粮食单产视角下中国北方农牧交错带粮食安全研究

孔德明，郝丽莎，夏四友，李红波

（1.南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 210023；2.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；4.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049）

粮食安全是世界经济发展的“三大安全”问题之一［1］。近年来，国际冲突、极端天气、全球性公共卫生问题等使国际粮食安全面临严峻挑战［2-4］。中国作为粮食产消大国，粮食安全关乎国内经济和社会的稳定发展，是国家安全的重要保障［5］。党的十八大以来，党中央提出了“确保谷物基本自给、口粮绝对安全”的新粮食安全观，并在2022 年中央一号文件中提出要“不断提高主产区粮食综合生产能力，切实稳定和提高主销区粮食自给率，确保产销平衡区粮食基本自给”。同时，随着中国社会经济发展和居民食物结构的转变，2019 年《中国的粮食安全》白皮书提出应“顺应饲料用粮需求快速增长趋势，满足居民对肉蛋奶等的营养需求”，使中国乳畜产品和饲料粮安全的重要性也日益凸显，粮食安全逐渐拓展为农牧协调的“大粮食安全观”［6］。

中国北方农牧交错带是半湿润区与半干旱区的过渡带，也是中国农区和牧区过渡发展的重要农业地带。一方面，带内有中国北方重要的粮食主产区，且其余地区均为产销平衡区，因而确保带内粮食稳产、增产意义重大；另一方面，带内天然草场和牧草种植带规模大，是中国生态草牧业发展核心区，而带内粮食生产也是带内饲料粮供给的重要来源［7］。由此可见，北方农牧交错带是中国落实粮食安全战略和“大粮食安全观”的关键地带。

然而，带内长期存在农牧生产镶嵌分布，土地利用和农业生产波动大等问题［6,8］，因而科学划分带内农牧业发展地域是促进农牧业协调发展、保障大粮食安全的重要基础。但现有关于北方农牧交错带农牧格局的研究多是从土地利用结构或生产结构的角度，将其划分为偏农、偏牧、偏林、农牧和牧农等类型［9-10］，无法反映土地生产潜力的实际水平和未来发展趋势。因此，需要为带内农牧业发展区划寻求更科学的依据。

此外，带内生态系统还具有脆弱性和敏感性特征［8］，长期以来不合理的农业发展结构和水资源过度开发利用，导致带内部分地区土地质量下降，而本带作为中国中东部地区重要的生态安全屏障和京津冀地区水源涵养带，还需科学划定退耕还草、限耕限牧的生态恢复区［11］。因此，带内不能继续走依靠增加耕地面积来提高粮食产量的老路［12］，而应当从“藏粮于技”战略出发，积极利用现代农业技术改变带内粮食单产偏低而不稳［11,13］的现状，充分发挥现有耕地的生产潜力［14-16］，保障带内粮食安全。

从本质上而言，粮食单产是耕地在自然和社会生产条件综合影响下所表现出的粮食生产潜力，是其宜农性的直观反映。因此，如果北方农牧交错带的粮食单产具有显著的空间集聚性和相对稳定性，即可将粮食单产分异格局作为带内农牧业发展区划的重要依据。进而，通过分析控制粮食单产空间分异格局的主要因素及其演化，一方面能够更深入地理解分异格局形成与保持相对稳定的原因，预判其未来发展趋势，为划分农牧业发展地域提供更科学的依据；另一方面，有利于发现带内粮食生产发展的优势及问题，为进一步提高粮食单产、保障粮食安全提供依据。

目前，学者们普遍利用空间自相关、热点分析等方法考察粮食单产分异特征［17-18］，能够有效揭示区域内粮食单产的空间分异及演化特征。在此基础上，灰色关联分析［19］、空间滞后模型［20］、地理加权回归（GWR）模型［18,21］等方法常被用于探索影响粮食单产分异的主要因素及其作用水平。相关研究已论证了粮食单产的主要影响因素包括气候、坡度、土壤类型、土壤有机质、地下水埋深等自然因素［18,22］，以及种粮人口规模、有效灌溉面积、农用化肥折纯量、农业机械总动力等社会生产因素［17,21］。但是，上述分析结果仅能反映出各因素的变化分别能导致区域粮食单产发生多大变化［19-20］，或是揭示出相关因素对区域粮食单产的影响作用存在一定的空间异质性［17-18］（图1），但未能解决控制区域粮食单产空间分异格局及其相对稳定性的主导因素是什么的问题，特别是无法揭示因素间的交互作用及其对粮食单产分异格局的影响。而地理探测器模型则着眼于被解释变量和解释变量空间分异格局之间的统计关联性，来探测被解释变量空间分异的主要驱动因子，并能够探测驱动因子间的交互作用，因而更有利于解释区域粮食单产的空间分异机制［23-24］。

图1 研究思路分析Fig.1 Analysis of research ideas

综上所述，本文拟在考察2000—2020年北方农牧交错带内县域单元的粮食单产空间分异及其演变特征的基础上，采用地理探测器模型分析粮食单产时空分异的主要影响因素及其交互作用机制，藉此合理划分带内农牧业发展区域，并从调控粮食单产主要制约因子的角度，为提高带内粮食单产、保障粮食安全提供建议。

1 研究区概况

目前学界对于北方农牧交错带地域范围的界定尚不统一［25-26］。本文以县域粮食单产为着眼点，兼顾县域区划的完整性，借鉴任强等［26］的研究成果，将中国北方农牧交错带的范围界定在100°～125°E和34°～49°N之间，下辖231个县（旗、县级市及市辖区），总面积约73×104km2（图2）。带内东部由内蒙古高原向华北、东北平原过渡，中部大部分为黄土高原区，西部由黄土高原向青藏高原过渡；海拔由东北向西南递增，最低处不及200 m，最高处超过4500 m；年平均气温2～8 ℃，年平均降水量250～500 mm。

图2 北方农牧交错带示意图Fig.2 Schematic diagram of the argo-pastoral ecotone of northern China

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文用粮食总产量与粮食播种面积的比值表征粮食单产，粮食总产量、粮食播种面积以及社会生产指标来自2001—2021 年《中国县域统计年鉴》及各省统计年鉴。海拔和坡度数据来自30 m×30 m的数字高程模型（DEM）数据，并采用ArcGIS 10.2进行栅格统计处理和坡度分析。土壤肥力基础数据来自中国土壤数据库，采用土壤综合肥力指数［27］表示。由于研究期内涉及行政区划调整，因而以2019年行政区划为基准，将各年份的县域单元均处理为231个有效县域单元。

2.2 研究方法

2.2.1 空间自相关分析本文利用全局莫兰指数（Global Moran’sI）反映粮食单产高值和低值的全局空间集聚特征，利用热点分析（Getis-OrdGi*）考察粮食单产在局部空间位置上的集聚程度，划分“高高集聚”的热点区和“低低集聚”的冷点区。Global Moran’sI和Getis-OrdGi*的表达式见参考文献［28］。具体计算依托ArcGIS 10.2软件完成。

2.2.2 地理探测器分析地理探测器是探测地理事物空间分异性的驱动因子的一种统计学方法，基本思想是：假设研究区分为若干子区域，如果子区域的方差之和小于区域总方差，则存在空间异质性；若两变量的空间分布趋于一致，则两者存在统计关联性［29］。地理探测器模型由风险探测、因子探测、生态探测和交互探测4个模块组成。

其中，因子探测通过比较某一因子与地理事物的变化在空间上是否具有显著的一致性，进而判断该因子对地理事物的空间变化是否具有决定作用，同时用q值探测该因子在多大程度上解释了地理事物的空间异质性［30］。计算公式如下［29］：

式中：q为影响因子X对地理事物Y空间分异格局的解释力，值域为[0,1]，q值越大，表明X对Y空间分异的影响力越大，反之则越小；h为影响因子X的分类数，h=1，2，…，L；Nh和N分别为类型h和全区的单元数；σh2和σ2分别为类型h和全区的Y值方差。

交互探测可以探测双因子间的交互影响力，识别其对地理事物的共同作用，由以下表达式构成：若q(x1∩x2)＜min[q(x1),q(x2)]，说明因子x1与x2交互后非线性减弱；若min[q(x1),q(x2)]＜q(x1∩x2)＜max[q(x1)，q(x2)]，说明因子x1与x2交互后单线性减弱；若q(x1∩x2)＞max[q(x1),q(x2)]，说明因子x1与x2交互后双线性加强；若q(x1∩x2)＞q(x1)+q(x2)，说明因子x1与x2交互后非线性加强；若q(x1∩x2)＝q(x1)+q(x2)，说明因子x1与x2相互独立。具体计算依托地理探测器2015完成。

3 结果与分析

3.1 粮食单产的时空分异特征

2000—2020 年北方农牧交错带粮食单产Global Moran’sI全部为正，均通过5%的显著性检验，即粮食单产高（低）的县域在空间上均呈现集聚分布态势。并且，Global Moran’sI基本在0.40 左右波动（图3），表明北方农牧交错带粮食单产的空间分异特征具有一定的稳定性。

图3 2000—2020年中国北方农牧交错带粮食单产的全局莫兰指数（Global Moran’s I）时序演变Fig.3 Temporal evolution of Global Moran’s I of grain yield in the argo-pastoral ecotone of northern China from 2000 to 2020

从局部空间自相关来看（图4），2000—2020 年北方农牧交错带粮食单产的分异格局呈现出以分散的冷、热点区为核心的圈层嵌套结构。其中，热点区分散在东北部、南部和西南部，总体上热点覆盖范围小但有所扩大，其中东北部热点区扩大连片后又退化破碎；冷点区主要分布在中部，覆盖范围有所缩小且呈相对集中趋势；次冷点范围显著缩小，仅存于冷点区域外围，而次热点范围则相应扩大连片。由此可见，带内粮食单产总体水平有所改善，但空间分异依然显著，高产县和低产县数量均较少，且分布较分散，呈区位“锁定”格局。

图4 2000—2020年中国北方农牧交错带粮食单产冷热点区域演化Fig.4 Evolution of cold and hot areas of grain yield in the argo-pastoral ecotone of northern China from 2000 to 2020

3.2 粮食单产时空分异影响因素分析

借鉴已有研究成果［17-22］，分别从社会生产条件和自然条件2 个方面选取12 个影响指标（表1），利用地理探测器量化其对带内粮食单产时空分异的影响作用（表2、表3）。

表1 中国北方农牧交错带粮食单产影响因素指标体系Tab.1 Indicator system of influencing factors of grain yield in the argo-pastoral ecotone of northern China

表2 中国北方农牧交错带粮食单产影响因素解释力探测Tab.2 Explanatory power detection of influencing factors of grain yield in the argo-pastoral ecotone of northern China

表3 各要素交互作用对粮食单产的解释力Tab.3 Explanatory power of interaction of various factors on grain yield

2000年，影响带内粮食单产空间分异的主导因素为种粮人口规模，解释力为0.255，且任意因子与种粮人口规模交互后解释力均明显增强。由此表明，种粮人口多的县域在粮食生产上投入的劳动力更多，有利于精耕细作，发挥耕地潜力，提高粮食单产；反之，随着工业化和城市化的进程，部分县域种粮人口的锐减会导致部分耕地撂荒，土地生产效率下降，进而导致其粮食单产下降，加剧粮食单产在带内的分异。

在其他社会生产条件中，有效灌溉面积和化肥施用量的解释力相对较高，表明水、肥是否充足是影响带内粮食单产及其空间分异的重要因素。并且，种粮人口规模与其他社会生产条件的交互解释力均高于0.500，其中与化肥施用量的交互解释力高达0.760，反映出此阶段“人-地-技”之间的耦合性较高，即相对充足的劳动力投入可以充分利用现代农业技术进行粮食生产，在一定程度上避免耕地撂荒；同时，一定规模的粮食播种面积也可以为水、肥利用效率和大型农业机械的规模化使用提供基础条件。相应地，“人-地-技”耦合水平的空间分异对该阶段带内粮食单产的空间分异具有重要影响。

在自然条件中，年降水量、坡度和年日照时数对粮食单产空间分异的解释力较大，并且各类自然因子与“人-地-技”因子的交互解释力亦有所提升，反映出自然条件、特别是水热和地形条件的宏观分异对“人-地-技”因子的利用效率及其耦合效应具有重要影响，是控制带内粮食单产空间分异的基础性因子。

2020年，影响带内粮食单产时空分异的主导因素转变为化肥施用量，解释力上升至0.245，且任意因子与化肥施用量交互后解释力均有所增强。由此表明，在北方农牧交错带土壤肥力普遍偏低的情况下，化肥已成为提高土地肥力、促进粮食增产的主要手段，化肥使用水平的差异对粮食单产空间分异具有较大影响。

在其他社会生产条件中，农业机械总动力、农村用电量和有效灌溉面积的解释力均有明显上升，而种粮人口规模和粮食播种面积的解释力则有所下降，特别是种粮人口规模与其他社会生产因子之间的交互解释力显著下降，表明农业机械化对劳动力产生了明显的替代作用，“人-地-技”之间呈现解耦趋势，现代农业技术成为影响带内粮食单产分异的重要因素。然而，现代农业技术因子间的交互作用对粮食单产分异的解释力增幅较小，特别是化肥施用量与其他现代农业技术因子间的交互解释力亦未有显著增强，表明现代农业技术因子间的协同作用尚未充分发挥，易使现代农业技术的边际收益降低，且粮食生产对化肥具有较高依赖性，存在土壤退化风险。

在自然条件中，除了坡度的解释力有所下降、土壤肥力的解释力基本不变外，其他因子的解释力均有明显提升，表明对丘陵地区的土地改造和“高质量农田”建设在一定程度上降低了坡度和土壤肥力对粮食单产的制约作用，使水热条件对粮食生产的基础性制约作用凸显出来。并且，各自然因子与化肥施用量的交互解释力均在0.500 以上，特别是年降水量与化肥施用量的交互解释力达0.684，表明化肥施用对于带内水热和肥力条件较好的粮食主产区具有更显著的增产作用，即社会生产条件与自然条件的交互作用强化了粮食单产的空间分异。

4 讨论

4.1 带内粮食单产空间分异显著且相对稳定

2000—2020 年带内粮食单产具有显著的空间集聚特征，粮食单产热点区主要位于内蒙古自治区东北部，青海省、甘肃省交界的河湟谷地和陕西省中部地区，主要为平原地区或河谷地带，地形较平坦、土壤深厚肥沃，农业机械化水平较高，粮食生产的条件好、潜力大。冷点区分布在内蒙古自治区中部的商都县、太仆寺旗和山西省娄烦县、古交县等地，多位于长城沿线沙化退化地区和黄土丘陵沟壑区，土地退化和水土流失严重，耕地质量差，农业现代化生产水平不高，粮食单产较低，撂荒和退耕还草情况较多。此外，自然条件相对较好的甘肃省环县、宁夏回族自治区同心县等地，近年来利用现代农业技术、特别是节水灌溉技术，稳步提高了粮食单产，逐渐发展成为次热点区。以上结果与陶泽涪等[8］对北方农牧交错带耕地时空演化的研究基本相符，亦与陈海等［9］划分的带内农林牧业生产结构类型以及闫旭东等［31］划分的内蒙古自治区粮食生产布局分区具有一定的空间对应性。总体上，北方农牧交错带内的粮食单产空间分异显著且相对稳定，具有典型的空间依赖性，因而可以认为粮食单产空间分异特征能够综合反映北方农牧交错带内耕地的生产潜力格局，并以此作为带内农牧业发展区划的重要依据。

4.2 带内粮食单产分异是自然与社会条件交互作用的结果

本研究运用地理探测器模型分析2000—2020年北方农牧交错带粮食单产空间分异的影响因素，不仅得出了与已有研究［19,32］相似的结果，如现代农业技术应用已替代劳动力成为影响带内粮食单产的主导因素，水热条件匹配程度越高越有利于粮食单产提高；也发现了与已有研究［18,31］有差异的新趋势，如坡度、土壤肥力、播种面积等因子对带内粮食单产的制约已有所下降。更为重要的是，已有研究仅能揭示出上述因子自身的变化对粮食单产变化的影响水平，或其影响水平的空间异质性，而本研究则通过因子间交互作用分析，揭示出自然环境宏观分异大势是控制北方农牧交错带粮食单产空间分异的基础性因素，社会生产条件及其耦合水平则强化了粮食单产的空间分异特征，从机制上为基于粮食单产分异格局来划分带内农牧业发展地域提供了科学依据。此外，本研究还发现带内存在着劳动力与耕地、现代农业技术之间过度解耦，以及各种现代农业技术之间耦合性偏弱等问题。

4.3 基于粮食单产的带内粮食安全保障建议

（1）因地制宜促进农牧业协调发展

依据北方农牧交错带的粮食单产空间分异格局，可将带内划分为西南部和东北部的宜农区、北部和南部的农牧耦合区以及中部的生态修复区（表4）。在宜农区，特别是自然条件相对优越、粮食单产高的东部科尔沁地区和西南部民和县等县域，应进一步开展土地整治和高标准农田建设，强化耕地的保水保肥性，以提升现代农业技术利用效率，促进粮食单产可持续增长，巩固和提升其作为粮食主产区的口粮供给能力。北部和南部的农牧耦合区则应当合理开展种养结合，并在农区依据作物需水和地力情况，调整种植结构［33］、选用抗旱耐旱品种［34］，在稳定主粮单产的同时，提升特色杂粮和饲料粮的单产及品质，以农促牧、以牧养农。而对于中部的岚县、绥德县等生态脆弱、粮食单产低的县域，则应该优先保障其生态屏障功能，推进退耕还草和保护性耕作，降低水土流失和土地沙化风险。同时，应通过建立健全县级储备粮体系，确定退耕农户的粮食补助标准，以及保障带内外粮食市场流通等方式，实现带内各地区口粮数量和结构的供需平衡，以确保分区发展的可持续性（图5）。

表4 中国北方农牧交错带生产功能分区Tab.4 Production function zoning of the argo-pastoral ecotone of northern China

图5 中国北方农牧交错到粮食安全保障机制示意图Fig.5 Schematic diagram of the mechanism for ensuring food security in the argo-pastoral ecotone of northern China

（2）以“人-地-技”耦合发展促进粮食单产持续增长

“人-地-技”耦合发展的内涵为稳定劳动力规模、提升劳动力生产技能，促进土地规模化、集约化利用，以提升现代农业技术的利用效率（图5）。首先，应对大量农村劳动力外流导致耕地撂荒的现状，应当建立健全粮食生产补贴体系，稳定和提高农民的种粮收入，以稳定劳动力规模及耕地利用率。其次，应加快发展联农带农性强的农民合作社和农业龙头企业等，进一步提升耕地规模化、集约化经营水平，提高农业机械服务的组织化程度，并着力提升劳动力的农业技术和农业机械使用水平，以切实提高农业机械在播种、耕田、施肥、灌溉、收割等多环节

农田作业中的利用效率为抓手，发挥各种农业技术的协同效应，实现水、肥精准施控，促进粮食单产持续、健康增长。

5 结论

本文综合运用空间自相关分析和地理探测器方法，对2000—2020年北方农牧交错带的县域粮食单产时空分异特征及其影响因素进行分析，得出以下主要结论：

（1）在自然环境宏观分异大势的控制下，社会生产条件及其耦合水平强化了带内粮食单产的空间分异特征，使其呈现出空间依赖性和相对稳定性。其中，粮食单产热点区主要集中在自然条件优越的东北部平原地区和西南部河湟谷地，冷点区分布在中部的土地退化和丘陵地区，次热和次冷区围绕热、冷点区分布。依据该格局可将带内西南部和东北部划分为宜农区，北部和南部为农牧耦合区以及中部为生态修复区，以因地制宜地促进农牧业协调发展。

（2）带内粮食单产增长模式从以劳动力为主导转变为以现代农业技术为主导，但出现了劳动力与耕地、现代农业技术之间过度解耦，以及各种现代农业技术之间耦合性不足等问题。因此，应当通过健全粮食生产补贴、发展农业组织以及依靠农业机械促进多种农业技术协同利用等措施，实现“人-地-技”耦合发展，促进粮食单产持续、健康增长，提高带内粮食安全保障能力。