基于耕地压力指数的山东省粮食生产动态分析与预测

李福夺, 杨兴洪

(贵州大学 管理学院, 贵州 贵阳 550025)



基于耕地压力指数的山东省粮食生产动态分析与预测

李福夺, 杨兴洪

(贵州大学 管理学院, 贵州 贵阳 550025)

[目的] 对山东省1994—2014年的粮食生产进行动态分析，并对2015—2025年的粮食安全状况进行预测，为该省制定合理的粮食生产规划和农业经济政策提供科学依据。 [方法] 从耕地压力角度出发，采用最小人均耕地面积和耕地压力指数模型，通过对文献资料进行搜集、整理与统计，并运用Logistic人口预测模型和灰色GM(1,1)模型开展研究。 [结果] (1) 山东省1994—2014年中的大多数年份耕地压力指数大于1，处于粮食不安全状态； (2) 1994—2014年耕地压力指数呈现出缓慢上升趋势，且其变化具有明显的周期性，每个波动周期大约为4～5 a； (3) 未来10 a粮食产量、年末人口总数呈增加的态势，而耕地面积、人均耕地面积、最小人均耕地面积和耕地压力指数均呈现出降低趋势，且大多数年份的耕地压力指数值小于1。 [结论] 通过大力发展粮食经济，未来10 a山东省粮食生产与供给都将处于安全状态。

耕地压力指数; Logistic人口预测模型; 灰色模型; 粮食安全； 山东省

文献参数： 李福夺, 杨兴洪.基于耕地压力指数的山东省粮食生产动态分析与预测[J].水土保持通报，2016,36(4)：220-226.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.039

粮食生产在农业生产中占有具足轻重的地位，也直接关系着社会的和谐与稳定[1]。自1972—1974年世界粮食危机爆发以来，粮食安全问题逐渐成为学术界研究的焦点。当前，世界粮食危机仍在继续，全球性的粮食出现严重短缺、产量锐减、价格涨幅过快，这引发了国际社会对粮食安全问题的普遍担心。据世界粮农组织最新估计，2004—2006年全球约有8.05亿人长期受食物不足困扰，食物不足发生率同期在全球范围内仍然高达11.3%，在发展中国家更是达到了13.5%[2]。《2014年世界粮食不安全状况》指出，尽管发展中国家作为整体已取得进展，但在减轻食物不足问题、改善粮食安全方面仍有较大的改进空间[3]。作为全球最大的发展中国家，世界粮食规划署公布的《2013年全球粮食安全指数报告》显示，中国的粮食安全指数位列第42位，属于“轻度风险”国家[4]。但是，在全球粮价普遍上涨的大背景下，中国粮食安全绝不是高枕无忧，特别是最近几年，国内粮食生产形势正悄然发生着一些深刻的变化，粮食生产的不利因素在增多，而有利条件却在减少，粮食安全存在很大隐患，应该引起足够的重视。保障粮食安全是关系到国计民生的大事，而区域粮食生产是国家粮食安全的基础，保障国家粮食安全就必须先要科学制定区域粮食生产任务、稳定区域粮食产量，特别是粮食主产区的粮食产量。

山东省作为中国重要的粮食主产区，其粮食生产情况直接关系到全国的粮食安全状况。建国以来,特别是实行家庭联产承包责任制以来,山东的粮食生产有了突飞猛进的发展。1984年全省粮食总产突破3.00×107t,人均粮食占有量已达400 kg以上,基本上解决了温饱问题；1999年达到4.30×107t,比1949年增长了近4倍,比改革开放初的1978年增长了的1倍；“九五”期间在国家粮食增产的5.00×107t中,就有10%的增量来自山东省。进入21世纪以来，山东省在全国率先实现了历史性的粮食总产“十二连增”。面对复杂严峻的国内外经济形势和农业生产形势,作为我国第三大粮食主产省份,山东省粮食生产对保障整个国家的粮食安全和经济社会的稳定发展有着极其重要的意义。以往研究对区域粮食安全状况的量度，大多采用区域粮食生产能力这一指标来代替，但这并不能全面、准确地反映出耕地、人口与粮食安全的关系，相比而言，耕地压力指数模型科学、合理，并能准确反映粮食安全与确保粮食安全的耕地之间的动态关联性。鉴于此，本研究从耕地压力角度出发，采用耕地压力指数模型，通过对文献资料进行搜集、整理与统计，对山东省1994—2014年的粮食生产进行了动态分析，之后又运用时间序列平滑预测法和灰色 模型对未来10 a(2015—2025年)山东省的粮食安全状况进行了预测，以期为国家粮食主产区制定合理的粮食生产规划和农业经济政策提供科学的理论依据。

1　研究区概况

山东省位于东部沿海、黄河下游地区，位于东经114°19′—122°43′,北纬34°22′—38°23′之间，自北向南依次与河北、河南、安徽和江苏接壤，面积1.58×105km2。山东省地处温带季风气候区，属半干旱大陆性气候，年内季节变化十分明显，大多数年份的气候干燥度在1.7～1.9之间，最高可达2.2，总体来说这种气候特征适合农作物特别是粮食作物的生长；山东省年平均气温在13 ℃左右,其中7月最热，平均可达近35 ℃；1月份最冷，平均为-4.5 ℃，冬季寒潮频繁、常发霜冻；山东省年均降水量为近600 mm，降水分布东部半岛多于西部内陆，鲁东南多于鲁西北，全年降水近70%集中在夏季，秋季雨量多于春季[5]。山东省土地总面积1.57×107hm2，约占全国国土总面积的1.63%，居全国第19位。在山东省各种地貌中，平原所占比重最大，约为55%，这也奠定了山东省农业大省的地位；山地、丘陵分别占到15.5%和13.2%，其他地貌分布较少。2014年山东省农业从业人员3.33×108人，农用地共1.16×108hm2，占土地总面积的73.61%；在农用地中，耕地7.32×107hm2，人均耕地0.081 hm2，略低于全国平均水平。山东省的粮食产量较高，粮食作物种植分夏、秋两季，夏粮主要是冬小麦，秋粮主要是玉米、地瓜、大豆、高粱、谷子和小杂粮，其中小麦、玉米、地瓜是山东省的3大主要粮食作物。自1978年以来的30 a多间，山东省粮食总产实现连续跨越，到2014年粮食总产达到4.60×108t，其中商品粮达2.42×108t，商品粮率达52.6%，均创历史新高[6]。近年来山东省农业生产条件发展迅速，2014年该省农业生产化肥施用量1.60×108t，平均施用量629 kg/hm2，比全国平均水平311 kg/hm2高出1倍；农业机械总动力1.69×109kW，农机总值8.38×1011元，农机化综合水平超过86.2%，其中粮食生产机械化水平达到93%以上。共有各类水库6 411座，其中，大中型水库34座，库容量其中超过2.00×109m3的大型水库16座，总库容1.79×1011m3，农田有效灌溉面积达4.83×107hm2[7]。

2　数据来源与研究方法

2.1数据来源与处理

2.1.1数据搜集查阅《山东省统计年鉴》《山东年鉴》(1994—2014年)等官方正式公布的文献材料，并收集自1994—2014年的山东省粮食局、农业厅等机构相关统计资料，搜集的数据内容应该包括1994—2014年山东省人口数量、粮食自给率、粮食总产、粮食播种面积、农作物总播种面积和复种指数等，数据搜集是进行统计分析的前提和基础。

2.1.2数据校对与整理由于历史资料的记载也可能会出现偏差，导致数据不准确，因此在利用搜集来的资料展开研究前必须反复比较、核对、核准，才能确保数据的准确无误，这样得出的结论才更可靠、更有说服力，也更具参考价值。数据要按照1994—2014年的时间段序列逐年排列，应用Excel软件对山东省20 a里粮食指标数据信息进行系统化整理。

2.2研究方法

采用最小人均耕地面积和耕地压力指数模型对山东省1994—2014年的粮食生产进行动态分析，运用时间序列平滑预测法和灰色GM(1,1)模型对2015—2030年山东省的粮食安全状况进行了预测。

2.2.1最小人均耕地面积模型保障区域粮食安全的最小人均耕地面积是指，在一定区域范围内一定粮食自给水平和耕地综合生产能力条件下，满足个人正常生活的粮食消费所需的最少耕地面积阈值[8]。最小人均耕地面积的内涵是为了保证区域粮食安全而需保护的耕地数量底线，它受到粮食自给率、人均粮食需求量、粮食单产、粮食播种面积占比和复种指数这5个因素的影响，其计算公式为：

(1)

式中：Smin——区域最小人均耕地面积(hm2/人);β——区域粮食自给率(%);Gr——人均粮食需求量(kg/人);p——粮食单产(kg/hm2);q——粮食播种面积占比(%);k——复种指数(复种指数是指一定时期内(一般为1 a)在同一地块耕地面积上种植农作物的平均次数，它等于年内耕地上农作物总播种面积与耕地面积之比)。

由公式(1)可以看出，最小人均耕地面积Smin与粮食自给率β和人均粮食需求量Gr成正比，与粮食单产p、粮食播种面积占比q和复种指数k成反比，qk表示粮食播种面积在总耕地面积中所占的份额，而pqk实际上反映了耕地粮食生产力水平。

2.2.2耕地压力指数耕地压力指数是指最小人均耕地面积与实际人均耕地面积的比值，计算公式为：

(2)

式中：Sa——实际人均耕地面积(hm2/人);K——耕地压力指数。

耕地压力指数衡量的是一个特定区域为保障其粮食安全所需的最小人均耕地面积Smin与实际人均耕地面积Sa的对比关系,其值反映了区域耕地资源的紧张程度。需要指出的是,由于耕地生产力水平、人口数量与质量等因素都是动态的,因而Smin和Sa也都会随时间和空间发生变化,因此耕地压力指数K也表示一个会随时空发生变化的量[9]。耕地压力指数K给出了耕地保护的阈值，可作为区域耕地保护的调控指标。不同时空截面上的K值大小反映了此时区域耕地资源所承受的压力水平,因此可以根据K值的大小采取不同的对策,以调节耕地资源所承受的压力,实现耕地资源的可持续利用。具体来说：K=1，表示最小人均耕地面积Smin与实际人均耕地面积Sa相等，区域粮食供给也刚好等于需求。此时必须采取措施严格防止耕地资源的进一步流失，同时还要通过加大物质资本投入和技术投入来积极提高耕地的生产力水平，从而提高粮食单产。K<1，表示最小人均耕地面积Smin小于实际人均耕地面积Sa，粮食生产与供给都处于安全状态。此时可以适度转移耕地用途来保证城镇化进程对土地的需求，可以通过适度退耕还林还草来改善生态环境，当然，耕地用途的转变必须严格控制在不大于(Smin-Sa)的范围内，否则就会区域粮食安全。K>1,表示最小人均耕地面积Smin大于实际人均耕地面积Sa，粮食生产与供给处于不安全状态。此时说明区域耕地正承受着巨大的压力，需要通过适当开发后备耕地资源和加强对现有“抛荒”土地的整理、提高单位面积的产出水平等来加强粮食生产、确保粮食安全。

2.2.3Logistic人口预测模型为了保证人口预测的精确性，采用Logistic人口预测模型来对对未来10 a山东省人口数量进行预测，计算公式为[10]：

(3)

(4)

式中：x0，x1，x2——t0，t1和t33个年份的人口数据，t2-t1=t1-t0=τ。由公式(3)—(4) 联立可得：

(5)

由于人口数据取自1994—2014年，因此可选择1994，2004，2014年这3个间距相等的年份，查阅资料可知，1994年的人口数量x0=8 671万人，2004年的人口数量x1=9 180万人，2014年人口数量x2=9 856万人，τ=10，带入式(4)得：r=0.057 65，N=10 925.9。将r，N，x0带入公式(3)中，得山东省人口数量的预测公式为：

(6)

2.2.4灰色GM(1,1)模型灰色GM(1,1)模型是对系统的时间序列进行进行数量大小的预测，即对系统的主行为特征量或某项指标，发展变化到未来特定时刻出现的数值进行预测的模型。统计预测要求有足够的样本和充分的数据，还需要符合典型分布，而灰色GM(1,1)模型对数据要求不高，也不需要符合典型分布，此特点特别适合于土地利用和粮食生产方面的预测[11]。

3　山东省耕地、人口、粮食与耕地压力指数分析

3.1山东省粮食总产量、耕地面积、人口数量动态变化

粮食作为一种土地密集型产品，其产量对耕地具有很大的依赖性，耕地面积的数量和质量都会对区域和国家粮食生产产生重大影响。同时，随着人口的增长，人均粮食占有量也必然随之波动，图1为1994—2014年山东省粮食总产量、耕地面积以及人口数量的动态变化曲线。

3.1.1人口数量的动态变化图1显示，1994—2014年山东省人口数量呈现出线性增长趋势，从1994年的8.67×108人增加到2014年的9.86×108人，增幅高达13.67%，年均增长率达1.02%，人口的快速增长给有限的耕地和农业生态带来了巨大的压力，也给区域粮食需求安全带来了巨大的挑战。

3.1.2耕地面积的动态变化1994年以来山东省耕地面积变化大致可以划分为3个阶段。第一阶段为1994—1999年，这一时期耕地面积除1997年出现一定幅度的下降外，其他年份都稳步增加，总体来看从1994年的6.22×107hm2增加到1999年的8.10×107hm2，5 a间增加了1.88×107hm2，增加幅度为30.25%，年均增幅更是高达7.82%，该阶段耕地面积的增加的主要原因是农业结构的内部调整和土地复垦改革工作的推进，保障山东省耕地稳中有增[12]；第二阶段为2000—2004年，该阶段山东省耕地面积出现了比较大的下滑，到2004年降为6.31×107hm2，略高于1994年的水平，造成这种变化的原因在于该阶段城镇化的推进大量占用了农业生产性耕地，而非农用途对耕地大量占用后又难以实现占补均衡，粮食播种面积急剧萎缩；第三阶段为2005—2014年，这10 a山东省耕地面积实现了小幅反弹，2005年为6.31×107hm2，到2014年达到7.32×107hm2，增加约1.00×107hm2，增幅达15.85%，年均增长率为2.25%，本次耕地面积的增长主要和2005年国家取消农业税后相关惠农政策的刺激推动以及加强了对耕地的保护有关，但非农建设用地的增加使耕地面积增加速度缓慢[13]。

3.1.3粮食产量的动态变化由图1可以看出，1994—1999年山东省粮食产量变化同样经历了三个阶段，第一阶段为1994—1999年，粮食总产量总体呈现出增加的态势， 1994年为3.46×108t，到1999年增加到4. 27×108t，增量为8.12×107t；第二阶段为1999—2002年，粮食总产整体保持下降趋势，1999年为4.27×108t，到2002年降到3. 29×108t，减少量为9.76×107t，下降约23%；2002年之后为第3阶段，该阶段种植结构的创新和农业机械水平的提高使得山东省粮食产量进入逐年连增，即所谓的“十二连增”阶段，由2003年的3.44×108t升至2014年的4.60×108t，增加33.79%，年均增幅达2.26%，成为全国唯一一个保持连续12 a增产的省份。

图1　　　　山东省1994-2014年粮食总产量、

3.2山东省耕地压力指数动态变化分析

山东省粮食局统计资料显示，1994—2014年20 a里山东省粮食平均自给率β为98%，年人均粮食需求量Gr为415 kg，由最小人均耕地面积和耕地压力指数模型计算得到山东省1994—2014年的最小人均耕地面积Smin值和耕地压力指数K值(表1)。

根据表1中数据，可得1994—2014年山东省的最小人均耕地面积 和耕地压力指数 的动态变化情况(图2)。由图2可以看出，通过对山东省1994—2014年最小人均耕地面积和耕地压力指数变化进行分析，发现除个别年份(1998，1999年)外，山东省耕地压力指数一直都大于1，说明山东省一直处于粮食不安全状态。20 a间研究区粮食安全水平各不相同，耕地压力指数 的变化具有明显的周期性，每个波动周期大约为4～5 a； 值总体来看是缓慢上升的，根据计算结果，1994—2014年山东省粮食安全动态变化情况大致可分为4个阶段：第1阶段为1994—1999年，山东省耕地压力指数出现了比较明显的下降，特别是1999年达到了20 a来的最低点，耕地压力指数为0.97。这一时期耕地压力指数的下降，主要源于山东省农业结构的深度调整和土地复垦改革工作的推进，使得山东省耕地稳中有增，缓解了耕地生产的压力，稳定了粮食的产出。随着粮食生产的稳步增长，到1998，1999年，山东省粮食安全基本能够得到保障，但安全形势不容乐观。第2阶段为2000—2004年，该阶段山东省耕地压力指数呈现出逐年上升趋势，从2000年得1.06增加到了2004年的1.25，提高了18%，说明近年来随着山东省城镇化的推进，粮食生产所面临的耕地压力也是日趋严峻，粮食安全形势进一步恶化。第3阶段为2005—2009年，山东省耕地压力指数又进入了一个新的平稳下降周期，本期耕地压力缓解的原因一方面是农业生产技术的提高，另一方面是政府加强了土地立法、严格控制城镇化建设对耕地的占用，积极开垦未利用荒地，复垦抛荒土地，虽然实际人均耕地面积 一直处于下降态势，但这些措施在一定程度上减缓了耕地减少的速度，缓解了耕地生产的压力，稳定了粮食的产出。第4阶段为2010—2014年，耕地压力指数又进入新一轮的周期性上升，这与这段时期山东省粮食单产的增幅减小从而导致的粮食总产增幅不大有关。

表1　山东省1994-2014年最小人物耕地面积和耕地压力指数

注：β为平均自给率；Gr为人均粮食需求量；p为粮食单产；q为粮食播种面积占比；k为复种指数；Smin为最小人均耕地面积；Sa为实际人均耕地面积；K为耕地压力指数。下同。

图2　　　　山东省1994-2014年最小人均耕地面积

4　山东省2015-2030年粮食安全趋势预测

根据灰色系统原理，把山东省1994—2014年耕地及粮食产量有关数据带入带入灰色 模型进行计算，得到山东省耕地面积和粮食总产的拟合方程分别为：

S(t)=-96.334 82exp(-0.125 08t)+

102.655 19

(7)

Q(t)=-1 985.622 38exp(-0.143 97t)+

375.164 82

(8)

对模型(7)—(8)分别进行后验差检验，得SC=0.255 8，SQ=0.287 4，可见模拟效果较好。

利用公式(7)—(8)计算出2015—2025年山东省耕地面积和粮食总产后，再根据上文推算出的Logistic人口预测模型公式(6)计算出各年山东省人口总数，从而可以得到未来10 a的最小人均耕地面积Smin和耕地压力指数K的预测值，进而对这段时间内山东省的粮食安全趋势进行预测。山东省2015—2025年的Smin和K预测值详见表2。

由表2预测结果显示，未来10 a山东省粮食产量、年末人口总数呈增加的态势，而耕地面积、人均耕地面积Sa、最小人均耕地面积Smin和耕地压力指数K均呈现出降低趋势，且除2015，2016年外，其他年份的实际人均耕地面积Sa均大于最小人均耕地面积Smin，表明耕地生产力的供给水平高于粮食消费水平。此时，可以适度转移耕地用途来保证城镇化进程对土地的需求，可以保持耕地生产能力、培育肥力以保持更低的综合生产力，可以大力调整农业内部种植结构，通过适度退耕还林还草来改善生态环境，当然，耕地用途的转变必须严格控制在不大于(Smin-Sa)的范围内，否则就会区域粮食安全。此外，K值不断减小还说明，山东省粮食商品率有较大的提升空间，可以通过提高粮食商品率，为保障区域和国家粮食安全作出更大的贡献[14]。

表2　山东省2015-2025年最小人均耕地面积和耕地压力指数预测值

注：蔡云龙研究发现，随着国民经济发展和人们生活水平的逐步提高，年人均粮食需求量将会出现一定幅度的增加，而粮食自给率可能会下滑，据此，在预测2015—2025年山东省粮食安全状况时取人均粮食需求量为500 kg，年平均粮食自给率为95%来进行测算。

5　讨论与结论

5.1讨 论

尽管近年来山东省粮食生产形势喜人，但要实现粮食持续增产还必须要认识到以下两点[15]： (1) 由于耕地面积总量是有限的，因此相较关注耕地数量，更应关注怎样提升耕地质量。多年来山东省大部分地区还在采用比较落后的耕种模式(其中采用最多的旋耕方式)，导致土壤流失严重，保肥保水能力不强，加之化学肥料等的过量使用，导致单位投入的边际产出越来越低，难以满足高产稳产的需要； (2) 由于农业在三大产业中经济效益最差，从事农业生产对促进农民增收致富的效果也最不明显，调动农民种粮积极性的压力依然很大。在研究方法上，本研究是在对山东省耕地面积、人口数量和粮食产量进行动态分析的基础上对耕地压力指数进行研究和预测的，研究结果和预测结论对于提高山东省的粮食生产能力、帮助国家制定粮食主产区(山东省)粮食生产规划和农业经济政策都具有一定的参考价值。但由于灰色GM(1,1)模型是根据耕地变化趋势来预测未来的耕地面积和粮食产量，对政府农业政策及经济发展速度等因素考虑较少[16]，尤其是在新常态经济增速放缓的新形势下，就更显局限性，因此在预测方法上还需不断完善。此外，本研究仅从时间维度上对山东省粮食生产与安全状况进行了动态分析与预测，尚缺乏空间格局差异的度量分析与比较，有待进一步研究和探讨。

5.2结 论

(1) 通过对山东省1994—2014年最小人均耕地面积和耕地压力指数变化进行分析，发现除个别年份(1998，1999年)外，山东省耕地压力指数一直都大于1，说明山东省一直处于粮食不安全状态。

(2) 山东省1994—2014年粮食安全水平各不相同，从总体来看，K值呈现出缓慢上升的趋势；从局部时间段来看，耕地压力指数K的变化具有明显的周期性，每个波动周期大约为4～5 a。1994—2014年山东省粮食安全动态变化情况大致可分为4个阶段：1994—1999年，山东省耕地压力指数K出现了比较明显的下降；2000—2004年，该阶段耕地压力指数K呈现出逐年上升趋势；2005—2009年K进入了一个新的平稳下降周期；2010—2014年，耕地压力指数K又进入新一轮的周期性上升，且引起每一阶段变化的因素各不相同。

(3) 未来10 a山东省粮食产量、年末人口总数呈增加的态势，而耕地面积、人均耕地面积Sa、最小人均耕地面积Smin和耕地压力指数K均呈现出降低趋势，且除2015，2016年外，其他年份的实际人均耕地面积Sa均大于最小人均耕地面积Smin，表明耕地生产力的供给水平高于粮食消费水平，粮食生产与供给都处于安全状态。

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Development of Grain Production and Its Prediction in Shandong Province

LI Fuduo, YANG Xinghong

(SchoolofManagement,GuizhouUniversity，Guiyang,Guizhou550025，China)

[Objective] The grain production status in Shandong Province during 1994—2014 and the food security during 2015—2025 were studied to provide scientific basis for making reasonable production planning and agricultural economic policy. [Methods] Models of the cultivated land pressure index based on minimum per capita arable land area, logistic population prediction model and grey model〔GM(1,1)〕 were used to carry out the research. [Results] (1) The cultivated land pressure index was greater than 1 in many years during 1994—2014 in Shandong Province, implying that a state of food insecurity existed. (2) Cultivated land pressure index in 1994—2014 showed a slow periodical upward trend with a 4～5 a cycle. (3) In the next 10 years, grain output and total population will present a growth trend; while indices of arable land, arable land per capita, the minimum per capita cultivated land area and cultivated land pressure index are predicted having a downward trend. And the cultivated land pressure index value will be less than 1 in most years. [Conclusion] Through expanding food economy, grain production and food supply will be in a safe state in the next 10 a in Shandong Province.

land pressure-based cultivation index; logistic model of population prediction; grey model; food security； Shandong Province

2015-10-07

2015-10-25

贵州大学人文社科重点特色学科重大项目“农村土地资本化研究”(GDZT12007)

李福夺(1989—),男(汉族),山东省乐陵市人,硕士研究生,研究方向为农业经济理论与政策、粮食安全等。E-mail:lifuduo2010@163.com。

杨兴洪(1971—),女(布依族),贵州省都匀市人,博士研究生,教授,硕士生导师,主要从事农业经济理论与政策、农业保险等方面的研究。E-mail:18366622500@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0220-07

F326.11