2009—2017年中国耕地资源与粮食产量时空变化特征

屈群屹，杨 慧，赵永华，韩 磊

（长安大学土地工程学院/自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室/陕西省土地整治重点实验室，西安 710054）

“民以食为天，国以粮为本”。自古以来，中国始终将保障粮食安全作为重要的战略目标。进入21世纪以来，随着中国经济社会的快速发展，粮食生产格局与粮食消费格局发生了巨大的变化，而耕地作为粮食生产的基础，其面积的减少、后备资源不足、生产潜力下降等问题与粮食消费需求增加的矛盾日益严重。

耕地是农业生产最基本的物质条件，其数量和质量直接影响粮食产量和粮食有效供给［1］。近几年，全国耕地利用空间格局发生了巨大变化，对粮食生产潜力造成了一定的影响。国内学者的相关研究主要集中于耕地面积变化的时空特征及驱动因素［2-9］、耕地资源的保护［10］、粮食产量的变化及影响因素［11-13］、粮食生产与耕地面积变化之间的关系［14-17］等；国外学者主要从土地综合利用角度研究了耕地变化及其与粮食生产的关系［18-20］。国内学者在研究粮食生产与耕地面积变化的关系方面，刘洛等［15］认为中国耕地粮食生产潜力存在显著的空间差异，总体表现为东部高西北部低的趋势，并且在1990—2010年耕地变化对粮食生产潜力的影响差异明显；王介勇等［13］认为耕地资源的空间格局及其变动趋势是粮食产量重心移动的客观基础；刘彦随等［16］认为1990—2005年粮食产量变化对耕地变化的敏感性呈增强趋势，且粮食产量重心与耕地重心之间的距离与粮食产量变化大致呈反向态势；相慧等［17］分析了中国粮食主产区耕地生产能力空间分布特征，揭示了耕地生产能力层次差异；李昊儒等［11］从自然因素、科技因素（物质装备）、社会经济因素和农业生产条件等方面对近30年中国粮食产量的影响进行量化分析，揭示了不同影响因素对粮食生产的影响差异。这些研究都较好地揭示了中国各级区域耕地面积与粮食产量的时空变化之间的关系，但在分析影响粮食产量和耕地面积变化的因素方面，还有待更加综合的分析方法。

当前，中国正处于巩固脱贫攻坚成果和全面实施乡村振兴的关键时期，粮食安全对于维护社会稳定与国家安全具有至关重要的作用，且中国的粮食生产时空特征发生了显著的变化，“南粮北运”已演变为“北粮南调”［16］。粮食主产区的稳产增产对于中国粮食安全显得格外重要，对于粮食主产区耕地资源保护的重要性也就尤为突出，因此，研究耕地与粮食生产的时空变化特征对保护耕地与保障粮食安全具有重要意义。在整理多年统计数据的基础上，构建耕地面积重心模型、粮食产量重心模型和粮耕敏感度模型等，并以省域为单位，分析中国2009—2017年耕地面积和粮食产量时空变化特征及其二者的时空耦合关系，定量研究耕地面积重心与粮食产量重心的移动变化轨迹，揭示耕地面积与粮食产量的关系，以期为中国的粮食区域协调和耕地资源保护提供理论支持。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

截至2017年底，中国人口总数达13.9亿人，其中城镇人口8.1亿，乡村人口5.8亿；全年国内生产总值82.7万亿元，同比增长6.9%，经济社会发展态势良好；全国耕地面积134 881.2×103hm2，同比减少39.7×103hm2；全年全国粮食总产量61 791万t，比上年增加166万t，增长0.3%；粮食单位面积产量6 105 kg/hm2，人均原粮消费130.1 kg。

1.2 数据来源及处理

数据来源于2009—2017年《中国统计年鉴》［21］以及各省（市、自治区）的统计年鉴、各年份省域尺度的土地利用详查变更数据与粮食产量相关的统计数据；以中国31个省级行政区为单位（由于缺乏相关统计数据，台湾省、香港特别行政区、澳门特别行政区除外），整理得到耕地面积、粮食产量、农作物播种面积、粮食作物播种面积等数据，利用SPSS 22.0软件对数据进行处理分析，并使用ArcGIS 10.2软件对数据进行时空处理，实现数据空间表达。

2 方法

2.1 重心模型

重心模型主要用于研究一定区域范围内某一类要素在空间上移动变化的过程。依据人口重心模型［22］、经济重心模型［23］等原理，构建耕地面积重心模型与粮食产量生产重心模型来研究中国2009—2017年耕地面积与粮食产量的空间变化及耦合关系；区域重心的选择不同于人口重心模型与经济重心模型选择省会城市的重心位置，而是基于ArcGIS 10.2软件的重心分析功能选择了各省级行政单位的几何重心。

基本重心模型公式如下。

式中，Ti j（i=1，2，3，…，n）表示第i评价单元第j年某要素的总量；（Xi，Yi）为第i评价单元的地理中心坐标；（Xj，Y j）为该要素第j年的全国重心坐标。

2.2 土地利用变化动态度

单一土地利用类型动态度是用来表示某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其对研究该区域的土地利用变化区域差异以及该地区土地利用结构未来的发展趋势具有重要意义。其表达式如下。

式中，K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K就是该研究区某种土地利用类型年变化率。

2.3 粮耕敏感度模型

引入粮耕敏感度分析模型［16］来定量分析粮食产量与耕地面积之间的变化关系，公式如下。

式中，β为粮耕敏感度；Pi和Pi+1分别为研究区域初始期和末期的粮食产量；Qi和Qi+1分别为研究区域初始期和末期的耕地面积。

当β＞0时，表明粮食产量与耕地面积的变化呈正向变化，且取值越大表示粮食产量对耕地面积变化敏感度越高。其中，当0＜β＜1时，粮食产量变化率低于耕地面积的变化率；当β＞1时，粮食产量变化率高于耕地数量变化率，即耕地数量较小的变化就会使得粮食产量产生同向较大的变化。当β＜0，表明粮食产量与耕地数量的变化呈反向变化，粮食产量对耕地面积变化不敏感。

3 结果与分析

3.1 耕地面积与粮食产量时空变化特征

3.1.1 耕地面积时空变化特征2009—2017年全国耕地面积总体呈逐年减少趋势，共减少503.4×103hm2，年均减少55.9×103hm2。在区域尺度上，2009—2011年华北、东北、华东、华中和西北地区耕地面积均呈减少趋势，华东地区减少最大，减少了82.0×103hm2，减少动态度为0.110%/年；华南、西南地区耕地面积有所增加，华南地区增加最大，增加了56.9×103hm2，增加动态度为0.247%/年。2012—2014年东北、华东、华中、西南地区耕地面积减少，华中地区减少最大，减少了64.4×103hm2，减少动态度为0.122%/年；华北、华南和西北地区耕地面积增加，西北地区增加最大，增加了25.2×103hm2，增加动态度为0.051%/年。2015—2017年全国只有华北地区和西北地区耕地面积增加，其余地区均减少，其中，西南地区耕地面积减少最大，减少了79.7×103hm2，减少动态度为0.131%/年；西北地区耕地面积增加最大，增加了42.0×103hm2，增加动态度为0.085%/年。

总体来说，2009—2017年华北和西北地区耕地面积呈增加趋势，且耕地面积增加动态度也呈加大趋势；东北、华东、华中、华南和西南地区耕地面积均呈减少趋势，其中，东北地区耕地面积减少动态度波动变化，华东和华中地区减少动态度呈减少趋势，华南和西南地区减少动态度呈加大趋势（图1）。

图1 各地区耕地面积变化量及动态度

3.1.2 粮食产量时空变化特征分析2009—2017年全国粮食产量总体呈增长趋势，2017年较2009年粮食产量增加13 078.3万t，增长了24.6%，粮食产量年均增加1 453.1万t。从区域角度来看，2009—2011年除西南地区以外，其他地区均实现粮食增产，东北地区粮食产量增幅最大，达2 373.1万t；2012—2014年除华南地区以外，其他地区粮食产量均有所增加，但各地区粮食产量增幅均较小；2015—2017年华南和西北地区粮食减产，其余地区粮食增产，东北地区粮食产量依旧增幅最大，达1 921.5万t，华北、华东地区粮食产量增幅次之，分别为997.5万t和907.4万t。总体而言，2012—2014年较其他2个时期粮食产量增幅要小；东北、华东、华中地区为全国粮食主要产区，3个地区粮食总产量全国占比保持在60%以上；各地区粮食产量全国占比整体呈波动变化。整个研究期内（2009—2017年）东北地区粮食产量占比增加最大，上升了5.2个百分点，华东地区下降最大，降低了1.9个百分点（表1）。

表1 2009—2017年各地区粮食产量及占比

3.2 耕地重心移动与粮食产量重心移动特征

3.2.1 耕地重心移动轨迹及特征2009—2017年耕地重心呈“西移北上”的趋势，年移动距离呈先减小后增大的态势。2009—2015年全国耕地重心均位于山西省晋城市陵川县境内，2016—2017年位于山西省长治市壶关县境内。2009—2017年全国耕地重心移动轨迹为先西南后西北，2011年为转折点。2009—2011年耕地重心向西偏南方向移动，2年间分别移动507.5 m和517.4 m。从2011年开始全国耕地重心均向西偏北方向移动，到2017年底，平均每年移动197.2 m，2012—2013年移动距离最小，为219.6 m，2015—2016年移动距离最大，为827.6 m（图2）。

图2 2009—2017年耕地面积重心移动轨迹

3.2.2 粮食产量重心移动轨迹及特征2009—2017年粮食产量重心呈“北上东移”趋势。2009年粮食产量重心位于河南省开封县西南部，到2011年向北偏东方向移动到河南省新乡市长垣县境内，分别移动了43.8 km和30.1 km。2011—2016年粮食产量重心呈现短距离的“西移”趋势，移动轨迹为“西偏北—北偏东—南偏西—北偏东—西偏南”，重心移动到安阳市滑县，重心移动距离也较2011年以前大幅减少，重心移动距离2013年最大，为17.0 km，2012年最小，为3.1 km。2017年粮食产量重心移动距离为9年间最大，向北偏东方向移动64.2 km到河南省濮阳市华龙区（图3）。

图3 2009—2017年粮食产量重心移动轨迹

3.3 粮耕敏感度分析

耕地对于粮食产量的变化具有基础性的作用，在传统的农业生产中，耕地面积的数量也直接决定着粮食的产量。有研究显示，2004—2011年中国耕地面积年均减少0.177%，粮食产量年均增长3.624%［24］。这表明随着农业科技的快速发展以及中国对农业生产的大量投入，粮食产量变化对耕地面积变化的敏感性较以往有所降低。基于粮耕敏感度模型，计算得出2009—2011、2011—2014、2015—2017年3个时期的粮耕敏感度指数，结合粮耕敏感度指数的意义，将其划分为4个程度：①β≤0，粮食产量对耕地面积变化不敏感；②0＜β≤20，粮耕敏感性为一般敏感；③20＜β≤50，粮耕敏感性为中度敏感；④β＞50，粮耕敏感性为高度敏感（图4）。

图4 2009—2017年全国各省（市、自治区）粮耕敏感度

2009—2011年，全国有20个省（市、自治区）粮耕敏感度为不敏感，平均值为-51.01；7个省（市、自治区）为一般敏感，平均值为8.42；中度敏感1个，为新疆维吾尔自治区，敏感值为26.29；高度敏感3个，平均值为207.21。2012—2014年和2015—2017年，全国粮耕敏感性不敏感省（市、自治区）均为18个，平均值分别为-17.54和-142.63；一般敏感均为4个，平均值分别为9.25和10.61；中度敏感均为5个，平均值分别为42.51和34.74；高度敏感均为4个，平均值分别为100.15和166.83；二者较第一个时期，数量上具有敏感度的省（市、自治区）增加，尤其中度和高度敏感的省份数量有所增加，数值上，全国各省（市、自治区）敏感度有所降低，一般敏感程度和中度敏感程度增加，高度敏感程度下降。数量上较上一时期没有变化，数值上，不敏感程度总体呈减小趋势，一般敏感和高度敏感程度增强，中度敏感程度下降。

从空间上来看，2009—2011年粮耕中度敏感和高度敏感的省（市、自治区）有内蒙古、河北、新疆、青海、贵州、四川等，这些多为自然条件相对较差的地区，粮食产量对耕地面积的依赖性较强；2012—2014年粮耕敏感度为中度敏感和高度敏感的省（市、自治区）有黑龙江、北京、上海、四川、辽宁、内蒙古、新疆、西藏、江西、海南等，这一时期，除去自然条件较差的地区，一些经济发达、耕地系统较为脆弱的地区也表现出较大程度的敏感性；2015—2017年粮耕敏感性为中度敏感和高度敏感的省份主要有浙江、湖南、海南、河南、宁夏、内蒙古、广西、江西、西藏等，较前2个时期，东部沿海以及中部的一些省份粮耕敏感度增加，这与这些地区的土地利用方式的变化有很大的关系。总体来看，全国粮耕敏感度较高的地方主要集中于自然条件较差和耕地系统脆弱的一些省（市、自治区），但是，近几年粮耕敏感度较高的地区有向中部和经济发展较好、城市化程度较高的地区转移的趋势。

4 小结与讨论

4.1 小结

2009—2017年中国耕地面积和粮食产量的时空变化特征如下。

1）耕地面积总体呈减少趋势，但减少幅度呈下降趋势。空间变化上表现为“东减西增”，华北、西北地区耕地面积呈增长趋势，其余地区耕地面积均呈减少趋势。省域变化特征上，耕地面积减少动态度较大的地区主要集中于经济发达的北京、天津、上海、江苏、广东等东部地区，只有内蒙古和新疆的耕地面积呈增加趋势。

2）粮食产量总体呈增长趋势。空间变化上表现为“北增南减”，东北、华东和华中地区粮食产量全国占比始终保持在60%以上，华北地区粮食产量全国占比呈增长趋势，华东、华南、西南地区呈下降趋势，东北、西北地区波动变化。省域变化特征上，位于粮食主产区的省份粮食产量稳定增长，大部分省份粮食产量呈波动变化，只有个别省市有粮食减产的情况。

3）耕地面积重心移动与粮食产量重心移动在东西方向上呈反向变化，耕地重心表现为“西移北上”，粮食产量重心表现为“北上东移”，二者之间距离先减小后增大。耕地重心移动速率先减小后加快，变化幅度较小，表现了中国耕地面积在数量上变化幅度较小，但区域波动较为明显。粮食产量重心在2009—2016年移动速率呈大幅减小趋势，但2017年移动速率又大幅增长，表现了中国粮食产量的大幅变化以及区域粮食生产的明显波动。

4）全国粮耕敏感度呈下降趋势，粮食产量对耕地面积变化敏感的省份有所增加，但总体敏感度值呈下降趋势。在自然条件相对较差以及耕地系统较为脆弱的地区，由于粮食产出率较低，表现为较大的粮耕敏感度。在经济发展较好、城市化程度较高的地区，由于土地利用结构的变化，粮耕敏感度有增强趋势。

4.2 讨论

耕地是粮食生产的基本物质基础，耕地面积也是粮食产量最基本的影响因素，研究结果显示，中国耕地面积总体上呈“东减西增”的趋势，粮食产量则呈“北增南减”的趋势。在此背景下，如何保证粮食的稳产增产以及解决区域粮食需求增长同粮食产量不足的矛盾，是中国农业在以后面临的一大主要问题。当前，中国粮食生产仍集中于东北、华东和华中等东部地区，而这些地区的用地矛盾也较为突出。同时还应看到，尽管土地的节约集约利用有助于提升建设用地利用效率、减缓耕地资源减少的压力［25］，但一些经济发达地区粮耕敏感度依然有增强趋势。因此，优化农业政策和土地政策、改善农业基础设施水平以及提升土地利用效率对粮食的稳产十分重要。中国耕地后备资源主要集中在西北地区，近年来，西北地区耕地面积也有较大幅度的增长，但是，其耕地生产潜力开发不足，粮食单产相对较低。因此，增加新增耕地单位面积粮食生产的物质投入，对粮食的增产具有重大的作用。还需注意的是，在全国土壤污染点位超标率达16.1%的背景下［26］，通过技术手段增加粮食单产应避免造成土壤污染。以“高投入、高产出、高污染”为主要特征的常规农业现代化发展模式尽管在短期内会大大提高粮食产量，但是不可持续，必须要重视现代生态农业的发展［27］。

在区域粮食需求增长与粮食产量不足的现实情况下，跨区域的粮食调动是解决这一矛盾的主要措施。因此，研究粮食产量与耕地面积时空变化的耦合关系十分重要。研究在分析耕地面积和粮食产量重心的时空变化特征以及粮耕敏感度的基础上，揭示了中国耕地资源变化与粮食产量变化在空间上的差异性。未来，在保证18亿亩耕地红线的基础上，通过改善农业生产方式、增加农业生产的投入、因地制宜地优化农业政策、调整土地利用方式以及优化粮食消费结构等，对综合保障中国耕地面积和粮食生产安全具有重大的意义。

研究仅对2009—2017年中国耕地面积与粮食产量的时空变化特征进行了分析，时间尺度较小。同时，粮耕敏感度模型对粮食产量与耕地面积之间的关系研究太过单一，因此，在接下来的研究中将针对其不足，进一步深化对粮食生产与耕地面积变化的关系分析，并据此有针对性地提出相应的对策和建议。