基于耕地—粮食—人口系统的休耕区域 耕地压力时空演变及预测——以河北省为例

杨人豪，杨庆媛，陈伊多，曾 黎

(西南大学地理科学学院， 重庆 400715)

中国的人口数量稳居世界第一，其粮食安全直接影响国家安全和社会稳定。作为粮食生产的物质基础，耕地却面临数量减少[1]、质量下降[2]等严重问题。据统计我国耕地数量以每年10×104hm2的速度减少，耕地质量因污染[3]、生态破坏[4]等不断下降，甚至出现无法耕种的现象。由耕地、粮食、人口构成的相互制约、相互影响的复合系统成为研究的热点[5-6]。2016年6月19日农业部等十部委下发《探索实行耕地轮作休耕制度试点方案》，将河北省黑龙港地下水漏斗区作为地下水漏斗区休耕试点区域，连续多年实施季节性休耕，实行“一季休耕、一季雨养”，将不再种植需抽水灌溉的冬小麦，只种植雨热同季的春玉米、马铃薯和耐旱耐瘠薄的杂粮杂豆，减少地下水用量。在耕地数量保持均衡，粮食产量、人口数量双增长的背景下探究耕地压力的动态变化和空间特征，以期对区域农业政策、人口政策，建设地区生态文明建设等工作提供依据。

耕地问题一直以来受到广泛关注，国外学者多关注于耕地受到环境污染、工业侵占等威胁时面临的问题和解决方法[7-9]；国内学者基于不同的视角、空间尺度、时间维度对耕地数量变化及驱动因子[10-11]，耕地变化与城镇化[12]、经济增长[13]等耦合，粮食安全[14]及影响因素[15]等问题进行深入的研究和探讨。研究中多使用回归模型研究省域尺度的耕地资源动态变化，如安徽省、辽宁省、浙江省、陕西省、河北省等[16-19]的耕地变化，为相关研究提供了较好的参照。由于回归模型的局限性，某些预测结果与实际偏差较大；大部分研究时间跨度较短，不足以反映省域耕地资源的整体变化趋势。本文根据统计数据，分析河北省1949—2014年的耕地、人口、粮食的变化情况，测算耕地压力指数并分析其时空演变，进而运用较为成熟的灰色预测GM(1,1) 模型预测未来11 a年河北省实行耕地季节性休耕后的耕地压力指数，其目的是探究河北省长期以来耕地资源整体变化状况，预测在耕地休耕、调整农业种植结构等背景下耕地压力的动态变化。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

河北省(36°05′～42°40′N，113°27′～119°50′E)地处蒙古高原、燕山和太行山山地、华北平原交界处，地势西北高、东南低，包括高原、山地、丘陵、盆地、平原等多种地貌，总面积18.88×104km2，辖石家庄市、唐山市、秦皇岛市、邯郸市、邢台市、保定市、张家口市、承德市、沧州市、廊坊市、衡水市11市。河北省属温带大陆性季风气候，四季分明，冬夏均温相差达20℃，年均降水量484.5 mm，年无霜期81～204 d。2014年末全省总人口为7 384万人，全年地区生产总值29 421.20 亿元，人均生产总值39 984 元，全年粮食播种面积633.2×104hm2，粮食产量3.36×107t。

1.2 数据来源

研究中涉及的耕地面积、人口数量、粮食产量、粮食播种面积、农作物播种面积等数据主要来源于《河北省统计年鉴》(1949—2015)、《河北农村统计年鉴》(1949—2015)、河北省国民经济和社会发展统计公报及各市统计年鉴(1949—2015)等。

2 研究方法

2.1 最小人均耕地面积

最小人均耕地面积是指保障一定区域内粮食安全而所需保护的耕地数量底线，即在一定区域范围内，一定食物自给水平和耕地综合生产能力条件下,为了满足每个人正常生活的食物消费所需的耕地面积[20]。其计算公式如下：

(1)

式中，Smin为最小人均耕地面积(hm2)，β为粮食自给率(%)，Gr为人均年粮食需求量(kg·人-1)，p为粮食单产(kg·hm-2)，q为粮食播种面积占总播种面积的百分比(%)，k为复种指数。

2.2 耕地压力指数

耕地压力指数是指人均所需最小耕地面积与实际人均耕地面积之比，其大小反映区域基于耕地—粮食—人口系统的耕地资源紧张程度[20]。其计算公式如下：

(2)

式中，K为耕地压力指数，Sa为实际人均耕地面积(hm2)。K<1时，耕地无明显压力；K=1时，耕地濒临压力变化的边界；K大于1时，耕地压力明显，若不采取粮食增产措施，可能爆发区域粮食危机。

2.3 灰色预测GM(1,1)模型

灰色预测中的数列预测模型是对某一指标的发展变化情况所作的预测，其预测结果是该指标在未来各个时刻的具体数值。数列预测的基础就是基于累加生产数列的GM(1，1)模型。其预测模型建立过程如下：

x(1)={x(1)(1)，x(1)(2)，…,x(1)(n)}

(3)

(2)构造累加矩阵和常数向量：

(4)

式中，B为新数据序列的累加矩阵，YN为常数向量，N为新生成数据序列的元素个数。

(3)运用最小二乘法拟合灰色参数：

(5)

(4)构建时间函数：

(6)

将灰色参数带入时间函数，并作一次累减生成，得到预测公式：

(7)

(5)为保证模型的精度和可信度，须进行检验。检验预测公式精度一般采用方差比C和小误差概率P。如果C<0.35，P>0.95，预测精度高；如果C<0.5，P>0.80，预测精度较高；C<0.65，P>0.70，预测精度一般；C≥0.65，P≤0.70，预测精度不合格。本文将1949—2014年数据带入DPS软件中利用GM(1,1) 模型预测2015—2025年各变量的值。

3 结果与分析

3.1 河北省耕地、粮食、人口动态变化

河北省耕地面积从1949年726.58×104hm2下降至2014年的653.77×104hm2，总体呈缓慢下降趋势。人均耕地面积从1949年的0.24 hm2下降到2014年的0.09 hm2，前期呈快速下降趋势，后期下降速度放缓。根据耕地总面积和人均耕地面积的动态变化情况可划分为3个阶段(图1)：1949—1953年为缓慢增长阶段，这时期新中国的农业得到国家的大力支持，土地改革激发农民积极性，耕地得到大量的恢复和复垦。1953年底全省耕地总面积为764.52×104hm2，人均耕地面积为0.23 hm2。1954—2007年为动态下降阶段，期间全省耕地总面积总体呈下降态势，在1964—1965年有小幅回升；1949—2014年人均耕地面积下降速度明显。这期间耕地资源数量先后由于“大跃进”、三年自然灾害、建设用地占用耕地和退耕还林、还草等工程等原因下降明显；耕地总量不断减少至2007年的589.36×104hm2，随着人口不断增长，人均耕地面积迅速下降至0.08 hm2。2007—2014年为增长平稳阶段，期间各市将耕地保护作为重要贯彻目标，实行土地开发整理等措施积极保护耕地，耕地总面积得到稳定增长，人口数量由于计划生育等政策的影响也保持稳定的缓慢增长，人均耕地面积稳定在0.09 hm2。2014年底全省耕地面积为653.77×104hm2，人均耕地面积为0.09 hm2。

河北省粮食总产量从1949年469.51×104t上升至2014年的3 360.2×104t，人均粮食产量从1949年的152.14 kg上升到2014年的455.07 kg，两者基本均呈震荡上升趋势，并且起伏趋势保持一致，存在较强的相关性。全省粮食总产量4次上台阶(图2)：1949～1965年粮食产量小于1 000×104t，1965年底，粮食产量为964.55×104t，人均粮食产量为236.01 kg；1966—1987年粮食产量迅速增长，跨过1 000×104t门槛，1987年底，粮食产量为1 920×104t，人均粮食产量为336.25 kg；1988—2010年粮食产量继续增加，超过2 000×104t，2010年底，粮食产量为2 975.9×104t，人均粮食产量为413.66 kg；2011—2014年粮食产量超过3 000×104t大关，2014年底，粮食产量为3 360.2×104t，人均粮食产量为455.07 kg。

图1 河北省耕地面积和人均耕地面积变化(1949—2014年)

图2河北省粮食产量和人均粮食产量变化(1949～2014年)

Fig.2 The change of grain yield and grain yield per capita of Hebei Province from 1949 to 2014

河北省总人口数从1949年的3 086.06万人上升至2014年的7 384万人，基本呈持续增长态势，分别在1965年、1978年、1990年、2009年超过4 000万、5 000万、6 000万、7 000万。人口自然增长率起伏较大，按照波动可以分为6个阶段(图3)：1949～1955年为第1个上升阶段，此时新中国成立，人民安全得到有效保障，人口自然增长速度较快；1955年底，人口总数为3 529万人，人口自然增长率为20.70‰。1956～1961年为第1个下降阶段，期间人口增长受“三年严重自然灾害”和“大跃进”运动等不利影响，社会动荡，人口自然增长率下降至谷底；1961年底，人口总数为3 795万人，人口自然增长率为1.50‰。1962～1963年为第2个上升阶段，在结束了“大跃进”运动和自然条件逐渐转好的背景下，人口数量得到了有效增长，人口自然增长率出现明显提高；1963年底，总人口数为3 956万人，人口自然增长率为27.41‰。1964～1976年为第2个下降阶段，期间发生长时间社会动乱，国民经济发展缓慢，新增人口速度放缓，人口自然增长率在较长时间段内出现下降现象；1976年底，人口总数为4 943.40万人，人口自然增长率仅为7.10‰。1977～1996年为震荡下降阶段，期间我国实行改革开放、计划生育等重大政策，人口自然增长得到一定控制，自然增长率出现震荡下降现象；1996年底，人口总数为6 508.11万人，人口自然增长率为7.30 ‰。1997～2014年为平稳浮动阶段，期间计划生育政策得到有效和严格实施，人口自然增长进入非常平稳的阶段，基本保持在5‰～7‰之间；2014年底，人口总数为7 384万人，人口自然增长率为6.95‰。

图3河北省总人口数和人口自然增长率变化(1949～2014年)

Fig.3 The change of population and natural population growth rate of Hebei Province from 1949 to 2014

3.2 河北省耕地压力指数的时间演变

耕地被占用和人口增长的结果必然是耕地压力的增加，耕地压力指数能很好地反映区域耕地资源的压力水平。人均年粮食需求量(Gr)取值的不同直接影响耕地压力水平的高低。众多研究者对该变量取值为300～400 kg[16-19]，且世界粮农组织提出400 kg即可满足正常营养水平。考虑河北省实际情况和当前全国人均年粮食消费水平400～500 kg[21-22]，将Gr取值为380、400、420 kg，粮食自给率为100%，计算结果如图4、5显示。

图4中K380、K400、K420分别从高值0.59、0.62、0.65 hm2震荡下降至0.05 hm2，期间1960—1963年出现较大反弹，随后分别急剧下降至0.24、0.25、0.27 hm2，并持续保持下降态势，在1993年之后，基本保持在0.10 hm2以下。图5中K380、K400、K420也基本呈现震荡下行态势，在三年自然灾害之后K值甚至超过了建国初期几年。K380、K400、K420分别在1990、1995、1996年首次低于1，在2005、2008、2010年之后持续保持低于1，表明在低方案(人均年粮食需求为380 kg)情况下，河北省在20世纪90年代即能满足人口粮食基本需求，耕地压力处于临界状态；在三种方案情况下，河北省在21世纪初期进入耕地压力较小的时期。

3.3 河北省耕地压力指数的空间演变

假定人均年粮食需求量Gr取值为400 kg时，根据公式(1)和公式(2)，利用河北省11市数据分别计算1950年、1970年、1990年、2010年的耕地压力指数，并使用Arcgis9.3把各市四个年份的耕地压力指数进行可视化表达(图6)，大部分省市的耕地压力指数均从高值(K≥2.00)下降至较低水平(1.00≤K≤1.20)。1950年11市耕地压力指数均大于1.60；1970年仅唐山市耕地压力指数小于1.00，邯郸市、石家庄市、秦皇岛市、邢台市耕地压力指数大于1.60，其余6市耕地压力指数位于1.00～1.60之间；1990年唐山市、廊坊市、石家庄市、衡水市耕地压力指数小于1.00，其余7市耕地压力指数基本位于1.00～1.20之间；2010年除了承德市、秦皇岛市、张家口市耕地压力指数大于1.00，其余8市耕地压力指数均低于1.00。

注：S380、S400、S420分别是人均年粮食需求量Gr取值为380、400、420 kg时对应的最小人均耕地面积;Sa是对应年份的实际人均耕地面积。

Note:S380,S400andS420are the smallest cultivated land acreage per capita when the annual grain demand per capita (Gr) are 380, 400 kg and 420 kg respectively;Sais actual land area per capita.

图4 河北省最小耕地面积与人均耕地面积变化(1949—2014年)

注：K380、K400、K420分别是人均年粮食需求量Gr取值为380、400、420 kg时对应的耕地压力指数

Note:K380,K400andK420are the cultivated land pressure when the annual grain demand per capita (Gr) are 380, 400 kg and 420 kg respectively

图5河北省耕地压力指数的时间演变(1949—2014年)

Fig.5 Change of cultivated land pressure index of Hebei Province over time from 1949 to 2014

图6 河北省耕地压力指数的空间演变(1949—2014年)Fig.6 Spatial change of cultivated land pressure index of Hebei Province over time from 1949 to 2014

地理学第一定律指出：任何事物之间均相关，而离得较近的事物总比离得较远的事物其相关性要高[23]，也就是说地理事物是相互关联、相互影响的，而通过计量来表征空间自相关性的方法中最成熟的是Moran’s I指数。全局Moran’s I指数代表区域自相关性的程度，取值为[-1，1]。当全局Moran’s I指数为正时，表示空间正相关性，其值越大，空间相关性越强；当全局Moran’s I指数为负时，表示空间负相关性，其值越小，空间差异越大；当全局Moran’s I指数为0时，空间呈随机性[24]。Moran散点图可将区域自相关性的类型进行可视化表达，图中分为四个象限，第一象限HH为显著高高集聚类型区，第二象限LH为显著低高集聚类型区，第三象限LL为显著低低集聚类型区，第四象限HL为显著高低集聚类型区。利用Geoda软件基于邻接的“Queen”规则，计算1950年、1970年、1990年、2010年河北省11市耕地压力指数的全局Moran’s I估计值，并制作Moran散点图(图7)。4个年份中，全局Moran’s I指数依次为0.1854、-0.2875、-0.0028、0.5346，从弱正相关到弱负相关再到明显的正相关性；近60 a以来，位于第一象限HH和第三象限LL的市域数量从7个增加到11个，说明近年来河北省市域耕地压力指数较高(低)的地区，其周边市域耕地压力指数也较高(低)，耕地压力指数相似市域的空间聚集变得较强。

3.4 河北省耕地压力指数预测

河北省是国家休耕工作试点区域之一，2015—2025年期间可以进行粮食种植生产的耕地面积在预测的基础上还应减去休耕面积。2016年7月中旬农业部确定2016年河北省休耕规模为13.33×104hm2。为保证区域粮食安全，假定河北省休耕面积持续保持在13.33×104hm2。运用DPS软件对于未来11 a的总人口数、耕地面积、粮食产量、粮食播种面积占总播种面积的百分比、复种指数等变量进行预测(表1)，分别在人均年粮食需求量Gr取值为380、400、420 kg下计算河北省耕地压力指数(图8)。预测得到的未来11 a河北省耕地压力指数处于稳定趋势，各年均小于1，说明未来11 a全省出现粮食短缺危机的可能性较小。

耕地压力指数K在每年实际人均耕地面积已知情况下，主要受到最小人均耕地面积(Smin)影响，而Smin受粮食单产(p)，粮食播种面积占总播种面积的百分比(q)，复种指数(k)三个变量共同影响。可利用Spearman’s相关系数对Smin与p、q、k三个变量进行非参数相关分析(表2)，发现p、k和Smin、K呈较明显的负相关，q和Smin、K呈正相关；三个变量中k、p对Smin、K影响最大。说明粮食单产、复种指数降低时，耕地压力指数随之升高，如在“三年自然灾害”期间，粮食产量大减，复种指数偏低，而K值达到了较高水平，甚至超过了建国初期几年。

图7 全局Moran’s I指数变化(1949—2014年)

图8 耕地压力指数变化(1949—2025年)

注：**表示显著性水平P<0.01，S380、S400、S420、K380、K400、K420分别是人均年粮食需求量Gr取值为380、400、420 kg时对应的最小人均耕地面积和耕地压力指数。

Note: ** means significance levelP<0.01,S380,S400,S420,K380、K400andK420are the smallest cultivated land acreage per capita and cultivated land pressure when the annual grain demand per capita (Gr) are 380, 400 kg and 420 kg respectively.

4 结论与建议

4.1 结论

结合河北省近60 a的耕地、粮食、人口的变化特征，测算耕地压力指数并对其时空特征分析，预测未来11 a里耕地压力变化趋势，得到以下结论：

(1) 河北省耕地—粮食—人口系统不断动态发展，自建国以来，耕地面积总体呈缓慢下降趋势，人均耕地面积前期呈快速下降趋势，后期下降速度放缓；粮食产量和人均粮食产量均在震荡中呈现上升趋势；总人口数较快增长，人口自然增长率起伏较大。

(2) 在人均年粮食需求量分别为380、400、420 kg的情景下，河北省耕地压力指数均为下降趋势，分别在1990年、1995年、1996年开始出现低于1的情况，在2005、2008、2010年之后持续低于1。在人均年粮食需求量为400 kg情况下，河北省11市的耕地压力指数经历了从1950年均大于1.60到2010年仅3市的耕地压力指数大于1.00的过程，耕地压力指数的全局Moran’s I指数从弱正相关到弱负相关再到明显正相关性，耕地压力指数相似市域的空间聚集性增强。

(3) 根据预测结果结合河北省耕地休耕目标，全省未来11 a里耕地面积和人均耕地面积均出现下降，预计2025年人均耕地面积(除去休耕的面积)为0.06 hm2，在人均年粮食需求量为380、400、420 kg的情况下，耕地压力指数均小于1，分别为0.67、0.71、0.74，说明全省基于粮食安全角度的耕地压力情况较为乐观，不会出现因实行耕地轮作休耕造成的粮食供应不足的现象。

4.2 建议

通过预测在未来11 a内，河北省耕地压力指数小于1，出现粮食安全问题可能性较小。但是如果随着休耕面积的扩大，各市(县)仍可能出现耕地压力较大的情况，据此，提出以下建议：

(1) 利用高新科技途径提高耕地粮食单产，在土地平坦的河北省利用大型农业机械进行耕作已取得较好成效，还应继续加强农田水利基础设施建设，提高农业生产集约化和地区生产专业化水平，选用改良后产量高的品种，利用有机肥料替代化肥，科学耕作和管理耕地，加大对中低产田的改造，提高耕地综合生产能力。

(2) 河北省的粮播比从1949年85.50%下降至2014年72.67%，下降幅度明显。在水热条件和农地耕作条件较好的区域可提高一定粮播比保证粮食产量满足区域粮食消费。各市县应实行更多的惠农政策，利用粮食直补、良种补助和农资综合补助等农业补贴来提高农民种植粮食的积极性，因地制宜适当提高粮食播种面积占农作物总播种面积的比例。

(3) 严格执行“十分珍惜、合理利用土地和切实保护耕地”的基本国策，坚持最严格的耕地保护制度，加强土地管理力度，减少优质良田因建设城市、修建道路被占用和损毁。科学合理对耕地实行休耕，调整农业种植结构，使耕地休养生息。只有耕地的数量和质量得到保证，粮食安全才能得到根本保障。

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