基于系统科学的中国粮食安全评价研究

朱晓禧，方修琦，高 勇

(1.农业部规划设计研究院农业与农村规划研究所，北京 100125;2.北京师范大学地理与遥感科学学院，北京 100875;3.北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京100871)

在构成区域人类安全的诸要素中，粮食安全是与人类生存关系最为紧密的一个部分，受全球环境变化影响也最直接。中国既是粮食生产大国，也是粮食消费大国，粮食安全问题不仅关系着国家发展，也影响着世界粮食市场。中国粮食安全问题的研究和分析，对于国家粮食生产布局调整、粮食宏观决策和粮食安全保障具有重要的意义。

关于粮食安全的概念，大多数学者沿用了联合国粮农组织 (FAO)的三次定义［1］，其1996年的定义为“只有当所有人在任何时候都能够在物质上和经济上获得足够、安全和富有的粮食，来满足其积极和健康生活的膳食需要及食物喜好时，才实现了粮食安全”。此后，FAO在2001年明确了“可持续的粮食安全和生产”的理念，2002年又给出了一个便于操作的粮食安全的概念框架，尤其强调了粮食获取能力稳定性问题。

但目前还没有公认的粮食安全的度量方法。国际上主要以每个国家或地区营养不良人口在总人口的比重作为粮食安全评价指标，如果达到或超过15%，就属于粮食不安全地区。在全球变化背景下，国际上主要采用数值模拟、试验方法和统计模型三大基本方法，研究气候变化对粮食安全的影响，同时也比较注重经济影响评估。Fort Lesley和J.McNair［2］模拟分析显示全球农业结构很可能发生变化，加拿大、俄罗斯的谷物部门将处于更有利地位，美国的粮食出口将减少。P.Crosson［3］模拟分析美国的农业比较优势将会明显东移，其它中、高纬度国家内也有类似的移动。Parry［4］指出区域尺度上的食品保障将受到严重威胁，尤其在热带的欠发达国家，中纬度主要粮食出口国的减产将使粮价上升，每减产10%则粮价上升7%。中国学者也提出了一些粮食安全评价指标，例如:粮食市场价和粮食收购价的差率、比较利益差距率、粮食储备量、产量预测［5］;人口增长率、粮食净出口率、粮食储备率［6］;粮食产量增长率、粮食需求增长率、粮食总库存率［7］等指标体系;以及未来粮食安全综合警限指标［8］、中国—世界农业区域市场均衡模型［8］等评价方法;也分析了一些影响中国粮食安全的关键因素［9-10］。目前各种指标体系差异较大。

目前，国内外粮食安全的评价方法多从农业生产的角度出发，基于农业生产量、生产技术、粮食消费情况等评价粮食安全情况，进而研究其对社会和经济的影响。但粮食安全问题是在自然、经济、社会大环境背景下的综合问题，是多重因素综合作用的结果。因此，该文利用系统科学的理论方法，不仅仅从粮食生产体系内部选取指标进行评价，而是将粮食安全系统放在自然社会大环境系统中，提出综合考虑自然、人力科技和社会经济等多方面因素的评价指标体系与方法。

1 数据资料

该文所使用的统计数据主要来源于2000年～2005年的《中国县级统计年鉴》和中国科学院自然资源数据库。所涉及的统计指标包括年末总人口、地区生产总值、农业总产值、农业机械化总动力、城乡居民年末存款余额等指标。在该统计数据中，县/区/县级市的总个数为2840个左右，其中每个指标的有效数据比例超过85%。数据无效的类别主要是0值或无数据，无效数据主要集中在部分市区和大中城市的城郊区，由于行政沿革而撤、并、拆的地区，及部分数据明显错误的地区。数据的前期处理主要包括:匹配地区编码、修正有行政沿革变更地区的数据、数据有效性检验和统一不同来源数据的数值单位。

该文所使用的空间数据主要是全国县级行政区矢量数据，数据来源为国家基础地理数据1:100万数字地形图，并通过前期处理使其与统计数据的地区编码相匹配。

由于该文要对中国的粮食安全系统进行脆弱因素识别和空间特征分析，因此所选指标的空间分辨率应该尽可能大。而在我国现有的统计数据中，可获取的最小行政单元的数据为县级数据，因此，该文的评价指标以县级数据为基本单元。指标的选取需要符合以下原则:

(1)可获取性:数据真实，符合国家相关规定，数据来源严谨;

(2)时间连续性:数据序列在1999～2005年连续;

(3)覆盖范围:全国2840个县，数据缺失量低于15%;

(4)代表性:符合指示器的系统科学意义，其等级分异能够有效代表基础指示器;

(5)独立性:与其他指标没有显著的相关性，其实际意义没有显著直接的因果关系。

2 研究方法

2.1 基于系统科学的系统安全评价方法

该研究不同于传统的粮食安全，而是将粮食问题与相关的自然社会环境看成相互作用的系统，不单纯研究粮食本身的安全性，而是综合考虑粮食在自然社会大系统中与其他因素之间相互作用的安全性。若对其进行评价就必须综合自然、人文和社会经济因素等多方面的指标，评价结果主要是解释粮食在自然社会大环境中的安全性和稳定性。

根据系统科学的定义，系统是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体［11］。在一个系统中，子系统的功能及其交互关系的高效组织是保障母系统和子系统安全的必要条件。在某个特定的系统环境中，每个子系统都必须是安全的，并只有每个子系统都安全了才能保障整个母系统的安全性。因此评价一个系统的安全性，首先要将其分解成子系统、甚至多层次子系统，通过对子系统进行评价，再将评价结果综合成母系统的安全性指标。

在系统科学方法中，使用“基础指示器”作为反映系统 (或子系统)与系统环境相互作用是否安全的重要指标。基础指示器是反映系统与系统环境之间相互关系的特征值，用于指示系统环境的某一特征与系统生存和发展所必要的某一功能/结构/利益需求之间的联系。目前复杂系统普遍适用的基础指示器包括存在性、自由性、有效性、稳定性、适应性、共存性、自我繁殖性、责任性、心理需求等。对于全球变化背景下的粮食安全系统评价而言，本研究选择的指示器及其基本含义为:

(1)存在性:系统与所存在的环境状态相兼容。信息、能源和材料的输入必须有保障。

(2)自由性:系统在维持自身生存的同时尚有余力/潜力和储备资源应对环境变化所带来的挑战。

(3)有效性:系统能够有效的 (不一定要高效率的)保障稀缺资源量 (信息、物质、能量等)和努力改变环境。

(4)稳定性:系统在面对环境变化的不良影响时有能力保护自己，尽量不改变系统的结构和组份，能够正常生存甚至可以继续发展。

(5)适应性:面对较高频率或高幅度的环境变化，系统能够通过学习、调节和改变自组织形式来应对这一挑战作出适当的回应，使得系统在面对外部环境波动的情况下，虽然系统的组织形式发生改变，但是尽量使系统的功能波动最小。

2.2 粮食安全系统的分解与指标选取

根据社会经济环境与粮食系统之间的作用关系以及粮食系统的自身特点，基于系统科学中的安全性评价方法将全球变化背景下的粮食安全系统分解为3个子系统 (图1)。

(1)自然系统:实现粮食生产的自然资源系统，如耕地、水热资源、生物资源等，它是粮食生产的基础，同时也是直接与环境变化产生联系的系统;

(2)支撑系统:人类在依赖自然系统生产粮食的同时，还依靠自身的技术手段，对自然资源的利用进行调节，更加合理充分的利用自然环境，并获得更多粮食产量的系统，如水利设施、农业机械设备、农业技术研究等;

(3)调配系统:通过本区域的自然系统和支撑系统无法保障粮食生产和粮食安全，而依靠其他经济社会手段获取粮食的系统，例如粮食购销、流通、交换等。

选择表达各子系统的基础指示器为:存在性、自由性、有效性、稳定性、适应性。具体指示器的系统表现、指标/指数选择和计算方法如下 (表1～3)。

图1 粮食安全系统的分解

表1 自然系统指示器

表2 支撑系统指示器

表3 调配系统指示器

能够描述一个指示器的指标有很多种，任何一个能够代表指示器等级变化的指标都可以作为其评价参量，但只需选取最具代表性且可获取的某一指标来进行指示器评价即可，而非将所有相关指标融合到一个函数中进行评价。另外，在该文所采用的系统科学方法中，是使用指标所代表的实际意义的等级分异，而非指标值的绝对大小，来反映指示器的安全等级。

2.2 粮食安全系统评价方法

建立指标体系后得到各个指示器的安全指数序列，并对其进行均一化，将每个安全指数计算为1～5五个等级的安全度，依次代表安全性很低、低、中等、高和很高。每个子系统都包含能够代表其系统功能和性质的5个基础指示器，子系统的安全度是由各个指示器的安全度指数的大小和均衡性共同决定的(图2)，因此子系统安全评价模型应由这两个因子共同决定。

在模型中，以雷达图中封闭五边形的面积作为安全度指数大小的参量A，代表组成子系统的安全度等级的高低;以各指示器的安全度指数的方差作为衡量子系统均衡性的参量σ，σ越大说明指示器越不均衡。则子系统的安全度指数SD定义为A和σ的比值:

其中:s1～sn为指示器安全度，n=5;为指示器安全度均值。

根据安全度指数SD对子系统的安全度进行分等定级，安全度等级仍分为5级，即1:安全性很低，2:安全性低，3:安全性中等，4:安全性高，5:安全性很高。

图2 子系统安全度评价雷达图

3 中国粮食安全特征分析

基于前文所述的数据资料，计算中国县级行政区各基础指示器的安全度等级，在此基础上计算自然、支撑和调配3个子系统的安全度指数，进而将其耦合为中国粮食安全系统的安全度。基础指示器代表了我国粮食安全系统的各个组成部分以及相互配合的情况，其安全度的空间分异情况相应的反映了我国粮食安全系统各个环节的区域发展差异情况。因此，对中国粮食安全系统脆弱性的空间特征分析，有利于揭示我国粮食安全情况的区域差异，有助于因地制宜的制定区域性粮食保障政策和措施。

3.1 系统安全脆弱性空间特征

对于中国粮食安全系统及其子系统，若各指示器的安全等级都较低，或者指示器安全度之间的差异过大，都是系统脆弱的表现。选择整体安全度等级低的脆弱县的标准为雷达图面积小于9.5;选择系统不均衡的脆弱县的标准为指示器安全度方差大于1.8。

自然系统因安全度低而脆弱的县主要分布在内蒙古中部-河北北部-黄土高原-宁夏和甘肃南部一带，这一地区属于农牧交错带，自然条件和气候条件较为恶劣，土地退化和水土流失严重;另外西藏、青海和新疆部分自然条件较差的地区也有此类脆弱县分布。支撑系统整体安全度等级低的地区主要分布在青海和西藏地区，该地区自然条件差、环境闭塞，社会发展程度低，因此农业投入不足;另外在华北平原区和贵州广西等西南地区也有部分此类脆弱县。调配系统的典型脆弱县比较少，仅在西藏、甘肃、宁夏和贵州等地有零星分布。详见图3。

图3 安全度低的区域分布

自然系统因指示器安全度不均衡造成的脆弱县主要分布在内蒙古的中部和东部地区、山西北部和宁夏甘肃的部分地区以及新疆的西北部。支撑系统因指示器安全度不均衡造成的脆弱县主要分布在青海、西藏和甘肃北部地区以及内蒙古东部的零星地区。而调配系统此类脆弱县数量极少，零星分散分布。详见图4。

图4 安全度不均衡的区域分布

3.2 子系统安全程度空间特征

按照子系统安全度的评价模型，基于基础指示器的安全度，计算中国粮食安全子系统的安全度指数，分析3个子系统的整体空间特征分布规律。

自然子系统的安全度1级区和3级区所占比重最高，因此，我国粮食安全自然子系统安全度水平整体偏低，明显的分为三带:内蒙古东部-黄土高原-西南地区一带为脆弱带，以其为分界线的西部和东南的两部分为安全度等级中等的地区，其中东南的安全度水平略高于西北。详见图5。

图5 自然系统安全度等级区域分布

图6 支撑系统安全度等级区域分布

我国粮食安全支撑子系统的安全度整体偏低，其中1级区和3级区比重最高，而且呈现明显的东西三带分异的特征，内蒙古东部-黄土高原-青海西藏一带为脆弱带，其西部和东南的两部分为安全度等级中等的地区，其中东南的安全度水平略高于西北。详见图6。

我国粮食安全调配系统的安全水平整体要高于自然系统和支撑系统。除了西南地区和青海西藏以外，大部分地区都达到了安全度中等及以上的水平，说明我国粮食安全调配系统确保我国粮食安全的能力较强。详见图7。

3.3 粮食安全系统安全程度空间特征

利用各个基础指示器的安全度等级计算出每个子系统的安全度指数后，将3个子系统的安全度指数耦合为中国整个粮食安全系统的安全度。中国粮食安全程度呈现比较明显的空间分异特征。根据县级粮食安全度指数，可以将全国分为3个类型区 (图8):

3.3.1 粮食安全度低级区

内蒙古东部-农牧交错带-黄土高原-西南一线。主要以安全度1级区和2级区为主。该地区自然环境条件差，农业发展水平低，人民生活水平也相对贫困。因此无论是粮食安全的自然系统、支撑系统还是调配系统都比较薄弱。

3.3.2 粮食安全度中级区

东部农业区和西部牧业区的部分发展情况平稳的地区。该地区自然条件较好，适合于种植业或畜牧业发展，当地的农业生产基本上可以满足当地人民生存需要，另外农业基础设施的建设和人民收入也达到一定的水平，可以实现保障农业生产和购买调配粮食的需要。

3.3.3 粮食安全度高级区

东部农业区和西部牧业区的部分发展较好的地区。东部主要是我国的重要商品粮生产基地和经济发达地区，其中前者主要是自然条件适合粮食生产，国家又投入大量的人力、物力和财力保障当地粮食的稳产高产，因此安全度等级高;而后者则主要是由于经济技术发展水平高，所以农业的基础设施和生产效率水平都较高，加之政府和人民的经济实力都较强，通过购买、调配获取粮食的能力也较高，因此粮食安全更加有保障。西部则主要分布在内蒙古西部和新疆东南部的传统牧业区和绿洲农业区，该地区农业生产自然条件较好，人口密度小，加之农业生产历史悠久，生产水平和技术也较高。

通过中国粮食安全脆弱性分析，现阶段我国农业生产的自然资源尚不构成限制，但是生产效率低下，且不稳定，易受自然灾害、气候变化等环境波动影响;农业基础设施建设和农业物资投入还很不够，而且没有充分发挥作用;我国购买和调配粮食的能力正不断加强，整体调配能力处于安全范围内，但是调配效率较低。

图7 调配系统安全度等级区域分布

图8 粮食安全系统安全度等级空间分布

4 结论与展望

粮食安全研究是当前全球变化研究中的一个重要议题，对中国粮食生产、粮食供应和粮食消费等具有重要的意义。该文采用系统论的方法，建立人类安全体系下中国区域粮食安全评估方法，确定中国粮食安全的脆弱性主要表现在农业生产效率低下不稳定、农业投入和基础建设不足、粮食调配效率低等方面。同时，中国粮食安全程度也呈现比较明显的空间分异特征。上述研究方法和分析结果，可以为调整国家区域粮食生产布局、提高粮食宏观政策的地区针对性、构建多层次的粮食安全保障体系以及适应气候变化科学决策等提供理论依据。

该文提出的粮食安全评价模型是基于系统科学的方法，基础指示器的指标选择具有较高的灵活性，因此对于不同区域、不同尺度、不同数据源都能很好的应用，适用性比较广泛。同时，该方法是在人类安全体系下的面向综合宏观层面的粮食安全评价分析，与单纯的粮食供求平衡分析和粮食产量、价格、供应等单一指标的变化趋势分析预测等并不相同。

该文的研究还有很多工作有待进一步深入展开。在分析方法上，本文碍于数据获取途径的限制，只选取了中国2000～2005年的县级统计数据为主要的数据源，时间跨度相对较小。另外还应该进一步将中国区域粮食安全评价与预警分析紧密结合，建立完善高效的中国粮食安全预警体系，更好的为国家和政府决策服务。

［1］肖国安.中国粮食安全研究.北京:中国经济出版社，2005

［2］Fort Lesley J.McNair.World grain economy and climate change to the year 2000:Implication for policy.Report on the final phase of a climate impact assessment，research directorate of the National Defense University.Washington DC.1983

［3］Crosson P.Greenhouse warming and climate change:why should we care.Food Policy，1989:107 ～118

［4］Parry ML.Climate Change and World Agriculture，Earthscan.London，1990

［5］顾焕章，王曾金，许朗.建立粮食供求预警系统，稳定中国的粮食生产和市场.农业经济问题，1995，(2):23～26

［6］李玉珠，王济民.市场经济下粮食供给波动与宏观管理研究.农业经济问题，1997，18(6):2～8

［7］邵立民.我国粮食安全预警系统研究.农业经济管理，2011，(2):10～19

［8］陆文聪，李元龙，祁慧博.全球化背景下中国粮食供求区域均衡:对国家粮食安全的启示.农业经济问题，2011，(4):16～26

［9］居占杰.我国粮食安全的经济学分析.东南大学学报 (哲学社会科学版)，2011，5(13):26～30

［10］王雅鹏，王薇薇，吴娟.我国粮食安全的热点问题辨析.农业现代化研究，2011，32(1):6～10

［11］苗东升.系统科学精要 (第二版).北京:中国人民大学出版社，2002