基于耕地—糧食—人口系統(tǒng)的休耕區(qū)域 耕地壓力時空演變及預測
——以河北省為例

楊人豪，楊慶媛，陳伊多，曾 黎

(西南大學地理科學學院， 重慶 400715)

中國的人口數量穩(wěn)居世界第一，其糧食安全直接影響國家安全和社會穩(wěn)定。作為糧食生產的物質基礎，耕地卻面臨數量減少[1]、質量下降[2]等嚴重問題。據統(tǒng)計我國耕地數量以每年10×104hm2的速度減少，耕地質量因污染[3]、生態(tài)破壞[4]等不斷下降，甚至出現(xiàn)無法耕種的現(xiàn)象。由耕地、糧食、人口構成的相互制約、相互影響的復合系統(tǒng)成為研究的熱點[5-6]。2016年6月19日農業(yè)部等十部委下發(fā)《探索實行耕地輪作休耕制度試點方案》，將河北省黑龍港地下水漏斗區(qū)作為地下水漏斗區(qū)休耕試點區(qū)域，連續(xù)多年實施季節(jié)性休耕，實行“一季休耕、一季雨養(yǎng)”，將不再種植需抽水灌溉的冬小麥，只種植雨熱同季的春玉米、馬鈴薯和耐旱耐瘠薄的雜糧雜豆，減少地下水用量。在耕地數量保持均衡，糧食產量、人口數量雙增長的背景下探究耕地壓力的動態(tài)變化和空間特征，以期對區(qū)域農業(yè)政策、人口政策，建設地區(qū)生態(tài)文明建設等工作提供依據。

耕地問題一直以來受到廣泛關注，國外學者多關注于耕地受到環(huán)境污染、工業(yè)侵占等威脅時面臨的問題和解決方法[7-9]；國內學者基于不同的視角、空間尺度、時間維度對耕地數量變化及驅動因子[10-11]，耕地變化與城鎮(zhèn)化[12]、經濟增長[13]等耦合，糧食安全[14]及影響因素[15]等問題進行深入的研究和探討。研究中多使用回歸模型研究省域尺度的耕地資源動態(tài)變化，如安徽省、遼寧省、浙江省、陜西省、河北省等[16-19]的耕地變化，為相關研究提供了較好的參照。由于回歸模型的局限性，某些預測結果與實際偏差較大；大部分研究時間跨度較短，不足以反映省域耕地資源的整體變化趨勢。本文根據統(tǒng)計數據，分析河北省1949—2014年的耕地、人口、糧食的變化情況，測算耕地壓力指數并分析其時空演變，進而運用較為成熟的灰色預測GM(1,1) 模型預測未來11 a年河北省實行耕地季節(jié)性休耕后的耕地壓力指數，其目的是探究河北省長期以來耕地資源整體變化狀況，預測在耕地休耕、調整農業(yè)種植結構等背景下耕地壓力的動態(tài)變化。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

河北省(36°05′～42°40′N，113°27′～119°50′E)地處蒙古高原、燕山和太行山山地、華北平原交界處，地勢西北高、東南低，包括高原、山地、丘陵、盆地、平原等多種地貌，總面積18.88×104km2，轄石家莊市、唐山市、秦皇島市、邯鄲市、邢臺市、保定市、張家口市、承德市、滄州市、廊坊市、衡水市11市。河北省屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬夏均溫相差達20℃，年均降水量484.5 mm，年無霜期81～204 d。2014年末全省總人口為7 384萬人，全年地區(qū)生產總值29 421.20 億元，人均生產總值39 984 元，全年糧食播種面積633.2×104hm2，糧食產量3.36×107t。

1.2 數據來源

研究中涉及的耕地面積、人口數量、糧食產量、糧食播種面積、農作物播種面積等數據主要來源于《河北省統(tǒng)計年鑒》(1949—2015)、《河北農村統(tǒng)計年鑒》(1949—2015)、河北省國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報及各市統(tǒng)計年鑒(1949—2015)等。

2 研究方法

2.1 最小人均耕地面積

最小人均耕地面積是指保障一定區(qū)域內糧食安全而所需保護的耕地數量底線，即在一定區(qū)域范圍內，一定食物自給水平和耕地綜合生產能力條件下,為了滿足每個人正常生活的食物消費所需的耕地面積[20]。其計算公式如下：

(1)

式中，Smin為最小人均耕地面積(hm2)，β為糧食自給率(%)，Gr為人均年糧食需求量(kg·人-1)，p為糧食單產(kg·hm-2)，q為糧食播種面積占總播種面積的百分比(%)，k為復種指數。

2.2 耕地壓力指數

耕地壓力指數是指人均所需最小耕地面積與實際人均耕地面積之比，其大小反映區(qū)域基于耕地—糧食—人口系統(tǒng)的耕地資源緊張程度[20]。其計算公式如下：

(2)

式中，K為耕地壓力指數，Sa為實際人均耕地面積(hm2)。K<1時，耕地無明顯壓力；K=1時，耕地瀕臨壓力變化的邊界；K大于1時，耕地壓力明顯，若不采取糧食增產措施，可能爆發(fā)區(qū)域糧食危機。

2.3 灰色預測GM(1,1)模型

灰色預測中的數列預測模型是對某一指標的發(fā)展變化情況所作的預測，其預測結果是該指標在未來各個時刻的具體數值。數列預測的基礎就是基于累加生產數列的GM(1，1)模型。其預測模型建立過程如下：

x(1)={x(1)(1)，x(1)(2)，…,x(1)(n)}

(3)

(2)構造累加矩陣和常數向量：

(4)

式中，B為新數據序列的累加矩陣，YN為常數向量，N為新生成數據序列的元素個數。

(3)運用最小二乘法擬合灰色參數：

(5)

(4)構建時間函數：

(6)

將灰色參數帶入時間函數，并作一次累減生成，得到預測公式：

(7)

(5)為保證模型的精度和可信度，須進行檢驗。檢驗預測公式精度一般采用方差比C和小誤差概率P。如果C<0.35，P>0.95，預測精度高；如果C<0.5，P>0.80，預測精度較高；C<0.65，P>0.70，預測精度一般；C≥0.65，P≤0.70，預測精度不合格。本文將1949—2014年數據帶入DPS軟件中利用GM(1,1) 模型預測2015—2025年各變量的值。

3 結果與分析

3.1 河北省耕地、糧食、人口動態(tài)變化

河北省耕地面積從1949年726.58×104hm2下降至2014年的653.77×104hm2，總體呈緩慢下降趨勢。人均耕地面積從1949年的0.24 hm2下降到2014年的0.09 hm2，前期呈快速下降趨勢，后期下降速度放緩。根據耕地總面積和人均耕地面積的動態(tài)變化情況可劃分為3個階段(圖1)：1949—1953年為緩慢增長階段，這時期新中國的農業(yè)得到國家的大力支持，土地改革激發(fā)農民積極性，耕地得到大量的恢復和復墾。1953年底全省耕地總面積為764.52×104hm2，人均耕地面積為0.23 hm2。1954—2007年為動態(tài)下降階段，期間全省耕地總面積總體呈下降態(tài)勢，在1964—1965年有小幅回升；1949—2014年人均耕地面積下降速度明顯。這期間耕地資源數量先后由于“大躍進”、三年自然災害、建設用地占用耕地和退耕還林、還草等工程等原因下降明顯；耕地總量不斷減少至2007年的589.36×104hm2，隨著人口不斷增長，人均耕地面積迅速下降至0.08 hm2。2007—2014年為增長平穩(wěn)階段，期間各市將耕地保護作為重要貫徹目標，實行土地開發(fā)整理等措施積極保護耕地，耕地總面積得到穩(wěn)定增長，人口數量由于計劃生育等政策的影響也保持穩(wěn)定的緩慢增長，人均耕地面積穩(wěn)定在0.09 hm2。2014年底全省耕地面積為653.77×104hm2，人均耕地面積為0.09 hm2。

河北省糧食總產量從1949年469.51×104t上升至2014年的3 360.2×104t，人均糧食產量從1949年的152.14 kg上升到2014年的455.07 kg，兩者基本均呈震蕩上升趨勢，并且起伏趨勢保持一致，存在較強的相關性。全省糧食總產量4次上臺階(圖2)：1949～1965年糧食產量小于1 000×104t，1965年底，糧食產量為964.55×104t，人均糧食產量為236.01 kg；1966—1987年糧食產量迅速增長，跨過1 000×104t門檻，1987年底，糧食產量為1 920×104t，人均糧食產量為336.25 kg；1988—2010年糧食產量繼續(xù)增加，超過2 000×104t，2010年底，糧食產量為2 975.9×104t，人均糧食產量為413.66 kg；2011—2014年糧食產量超過3 000×104t大關，2014年底，糧食產量為3 360.2×104t，人均糧食產量為455.07 kg。

圖1 河北省耕地面積和人均耕地面積變化(1949—2014年)

圖2河北省糧食產量和人均糧食產量變化(1949～2014年)

Fig.2 The change of grain yield and grain yield per capita of Hebei Province from 1949 to 2014

河北省總人口數從1949年的3 086.06萬人上升至2014年的7 384萬人，基本呈持續(xù)增長態(tài)勢，分別在1965年、1978年、1990年、2009年超過4 000萬、5 000萬、6 000萬、7 000萬。人口自然增長率起伏較大，按照波動可以分為6個階段(圖3)：1949～1955年為第1個上升階段，此時新中國成立，人民安全得到有效保障，人口自然增長速度較快；1955年底，人口總數為3 529萬人，人口自然增長率為20.70‰。1956～1961年為第1個下降階段，期間人口增長受“三年嚴重自然災害”和“大躍進”運動等不利影響，社會動蕩，人口自然增長率下降至谷底；1961年底，人口總數為3 795萬人，人口自然增長率為1.50‰。1962～1963年為第2個上升階段，在結束了“大躍進”運動和自然條件逐漸轉好的背景下，人口數量得到了有效增長，人口自然增長率出現(xiàn)明顯提高；1963年底，總人口數為3 956萬人，人口自然增長率為27.41‰。1964～1976年為第2個下降階段，期間發(fā)生長時間社會動亂，國民經濟發(fā)展緩慢，新增人口速度放緩，人口自然增長率在較長時間段內出現(xiàn)下降現(xiàn)象；1976年底，人口總數為4 943.40萬人，人口自然增長率僅為7.10‰。1977～1996年為震蕩下降階段，期間我國實行改革開放、計劃生育等重大政策，人口自然增長得到一定控制，自然增長率出現(xiàn)震蕩下降現(xiàn)象；1996年底，人口總數為6 508.11萬人，人口自然增長率為7.30 ‰。1997～2014年為平穩(wěn)浮動階段，期間計劃生育政策得到有效和嚴格實施，人口自然增長進入非常平穩(wěn)的階段，基本保持在5‰～7‰之間；2014年底，人口總數為7 384萬人，人口自然增長率為6.95‰。

圖3河北省總人口數和人口自然增長率變化(1949～2014年)

Fig.3 The change of population and natural population growth rate of Hebei Province from 1949 to 2014

3.2 河北省耕地壓力指數的時間演變

耕地被占用和人口增長的結果必然是耕地壓力的增加，耕地壓力指數能很好地反映區(qū)域耕地資源的壓力水平。人均年糧食需求量(Gr)取值的不同直接影響耕地壓力水平的高低。眾多研究者對該變量取值為300～400 kg[16-19]，且世界糧農組織提出400 kg即可滿足正常營養(yǎng)水平。考慮河北省實際情況和當前全國人均年糧食消費水平400～500 kg[21-22]，將Gr取值為380、400、420 kg，糧食自給率為100%，計算結果如圖4、5顯示。

圖4中K380、K400、K420分別從高值0.59、0.62、0.65 hm2震蕩下降至0.05 hm2，期間1960—1963年出現(xiàn)較大反彈，隨后分別急劇下降至0.24、0.25、0.27 hm2，并持續(xù)保持下降態(tài)勢，在1993年之后，基本保持在0.10 hm2以下。圖5中K380、K400、K420也基本呈現(xiàn)震蕩下行態(tài)勢，在三年自然災害之后K值甚至超過了建國初期幾年。K380、K400、K420分別在1990、1995、1996年首次低于1，在2005、2008、2010年之后持續(xù)保持低于1，表明在低方案(人均年糧食需求為380 kg)情況下，河北省在20世紀90年代即能滿足人口糧食基本需求，耕地壓力處于臨界狀態(tài)；在三種方案情況下，河北省在21世紀初期進入耕地壓力較小的時期。

3.3 河北省耕地壓力指數的空間演變

假定人均年糧食需求量Gr取值為400 kg時，根據公式(1)和公式(2)，利用河北省11市數據分別計算1950年、1970年、1990年、2010年的耕地壓力指數，并使用Arcgis9.3把各市四個年份的耕地壓力指數進行可視化表達(圖6)，大部分省市的耕地壓力指數均從高值(K≥2.00)下降至較低水平(1.00≤K≤1.20)。1950年11市耕地壓力指數均大于1.60；1970年僅唐山市耕地壓力指數小于1.00，邯鄲市、石家莊市、秦皇島市、邢臺市耕地壓力指數大于1.60，其余6市耕地壓力指數位于1.00～1.60之間；1990年唐山市、廊坊市、石家莊市、衡水市耕地壓力指數小于1.00，其余7市耕地壓力指數基本位于1.00～1.20之間；2010年除了承德市、秦皇島市、張家口市耕地壓力指數大于1.00，其余8市耕地壓力指數均低于1.00。

注：S380、S400、S420分別是人均年糧食需求量Gr取值為380、400、420 kg時對應的最小人均耕地面積;Sa是對應年份的實際人均耕地面積。

Note:S380,S400andS420are the smallest cultivated land acreage per capita when the annual grain demand per capita (Gr) are 380, 400 kg and 420 kg respectively;Sais actual land area per capita.

圖4 河北省最小耕地面積與人均耕地面積變化(1949—2014年)

注：K380、K400、K420分別是人均年糧食需求量Gr取值為380、400、420 kg時對應的耕地壓力指數

Note:K380,K400andK420are the cultivated land pressure when the annual grain demand per capita (Gr) are 380, 400 kg and 420 kg respectively

圖5河北省耕地壓力指數的時間演變(1949—2014年)

Fig.5 Change of cultivated land pressure index of Hebei Province over time from 1949 to 2014

圖6 河北省耕地壓力指數的空間演變(1949—2014年)Fig.6 Spatial change of cultivated land pressure index of Hebei Province over time from 1949 to 2014

地理學第一定律指出：任何事物之間均相關，而離得較近的事物總比離得較遠的事物其相關性要高[23]，也就是說地理事物是相互關聯(lián)、相互影響的，而通過計量來表征空間自相關性的方法中最成熟的是Moran’s I指數。全局Moran’s I指數代表區(qū)域自相關性的程度，取值為[-1，1]。當全局Moran’s I指數為正時，表示空間正相關性，其值越大，空間相關性越強；當全局Moran’s I指數為負時，表示空間負相關性，其值越小，空間差異越大；當全局Moran’s I指數為0時，空間呈隨機性[24]。Moran散點圖可將區(qū)域自相關性的類型進行可視化表達，圖中分為四個象限，第一象限HH為顯著高高集聚類型區(qū)，第二象限LH為顯著低高集聚類型區(qū)，第三象限LL為顯著低低集聚類型區(qū)，第四象限HL為顯著高低集聚類型區(qū)。利用Geoda軟件基于鄰接的“Queen”規(guī)則，計算1950年、1970年、1990年、2010年河北省11市耕地壓力指數的全局Moran’s I估計值，并制作Moran散點圖(圖7)。4個年份中，全局Moran’s I指數依次為0.1854、-0.2875、-0.0028、0.5346，從弱正相關到弱負相關再到明顯的正相關性；近60 a以來，位于第一象限HH和第三象限LL的市域數量從7個增加到11個，說明近年來河北省市域耕地壓力指數較高(低)的地區(qū)，其周邊市域耕地壓力指數也較高(低)，耕地壓力指數相似市域的空間聚集變得較強。

3.4 河北省耕地壓力指數預測

河北省是國家休耕工作試點區(qū)域之一，2015—2025年期間可以進行糧食種植生產的耕地面積在預測的基礎上還應減去休耕面積。2016年7月中旬農業(yè)部確定2016年河北省休耕規(guī)模為13.33×104hm2。為保證區(qū)域糧食安全，假定河北省休耕面積持續(xù)保持在13.33×104hm2。運用DPS軟件對于未來11 a的總人口數、耕地面積、糧食產量、糧食播種面積占總播種面積的百分比、復種指數等變量進行預測(表1)，分別在人均年糧食需求量Gr取值為380、400、420 kg下計算河北省耕地壓力指數(圖8)。預測得到的未來11 a河北省耕地壓力指數處于穩(wěn)定趨勢，各年均小于1，說明未來11 a全省出現(xiàn)糧食短缺危機的可能性較小。

耕地壓力指數K在每年實際人均耕地面積已知情況下，主要受到最小人均耕地面積(Smin)影響，而Smin受糧食單產(p)，糧食播種面積占總播種面積的百分比(q)，復種指數(k)三個變量共同影響。可利用Spearman’s相關系數對Smin與p、q、k三個變量進行非參數相關分析(表2)，發(fā)現(xiàn)p、k和Smin、K呈較明顯的負相關，q和Smin、K呈正相關；三個變量中k、p對Smin、K影響最大。說明糧食單產、復種指數降低時，耕地壓力指數隨之升高，如在“三年自然災害”期間，糧食產量大減，復種指數偏低，而K值達到了較高水平，甚至超過了建國初期幾年。

圖7 全局Moran’s I指數變化(1949—2014年)

圖8 耕地壓力指數變化(1949—2025年)

注：**表示顯著性水平P<0.01，S380、S400、S420、K380、K400、K420分別是人均年糧食需求量Gr取值為380、400、420 kg時對應的最小人均耕地面積和耕地壓力指數。

Note: ** means significance levelP<0.01,S380,S400,S420,K380、K400andK420are the smallest cultivated land acreage per capita and cultivated land pressure when the annual grain demand per capita (Gr) are 380, 400 kg and 420 kg respectively.

4 結論與建議

4.1 結論

結合河北省近60 a的耕地、糧食、人口的變化特征，測算耕地壓力指數并對其時空特征分析，預測未來11 a里耕地壓力變化趨勢，得到以下結論：

(1) 河北省耕地—糧食—人口系統(tǒng)不斷動態(tài)發(fā)展，自建國以來，耕地面積總體呈緩慢下降趨勢，人均耕地面積前期呈快速下降趨勢，后期下降速度放緩；糧食產量和人均糧食產量均在震蕩中呈現(xiàn)上升趨勢；總人口數較快增長，人口自然增長率起伏較大。

(2) 在人均年糧食需求量分別為380、400、420 kg的情景下，河北省耕地壓力指數均為下降趨勢，分別在1990年、1995年、1996年開始出現(xiàn)低于1的情況，在2005、2008、2010年之后持續(xù)低于1。在人均年糧食需求量為400 kg情況下，河北省11市的耕地壓力指數經歷了從1950年均大于1.60到2010年僅3市的耕地壓力指數大于1.00的過程，耕地壓力指數的全局Moran’s I指數從弱正相關到弱負相關再到明顯正相關性，耕地壓力指數相似市域的空間聚集性增強。

(3) 根據預測結果結合河北省耕地休耕目標，全省未來11 a里耕地面積和人均耕地面積均出現(xiàn)下降，預計2025年人均耕地面積(除去休耕的面積)為0.06 hm2，在人均年糧食需求量為380、400、420 kg的情況下，耕地壓力指數均小于1，分別為0.67、0.71、0.74，說明全省基于糧食安全角度的耕地壓力情況較為樂觀，不會出現(xiàn)因實行耕地輪作休耕造成的糧食供應不足的現(xiàn)象。

4.2 建議

通過預測在未來11 a內，河北省耕地壓力指數小于1，出現(xiàn)糧食安全問題可能性較小。但是如果隨著休耕面積的擴大，各市(縣)仍可能出現(xiàn)耕地壓力較大的情況，據此，提出以下建議：

(1) 利用高新科技途徑提高耕地糧食單產，在土地平坦的河北省利用大型農業(yè)機械進行耕作已取得較好成效，還應繼續(xù)加強農田水利基礎設施建設，提高農業(yè)生產集約化和地區(qū)生產專業(yè)化水平，選用改良后產量高的品種，利用有機肥料替代化肥，科學耕作和管理耕地，加大對中低產田的改造，提高耕地綜合生產能力。

(2) 河北省的糧播比從1949年85.50%下降至2014年72.67%，下降幅度明顯。在水熱條件和農地耕作條件較好的區(qū)域可提高一定糧播比保證糧食產量滿足區(qū)域糧食消費。各市縣應實行更多的惠農政策，利用糧食直補、良種補助和農資綜合補助等農業(yè)補貼來提高農民種植糧食的積極性，因地制宜適當提高糧食播種面積占農作物總播種面積的比例。

(3) 嚴格執(zhí)行“十分珍惜、合理利用土地和切實保護耕地”的基本國策，堅持最嚴格的耕地保護制度，加強土地管理力度，減少優(yōu)質良田因建設城市、修建道路被占用和損毀。科學合理對耕地實行休耕，調整農業(yè)種植結構，使耕地休養(yǎng)生息。只有耕地的數量和質量得到保證，糧食安全才能得到根本保障。

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