耕地—粮食—人口系统对长武县粮食安全的影响

郑伟浩,何 锋,蒋逸霞

(1.云南财经大学 金融学院,云南 昆明 650221;2.云南财经大学 物流与管理工程学院,云南 昆明 650221)

0 引言

耕地—粮食—人口系统是指在某一地域内,以耕地资源开发利用为基础,以粮食生产、消费和流通为中心环节,以满足人类粮食需求为最终目标的复杂系统[1-3],通常可以用来反映粮食安全状况。具体来说,粮食产量和人口决定了人均粮食产量,而粮食产量的决定因素包括耕地面积、复种指数、粮食作物播种面积比例、粮食作物单产等因素。显然,耕地数量的减少并不能完全反映出耕地资源所承载的粮食安全的压力。而最小人均耕地面积和耕地压力指数两个指标可以综合反映这些信息,用以度量耕地满足人们粮食需求的能力,以及影响这种能力变化的主要因素[4-5]。近年来,部分研究从国家和地区的宏观尺度上,分析了这一动态系统与粮食安全状况及趋势[6-8],构建了粮食安全评价体系[9-11]。然而,对耕地压力指数的预测方面以往研究主要通过分别预测人口、粮食、耕地来预测耕地压力指数变化[12],显然,分别对人口、粮食、耕地进行预测的综合误差大于直接对耕地压力指数预测造成的误差并且该类预测没有对预测模型的精确度进行检验。因此,本研究将应用蒙特卡罗算法直接预测耕地压力指数的变化趋势及范围使得预测值更准确的反应实际情况。黄土高原地区是土壤侵蚀很严重的地区,并且有着巨大的人口压力,环境恶化问题严重[13],研究该地区的耕地—人口—粮食系统及粮食安全状况对该区域乃至中国总体粮食安全具有重要的意义。长武县位于陕西省境内,是黄土高原沟壑区的典型代表。该县水资源贫乏、人均耕地资源较少,在原有耕地的1/3退耕还林还草之后,面临的首要问题是粮食安全问题。因此,本研究将以该县为例,从县域尺度分析耕地压力指数的动态变化趋势,对黄土高原地区乃至全国的粮食安全及可持续发展问题具有重要的参考价值。

1 研究方法

本研究首先用耕地压力指数、最小人均耕地面积法对1990年以来长武县耕地—粮食—人口系统进行分析,在此基础上,应用非线性模型和蒙特卡罗算法预测耕地压力指数的发展趋势。

最小人均耕地面积是指在某一区域内,给定粮食自给水平、耕地生产能力前提下,能够提供本区人口正常生活的食物消费所需的耕地面积,用来衡量区域粮食安全所需的最低耕地底线[14-15]。其计算式如下:

(1)

式中:Smin为最小人均耕地面积(hm2·人-1);β为区域粮食自给水平(%);Gr为人均粮食需求量(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比率(%);k为复种指数(%),即一年中4个季节实际播种面积与耕地面积的比率[16]。

耕地压力指数Smin是和人均实际耕地面积的比值,如下式:

(2)

式中:Sa为人均实际耕地面积(hm2·人-1),K为耕地压力指数,用来核算区域耕地资源的稀缺、冲突度,确定耕地保护的阈值,指导耕地保护的调控指标。当K=1时,耕地压力平衡;当K>1时,表明供给小于需求,耕地承受巨大压力,存在粮食安全问题,需采取措施减小耕地压力指数;当K<1时,耕地压力较轻,处于安全状态,此时可适度调整耕地用途和农业种植结构[17-18]。

本研究通过研究变量随时间变化的方式,发现其发展变化规律,用蒙特卡罗算法模拟耕地压力指数的未来发展趋势。蒙特卡罗算法(Monte Carlo simulation)是一种根据随机抽样和数理统计进行计算的数学方法,与随机试验十分接近。首先,需要确定投入参数的概率分布,以及投入变量和产出变量的数学关系,然后,根据概率分布随机抽样,得到若干个样本,每个样本对应一个产出值,即模拟值,最后根据模拟值确定真实值的统计特征[19]。本研究依据的随机抽样的概率分布为正态分布;分别应用直线方程、二次函数、三次函数、幂函数以及对数函数模拟时间变量与耕地压力指数的数量关系,然后分别对2020及2030年的耕地压力指数模拟10 000次,对模拟值进行统计分析,得到耕地压力指数预测值的平均值与变化范围。用以模拟数量关系的表达式分别为:

Y=A1+A2X+ε1;

(3)

Y=B1+B2X2+ε2;

(4)

Y=C1+C2X+C3X2+ε3;

(5)

Y=D1+D2X3+ε4;

(6)

Y=E1+E2lnX+ε5;

(7)

Y=H1+H2ex+ε6;

(8)

式中:Y为耕地压力指数;X为时间变量;Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Hi为待估参数;εi为服从正态分布的残差项。

2 研究区域耕地—人口—粮食系统动态

2.1 耕地数量变化

长武县位于黄土高原腹地,是该区域典型的沟壑地貌县域。年均降水仅500 mm,常年缺水。县域以农业为主,人口稠密,2018年总人口达17.68万,密度312人/km2。特点是水资源匮乏而人口众多,农业条件较为脆弱。随着耕地减少,到2019年仅剩1.2×104hm2,而人口持续增加,出现明显的人地矛盾。随着生态问题加剧,资源短缺情况下如何保粮食安全是该县面临的巨大挑战。县域内耕地—粮食—人口动态变化集中体现了黄土高原区县的特征和问题。在资源日益紧张下,科学评估预测粮食安全风险,实现可持续发展是该地区的当务之急。因此,本研究通过县域系统动态分析,以提供黄土高原地区粮食安全和生态环境管理决策支持。县域的自然和社会经济特征,能代表性地反映该区域的主要矛盾,分析粮食安全和可持续发展所面临的问题,并提出科学的政策建议。

根据1991—2019年长武县统计年鉴(1)1991—2019.长武县统计年鉴.,1990年以来,长武县耕地面积呈现出持续减少的趋势。如图1所示,1990年全县总耕地面积为22 333 hm2,到2019年减少到12 021 hm2,29年来共减少了10 312 hm2,平均每年减少355.59 hm2。该县耕地面积陆续减少并呈现出明显的阶段性特征,该县耕地面积陆续减少并呈现出明显的阶段性,即:1990—2000年耕地减少较平稳;2000—2004年耕地数量急剧减少;2005年以后耕地数量有所增加并趋于平稳,其原因可能是国家对生态退耕补偿政策年限的不同,即还生态林补偿8年,还经济林补偿5年,还草补偿2年,造成有部分退耕地因为国家停止支付退耕补偿金而被返耕[20-21]。1990年人均耕地面积0.141 4 hm2,到2019年降为0.068 hm2,耕地和人均耕地数量均有陆续降低中趋于平稳的趋势。

图1 长武县1990—2019年耕地总面积、人均耕地面积变化情况

2.2 人口数量的动态变化

1990年该县总人口为15.8×104人,2019年人口为17.7×104人,净增人口1.9×104人,平均每年净增人口655 人,全县平均人口自然增长率为11.2 ‰。由图2可以明显看出,该县人口增长曲线呈阶段式变化:1990—2010年为缓慢增加阶段,净增人口2.45×104人,平均每年增加1 225 人;2010—2012年为较快增长阶段,净增人口0.76×104人,平均每年增加3 800 人;2016—2017年为人口突减阶段,净减人口1.62×104人,平均每年减少16 200 人。

图2 长武县1990—2019年人口总量变化图

2.3 粮食产量的动态变化

1990年该县粮食总产量6×104t,2019年减少到5.428×104t,减产0.572×104t,平均每年减产197.24 t。但因为该县易遭受旱灾,粮食产量波动较大,如1995年仅有2.256×104t,比相邻的1994和1996年分别减少1.599×104t和2.2×104t。因为1999年以来的退耕还林还草政策的大力推行和农业结构的大力调整,1999—2002年连续4年减产,粮食减产量为0.380 4×104t。直到2003年粮食产量略有回升,2004—2007年又连续4年减产,粮食减产量为1.646 8×104t。2007—2010年4年粮食产量又急剧回升,粮食增产为2.143 3×104t。2010年以后粮食产量趋于平稳(图3)。

图3 1990—2019年长武县粮食产量指标变化态势

3 研究结果

1990年长武县人均粮食产量380.20 kg,2019年为307.02 (kg·人-1·a-1),低于人均391 (kg·a-1)的合理范围[14]。以人均食物需求量为391 (kg·a-1)为标准,粮食自给率将由人均粮食产量和人均实际需求量的比值来确定。由图4可知,1990—2019年K值总体变化情况是比较平稳的趋势,在整个时间段K值变化不太明显,Smin保持着逐渐减小趋向平稳的趋势。在此基础上,利用Crystal ball软件分别对2020年与2030年耕地压力指数进行模特卡罗模拟预测,其预测值分别为1.083 4和1.051 5,耕地压力趋于平稳。

图4 长武县1990—2019年K的变化状况

4 结论与讨论

本研究以陕西省长武县为例,应用蒙特卡罗算法,从县域尺度分析了1990年以来该县域内耕地、人口、粮食系统的动态演变及其对粮食安全的影响。研究发现,1990—2019年长武县耕地面积、人口数量及粮食产量均呈波动变化态势。具体来看,1990—2000年耕地面积较为平稳,2000—2004年急剧下降,2005年之后趋于平缓;人口数量1990—2010年缓慢增加,2010—2012年较快增长,2016—2017年明显减少;粮食产量受自然条件影响较大,不同年份波动较大。综合分析各变量变化趋势可知,长武县耕地—人口—粮食系统处于动态调节之中,系统内各要素互为影响。

values in Changwu County from 1990 to 2019

尽管耕地数量出现波动式下降,但距离触碰红线尚有一定空间,未出现严重的人地矛盾。本研究构建的耕地压力指数能反映系统的综合状况,1990—2001年该指数基本在1左右波动,系统处于相对平衡状态。运用蒙特卡罗算法模拟了1990—2019年的指数历史变化,验证了模型的预测精度。预测结果显示该区域面临日益严峻的粮食安全形势。

因此,研究表明长武县整个耕地—人口—粮食系统存在动态变化,应对措施必须因时制宜、综合考虑各影响因素。为保障长久的粮食安全,县域内应进一步提高土地生产效率,开发和利用水资源,调整种植结构,并与周边地区加强合作。本研究尝试从县域尺度分析黄土高原区的系统动态演变情况,并预测风险,为该区域及全国的粮食安全和可持续发展提供有益的科学支持。

需要注意的是,本研究仅从耕地—人口—粮食3个方面展开讨论,未考虑可能影响系统动态的其他因素,如技术进步、政策调控等,后续研究还需构建更全面的评估模型。此外,单个典型样本的研究,其结论的扩展性还需进一步检验。本研究试图以科学严谨的态度对细节问题进行讨论,但任何研究都存在局限,需要在今后的工作中不断完善。