基于耕地质量数量的河南省粮食生产能力研究*

2012-12-17王国强宋艳华

中国农业资源与区划 2012年1期

王国强，宋艳华

(河南省科学院地理研究所，郑州 450052)

河南粮食总产连续几年超5 000万t，粮食生产攀上了一个新的历史高度。2008年河南省决定实施的《国家粮食战略工程河南核心区建设规划纲要》，规划到2020年使河南的粮食总产量净增1 500万t。创纪录的丰收之后，河南的耕地还有无继续增产的潜力?河南耕地的生产能力有多大?净增1 500万t有无资源保障?挖掘潜力靠什么?等等，这些问题是必须研究的重要课题。

关于河南粮食问题的研究多从耕地数量和粮食生产政策等角度进行研究［1-6］，鲜见基于耕地数量质量的生产能力研究的成果。该文从耕地质量数量两方面对河南省耕地的粮食生产能力 (以下简称“产能”)进行估算研究，其目的是为了摸清不同区域不同等级耕地资源的粮食生产能力和增产潜力，为河南制定粮食增产措施提供科学依据。

1 土地生产能力的概念

目前国内对于土地生产能力并没有确切定义，但大多数人认为粮食综合生产能力即为农用地产能。该研究将农用地产能定义为:在一定地域、一定时期和一定的经济、社会、技术条件下所形成的农产品产出能力。根据其实现的程度不同，可分为理论生产能力、可实现生产能力和实际生产能力3个层次。理论产能是指在农业生产条件得到充分保证，光、热、水、土等环境因素均处于最优状态，技术因素所决定的农作物所能达到的最高产量。可实现产能是指在农业生产条件得到基本保证，光、热、水、土等环境因素均处于正常状态、技术条件可以满足，由政策、投入等因素决定的正常年景下农作物能够获得的最高产量。实际产能是指目前已经实现的产能，即某年农作物已经达到的平均产量。

从以上定义可以看出，理论产能与可实现产能之间的差距在一定程度上可反映区域的农业科技水平和科技开发潜力，而可实现产能与实际产能的差距主要反映是土地利用或经营管理的水平和潜力［7］。

根据实际应用的需要，该文主要研究河南省耕地的可实现生产能力。

2 研究区概况

河南省地处中原，国土面积16.55万km2，占全国的1.73%。地势西高东低，西北、西、南三面由太行山、伏牛山、桐柏—大别山沿省界呈半环形分布;中、东部为黄淮海冲积平原;西南部为南阳盆地。平原和盆地、山地、丘陵分别占总面积的55.7%、26.6%、17.7%。

河南省耕地质量调查与评定根据自然条件的相似性，把河南省划分为燕山太行山及山前平原区、冀鲁豫低洼平原区、黄淮平原区、豫西山地丘陵区、淮南山地丘陵区和南阳盆地区6个分等因素指标区。

河南省耕地质量调查与评定，把耕地划分为3～13等11个等别，3等最差，13等最好。根据等别的空间分布，3～7等属于低产田，8～9等属于中产田，10～13等属于高产田。其中高产田约占30%(粮食产量大于1.05万kg/hm2)，中产田约占50%(粮食产量0.6万～1.05万 kg/hm2)，低产田约占20%(粮食产量小于6 000kg/hm2)。中、高产田主要分布在太行山山前平原、黄淮平原、冀鲁豫低洼平原和南阳盆地;低产田主要分布在太行山地丘陵、淮南山地丘陵和豫西丘陵山地。

河南处于北亚热带向暖温带的过渡区，湿润—半湿润季风气候区，除西部山区外，全省农作物耕作制度多为一年两熟。2009年农作物播种面积1 419.66万hm2，复种指数为180%，粮食作物播种面积占68%。大宗作物品种为冬小麦、夏玉米和水稻，播种面积分别为526.33万hm2、289.542万hm2、61.13万hm2，合计约占粮食播种面积的90%以上，总产量占95%以上。2009年底总人口9 967万人，耕地面积792.53 万 hm2，全省人均 0.0785 hm2。

3 研究方法与数据来源

3.1 研究方法

土地生产能力估算在农用地质量调查与评定 (分等)的基础上，采用数学模型法。即以耕地数量和质量调查成果为基础，补充调查所需资料，建立不同区域的估算数学模型，估算不同质量等级和不同区域的生产能力。

3.2 数据来源

目前实践中无法直接获取农用地分等单元的可实现产能单产，只能将抽样单元指定作物近3～5年正常年景下的实际最高单产视作该单元的可实现产能单产。

调查样点选择应满足:样点分布相对均匀，不但要在所有乡镇内布设样点，而且兼顾耕地质量等级及其地类，且能够覆盖2/3以上的行政村。

全省共计调查可实现样本个数2.735 8万个，约占所有分等单元的60%左右，样点密度平均为290hm2/个，样点数量符合统计学要求。

表1 各指标区合格可实现单产样点个数

3.3 数据处理

数据调查过程中由于调查和统计等方面的误差，会有部分异常数据，异常数据的存在会影响数据整体的分布规律和产能估算模型的建立，因此在进行分析建模之前，需要进行异常值检查，以修正和剔除数据中的异常值，确保建模数据的准确性。

一是剔除调查中不合格样点，比如表格填写不全、数据明显存在较大偏差等样点;二是采用残差分析法剔除调查数据整体中的异常值;三是采用空间滑动平均法来修正或剔除局部空间上是否存在的异常值。表1为经过异常值处理后各指标区的可实现单产合格样点个数统计表。

4 建立可实现产能估算模型与估算条件

4.1 建立估算模型

依据农用地利用等指数估算农用地可实现产能，主要思路是以农用地分等二级指标区为单位，建立抽样分等单元的可实现单产样本值和相应单元利用等指数的关系模型，将所有分等单元的农用地利用等指数代入函数方程，可以获取所有单元的可实现产能单产。依据分等单元的农用地可实现单产乘以相应单元的耕地面积估算其总产。

表2 河南省各分等指标区可实现产能模型

如果二级指标区内某个二级耕地类型的面积占该区耕地总面积的比例超过30%，在建模过程中，则需要分别建模，分别估算产能。

为了寻找分等单元利用等指数与调查相应样本值的最佳对应关系，科学模拟可实现产能，该研究分别对每个指标区分等单元利用等指数与其样本值建立了多种类型的回归模型，通过对各种模型回归效果的评价(F检验、t检验和确定性系数R2)，最终采用二次多项式模型，分别建立各指标区分等单元利用等指数与相应的可实现单产样本值函数关系模型，见表2和图1。从表2和图1可以看出，各回归曲线均较好地反映了各区调查样点数据产量的分布趋势，各指标区可实现产能模型的确定性系数均在0.7以上，模型的模拟效果在统计上是可信的。

以上各式中:Yi为第i个分等单元标准粮可实现单产;Li为第i个分等单元利用等指数。

图1 可实现产能模型曲线

4.2 估算假设条件

(1)耕地面积:河南省2006年土地利用变更调查，耕地面积792.66万hm2，全部纳入估算范围。

(2)参与估算的作物品种:根据估算的技术要求，估算作物的品种一要与农用地分等的指定作物一致，二要为大宗作物。河南省产能估算的作物为冬小麦、夏玉米和水稻。

(3)复种指数与粮经比:近几年河南省农作物复种指数约为180%左右，粮食作物与经济作物的种植比例约为66∶34。

5 估算结果与分析

根据估算，全省可实现产能平均单产约为1.593 5万kg/hm2，最高值1.966 5万kg/hm2出现在太行山前平原的武陟县与温县交界处，最低值8 355kg/hm2出现在林州市西北的太行山地。可实现能力总产约为7 000 万 t。

5.1 分等单元可实现产能单产估算结果与分析

根据确定的可实现产能估算模型，将所有分等单元的利用等指数代入相应的可实现产能估算模型，计算出所有分等单元的可实现单产。图2为各指标区分等单元可实现产能单产与利用等指数的对比关系分布趋势图。

整体而言，平原区可实现单产较高，山地丘陵区较低。在利用等指数高于1 500之后，燕山太行山山前平原区可实现单产最高，黄淮平原区次之，之后是冀鲁豫低洼平原区，最低的是西部山区。这表明土地质量较高的区域中，太行山前平原仍然是产能最好的地区。

在利用等指数800～1 500之间，几个指标区的可实现产能单产被分为了两组，燕山太行山山前平原区、黄淮平原区和淮南山地丘陵区为一组，其余为第二组，第一组的产能单产高于第二组。在土地质量与生产水平居于中间的区域中，燕山太行山山前平原区、黄淮平原区具有地形优势，而淮南山地丘陵区具有水热条件优势。

在利用等指数低于800时，淮南山地丘陵区可实现单产最高，其次是西部山区，最低的是南阳盆地区和燕山太行山地丘陵。这是由于淮南山地丘陵与其他山地丘陵区相比，具有较好的水热条件所致。

燕山太行山山前平原区单元可实现单产的分布曲线几乎和所有指标区的曲线均相交，在等指数较低时燕山太行山山前平原区的可实现单产在全省为最低，而随着等指数的增加该区的可实现单产又逐渐增大至全省最高，且增加的速度也为全省各指标区中的最高。这是因为等指数较低 (产能也低)的区域是太行山地丘陵，地形复杂，土层薄，干旱缺水所致;而等指数较高 (产能也高)的区域是山前倾斜平原，土层厚，土壤肥力高，地下水丰富，农业生产条件好，该区区内差异十分明显，因此，利用等指数对该区可实现产能单产的影响最为显著。

黄淮平原区地形平坦，水热组合较好，近几年土壤得到改良，是河南省农业生产的重要区域;淮南山地丘陵区是河南省唯一的亚热带地区，水资源丰富，是河南省所有山地丘陵区中自然条件最好的区域，因而可实现单产整体水平相对较高。在利用等指数低于800时，与豫西、豫西北山地丘陵区相比，淮南山地丘陵区可实现单产最高，也源于此。

图2 各指标区农用地分等单元可实现单产与利用等指数关系

5.2 农用地等别可实现产能估算结果与分析

对各等别内分等单元可实现产能总产加和计算等别可实现总产，等别可实现总产除以等别耕地面积得到等别可实现单产。河南省农用地利用等划分为3～13等，共计11个等别，平均等别为9等。全省农用地各利用等别产能单产和总产估算结果见表3和图3。

表3 河南省耕地等别可实现产能估算结果

从表3和图3可以看出:

(1)各指标区内随着利用等别的提高，可实现单产也呈逐渐上升趋势。

(2)在相同等别中，不同指标区可实现单产间存在一定的差异，差值在低等别和高等别处更加明显，在中间等别处相对较小。

(3)8等之后的6个等别耕地的可实现单产均以燕山太行山山前平原区最高，黄淮平原区紧随其后，这还是由这两个区的地形与水土资源条件决定的。燕山太行山山前平原区可以分为山地丘陵和山前倾斜平原两个部分，山前倾斜平原是河南省农业生产条件和生产水平最好的区域。

(4)低等别的3～5等地分布在豫西山地丘陵区、燕山太行山区的山地丘陵地段和鄂豫皖丘陵山地区的两个三级指标区中，三等地中均以淮南山地丘陵区的可实现单产最高，这是因为淮南山地丘陵区在水热条件方面具有显著优势。

(5)利用等别的中间等别6～10等地在全省各指标区均有分布，其中的6等和7等地以冀鲁豫低洼平原区可实现单产最高，8～10等则以燕山太行山山前平原区最高，5个等别中单产第二的均为黄淮平原区。这一方面说明中间等别的空间分布较为广泛，6～10等耕地面积占全省耕地总面积的77%;另一方面也说明冀鲁豫低洼平原区和黄淮平原区区内产能分布差异较小，而燕山太行山山前平原区则区内差异较大，其高等别在全省最好，但低等别也在全省最差。

5.3 农用地分等指标区可实现产能结果与分析

以农用地分等分二级指标区为单位，对各指标区内分等单元可实现产能加和计算各指标区可实现总产，可实现总产除以耕地面积得到该指标区可实现单产。估算结果见表4、图4。

图3 农用地利用等别产能分布图

表4 河南省指标区可实现产能估算结果

图4 河南省各指标区可实现单产对比

通过表4、图4得到，在6个指标区内，黄淮平原区可实现单产、可实现总产和耕地面积均为全省最高，耕地面积占全省总耕地面积的46.47%，可实现总产占全省总产能的48.84%;南阳盆地区和豫西山地丘陵区虽然可实现单产均处于全省较低水平，但由于这两个区的耕地面积较大，因此这两个指标的可实现总产排在了全省第二和第三位;燕山太行山山前平原区和冀鲁豫低洼平原区可实现单产较高，仅次于黄淮平原区，但两区的耕地面积相对较小，均不足全省总面积的10%，因此可实现总产较低;淮南山地丘陵区单产水平高于西部山区，但因耕地面积为全省最低，因此其可实现总产也为全省最低。产能总产与耕地面积有关。

5.4 县域单元可实现产能估算结果与分析

依据上述建立的不同区域农用地可实现生产力模型，在估算分等单元可实现产能后，根据各乡镇内分等单元可实现产能之和计算乡镇可实现产能总产，乡镇可实现产能总产除以乡镇耕地面积得到乡镇可实现单产。然后根据各乡镇可实现产能之和计算县级可实现产能总产，县级可实现产能总产除以其耕地面积得到县级可实现单产。

5.4.1 可实现单产分析

全省平均可实现单产为1.593 5万kg/hm2，其中太行山前平原的武陟县平均可实现单产最高，为1.902 6万kg/hm2，豫西山地的卢氏县最低，为1.126 4万kg/hm2。

将可实现单产中十位以下数字通过四舍五入的方法取整到百位，再利用取整之后的数据绘制频率直方图，以直方图上的突变位置 (1.420 0万kg/hm2、1.590 0万kg/hm2、1 690 0万kg/hm2)作为分界点，将全省129个县级估算单位的可实现单产划分可实现单产的优产区、高产区、中产区和低产区，如图5所示。

分析图5得出，可实现单产的优、高产区集中分布在河南省东部平原、豫北山前平原和南阳盆地的盆底地区，这些地区耕作条件好，耕地集约利用程度高，可实现单产水平较高。

可实现单产的优产区主要分布在黄淮平原中部和东部的22个县 (市、区)以及燕山太行山山前平原区的12个县 (市、区)，平均可实现单产为1.756 3万kg/hm2。

与优产区的分布类似，高产区也主要分布在农业生产条件相对较好的黄淮平原区、燕山太行山山前平原区的中部、东北部及冀鲁豫低洼平原区大部和南阳盆地区的东南部区，包括39个县 (市、区)，平均可实现单产为1.629 8万kg/hm2。

中产区主要分布在冀鲁豫低洼平原区的濮阳市以东和以北地区、豫西山地丘陵区的东部、淮南山地丘陵区和南阳盆地盆底周边的地区，包括31个县 (市、区)，平均可实现单产为1.506 2万kg/hm2。濮阳市地处黄河故道和黄河背河洼地范围之内，旱涝、风沙、盐碱时有发生，土地质量一般;豫西山地丘陵区的东部、淮南山地丘陵区和南阳盆地的盆底周围地形多为丘陵岗地，地形破碎，生态环境脆弱，土地质量一般。

低产区主要分布在太行山区和豫西、豫南的山区，包括25个县 (市、区)，平均可实现单产为1.341 3万kg/hm2。这些地区地形复杂，耕地多零星分布且坡耕地较多，容易受到旱涝灾害、地质灾害的干扰，因此可实现单产水平偏低。

5.4.2 可实现产能总产分析

全省129个县级估算单位可实现总产为7 000万t。总产由于受到耕地面积的影响，因此可实现总产间的差别较为明显。

将各县级单位的可实现总产的十位以下数字通过四舍五入的方法取整到百位，再利用取整之后的数据绘制频率直方图，以直方图上的突变位置作为分界点，将全省129个县级单位划分为4个等级区，见图6和图7。

从图7得出，一等有24个县 (市、区)，平均可实现总产为109.27万t，主要分布在黄淮平原区的东部和南部，以及南阳盆地区的中南部。

二等有33个县 (市、区)，平均可实现总产为72.96万t，主要分布在黄淮平原区、冀鲁豫低洼平原区、南阳盆地和淮南山地丘陵区的中北部。

可实现总产一、二等县 (市、区)共有57个，可实现总产介于60万～145万t之间，总产能达5 029.99万t，占全省可实现产能总量的近70%。