流向統計法分析中國糧食安全狀況及高標準農田需求預測

王 柳 魏秀菊* 張躍峰 張學軍 趙愛琴 張秋玲 吳政文 陳松云

(1.農業農村部規劃設計研究院，北京100125；2.中國農業工程學會，北京 100125)

習近平總書記提出“必須實施以我為主、立足國內、確保產能、適度進口、科技支撐的國家糧食安全戰略。要依靠自己保口糧，集中中國國內資源保重點，做到谷物基本自給、口糧絕對安全”[1]。中國糧食安全不僅承擔著人口持續增長和食物消費結構升級帶來的需求增加的壓力，而且存在著水土資源約束趨緊和種糧成本增加帶來生產能力不足的風險，中國糧食安全仍面臨諸多挑戰。為了應對挑戰，提高單位面積耕地糧食產量，實現“藏糧于地、藏糧于技”，中國大力推進高標準農田建設。高標準農田是指土地平整、集中連片、設施完善、農電配套、土壤肥沃、生態良好、抗災能力強，與現代農業生產和經營方式相適應的旱澇保收、高產穩產，劃定為基本農田實行永久保護的耕地[2]。高標準農田建設源于土地整治和中低產田改造，為提高糧食產量，改良中低產田取得了較顯著的效果，如石元春、辛德惠等1973年起在黃淮海平原開展的鹽堿地治理，使昔日荒涼的鹽堿灘變成了我國糧食主產區，為此1993年，“黃淮海平原中低產地區農業綜合治理的研究與開發”項目榮獲國家科技進步獎特等獎[3]。1997年中國開始大力推進土地整治工作[4]。2008年國務院政府工作報告[5]中首次提出建設一批高標準農田； 2009年中央一號文件[6]提出加快高標準農田建設；2011年全國“十二五”規劃綱要[7]明確提出大規模建設旱澇保收高標準農田；2012年中央一號文件[8]要求制定全國高標準農田建設總體規劃和相關專項規劃,集中力量加快推進旱澇保收高產穩產農田建設及全面提升耕地持續增產能力；2012年國務院在《全國現代農業發展規劃(2011—2015年)》[9]中提出新建旱澇保收高標準農田4億畝(2 667萬hm2)；2013年國務院批準的《全國高標準農田建設總體規劃(2011—2020年)》[10]，提出了高標準農田建設面積以及單位面積產能的各項指標；2016年中央一號文件[11]強調，到2020年確保建成8億畝(5 334萬hm2)、力爭建成10億畝(6 667萬hm2)集中連片、旱澇保收、穩產高產、生態友好的高標準農田；2018年中共中央、國務院發布的《鄉村振興戰略規劃(2018—2022年)》[12]提出，大規模推進高標準農田建設，確保到2022年建成10億畝(6 667萬hm2)高標準農田；2019年《國務院辦公廳關于切實加強高標準農田建設提升國家糧食安全保障能力的意見》[13]指出，到2020年，全國建成8億畝(5 334萬hm2)集中連片、旱澇保收、節水高效、穩產高產、生態友好的高標準農田；到2022年，建成10億畝(6 667萬hm2)高標準農田，以此穩定保障1萬億斤(5 000億kg)以上糧食產能；到2035年，通過持續改造提升，全國高標準農田保有量進一步提高，不斷夯實國家糧食安全保障基礎。高標準農田建設已經上升為國家戰略。《全國土地整治規劃(2016—2020年)》[14]指出，2011年以來，大力開展高標準農田建設取得了較好成效，建成高標準農田4.03億畝(2 687萬hm2)經整治后的耕地質量平均提高1個等級、畝產平均提高10%～20%，提高了耕地生產能力，新增糧食產能373.68億kg。科研人員圍繞高標準農田的建設前適宜性評價[15-22]、建設后的綜合效益評價[23-28]、高標準農田的判別[29-30]等問題進行了大量的研究，但這些研究大多集中在某一區域，鮮有全國范圍內宏觀尺度上的研究。2022年以后，為保障國家糧食安全，實現“藏糧于地、藏糧于技”的目標，需要建成多少高標準農田，尚未見量化的研究報道。本研究擬基于國家統計局等部門發布的數據，在分析我國糧食安全現狀的基礎上，建立預測模型進行定量研究，預測中國糧食安全需求的高標準農田面積，旨在為中國未來高標準農田建設提供參考，也為相關的宏觀預測提供一種方法。

1 材料和方法

1.1 數據來源及范圍

本研究所用糧食產量等數據來自國家統計局年度數據[31]；糧食進出口數據來自海關總署的統計月報[32]；糧食庫存數據來自美國農業部發布數據[33]；世界各國糧食單產數據來源于世界銀行網站[34]；各省級行政區耕地面積數據來源于自然資源部網站[35]；各省級行政區農業用水量數據來源于水利部《水資源公報》[36-39]。本研究統計數據未含中國香港、澳門、臺灣地區。

1.2 研究方法

1.2.1概念界定、研究假設

概念界定：糧食安全指所有人在任何時候都能通過物質、社會和經濟手段獲得充足、安全和營養食物，滿足其過上積極、健康生活的膳食需要和膳食偏好，包含可供給量、糧食獲取、糧食利用和穩定性4個維度[40]。考慮到數據獲取的復雜性，本研究選擇可供給量這一維度考慮。中國糧食的概念包括谷物、豆類和薯類，是廣義上的糧食概念，其中谷物主要包括稻谷、小麥和玉米三大作物及谷子、高粱等雜糧；豆類包括大豆、蠶豆、綠豆等；薯類包括馬鈴薯、紅薯等[31]。糧食和谷物均用中國關于糧食和谷物的定義，口糧指直接用于主食的糧食種類，主要包括小麥和稻谷[41]。

研究假設：糧食生產受自然、社會和生態條件等多因素影響，其中最重要和直接的影響因素為氣候、耕地及淡水資源。本研究依據及研究假定：1)氣候因素影響不同地區的熟制，從而影響復種指數；2)可建高標準農田面積為現有耕地面積減去2018年已建高標準農田面積(內部數據)；3)由2016至2019年農業用水量數據[36-39]可知，農業用水量在各個省級行政區之間的分配數量不同但分配比例基本穩定，據此假定預測年各省級行政區用水占比同2019年；4)假定糧食需求的缺口由高標準農田建設彌補；5)可建高標準農田面積和農業用水量對于新建高標準農田面積在各省域行政區域分配的影響同等重要，即權重均為0.5；6)未來高標準農田建成后對單位面積產能的提升量與“十二五”期間相同；7)因為高標準農田的建設內容包含“技”，即推廣“良種、良法、良機、良制”，假設科技水平的提升等對糧食增產均賦予高標準農田產量的提升中；8)假設非高標準農田糧食產能維持現有水平，基于此假設的預測偏保守，對最終結果結論將具有更有力的支撐。

1.2.2推求糧食需求量的流向統計法

流向統計法[41]是一種間接推求糧食需求量的方法。糧食去向可分為糧食消費、出口、進口和庫存4個方面，糧食需求量可以通過當年糧食產量加上凈進口量后扣除庫存變化量得出。根據流向統計法[41]，用式(1)和(2)分別計算糧食、谷物和口糧的中國全國年需求量和自給率。

Nij=Pij+Iij-Siji=1，2，3

(1)

Dij=Pij/Niji=1，2，3

(2)

式中：i為1、2、3時分別表示糧食、谷物和口糧；j為年份；Nij為某一年中國全國年需求量，萬t；Pij為某一年中國全國年產量，萬t；Iij為某一年中國全國年凈進口量，萬t，其為負值時表示當年出口量大于進口量；Sij為某一年中國全國倉儲年末變化量，萬t，為正值時表示當年倉儲量增加，為負值時表示當年倉儲量減少，由于中國糧食庫存數據對外保密，本研究的中國糧食庫存數據來源于美國農業部的報告[33]，按通常做法將該報告中的大米庫存數據除以0.7換算成稻谷庫存數據[42]；Dij為某一年自給率，%。

1.2.3糧食、谷物、口糧需求量預測方法

糧食、谷物、口糧需求預測可以用以往歷年的需求量Nij數據繪制散點圖，經分析選用Statistix 9軟件的自相關函數程序進行時間序列數據平穩性檢驗，如果該序列為非平穩性序列，則嘗試運用Statistix 9軟件中的多種模型進行擬合，分析統計量，選出最優擬合模型。當模型的奇異性[Unusualness (Leverage)]小于1，說明預測數據點與建模數據點的一致性較好，預測可信；此外，還結合前人相關研究論證預測的合理性。

1.2.4高標準農田產能和新增需求量預測方法

為了滿足相應年份的糧食需求量，需要了解在現狀糧食生產能力基礎上增加多少產量。糧食生產能力(簡稱“產能”)，是指由資源狀況和經濟、技術條件所決定的，各種生產要素綜合投入所形成的，可以相對穩定實現一定產量的糧食產出能力[43]。由國家統計局數據，2014—2018年5 a來我國糧食產量穩定在1.3萬億斤(6 500億kg)左右[27]，設為現狀糧食生產能力。預測需求量與現狀糧食生產力的差值則為預測年新建高標準農田需新增的產能。

B1j=N1j-P1,2014-2018

(3)

式中：B1j為某一預測年全國新建高標準農田需新增的糧食產能，萬t；P1,2014-2018為現狀糧食生產能力，取2014—2018年糧食產量的平均值，萬t。

因為我國地域遼闊，從南到北存在不同熟制，因而同樣面積的高標準農田分布在不同的區域，其復種指數不一樣，則其增產潛力不一樣。假設未來某一年全國需要新增建設高標準農田面積為Xj，高標準農田的建設受水資源和可建高標準農田面積的制約，根據其影響同等重要的假設，權重均為0.5，則未來某一年各省級行政區新建高標準農田面積如式(4)所示：

xjk=Xj·[0.5(ak-gk2018)/A+0.5wk2019/W2019]

(4)

Xj=∑xjk

(5)

A=∑(ak-gk2018)

(6)

W2019=∑wk2019

(7)

B1j=∑(xjk·M1k·Z1k)

(8)

式中：xjk為未來某一年各省級行政區新增建設高標準農田的面積，萬hm2；k為省級行政區序號；ak為各省級行政區耕地面積[31]，萬hm2；A為全國可建高標準農田的耕地面積，萬hm2；gk2018為各省級行政區2018年已建高標準農田面積(內部數據)，萬hm2；wk2019為各省級行政區2019年農業用水量[39]，億t；W2019為2019年全國農業用水量，億t；M1k為各省級行政區糧食理論復種指數，計算方法下文詳述；Z1k為各省級行政區高標準農田單位面積糧食增產潛力，取值方法下文詳述。由式(3)、(4)代入式(8)則可求得滿足糧食安全要求需新建的高標準農田的面積。

有關研究表明，“十二五”期間不同區域的高標準農田項目區建設后耕地產能提升量不同，其中東北區、黃淮海區、北方區產能提升較高，長江中下游區產能提升居中，西南區和東南區產能提升較低。根據未來高標準農田建成后對單位面積產能的提升量與“十二五”期間相同的假設，本研究各省級行政區的高標準農田單位面積糧食增產潛力取其所在區域平均值，對于沒有數據的區域，遵循地理位置就近取值原則，如：北京、天津取黃淮海區平均值、上海取東南區平均值。

為計算各省級行政區的理論糧食復種指數，根據中國溫度帶及糧食生產熟制區域分布(圖1[44])，在一年一熟區一年最多種一季，因此設在一年一熟區的高標準農田復種指數為1；考慮到耕地非農化、休耕等因素的影響，在“兩年三熟/一年兩熟”區的高標準農田復種指數按保守取值設為1.5；同理，設“一年兩熟/一年三熟”區的復種指數為2，設“一年三熟”區復種指數為2。對于全域在同一熟制區域的省級行政區，取該熟制區域的復種指數。對與跨熟制區域的省級行政區，將中華人民共和國土地利用圖[35]和中國溫度帶及糧食生產熟制區域分布圖在繪圖軟件Photoshop中進行疊加，計算出該省級行政區在不同熟制區域的耕地圖斑像素點數占耕地圖斑總像素點的比例，通過加權平均則可得到跨熟制省級行政區的理論糧食復種指數。

圖1 中國溫度帶及糧食生產熟制區域分布

2 結果與分析

2.1 中國糧食安全現狀

一般認為糧食自給率達到90%為可接受糧食安全水平[41,45]，自給率為95%以上為實現“基本自給”[46]。近年來中國糧食、谷物、口糧產量，凈進口量及年末倉儲變化量和自給率見表1和2。1997—2018年中國糧食、谷物和口糧產量呈增長趨勢，年糧食自給率在86.24%～118.15%波動，1997年糧食自給率最高，之后持續降低，到2003年降到最低，2004年之后在90.46%～97.55%波動，自給率高于90%的可接受糧食安全水平。谷物和口糧自給率分別在88.67%～121.67%和84.25%～123.98% 波動，谷物自給率除2002—2004年以外均保持在95%以上，口糧自給率2006年以來除2012年為98.22%外均保持在100%以上。

表1 1997—2018年中國糧食、谷物、口糧產量、凈進口量及年末倉儲變化量

表2 1997—2018年中國糧食、谷物、口糧自給率

由表1和2可見，自2006年以來，我國守住了“谷物基本自給、口糧絕對安全”的戰略底線。但大部分年份糧食自給率距《國家糧食安全中長期規劃綱要》[47]穩定在95%以上的要求還有差距，近10 a中有8 a糧食自給率在95%以下。隨著人口的增加和人民生活水平的提高，滿足人民對美好生活的向往，必然進一步增加我國糧食產量的總需求。因此，糧食安全問題一刻也不能放松。

2.2 中國未來糧食需求預測

由表1和式(1)計算出的近年歷年糧食、谷物和口糧需求量作散點圖，觀察其形狀，均具有明顯的趨勢，屬于非平穩性序列。運用Statistix 9軟件中自相關函數程序進行時間序列數據平穩性檢驗，進一步證明以上3個數據集均為非平穩性序列。

根據散點圖形狀，糧食和谷物隨年份變化曲線呈S型，故采用S型曲線常用擬合模型Logistic模型進行曲線模擬，結果如圖2和表3所示。與糧食和谷物變化不同，口糧動態變化曲線總體呈現線性增加趨勢，故采用線性回歸模型對其進行擬合。從圖2和表3中擬合結果可知，各模型均通過檢驗，擬合效果很好，其奇異性值 [unusualness (leverage)]均小于1，說明預測數據點與建模數據點的一致性較好，預測可信，但年份越往后，奇異性值越大，遠期預測的準確性降低。

圖2 1997—2018年中國糧食、谷物和口糧需求量與年份的Logistic和線性回歸模型

表3 2020、2025和2030年中國糧食、谷物和口糧需求量預測模型、統計檢驗參數及預測結果

2.3 中國未來糧食需求結果的驗證

本研究預測的糧食、谷物和口糧總需求量(表3)與《中國農業展望報告(2020—2029)》[42]預測值(表4)相比，文獻[42]糧食2020年的預測值在本研究預測值95%的置信區間內，2025年的預測值接近本研究預測值95%的置信區間的上限值；文獻[42]谷物2020年的預測值與本研究預測值95%置信區間的下限值接近，2025年預測值在本研究預測值95%的置信區間內；文獻[42]口糧預測值均在本研究預測值95%的置信區間內，一定程度上說明本研究預測的準確性。《中國農業展望報告(2020—2029)》預測結果是基于中國農產品監測預警系統(CAMES)，模型比較復雜，所需參數較多，本研究的預測基于公開的數據，預測模型相對簡單，預測結果相對可靠，可提供一定的參考。

2.4 高標準農田產能和建設需求量預測

由國家統計局數據[31]可見，近年來，我國糧食播種面積基本保持穩定，中國糧食增產主要是依靠單位面積產量的提升。未來由于城鎮化的發展，耕地面積很難有增長，提高糧食播種面積可能性很小，因此提高糧食單產仍然是滿足未來糧食需求、保障糧食安全的唯一途徑。根據世界銀行數據[34]，2017年中國谷物單產為6 029 kg/hm2，同期世界有代表性的谷物高產國家(荷蘭、愛爾蘭、新西蘭、美國、德國、英國)的平均單產為8 137 kg/hm2，根據各地高產示范結果，全國糧食作物單產可以提升至9 100 kg/hm2[48]，可見，我國糧食單產水平尚有較大增長潛力。由表3可見，未來各年口糧和谷物的需求量均小于糧食的需求量，若能保證糧食的自給率，則通過調整種植業結構，一定也能保證口糧和谷物的需求，即使有部分進口也是出于品種調劑的需要。所以，僅以滿足糧食需求量來預測高標準農田建設需求量。

表4 文獻[42]對2020、2025和2029年中國糧食、谷物和口糧需求量預測結果

由2014—2018年糧食產量計算的現狀糧食生產能力見表5。在不同的自給率下需通過高標準農田建設實現新增糧食產量如表5所示。在保證90%的自給率條件下，現狀的糧食綜合生產能力能滿足未來需求，即2018年已建成的高標準農田面積能滿足未來10 a保障基本糧食安全的需要。在保證95%糧食自給率的條件下，2020、2025、2030年的缺口分別為3 098、3 435、3 484萬t，通過新建高標準農田提高糧食產量彌補缺口。

表5 糧食綜合生產能力現狀與不同糧食安全自給率需新增糧食生產能力

我國各省級行政區的耕地面積、2019年農業用水量、單位面積現狀產能(簡稱單產現狀)和按照1.2.4節方法計算出的復種指數如表6所示。由表5 和6的數據和各省已建高標準農田面積，聯立式(3)～(8)，可以計算出未來需建成的高標準農田面積如表7所示。95%自給率條件各預測年需新建高標準農田面積加上2018年已建成的面積，則2020、2025、2030年需分別建成高標準農田6 844、7 125、7 165萬hm2(10.27、10.69、10.75億畝)。

3 討 論

3.1 假設對結論的支持作用

因為高標準農田建設的內容包含“技”的內容，論文假設將科技水平的提升等對糧食增產均賦予高標準農田產量的提升中，而假設非高標準農田產能維持在現有水平，實際在非高標準農田上也有品種更新等技術進步和關鍵技術突破帶來的增產潛力，本研究忽略該項，若將這些因素考慮進去，則中國的糧食安全將更有保障，所以，本研究非高標準農田產能維持在現有水平的假設對研究結論有更好的支撐作用。

3.2 非糧化問題

目前耕地上存在一定的“非糧化”問題，在經濟發達地區這一現象尤為嚴重，這將影響到高標準農田的糧食復種指數，有研究表明[49]，目前浙江嘉善縣永久基本農田“非糧化”比例為8.15%，尚未引起重大影響，但應當引起重視。目前尚無全國的高標準農田“非糧化”比例的數據，無法對“非糧化”的影響進行精確估計，故本研究在不同熟制區域復種指數的取值上進行了保守估計。《國務院辦公廳關于切實加強高標準農田建設提升國家糧食安全保障能力的意見》[13]指出，建設高標準農田是要推動藏糧于地、藏糧于技，以提升糧食產能為首要目標，要依法嚴管，良田糧用，建立健全激勵和約束機制，支持高標準農田主要用于糧食生產，而且國家正在調整政策，如鼓勵恢復早稻生產。2020年早稻生產恢復情況良好。2020年9月14日自然資源部辦公廳、農業農村部辦公廳、國家統計局辦公室聯合印發通知，部署開展省級政府耕地保護責任目標履行情況自查工作，要求提前研判“十三五”期間的耕地與永久基本農田保護目標完成情況，梳理耕地“非農化”“非糧化”情況，分析存在的突出問題并提出改進的意見建議與政策措施[50]。建成高標準農田，實現“藏糧于地、藏糧于技”，在極端情況下可以通過政策等調節手段使“非糧化”的高標準農田恢復糧食生產。

表6 各省耕地面積、農業用水量、單產現狀和復種指數

表7 95%自給率條件下2020、2025和2030年需建成高標準農田總面積預測

3.3 高標田區域產量差異化問題

相同面積的高標準農田分布于不同的區域其增產潛力不同，考慮到高標準農田“非糧化”及休耕等因素影響，在“兩年三熟/一年兩熟”區、“一年兩熟/一年三熟”區、“一年三熟”區復種指數分別取了1.5、2和2，進行了保守估計。對于跨熟制區的省份的高標準農田的復種指數估計理應根據可建高標準農田耕地在各個熟制區的分布比例進行加權平均，但因可建高標準農田耕地面積分布沒有相關數據，故退而求其次，用各省耕地面積在不同熟制區的分布比例進行加權平均，這種處理可能會對研究結果產生一定的影響，需待全國已建高標準農田分布數據“上圖入庫”工作全面完成后再進行精確分析。

3.4 飲食結構的變化對糧食需求的影響

隨著人們飲食結構的改變，對肉蛋奶的需求量增加，從而對飼料糧的需求量增加，人均對口糧的需求量減少，考慮到豬、牛、羊、肉雞、蛋雞的料肉比一般大于2，魚的料肉比也在1.8左右，因此未來人均對糧食的需求量總體呈上升趨勢。本研究對于糧食需求量的預測采用的是時間序列外推法，已將人們飲食結構隨時間序列的變化考慮在內了，因此結果相對準確。

4 結 論

在本研究假設條件下得到如下結論。

1)中國糧食生產現狀表明近年來中國糧食、谷物和口糧產量呈增長趨勢；1997—2018年以來糧食、谷物和口糧的自給率分別在86.24%～118.15%、88.67%～121.67%、84.25%～123.98%；2006年以來中國守住了谷物基本自給、口糧絕對安全的戰略底線,但糧食自給率距國家糧食安全中長期規劃綱要中穩定在95%以上的要求仍有差距，糧食安全風險仍不能忽視。

2)建立了我國糧食、谷物和口糧預測模型。根據模型預測，2020、2025、2030年中國糧食需求量分別為72 318、72 673、72 724萬t，其95%的置信區間分別為67 231～77 405、67 186～78 161、67 146～78 301萬t；谷物需求量分別為67 898、68 251、68 301萬t，其95%的置信區間分別為63 236～72 560、63 244～73 257、63 217～73 384萬t；口糧需求量分別為32 811、33 863、34 914萬t，其95%的置信區間分別為30 373～35 249、31 261～36 464、32 110～37 719萬t；統計分析和與前人研究對比表明預測可信。

3)現狀糧食綜合生產能力為65 604萬t，結合未來糧食需求量,綜合考慮各地區可建高標準農田面積和農業用水量約束以及復種指數，預測未來需新建高標準農田面積。90%的自給率條件下，2018年已建成的高標準農田能滿足需求；95%自給率條件下2020、2025和2030年分別需建成6 844、7 125、7 165萬hm2(10.27、10.69和10.75億畝)。研究結果證明《鄉村振興戰略規劃(2018—2022年)》提出的“到2022年建成10億畝(6 700萬hm2)高標準農田”的指標的合理性，同時也為2022年之后的高標準農田建設面積規劃提供參考。