河南省县域粮食生产格局变化及其影响因素

薛剑，韩娟，刘玉，张凤荣

(1.中国农业大学土地资源管理系，北京100094;2.国土资源部土地整治中心，北京100035;3.地质出版社，北京100083;4.国家农业信息化工程技术研究中心，北京100097)

粮食安全事关国计民生，一直是全球关注的热点问题[1]。国内外学者基于全国、流域和省域等不同尺度，从粮食总产、粮食单产、人均粮食占有量、耕地变化等方面围绕粮食生产与粮食供应安全开展了大量研究[2-3]。宏观视角的研究表明，我国传统的“南粮北调”格局被“北粮南调”格局所取代，北方粮食生产全面超越南方[4];粮食生产重心呈现“北进中移”的迁移态势，重心移动速率不断增大[5];案例研究逐步由东部沿海省份和东北地区向中西部省份转移，基于县域单元的省域研究日益增多[6-7]。这些研究为我国粮食生产布局优化、粮食发展政策制定提供了科学依据和经验借鉴。然而，现有研究往往忽视空间因素对粮食生产区域格局形成的影响，研究成果的应用性受到较大限制[8]。随着GIS技术的发展，运用探索性空间数据分析法(ESDA)探讨省域内县域粮食生产格局变化的研究增多[9-10]，从技术手段上支持了深层次的粮食生产空间格局研究。

河南省是我国13个粮食主产省份之一，也是《全国新增1 000亿斤粮食生产能力规划(2009—2020年)》中确定的重点区域之一，对保障我国粮食安全、稳定粮食价格发挥着重要作用。随着《中原经济区规划(2012—2020年)》的出台，中原经济区正式上升为国家战略，河南省将全力打造全国“三化”协调发展的示范区。随着河南省城市化、工业化和农业产业结构调整进程的加快，耕地变化等对粮食生产的资源性约束也将日益突出。为此，本研究选取1980，1990，2000和2010年为研究断面，运用探索性空间数据分析技术、重心模型等方法，探讨河南县域粮食生产的时空动态及其驱动机制，以期为粮食生产布局优化、粮食生产政策制定提供科学的决策依据。

1 研究区概况

河南省地处我国中东部、黄河中下游，位于31°23'N～36°23'N、110°21'E～116°39'E之间，与江苏、山东、安徽、河北、山西、陕西、湖北相临，土地面积16.70×104km2;地势西高东低，地貌类型复杂多样;属暖温带—亚热带、湿润—半湿润季风气候，年平均气温12.4℃～16.1℃，年均降雨量432～1 632 mm，气候温和，无霜期较长，适宜种植多种农作物。在《农用地分等规程》(TD/T 1004—2003)中，根据热量、水分、地貌以及社会经济条件，将河南省划分为燕山太行山山前平原区、冀鲁豫低洼平原区、黄淮平原区、鄂豫皖丘陵山地区、豫西山地丘陵区5个耕作制度二级类型区(表1)。全省共设17个设区市，21个县级市，88个县，50个市辖区。从数据的可获得性和研究需要出发，以2010年为基准对行政区划单元进行修正，将各地级市辖区进行归并，如郑州市中原区、二七区、管城区、金水区、上街区、惠济区统一归并为郑州市区，最终选取126个单元。1980年的粮食产量等数据由中国自然资源数据库提供，1990，2000和2010年数据来源于相应年份的《河南统计年鉴》、《河南农村统计年鉴》、《河南改革开放30年》。

表1 河南省耕作制度分区Tab.1 Division of standard farming system in Henan

2 研究方法

2.1 探索性空间数据分析法

探索性空间数据分析ESDA是一系列空间分析方法和技术的集合，通过对事物或现象分布格局的描述与可视化探究区域属性值的分布模式和空间相对差异。空间自相关分析分为全局空间自相关和局部空间自相关分析。本研究采用Global Moran’sI和Local Moran’sI统计量进行空间关联分析[11]。

2.2 重心迁移模型

重心迁移模型通过计算特定区域某一时段粮食产量的分布重心来描述粮食生产的时空分布格局[5]。

式中:Xj，Yj分别表示第j年粮食产量的区域重心坐标;Xi，Yi分别表示i县域的重心坐标;Gij表示i县域第j年的粮食产量;dm为重心迁移距离(km)。

2.3 空间回归分析法

当统计指标存在空间自相关时，残差就不再相互独立，因此，存在空间自相关的数据不适合采用普通最小二乘法(OLS)回归模型。将空间相互关系引入模型，对线性回归模型通过空间权重矩阵w进行修正的空间计量经济模型能较好的解决这一问题，其中空间滞后模型(spatial lag model，SLM)和空间误差模型(spatial error model，SEM)较为常用[11]。

3 结果与分析

3.1 粮食生产总体特征

1980年以来，河南省粮食产量及其在全国粮食总产量中的比例均呈现增长态势(图1)。2010年全省粮食产量为5 437.1万t，是1980年的2.53倍，年均增长率为3.14%;人均粮食占有量由1980年的295 kg/人增加至2010年的543 kg/人，年均增长率2.05%;粮食产量在全国粮食总产量中的比例也呈现增长趋势，由1980年的6.88%增加到2000年的8.87%，2001—2005年在9.00%上下徘徊;2006年以后基本维持在10%。

图1 1980—2010年河南省粮食产量及其占全国比例Fig.1 The grain yield of Henan Province and its proportion in China from 1980 to 2010

从不同耕作区的粮食产量分布看(图2)，黄淮平原区粮食产量所占比例最大，1980年以来占河南粮食总产量的50%以上，31年间比例提高了4.43%;冀鲁豫低洼平原区所占比例由9.48%提高到12.29%;鄂豫皖丘陵山地区粮食产量比例略有下降;燕山太行山山前平原区、豫西山地丘陵区下降明显，分别降低了2.64%和3.70%，河南省粮食生产向平原区集中分布的趋势明显。

图2 1980—2010年河南省不同耕作区粮食产量分布Fig.2 Distribution of grain production in different farming system divisions in Henan Province from 1980 to 2010

1980年粮食产量Gi＞30万t的县域为6个，2010年为81个，粮食产量占全省总产量的比例由9.03%增至86.28%。1980—2010年间，Gi＞50万t的县域由0个增至60个，粮食产量比例增至72.74%，主要分布在黄淮平原区、冀鲁豫低洼平原区和鄂豫皖丘陵山地区;40万～50万t的县域由0个增至7个，县域粮食产量比例增加至5.33%;30万～40万t的县域由6个增至14个，但县域粮食产量比例由9.03%下降至8.21%，分布较分散;Gi＜30万t的县域个数和粮食产量比例均下降，集中分布在豫西山地丘陵区以及鄂豫皖丘陵山地区西部。与1980年相比，2010年118个县域粮食产量增加，其中增加量＞45万t的县域27个，在黄淮平原区分布密集，粮食生产向产粮大县集中;8个县域粮食产量下降(表2)。95个粮食主产县1980，1990，2000和2010年粮食产量占全省粮食产量的比例分别为81.41%，86.27%，88.01%和89.78%，呈逐年增加的趋势。可见，河南省县域粮食总产量呈现“东高西低”的分布格局，粮食生产向产粮大县和东部平原区集中，且随时间推移，这种分异格局愈加明显(图3)。

表2 1980—2010年河南省粮食县域生产分布Tab.2 Distribution of counties with different grain production in Henan Province from 1980 to 2010

图3 1980—2010年河南省粮食总产量及其变化Fig.3 Spatial patterns of grain production and changes at county level in Henan Province from 1980 to 2010

3.2 县域粮食空间差异

采用GeoDa软件计算了4个年份县域粮食生产的全局自相关系数Moran’sI。整个研究期间，全局Moran’sI估计值全部为正，从1980年的0.142 8增加到2010年的0.422 7，总体上呈现扩大趋势。表明1980年以来河南省各县域粮食生产存在显著的正空间自相关特性，即粮食产量水平较高的县域趋于相邻，粮食产量水平较低的县域也趋于相邻，呈现出空间上高高集聚(H-H)、低低集聚(L-L)的集中分布。同时，随着时间的推移，这种正的空间自相关增强的趋势表明同期河南省粮食生产增长差异也存在相似的趋势。

由于Moran’sI估计值是一种总体统计指标，只能显示某一区域与其周边地区空间差异的平均程度，不能全面反映区域粮食的局部空间特征及其空间关系。因此，需要借助Moran散点图和LISA聚集图进一步分析县域粮食生产的局部空间特性。根据县域粮食生产数据，得到河南省1980，1990，2000和2010年粮食生产的Moran散点图，统计出在p=0.05显著性水平下的4种空间联系类型的县域数。31年间，位于H-H和L-L象限的县域数量由75个增至97个，1980，1990，2000和2010年位于H-H和L-L象限的县域分别占县域总数的59.5%，70.6%，73.8%和77.0%，位于H-H象限的县域粮食产量分别占河南省粮食总产量的54.2%，59.0%，58.7%和61.8%，表明河南省粮食生产的局部空间自相关显著，且集聚能力不断增强。

图4 1980—2010年河南省县域粮食产量的LISA聚集图Fig.4 LISA cluster map for grain production at county level from 1980 to 2010 in Henan Province

将Moran散点图与LISA显著性水平相结合，绘制p=0.05显著性水平下的Local Moran’sI图，进一步分析河南省县域粮食生产的空间自相关程度及其演化过程(图4)。①显著的H-H类型区在研究期内有一定变化。1980年，H-H类型区主要分布在周口、南阳和许昌。随着时间推移，以周口为核心的H-H类型区呈现“北进南扩”的趋势，范围明显扩大，其他的呈现分散分布且不稳定。该区位于黄淮平原区，是全国重要的粮食产区，光热水土资源匹配较好，农业基础设施较为完善，农用地综合生产能力较高。②显著的L-L类型区在洛阳、三门峡和南阳西北部呈现面状分布，并逐步向平顶山和郑州扩展。该类型区处于豫西山地丘陵区，地势起伏度较大，水土流失较为严重，耕地地力差，农田基础建设滞后，耕地综合生产能力低。③显著的低高(L-H)类型区和显著的高低(H-L)类型区分布的县域较少，规律性不甚明显。

3.3 粮食生产重心变化

利用公式(1)～(3)计算出河南省4个研究年份的粮食生产重心，河南省粮食生产重心在许昌县和鄢陵县境内移动。2010年与1980年相比较，向东南方向偏移了26.07 km，经向移动距离远大于纬向移动距离。这主要是由于河南东部的黄淮平原区粮食生产占全省的比例较高，且呈现增加趋势，而豫西山地丘陵区粮食生产比例持续下降，共同造成了河南省粮食生产重心向东南方向偏移。重心模型的分析结果与空间自相关分析的结果一致，即河南省粮食生产集中于黄淮平原区，表现出一定的空间集聚性。

3.4 粮食生产空间格局变化的驱动机制

影响粮食生产空间格局变化的主要因素包括自然因素和经济社会投入因素。基于现有研究成果[9，12]，并咨询相关领域的专家，本研究选择了农林牧渔业劳动力、农业机械总动力等12个主要因素;鉴于河南省县域粮食生产存在较强的空间自相关性，因此，利用126个县域粮食产量数据与12个主要影响因素进行空间回归分析。初步计算结果显示:3个年份SLM和SEM模型的拟合系数均高于经典回归模型，且以SEM的拟合系数最高，因此，以1980年的县域粮食生产为基础，以SEM模型的估计结果，分析1990，2000和2010年县域粮食生产格局演化的影响因素(表3)。

由表3可知，1990年化肥投入量、农村居民人均纯收入、农林牧渔劳动力是影响县域粮食产量格局的主要因素;2000年演变为农林牧渔业劳动力、复种指数、种植结构、灌溉面积比率、农用机械总动力、化肥投入量、耕地面积和前期粮食产量等多个因素共同影响的特征;2010年，耕地面积和前期粮食产量的回归系数分别提高到0.509和0.486，农林牧渔业劳动力对粮食产量的影响由正向显著转化为负向显著，表明农林牧渔业劳动力的过剩阻碍了粮食生产的进一步提高;2010年，产业结构对粮食生产的影响为负，且通过显著性检验，表明非农产业的快速发展对粮食生产的负面影响已经显现。总体而言，随着粮食播种面积单产提升幅度的降低，粮食总产格局更多地依赖于耕地面积、复种指数和种植结构，农药、化肥等的投入因素的影响作用逐渐降低。

表3 空间残差回归分析结果Tab.3 Estimated results of SEM in 1990，2000 and 2010

4 结论与讨论

1)研究期内河南省粮食总产量及其在全国粮食产量中的比例增加，粮食生产向产粮大县、黄淮平原区集中;粮食生产重心东南方向偏移了26.07 km，粮食生产“东高西低”的态势更加显化。

2)1980—2010年河南省县域粮食生产具有明显的正相关性，全局空间自相关系数增加，粮食生产存在显著的空间聚集分布;1980，1990，2000和2010年位于HH和L-L象限的县域分别占总单元数的59.5%，70.6%，73.8%和77.0%，局部集聚格局显著，集聚能力不断增强;显著H-H类型区主要分布在周口、南阳和许昌，显著L-L类型区在洛阳、三门峡和南阳西北部呈现面状分布。

3)前期粮食产量、耕地面积、复种指数和种植结构等对河南粮食生产格局的影响日益提高，而农林牧渔劳动力、化肥投入、农药投入等的影响不显著或者呈现负影响。在现阶段，稳定耕地面积并适当提高复种指数和粮食作物比例，优化化肥、农药等的投入结构，是提高粮食产量的重要途径。

4)本研究采用空间分析和空间回归分析等方法，揭示了1980—2010年河南省县域粮食生产的时空演化特征，并初步分析了粮食生产时空演化的驱动机制。受数据资料和文章篇幅的限制，本研究在指标选取上未考虑温度、降水等气候因素;只是概略地分析了投入要素的数量，而对要素投入质量和结构的分析明显不足。因此，针对不同类型区选取典型县域，综合考虑气温、降水等自然因子，深入研究要素投入数量、质量、结构等对粮食产量的影响，是下一步亟需研究的重要方向。

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