2009—2017年中國耕地資源與糧食產量時空變化特征

屈群屹，楊 慧，趙永華，韓 磊

（長安大學土地工程學院/自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室/陜西省土地整治重點實驗室，西安 710054）

“民以食為天，國以糧為本”。自古以來，中國始終將保障糧食安全作為重要的戰略目標。進入21世紀以來，隨著中國經濟社會的快速發展，糧食生產格局與糧食消費格局發生了巨大的變化，而耕地作為糧食生產的基礎，其面積的減少、后備資源不足、生產潛力下降等問題與糧食消費需求增加的矛盾日益嚴重。

耕地是農業生產最基本的物質條件，其數量和質量直接影響糧食產量和糧食有效供給［1］。近幾年，全國耕地利用空間格局發生了巨大變化，對糧食生產潛力造成了一定的影響。國內學者的相關研究主要集中于耕地面積變化的時空特征及驅動因素［2-9］、耕地資源的保護［10］、糧食產量的變化及影響因素［11-13］、糧食生產與耕地面積變化之間的關系［14-17］等；國外學者主要從土地綜合利用角度研究了耕地變化及其與糧食生產的關系［18-20］。國內學者在研究糧食生產與耕地面積變化的關系方面，劉洛等［15］認為中國耕地糧食生產潛力存在顯著的空間差異，總體表現為東部高西北部低的趨勢，并且在1990—2010年耕地變化對糧食生產潛力的影響差異明顯；王介勇等［13］認為耕地資源的空間格局及其變動趨勢是糧食產量重心移動的客觀基礎；劉彥隨等［16］認為1990—2005年糧食產量變化對耕地變化的敏感性呈增強趨勢，且糧食產量重心與耕地重心之間的距離與糧食產量變化大致呈反向態勢；相慧等［17］分析了中國糧食主產區耕地生產能力空間分布特征，揭示了耕地生產能力層次差異；李昊儒等［11］從自然因素、科技因素（物質裝備）、社會經濟因素和農業生產條件等方面對近30年中國糧食產量的影響進行量化分析，揭示了不同影響因素對糧食生產的影響差異。這些研究都較好地揭示了中國各級區域耕地面積與糧食產量的時空變化之間的關系，但在分析影響糧食產量和耕地面積變化的因素方面，還有待更加綜合的分析方法。

當前，中國正處于鞏固脫貧攻堅成果和全面實施鄉村振興的關鍵時期，糧食安全對于維護社會穩定與國家安全具有至關重要的作用，且中國的糧食生產時空特征發生了顯著的變化，“南糧北運”已演變為“北糧南調”［16］。糧食主產區的穩產增產對于中國糧食安全顯得格外重要，對于糧食主產區耕地資源保護的重要性也就尤為突出，因此，研究耕地與糧食生產的時空變化特征對保護耕地與保障糧食安全具有重要意義。在整理多年統計數據的基礎上，構建耕地面積重心模型、糧食產量重心模型和糧耕敏感度模型等，并以省域為單位，分析中國2009—2017年耕地面積和糧食產量時空變化特征及其二者的時空耦合關系，定量研究耕地面積重心與糧食產量重心的移動變化軌跡，揭示耕地面積與糧食產量的關系，以期為中國的糧食區域協調和耕地資源保護提供理論支持。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

截至2017年底，中國人口總數達13.9億人，其中城鎮人口8.1億，鄉村人口5.8億；全年國內生產總值82.7萬億元，同比增長6.9%，經濟社會發展態勢良好；全國耕地面積134 881.2×103hm2，同比減少39.7×103hm2；全年全國糧食總產量61 791萬t，比上年增加166萬t，增長0.3%；糧食單位面積產量6 105 kg/hm2，人均原糧消費130.1 kg。

1.2 數據來源及處理

數據來源于2009—2017年《中國統計年鑒》［21］以及各省（市、自治區）的統計年鑒、各年份省域尺度的土地利用詳查變更數據與糧食產量相關的統計數據；以中國31個省級行政區為單位（由于缺乏相關統計數據，臺灣省、香港特別行政區、澳門特別行政區除外），整理得到耕地面積、糧食產量、農作物播種面積、糧食作物播種面積等數據，利用SPSS 22.0軟件對數據進行處理分析，并使用ArcGIS 10.2軟件對數據進行時空處理，實現數據空間表達。

2 方法

2.1 重心模型

重心模型主要用于研究一定區域范圍內某一類要素在空間上移動變化的過程。依據人口重心模型［22］、經濟重心模型［23］等原理，構建耕地面積重心模型與糧食產量生產重心模型來研究中國2009—2017年耕地面積與糧食產量的空間變化及耦合關系；區域重心的選擇不同于人口重心模型與經濟重心模型選擇省會城市的重心位置，而是基于ArcGIS 10.2軟件的重心分析功能選擇了各省級行政單位的幾何重心。

基本重心模型公式如下。

式中，Ti j（i=1，2，3，…，n）表示第i評價單元第j年某要素的總量；（Xi，Yi）為第i評價單元的地理中心坐標；（Xj，Y j）為該要素第j年的全國重心坐標。

2.2 土地利用變化動態度

單一土地利用類型動態度是用來表示某研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況，其對研究該區域的土地利用變化區域差異以及該地區土地利用結構未來的發展趨勢具有重要意義。其表達式如下。

式中，K為研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua、Ub分別為研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數量；T為研究時段長，當T的時段設定為年時，K就是該研究區某種土地利用類型年變化率。

2.3 糧耕敏感度模型

引入糧耕敏感度分析模型［16］來定量分析糧食產量與耕地面積之間的變化關系，公式如下。

式中，β為糧耕敏感度；Pi和Pi+1分別為研究區域初始期和末期的糧食產量；Qi和Qi+1分別為研究區域初始期和末期的耕地面積。

當β＞0時，表明糧食產量與耕地面積的變化呈正向變化，且取值越大表示糧食產量對耕地面積變化敏感度越高。其中，當0＜β＜1時，糧食產量變化率低于耕地面積的變化率；當β＞1時，糧食產量變化率高于耕地數量變化率，即耕地數量較小的變化就會使得糧食產量產生同向較大的變化。當β＜0，表明糧食產量與耕地數量的變化呈反向變化，糧食產量對耕地面積變化不敏感。

3 結果與分析

3.1 耕地面積與糧食產量時空變化特征

3.1.1 耕地面積時空變化特征2009—2017年全國耕地面積總體呈逐年減少趨勢，共減少503.4×103hm2，年均減少55.9×103hm2。在區域尺度上，2009—2011年華北、東北、華東、華中和西北地區耕地面積均呈減少趨勢，華東地區減少最大，減少了82.0×103hm2，減少動態度為0.110%/年；華南、西南地區耕地面積有所增加，華南地區增加最大，增加了56.9×103hm2，增加動態度為0.247%/年。2012—2014年東北、華東、華中、西南地區耕地面積減少，華中地區減少最大，減少了64.4×103hm2，減少動態度為0.122%/年；華北、華南和西北地區耕地面積增加，西北地區增加最大，增加了25.2×103hm2，增加動態度為0.051%/年。2015—2017年全國只有華北地區和西北地區耕地面積增加，其余地區均減少，其中，西南地區耕地面積減少最大，減少了79.7×103hm2，減少動態度為0.131%/年；西北地區耕地面積增加最大，增加了42.0×103hm2，增加動態度為0.085%/年。

總體來說，2009—2017年華北和西北地區耕地面積呈增加趨勢，且耕地面積增加動態度也呈加大趨勢；東北、華東、華中、華南和西南地區耕地面積均呈減少趨勢，其中，東北地區耕地面積減少動態度波動變化，華東和華中地區減少動態度呈減少趨勢，華南和西南地區減少動態度呈加大趨勢（圖1）。

圖1 各地區耕地面積變化量及動態度

3.1.2 糧食產量時空變化特征分析2009—2017年全國糧食產量總體呈增長趨勢，2017年較2009年糧食產量增加13 078.3萬t，增長了24.6%，糧食產量年均增加1 453.1萬t。從區域角度來看，2009—2011年除西南地區以外，其他地區均實現糧食增產，東北地區糧食產量增幅最大，達2 373.1萬t；2012—2014年除華南地區以外，其他地區糧食產量均有所增加，但各地區糧食產量增幅均較小；2015—2017年華南和西北地區糧食減產，其余地區糧食增產，東北地區糧食產量依舊增幅最大，達1 921.5萬t，華北、華東地區糧食產量增幅次之，分別為997.5萬t和907.4萬t。總體而言，2012—2014年較其他2個時期糧食產量增幅要小；東北、華東、華中地區為全國糧食主要產區，3個地區糧食總產量全國占比保持在60%以上；各地區糧食產量全國占比整體呈波動變化。整個研究期內（2009—2017年）東北地區糧食產量占比增加最大，上升了5.2個百分點，華東地區下降最大，降低了1.9個百分點（表1）。

表1 2009—2017年各地區糧食產量及占比

3.2 耕地重心移動與糧食產量重心移動特征

3.2.1 耕地重心移動軌跡及特征2009—2017年耕地重心呈“西移北上”的趨勢，年移動距離呈先減小后增大的態勢。2009—2015年全國耕地重心均位于山西省晉城市陵川縣境內，2016—2017年位于山西省長治市壺關縣境內。2009—2017年全國耕地重心移動軌跡為先西南后西北，2011年為轉折點。2009—2011年耕地重心向西偏南方向移動，2年間分別移動507.5 m和517.4 m。從2011年開始全國耕地重心均向西偏北方向移動，到2017年底，平均每年移動197.2 m，2012—2013年移動距離最小，為219.6 m，2015—2016年移動距離最大，為827.6 m（圖2）。

圖2 2009—2017年耕地面積重心移動軌跡

3.2.2 糧食產量重心移動軌跡及特征2009—2017年糧食產量重心呈“北上東移”趨勢。2009年糧食產量重心位于河南省開封縣西南部，到2011年向北偏東方向移動到河南省新鄉市長垣縣境內，分別移動了43.8 km和30.1 km。2011—2016年糧食產量重心呈現短距離的“西移”趨勢，移動軌跡為“西偏北—北偏東—南偏西—北偏東—西偏南”，重心移動到安陽市滑縣，重心移動距離也較2011年以前大幅減少，重心移動距離2013年最大，為17.0 km，2012年最小，為3.1 km。2017年糧食產量重心移動距離為9年間最大，向北偏東方向移動64.2 km到河南省濮陽市華龍區（圖3）。

圖3 2009—2017年糧食產量重心移動軌跡

3.3 糧耕敏感度分析

耕地對于糧食產量的變化具有基礎性的作用，在傳統的農業生產中，耕地面積的數量也直接決定著糧食的產量。有研究顯示，2004—2011年中國耕地面積年均減少0.177%，糧食產量年均增長3.624%［24］。這表明隨著農業科技的快速發展以及中國對農業生產的大量投入，糧食產量變化對耕地面積變化的敏感性較以往有所降低。基于糧耕敏感度模型，計算得出2009—2011、2011—2014、2015—2017年3個時期的糧耕敏感度指數，結合糧耕敏感度指數的意義，將其劃分為4個程度：①β≤0，糧食產量對耕地面積變化不敏感；②0＜β≤20，糧耕敏感性為一般敏感；③20＜β≤50，糧耕敏感性為中度敏感；④β＞50，糧耕敏感性為高度敏感（圖4）。

圖4 2009—2017年全國各省（市、自治區）糧耕敏感度

2009—2011年，全國有20個省（市、自治區）糧耕敏感度為不敏感，平均值為-51.01；7個省（市、自治區）為一般敏感，平均值為8.42；中度敏感1個，為新疆維吾爾自治區，敏感值為26.29；高度敏感3個，平均值為207.21。2012—2014年和2015—2017年，全國糧耕敏感性不敏感省（市、自治區）均為18個，平均值分別為-17.54和-142.63；一般敏感均為4個，平均值分別為9.25和10.61；中度敏感均為5個，平均值分別為42.51和34.74；高度敏感均為4個，平均值分別為100.15和166.83；二者較第一個時期，數量上具有敏感度的省（市、自治區）增加，尤其中度和高度敏感的省份數量有所增加，數值上，全國各省（市、自治區）敏感度有所降低，一般敏感程度和中度敏感程度增加，高度敏感程度下降。數量上較上一時期沒有變化，數值上，不敏感程度總體呈減小趨勢，一般敏感和高度敏感程度增強，中度敏感程度下降。

從空間上來看，2009—2011年糧耕中度敏感和高度敏感的省（市、自治區）有內蒙古、河北、新疆、青海、貴州、四川等，這些多為自然條件相對較差的地區，糧食產量對耕地面積的依賴性較強；2012—2014年糧耕敏感度為中度敏感和高度敏感的省（市、自治區）有黑龍江、北京、上海、四川、遼寧、內蒙古、新疆、西藏、江西、海南等，這一時期，除去自然條件較差的地區，一些經濟發達、耕地系統較為脆弱的地區也表現出較大程度的敏感性；2015—2017年糧耕敏感性為中度敏感和高度敏感的省份主要有浙江、湖南、海南、河南、寧夏、內蒙古、廣西、江西、西藏等，較前2個時期，東部沿海以及中部的一些省份糧耕敏感度增加，這與這些地區的土地利用方式的變化有很大的關系。總體來看，全國糧耕敏感度較高的地方主要集中于自然條件較差和耕地系統脆弱的一些省（市、自治區），但是，近幾年糧耕敏感度較高的地區有向中部和經濟發展較好、城市化程度較高的地區轉移的趨勢。

4 小結與討論

4.1 小結

2009—2017年中國耕地面積和糧食產量的時空變化特征如下。

1）耕地面積總體呈減少趨勢，但減少幅度呈下降趨勢。空間變化上表現為“東減西增”，華北、西北地區耕地面積呈增長趨勢，其余地區耕地面積均呈減少趨勢。省域變化特征上，耕地面積減少動態度較大的地區主要集中于經濟發達的北京、天津、上海、江蘇、廣東等東部地區，只有內蒙古和新疆的耕地面積呈增加趨勢。

2）糧食產量總體呈增長趨勢。空間變化上表現為“北增南減”，東北、華東和華中地區糧食產量全國占比始終保持在60%以上，華北地區糧食產量全國占比呈增長趨勢，華東、華南、西南地區呈下降趨勢，東北、西北地區波動變化。省域變化特征上，位于糧食主產區的省份糧食產量穩定增長，大部分省份糧食產量呈波動變化，只有個別省市有糧食減產的情況。

3）耕地面積重心移動與糧食產量重心移動在東西方向上呈反向變化，耕地重心表現為“西移北上”，糧食產量重心表現為“北上東移”，二者之間距離先減小后增大。耕地重心移動速率先減小后加快，變化幅度較小，表現了中國耕地面積在數量上變化幅度較小，但區域波動較為明顯。糧食產量重心在2009—2016年移動速率呈大幅減小趨勢，但2017年移動速率又大幅增長，表現了中國糧食產量的大幅變化以及區域糧食生產的明顯波動。

4）全國糧耕敏感度呈下降趨勢，糧食產量對耕地面積變化敏感的省份有所增加，但總體敏感度值呈下降趨勢。在自然條件相對較差以及耕地系統較為脆弱的地區，由于糧食產出率較低，表現為較大的糧耕敏感度。在經濟發展較好、城市化程度較高的地區，由于土地利用結構的變化，糧耕敏感度有增強趨勢。

4.2 討論

耕地是糧食生產的基本物質基礎，耕地面積也是糧食產量最基本的影響因素，研究結果顯示，中國耕地面積總體上呈“東減西增”的趨勢，糧食產量則呈“北增南減”的趨勢。在此背景下，如何保證糧食的穩產增產以及解決區域糧食需求增長同糧食產量不足的矛盾，是中國農業在以后面臨的一大主要問題。當前，中國糧食生產仍集中于東北、華東和華中等東部地區，而這些地區的用地矛盾也較為突出。同時還應看到，盡管土地的節約集約利用有助于提升建設用地利用效率、減緩耕地資源減少的壓力［25］，但一些經濟發達地區糧耕敏感度依然有增強趨勢。因此，優化農業政策和土地政策、改善農業基礎設施水平以及提升土地利用效率對糧食的穩產十分重要。中國耕地后備資源主要集中在西北地區，近年來，西北地區耕地面積也有較大幅度的增長，但是，其耕地生產潛力開發不足，糧食單產相對較低。因此，增加新增耕地單位面積糧食生產的物質投入，對糧食的增產具有重大的作用。還需注意的是，在全國土壤污染點位超標率達16.1%的背景下［26］，通過技術手段增加糧食單產應避免造成土壤污染。以“高投入、高產出、高污染”為主要特征的常規農業現代化發展模式盡管在短期內會大大提高糧食產量，但是不可持續，必須要重視現代生態農業的發展［27］。

在區域糧食需求增長與糧食產量不足的現實情況下，跨區域的糧食調動是解決這一矛盾的主要措施。因此，研究糧食產量與耕地面積時空變化的耦合關系十分重要。研究在分析耕地面積和糧食產量重心的時空變化特征以及糧耕敏感度的基礎上，揭示了中國耕地資源變化與糧食產量變化在空間上的差異性。未來，在保證18億畝耕地紅線的基礎上，通過改善農業生產方式、增加農業生產的投入、因地制宜地優化農業政策、調整土地利用方式以及優化糧食消費結構等，對綜合保障中國耕地面積和糧食生產安全具有重大的意義。

研究僅對2009—2017年中國耕地面積與糧食產量的時空變化特征進行了分析，時間尺度較小。同時，糧耕敏感度模型對糧食產量與耕地面積之間的關系研究太過單一，因此，在接下來的研究中將針對其不足，進一步深化對糧食生產與耕地面積變化的關系分析，并據此有針對性地提出相應的對策和建議。