多尺度耕地利用時空變化及糧食生產影響研究

謝士琴 張朔

(1.中國軟件評測中心，北京 100846；2.北京理工大學，北京 100081)

引言

耕地是農業之基,產糧之本,對糧食安全起到決定性的保障作用[1,2]。然而隨著人口增加、城市擴張、建設用地占用耕地、土地質量下降等原因[3],耕地也隨之發生變化,這為農業發展和糧食生產帶來了巨大影響。近年來利用空間統計方法及回歸分析研究耕地面積與糧食產量的關系發現,耕地數量和質量變化對糧食產出起著關鍵性的作用[4-6]。此外城鎮快速發展對農作物需求增加而導致耕地利用方式和種植結構發生較大變化,這對糧食生產影響也日益明顯[7,8]。

河南省作為我國的農業大省和人口大省,其農業的健康持續發展對國家社會和經濟的穩定發展影響重大。但是近年來隨著人口快速增長,導致河南省對糧食需求不斷增加,同時工業化和城鎮化加快導致耕地面積減少,對糧食生產安全性提出挑戰。目前,有不少學者利用耕地面積和耕地產量變化等因素對其耕地情況進行了研究,但是利用近10a 的最新數據和不同尺度空間信息相結合的時空變化研究較少,此外選擇不同的多因素指標對河南耕地分布變化和糧食生產影響進行綜合分析還有待進一步研究[9,10]。因此,本研究以河南省耕地為研究對象,從省域—區域—市域多個尺度出發,選取耕地變化和耕地生產多因素指標來作為河南省耕地分布變化和影響效應指標,分析2006—2017 年不同時空格局耕地利用變化對其糧食生產的影響與變化規律,為不同區域因地制宜地開展耕地優化布局和糧食生產動態調控提供技術參考及決策依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源與處理

本研究耕地變化及生產相關數據來源于2006—2017 年河南省統計年鑒、河南農村統計年鑒及各地市統計年鑒。河南省下轄17 個省轄市、1 個省直管市,分為豫北地區、豫東地區、豫中地區、豫西地區和豫南地區,河南省區域分布如圖1 所示。其中,豫北地區包括濟源市、焦作市、新鄉市、鶴壁市、濮陽市、安陽市,共6 個市；豫西地區包括洛陽市、三門峽市,共2 個市；豫東地區包括周口市、商丘市、開封市,共3 個市；豫中地區包括鄭州市、漯河市、許昌市、平頂山市,共4 個市；豫南地區包括南陽市、信陽市、駐馬店市,共3 個市。本研究以河南省分區為單位進行區域尺度的對比研究,各區包含的行政地域范圍在圖1 中進行了標注。

1.2 耕地生產和耕地變化指標計算

本文選取耕地生產指標和耕地變化指標來作為河南省耕地分布變化和影響效應研究指標。其中,耕地生產指標包括耕地面積、復種指數、糧播比、糧食單產；耕地變化指標包括最小人均耕地面積和耕地壓力指數。各指標具體計算情況如下。

1.2.1 耕地生產指標

糧食生產的耕地因素可以根據耕地利用的規模、程度、結構和強度分別分解為耕地面積、復種指數、糧食單產和糧播比4 個因素,這4 個因素都對糧食總產量有直接影響,且反映了耕地利用數量、種植結構、投入強度和自然條件等對糧食生產的綜合影響[11]。糧食總產量的測算方法與4 個因素的關系計算公式:

式中,P為糧食總產量,萬t；L為耕地面積,hm2；CI為復種指數,kg·hm-2；S為糧播比(農作物播種面積與耕地面積之比)；Y為糧食單產(糧食播種面積占農作物總播種面積之比)。

1.2.2 耕地變化影響指標

1.2.2.1 最小人均耕地面積

最小人均耕地面積指在一定地域范圍內和一定糧食自給水平以及耕地生產力條件下,為了保障人口正常生活水平的糧食消費所需要的耕地面積[12],計算公式:

式中,S最小為最小人均耕地面積,hm2/人；β為食物自給率,%,參考李治國等[13]的研究β取值為100%；Gr為人均糧食需求量,kg/人,根據唐華俊等[14]和羅海平等[15]的研究,2006—2009 年人均糧食需求量約為405kg/人,2010—2017 年人均糧食需求量約為420kg/人；P為糧食單產,kg·hm-2；q為糧播比；k為復種指數。

1.2.2.2 耕地壓力指數

耕地壓力指數是指最小人均耕地面積和實際人均耕地面積之比[12],主要用于反映研究區域內耕地資源的稀缺程度和糧食安全壓力。計算公式:

式中,K為耕地壓力指數；S最小為最小人均耕地面積,hm2/人；S為人均耕地面積,hm2/人。本研究根據K值范圍將耕地壓力等級劃分為4 個等級,當K ＜0.9 時,處于安全壓力區；當0.9 ≤K ＜1.1 時,處于安全臨界區；當1.1 ≤K ＜1.5 時,處于輕度壓力區；當1.5 ≤K ＜2 時,處于中度壓力區；當K≥2 時,處于重度壓力區。

2 耕地時空變化分析

2.1 時序變化分析

根據2006—2017 年河南省耕地面積變化曲線(如圖2a) 分析可知,2006—2008 年河南省耕地面積維持在720 萬hm2,至2009 年變為819.2 萬hm2,耕地面積變化較大,其原因在于2008 年及以前年份耕地面積為年底常用耕地面積,2009 年統一變為第2 次全省土地調查數據,2010 年以后數據按2009 年數據口徑統計。2010 年之后耕地面積緩慢減少,到2017年減少到811.2 萬hm2,2017 年相比2009 年共減少了7.973 萬hm2。

根據2006—2017 年河南省糧播比變化曲線(如圖2b) 分析可知,2006—2017 年糧播比總體處于0.66～0.75。2006—2007 年糧播比有所下降,在2007年達到最小值0.66,2007—2016 年期間穩定增長,其年平均增長率為1.43%,在2016 年達到最大值0.75,而2017 年略有下降。整體綜合分析,2017 年相比2006 年糧播比增加了9.66%。

根據2006—2017 年河南省復種指數變化曲線(如圖2c) 分析可知,2006—2017 年復種指數總體處于1.75～2.01。2006—2009 年復種指數處于增加階段,在2008 年達到最大值2.01,2008 年和2009 年有所下降,這與耕地面積統計口徑改變有一定關系,2009—2016 年處于增加階段,2017 年略有下降。

根據2006—2017 年河南省糧食單產變化曲線(如圖2d) 分析可知,糧食單產整體呈現增長趨勢。2017 年比2006 年增長10.54%,其中2006—2009 年緩慢增長,2015 年增長迅速,同比增長4.56%,2016年有所下降,同比減少2.21%,2017 年處于增長狀態,同比增長3.39%。

2.2 空間變化分析

2.2.1 耕地面積變化分析

根據2006—2017 年河南省各市耕地面積統計圖(如圖3a) 分析可知,河南省主要耕地面積分布于豫南的南陽市、駐馬店市、信陽市和豫東的周口市、商丘市,5 個市共占全省耕地面積的50%以上,其中南陽市占據河南省耕地面積第1 位,濟源市的耕地面積最少。河南省各市2006—2017 年的耕地面積除南陽市、駐馬店市以及信陽市面積在2009 年有一定程度的增加外,其余各市耕地面積變化均不明顯,維持在相對穩定的范圍內。

2.2.2 糧播比變化分析

根據2006—2017 年河南省各市糧播比統計圖(如圖3b) 分析可知,河南省各市2006—2017 年的糧播比整體上處于增長趨勢,表明糧食播種所占比重增加,其中鶴壁市糧播比位居河南省第一,開封市糧播比最低。根據2006 年和2017 年河南省糧播比分區分布圖,如圖4 可以看出,河南省各區域糧播比整體均有所上升,尤其是豫北和豫中地區優勢明顯。2006 年豫北地區的鶴壁市糧播比全省最高超過0.80,豫北地區其它5 個市糧播比都在0.70～0.80 范圍內；至2017年豫北地區糧播比大幅提升,除安陽市糧播比未超過0.80 外,其余市的糧播比均超過0.80。

2.2.3 復種指數變化分析

復種指數反映耕地的利用程度,根據2006—2017年河南省各市復種指數統計圖(如圖3c) 分析可知,開封市、漯河市、商丘市和周口市的復種指數接近200%,鄭州市和信陽市接近150%,三門峽市和濟源市低于150%,其它地市的復種指數介于150%～200%。根據2006 年、2017 年河南省復種指數分區分布圖(圖5) 可以看出,豫東地區和豫南地區的復種指數相對較高。豫東地區的周口市復種指數在2006年處于1.90～2.00,2017 年復種指數上升明顯高于2.00,屬于全省最高；豫南地區南陽市、駐馬店市復種指數2006 年和2017 年均超過1.80,而信陽市復種指數相對較低,不足1.60。豫北地區2006—2017 年復種指數整體上升明顯。豫西地區和豫中地區復種指數整體有所下降。

2.2.4 糧食單產變化分析

糧食單產反映了耕地利用集約化的程度和強度,根據2006—2017 年河南省各市糧食單產統計圖(如圖3d) 分析可知,河南省各市2006—2017 年的糧食單產整體處于穩步增長趨勢,其中焦作市糧食單產最高,年均超過7000kg·hm-2。根據2006 年、2017 年河南省糧食單產分區分布圖,圖6 可以看出,河南省糧食單產整體而言東部地區比西部地區要高,2006 年和2017 年豫北地區和豫東地區糧食單產一直居于全省前列。豫北地區2017 年糧食單產較2006 年有了大幅提升,大部分市都超過了6000kg·hm-2。豫東地區相對穩定,豫中和豫西地區2006—2017 年糧食單產變化不大。豫南地區部分城市糧食單產有所增加。

3 耕地變化的影響效應分析

河南省人均耕地面積和耕地壓力指數統計,如圖7 所示,2006—2017 年河南省人均耕地面積處于0.070～0.080hm2/人,最小人均耕地面積處于0.05～0.06hm2/人。人均耕地面積和最小人均耕地面積變化趨勢基本一致,在2006—2008 年略有減少,2009 年增加明顯,2010 之后平緩減少。根據最小人均耕地面積計算得出河南省耕地壓力指數,2006—2017 年河南省耕地壓力指數處于0.60～0.80。從變化趨勢上,2010 年以后耕地壓力指數整體處于下降趨勢,在2015 年以后略有上升。

根據耕地壓力指數值進行等級劃分,2006—2017年河南省耕地壓力指數等級分布圖如圖8 所示。2006—2017 年豫東地區和豫南地區的耕地壓力指數一直處于安全壓力區。豫北地區只有濟源市耕地壓力指數處于輕度壓力區,其余5 市均為安全壓力區。豫西地區的洛陽市處于輕度壓力區,三門峽市由中度壓力區變為輕度壓力區,整體上比其它地區的耕地壓力指數要高。豫中地區的鄭州市由中度壓力區變為重度壓力區,平頂山市一直處于安全臨界區,其余市均處于安全壓力區。

4 結論與討論

本文通過對2006—2017 年河南省耕地利用時空格局變化及其影響效應分析,得出以下結論。

河南省耕地面積呈現緩慢減少的趨勢,這與人口增加、城市建設擴張、基礎設施建設等有關,耕地面積的減少會引起耕地壓力的增加,糧食產量的減少,帶來糧食生產的不穩定性,因此需要嚴格控制耕地面積,保障糧食生產安全。另外,河南省耕地分布不均,豫東地區和豫南地區占據全省耕地面積50%以上,可以充分挖掘這2 個地區的耕地生產潛力,同時及時補充減少的耕地面積,以維持河南省整體糧食生產的穩定性。

河南省豫東地區和豫南地區(除信陽市) 復種指數較高,整體耕地利用程度較好,信陽市耕地面積在全省排名第4,但復種指數不高,耕地利用還有較大的提升空間。豫中地區和豫西地區部分地市復種指數明顯減少,這與城市化發展和農業生產結構發生調整有關,因此還需充分合理地利用耕地,協調城市發展和耕地保護,調整種植結構,優化農作物品種,提高耕地的復種指數。

河南省糧食單產總體上處于穩步增加的狀態,但由于各個區域耕地情況、農業基礎、技術投入、氣候環境等各不相同,各個區域的糧食單產數量各不相同。其中,豫北地區、豫東地區、豫南地區的糧食單產較高,豫西地區和豫中地區較低,需要因地制宜地進行農業基礎和科技力量的投入,加大推廣優質高產糧食品種,加強農作物病蟲害防控,不斷穩步提高糧食單產。

通過分析河南省最小人均耕地面積和耕地壓力指數發現,部分城市耕地壓力指數較高,鄭州市、洛陽市、平頂山市、三門峽市和濟源市均高于全省水平。省會城市鄭州市由于城市快速發展,人口增加,耕地減少,耕地壓力指數已處于重度壓力區。因此需要通過提高糧食單產和糧播比、增加復種指數來減小最小人均耕地面積,通過合理控制人口增長和嚴格控制耕地面積來保證人均耕地面積數量,從而有效降低耕地壓力指數。