福建省農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量變遷的特征分析

林霜霜 陸佩蘭 張海峰 葛慈斌 陳雙龍

（1 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物資源研究所，福州 350003；2 福建省種子總站，福州 350003）

糧食是影響國(guó)家安全、政治穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)和諧的重要戰(zhàn)略物資，在人類生活中屬于必需品，是一個(gè)國(guó)家能夠可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。黨的十九大報(bào)告明確提出要“確保國(guó)家糧食安全，把中國(guó)人的飯碗牢牢端在自己手中”。數(shù)據(jù)顯示，隨著中國(guó)人口增長(zhǎng)和消費(fèi)提升，糧食出現(xiàn)巨大缺口。2021 年我國(guó)糧食進(jìn)口1.65 億t，創(chuàng)歷史新高；近20年來(lái)，我國(guó)糧食進(jìn)口量增長(zhǎng)了800%，已成為全球第一大糧食進(jìn)口國(guó)。然而，隨著自然和社會(huì)等眾多因素的影響，農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量正快速變化，這對(duì)保障糧食安全與穩(wěn)定提出了巨大挑戰(zhàn)。農(nóng)業(yè)種植是一個(gè)高度復(fù)雜的綜合體，農(nóng)作物的生長(zhǎng)受到自然因素的影響，如光照、水分、溫度、地形和養(yǎng)料等。農(nóng)業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，其生產(chǎn)過(guò)程也是經(jīng)濟(jì)的再生產(chǎn)過(guò)程，因此，它的活動(dòng)和發(fā)展也必然受到非自然性因素的支配，主要包括歷史因素、人口與耕地變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)因素、科學(xué)技術(shù)和環(huán)境因素等[2]。

面對(duì)農(nóng)業(yè)種植的復(fù)雜性，研究農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化是十分必要的。農(nóng)作物時(shí)空分布信息反映了人類在空間上利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的狀況，也是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)格局與功能、陸地生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)、全球變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響等研究的重要基礎(chǔ)，對(duì)保障國(guó)家糧食安全和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究具有十分重要的意義[3-7]。地理信息系統(tǒng)（GIS）憑借其特有的空間信息管理與數(shù)據(jù)處理分析功能成為農(nóng)業(yè)信息化及現(xiàn)代化強(qiáng)有力的分析和決策輔助工具[8]，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用有效解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種動(dòng)態(tài)問(wèn)題，并且在技術(shù)層面有效推進(jìn)了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[9]。諸多學(xué)者結(jié)合GIS 手段對(duì)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)做了大量研究。例如，劉珍環(huán)等[10]綜合運(yùn)用時(shí)序變化趨勢(shì)、空間集聚分析等方法，分析了1980-2011 年中國(guó)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)時(shí)空變化；高軍波等[11]以縣域?yàn)檠芯繂卧沂玖撕幽鲜∞r(nóng)作物生產(chǎn)空間及專業(yè)化演變趨勢(shì)；宋桂琴等[12]分析了遼寧省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)時(shí)空變化特征；曹丹[13]對(duì)東北三省水稻種植面積及產(chǎn)量空間格局變遷進(jìn)行了分析。現(xiàn)有研究對(duì)揭示中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)空間格局變化、解決目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在的問(wèn)題具有重要意義，但針對(duì)福建省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化研究尚少。本研究以福建省為研究區(qū)域，收集1956 年、1981 年和2014 年縣級(jí)農(nóng)作物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和GIS 空間分析方法，探究農(nóng)作物種植面積及農(nóng)作物產(chǎn)量在時(shí)間和空間上的變化特征，為福建省農(nóng)作物種質(zhì)資源保護(hù)和利用提供依據(jù)，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況福建省位于我國(guó)東南沿海，地處23°30′～28°22′N、115°50′～120°40′E 之間，年平均氣溫15.0～21.7℃，平均降雨量1400～2000mm，是中國(guó)雨量最豐富的省份之一。福建省屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，由于境內(nèi)山巒起伏，地形復(fù)雜多樣，受地形等非地帶性因素的影響，水熱條件的區(qū)域差異以及垂直分布較為明顯，從而形成了多種多樣的局部小氣候。福建省土地總面積約為12.4 萬(wàn)km2，其中山地丘陵約占80%。福建省統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)顯示，截至2020年，福建省農(nóng)作物播種面積為168.200 萬(wàn)hm2，其中糧食作物為83.443 萬(wàn)hm2，經(jīng)濟(jì)作物為84.757 萬(wàn)hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源本研究采用的數(shù)據(jù)來(lái)自福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院“第三次全國(guó)農(nóng)作物種質(zhì)資源普查與收集行動(dòng)”項(xiàng)目組，包含1956 年、1981 年和2014 年福建省各縣不同農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)。在福建省種植的農(nóng)作物中，糧食作物主要有水稻、大豆、小麥、大麥和甘薯，經(jīng)濟(jì)作物主要有茶樹(shù)、甘蔗、花生、蘿卜和油菜。選取福建省種植面積較大的5 種主要農(nóng)作物（水稻、甘薯、大豆、花生、茶樹(shù)）進(jìn)行時(shí)間和空間上的比較分析，以了解福建省這幾種農(nóng)作物時(shí)間空間變化特征。

1.3 研究方法采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓從縣域角度分析不同時(shí)期福建省主要農(nóng)作物的空間分布特征和重心遷移情況。其構(gòu)成要素包括重心、長(zhǎng)半軸、短半軸和旋轉(zhuǎn)角等。重心（平均中心）是度量地理實(shí)體空間分布的一個(gè)指標(biāo)，用于識(shí)別一組要素的地理中心（或密度中心），其計(jì)算公式如下。

式中：xi和yi是要素i的坐標(biāo)，n為要素總數(shù)，wi為要素i處的權(quán)重，權(quán)重wi由屬性數(shù)據(jù)計(jì)算得出，，pi為第i個(gè)空間對(duì)象的屬性值。橢圓的長(zhǎng)半軸表示的是數(shù)據(jù)分布的方向，短半軸表示的是數(shù)據(jù)分布的范圍，長(zhǎng)短半軸值的差距越大（扁率越大）表示數(shù)據(jù)的方向性越明顯，本研究長(zhǎng)短半軸以十進(jìn)制度值表示。旋轉(zhuǎn)角變化表示數(shù)據(jù)空間分布的長(zhǎng)半軸方向變化。當(dāng)農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量重心沿某一方向移動(dòng)時(shí)表示該作物的整體生產(chǎn)朝該方向移動(dòng)。

農(nóng)作物不同時(shí)期種植面積和產(chǎn)量在空間上的變遷特征通過(guò)重心模型來(lái)計(jì)算，通過(guò)計(jì)算可以得到農(nóng)作物重心轉(zhuǎn)移的距離和速率，其中距離的計(jì)算公式如下。

式中：（xa，ya）表示農(nóng)作物在a時(shí)的種植面積或產(chǎn)量重心坐標(biāo)，（xb，yb）表示農(nóng)作物在b時(shí)的種植面積或產(chǎn)量重心坐標(biāo)。重心遷移速率的計(jì)算公式如下。

式中：d為重心遷移的距離，a和b分別代表遷移前后的時(shí)間。農(nóng)作物重心遷移的距離和速率可表示作物遷移變化中的劇烈程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 福建省主要農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量時(shí)間變化特征分析

2.1.1 福建省主要農(nóng)作物種植面積時(shí)間變化特征分析1956 年、1981 年和2014 年福建省主要農(nóng)作物種植面積（圖1a）顯示，水稻是福建省的主要糧食作物，但近年來(lái)種植面積下降明顯，經(jīng)濟(jì)作物花生和茶樹(shù)種植面積具有上升趨勢(shì)。具體而言，大豆種植面積總體波動(dòng)不大，在2014 年達(dá)到7.3 萬(wàn)hm2。甘薯種植面積總體呈下降趨勢(shì)，由1956 年的27.4 萬(wàn)hm2降低到2014 年的16.2 萬(wàn)hm2，下降幅度達(dá)到40.88%。水稻種植面積呈現(xiàn)先上升后下降的特征，較1956 年總下降幅度達(dá)到44.49%。花生和茶樹(shù)種植面積在3 個(gè)年份中都呈上升的趨勢(shì)，其中花生上升幅度為46.77%，茶樹(shù)上升幅度更是高達(dá)620.69%。

2.1.2 福建省主要農(nóng)作物產(chǎn)量時(shí)間變化特征分析1956 年、1981 年和2014 年福建省主要農(nóng)作物產(chǎn)量（圖1b）顯示，甘薯和水稻在農(nóng)作物總產(chǎn)量中占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)作物花生和茶樹(shù)產(chǎn)量呈逐年上升的趨勢(shì)，這和其種植面積的增加有著密切的聯(lián)系。具體而言，大豆、花生和茶樹(shù)產(chǎn)量在3 個(gè)年份間都呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，大豆產(chǎn)量上升幅度為316.67%，花生產(chǎn)量上升幅度達(dá)到178.95%，茶樹(shù)產(chǎn)量上升幅度高達(dá)1763.16%。甘薯和水稻產(chǎn)量都呈現(xiàn)先上升后下降的特征，但總體呈下降趨勢(shì)，甘薯產(chǎn)量下降幅度為17.97%，水稻產(chǎn)量下降幅度為8.18%。

圖1 福建省主要農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量時(shí)間變化

2.2 福建省主要農(nóng)作物種植面積空間變遷特征分析

2.2.1 福建省主要糧食作物種植面積空間變遷特征分析 大豆從福建省各縣（市、區(qū)）1956 年、1981 年和2014 年大豆種植面積（圖2a）可以看出，大豆種植面積總體空間變化不大，主要種植區(qū)位于福建省西部以及中北部和沿海幾個(gè)縣（市、區(qū)）。截至2014 年，大豆種植面積在3000hm2以上的縣（市）有7 個(gè)，分別為寧化縣、尤溪縣、惠安縣、云霄縣、漳浦縣、邵武市和建甌市。

甘薯從福建省各縣（市、區(qū)）1956 年、1981年和2014 年甘薯種植面積（圖2b）可以看出，甘薯種植面積呈逐漸下降的趨勢(shì)，1956 年甘薯主要種植區(qū)位于福建省東北部和中部地區(qū)，閩西北地區(qū)種植面積相對(duì)較少，到2014 年甘薯種植在福建省分布相對(duì)均衡，種植面積在10000hm2以上的區(qū)縣只有2個(gè)，分別為福清市和惠安縣。

水稻從福建省各縣（市、區(qū)）1956 年、1981年和2014 年水稻種植面積（圖2c）可以看出，水稻種植面積具有明顯的波動(dòng)，總體呈現(xiàn)先上升后下降的特點(diǎn)，1981 年水稻種植面積在40000hm2以上的區(qū)縣有7 個(gè)，而到2014 年這一數(shù)字為0。福建省的中北部和西南部是水稻主要的種植區(qū)，其占比在不同歷史時(shí)期都處于較高水平。

2.2.2 福建省主要經(jīng)濟(jì)作物種植面積空間變遷特征分析 花生從福建省各縣（市、區(qū)）1956 年、1981 年和2014 年花生種植面積（圖2d）可以看出，花生整體種植面積呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，且具有分布不均衡的特點(diǎn)，主要種植區(qū)位于福建省沿海地區(qū)，但花生種植有逐漸向內(nèi)陸地區(qū)擴(kuò)散的趨勢(shì)。截至2014 年，福建省花生種植面積達(dá)到4000hm2縣（市、區(qū)）有7 個(gè)，分別為福清市、惠安縣、秀嶼區(qū)、漳浦縣、南安市、仙游縣和平潭縣。

茶樹(shù)從福建省各縣（市、區(qū)）1956 年、1981年和2014 年花生種植面積（圖2e）可以看出，茶樹(shù)種植面積在3 個(gè)年份間呈逐漸上升的趨勢(shì)，且具有由區(qū)域性種植向全省擴(kuò)散的特點(diǎn)，主要種植區(qū)位于福建北部和中部的部分縣（市、區(qū)），其中安溪縣、福安市和福鼎市是福建省茶樹(shù)種植的主要地區(qū)。

圖2 1956 年、1981 年、2014 年福建省主要農(nóng)作物種植面積空間變化

2.3 福建省主要農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量空間重心遷移分析

2.3.1 福建省主要農(nóng)作物種植面積重心遷移分析

采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓對(duì)1956 年、1981 年和2014 年福建省主要農(nóng)作物種植面積變遷進(jìn)行分析（表1，圖3a）可以發(fā)現(xiàn)，從1956 年到2014 年福建省主要農(nóng)作物種植面積的重心都有向福建省地理重心遷移的趨勢(shì)。其中，花生和茶樹(shù)的變化過(guò)程最為明顯，1956 年花生和茶樹(shù)的種植面積重心分別位于福建省的東南部和東北部，并且它們標(biāo)準(zhǔn)差橢圓的方向性十分明顯，而到2014 年它們的重心靠近福建省中部且方向性特征明顯減弱。

表1 種植面積標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)

水稻和大豆的種植面積重心在1956 年、1981年和2014 年3 個(gè)年份中變化不明顯，且都靠近于福建省的地理重心，說(shuō)明水稻和大豆的種植在福建省種植分布相對(duì)均衡，地域差異性不明顯，其重心遷移距離分別為21.37km 和6.49km。甘薯種植面積的重心有從福建省的中東部向中部遷移的特征，有從東南部的沿海部分地區(qū)向全省擴(kuò)散的趨勢(shì)，其遷移距離為35.04km，遷移速率達(dá)到0.604km/年。1956年和1981 年花生種植面積的重心靠近福建省的東南地區(qū)，而到2014 年其重心也靠近福建省的地理重心，說(shuō)明花生的種植在福建省也趨向于均衡，其遷移距離為42.17km，遷移速率為0.727km/年。同樣的，茶樹(shù)種植面積的重心由福建省的東北部逐漸向福建省地理重心靠近，遷移距離達(dá)到68.19km，遷移速率達(dá)到1.176km/年，其種植從區(qū)域化優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)到全省全面種植。

2.3.2 福建省主要農(nóng)作物產(chǎn)量重心遷移分析采用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓對(duì)1956 年、1981 年和2014 年福建省主要農(nóng)作物產(chǎn)量變遷進(jìn)行分析（表2，圖3b），發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量變遷過(guò)程和種植面積變遷具有很大的相似性，說(shuō)明耕地面積是保障農(nóng)作物產(chǎn)量的必要條件，福建省農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)農(nóng)作物種植面積有較高的依賴性。

圖3 福建省主要農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差橢圓圖

表2 產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)

2.4 福建省主要糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物變遷特征對(duì)比分析通過(guò)對(duì)福建省主要農(nóng)作物進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和重心遷移度量發(fā)現(xiàn)，糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物變遷特征存在較大的差異。從種植面積和產(chǎn)量來(lái)看，糧食作物依然在農(nóng)作物中占主體地位，尤其體現(xiàn)在水稻的種植和產(chǎn)量方面。但受到農(nóng)業(yè)發(fā)展政策、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和自然等因素的影響，糧食作物種植面積和產(chǎn)量從1956 年至2014 年總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，與之對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)作物則呈逐漸上升的趨勢(shì)，尤其是茶樹(shù)的種植，其已成為福建省重要的經(jīng)濟(jì)作物。從重心遷移的角度來(lái)看，糧食作物總體的遷移特征不明顯且靠近于福建省的地理重心，經(jīng)濟(jì)作物在遷移距離和遷移速率上都比糧食作物要更明顯且都有向福建省地理重心靠近的趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

福建省農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量在1956-2014年間出現(xiàn)明顯波動(dòng)，本研究基于GIS 理論，并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，定量化計(jì)算與可視化展示了福建省1956 年、1981 年和2014 年大豆、甘薯、水稻、花生和茶樹(shù)的種植面積和產(chǎn)量空間重心遷移，可為福建省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供依據(jù)，進(jìn)而提高福建省農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力。

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)：（1）1956-2014 年福建省主要糧食和經(jīng)濟(jì)作物在時(shí)間和空間上都發(fā)生了比較明顯的波動(dòng)。福建省主要糧食作物的種植面積和產(chǎn)量大體呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，經(jīng)濟(jì)作物的種植面積和產(chǎn)量呈持續(xù)上漲的特征，其中茶樹(shù)種植面積和產(chǎn)量的變化最為明顯。（2）通過(guò)對(duì)福建省主要農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量進(jìn)行空間重心遷移分析發(fā)現(xiàn)，福建省主要糧食和經(jīng)濟(jì)作物種植面積和產(chǎn)量重心都有向福建省地理重心遷移的趨勢(shì)，區(qū)域性差異正逐漸降低。（3）對(duì)福建省主要農(nóng)作物遷移特征進(jìn)行度量發(fā)現(xiàn)，茶樹(shù)種植面積和產(chǎn)量重心遷移的距離最遠(yuǎn)，大豆和水稻種植面積和產(chǎn)量重心變化最小。總體來(lái)看，經(jīng)濟(jì)作物的重心變遷比糧食作物變遷過(guò)程明顯。

農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量的變化是政策、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣候變化等多重因素共同造成的。首先，從國(guó)家政策的角度來(lái)看，20 世紀(jì)80 年代初，我國(guó)實(shí)行了家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)積極性空前高漲，促進(jìn)了農(nóng)作物，尤其是糧食作物種植面積和產(chǎn)量的雙增；進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，受“一村一品”產(chǎn)業(yè)發(fā)展等政策影響，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響了糧食與經(jīng)濟(jì)作物種植的比例。其次，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，城市化發(fā)展導(dǎo)致大量務(wù)農(nóng)者涌向城市，出現(xiàn)棄耕和土地流轉(zhuǎn)現(xiàn)象，土地流轉(zhuǎn)出去后，轉(zhuǎn)入農(nóng)戶普遍優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)效益，而種糧效益相對(duì)較低，導(dǎo)致種糧意愿減少，經(jīng)濟(jì)作物種植面積得到增長(zhǎng)。其三，福建地勢(shì)不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，規(guī)模化成本高、效益低，從而影響農(nóng)作物的種植。此外，如降水、積溫等氣候變化也會(huì)影響種植業(yè)的產(chǎn)量，導(dǎo)致空間轉(zhuǎn)移和重心遷移。

福建省“八山一水一分田”，農(nóng)業(yè)集約化程度較高，資源、生態(tài)、環(huán)境與人口、產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)的矛盾長(zhǎng)期持續(xù)。為此，如何在保持人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)進(jìn)一步鞏固農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)地位，穩(wěn)定農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)水平，是值得各領(lǐng)域共同探討的命題。本研究以福建省1956 年、1981 年和2014 年的農(nóng)作物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在時(shí)間上分別代表了改革開(kāi)放前、改革開(kāi)放初期和近年來(lái)農(nóng)作物種植情況，研究結(jié)果對(duì)其他地區(qū)的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)發(fā)展具有一定的借鑒意義，下一步將對(duì)福建省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)變化的影響因素進(jìn)行更深入、具體的研究。