近30年全國棉花生產區域時空變化及區域優勢分析

張 泓,吐爾遜江·買買提,張少民,張軍高,周小云

(1.新疆農業科學院核技術生物技術研究所/新疆作物化學調控工程技術研究中心,烏魯木齊 830091;2.新疆農業科學院經濟作物研究所,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】棉花是關系國計民生的重要物資[1]。近年來,棉花已成為西北內陸地區最主要的經濟作物之一。2021年全國棉花播種面積已達3 028.1×103hm2,總產量為573.1×104t,新疆棉花播種面積為2 506.1×103hm2,總產量為512.9×104t,其播種面積占全國棉花總播種面積的82.76%,而總產量占全國棉花總產量的89.46%。分析全國棉花生產布局和變遷特征變化,對優化區域棉花生產布局具有實際意義。【前人研究進展】鄒曉蔓等[2]采用變化幅度、集中度、重心遷移、總產量貢獻率和優勢度等指標,研究了全國甘蔗生產時空變化和區域優勢。楊萬江等[3]運用區域重心分析法測定并描繪全國水稻生產空間布局變遷軌跡,應用空間計量經濟學方法實證分析水稻生產空間布局變遷影響因素。劉杰安等[4]采用總產量貢獻率、重心遷移、比較優勢指數等指標,分析了全國棉花生產時空變化規律與區域優勢。方超[5]運用生產集中度指數、比較優勢指數法和區域重心分析法對馬鈴薯生產空間布局變遷進行了分析。【本研究切入點】目前有關產業重心變化規律和特征成為棉花生產空間變化的關鍵因素但鮮見文獻報道。而農作物產業相關的方法對小麥、水稻等生產時空變化的已有文獻報道,近年有關全國各省(市、區)為研究單元的棉花生產時空變化的相關報道較少。【擬解決的關鍵問題】基于1991～2020年全國棉花生產的面板數據,以全國主要棉花種植省(市、區)為研究基本單元,采用Excel 2010和GraphPadPrismv5.0數理統計軟件分析棉花總產量變化、單產、播種面積變化,研究全國棉花生產的時空特征和區域分布,分析全國棉花生產的時空特征和區域分布特征,為制定科學合理的棉花生產布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究以全國主要棉花種植省(市、區)為研究單元,棉花面板數據來源于《中國統計年鑒》(1990-2021年)。

1.2 方 法

1.2.1 數據處理

參照汪若海等[6]方法,將全國棉花種植區劃分為長江流域棉區、黃河流域棉區和西北內陸棉區為基礎,選取全國和各省(市、區)的棉花總產量、播種面積、單產等三項指標為研究對象,參照劉東[7]等方法對總產和單產指標進行3年為周期的移動平均處理,采用2001～2003年的總產量平均值來代替2002年數據,計算和調整得到研究本底數據。采用GraphPad PrismV5.0軟件對數據可視化分析全國棉花生產時空演化特征,運用MapGis10.0分析全國棉花生產的分布特征。

1.2.2 線性趨勢函數

參照吳海中[8]方法,利用線性趨勢函數和變化率研究時序上棉花生產規律,建立起某一棉花生產要素(總產量、單產或播種面積)與對應年份的一元線性函數關系。

y=a+bxi.

(1)

(2)

(3)

式中,y為樣本中棉花總產量、單產或播種面積要素的變量,xi為對應的年份值,n是研究對象的數量,a為常數,b為回歸系數,其數值代表棉花總產量、單產或播種面積的趨勢傾向,反映棉花總產量、單產或播種面積增加或減小的速率,R為趨勢系數,反映要素與時間的相關性。

1.2.3 面積、單產、互作貢獻率分解

參照劉杰安等[4]方法,將棉花總產量變化貢獻分解為面積、單產和面積單產共同貢獻。

(4)

(5)

(6)

RSi+t+RYi+t+RIi+t=1.

(7)

式中,RSi+t,RSi+t,RSi+t分別表示i時間節點的棉花播種面積貢獻率、單產貢獻率、面積單產互作貢獻率;Si,Si+t分別表示i年和i年之后t年的棉花播種面積;Pi,Pi+t分別表示i年和i年之后t年的棉花總產量;Yi,Yi+t分別表示i年和i年之后t年的棉花單產。

(8)

(9)

(10)

式中,As表示面積貢獻率的絕對值占三類貢獻率絕對值之和的比重,AY表示單產貢獻率的絕對值占三類貢獻率絕對值之和的比重,AI表示互作貢獻率的絕對值占三類貢獻率絕對值之和的比重。AS>33.33%時劃分為面積主導,AY>33.33%時劃分為單產主導,AI>33.33%時劃分為面積單產共同作用。

1.2.4 重心遷移

參照劉杰安等[4]方法,采用重心模型法計算不同年份棉花播種面積的重心軌跡。

(11)

(12)

(13)

式中,P(xj,yj)代表棉花第j年重心的地理坐標,Cji表示棉花在i區域第j年的面積數據,xj與yj表示第i個區域的地理中心的經緯度坐標,dt表示棉花重心在不同年份間移動距離,xk+t與xk分別表示棉花在第k+t年和k年的經度坐標,yk+t與yk分別表示棉花第k+t年和k年的緯度坐標。運用MapGis 10.0中的平均中心工具計算得到P(xj,yj),通過點集轉線工具將各年重心連接為遷移路徑。

1.2.5 比較優勢指數

參照劉杰安等[4]方法,將規模比較優勢指數(Scale advantage index,SAI)、效率比較優勢指數(Efficient advantage index,EAI)和綜合比較優勢指數(aggregated advantage index,AAI)共同構成棉花生產區域的比較優勢指數。

(14)

(15)

(16)

式中,SAIij為省(市、區)棉花的規模優勢指數;GSij為i省(市、區)棉花的播種面積;GSi為i省(市、區)農作物播種面積;GSj為全國棉花的播種面積;GS為全國農作物的播種面積。SAIij<1,i省(市、區)棉花生產規模較全國平均水平處于劣勢;SAIij>1,i省(市、區)棉花生產規模較全國平均水平處于優勢,且SAIij值越大,比較優勢越明顯。EAI為i省(市、區)棉花生產效率優勢指數;APij為i省(市、區)棉花單產;APj為全國棉花平均單產。EAI<1,i省(市、區)棉花生產效率較全國處于劣勢;EAI>1,i省(市、區)棉花生產效率較全國處于優勢,且EAI值越大,比較優勢越明顯。AAIij為i省(市、區)棉花的綜合比較優勢指數;AAIij<1,同全國平均水平相比,i省(市、區)棉花生產不具有綜合優勢;AAIij>1,同全國平均水平相比,i省(市、區)棉花生產具有綜合優勢,且AAIij值越大,綜合優勢就越明顯。

2 結果與分析

2.1 時序演變特征及其驅動因素

2.1.1 總產持續增長且階段性增長特征明顯

研究表明,1991～2020年全國棉花總產增長較快。30年間棉花總產增長了14.73%,從1991年的5.09×109kg增加到2020年的5.91×109kg,年均增速(0.92%)高于同期棉花播種面積(-1.19%),低于同期棉花單產(2.88%)的增長率,全國棉花總產量呈現“先增加后減少、穩中有升”的趨勢,大致經歷了兩個階段的變化,第一階段是從1992～2007年,總產量隨時間變化呈現波動中遞增趨勢,從1992～2007年的16年間同期增加了60.62%;第二階段是從2008～2020年,總產量隨時間變化呈現遞減的趨勢,從2007～2020年的總產量13年間同期減少了16.78%。全國棉花總產量的提高呈線性增長趨勢。全國棉花總產量呈現出隨時間增加而波動中增加的趨勢。表1,圖1

表1 1991～2020年全國棉花生產基本數據

2.1.2 單產的持續快速增長是推動總產較快增長的主要驅動因素

研究表明,整體上全國棉花單產呈現出隨時間增加而增加的趨勢,棉花單產由1993年的0.73×103kg/hm2增加到2020年1.84×103kg/hm2,顯示出較快的增長速度。總產和單產的關系最為密切,二者無論是在增長的周期還是變化的相位上都表現出一致性,尤其是在增長區間、年平均增速、最大增速、最小增速、以及增加年份和減少年份等主要指標上都表現出明顯的一致性趨勢。總產量和單產的提高均呈線性增長趨勢。在播種面積逐步下滑的條件下,單產持續增長,保障了總產量的平穩增長。單產持續快速增長是推動棉花總產持續增長的主要貢獻因子。表1,圖1

圖1 1991～2020年全國棉花生產的增長變化

2.1.3 播種面積的波動式減少總產量階段性增長緩慢

研究表明,棉花播種面積的階段性增長特征顯然不同于總產量的線性增長趨勢,播種面積變化與總產量呈現出增、減相反態勢。棉花播種面積在1991年～1999年、2000年～2008年、2009年～2020年三個明顯出現增長變化階段。棉花總產的階段性增長主要是受播種面積的階段性波動所致。

2.1.4 面積、單產對棉花總產量的貢獻率時間格局演變

研究表明,1991～2020年全國棉花總產量貢獻為面積主導,平均面積貢獻率為97.58%,其次為面積單產共同作用貢獻率,平均面積單產共同作用貢獻率為2.42%,單產貢獻率最低,平均單產貢獻率僅為0.07%。其中,長江流域棉區平均面積貢獻率為94.98%,而平均面積單產共同作用貢獻率僅為5.03%;黃河流域棉區平均面積貢獻率為93.24%,而平均面積單產共同作用貢獻率僅為6.76%;西北內陸棉區平均面積貢獻率為93.76%,而平均面積單產共同作用貢獻率僅為6.24%。棉花總產量貢獻為面積主導,其次為面積單產共同作用貢獻率,單產貢獻率最低。表2

表2 1991～2020年各時段全國棉花總產量貢獻率變化

2.2 全國棉花生產的空間分布格局與地域特征

2.2.1 棉花生產區域性分布特征明顯

研究表明,近30年來棉花生產空間分布表現出不均衡的地域集中性。主產區棉花播種面積及其占全國棉花播種面積的比重總體上均呈現上升態勢,但主產區各省棉花播種面積變化幅度存在差異。1991年到2010年各省(市、區)棉花播種面積的絕對差異均有不同程度的波動變化,而到2010年以后除新疆外其余各省(市、區)棉花播種面積的絕對差異均出現了明顯下降。1991年棉花播種面積占比超過10%的省(市、區)分別為河北占10.2%,江蘇占10.61%,湖北占11.02%,新疆占12.04%,河南占15.51%,山東占20.41%;2000年棉花播種面積占比超過10%的省(市、區)分別為山東12.61%,河南16.59%,新疆31.42%;2010年棉花播種面積占比超過10%的僅有兩省(市、區)分別為山東12.84%,新疆41.68%;2020年棉花播種面積占比超過10%僅有新疆為87.33%。與1991年比較,新疆棉花播種面積增幅最快,所占份額逐年增加,播種面積由1991年12.04%增長到2020年的87.33%,增長近75個百分點,而其他省(市、區)播種面積所占份額逐年減少,尤其河南和江蘇兩省減少較快,分別由1991年15.51%、10.61%減少到2020年的0.34%和0.17%,分別減少近15個百分點和10個百分點。西北內陸棉區,逐漸成為全國棉花生產新的主產區,而黃河流域和長江流域棉區播種面積明顯減少。表2,圖2

2.2.2 棉花單產逐漸向高產方向轉變,高產省(市、區)數量明顯增加

研究表明,棉花單產逐漸向高產方向轉變,高產省(市、區)數量明顯增加,全國主要棉花生產省(市、區)棉花單產水平整體上呈現持續增長的趨勢;1991年棉花單產≥1.00×104kg/hm2主要集中在長江流域棉區和西北內陸棉區;2000年棉花單產≥1.00×104kg/hm2省(市、區)數量明顯增加,單產不斷提高,保持持續增長的態勢;2010年幾乎全部主產棉省(市、區)超過1.00×104kg/hm2,而新疆棉花單產達到1.75×104kg/hm2;2020年主產棉省(市、區)單產持續增加,而新疆棉花單產突破2.00×104kg/hm2。表3

注:餅圖百分數表示相應棉區總產量占全國的百分比,柱狀圖表示相應省(市、區)總產量占全國的百分比,綠色表示長江流域棉區,藍色表示黃河流域棉區,紅色表示黃河流域棉區,黃色表示其他棉區

2.2.3 棉花生產重心逐漸向新疆轉移

研究表明,近30年來主產省(市、區)棉花生產具有明顯的地域集中性。全國棉花播種面積重心整體向西北內陸棉區移動,棉花生產布局總體呈現“由東向西”轉移,逐漸向西北新疆集中。1991年全國棉花的主要產區域是黃河流域棉區;2000年,棉花主要產區仍然以黃河流域棉區為主,但是播種面積逐漸下降,西北內陸棉區發展迅速,尤其以新疆為代表的增長速度較快,新疆播種面積比1991年的增長近20倍,占全國棉花播種面積的四分之一,總產量也不斷增加,支撐著全國棉花的總產量31.42%;2010年,西北內陸棉區,尤其新疆棉花播種面積占全國棉花播種面積的三分之一,總產量也不斷增加,支撐著全國棉花的總產量41.68%,西北內陸棉區也成為棉花新的主要產區。黃河流域和長江流域棉區各省(市、區)的棉花播種面積均出現了不同規模的下降,1991年兩棉區占全國總播種面積分別為61.54%和29.23%減少到2020年的11.36%和9.15%,研究期內30年間分別減少近5倍和2倍,對全國棉花生產的貢獻越來越小。近30年全國棉花生產布局發生了很大的變化,棉花生產分布呈現西進的狀態,黃河流域和長江流域主要省(市、區)棉花種植地位逐步下降,而西北內陸棉區新疆棉花種植地位在不斷增強。表2,圖3

圖3 1991～2020全國棉花面積重心變化

2.2.4 棉花生產的比較優勢

研究表明,1991～2020年期間,19個棉花主產省(市、區)的規模比較優勢指數表現出不同的發展態勢。其中,近30年來新疆棉花種植規模化程度呈現上升趨勢,而且一直處于領先地位,到2020年達到最大值21.05,新疆最具有規模比較優勢;而1991年長江流域的安徽、湖北、江蘇和黃河流域的天津、河南、河北具有一定規模比較優勢,近30年來這些省(市、區)的棉花種植規模化程度呈現下降趨勢,到2020年僅有黃河流域的河北棉區具有一定規模比較優勢。1991～2020年,19個棉花主產省(市、區)的效率比較優勢指數表現出不同的發展態勢。1991～2020年湖南、江西、浙江、上海、新疆、甘肅的效率比較優勢平均值均大于1。1991～2020年期間,19個棉花主產省(市、區)的綜合比較優勢指數表現出不同的發展態勢。近30年來新疆綜合優勢指數相比于其他省(市、區)來說較高,且近年來優勢不斷上升,一直排在第一位。1991～2010年河北山東兩省棉花生產的綜合優勢明顯,近年呈下降趨勢。全國棉花種植區域之間確實存在很大的差異,新疆棉花生產的規模優勢、效益優勢和綜合優勢指數均大于1,且均高于其他地區,新疆棉花生產更具有比較優勢。表4

表4 1991～2020年全國棉花主產省(市、區)優勢指數比較

續表4 1991～2020年全國棉花主產省(市、區)優勢指數比較

續表4 1991～2020年全國棉花主產省(市、區)優勢指數比較

3 討 論

目前全國棉花種植業的重心遷移到了以新疆為主的西北內陸棉區[9-11]。研究表明,近30年來,黃河流域和長江流域主要省(市、區)棉花種植地位逐步下降,而西北內陸棉區棉花種植地位在不斷增強,尤其是19個省(市、區)棉花種植業的比較優勢以新疆不斷強化與前人[6, 9, 10, 12]研究結果一致。而已有相關研究按照相等年份間隔進行“截面式”的時空變化分析[4,11]。

研究發現全國棉花總產量變化由播種面積主導,與前人研究結論相似[11]。

20世紀80年初期,全國棉花生產重心就開始逐步向西北內陸棉區轉移[13]。早期棉花總產量、面積及單產不高[14]。60年代,棉花面積、總產量及單產有所回升,形成了黃河流域、長江流域、華南、北部特早熟和西北內陸五大棉區[13]。1978年有文獻記錄棉花大面積種植[6]。1980～1990年期間,新疆推廣“矮·密·早·膜”栽培技術,自主培育棉花新品種替代引進的品種,期間新疆棉花種植面積增長了25.40 hm2,增幅達到58.4%[13]。20世紀90年代初開始的全國棉花生產布局結構性調整使棉花種植區域更加集中,北部特早熟棉區和華南棉區基本退出棉花生產,形成黃河流域、長江流域、西北內陸三大棉區[15]。

播種面積和單產影響總產量的變化,影響全國棉花生產格局[16, 17]。王如意等[18]和高升等[19]研究表明,技術進步促進棉花單產水平和棉花總產量提高,進一步擴大了西北內陸地區的棉花生產優勢。隨著物聯網、人工智能、大數據模型等技術手段的應用,棉花種植方式將實現智能化數字化[1]。2020年新疆棉花機采率為75%,到2021年新疆棉花機采率達到85%,其中兵團棉花耕種收綜合機械化水平達98.3%,機采率達94.2%[20];2021年新疆棉花播種面積為2 506.1×103hm2,總產量為512.9×104t,其播種面積占全國棉花總播種面積的82.76%,而總產量占全國棉花總產量的89.46%。自1993年以來新疆棉花連續27年獲總產、單產、播種面積指標全國第一[2]。

4 結 論

4.11990年以來棉花總產量年際變化呈現兩個階段:波動上升時期(1991～2007年),除新疆顯著上升外,大部分省(市、區)緩慢下降;波動下降時期(2008～2020年),黃河流域和長江流域棉區下降較快,西北內陸棉區尤其新疆顯著增加。近30年全國棉花總產量顯著增加,由5.09×109kg增加至5.91 ×109kg,增加了16.11%,空間上呈現“東南-西北”格局;單產與總產量變化相似,在全國范圍內持續增加;播種面積則不同,生產重心呈現出“由東向西”轉移,逐漸向西北集中的態勢。全國棉花總產量變化總體上以播種面積貢獻為主導,其次互作主導,單產為最低,我國棉花的生產優勢區域為新疆。

4.230年來全國棉花播種面積先減后增,生產集中程度不斷增大,優勢產區趨于穩定,單產逐步提升;棉花生產布局呈現全國棉花生產重心呈現出由南向北,再由北向西北內陸棉區(尤其新疆)變遷的特點。