福建省農作物種植面積和產量變遷的特征分析

林霜霜 陸佩蘭 張海峰 葛慈斌 陳雙龍

（1 福建省農業科學院農業生物資源研究所，福州 350003；2 福建省種子總站，福州 350003）

糧食是影響國家安全、政治穩定、經濟發展和社會和諧的重要戰略物資，在人類生活中屬于必需品，是一個國家能夠可持續發展的重要物質基礎[1]。黨的十九大報告明確提出要“確保國家糧食安全，把中國人的飯碗牢牢端在自己手中”。數據顯示，隨著中國人口增長和消費提升，糧食出現巨大缺口。2021 年我國糧食進口1.65 億t，創歷史新高；近20年來，我國糧食進口量增長了800%，已成為全球第一大糧食進口國。然而，隨著自然和社會等眾多因素的影響，農作物種植面積和產量正快速變化，這對保障糧食安全與穩定提出了巨大挑戰。農業種植是一個高度復雜的綜合體，農作物的生長受到自然因素的影響，如光照、水分、溫度、地形和養料等。農業是我國經濟和產業的基礎，其生產過程也是經濟的再生產過程，因此，它的活動和發展也必然受到非自然性因素的支配，主要包括歷史因素、人口與耕地變化、經濟發展、社會因素、科學技術和環境因素等[2]。

面對農業種植的復雜性，研究農作物種植結構的時空動態變化是十分必要的。農作物時空分布信息反映了人類在空間上利用農業生產資源的狀況，也是農業生態系統格局與功能、陸地生態系統循環、全球變化對農業影響等研究的重要基礎，對保障國家糧食安全和農業資源環境研究具有十分重要的意義[3-7]。地理信息系統（GIS）憑借其特有的空間信息管理與數據處理分析功能成為農業信息化及現代化強有力的分析和決策輔助工具[8]，在現代農業中的運用有效解決了農業生產過程中出現的各種動態問題，并且在技術層面有效推進了現代化農業的可持續發展[9]。諸多學者結合GIS 手段對農作物種植結構做了大量研究。例如，劉珍環等[10]綜合運用時序變化趨勢、空間集聚分析等方法，分析了1980-2011 年中國農作物種植結構時空變化；高軍波等[11]以縣域為研究單元揭示了河南省農作物生產空間及專業化演變趨勢；宋桂琴等[12]分析了遼寧省農作物種植結構時空變化特征；曹丹[13]對東北三省水稻種植面積及產量空間格局變遷進行了分析。現有研究對揭示中國農作物生產空間格局變化、解決目前農業生產存在的問題具有重要意義，但針對福建省農作物種植結構的時空變化研究尚少。本研究以福建省為研究區域，收集1956 年、1981 年和2014 年縣級農作物統計數據，運用數理統計和GIS 空間分析方法，探究農作物種植面積及農作物產量在時間和空間上的變化特征，為福建省農作物種質資源保護和利用提供依據，對于指導農業生產、實現區域農業以及社會經濟的可持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況福建省位于我國東南沿海，地處23°30′～28°22′N、115°50′～120°40′E 之間，年平均氣溫15.0～21.7℃，平均降雨量1400～2000mm，是中國雨量最豐富的省份之一。福建省屬于亞熱帶海洋性季風氣候，由于境內山巒起伏，地形復雜多樣，受地形等非地帶性因素的影響，水熱條件的區域差異以及垂直分布較為明顯，從而形成了多種多樣的局部小氣候。福建省土地總面積約為12.4 萬km2，其中山地丘陵約占80%。福建省統計年鑒數據顯示，截至2020年，福建省農作物播種面積為168.200 萬hm2，其中糧食作物為83.443 萬hm2，經濟作物為84.757 萬hm2。

1.2 數據來源本研究采用的數據來自福建省農業科學院“第三次全國農作物種質資源普查與收集行動”項目組，包含1956 年、1981 年和2014 年福建省各縣不同農作物種植面積和產量數據。在福建省種植的農作物中，糧食作物主要有水稻、大豆、小麥、大麥和甘薯，經濟作物主要有茶樹、甘蔗、花生、蘿卜和油菜。選取福建省種植面積較大的5 種主要農作物（水稻、甘薯、大豆、花生、茶樹）進行時間和空間上的比較分析，以了解福建省這幾種農作物時間空間變化特征。

1.3 研究方法采用標準差橢圓從縣域角度分析不同時期福建省主要農作物的空間分布特征和重心遷移情況。其構成要素包括重心、長半軸、短半軸和旋轉角等。重心（平均中心）是度量地理實體空間分布的一個指標，用于識別一組要素的地理中心（或密度中心），其計算公式如下。

式中：xi和yi是要素i的坐標，n為要素總數，wi為要素i處的權重，權重wi由屬性數據計算得出，，pi為第i個空間對象的屬性值。橢圓的長半軸表示的是數據分布的方向，短半軸表示的是數據分布的范圍，長短半軸值的差距越大（扁率越大）表示數據的方向性越明顯，本研究長短半軸以十進制度值表示。旋轉角變化表示數據空間分布的長半軸方向變化。當農作物的種植面積和產量重心沿某一方向移動時表示該作物的整體生產朝該方向移動。

農作物不同時期種植面積和產量在空間上的變遷特征通過重心模型來計算，通過計算可以得到農作物重心轉移的距離和速率，其中距離的計算公式如下。

式中：（xa，ya）表示農作物在a時的種植面積或產量重心坐標，（xb，yb）表示農作物在b時的種植面積或產量重心坐標。重心遷移速率的計算公式如下。

式中：d為重心遷移的距離，a和b分別代表遷移前后的時間。農作物重心遷移的距離和速率可表示作物遷移變化中的劇烈程度。

2 結果與分析

2.1 福建省主要農作物種植面積和產量時間變化特征分析

2.1.1 福建省主要農作物種植面積時間變化特征分析1956 年、1981 年和2014 年福建省主要農作物種植面積（圖1a）顯示，水稻是福建省的主要糧食作物，但近年來種植面積下降明顯，經濟作物花生和茶樹種植面積具有上升趨勢。具體而言，大豆種植面積總體波動不大，在2014 年達到7.3 萬hm2。甘薯種植面積總體呈下降趨勢，由1956 年的27.4 萬hm2降低到2014 年的16.2 萬hm2，下降幅度達到40.88%。水稻種植面積呈現先上升后下降的特征，較1956 年總下降幅度達到44.49%。花生和茶樹種植面積在3 個年份中都呈上升的趨勢，其中花生上升幅度為46.77%，茶樹上升幅度更是高達620.69%。

2.1.2 福建省主要農作物產量時間變化特征分析1956 年、1981 年和2014 年福建省主要農作物產量（圖1b）顯示，甘薯和水稻在農作物總產量中占據明顯優勢，經濟作物花生和茶樹產量呈逐年上升的趨勢，這和其種植面積的增加有著密切的聯系。具體而言，大豆、花生和茶樹產量在3 個年份間都呈現逐年上升的趨勢，大豆產量上升幅度為316.67%，花生產量上升幅度達到178.95%，茶樹產量上升幅度高達1763.16%。甘薯和水稻產量都呈現先上升后下降的特征，但總體呈下降趨勢，甘薯產量下降幅度為17.97%，水稻產量下降幅度為8.18%。

圖1 福建省主要農作物種植面積和產量時間變化

2.2 福建省主要農作物種植面積空間變遷特征分析

2.2.1 福建省主要糧食作物種植面積空間變遷特征分析 大豆從福建省各縣（市、區）1956 年、1981 年和2014 年大豆種植面積（圖2a）可以看出，大豆種植面積總體空間變化不大，主要種植區位于福建省西部以及中北部和沿海幾個縣（市、區）。截至2014 年，大豆種植面積在3000hm2以上的縣（市）有7 個，分別為寧化縣、尤溪縣、惠安縣、云霄縣、漳浦縣、邵武市和建甌市。

甘薯從福建省各縣（市、區）1956 年、1981年和2014 年甘薯種植面積（圖2b）可以看出，甘薯種植面積呈逐漸下降的趨勢，1956 年甘薯主要種植區位于福建省東北部和中部地區，閩西北地區種植面積相對較少，到2014 年甘薯種植在福建省分布相對均衡，種植面積在10000hm2以上的區縣只有2個，分別為福清市和惠安縣。

水稻從福建省各縣（市、區）1956 年、1981年和2014 年水稻種植面積（圖2c）可以看出，水稻種植面積具有明顯的波動，總體呈現先上升后下降的特點，1981 年水稻種植面積在40000hm2以上的區縣有7 個，而到2014 年這一數字為0。福建省的中北部和西南部是水稻主要的種植區，其占比在不同歷史時期都處于較高水平。

2.2.2 福建省主要經濟作物種植面積空間變遷特征分析 花生從福建省各縣（市、區）1956 年、1981 年和2014 年花生種植面積（圖2d）可以看出，花生整體種植面積呈現逐漸上升的趨勢，且具有分布不均衡的特點，主要種植區位于福建省沿海地區，但花生種植有逐漸向內陸地區擴散的趨勢。截至2014 年，福建省花生種植面積達到4000hm2縣（市、區）有7 個，分別為福清市、惠安縣、秀嶼區、漳浦縣、南安市、仙游縣和平潭縣。

茶樹從福建省各縣（市、區）1956 年、1981年和2014 年花生種植面積（圖2e）可以看出，茶樹種植面積在3 個年份間呈逐漸上升的趨勢，且具有由區域性種植向全省擴散的特點，主要種植區位于福建北部和中部的部分縣（市、區），其中安溪縣、福安市和福鼎市是福建省茶樹種植的主要地區。

圖2 1956 年、1981 年、2014 年福建省主要農作物種植面積空間變化

2.3 福建省主要農作物種植面積和產量空間重心遷移分析

2.3.1 福建省主要農作物種植面積重心遷移分析

采用標準差橢圓對1956 年、1981 年和2014 年福建省主要農作物種植面積變遷進行分析（表1，圖3a）可以發現，從1956 年到2014 年福建省主要農作物種植面積的重心都有向福建省地理重心遷移的趨勢。其中，花生和茶樹的變化過程最為明顯，1956 年花生和茶樹的種植面積重心分別位于福建省的東南部和東北部，并且它們標準差橢圓的方向性十分明顯，而到2014 年它們的重心靠近福建省中部且方向性特征明顯減弱。

表1 種植面積標準差橢圓參數

水稻和大豆的種植面積重心在1956 年、1981年和2014 年3 個年份中變化不明顯，且都靠近于福建省的地理重心，說明水稻和大豆的種植在福建省種植分布相對均衡，地域差異性不明顯，其重心遷移距離分別為21.37km 和6.49km。甘薯種植面積的重心有從福建省的中東部向中部遷移的特征，有從東南部的沿海部分地區向全省擴散的趨勢，其遷移距離為35.04km，遷移速率達到0.604km/年。1956年和1981 年花生種植面積的重心靠近福建省的東南地區，而到2014 年其重心也靠近福建省的地理重心，說明花生的種植在福建省也趨向于均衡，其遷移距離為42.17km，遷移速率為0.727km/年。同樣的，茶樹種植面積的重心由福建省的東北部逐漸向福建省地理重心靠近，遷移距離達到68.19km，遷移速率達到1.176km/年，其種植從區域化優勢轉到全省全面種植。

2.3.2 福建省主要農作物產量重心遷移分析采用標準差橢圓對1956 年、1981 年和2014 年福建省主要農作物產量變遷進行分析（表2，圖3b），發現產量變遷過程和種植面積變遷具有很大的相似性，說明耕地面積是保障農作物產量的必要條件，福建省農作物產量對農作物種植面積有較高的依賴性。

圖3 福建省主要農作物種植面積和產量標準差橢圓圖

表2 產量標準差橢圓參數

2.4 福建省主要糧食作物和經濟作物變遷特征對比分析通過對福建省主要農作物進行數理統計和重心遷移度量發現，糧食作物和經濟作物變遷特征存在較大的差異。從種植面積和產量來看，糧食作物依然在農作物中占主體地位，尤其體現在水稻的種植和產量方面。但受到農業發展政策、市場經濟和自然等因素的影響，糧食作物種植面積和產量從1956 年至2014 年總體呈現下降的趨勢，與之對應的經濟作物則呈逐漸上升的趨勢，尤其是茶樹的種植，其已成為福建省重要的經濟作物。從重心遷移的角度來看，糧食作物總體的遷移特征不明顯且靠近于福建省的地理重心，經濟作物在遷移距離和遷移速率上都比糧食作物要更明顯且都有向福建省地理重心靠近的趨勢。

3 結論與討論

福建省農作物種植面積和產量在1956-2014年間出現明顯波動，本研究基于GIS 理論，并結合數理統計的方法，定量化計算與可視化展示了福建省1956 年、1981 年和2014 年大豆、甘薯、水稻、花生和茶樹的種植面積和產量空間重心遷移，可為福建省農作物種植結構調整提供依據，進而提高福建省農業綜合生產能力。

通過分析可以發現：（1）1956-2014 年福建省主要糧食和經濟作物在時間和空間上都發生了比較明顯的波動。福建省主要糧食作物的種植面積和產量大體呈現先上升再下降的趨勢，經濟作物的種植面積和產量呈持續上漲的特征，其中茶樹種植面積和產量的變化最為明顯。（2）通過對福建省主要農作物種植面積和產量進行空間重心遷移分析發現，福建省主要糧食和經濟作物種植面積和產量重心都有向福建省地理重心遷移的趨勢，區域性差異正逐漸降低。（3）對福建省主要農作物遷移特征進行度量發現，茶樹種植面積和產量重心遷移的距離最遠，大豆和水稻種植面積和產量重心變化最小。總體來看，經濟作物的重心變遷比糧食作物變遷過程明顯。

農作物種植面積和產量的變化是政策、社會經濟、氣候變化等多重因素共同造成的。首先，從國家政策的角度來看，20 世紀80 年代初，我國實行了家庭聯產承包責任制，農業生產積極性空前高漲，促進了農作物，尤其是糧食作物種植面積和產量的雙增；進入21 世紀以來，受“一村一品”產業發展等政策影響，農作物種植結構發生變化，影響了糧食與經濟作物種植的比例。其次，從社會經濟的角度來看，城市化發展導致大量務農者涌向城市，出現棄耕和土地流轉現象，土地流轉出去后，轉入農戶普遍優先考慮經濟效益，而種糧效益相對較低，導致種糧意愿減少，經濟作物種植面積得到增長。其三，福建地勢不利于農業機械化發展，規模化成本高、效益低，從而影響農作物的種植。此外，如降水、積溫等氣候變化也會影響種植業的產量，導致空間轉移和重心遷移。

福建省“八山一水一分田”，農業集約化程度較高，資源、生態、環境與人口、產業、經濟的矛盾長期持續。為此，如何在保持人口和經濟增長的同時進一步鞏固農業的基礎地位，穩定農產品供應水平，是值得各領域共同探討的命題。本研究以福建省1956 年、1981 年和2014 年的農作物統計數據為基礎，在時間上分別代表了改革開放前、改革開放初期和近年來農作物種植情況，研究結果對其他地區的農業種植結構發展具有一定的借鑒意義，下一步將對福建省農作物種植結構變化的影響因素進行更深入、具體的研究。