基于地貌分區的近30年中國糧食生產空間分異研究

王凱澄 韓 桐 臧華棟 陳 阜 薄曉智 褚慶全

中國農業大學農學院 / 農業農村部農作制度重點實驗室, 北京 100193

糧食生產與國計民生息息相關, 在國民經濟和社會發展中占有極其重要的地位[1]。由于人口數量龐大, 人均水土資源占有量少, 如何有效提高農業用地的綜合生產能力和保持糧食產量的持續增長是保障中國糧食安全的重要途徑。在當今全球變化與工業化、城市化背景下, 中國糧食生產時空分異格局發生了明顯變化, 糧食流通也由過去的“南糧北調”逐步轉變為“北糧南運”[2]。未來一段時間, 中國農業將面臨多重挑戰: 耕地面積減少、耕地質量退化、水資源短缺與生態環境惡化等問題愈發突出,并可能引發生態系統退化和糧食減產等問題[3-6]。中國農業既要土地集約化提高耕地的綜合生產能力,穩步提高糧食生產能力, 保障國家糧食安全, 又要合理利用不同類型的土地退耕還林還草, 保障國家生態安全。因此, 分析中國糧食生產和農業用地的現狀及其發展趨勢, 以及糧食生產和耕地等農業資源的匹配性, 對于合理利用土地和提高土地綜合生產能力, 保障國家糧食安全和生態安全具有重要意義。

糧食生產的空間格局體現了糧食種植面積和產量在地理學視角下的區域性特征, “空間分異”反映了格局在時間維度的演變過程, 格局和分異研究是地理學領域的前沿方向和重要方法[7]。近年來很多學者從不同視角研究了中國糧食生產的時空變化格局和農業資源的匹配性。一些學者基于行政分區分析了中國糧食生產時空變化特征, 如楊春霞等[8]利用中國縣域糧食生產數據, 采用動態分析、空間分析等方法, 分析了主要糧食作物產量及結構的時空格局變化; 薛劍等[9]綜合采用探索性空間數據分析技術、重心遷移模型對河南省縣域糧食生產格局演化及影響進行了研究; 蘇陽[10]探究了黑龍江省1980—2010年水稻、玉米、大豆和小麥4種農作物的種植結構時空變化特征及影響因素。保障糧食安全是中國農業的永恒主題和難題, 中國糧食生產潛力地域差異顯著, 水資源短缺、水土資源空間分布不匹配、光熱資源利用效率較低等問題影響著中國糧食生產的健康發展[11-13]。因此, 也有一些學者從糧食生產和農業資源的匹配性方面對中國糧食生產的時空變化進行了分析, 以充分挖掘不同地區光、溫、水、土等農業資源的利用效率和提高糧食產量。楊鑫和穆月英[14]基于基尼系數和不平衡系數發現2000—2017年中國糧食生產與水資源空間匹配狀態不斷惡化; 李帥[15]使用Manner-Kendall檢驗、REOF、k-means聚類分析等方法來研究中國農業熱量資源時空格局及長期變化趨勢; 李明輝[16]通過分析2001—2016年山東和各地市糧食生產水資源配置效率及時空分布規律, 提出了糧食生產水資源優化配置策略。這些研究從不同尺度揭示了糧食生產及種植結構時空變化格局與自然資源的匹配性, 為優化糧食生產布局、保障國內糧食安全、構建區域協調發展機制提供了參考[17-19]。

作物空間格局是人類對土地資源利用方式的體現, 格局的演變展示了人類在生產過程中對氣象、土壤等自然環境要素的自適應調整和優化, 分析和研究農作物時空格局是探索和解讀“自然-人類-社會”綜合復雜關系的關鍵。現有研究大多側重中國糧食生產時空分異的經濟地理特點, 從行政分區或農業區劃視角分析糧食生產的時空變化, 雖然有學者研究涉及糧食生產的自然地理特點, 但大多是從水熱資源的角度進行考察, 基于地貌分區的糧食生產時空變化研究尚不多見。鑒于此, 本文利用1985—2015年中國縣域單元糧食生產數據, 綜合運用空間分析、集中度指數、變異系數分析等方法, 基于不同地貌分區來定量揭示近30年中國糧食生產空間分異的地形地貌特點。本研究為中國糧食生產空間分異定量化提供了新的視角, 也為未來制定不同類型的糧食生產區域策略提供了理論依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文涉及到的1985—2015年(每5年一個節點)全國(不包括香港特別行政區、澳門特別行政區、臺灣省)分縣區作物生產數據, 包含小麥、玉米、水稻、大豆和馬鈴薯5種主要糧食作物的播種面積和總產, 數據來源于中國農業科學院農業信息研究所。本文采用的地貌分區底圖和包含全國34個省市區2894個縣級行政區及邊界的地理信息系統(geographic information system, GIS)數據, 來源于中國科學院資源環境科學數據中心的資源環境數據云平臺(http://www.resdc.cn/)。

1.2 研究方法

1.2.1 地貌分區 文中地貌分區依據2009年中國科學院地理科學與資源研究所編制的1∶100萬中國地貌圖[20], 其地貌類型分布數據來源于《中華人民共和國地貌圖集(1∶100萬)》, 具體按照海拔高度、起伏度、成因類型等細分為26類。具體工作中對一些地區進行了歸并, 最終將全國分為4種地貌類型區(圖1), 分別為平原(低海拔平原、中海拔平原、高海拔平原、極高海拔平原)、臺地(低海拔臺地、中海拔臺地、高海拔臺地、極高海拔臺地)、丘陵(低海拔丘陵、中海拔丘陵、高海拔丘陵、極高海拔丘陵)、山地(小起伏低山、小起伏中山、小起伏高山、小起伏極高山、中起伏低山、中起伏中山、中起伏高山、中起伏極高山、大起伏中山、大起伏高山、大起伏極高山、極大起伏中山、極大起伏高山、極大起伏極高山)。

1.2.2 糧食生產集中度 糧食生產集中度指數定義為“某地區某時期糧食產量(播種面積)占同期全國糧食總產量(總播種面積)的比重”, 該指標可以解釋某一時期各分區糧食總產量(總播種面積)對同時期全國總量的貢獻情況, 公式表示為:

式中, CRij為i地區j時期占同期糧食總量的比重(%),即糧食生產集中度指數;Gij為i地區j時期糧食產量(單位: t)或播種面積(單位: hm2);Gj為j時期全國糧食產量(單位: t)或播種面積(單位: hm2)[21]。

1.2.3 糧食生產變異系數 采用變異系數探究全國不同地貌分區糧食產量(播種面積)的波動性, 變異系數指標準差與糧食產量(播種面積)平均值的比值, 其能反映全國不同分區糧食生產變化的相對均衡性[22]。計算公式如(1)和(2):

式(1)和式(2)中,σ表示標準差, CV表示變異系數,Xi表示i分區的糧食產量(播種面積),表示各分區糧食產量(播種面積)的平均值,n表示地貌分區數。

1.2.4 基于ArcGIS的糧食生產數據的空間分割

計算不同地貌分區的糧食生產集中度, 首先必須統計各區的糧食播種面積和產量, 然而中國現有的各種糧食產量(播種面積)數據都是按行政區統計的省域或縣域數據, 在利用縣域數據計算各分區的糧食產量(播種面積)過程中, 可能有一些縣出現跨區的情況, 因此需要對這些跨區縣份的糧食產量(播種面積)數據進行空間分割。本研究參考徐海亞等[2]在研究自然地理分區下中國糧食生產格局變化時所采用的糧食生產數據空間分割方法, 基于地理信息系統ArcGIS10.6的疊加分析功能, 依據跨區縣份在不同分區的占地面積進行糧食生產數據的空間分割。

2 結果與分析

2.1 基于地貌分區的1985—2015年中國糧食生產時空變化

2.1.1 1985—2015年中國糧食播種面積及總產的變化 對1985—2015年中國糧食生產變化分析表明, 近30年中國糧食播種面積和糧食總產分別增加了9.0%和75.5%, 糧食生產有向平原區和臺地集中的趨勢, 30年來平原區平均生產糧食占中國的42.7%, 臺地、丘陵和山地生產的糧食分別占中國糧食總產的17.2%、14.7%和25.5%。由圖2可知, 近30年來平原區糧食播種面積和產量占比最高, 到2015年分別占全國的40.2%和45.1%。不同地貌類型糧食播種面積總體呈現增加趨勢, 其中平原區播種面積增加最多, 從1985年的4195.72萬公頃, 增加到2015年的4616.29萬公頃, 30年增加了420.56萬公頃, 增幅10.0%, 其次為臺地、丘陵和山地, 分別增加了310.08萬公頃、213.68萬公頃和1.33萬公頃, 增幅17.6%、13.6%和0.04%。不同地貌類型糧食產量也呈現增加趨勢, 其中平原區增加最多, 從1985年的15,397.49萬噸, 增加到2015年的29,493.90萬噸, 增加了14,096.41萬噸, 增幅91.6%,其次為臺地、山地和丘陵, 分別增加了5314.99萬噸、4777.41萬噸和3920.09萬噸, 增幅分別為84.8%、71.4%和47.3%。

2.1.2 1985—2015年中國糧食生產集中度的變化

對中國糧食播種面積及總產的集中度分析表明,平原區以占全國22.9%的土地面積生產了全國40%以上的糧食, 從30年變化趨勢來看糧食總產向平原和臺地集中的趨勢明顯。由表1可知, 平原區的播種面積和產量集中度占比最高, 且總體呈上升趨勢,30年間分別累計上升了0.4%和3.8%。臺地的播種面積和產量集中度總體也呈上升趨勢, 30年分別累計上升了1.3%和0.9%。丘陵區的播種面積集中度增加, 而產量集中度呈下降趨勢, 30年分別累計上升和下降了0.6%和0.3%。山地的播種面積和產量集中度均呈現下降趨勢, 30年分別累計下降了2.3%和4.4%。

表1 1985–2015年中國不同地貌類型糧食播種面積及產量集中度Table 1 Grain planting area and yield concentration of different geomorphological division from 1985 to 2015 in China

2.2 基于不同地貌類型區的1985—2015年主要糧食作物生產的時空變化

2.2.1 中國主要糧食作物播種面積及產量的變化

選取水稻、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯等5種主要糧食作物, 分析其在不同地貌類型下播種面積和產量的變化情況。由圖3可知, 水稻播種面積和產量在平原占比最高, 30年來平均占全國的28.1%和30.6%, 其在平原、臺地和丘陵的播種面積和產量不斷增加, 以平原區增加最多, 30年間分別增加了137.40萬公頃和2411.64萬噸, 增幅分別為57.1%和18.9%, 其次為臺地和丘陵, 而在山地水稻的播種面積減少了15.7%。小麥播種面積和產量在平原區占比分別為55.4%和63.3%, 近30年小麥播種面積在平原區趨于穩定, 而在其他3種地貌中總體呈減少趨勢, 其中山地減少最多, 減少了30.9%, 而產量在不同分區均呈增加趨勢, 以平原區增加最多, 近30年增加了4822.18萬噸, 增幅95.7%。玉米在平原的播種面積和產量占比分別為43.8%和46.9%,且近30年分別增加了1130.71萬公頃和9726.64萬噸, 增幅156%和346%, 而在其他3種地貌中同樣呈現增加趨勢。大豆在平原的播種面積和產量占比分別為38.8%和40.7%, 30年間其播種面積和產量在臺地、丘陵和山地呈增加趨勢, 以丘陵和山地增加最多, 播種面積分別增加了36.1%和20.6%, 而產量分別增加了100.0%和75.8%。馬鈴薯在山地的播種面積和產量占比最高, 分別占全國的55.7%和54.1%, 且30年間以山地增加最多, 分別增加了107%和204%, 其次為丘陵, 而平原和臺地間增量差距不大。

2.2.2 中國主要糧食作物生產集中度的變化 對5種糧食作物近30年的播種面積及產量集中度變化分析表明, 水稻、小麥、玉米三大糧食作物的生產均呈現向平原區集中的趨勢, 而大豆和馬鈴薯的生產向丘陵和山地集中的趨勢明顯。由圖4可知, 30年來水稻、小麥、玉米和大豆的播種面積和產量集中度在平原區占比最高, 且均超過了全國的30%,而馬鈴薯在山地占比最高, 占到全國的50%以上。30年間水稻的播種面積和產量集中度在平原、臺地和丘陵, 其呈上升趨勢, 其中平原區上升最多, 分別上升了3.9%和3.6%, 其次為臺地和丘陵, 而在山地呈下降趨勢, 分別下降了7.1%和6.5%。30年來小麥的播種面積和產量集中度在平原區不斷上升且上升速度最快, 分別上升9.6%和10.6%; 而在其余3種地貌類型中呈下降趨勢, 其中山地下降最多, 分別下降了4.1%和5.2%。玉米的播種面積和產量集中度在平原、臺地和丘陵呈上升趨勢, 而在山地呈下降趨勢, 分別下降了7.0%和6.1%。大豆的播種面積和產量集中度在臺地、丘陵和山地, 其呈上升趨勢,其中丘陵區增加最多, 分別上升了6.4%和6.2%。而在平原區降幅較大, 分別下降了16.6%和14.1%。馬鈴薯的播種面積和產量集中度在平原區呈下降趨勢,30年來分別下降了2.6%和1.5%, 在丘陵呈上升趨勢, 分別上升了3.8%和3.7%, 在臺地變化幅度不大,而平原區馬鈴薯播種面積和產量集中度年際間波動較大, 1985—1990年間呈上升趨勢, 1990—2000年間分別下降了7.9%和4.9%, 而2000—2015年總體呈現上升趨勢, 分別上升了3.0%和1.2%。

2.3 不同地貌分區的糧食生產波動分析

對近30年不同地貌分區糧食生產波動分析表明, 全國不同地貌分區糧食播種面積變化差異不大,而產量變化差異加大, 不同糧食作物在分區間的播種面積和產量差異各呈現不同變化趨勢。由圖5-A所示結果可見, 1985—2015年間, 糧食播種面積變異系數介于0.43~0.46之間, 變動范圍相對較小, 說明全國不同地貌分區間糧食播種面積總體變化差異不大。水稻、玉米和大豆的變異系數總體趨于下降,30年變異系數下降了0.11、0.03和0.41, 表明這3種作物在不同分區間的播種面積變化趨于穩定。小麥的變異系數30年上升了0.25, 表明其在不同分區間的播種面積變化差異加大。馬鈴薯播種面積的變異系數年際間變化幅度較大, 1985—1990年上升了0.12, 1990—2000下降了0.21, 2000—2015年上升了0.09。由圖5-B所示結果可見, 30年間, 糧食產量變異系數增加了0.07, 說明全國不同地貌分區間糧食產量變化差異加大。水稻、大豆和馬鈴薯的變異系數總體趨于下降, 30年分別下降了0.06、0.37和0.07,表明這3種作物在不同分區間的產量變化趨于穩定。小麥的變異系數總體趨于上升, 30年上升了0.29, 表明其不同分區的產量變化差異加大。玉米總產的變異系數年際間變化幅度較大, 1985—1995年上升了0.10, 1995—2005年下降了0.11, 2005—2015年上升了0.13。

3 討論

3.1 中國糧食生產時空分布特征

事物在時間和空間上的變化是相互聯系的, 空間是時間快慢變化同質的區域, 時間是空間長短變化同歸的程序[23]。通過時空分異研究可以理解、掌握和總結研究目標屬性的時空規律性。時空分異的研究內容是空間分布和空間配置及其時間上的變化,包括空間格局特征、時間序列特征和時空變化特征。本研究基于地貌分區分析了1985—2015年中國糧食生產時空分異特征, 量化了各種地貌分區生產的糧食占中國糧食總產的比重, 以及水稻、小麥、玉米等主要糧油作物的分區分布特征及其變化趨勢, 研究結果為中國糧食區域布局優化提供了依據。中國糧食的生產主要集中在平原區, 尤其是東北平原、華北平原和長江中下游平原, 三大平原的糧食產量占中國糧食產量的57.0%[24], 這一比例要高于本研究中的平原區糧食生產的比重(42.7%), 其原因主要是東北平原、華北平原和長江中下游三大平原的范疇應該是基于大地形地貌的, 而沒有考慮小地形變化, 不能算嚴格按地貌分區的精確統計。實際上東北、華北和長江中下游平原還包括了丘陵、臺地等小地形, 因此前人研究結果要遠高于本研究的結果。此外, 前人的研究大多都是基于行政分區和大的地形分析的, 王鳳等[25]從縣域層面將九大農區分為平原、丘陵和山區3種地形, 來研究糧食生產變化的地形分異規律, 但其分區可能未充分考慮各縣份地形地貌變化的跨區性。劉玉等[26]從南北方、四大經濟區、八大糧食生產區、13個糧食主產省等類型分區探討了1998—2010年中國糧食生產時空格局變化, 其研究更多的偏向經濟地理特點分區, 而本文從地形地貌的自然地理視角出發, 以便更好的反映糧食生產與自然資源的匹配性。徐海亞和朱會義[2]基于自然地理分區對中國糧食生產格局變化也進行了研究, 文中把中國按照不同地貌分為山地及丘陵、高原及臺地、平原3種大地形, 把丘陵劃分到山地中, 可能對于兩者在海拔、起伏度和分布上的區別不能夠很好地體現。相對于前人的研究, 本文進一步探討了水稻、小麥、玉米等主要糧食作物生產的地貌分區時空分布特征, 這部分研究為進一步優化各種作物的布局和制定不同分區類型的作物發展策略提供了依據。

3.2 糧食生產時空變化的影響因素

明晰內外部要素對農作物時空格局的驅動方式可以有效評估和管理國家糧食安全狀態。時空格局變化研究包括3個方面: 一是研究區內農作物生產在時間序列上的變化; 二是相同時期不同區劃之間農作物生產的空間差異; 三是時空格局變化的影響要素和驅動因子的分析[27]。改革開放以后中國經濟、社會和生產發生了巨變, 農業也由傳統農業向現代農業邁進, 作物種植和布局也隨著社會需求、資源等變化發生了明顯的變化, 其背后有這復雜的驅動因素。平原區土壤肥沃、自然災害少、氣候條件相對優越, 適宜多種作物種植, 特別是華北平原、東北平原等地區, 近30年來由于農業技術條件的不斷改善, 如農業機械動力、灌溉、化肥、地膜、優良品種等的廣泛應用, 高產耕地面積增加, 勞動生產率不斷提升, 推動著糧食生產向平原區集中[26,28-29]。丘陵和山地由于受地形、氣候等條件限制, 更偏向季節性休耕或轉種經濟作物[30], 導致糧食作物生產的比重下降。不同地區糧食生產政策的調整也將影響糧食生產的時空變化, 包括農業產業結構的調整、高標準農田及農業生態工程建設、農業基礎設施建設和國家農業補貼投入力度等[25,31]。

在全國糧食生產時空分異格局發生變化的大背景下, 糧食生產向具有比較優勢的地區偏移或集中,地區間糧食產量差異加大, 這有利于充分發揮當地自然資源優勢, 也有利于規模化、機械化生產, 進而提高勞動生產率和生產效益。丘陵和山地糧食生產集中度下降, 可以為水果、茶葉等經濟作物提供發展空間, 這更有利于促進糧食生產與農業資源的合理高效配置, 進而提高中國農業用地的綜合生產能力[32-33]。但是糧食生產向平原區, 尤其是華北平原和東北平原集中的同時也會加劇北方地區地下水、黑土資源過度開采的問題[27-28]。因此, 需要從宏觀的角度加強基于自然地理(地貌、氣候變化)分區的中國糧食生產變化研究, 以便進一步采取措施調整糧食種植結構, 優化糧食生產布局, 推動糧食生產與農業資源的合理配置, 進而提高中國農業用地的綜合生產能力和保持糧食產量的持續增長。

4 結論

基于GIS空間分析技術, 本文定量揭示了近30年中國糧食生產空間分異演變的地貌分區特征。研究表明, 平原區糧食總產占全國糧食總產的比重最高, 達到42.7%, 山地、臺地和丘陵的占比分別為25.5%、17.2%和14.7%, 近30年糧食生產向平原和臺地集中的趨勢明顯, 二者的糧食產量集中度分別上升了3.8%和0.9%, 而山地和丘陵的集中度下降了4.4%和0.3%。水稻、小麥、玉米和大豆的生產在平原區集中度分別為30.6%、63.3%、46.9%和40.7%,而山地生產的馬鈴薯占全國馬鈴薯總產的54.1%。近30年水稻、小麥、玉米呈現向平原區集中的趨勢,產量集中度分別上升了3.6%、10.6%和1.8%, 而大豆和馬鈴薯向丘陵和山地集中的趨勢明顯, 二者在丘陵區產量集中度分別上升了6.2%和3.7%。以上分析表明, 近30年基于地貌分區的全國糧食生產分異格局發生了很大的變化, 不同地貌分區間糧食產量差異加大。上述研究結果為不同地形地貌區域的糧食和作物布局提供了依據和參考, 可以為國家或地區制定農業生產適應性對策、正確指導農業發展規劃和合理開發利用農業資源提供理論依據。