，姜懷龍，等. 基于Markov和GM（1，1）模型的土地利用變化預測[J]. 農業資源與環境學報，2016，33（3）：289-296.

[25]賈宏俊，萬榮榮. 灰色系統在耕地預測中的應用——以蕪湖市為例[J]. 地域研究與開發，2002（4）：55-59.

[26]何毓蓉，周紅藝，張保華，等. 四川省耕地地力生產潛力及承載力研究[J]. 地理科學，2004，24（1）：20-25.

[27]劉 東，封志明，楊艷昭，等. 中國糧食生產發展特征及土地資源承載力空間格局現狀[J]. 農業工程學報，2011，27（7）：1-6.