山東省糧食生產時空格局演變及安全評價

于元赫 吳 健* 李子君 胡 蕾

(1.中國人民大學 環境學院，北京 100872； 2.山東師范大學 地理與環境學院，濟南 250014)

糧食安全是人類共同關注的全球性重大問題之一，是一個國家和地區經濟發展和社會穩定的重要基礎[1]。黨的十九大報告指出，“確保國家糧食安全，把中國人的飯碗牢牢端在自己手中。”[2]國家糧食安全的重要前提是保障區域糧食供需平衡，但由于不同區域農業資源稟賦和農業生產條件存在明顯差異，其糧食生產水平和糧食安全狀況也不同[3]。因此，深入探討區域糧食生產變化及時空分布格局，對于優化糧食生產布局、保障國家糧食安全具有重要的實踐意義。

我國耕地資源短缺，人口眾多，糧食供需矛盾一直存在[4]。在這種背景下，大量研究關注了糧食生產的時空格局[5-8]、區域差異[9-12]、影響因素[13-16]、糧食安全[17-21]等相關領域。在全國尺度上，Liu等[22]采用GAEZ模型分析了中國耕地糧食生產潛力空間格局，指出中國耕地糧食生產潛力呈現南減北增、總量減少的特征；陳秧分等[23]對中國糧食產量變化的時空格局進行了探究，發現中國糧食產量變化可分為3個階段，東中西部省份糧食生產存在較大差異。在區域尺度上，劉玉等[24]運用LMDI模型定量分析了黃淮海地區糧食生產格局及影響因素，指出糧食增產主要來源于糧食單產的提高；潘佩佩等[25]揭示了太湖流域糧食生產時空格局及糧食安全水平，發現該流域存在較大的糧食安全風險。這些成果較好地揭示了國家、地區和省、市等層面糧食生產格局的演化規律，為客觀認識我國及區域糧食生產在宏觀格局上的變化提供了依據，但對于區域內部糧食生產變化的異質性及影響機制未及深入討論。

山東省是我國13個傳統糧食生產和消費大省之一，是保障國家糧食安全的重要基礎。然而，隨著城市化和工業化的推進，大量耕地被侵占，糧食生產面積萎縮；加之人口逐年增多，家庭經濟水平不斷提升，糧食需求量大幅提高，糧食生產壓力不斷加大；再加上居民膳食結構和消費格局的轉變，導致糧食生產結構也發生了很大變化。鑒于此，本研究以山東省134個縣(市、區)作為基本分析單元，運用重心遷移模型和探索性空間數據分析等方法，探討1995—2015年山東省糧食生產時空格局演變特征，并引入人均糧食占有量、糧食產量波動系數和變異系數等指標評價山東省糧食安全水平，以期為山東省糧食可持續生產及政策制定提供學術參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1探索性空間數據分析(ESDA)

探索性空間數據分析(ESDA)是一系列空間數據分析方法的集合，它通過將數據進行可視化表達來展現事物的空間集聚特征以及與周邊事物的異質性。該方法分為全局空間自相關和局部空間自相關。本研究采用Global Moran’sI統計量來分析山東省糧食生產空間相關性的總體趨勢。計算公式為：

(1)

(2)

式中：Z為檢驗統計量；E(I)為期望；Var(I)為方差。

熱點分析G*指數常用于分析事物在局部空間上的集聚特征，可進一步測度糧食生產熱點區(高值區)和冷點區(低值區)的空間分布。計算公式為：

(3)

本研究結合全局Moran指數和熱點分析G*指數來測度山東省糧食生產的空間集聚格局。其中全局Moran指數反映了糧食生產在整個省域內的空間特征，以此來分析城市間空間關聯程度；在此基礎上，局部G*指數可反映糧食生產局部空間異質特征，進而判斷局部空間分異規律。

1.1.2重心遷移模型

糧食生產重心遷移模型能夠反映糧食生產空間分布及遷移規律，若一個區域由多個次級區域組成，第i個次級區域的重心坐標為(Mi，Ni)，P為該區域某種屬性值的權重。計算公式為：

(4)

式中：M、N分別為糧食生產重心的經緯度坐標；Pi為第i個縣(市、區)的糧食產量；Mi、Ni分別為第i個縣(市、區)的中心經緯度坐標，利用ArcGIS軟件計算得出。

1.1.3糧食產量變異系數

糧食產量變異系數為糧食產量標準差與平均值之比，可以反映糧食真實增長率偏離平均值的程度，變異系數越高，代表糧食生產越不穩定。其表達式為：

(5)

1.1.4糧食產量波動指數

糧食產量波動指數為糧食總產量年際間的波動幅度，波動指數越大，代表糧食實際產量對趨勢產量的偏離程度越大，穩定性越差。其表達式為：

αt=[|Tt-Ft|/Ft]×100%

(6)

式中：αt為t年的波動指數；Tt為t年的糧食產量；Ft表示t年的趨勢產量，用糧食產量時間序列計算得到。

1.2 數據來源

數據來源主要為山東省及各縣(市、區)統計年鑒，包括《山東省統計年鑒》[26]、《中國縣(市) 社會經濟統計年鑒》[27]。主要數據包括全省及各縣(市)糧食產量、糧食播種面積、主要糧食作物產量與播種面積以及年末常住人口數。其中各縣(市、區)的糧食產量選取了1995、2005、2010和2015年的4期數據。1995年以來山東省部分縣(市、區)行政區劃發生調整，因此以2015年山東省縣域行政區劃為基準對1995、2005和2010年的縣級單元及相關統計數據進行修正，最終共獲取134個縣(市、區)單元。

2 糧食生產的時序變化

2.1 糧食總產的時序變化

1995—2015年，山東省糧食總產的變化趨勢大體可分為2個階段(圖1)：1995—2002年為波動下降期，糧食總產從4 245.0萬t下降至3 292.7萬t。由于該階段山東省城市化進程加快，建設用地蠶食耕地，導致復種指數明顯下降，加之農業結構調整，農民種糧積極性受挫，導致糧食產量急劇下滑。另外，1997和2002年下降最為嚴重主要是由于這兩年全省發生了百年不遇的特大干旱，導致糧食大幅減產；2003—2015年為穩步上升期，由3 435.5萬t上升至4 712.7萬t，尤其是2004年之后，中央頒布了農業稅減免、直糧補貼、糧食最低收購價等惠農舉措，同時，加強了耕地保護，積極推動農業科技進步，一系列重大利好政策使糧食生產得到極大保障和扶持，農民種糧積極性顯著提高，糧食連年豐收。

圖1 山東省糧食總產和單產的變化趨勢Fig.1 Changes of grain yield and the per unit area yield of grain in Shandong Province

2.2 糧食單產的時序變化

1995—2015年山東省糧食單產總體呈現出上升趨勢(圖1)，大體可分為2個階段：1995—2002年為波動性變化，期間出現2次明顯的階段性下降(1997年和2002年)；2003—2015年為持續提高階段，至2015年，糧食單產達到近20多年來最高值，為6 290.0 kg/hm2，相比2002年提升約32個百分點。2003年以后，在農作物品種改良、農業生產條件改善和管理技術進步等因素的綜合作用下，糧食單產能力得到了極大地提高，為近10多年來山東省糧食增產做出了重要貢獻。

2.3 糧食生產結構的時序變化

2.3.1糧食作物產量結構的變化

1995—2015年，在山東省糧食作物產量結構中，小麥和玉米是占糧食作物總產量比重最高的兩種作物(圖2)。其中，小麥的比重高于45%，為山東省“第一主糧”；玉米的比重逐年增加，由1995年的33.9%上升到2015年的43.5%；甘薯作為山東省第三大主糧，比重由1995年的9.6%下降至2015年的3.7%；大豆產量也呈現下降趨勢；而稻谷、谷子、高粱和其他糧食作物產量較低，比重變化不明顯。

圖2 山東省主要糧食作物產量結構Fig.2 The structure of main grain crop yield in Shandong Province

2.3.2糧食作物播種面積結構的變化

1995—2015年，在山東省糧食作物播種面積結構中，小麥和玉米是占糧食作物播種面積比重最高的2種作物(圖3)。其中，小麥的比重最大，接近50%；玉米比重不斷上升，由1995年的29.7%上升到2015年的42.4%，提高了12.7個百分點；甘薯和大豆的播種面積均呈不斷下降的趨勢；而稻谷、谷子和高粱等糧食作物播種面積較小，比重變化不明顯。

圖3 山東省主要糧食作物播種面積結構Fig.3 The structure of sown area of main grain crop in Shandong Province

通過以上分析可以看出，山東省糧食生產結構以小麥和玉米為主，小麥的總產量和播種面積占比最高，玉米次之，而甘薯和大豆占比呈持續下降的趨勢。究其原因，一方面隨著勞動力務農機會成本上升，進城務工的農民傾向于選擇省時省力的小麥和玉米；另一方面，小麥和玉米優良品種的普及以及管理技術的進步，促進其單產水平持續提高。然而，甘薯作為山東省第三大主糧，所占比重卻呈現持續下降趨勢。甘薯與小麥和玉米相比，種植成本低、產量高，但由于市場需求小，往往出現供大于求的情況，種植效益低，導致農民種植甘薯的積極性不高，再加之種植技術落后和粗放管理，因此其總產量和播種面積持續下滑。

3 糧食生產的空間格局演變

3.1 糧食生產空間格局變化特征

參照相關文獻[28]，本研究按照山東省縣域糧食產量平均值的50%、100%和150%(即18.81、37.62和56.43萬t為分節點)，將山東省縣域糧食產量分為低產區、一般區、中產區和高產區(圖4)。山東省糧食產量存在明顯的區域差異。在數量變化上，高產區的縣(市、區)由1995年的12個增加至2015年的46個；中產區和一般區的縣(市、區)呈持續減少的趨勢；低產區的縣(市、區)則經歷了“增加—減少—增加”的變化。在空間變化上，高產區的空間范圍明顯擴大，呈現出向魯西地區集中的趨勢，魯西地區大部分縣(市、區)，如鄄城縣、商河縣等，已發展為全省主要糧食高產區；中產區和一般區的空間分布比較分散，波動頻繁；低產區則主要分布于魯北、魯中山區和魯東沿海地區，如墾利縣、沂源縣、牟平區等，空間分布相對穩定。

圖4 山東省糧食生產時空格局變化Fig.4 The spatial-temporal variation of grain production in Shandong Province

3.2 糧食生產空間集聚格局變化特征

基于各縣(市、區)的糧食總產量，利用GeoDa軟件計算得到了1995、2005、2010和2015年的全局Moran 指數分別為0.205、0.267、0.281、0.337，呈上升趨勢，且Z值均通過1%的置信度檢驗，表明1995—2015年山東省糧食生產的空間分布呈正相關，整體空間集聚態勢增強。

為了進一步分析糧食生產的局部空間集聚格局變化特征，通過測度各縣(市、區)糧食產量的局部G*指數，利用自然斷點分級法將其分成4類，按數值從高到低依次記為：熱點區、次熱區、次冷區和冷點區。通過圖5可知，有相當數量的縣(市、區)糧食產量高值(低值)區域在空間上集聚，形成高高集聚或低低集聚的空間分異格局。分階段來看：1995—2005年，糧食生產的空間集聚格局波動較大，魯東地區的熱點區明顯收縮，而次熱區與次冷區有所擴張；2005—2010年，魯西地區的熱點區明顯增加，次熱區、次冷區和冷點區變化微弱；2010—2015年，熱點區繼續擴大且在山東省西部形成集中連片的分布格局，而冷點區基本穩定，分散分布于魯北、魯中山區以及魯東沿海地區。總體而言，1995—2015年山東省糧食生產逐漸形成了一定的時間穩定性空間分布，魯西地區形成大規模穩定性熱點，魯北、魯中山區和魯東沿海地區形成分散的穩定性冷點。

3.3 糧食生產分布重心變化特征

將4個時期的糧食產量重心坐標依次連接，得到糧食生產重心遷移軌跡見圖6。可以看出，糧食生產重心的地理坐標為117.50°～117.92° E，36.25°～36.28° N，均位于山東省幾何中心(118.15° E，36.36° N)的西南方向，表明山東省糧食生產空間分布不均衡，魯西地區逐漸成為糧食生產重點區域。這主要是由于魯西平原地勢平坦、土壤肥沃，適合大規模機械化作業，農業優勢明顯，僅菏澤市糧食總產量就約占全省的1/8。在當地政府農業政策的扶持下，逐漸發展為山東省糧食生產的相對優勢區。1995—2015年，山東省糧食生產重心逐漸向西遷移，呈現出糧食生產和經濟發展區域分工的空間格局。隨著魯東地區經濟和人口不斷增長，糧食生產重心的移動方向與經濟和人口重心移動方向相反，將導致山東省糧食供需關系愈發緊張。因此，探討山東省糧食生產時空格局演變過程中的糧食安全水平對于協調經濟發展與耕地保護之間的關系，促進糧食可持續生產及政策制定具有重要意義。

圖5 山東省糧食生產空間集聚格局變化Fig.5 The spatial agglomeration pattern variation of grain production in Shandong Province

圖6 山東省糧食生產重心遷移軌跡Fig.6 The trajectories of the center of gravity for grain production in Shandong Province

4 糧食安全評價

目前，國內外學術界對于糧食安全評價并沒有統一的標準，研究內容比較寬泛。我國對糧食安全的思路正面臨重構，其中，保障和提高糧食生產能力是國家糧食安全觀的一個重要體現[28-29]。姚成勝[19,21]、宋小青等[30]和張鳳榮等[31]研究表明，糧食安全的核心就在于確保足夠的、穩定的糧食生產能力。因此，保障國家糧食安全的最基本要求就是要穩定和提高區域糧食產量，特別是糧食主產區的糧食產量。由于不同省(市、自治區)農業資源稟賦存在較大地域差異，其糧食安全的定義和要求也是不同的。對于農業生產條件差，必須依靠調入糧食滿足需求的省(市、自治區)目前的糧食安全核心是滿足基本的糧食需求，提高糧食生產能力；山東省作為重要的糧食主產省，其對糧食安全的要求更加嚴格，不僅需要具備較強的糧食生產能力，更需要具備較穩定的糧食供給能力，能夠維持省內外糧食供需動態平衡并穩定糧食市場價格。因此，本文著重從糧食生產能力和糧食供給穩定性兩方面評價山東省糧食安全水平。

4.1 糧食生產能力評價

結合上述分析可知，1995—2015年山東省糧食總產量和單位面積產量得到明顯提升。雖然在一定程度上反映出山東省糧食生產能力較強，但由于每年的糧食播種面積、人口數量等不斷發生變化，僅單純從總產量和單位面積產量方面考慮糧食生產能力缺乏一定的科學性和完整性[32]。人均糧食占有量既是反映糧食生產能力的綜合指標，也是衡量糧食安全程度的評價指標[19,24]，人均糧食占有量越高，說明糧食生產能力越高、糧食安全程度也越好；反之亦然。

不同統計數據口徑下的人口數據會對人均糧食占有量的計算結果產生重要影響，這種影響在人口數量大、人口流動活躍的山東省更加突出。參考相關文獻[33]，本研究在計算人均糧食占有量時采用年末常住人口數據。綜合張利國[20]、姚成勝等[21]的觀點，將人均糧食占有量表征的糧食安全類型大致分成以下6種：<300 kg為嚴重不安全型，≥300～350 kg為較不安全型，≥350～400 kg為溫飽型，≥400～450 kg為較安全型，≥450～500 kg為小康型，≥500 kg為富裕型，且定義人均糧食占有量小于350 kg為糧食不安全。

1995—2015年山東省人均糧食占有量呈先下降后上升的變化趨勢(圖7)，糧食安全狀況整體趨于好轉，由溫飽型過渡到較安全型，又重新邁入小康型。1995年山東省人均糧食占有量為488 kg，處于小康型。此后人均糧食占有量呈波動下降趨勢，2002—2004年均跌破400 kg，糧食安全狀況惡化，下降為溫飽型。2005年開始，糧食安全狀況出現持續好轉，人均糧食占有量再次突破400 kg，從溫飽型過渡到較安全型，并持續到2007年。這期間山東省人均糧食占有量雖然有所波動，但一直未能突破450 kg，始終處于較安全型。2008年人均糧食占有量再次超過450 kg，重新回到小康型，并一直保持上升趨勢。這期間山東省人均糧食占有量基本穩定在450—500 kg之間，糧食安全狀況明顯改善。

圖7 山東省人均糧食占有量的變化Fig.7 The variation of the per capita share of grain in Shandong Province

4.2 糧食供給穩定性評價

一個區域不同時期糧食總產量波動幅度的大小以及糧食真實增長率偏離平均值的程度反映了糧食供給的平穩程度，也體現了其糧食安全風險水平。為此，本研究結合糧食產量波動系數和糧食產量變異系數兩個指標來表征山東省糧食供給穩定性。

通過計算可知(圖8)，1995—2015年，山東省糧食產量波動系數的范圍為0.35%～18.24%，其中有近一半以上年份的波動系數高于同時期全國平均水平，存在糧食安全風險。尤其是2002—2004年的波動系數均超過14%，這一階段受農業產業結構調整和自然災害的雙重影響，糧、棉、蔬果等農產品產量均大幅減產，從而導致糧食作物產量降至近20年最低值(圖1)。可見，波動系數較大的年份與減產幅度較大的年份(2002—2004年)在時間上具有很好的對應性，表明糧食減產越多，糧食安全風險越大。但2004年以后波動系數明顯下降，均未超過6%，僅有2010年和2011年略高于全國平均水平，表明該時期糧食安全風險逐漸降低。

圖8 山東省和全國不同時期糧食產量波動系數比較Fig.8 Comparison of fluctuation coefficients of grain yield in different periods in Shandong Province and China

通過計算可知，1995—2015年山東省糧食產量變異系數為9.28%，高于全國平均水平(5%)，表明山東省糧食供給穩定性較差。目前山東省二、三產業發展迅速，經濟的快速發展也帶來耕地非農化速度加快、耕地質量下降等問題。雖然2004年以來糧食總產量有所增長，但同期糧食總產量占全國百分比由8.98%下降至7.58%。利用Pearson相關系數進行相關性分析發現，山東省糧食總產量占全國百分比與同期GDP占全國百分比在5%的顯著性水平下呈負相關，相關系數為-0.387。由此可見，在未來相當長的一段時間內耕地面積減少的趨勢難以逆轉的態勢下，糧食安全問題值得高度關注。

5 結論與討論

5.1 結論

本研究基于重心遷移模型、探索性空間數據分析等方法，探討了山東省糧食生產變化及時空分布格局，并引入人均糧食占有量、糧食產量波動系數和變異系數等指標評價了山東省糧食安全狀況，主要結論如下：

1)1995—2015年，山東省糧食總產經歷了從波動下降到穩步上升2個階段，而糧食單產整體呈上升趨勢，糧食單產水平的提高為糧食增產做出了重要貢獻；在主要糧食作物中，小麥的總產量和播種面積占比最高，玉米次之，而甘薯和大豆占比呈持續下降的趨勢。

2)山東省糧食生產存在明顯的空間差異，魯西地區大部分縣(市、區)已發展為全省主要糧食高產區，糧食生產重心向西遷移；糧食生產空間集聚態勢增強，呈現出高高集聚或低低集聚特征，魯西地區成為大規模穩定性熱點，魯北、魯中山區以及魯東沿海地區成為穩定性冷點。

3)1995—2015年，山東省糧食生產能力逐漸提高，糧食安全狀況整體趨于好轉，由溫飽型過渡到較安全型，又重新邁入小康型；然而糧食產量變異系數和近一半以上年份的糧食產量波動系數均超全國平均水平，表明山東省糧食供給穩定性較差，糧食安全問題依然嚴峻。

5.2 討論

糧食生產空間分布格局和集聚格局表明，山東省糧食生產存在明顯的空間差異，這可歸因于不同區域的自然資源狀況、城鎮化水平和經濟發展水平不同。魯西地區農業生產條件優越，種糧優勢較大，而魯東地區經濟較發達，城鎮化水平較高。李明杰等[34]研究發現，魯西北地區光熱水土資源較好，農業基礎設施較為完善，糧食生產能力較強。王兆華等[35]也進一步指出山東省糧食生產應向種糧自然條件相對較好的地區進行轉移，可有效降低糧食生產成本。因此，未來應盡快建立區域糧食生產補償制度，加大對糧食生產大縣(市、區)的補償力度(如定陶縣、鄄城縣、商河縣等)，建立區域糧食生產利益補償的長效機制(如鼓勵魯東地區經濟較發達的城市到魯西地區投資建設糧食生產基地等)，實現糧食主產地區與主銷地區之間的利益平衡；因地制宜、分類指導省內不同地區糧食生產，對于糧食生產優勢區(如聊城、菏澤等地區)，應加大種糧補貼和農機具購置補貼力度，快速推動糧食生產向機械化、規模化、專業化方向發展，同時，加快推進高標準基本農田建設，力爭將魯西地區建成“山東糧倉”；對于糧食生產非優勢區(如煙臺、威海等地區)，應協調好城市化、經濟發展與耕地保護的關系，嚴守耕地紅線，穩定耕地面積，同時，促進耕地集約利用，保證糧食作物播種面積。

糧食安全狀況的變化表明，山東省糧食生產能力逐漸提高，但糧食供給穩定性較差，依然存在糧食安全風險。一方面可能與農業產業結構調整有關，該階段，山東省農業產業結構經歷著由糧食—經濟作物二元結構向糧食—經濟—飼料作物三元結構轉變的“陣痛期”，糧食作物播種面積大幅減少；另一方面可能與自然災害頻發有關，欒健等[36]研究指出自然災害對山東省糧食總產量具有顯著的負向影響；葉明華等[37]研究也表明山東省農業氣象災害會對糧食產量短期波動產生沖擊作用。因此，為增強糧食供給穩定性，應進一步完善農田水利基礎設施建設，保證農業用水有效供給；建立多層次的農業氣象災害防范和管理體系，提高氣象災害的監測與預報能力；積極研發和培育抗災新品種，增強糧食作物自身的耐旱、耐澇特性，提高糧食作物的抗災穩產能力。

本研究僅從數據上分析了1995—2015年山東省糧食生產時空格局演變規律，但對于這種時空格局變化帶來的更深層次的影響未能展開討論。山東省糧食生產重心的遷移和糧食生產的空間聚集，清晰地預示著區域功能分異的特征，由此產生的經濟和環境影響值得進一步研究。