1985-2015年黄土高原地区粮食生产空间格局变化及原因
2019-09-05徐小任
段 健, 徐 勇, 徐小任
(1.中国科学院 地理科学与资源研究所, 北京 100101; 2.中国科学院大学,北京 100049; 3.山东省水土保持与环境保育重点实验室, 临沂大学 资源环境学院, 山东 临沂276005)
粮食问题一直是国际机构及世界各国政府持续关注的焦点问题。国际上对粮食问题的关注已从粮食供给转向粮食购买或获取，从减少饥饿到建立可持续粮食生产系统[1-3]。可持续粮食安全观认为，粮食生产不能只注重产量，也要兼顾质量与生态效益，确保粮食生产的可持续性。中国新的粮食安全观认为，粮食生产潜力比粮食产量更重要，中国粮食安全战略应由“以产量为核心”转为“以生产潜力为核心”，实行“藏粮于地”，牺牲一部分粮食产能，把粮食生产从分散、低效、粗放的地区，集中到高效、集约的地区，以降低粮食生产对资源环境的负面影响[4]。国内学者对中国粮食生产时空变化、人均粮食占有量空间差异以及中国粮食安全等方面的研究表明，中国粮食生产格局呈现“北上西进”的趋势，加剧了北方资源环境压力，尤其是生态脆弱和水资源紧缺的西北地区[5-9]。
黄土高原地区位于中国北方，是世界上水土流失最严重的地区，长期以来由于生态环境脆弱和粮食生产不稳定导致粮食供给水平较低，是我国粮食安全脆弱区之一[7-8]，学术界研究侧重于区域粮食供给变化、粮食增产潜力以及实现农田高产高效的对策等方面[10-11]。随着区域粮食生产能力提高与生态建设的推进，国内外学者开始关注黄土高原地区农业生产效率、粮食生产的生态与资源环境成本以及退耕还林工程对区域粮食生产的影响[12-26]。2014年国务院批准实施《新一轮退耕还林还草总体方案》[27]，该方案提出2020年前将全国约2.83万km2坡耕地和严重沙化耕地退耕还林还草，黄土高原水土流失区25°以上的坡耕地须全部退耕。2017年中央一号文件提出实施耕地、草原、河湖休养生息规划，加快新一轮退耕还林还草工程实施进度。有些学者担忧，黄土高原地区继续退耕还林可能导致区域粮食供应不足或局部地区人粮关系紧张问题[22-24]；有些则认为，退耕还林政策的实质旨在通过以梯田、坝地和水浇地为主体的基本农田建设实现坡耕地退耕，通过梯田化和资源集约化提高耕地质量，通过提高粮食单产水平以抵消耕地数量减少而带来的粮食损失、稳定区域粮食产量，通过基本农田、水利设施建设、农业技术等囤蓄区域可持续粮食生产能力[16，21，25]。
播种面积扩大为主导的粮食增产属于外延式增产，单产水平提升为主导的粮食增产属于内涵式增产。国内学者从单产与播种面积2个视角探究了我国粮食增产方式特点[28-30]。刘忠等采用贡献因素分解法研究了全国和省级尺度粮食增产格局及面积与单产贡献率，研究结果表明2003—2011年全国尺度上粮食增产是播种面积、单产以及种植结构调整共同作用的结果；省级尺度上粮食增产主导方式差异显著,河南、安徽为单产主导，吉林和河北为单产面积共同作用型，其他粮食增产主力省为面积主导型[30]。封志明等[31]采用对数平均迪式分解法分析了2003—2013年中国粮食增产贡献因素，孙通等[32]基于县级单元采用对数平均迪式分解法分析中国粮食增产的贡献因素，重点对东北平原、黄淮海平原及新疆自治区等传统粮食主产区或新兴粮食产区进入深入分析。上述研究视角与研究方法对本文研究具有重要的启示意义。针对黄土高原地区扩大退耕还林是否会引起区域粮食供给不足的问题，本文利用1985—2015年黄土高原地区县级单元人口、粮食产量、播种面积、单产等数据，运用分级法与空间自相关分析法分析近30 a黄土高原地区粮食生产时空分异特征，并在此基础上采用对数平均迪式分解法探究不同时期粮食单产与播种面积对粮食增产的贡献率，以期提高对黄土高原地区粮食生产的认识，为区域制定粮食生产政策和生态退耕政策提供一些参考依据。
1 研究区概况与数据来源
1.1 研究区概况
黄土高原地区指太行山以西、日月山—贺兰山以东、阴山以南、秦岭以北的广大地理区域。东邻华北平原，西连青藏高原，南至秦岭，西北部与内蒙古高原相接。全区面积约为6.25×105km2，行政区划包括陕西、甘肃、宁夏、青海、内蒙古、山西、河南7省(自治区)的284个县级行政单元。按照自然地理特征可将区域划分为东部山地区、谷地盆地区、黄土丘陵区、鄂尔多斯沙地区、内蒙古和宁夏河套平原区、青东高原山地丘陵区6部分[33](图1)。区域大部分海拔为1 000～1 500 m，地表黄土层在流水长期侵蚀下，形成塬、梁、峁沟壑纵横交错的地形。地势较低的山间盆地与河谷平原，地势平坦、土壤肥沃、地表水和地下水资源丰富，耕地较集中。光照丰富，降水较少且集中在7—9月，大多数地区年平均降水量200～600 mm。主要粮食作物有玉米、水稻、谷子、糜子、小麦、豆类等，2015年粮食产量4.45×107t，人均粮食产量396.53 kg，单产4 318.16 kg/hm2。2015年人口1.12亿，人均地区生产总值、人均财政收入及人均居民收入分别为42 998.84元、3 020.21元、15 544.48元。
注：Ⅰ东部山地区；Ⅱ谷地盆地区；Ⅲ黄土丘陵区；Ⅲ1 黄土沟谷丘壑亚区；Ⅲ2 黄土宽谷丘陵亚区；Ⅳ鄂尔多斯沙地区；Ⅴ内蒙古和河套平原区；Ⅴ1 内蒙古河套平原亚区；Ⅴ2 宁夏河套平原亚区；Ⅵ 青东高原丘陵山地区。
图1 黄土高原地区地形及自然地域分区
1.2 数据来源
本文数据主要有1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年黄土高原地区县级行政单元粮食产量、播种面积、粮食单产以及人口数据，其中大部分来自《中国县(市)经济统计年鉴》；2000年、2005年、2015年粮食播种面积数据来自内蒙古、陕西、山西、甘肃、宁夏、青海、河南7省(自治区)统计年鉴，其中2015年青海省各县级行政单元粮食播种面积缺失，因其与邻近的年份相差不大，故用2014年数据替代。黄土高原地区县(市、区)行政区划图和黄土高原地区地形DEM来源于民政部2014年版行政区划图和美国太空总署(NASA)与国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的SRTM3文件。其他社会经济数据类来源于7省(自治区)统计年鉴和中国统计年鉴。
2 研究方法
首先采用分级法和空间自相关分析法，研究黄土高原地区粮食生产的时空演变特点，然后运用对数平均迪式分解法，计算粮食单产与播种面积对粮食增产的贡献率，对比分析不同时期黄土高原地区单产与播种面积对粮食生产的影响程度。
2.1 分级法
确定阈值的方法一般有间隔法、分位数、自然间断法(Jenks)、几何间断、标准差等方法。本文在粮食产量空间格局分析中采用自然间断法确定阈值，根据黄土高原地区粮食生产空间分布及产量由小到大的规律，按照小于4.64万t，4.64～8.65万t，8.65万t～1.36×105t，1.36×105～2.10×105t以及大于2.10×105t将各县级单元粮食产量划分为低、较低、中等、较高、高5个等级类型。
2.2 空间自相关分析法
空间自相关是检验某一要素属性值与其相邻空间要素的属性值是否显著关联的重要指标，包括全局空间自相关和局部空间自相关两种测度方法。全局空间自相关分析可描述区域单元观测值的整体分布状况，局部空间自相关分析可确定空间集聚区域的分布，两者相辅相成，互为补充。
2.2.1 全局空间自相关 本研究采用Moran′sI指数来定量分析黄土高原地区粮食产量空间自相关性，其计算公式如下[34]：
(1)
(2)
Moran′sI指数一般介于[-1,1]，大于0表示全局空间正相关，小于0表示全局空间负相关，等于0表示全局空间不相关，Moran′sI指数绝对值越大表示相关性越强。
2.2.2 局部空间自相关 采用Local Moran′s (LISA)方法，通过LISA集聚图进行局部空间自相关分析，其定义如下[34]：
(3)
式中：zi，zj是经过标准差标准化的数值。wij为县(市、区)i的临近县(市、区)j的空间权重，采用4倍邻接关系方式确定空间权重。
2.3 对数平均迪式分解法
对数平均迪式分解法模型(logarithmic mean weigh division index method,LMDI)最初运用于能源政策分析领域，因其具有结果精准、结构简单等特点而被学界接受。近年来国内学者将LMDI 模型引入粮食生产的影响因素分解，得到广泛认可。本文采用LMDI 模型计算黄土高原地区粮食播种面积和粮食单位产量的贡献率，计算公式如下[31-32]：
ΔPi=ΔPsi+ΔPai
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
Csi+Cai=1
(9)
式中：ΔPi代表i县(市、区)的粮食增产量(t)；ΔPsi，ΔPai分别代表i县(市、区)粮食生产由面积增加和单产提升所带来的增产量(t)；Poi，Pti分别代表i县(市、区)初期和末期粮食产量(t)；Soi，Sti分别代表i县(市、区)初期和末期粮食播种面积(hm2)；aoi，ati分别代表i县(市、区)初期和末期粮食单产(kg/hm2)；Csi，Cai分别代表i县(市、区)粮食播种面积和单产对粮食增产的贡献率(%)。
为了衡量播种面积和单产对粮食增产贡献率之间的对比关系，本文参考封志明和孙通的研究[29-30]，按照max(Csi,Cai)≤50%，50%
3 结果与分析
3.1 粮食总产量与人均粮食产量变化
表1为不同时期黄土高原地区粮食产量与人均粮食产量，分析表1可知，黄土高原地区粮食生产能力显著提高，人均粮食产量增加，粮食安全保障水平提高显著。1985—2015年黄土高原地区粮食产量由2.26×107t增长到4.45×107t，增长1.97倍；人均粮食产量由285.79 kg提高到396.53 kg，增加了1.39倍。国内学者一般将人均300 kg和人均400 kg分别作为温饱水平和小康水平的粮食安全保障线[33-35]。2000年以前全区人均粮食产低于300 kg，尚不能解决温饱问题；2005年全区人均粮食产量达340.20 kg，解决了温饱；2015年全区人均粮食产量达396.53 kg，粮食安全保障水平进一步提高。
3.2 粮食生产时空分异特征
表2为1985—2015年黄土高原地区县级单元粮食产量分级情况，图2为不同时期黄土高原地区粮食生产空间分布，分析图2和表2可知，1985年黄土高原地区粮食生产水平较低，粮食生产格局以低和较低2种等级类型为主。低类型包含104个县市单元，涉及人口1.79×107人，占总人口的22.54%，成片分布在黄土丘陵区、鄂尔多斯山地区、青东高原山地丘陵区；较低类型包含76个县市单元，涉及人口1.97×107，占总人口的24.91%，主要分布在黄土丘陵区、东部山地区中部；中等类型包含63个县市单元，涉及人口1.94×106，占总人口的24.46%，集中分布于内蒙古河套平原、宁夏河套平原南部、黄土丘陵宽谷丘陵亚区，分散分布在东部山地区与谷地盆地区；较高等级包含31个县市单元，涉及人口1.68×107，占总人口的21.20%，集中分布渭河谷地、太原盆地、豫西北山区，零星分布在湟河谷地、内蒙古和河套平原区；高等级类型仅包含10个县市，涉及人口5.46×106，占总人口的6.89%，零星分布在渭河谷地、汾河谷地及豫西北山区。
表1 黄土高原地区粮食产量与人均粮食产量变化
2015年黄土高原地区粮食生产格局发生逆转，以高等级类型为主。高等级类型包含82个县市，涉及人口4.75×107，占总人口的42.33%，广泛于内蒙古和宁夏河套平原、黄土丘陵宽谷丘陵亚区、东部山地区与谷地盆地南部。较高等级包含48个县市，涉及人口1.68×107人，占总人口的14.99%，分布在高等级类型区周围；中等级类型包含49个县市，涉及人口2.02×107，占总人口的17.96%，集中分布在鄂尔多斯沙地区、黄土丘陵宽谷丘陵亚区，零星分布东部山地区与谷地盆地区；较低等级类型包含46个县市，涉及人口1.16×107，总人口的10.32%，主要分布在青东高原山地丘陵区东部、东部山地区北部、太原盆地；低等级类型包含59个县市，涉及人口1.62×107，占总人口的14.40%，主要分布在青东高原山地丘陵区西部、黄土丘陵沟壑亚区、渭河谷地。
应用GeoDa与ArcGIS软件对黄土高原地区粮食生产进行全局空间自相关与局部自相关分析。全局空间自相关分析结果显示，1985—2015年黄土高原粮食产量Moran′s I 指数为0.32～0.47，p值均为0，均通过Z值检验(p<0.05)，表明黄土高原地区粮食生产不是随机分布的，而是具有明显的空间自相关性，即同类或相似类型集聚分布。图3为局部空间相关分析LISA图，由图可知，高高集聚、低低集聚、高低集聚、低高集聚4种集聚类型主要以前两者为主，1985年高高集聚区主要分布在南部关中盆地、豫西北山区一带，低低集聚区主要分布在青东高原山地丘陵区、黄土丘陵沟壑亚区；1995—2010年南北同时出现2个高高集聚区，南部渭河谷地高高集聚区与北部的内蒙古和宁夏河套平原高高集聚区，低低集聚区变化不大；2010—2015年北部高高集聚区范围扩大，南部高高集聚区范围缩小，黄土高原地区西部宽谷丘壑区出现新的高高集聚区。以上特征表明，黄土高原地区粮食生产空间格局呈现由南向北、由东向西转移的趋势。
表2 黄土高原地区县级单元粮食产量分级类型及变化
注：括号内的数字表示所占比例(%)。
图2 黄土高原地区粮食产量空间分布
3.3 粮食增产贡献因素分析
表3为黄土高原地区1985—2015年不同时期粮食增产贡献状况，总体上看，黄土高原地区粮食增产主要依靠单产，1985—2015年粮食增产约2.19×107t，其中单产贡献率达94.25%，面积贡献率仅为5.75%。分阶段看，1985—1990年、2000—2005年、2005—2010年单产与播种面积对粮食增产兼有贡献，以单产为主导，单产贡献率为62.87%～86.95%，面积贡献率为13.05%～37.31%；1990—1995年和1995—2000年粮食增产完全由单产支撑，面积贡献率为负，单产贡献率高达207.09%和179.71%；2010—2015年粮食增产靠扩大播种面积，单产贡献率为负，面积贡献率为142.35%。
表3 黄土高原地区粮食增产贡献状况
表4为黄土高原地区县级单元1985—2015年不同时期粮食增产因素统计，图4为黄土高原地区粮食播种面积与单产增产贡献时空演变，分析表4和图4可知，单产贡献显著区分布范围较广泛且较稳定，播种面积贡献显著区分布范围小且随时间变化较大。20世纪80年代后期单产贡献显著区包括229个县级单元，分布广泛；面积贡献显著区包括45个县级单元，呈不连续的带状分布在东部、南部及西部。1990—1995年单产贡献显著区与面积贡献显著区包括的县级单元数量变化不大，但位置变化较大，单产贡献显著区成片分布在东部、北部及西部，面积贡献显著区散布于黄土丘陵区、关中盆地、内蒙古和宁夏河套平原及豫西北山区。1995—2000年单产贡献显著区县级单元数量略减少，分布范围缩小，面积显著区县级单元数量增加，分布范围向北部与西部扩展。2000—2005年，单产贡献率显著区县级单元比例减少19.32%，面积显著区县级单元比例增加14.44%，两者分布位置也显著改变，单产贡献显著区成片分布在北部与西南，面积贡献显著区成片分布于内蒙古和宁夏河套平原区、陇东地区，分散分布在东南部。2005—2010年单产贡献显著区县级单元数略增加，集中分布在东部与南部，面积贡献显著区县级单元数略减少，成片分布在西北、分散分布于西南，零星分布于其他地区。2010—2015年，单产贡献显著区域面积贡献显著区县级单元数量均增加，两者的差距缩小，分布位置也有所改变。单产贡献显著区成片分布在黄土丘陵区与东部山地区，面积贡献显著区成片分布在鄂尔多斯沙地区、宁夏河套平原区及青东高原山地丘陵区，此外，太原盆地、关中盆地及陇东地区等也有分布。
表4 黄土高原地区县级单元粮食增产因素统计
注：括号内的数字表示所占比例(%)。
图4 黄土高原地区粮食播种面积与单产增产贡献时空演变
4 结论与讨论
4.1 讨 论
(1) 粮食生产能力与粮食安全保障水平对区域生态退耕政策的实施具有重要意义，粮食增产方式也是生态退耕政策应考虑的重要因素。2015年区域人均粮食产量达到396.53 kg，粮食安全保障水平提高，扩大退耕还林条件成熟。从粮食增产方式来看，黄土丘陵区与东部山区单产不稳定，近年单产贡献率降低，建议加快25°以上坡耕地退耕还林，通过修建梯田与淤地坝提高耕地质量，稳定单产。位于干旱与半干旱地区的鄂尔多斯沙地区粮食增产越来越依赖扩大播种面积，这种以外延式增产为主导的粮食生产方式不仅增加区域水资源压力，严重时甚至造成土地沙化，建议实行“退耕还水”，即通过发展节水农业和适度减少的耕作面积等，以减少农业用水，缓解水资源压力。
(2) 本文研究中未考虑气候因素对粮食产量的影响。在选取1985年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年7个时间断面的粮食产量数据时，未考虑降水、自然灾害等因素对粮食产量的影响，研究结果与实际情况可能有出入。实际上，降水对黄土高原地区作物产量的影响比较显著，黄土高原地区降水量年际差异很大，导致粮食产量年际之间丰歉波动。未来可采用3 a平均值或5 a平均值代替各个截面数据，消除气候等偶然因素对粮食产量的影响。
(3) 黄土高原地区粮食生产受耕地质量提高[36-40]、农田灌溉条件改善[21]，种植业结构调整[21,36]，良种、栽培、施肥、保墒技术等农业科技的应用推广[21]，农业政策[21]及全球气候变暖[41-42]等多重因素共同影响。受篇幅与数据限制，文章对于黄土高原地区粮食增产的贡献因素分析中主要考虑播种面积与单产2个方面，未来有待进一步细化其他方面的量化研究。
4.2 结 论
(1) 黄土高原地区粮食生产能力显著增加，2015年区域粮食总产量和人均产量分别达4.45×107t和396.53 kg，分别为1985年的1.97，1.39倍，为推进新一轮生态退耕政策的实施奠定了坚实的物质基础。
(2) 黄土高原粮食生产空间分布不平衡，284个县级单元之间粮食产量相差较大。2015年粮食产量以高和较高等级类型的县级单元广泛于内蒙古和宁夏河套平原、黄土丘陵宽谷丘陵亚区、东部山地区与谷地盆地南部；中等级类型集中分布在鄂尔多斯沙地区、黄土丘陵宽谷丘陵亚区，零星分布东部山地区与谷地盆地区；较低等级类型主要分布在青东高原山地丘陵区东部、东部山地区北部、太原盆地；低等级类型主要分布在青东高原山地丘陵区西部、黄土丘陵沟壑亚区、渭河谷地。
(3) 黄土高原地区粮食生产空间格局呈现由南向北、由东向西的转移趋势，与全国粮食生产空间格局变化较一致，西北地区面临的水资源压力增大。1985—2015年东部山地区、内蒙古和宁夏河套平原区、谷地盆地区大部分地区、黄土丘陵区西部以及鄂尔多斯沙地区粮食增产显著，太原盆地和渭河谷地粮食产量下降显著。
(4) 近30 a黄土高原地区粮食生产主要依靠单产支撑，1985—2015年粮食增产2.19×107t，其中单产贡献率达94.25%，面积贡献率仅5.75%。分阶段看，2010—2015年粮食面积贡献率高于单产，其他5个时期粮食单产贡献率远高于面积贡献率；从空间分布看，单产贡献显著区分布范围较广泛且随时间变化较小，播种面积贡献显著区分布范围小且随时间变化较大。
