基于LMDI模型的新疆糧食生產時空變化特征及其成因分析

顧云志，曹月娥，張珍珍，趙 猛

(1.新疆大學 資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.綠洲生態教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；3.上海師范大學 環境與地理科學學院，上海 200234；4.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049)

0 引言

糧食安全是國家生存和發展的基礎，隨著世界政治局勢的變化及經濟發展不穩定因素的影響，糧食生產及儲備成為各國政府面臨的重大挑戰。新中國成立以來，黨和國家高度重視糧食生產，一直著力于提升糧食生產能力。中國的糧食產量由1949年1.13億t增加到2019年的6.64億t，實現了由供給不足向供求基本平衡的歷史性轉變。中國以世界7%的耕地面積養活了世界20%的人口，但人均耕地面積只有0.09 hm2，不足世界平均水平的40%。更加嚴峻的情況是中國后備耕地資源很少，現有大部分耕地土壤有機質含量低，從而導致產量一直位于較低水平，中低產量耕地占比很大，高標準農田僅占中國耕地面積的7.14%，因此，耕地資源稟賦成為糧食產量的硬性約束。《中國的糧食安全》白皮書顯示，2015年中國主要糧食谷物自給率超過95%；《中國農業產業發展報告2020》指出，2019年中國水稻、小麥、玉米三大谷物自給率達到98.75%，主要糧食作物的自給率不斷提高，為經濟社會穩定發展及抵御突發災害提供了堅實的物質基礎，但糧食安全問題依然存在。糧食生產涉及多個方面的因素，眾多學者已經從不同角度對其進行分解研究。在自然條件方面，降水、氣溫、地形、土壤等因素，對糧食生產及種植類型發揮了基礎性作用；當前眾多研究結合不同分辨率的遙感影像與葉面積指數對糧食產量進行模擬[1]；自然災害種類及強度對糧食產量也產生了重大影響[2]。在社會經濟方面，通過農村勞動力人口數量及年齡構成[3-4]、經濟發展水平[5-6]、農藥化肥施用量[7]及農業政策[8]等動態影響因素[9]，對糧食種植面積及糧食單產變化進行了長時間的序列動態分析[10]。近年來，隨著中國經濟發展速度及城鎮化率的不斷提高，中東部建設用地面積不斷擴張，周邊原有耕地更多地轉為種植蔬菜瓜果等高附加值的農產品，糧食作物種植比重逐年下降，糧食生產區域發生了顯著變化[4]，主產區重心逐步向北方移動。

耕地利用因素對糧食生產影響一直是農業種植結構及土地可持續利用研究的熱點，主要是利用不同模型進行多種生產要素與糧食生產關系的研究。研究模型主要包括層次分析[11]、主成分分析[12]、灰色系統預測模型[13]、空間面板計量經濟學模型[14]、C-D(Cobb-Douglas production function)函數模型[15]、GAEZ(Global Agro-ecological Zones)模型[16]等。面對眾多影響因素錯綜復雜的現狀，因素分解作為分析整體事物最為簡單有效的方法被廣泛應用，當前因素分解法中主要包括拉氏因素分解模型和迪氏因素分解模型(LMDI，log mean decompostion index)。迪氏因素分解模型相比于拉氏因素分解模型，其在分解若干個關鍵要素計算時不會出現殘差和余值，能夠更好地分析每個因子對總體變化的影響程度。因此，將LMDI模型作為糧食生產變化分析的方法比較合適。LMDI模型用于分解糧食生產影響因素的作用機制，能夠充分利用現有農業資源，幫助提高糧食作物生產力，優化農作物種植結構和空間布局[17]。

新疆維吾爾自治區作為中國西北最大的農耕區及主要糧倉，其糧食生產安全對于維護民族團結和邊疆穩定具有重要的作用。本研究從耕地利用因素分解的角度出發，基于2000～2019年新疆糧食生產時空變化，探討新疆糧食產量主要影響因素及其作用機制，以期為新時代新疆綠洲農業可持續發展及糧食安全提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆維吾爾自治區(以下簡稱新疆)位于中國西北內陸，屬于溫帶大陸性氣候，耕地資源分布不均勻，主要為綠洲農業分布在河流沖積平原及其兩岸，水土資源不匹配[18]，農作物生產受到很大限制，尤其是糧食作物生產同時受自然條件制約和經濟作物生產擠壓雙重影響。但新疆后備土地資源較為豐富，糧食作物以其較低的生產條件在未來擁有良好的前景。2019年新疆糧食產量為1875.97萬t，相比于2000年增產了176.98%，同期糧食作物種植面積增加了61.04%，農作物播種面積增加了76.79%，人口增長了36.69%，人均糧食產量由366.92 kg提升到743.48 kg，糧食安全得到進一步保障。

1.2 數據來源

社會經濟統計數據來源于《新疆統計公報》(2000～2019)、《新疆統計年鑒》(2000～2019)。為了消除數據統計口徑不一致的影響，本文以新疆統計年鑒數據為基礎，依據統計公報中的農業統計數據對數據差值進行修正。由于行政區劃調整，導致數據不一致，因此以現有行政區劃為準，將2002年新疆的區轄市(五家渠市、阿拉爾市、圖木舒克市)及現有新疆生產建設兵團所轄地剔除研究區以外；2008年米泉市合并成為烏魯木齊市米東區，將2000～2007年米泉市的數據合并到烏魯木齊市的統計數據中。

1.3 研究方法

1.3.1 對數平均迪氏分解法 因素分解法主要是能源消費及污染排放的研究方法[19]，近年來被應用到農業生產分解領域[20-21]。本文以Ang等[22-23]提出的對數平均分解指數法對新疆糧食總產量進行因素分解，將耕地規模、復種指數、糧作比例及糧食單產作為4項分解因子[24-25]。

G=L×M×S×P

(1)

其中，G為糧食總產量；L為耕地規模，即耕地面積；M為復種指數，即農作物播種面積于耕地面積的比值，表示土地利用程度的頻率；S為糧作比例，即糧食作物種植面積與農作物播種面積的比值，表示種植結構的變化，比值越大說明耕地糧化現象顯著；P為糧食單產，是糧食總產量與糧食作物種植面積的比值，顯示土地利用強度的大小及單位面積生產要素的投入水平。

以Gt為時間段末期的糧食產量，G0為時間段初期的糧食產量，Fx為分解因子，利用如下公式進行計算。

(2)

(3)

在Ang等[22-23]提出的LMDI模型中，因素Fx對糧食生產量變化的貢獻量為Fx-e。

(4)

由式(4)可以計算得到基于耕地利用因素分解的因子：U1-e即Le表示耕地規模對糧食生產的貢獻度；U2-e即Me表示復種指數對糧食生產的貢獻度；U3-e即Se表示糧作比例對糧食生產的貢獻度；U4-e即Pe表示糧食單產對糧食生產的貢獻度。

1.3.2 重心分析法 重心模型是研究區域發展過程中要素空間移動的重要分析工具，被廣泛應用于經濟、人口空間變化等方面。近年來，重心移動模型也被應用到農作物空間格局研究中[13，18]，計算公式如下。

(5)

(6)

式中，Xt、Yt分別為t年新疆糧食產量重心的經緯度，Xi、Yi分別為第i個區域中心的經緯度，mi表示第i個區域的糧食產量。

重心轉移距離計算公式如下。

(7)

其中，d表示間隔年份某種要素重心移動距離，α、β分別表示2個相間隔年份，(Xα，Yα)、(Xβ，Yβ)分別表示第α年和第β年糧食重心所在空間位置的經緯度；c為常數，一般為111(每個經線跨度之間的距離)。

2 結果與分析

2.1 新疆糧食生產變化及其影響因素分解

2.1.1 全疆糧食產量及其影響因素變化分析 2000～2019年新疆糧食產量總體呈現上升趨勢，但在2003年出現較大波動，2003年成為近20年產量最低的年份，除此之外，2007、2011、2016、2017年糧食產量也出現下降的情況(圖1)。在2007～2015年新疆糧食產量實現高速增長，年均增速達到16.71%，其中2009年增速高達38.01%。2016～2017年連續2年產量減少與復種指數及糧作比例降低有關，但是在2018年糧食產量開始回升，并在2019年達到歷史最高產量1875.97萬t。

2000～2019年耕地規模基本呈擴大趨勢，共計增加300.88萬hm2，2003～2019年耕地規模持續平穩擴大(圖1)。2009～2017年耕地面積年均保持在6%左右的增長速度，為糧食增產提供了堅實的耕地保障。2018年隨著農業可持續發展策略的實施，耕地面積開始保持合理有序的增長態勢。從復種指數變化分析來看，復種指數2000～2007年穩定在1.12的水平；在2008年復種指數開始上升，并在2016年以前維持在1.23的水平；2016年指數逐年下降，2019年降至0.94的水平。從種植結構方面分析來看，糧作比例在20年間主要分為3個階段：2000～2007年保持在0.45，但在2007年降至最低比例0.39；2008～2013年比例保持在0.47，糧作比例呈現上升趨勢；2014～2019年比例降至0.43左右，表明近幾年糧食作物種植比例呈現下降趨勢。糧食單位面積產量逐年增長趨勢顯著，除了2008～2009年出現波動外，之后糧食單產連年提高并維持在年均2.49%的增速。

耕地利用因素描述性統計分析顯示(表1)，糧食總產量與耕地面積的標準差非常大，表明這2個數據在研究時間段內波動較大，復種指數、糧耕比例、糧食單產3個指標的離散程度較小，說明數據分布均勻，數據變動小。從平均數與中位數指標看，糧食總產量中位數大于平均值，形成左偏態分布，表明指標中高數值偏多，存在極小的數值，使得總體數據偏左分布，并且小于均值的數據較離散，大于均值的數據較集中；耕地面積、復種指數、糧食單產平均值大于中位數，數值曲線呈現右偏態分布，指標中小數值偏多，小于均值的數據較集聚，大于均值的數據較分散；糧耕比例指標數據則呈現正態分布，數據分布較均勻。耕地面積的偏度系數最大，表明其數值出現異常變化。所有指標的峰度系數均小于3，表明數據分布曲線較扁平，中心聚集程度好。

表1 2000～2019年糧食產量與耕地利用因素統計分析

2.1.2 全疆糧食生產影響因素分解 依據糧食生產的時間序列變化特征將整個進程分為4個階段2000～2004年、2005～2009年、2010～2014年、2015～2019年。通過LMDI模型對不同階段糧食生產影響因素進行分解(圖2)，分析糧食產量變化。

第一階段糧食總產量小幅增加，糧食單產因子成為糧食增產的主要動力來源。復種指數、糧作比例共同成為糧食增產的阻力因子，主要是因為該階段全國正處于農業生產結構調整時期[26]，部分糧食作物種植區域轉為開始種植經濟作物。

第二階段糧食總產量大幅提升，糧食增產達到66.99%。耕地規模、復種指數、糧作比例、糧食單產因子均為正向作用，其對總產量的貢獻度依次降低。耕地規模因子貢獻度為43.97%，成為最大影響因素；復種指數、糧作比例及糧食單產因子貢獻度分別為27.86%、14.17%和14.10%。這一階段糧食增產主要原因為耕地面積擴大及耕地利用程度提高。

第三階段糧食總產量持續增加，增長幅度較第二階段放緩。耕地規模因子貢獻度持續大幅增加，糧食增產因子貢獻度為：耕地規模>糧食單產>復種指數，而糧作比例因子減產效應則十分明顯。糧食作物種植面積比重減少，主要是由于糧食作物生產效益較低，并且隨著交通運輸業的快速發展，基礎設施建設逐漸完善，新疆瓜果品牌效應享譽海內外，林果作物等經濟作物產業的附加值升高，其種植比例逐年提升。

第四階段糧食總產量增長處于低速階段，復種指數、糧作比例2個負向因子與耕地規模、糧食單產2個正向因子產生的作用相互抵消，使得這一階段糧食產量增長幅度變小。糧食單產連續4個階段作為增產貢獻因子，顯示出單位面積糧食種植投入的人力、物力不斷增加。隨著生態環境保護的推行，耕地進行輪耕與休耕，復種指數出現下降趨勢，加之林果業兼具生態與經濟效應，導致該階段的復種指數、糧作比例成為負向因子。

通過分析可知，在研究期間內(2000～2019年)糧食總產量呈上升趨勢，每個階段產量的增幅受影響因子貢獻度不同而各異(圖2)。總體來說，耕地規模、糧食單產成為增產因子，而復種指數、糧作比例因子則產生減產效應。從4個階段的累積效應來看，對糧食生產發揮積極效應最明顯的為耕地規模因子，其次是糧食單產因子。耕地規模因子歷經“負正”2個過程，第一階段“負”主要是由于全國實施生態退耕政策及城鎮化進程擠占大量耕地引起；第二、三、四階段“正”與國家“西部大開發”戰略實施及耕地配套水利設施大規模修建有關，將閑置、缺乏灌溉的土地納入可利用耕地范圍內。糧食單產成為保障糧食生產安全最不可忽視的因子，主要是由于化肥農藥、機械動力等生產要素[27]及氣象預報、防災減災措施的完善為糧食連年單產的提高提供了堅強保障。復種指數作為主要的負向影響因子，在最近5年負向效應明顯，反映了土地生產潛力在逐步下降，在實際生產過程中開始對耕地進行可持續性利用。糧作比例因子成為次要負向效應因子，主要由于耕地規模不斷增長，糧食作物種植面積總體保持穩定，農民對耕地種植結構進行多樣化調整，在2010年后隨著農業生產日益與市場需求掛鉤，經濟作物種植面積進一步擴大[28]。

圖2 新疆糧食產量影響因子的貢獻度變化

2.2 區域糧食產量及其影響因素變化分析

2.2.1 區域糧食產量變化 新疆地域面積廣闊，區域氣候環境各異，因此依據氣溫、光照、地形地貌及社會認同度，將新疆劃分為北疆、南疆、東疆3個區域進行分區研究。北疆包括烏魯木齊市、克拉瑪依市、昌吉回族自治州(昌吉州)、博爾塔拉蒙古自治州(博州)、伊犁哈薩克自治州直屬(伊犁州直屬)、阿勒泰地區、塔城地區7個地州市；南疆包括巴音郭楞蒙古自治州(巴州)、阿克蘇地區、喀什地區、和田地區、克孜勒蘇柯爾克孜自治州(克州)5個地區(州)；東疆包括哈密市、吐魯番市2個地市，最終形成3個農業區(圖3)。

圖3 區域糧食產量的變化

2000～2019年總體來看，南疆與北疆是新疆糧食主要產區，東疆只占很少的一部分。南疆和北疆糧食生產格局以2010年為時間節點發生轉變，北疆地區糧食產量占比從2000年的39.92%上升到2019年的59.23%，南疆地區則從最高2005年的58.96%下降到最低2019年的40.00%。東疆地區具有獨特光溫條件，特色瓜果作物(哈密瓜、葡萄)是區域農業發展的支柱，同時有限的灌溉水源及較少人口，使得東疆的糧食作物種植面積逐年減少，糧食產量占全疆比例由2.65%降到0.77%。在糧食產量方面，北疆地區20年間增產310.97%，南疆地區增產92.93%，東疆為-19.85%，3個地區共同保障了全疆糧食儲備穩定及供需平衡。通過各地州市近20年糧食產量變化分析(圖4、圖5)，北疆地區昌吉州、伊犁州直屬、塔城地區3地的糧食產量大幅增加，促使北疆糧食總產量提升；南疆阿克蘇地區、喀什地區、和田地區3地糧食產量增長較快，帶動了整個南疆糧食產量穩步提升；東疆哈密市糧食產量穩中有升，吐魯番市糧食種植面積則是大幅下降。

圖4 各地州市糧食產量的變化

圖5 新疆20年糧食產量及種植面積的變化

近20年糧食生產重心逐步向北轉移(圖6)，2000～2010年重心向東北方向偏移距離77597 m，2010～2019年重心繼續向東北方向偏移距離47953 m，2000～2019年20年間糧食產量重心向東北轉移距離125414 m。這種格局的轉變是由于天山北坡城市群快速發展，先進生產技術、高效管理模式被率先應用到北疆地區而形成的。同時，南北疆的耕地生產條件不同也是出現重心轉移的重要因素。南疆自然條件相對惡劣，耕地破碎化比較嚴重，休耕地較多。北疆耕地總體較平整，規模化農場種植比重大，農業水利設施、機械設施十分完善。但隨著農業現代化及土地整治的逐步推進，新疆整體糧食生產將會繼續呈現穩步上升的局面。

圖6 新疆糧食產量重心遷移的變化

2.2.2 區域糧食生產影響因素分解 基于耕地利用要素分解新疆各地州市的糧食產量變化影響因素(表2)，結果顯示：2000～2019年除烏魯木齊、吐魯番2市糧食產量出現下降外，其他各地州市糧食產量均呈上升趨勢。其中，阿克蘇地區、喀什地區糧食增產100萬t左右，昌吉州、伊犁州直屬、塔城地區糧食增產200多萬t。耕地規模擴大、糧食單產提高是新疆糧食產量增加的關鍵特征。北疆糧食累積增產3.11倍，復種指數產生了重大的負向效應；南疆累積增產0.93倍，糧作比例降低影響了產量的提升；東疆累積增產-0.20倍，糧作比例成為產量減少的重大阻礙。

表2 2000～2019年地州市糧食產量影響因素分解

在北疆地區，烏魯木齊市糧食生產總量減少主要是復種指數與糧作比例2個負向效應導致的。昌吉州、伊犁州直屬、塔城地區作為3個糧食增產最快的地區，復種指數是糧食減產的唯一因子，其他因素均起到增產效果。南疆地區作為新疆傳統的糧食主產區，各地州糧食總產均有較大提升，耕地規模、復種指數、糧食單產作為主要增產因子促進了糧食生產水平的不斷提升。南疆各地州基本以耕地規模為主要增產因子，糧作比例為增產負向因素。阿克蘇地區糧作比例降低對糧食生產負向作用最為明顯，喀什地區耕地規模擴大對糧食增產效果最為顯著。東疆地區在耕地規模增加、糧食單產增長的基礎上總產量降低，糧作比例調整對其產生的負向作用極大。吐魯番市由于糧作比例的大幅調整，經濟作物比重上升，一定程度上加重了糧食生產負擔，糧食生產量呈逐年下降趨勢。

通過各地州市耕地利用績效形成的全疆糧食生產主要影響因素正負向貢獻度分布如圖7所示。耕地規模對糧食生產產生首要正向效應的區域為除伊犁州直屬以外的全疆其他各地州市，主要原因是水利基礎設施改善，耕地灌溉保證率得到極大提高。北疆地區復種指數普遍降低，與產業非農化以及混合農牧區擴大有關。南疆地區糧作比例貢獻度為負值，主要原因是瓜果、棉花等經濟作物產值逐年高于糧食作物。三大區域非糧化耕地種植主要誘導因素為種植糧食收益降低，隨著經濟作物市場需求的提升及收益的提高，越來越多的農民轉變糧食作物與經濟作物生產比重，開始更多地追逐經濟效益，這種現狀在一定程度上會降低農民種糧積極性，從而影響糧食生產的穩定。糧作比例成為糧食生產主要負向影響因子在烏魯木齊市、阿勒泰地區、巴州、阿克蘇地區、喀什地區、吐魯番市表現十分明顯，復種指數因素在昌吉州、克拉瑪依市、博州、伊犁州直屬、塔城地區、和田地區成為最主要的負向影響因子。

圖7 新疆各地州市糧食生產主要影響因素的正負向貢獻度分布

3 結論與討論

3.1 結論

糧食生產格局歷經市場經濟沖擊及生態環境保護的影響已經逐步穩定，并逐漸依靠種植技術及田間管理提高了糧食產量。新疆糧食生產及耕地規模維持在一個較高水平，并逐步向農業現代化發展。

從時間變化來看，20年間新疆糧食增產1.77倍，2009年增速高達38.01%。2000年以來，糧食生產經歷了2003、2007、2011、2016、2017的波動，影響較小，糧食產量穩步增長的趨勢沒有改變。但在2016～2017年連續2年產量下降，相比于2015年累積下降幅度達到7.89%，主要是由于這2年糧食種植面積持續下降，說明產量階段性波動依舊存在。耕地規模擴大、單產提高2個因素起到關鍵促進作用，尤其以耕地規模為主要正向影響因素。但復種指數、種植結構改變對產量產生了減產效應，糧食作物種植面積短期內存在較大波動，因此，需要保持對糧食作物種植面積的持續監測，保證“藏糧于地”。

從空間變化看，2000～2019年20年間糧食產量重心向東北轉移距離125414 m。從分區域來看，呈現北疆糧食增產數量多、速度快，南疆地區增產數量少、速度緩的現象，東疆產量呈現負增長趨勢，新疆全疆糧食生產重心逐漸向北轉移。總體來看，除烏魯木齊、吐魯番市外，其他地州市糧食產量均有不同幅度提升。北疆糧食生產重心在伊犁州直屬地區，南疆重心則在喀什地區，兩者在各自區域內糧食種植面積及產量均處于領先地位，也是引領糧食生產的先行區。

從耕地利用因素分解的角度來看，耕地規模因素在新疆各地州市都是增產的主要影響因子。糧食單產貢獻度在全疆都呈現正值，在伊犁州直屬地區增產最為明顯，對于全疆各地總產影響一直都是正向效應，這也是國家實施“藏糧于技”策略的體現。復種指數在烏魯木齊市、昌吉州、伊犁州直屬地區、塔城地區、和田地區貢獻度為負值，導致減產最明顯。糧作比例變化幾乎在全疆形成減產效應，僅在昌吉州、伊犁州直屬地區、塔城地區出現較強正向作用，大部分地州市都是“糧減經擴”，顯示出耕地糧食生產功能逐漸被弱化的現狀。

3.2 討論

新疆糧食生產重心北移，主要是北疆地區耕地面積不斷擴張，糧食作物種植面積也大幅增加導致。而南疆地區糧食生產處于脆弱生態環境，風沙侵蝕和水資源供給一直是當地農業發展的最大瓶頸，使其產量增幅較小。耕地規模擴大作為粗獷式農業發展方式帶來了一系列問題，如生態用地被占用；耕地被風沙侵蝕[2]，出現大面積拋荒、輪耕、休耕的現象；糧食作物種植周期需水量較多，生長期間大量抽取地下水灌溉，使得地區干旱程度加劇。如何平衡土地利用強度與生態保護是糧食生產過程中需要慎重考慮的問題，也是農業現代化發展必須要解決的難題。工業化時代的到來，糧食增產逐漸依賴化肥農藥的使用，但是高效的農化用品會帶來病蟲害變異、土地污染加劇及土壤養分流失等危害。因此，創新、節能、綠色、環保成為農業新發展方向。隨著優良育種及高效田間管理模式的推廣，糧食單產提高得到保證。農業技術人員、機械動力投入等農業生產要素保障了糧食生產合理有效開展。水利、道路等基礎設施完善成為糧食增產的重要支撐。

近年來，我國實行了最嚴格的耕地保護制度，但是隨著城市化進程的不斷加快，耕地面積減少是不可否認的事實。不僅是城鎮建設用地擠占耕地，農業生產投入成本加大、農業產值較低[6]、青壯年勞動力流失[3]都成為農業生產中不穩定性因素，尤其作為人們賴以生存的糧食作物，其生產受糧耕比例降低而面臨重大危機。為保障全國糧食有序生產，國家采取農業稅補貼[8]、農藥化肥補貼[7]、穩定糧食購買價格等措施，提升了農民種糧積極性，但穩定有序的糧食增產仍然要提高復種指數及單產水平。因此，發揮科技創新在復種及單產2個方面的轉化成果，實施“藏糧于技”措施，才能保證社會發展與糧食生產相協調，提高我國糧食生產及儲備的安全性。