一种区域种植业发展水平的度量方法及其应用：以重庆市万盛区石林镇为例*

2010-08-02李建国刘金萍刘丽丽郭晴晴窦贤明关冰程晓昀邵景安

水土保持研究 2010年3期

李建国,刘金萍,2,刘丽丽,郭晴晴,窦贤明,关冰,程晓昀,邵景安

(1.重庆师范大学地理科学学院,重庆400047;2.G IS应用研究重庆市重点实验室,重庆400047;3.中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221008)

自从1974年世界粮农组织(FAO)提出“粮食安全”的概念以来[1],粮食安全已经得到了国内外众多学者的关注,并取得了大量的成果[2-13],其研究方法和度量尺度,国际上已经有了基本一致的看法。但是,随着工业化、城市化的加速,城市对农业的发展引动力加大,引发了农业内部的结构调整,加速了农业内部资源的整合。这也导致了粮食生产仅仅作为农业产品中的一部分,而且这部分比例还在不断的降低,部分地区农业生产已经脱离了粮食生产的传统轨迹,开始向多元化、深层次、全方位的现代农业转变,粮食生产已经逐渐远离了种植业的主角地位,经济作物、蔬菜等逐渐成为了现代农业结构调整的重要方向。例如我国长江三角洲地区,由于高强度的土地开发、企业占用、基础设施建设,人均耕地面积只有0.051 hm2,不到全国平均水平的1/2,也低于国际粮农组织确定的0.053 hm2/人的警戒线。三角洲地区早已脱离了“鱼米之乡”的传统农业生产角色。而且,国际上通常用本年粮食结转库存量占下年消费量的百分比作为粮食安全系数,只能从表面上反映区域粮食供求状况,并不能反映影响农业发展的科技投入、耕地面积变化和粮食生产的稳定性等对种植发展的影响,不能反映农业实际状况。急需寻找一个全面衡量区域种植业发展水平的概念和度量方法,该文提出了种植业发展指数的概念及其度量模型,并以重庆市万盛区石林镇为例进行种植业发展指数的实例研究。

1 种植业发展指数的定义和内涵

种植业发展指数是反映区域种植业发展水平的综合性无量纲指标,用E表示。E＞0,E值越大,区域种植业发展水平越高;反之,越低。种植业发展指数由种植业产量波动程度、科学技术水平、农业产品供求状况3个部分合力表征,充分反映了该指标的综合性和可调控性,此概念的提出优点在于克服粮食安全系数的表面化的不足,从种植业内部结构系统的复杂性出发,综合反映区域种植业的发展状况(图1)。

1.1 种植业发展指数的约束力指标——种植业产量波动程度

种植业产量波动程度OA(见图1),赋予了区域种植业发展程度的可塑性。这种可塑性不是无限的,农业生态系统是自然生态系统的一部分,自然也服从自然生态系统的运行机理。从生态学中Logistic模型中的K值概念,发现区域种植业产量波动程度和K值一样,都是呈梯阶稳态分布。因为在巨大的农业生产系统中,物质循环和能量流转的相互作用,建立了自校稳态机制(Self-correction homeostasis),但是这种稳态机制是有限度的,即有一定的波动范围。当波动水平超出了这个限度阈值后,系统便发生转变,从一种稳态走向另一种稳态,著名的生态学家Odum E.P.将这种变化看作是一系列台阶,称作稳态台阶[13]。种植业产量波动程度是表征区域种植业产量的稳定性的重要指标,同时在一定程度上也反映区域粮食安全的水平,在区域种植业发展水平的表征中具有重要的地位。种植业产量波动程度的大小表征了区域种植业抵御自然灾害、市场波动、社会经济差异导致的内部结构不稳定性的一个显著性指标。

图1 种植业发展指数内涵示意图

1.2 种植业发展指数的支持力指标——科学技术水平

区域科学技术等物质资料的投入(OC)对于区域种植业的发展至关重要,如果不是科学技术的作用,人类早已陷入人口爆炸、饥荒的漩涡之中。可见科学技术是区域种植业发展最强大的支持要素。区域种植业产量从一种稳态向另一种稳态过渡(正向过渡)都是科技显示出的巨大驱动力。没有科学技术的支撑,农业发展是无本之木,无源之水,是不会长久的。就目前的情况来看,科学技术的进步对种植业本身的发展不具有负效应。

如果没有科学技术的支持,种植业的正向稳态过渡是不可能的,在人口呈指数增长的今天,种植业的绝对不变稳态是难以想象的,必将会出现全球范围内的饥荒。相对于人口数量的急剧增长,种植业的不变稳态是一种变相的负向稳态过渡。这种过渡往往是呈跳跃式的,而非渐进式的。也就是说,一旦出现上述的情况,意味着种植业水平的巨大下降和不可或难以逆转的变化。

1.3 种植业发展指数的弹性力指标——农产品供求状况

农产品的供求状况(OB)指标赋予了种植业发展指数弹性力,这种弹性力的产生是由于种植业外部的农产品供求不稳定性决定的。就如弹簧一样,弹簧在由外力的作用下,弹簧才能被拉伸,这时弹簧弹性力才能得到体现,而这种体现是由外力的大小来表征。这种弹性力(外力)也正是种植业产量波动程度的外在拉力,这种外在拉力的作用机理在于:当农产品市场的供大于求时,外部的需求拉力减小,促使种植业减少对农产品的生产,产量下降。这时种植业产量波动呈变大的趋势;当农产品市场求大于供的时候,外部的需求拉力增大,促使种植业加大对农产品的生产,产量增加。这时种植业产量波动呈先减小后增大的趋势。这种趋势的进一步作用,将会促使种植业生产由目前的稳态向更高层次的稳态过渡(正向过渡),这也就形成农业生产的不断进步。

2 区域种植业发展指数的度量模型

2.1 种植业产量波动程度度量模型

种植业产量波动程度具有波动系数的概念,可以用农产品产量波动系数表征种植业产量波动程度,这里需要特别说明的是,这里的农产品产量并不全是粮食的产量,还包括经济作物等林、草、瓜、果的产量,有的要根据区域的特点,因地制宜。例如在西南地区还要计入茶叶、方竹笋等地方特色农产品的产量。农产品产量波动系数通常采用标准差,它是统计学中描述一组数据沿平均值分散开来的度量观念,是描述事物波动水平的重要方法,此处将农产品产量的变异系数,即一定时间区间内的农产品产量标准差与平均值的比值作为本次研究的农产品产量波动系数[14],用K表示。公式如下:

式中:K——波动系数;σ——农产品产量的标准差;¯p ——一定时间内的农产品产量平均值;xi——一定时间序列上的区域农产品实际产量;n——时间区间。

2.2 科学技术水平度量模型

科学技术水平度量用最小人均耕地面积、耕地压力指数来表征,最小人均耕地面积是在一定区域范围内,一定食物自给水平和耕地生产条件下,为满足当地人口正常生活消费所需的耕地面积,最小人均耕地面积在一定程度上反映区域耕地质量、土地利用效率对粮食生产的影响,是区域土地利用结构调整,维持区域粮食安全的耕地数量底线[15],用S min表示。公式如下:

式中:Sm in——最小人均耕地面积;β——区域农产品自给率;G——人均农产品需求量;p——区域农产品单产;q——作物播种面积占总播种面积的比重;r——复种指数。

耕地压力指数是最小人均耕地面积与实际人均耕地面积之比,衡量区域耕地资源的稀缺和冲突程度,给出了耕地保护的阈值,公式如下:

式中:I——耕地压力指数;Smin——最小人均耕地面积;S——实际人均耕地面积。

2.3 种植业发展指数度量模型

种植业发展指数是衡量区域种植业发展水平的最重要的指标,本文基于区域数据获取的可行性,综合考虑区域农业生产的稳定性、耕地的利用程度和区域粮食供给与需求给出了种植业发展指数度量模型,公式如下:

式中:E——区域种植业发展指数;L——区域耕地面积;T——农产品单产;G——人均农产品需求量;p——区域人口总数;I——区域耕地压力指数;K ——区域农产品产量波动系数;α——修正系数。

3 研究区概况

石林镇位于重庆市万盛区南部,南北长15 km,东西宽 9 km,东经 106°49′-106°56′、北纬 28°57′-29°05′。石林镇属云贵高原大娄山余脉,全境为中低山区,境内最高山峰南天门海拔1 664m,最低河谷当湾海拔350m。全镇呈拱掌地形,东南高、西北低,落差1 300m的陡坡山地中形成大致的三级坡梯,立体气候明显。

全镇辖7个行政村49个合作社,3 400余户,常住人口1.2万余人,面积94 km2,其中,耕地797 hm2,耕地面积狭小,且中低产田较多。境内森林资源、旅游资源十分丰富,有万盛石林和奥陶纪公园两大旅游景区。

4 种植业发展指数动态分析及预测

4.1 人口、农产品产量、耕地动态变化分析

1970年以来,石林镇总人口总体呈缓慢上升的态势(图2),1970年全镇总人口为9 653人,2005年增加到12 188人,35 a间增加了26.26%。但中间出现了两个下行时段,分别是1978-1980年、2000-2005年。1978-1980年主要是由于行政区划变更导致的人口总数变化;2000-2005年则主要是由于户籍制度放开、人口迁移导致的机械变动。

1970-2005年农产品产量总体呈振荡式上升的趋势(图2),该区农产品产量大致经历三个阶段:第一阶段是从1970-1976年,农产品生产呈波动性下降趋势,主要是由于农业生产受到政治运动的冲击影响,加之积极性不高的合作社经营方式的影响。农产品产量从1970年的3 047 t,下降到1976年的2 663 t,7 a间下降了12.6%;第二阶段是1977-1997年,农产品产量呈波浪式上升趋势,产量从1977年的2 974 t上升到1997年的5 639 t,增幅达89.61%。这主要得益于国家对农村经营体制的改革,经营权和所有权分离,提高了农民参加农业生产的积极性,另外科学、劳动等物质资料的投入也是不可忽视的;第三阶段是1998-2008年,农产品生产呈波动性下降趋势,产量从1998年的5 028 t下降到2005年的4 359 t,降幅达13.31%,主要是由于:一方面耕地面积的减少,另一方面水土流失等影响使得耕地肥料大量流失,耕地质量下降。

石林镇耕地面积变化趋势和全国的变化趋势基本一致[16](图2),呈递减趋势。1970年耕地面积为1 089.07 hm2,2005年为 743.67 hm2,下降了31.72%。究其原因主要是:一方面,工业化、城镇化的加速和国家退耕还林还草政策的出台致使耕地面积减少,另一方面,比较利益驱动下的农业结构调整,也造成了耕地减少,特别是2000年以后,在当地政府“1152”工程(一万亩蔬菜、一万亩茶叶、五万亩方竹笋、两万头生猪)的政策引导下,基础设施建设力度明显加大,致使 2000年以后耕地面积缩减很大。

图2 1970-2008年石林镇农产品产量、人口和耕地面积变化

4.2 区域种植业发展指数动态分析及预测

4.2.1 区域种植业产量稳定性动态分析农产品产量波动系数是区域种植业发展水平的重要指标,波动系数越大,表明区域农业生产越不稳定;反之,则越稳定。从计算结果(图3)可以看出,石林镇农产品产量波动系数年际波动较大,但总体呈下降趋势,其波动系数折线变化趋势和该区农产品产量折线变化趋势基本一致,都表现出明显的三个阶段,两个谷峰:第一阶段是1970-1976年,农产品产量呈波动性下降趋势,产量不稳定,导致农产品产量波动系数呈缓慢上升趋势,1976年达到历史最高水平38.34%。第二阶段是1977-1997年,农产品产量波动系数经历了由初期的急剧下降到后期缓慢上升的过程,主要是因为1978年的农业经营体制的改革,使农民的生产积极性得到极大的释放,产量已经达到历史平均水平,波动系数从1977年的31.13%骤降到1978年的4.67%,随后,农产品产量波动系数虽有起伏,但均没有超过18%,1990年以后波动系数呈波动上升趋势,1997年已经达到30.58%,这主要是因为农业在经过一定时期的发展之后进入了产业结构调整的重构阶段,城镇化、工业化导致的耕地非农化在不断压缩耕地面积,导致这一阶段农产品产量波动系数上升较快。第三阶段是1998-2008年,农产品产量波动系数呈显著下降趋势,主要是由于农业种植结构的多样化(“1152”工程)和退耕还林还草的实施,使耕地面积减少。

图3 1970-2008年石林镇农产品产量波动系数变化

4.2.2 区域种植业科技水平动态分析区域种植业科技水平的高低,主要由最小人均耕地面积和耕地压力指数来表征,国家发展改革委员会预测出2010年我国人均农产品需求量为402 kg[17]。参照此成果,计算结果(图4)可以看出,1970-2008年,石林镇最小人均耕地面积、耕地压力指数都呈先增后减的趋势,且变化时间基本一致,谷峰均出现在1996年。在此之后,石林镇最小人均耕地面积和耕地压力指数都呈下降趋势。这和重庆成为直辖市后对农业科技、资本的投入加大不无关系[18],资金、技术的大量投入使耕地单产提高很快,单产的提高也就等于增加了隐形的耕地面积,这对于减少耕地压力有巨大的推动作用,这也是石林镇1997年以后,耕地压力指数和最小人均耕地面积持续下降的主要原因。

4.2.3 区域种植业发展指数动态分析根据公式(4)种植业发展指数的度量模型,计算出石林镇1970-2008年的种植业发展指数。从计算结果(图5)可以看出,1970-2008年,石林镇的种植业发展指数总体呈下降趋势,特别是1985年达到了历史的最低点,种植业发展指数为0.82,主要是因为一方面1984年粮食获得大丰收以后,出现了“卖粮难”的现象,当地政府误以为粮食生产已经过关,提出按“特、经、粮”顺序安排种植业,主张大幅调减粮食播种面积[19],导致1985-1992年农产品产量波动很大;另一方面1985-1992年也是我国农业种植结构重构的重要时期,耕地面积年际变化很大。从石林镇同期的农产品产量波动系数、最小人均耕地面积、耕地压力指数也可以看出,1985-1992年农产品产量波动系数出现剧烈的震荡;最小人均耕地面积、耕地压力指数也呈上升趋势,这都从侧面反映出石林镇农业生产状况。2000年以后,种植业发展指数出现了显著的下降趋势,虽然2004-2008年出现了小幅的回升,但是种植业发展指数总体还是呈下滑趋势。

图4 1970-2008年石林镇最小人均耕地面积和耕地压力指数变化

4.2.4 区域种植业发展指数形势预测灰色预测模型GM(n,h)是将随机量看作是在一定范围内变化的灰色量。对于贫信息的灰色系统,灰色变量所取的值十分有限,并且数据变化无规律。灰色预测模型运用累加生成运算AGO(Accum ulated Generating Operation)和累减生成运算 IAGO(Inverse Accumu lated Generating Operation),使数据变化规律化,进而进行预测,是基于小样本数据预测的优选工具,具有较好的预测精度。

图5 1970-2008年石林镇种植业发展指数动态变化

目前常见的灰色预测主要有两种模型:GM(1,1)模型和GM(1,n)模型。GM(1,1)模型仅利用单一的时间序列数据,无法反映多个变量间的相互影响、协同发展与制约情况,而GM(1,n)模型则综合考虑到GM(1,1)模型的不足,具有较好的预测效果。为此本文采用GM(1,n)模型,它是GM(1,1)模型在 n元多变量情况下的推广,但不是GM(1,1)模型的简单组合,也不同于GM(1,1)模型只建立单个n元一阶微分方程,而是建立n个微分方程,通过联立求解,使GM(1,n)模型中的参数能够反映变量间的相互影响[20]。

本文采用石林镇39 a的人口、耕地面积、农产品产量数据,带入GM(1,n)模型进行预测分析,预测结果(见表1)。

表1 石林镇2009-2015年种植业发展指数预测

5 结果分析及调控途径

从预测结果(表1)中可以看出:2009-2015年石林镇人口总数、耕地面积、农产品产量将呈缓慢下降趋势;最小人均耕地面积、耕地压力指数短期内无明显变化,这主要是由于人口的缓慢减少,从而减缓了对土地的开发利用强度,减少了对耕地生态系统的干扰;农产品产量波动系数呈迅速上升趋势,这主要是农产品产量的逐年下降,此次研究主要参考的是石林镇水稻、小麦、玉米、甘薯、茶叶、方竹笋、黄金梨等主要农作物的产量,而在2006年实施新农村规划之后,农业种植结构出现了巨大的变化,茶叶、方竹笋、无公害蔬菜等经济作物及都市农业的发展,极大地压缩了粮食作物的种植面积,致使粮食产量下降较快,农业产品总量相应的也有所下降;另一方面,从远期农产品需求来看,随着经济的快速发展,人民生活水平的逐步提高,消费结构升级加快,对牛奶等高蛋白食品的需求加大,对粮食的需求将逐步降低。另外,农业人口的机械变化(农业人口外出务工人员的增加,导致农业劳动力数量减少)也削弱了种植业的发展,进而导致对种子粮及粮食的需求量下降。粮食市场的需求拉力下降导致粮食产量的降低,但茶叶、方竹笋、无公害蔬菜产量急剧增加,致使种植业发展指数有缓慢上升的趋势,但变化不明显,最高的2014年仅为3.29。从预测结果来看,石林镇未来5 a的种植业有恶化的趋势,种植业发展形势不容乐观。

针对以上石林镇种植业发展的状况和区域特点,在此提出几点石林镇未来5 a农业生产的主要建议:

(1)明确耕地红线,保护耕地资源。根据发达国家的经验,经济的快速发展、工业化的持续推进,耕地总量将会呈持续刚性下降,这种刚性下降能持续到什么时候,要看区域的经济社会发展状况和当地政府农业政策的调整。确定区域耕地总数的底线,是保证区域农业发展的重要手段;合理的耕地保有量,对于减轻人类活动对于耕地的压力有巨大的作用。另外,一定数量的耕地面积作为生态系统的重要组成部分,对维护区域生态安全也发挥着不可替代的作用。

(2)做好石林镇人均耕地资源安全底线试探性研究。人均耕地资源安全底线是在综合区域农业生产的时间、空间特点基础上,同时考虑到耕地在种植粮食作物时,必须同时种植适宜比例的经济作物,以满足人类对农产品的全面需求,参考不同的粮食自给水平而制定出来的人均耕地面积。人均耕地资源安全底线是确保区域粮食安全的阈值,是进行区域土地利用结构调整、耕地种植结构调整的调控指标。现在该项研究在全国还处在初期阶段,试探性的论证该项研究的合理性,具有重大的现实意义。

(3)做好区域农业发展规划。合理的农业规划对于促进区域农业的快速发展具有前瞻性的重要意义,农业规划不仅为当前农业发展中的问题做出了详细的分析,也为未来的区域农业发展指明了方向,是区域农业发展的纲领性文件。石林镇要抓住社会主义新农村建设的大好时机,做好新农村规划。在此基础之上提出合理的农业发展计划,根据石林镇的区域特点,重点做好两大经济走廊(朱行至柏树生态农业观光走廊、大坝至百花旅游环线公路旅游休闲度假观光走廊),四个基地(万只山羊养殖基地、黄金梨种植基地、高山反季节蔬菜种植基地、花卉苗木基地)的建设。在此基础之上做好村、合作社一级的农业发展规划,加强区域农业发展的协调性与互补性。

(4)调整种植结构,改造中低产田。石林镇地形地貌以山地、丘陵为主,中低产田比重较大,这是石林镇农业发展的主要特点,要充分利用山地、丘陵立体气候资源,发展中草药、茶叶、高山反季节蔬菜的种植,提高经济效益;石林镇的粮食单产较低,2008年粮食单产为5 089 kg/hm2,低于全国同期平均水平,针对石林镇丘陵、山地的地貌特点,合理改造中低产田,提高粮食单产,这对于减轻人口对耕地的压力具有重要的意义。

6 讨论

在短期效用下科技、劳动等物质资料的投入也必然会引致农产品产量的提高。陈百明[17]先生就提出农业生产中的耕地密集型和劳动密集型的概念,笔者认为耕地密集型才是中国式农业下的标准生产方式,从经济学的角度上讲,短期效用下科技、劳动等物质资料的投入的确会引致粮食产量的迅速提高,但是,从远期来看,由于边际效用的影响,物质资料的投入和粮食产量的正向关联将会越来越小,甚至会出现负效用。所以,耕地面积是保证区域农业发展的基础,这从石林镇(图2)的研究中也得到了印证。耕地面积的变化是区域土地利用结构调整的结果,是区域土地利用大环境下综合作用的结果,区域种植业发展亦在其影响之下。本次研究仅从农业生产和耕地变化本身探讨区域种植业发展水平,没有从区域土地利用的角度去深层次探求区域土地利用结构和区域种植业发展水平的关系,这是模型需要改进的方向之一。

最后,区域农产品供给和需求是区域种植业发展水平参考的重要内容,而区域农产品供给一部分依靠区域本身的农业生产能力,另一部分主要是依靠农产品贸易来获得。通过农产品贸易来补充区域农产品供给的缺口也是保证区域农业发展的重要手段。文章中的种植业发展指数度量模型没有将其考虑在内,具有一定的片面性,还有待进一步改进。

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