多尺度耕地利用时空变化及粮食生产影响研究

谢士琴 张朔

(1.中国软件评测中心，北京 100846；2.北京理工大学，北京 100081)

引言

耕地是农业之基,产粮之本,对粮食安全起到决定性的保障作用[1,2]。然而随着人口增加、城市扩张、建设用地占用耕地、土地质量下降等原因[3],耕地也随之发生变化,这为农业发展和粮食生产带来了巨大影响。近年来利用空间统计方法及回归分析研究耕地面积与粮食产量的关系发现,耕地数量和质量变化对粮食产出起着关键性的作用[4-6]。此外城镇快速发展对农作物需求增加而导致耕地利用方式和种植结构发生较大变化,这对粮食生产影响也日益明显[7,8]。

河南省作为我国的农业大省和人口大省,其农业的健康持续发展对国家社会和经济的稳定发展影响重大。但是近年来随着人口快速增长,导致河南省对粮食需求不断增加,同时工业化和城镇化加快导致耕地面积减少,对粮食生产安全性提出挑战。目前,有不少学者利用耕地面积和耕地产量变化等因素对其耕地情况进行了研究,但是利用近10a 的最新数据和不同尺度空间信息相结合的时空变化研究较少,此外选择不同的多因素指标对河南耕地分布变化和粮食生产影响进行综合分析还有待进一步研究[9,10]。因此,本研究以河南省耕地为研究对象,从省域—区域—市域多个尺度出发,选取耕地变化和耕地生产多因素指标来作为河南省耕地分布变化和影响效应指标,分析2006—2017 年不同时空格局耕地利用变化对其粮食生产的影响与变化规律,为不同区域因地制宜地开展耕地优化布局和粮食生产动态调控提供技术参考及决策依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源与处理

本研究耕地变化及生产相关数据来源于2006—2017 年河南省统计年鉴、河南农村统计年鉴及各地市统计年鉴。河南省下辖17 个省辖市、1 个省直管市,分为豫北地区、豫东地区、豫中地区、豫西地区和豫南地区,河南省区域分布如图1 所示。其中,豫北地区包括济源市、焦作市、新乡市、鹤壁市、濮阳市、安阳市,共6 个市；豫西地区包括洛阳市、三门峡市,共2 个市；豫东地区包括周口市、商丘市、开封市,共3 个市；豫中地区包括郑州市、漯河市、许昌市、平顶山市,共4 个市；豫南地区包括南阳市、信阳市、驻马店市,共3 个市。本研究以河南省分区为单位进行区域尺度的对比研究,各区包含的行政地域范围在图1 中进行了标注。

1.2 耕地生产和耕地变化指标计算

本文选取耕地生产指标和耕地变化指标来作为河南省耕地分布变化和影响效应研究指标。其中,耕地生产指标包括耕地面积、复种指数、粮播比、粮食单产；耕地变化指标包括最小人均耕地面积和耕地压力指数。各指标具体计算情况如下。

1.2.1 耕地生产指标

粮食生产的耕地因素可以根据耕地利用的规模、程度、结构和强度分别分解为耕地面积、复种指数、粮食单产和粮播比4 个因素,这4 个因素都对粮食总产量有直接影响,且反映了耕地利用数量、种植结构、投入强度和自然条件等对粮食生产的综合影响[11]。粮食总产量的测算方法与4 个因素的关系计算公式:

式中,P为粮食总产量,万t；L为耕地面积,hm2；CI为复种指数,kg·hm-2；S为粮播比(农作物播种面积与耕地面积之比)；Y为粮食单产(粮食播种面积占农作物总播种面积之比)。

1.2.2 耕地变化影响指标

1.2.2.1 最小人均耕地面积

最小人均耕地面积指在一定地域范围内和一定粮食自给水平以及耕地生产力条件下,为了保障人口正常生活水平的粮食消费所需要的耕地面积[12],计算公式:

式中,S最小为最小人均耕地面积,hm2/人；β为食物自给率,%,参考李治国等[13]的研究β取值为100%；Gr为人均粮食需求量,kg/人,根据唐华俊等[14]和罗海平等[15]的研究,2006—2009 年人均粮食需求量约为405kg/人,2010—2017 年人均粮食需求量约为420kg/人；P为粮食单产,kg·hm-2；q为粮播比；k为复种指数。

1.2.2.2 耕地压力指数

耕地压力指数是指最小人均耕地面积和实际人均耕地面积之比[12],主要用于反映研究区域内耕地资源的稀缺程度和粮食安全压力。计算公式:

式中,K为耕地压力指数；S最小为最小人均耕地面积,hm2/人；S为人均耕地面积,hm2/人。本研究根据K值范围将耕地压力等级划分为4 个等级,当K ＜0.9 时,处于安全压力区；当0.9 ≤K ＜1.1 时,处于安全临界区；当1.1 ≤K ＜1.5 时,处于轻度压力区；当1.5 ≤K ＜2 时,处于中度压力区；当K≥2 时,处于重度压力区。

2 耕地时空变化分析

2.1 时序变化分析

根据2006—2017 年河南省耕地面积变化曲线(如图2a) 分析可知,2006—2008 年河南省耕地面积维持在720 万hm2,至2009 年变为819.2 万hm2,耕地面积变化较大,其原因在于2008 年及以前年份耕地面积为年底常用耕地面积,2009 年统一变为第2 次全省土地调查数据,2010 年以后数据按2009 年数据口径统计。2010 年之后耕地面积缓慢减少,到2017年减少到811.2 万hm2,2017 年相比2009 年共减少了7.973 万hm2。

根据2006—2017 年河南省粮播比变化曲线(如图2b) 分析可知,2006—2017 年粮播比总体处于0.66～0.75。2006—2007 年粮播比有所下降,在2007年达到最小值0.66,2007—2016 年期间稳定增长,其年平均增长率为1.43%,在2016 年达到最大值0.75,而2017 年略有下降。整体综合分析,2017 年相比2006 年粮播比增加了9.66%。

根据2006—2017 年河南省复种指数变化曲线(如图2c) 分析可知,2006—2017 年复种指数总体处于1.75～2.01。2006—2009 年复种指数处于增加阶段,在2008 年达到最大值2.01,2008 年和2009 年有所下降,这与耕地面积统计口径改变有一定关系,2009—2016 年处于增加阶段,2017 年略有下降。

根据2006—2017 年河南省粮食单产变化曲线(如图2d) 分析可知,粮食单产整体呈现增长趋势。2017 年比2006 年增长10.54%,其中2006—2009 年缓慢增长,2015 年增长迅速,同比增长4.56%,2016年有所下降,同比减少2.21%,2017 年处于增长状态,同比增长3.39%。

2.2 空间变化分析

2.2.1 耕地面积变化分析

根据2006—2017 年河南省各市耕地面积统计图(如图3a) 分析可知,河南省主要耕地面积分布于豫南的南阳市、驻马店市、信阳市和豫东的周口市、商丘市,5 个市共占全省耕地面积的50%以上,其中南阳市占据河南省耕地面积第1 位,济源市的耕地面积最少。河南省各市2006—2017 年的耕地面积除南阳市、驻马店市以及信阳市面积在2009 年有一定程度的增加外,其余各市耕地面积变化均不明显,维持在相对稳定的范围内。

2.2.2 粮播比变化分析

根据2006—2017 年河南省各市粮播比统计图(如图3b) 分析可知,河南省各市2006—2017 年的粮播比整体上处于增长趋势,表明粮食播种所占比重增加,其中鹤壁市粮播比位居河南省第一,开封市粮播比最低。根据2006 年和2017 年河南省粮播比分区分布图,如图4 可以看出,河南省各区域粮播比整体均有所上升,尤其是豫北和豫中地区优势明显。2006 年豫北地区的鹤壁市粮播比全省最高超过0.80,豫北地区其它5 个市粮播比都在0.70～0.80 范围内；至2017年豫北地区粮播比大幅提升,除安阳市粮播比未超过0.80 外,其余市的粮播比均超过0.80。

2.2.3 复种指数变化分析

复种指数反映耕地的利用程度,根据2006—2017年河南省各市复种指数统计图(如图3c) 分析可知,开封市、漯河市、商丘市和周口市的复种指数接近200%,郑州市和信阳市接近150%,三门峡市和济源市低于150%,其它地市的复种指数介于150%～200%。根据2006 年、2017 年河南省复种指数分区分布图(图5) 可以看出,豫东地区和豫南地区的复种指数相对较高。豫东地区的周口市复种指数在2006年处于1.90～2.00,2017 年复种指数上升明显高于2.00,属于全省最高；豫南地区南阳市、驻马店市复种指数2006 年和2017 年均超过1.80,而信阳市复种指数相对较低,不足1.60。豫北地区2006—2017 年复种指数整体上升明显。豫西地区和豫中地区复种指数整体有所下降。

2.2.4 粮食单产变化分析

粮食单产反映了耕地利用集约化的程度和强度,根据2006—2017 年河南省各市粮食单产统计图(如图3d) 分析可知,河南省各市2006—2017 年的粮食单产整体处于稳步增长趋势,其中焦作市粮食单产最高,年均超过7000kg·hm-2。根据2006 年、2017 年河南省粮食单产分区分布图,图6 可以看出,河南省粮食单产整体而言东部地区比西部地区要高,2006 年和2017 年豫北地区和豫东地区粮食单产一直居于全省前列。豫北地区2017 年粮食单产较2006 年有了大幅提升,大部分市都超过了6000kg·hm-2。豫东地区相对稳定,豫中和豫西地区2006—2017 年粮食单产变化不大。豫南地区部分城市粮食单产有所增加。

3 耕地变化的影响效应分析

河南省人均耕地面积和耕地压力指数统计,如图7 所示,2006—2017 年河南省人均耕地面积处于0.070～0.080hm2/人,最小人均耕地面积处于0.05～0.06hm2/人。人均耕地面积和最小人均耕地面积变化趋势基本一致,在2006—2008 年略有减少,2009 年增加明显,2010 之后平缓减少。根据最小人均耕地面积计算得出河南省耕地压力指数,2006—2017 年河南省耕地压力指数处于0.60～0.80。从变化趋势上,2010 年以后耕地压力指数整体处于下降趋势,在2015 年以后略有上升。

根据耕地压力指数值进行等级划分,2006—2017年河南省耕地压力指数等级分布图如图8 所示。2006—2017 年豫东地区和豫南地区的耕地压力指数一直处于安全压力区。豫北地区只有济源市耕地压力指数处于轻度压力区,其余5 市均为安全压力区。豫西地区的洛阳市处于轻度压力区,三门峡市由中度压力区变为轻度压力区,整体上比其它地区的耕地压力指数要高。豫中地区的郑州市由中度压力区变为重度压力区,平顶山市一直处于安全临界区,其余市均处于安全压力区。

4 结论与讨论

本文通过对2006—2017 年河南省耕地利用时空格局变化及其影响效应分析,得出以下结论。

河南省耕地面积呈现缓慢减少的趋势,这与人口增加、城市建设扩张、基础设施建设等有关,耕地面积的减少会引起耕地压力的增加,粮食产量的减少,带来粮食生产的不稳定性,因此需要严格控制耕地面积,保障粮食生产安全。另外,河南省耕地分布不均,豫东地区和豫南地区占据全省耕地面积50%以上,可以充分挖掘这2 个地区的耕地生产潜力,同时及时补充减少的耕地面积,以维持河南省整体粮食生产的稳定性。

河南省豫东地区和豫南地区(除信阳市) 复种指数较高,整体耕地利用程度较好,信阳市耕地面积在全省排名第4,但复种指数不高,耕地利用还有较大的提升空间。豫中地区和豫西地区部分地市复种指数明显减少,这与城市化发展和农业生产结构发生调整有关,因此还需充分合理地利用耕地,协调城市发展和耕地保护,调整种植结构,优化农作物品种,提高耕地的复种指数。

河南省粮食单产总体上处于稳步增加的状态,但由于各个区域耕地情况、农业基础、技术投入、气候环境等各不相同,各个区域的粮食单产数量各不相同。其中,豫北地区、豫东地区、豫南地区的粮食单产较高,豫西地区和豫中地区较低,需要因地制宜地进行农业基础和科技力量的投入,加大推广优质高产粮食品种,加强农作物病虫害防控,不断稳步提高粮食单产。

通过分析河南省最小人均耕地面积和耕地压力指数发现,部分城市耕地压力指数较高,郑州市、洛阳市、平顶山市、三门峡市和济源市均高于全省水平。省会城市郑州市由于城市快速发展,人口增加,耕地减少,耕地压力指数已处于重度压力区。因此需要通过提高粮食单产和粮播比、增加复种指数来减小最小人均耕地面积,通过合理控制人口增长和严格控制耕地面积来保证人均耕地面积数量,从而有效降低耕地压力指数。