基于敏感度分析的非洲粮食生产对耕地资源变化的动态响应

解雪峰, 陈 瑾, 蒋国俊, 吴 涛, 张建珍

(1.浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004;2.浙江师范大学 省部共建非洲研究与中非合作协同创新中心,浙江 金华 321004)

耕地资源是粮食生产的重要载体,也是人类赖以生存与发展的基础,它承担着粮食安全的重要作用,与经济发展息息相关[1-2].耕地资源的时空演变势必对粮食生产格局产生深刻影响.受到气候变化、政治动荡等因素的影响,非洲人均粮食产量在逐渐减少,人均粮食占有水平不足全球平均水平的1/2.其中,撒哈拉以南地区更是世界的粮食危机中心,许多儿童因长期缺粮而导致发育迟缓[3].截至2017年,非洲有1/5的人口缺粮,2.5亿人口粮食不足,其中东非和中非分别有31%和26%的人口面临着粮食短缺问题[4].非洲耕地资源开发利用潜力较高,故掌握非洲耕地资源的分布和变化特征,揭示其数量与粮食生产之间的关系可以指导非洲耕地资源的开发.

当前,已有学者从单一对耕地资源特征和粮食生产格局的驱动机制研究向二者之间耦合关系研究转变[5-9].已有研究主要从耕地数量[10]、质量[11]、耕地利用变化[9,12]等角度探讨对粮食生产能力的影响.Tan等[13]发现城市扩张大多占用优质耕地,1990—2000年间被占用耕地的粮食生产水平相当于全国的1.47倍;He等[14]发现,由于建设用地占用耕地的原因,我国粮食自给率在1992—2015年期间下降了2%;还有研究发现,农村建设用地扩张比城市建设用地扩张对耕地减少的影响更大[15].受城市化进程不断推进的影响,粮食生产受耕地资源数量的约束愈发明显,因而探讨二者的时空变化及依存关系显得尤为重要,而目前在大洲尺度上既考虑耕地数量又考虑耕地质量对粮食生产影响的研究较为薄弱.

因此,本研究综合考虑耕地的面积与质量对粮食生产布局的影响,以非洲有数据的53个国家为研究单元,基于耕地资源指数和重心模型分析非洲耕地资源和粮食生产格局的时空变化,并通过敏感度模型探讨粮食生产格局对耕地资源时空变化的敏感度响应,以期为非洲粮食安全战略规划提供支撑.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

非洲作为世界第二大洲,面积约3×107km2.非洲是一个高原大陆,地势自东南向西北递减.非洲目前人口约为12亿,分布极不均衡,主要集中在河流沿岸及沿海平原地区.由于政治、历史等原因,非洲的经济发展远低于世界平均水平,且国家间经济水平差异较大[16].农业作为非洲最重要的经济部门,是大多数国家的经济支柱,约60%的就业及农村人口的主要收入来源于农业[17].非洲大陆大部分区域水热条件较好,较为适宜农作物的种植,然而受政治、科技等因素的影响,农业也未得到很好的发展,粮食更依赖于进口.进入21世纪以来,非洲人口呈爆发式增长,粮食安全问题日益突出,对粮食产量提出更高要求的同时对耕地的需求量也日益提高,所以各国出现毁林开荒以扩大耕地面积的现象.随着耕地数量的不断增加,非洲粮食总量也在逐年递增,在过去的20年中,非洲粮食每年增加约2.6%.

1.2 数据来源

参考联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization,FAO)提出的概念,将谷类(大麦、小麦、小米、玉米、燕麦、水稻)、豆类(大豆、扁豆、菜豆)和薯类(木薯、马铃薯和红薯)均纳入粮食范畴.本研究数据包含人口数据、耕地资源面积数据和粮食生产数据.其中非洲2000—2020年各国人口数据来自世界银行(https://www.worldbank.org/en/home),耕地资源面积和粮食生产数据来自联合国粮农组织(https://www.fao.org/home/en/).

1.3 研究方法

1.3.1 耕地资源指数

在研究中考虑耕地数量与质量对所种植粮食作物产量的影响,并参考相关文献对耕地资源指数进行改进[18],结合耕地面积、种类和粮食生产总量,将耕地资源指数表示为

(1)

式(1)中:Ri为第i个国家的耕地资源指数;Cia为第i个国家的谷物面积;Cib为第i个国家的豆类面积;Cic为第i个国家的薯类面积;Si为第i个国家的土地面积;Ya表示非洲谷物粮食单产值;Yb表示非洲豆类粮食单产值;Yc表示非洲薯类粮食单产值.根据计算,非洲2000—2020年谷物、豆类和薯类的平均单产值分别为1 555.26,751.30和8 615.74 kg/hm2.

1.3.2 重心迁移模型

重心迁移模型是选取某一要素作为研究对象,分析其在特定区域一段时间的分布状况及变化规律[19].本研究构建粮食生产重心和耕地面积重心,并对二者重心进行空间耦合分析.模型具体公式如下:

(2)

(3)

式(2)～式(3)中:(Xt,Yt)表示非洲在第t年的耕地资源(粮食生产)的重心坐标;Mti表示第i个国家在t年的耕地资源(粮食生产)总量;(xi,yi)表示第i个国家的重心坐标.设非洲在第t1年的耕地资源(粮食生产)的重心坐标为(Xt1,Yt1),在第t2年的耕地资源(粮食生产)的重心坐标为(Xt2,Yt2),那么t1—t2年耕地资源(粮食生产)的重心迁移距离为

(4)

1.3.3 敏感度模型

敏感度是指系统对外界变化的响应程度.本研究中引用刘彦随等[20]所提出的“敏感度系数”概念,将其定义为

β=[(Gt+1-Gt)/Gt]/[(Lt+1-Lt)/Lt].

(5)

式(5)中:β为非洲某国家粮食产量对耕地资源变化的敏感度系数;Gt和Gt+1分别为初始年和期末年的粮食总产量;Lt和Lt+1分别为初始年和期末年的耕地面积.并将其按敏感度高低划分为4个级别(见表1),体现出耕地面积的变化对粮食产量的影响.

表1 粮食生产对耕地变化的敏感性分级

2 结果与分析

2.1 非洲耕地资源时空变化特征

2000—2020年,非洲耕地总面积增加了63.22×106hm2,增幅为53.44%,具体见图1.由于受到自然条件的限制和历史、政治等方面的影响,非洲农业的发展并不如其他地区一样迅速,首当其冲的便是位于干旱地区气候条件较为恶劣的国家,农业进程十分缓慢.随着全球发展水平的不断提高,从21世纪初开始,非洲各国政府就对农业的关注越来越高.各国农业部长于2003年召开会议,制定了促进农业发展的相关计划,其中包括农业每年增长6%的目标[21].还通过非洲绿色革命联盟及一些基金会为一些低收入的农业经济体引入大量投资,加之世界经济的快速发展,非洲的农业开始复苏,耕地面积不断扩大.

图1 2000—2020年非洲耕地资源的时间变化特征

计算非洲各国的耕地资源指数,将结果划分为高度稀疏区(Ri≤0.05)、相对稀疏区(0.05

聚区(0.200.50)[22].从空间上来看(见图2),非洲多数国家的耕地资源属于高度稀疏区,主要分布在非洲的北部与南部,以及中部的部分国家,包括撒哈拉沙漠周围国家,如阿尔及利亚、利比亚和埃及等地,南非高原的博茨瓦纳、赞比亚和津巴布韦等国家.相对稀疏区主要分布在非洲的埃塞俄比亚高原和非洲西部部分国家,包括肯尼亚、塞内加尔、利比里亚等.一般过渡区主要包括非洲北部阿特拉斯山脉、中部的刚果盆地和东非高原,包括摩洛哥、刚果民主共和国、坦桑尼亚、莫桑比克.耕地资源集聚地区主要分布在几内亚湾沿岸,马拉维、乌干达、贝宁为耕地资源相对集聚区,尼日利亚等国则为耕地资源高度集中区.

注:基于自然资源部标准地图服务网审图号为GS(2016)2940号的标准地图制作,底图边界无修改,下同

从时间上看,研究区内高度稀疏区数量减少,由2000年的25个国家转变为2020年的20个国家,其中斯威士兰、马里、安哥拉、利比里亚转变为相对稀疏区,只有喀麦隆转变为一般过渡区.2000—2020年间,相对稀疏区也由14个国家减少为11个国家,其中许多国家耕地资源数量增加,变为一般过渡区或相对集聚区.这是由于人口的快速增长对粮食需求量增大,毁林开荒能够迅速缓解这一问题,所以引起耕地面积的快速增长,同时也导致了森林面积的减少.正是由于尼日尔、莫桑比克、塞内加尔、刚果民主共和国由相对稀疏区转变为一般过渡区,所以一般过渡区的面积呈现出增加的趋势.西非的相对集聚区和高度集聚区是耕地资源变化最明显的地区,不仅几内亚、塞拉利昂等国家从相对稀疏区转变为相对集聚区,更有尼日利亚、布隆迪等国家从相对集聚区转变为高度集聚区,使得高度集聚区面积不断扩大.近20年来,为了应对非洲人口的高速增长,解决粮食安全问题,各国针对自己的实际情况制定了相关计划,如“非洲农业综合发展计划”“绿色革命联盟”等.在该计划的推动下,各国更加关注农业的发展,调整本国的农业政策,规划农业布局,改变土地利用结构,鼓励粮食种植,加之国际对非洲发展关注度的不断提高,非洲农业进入快速发展的阶段[23].

2.2 非洲粮食生产时空变化特征

2000—2020年间,非洲的粮食生产能力不断提高,粮食总产量持续增长,年平均增长量为11.84×106t,平均增长速度达到了4.93%(见图3);人均粮食产量先增长,至2010年后逐渐稳定.21世纪以来,政治的稳定、各个国家经济体制的改革,使农业在一个稳定的环境中快速发展.加上非洲一体化进程的推进,如2001年非洲联盟的成立,更是站在了较高的层面指导非洲的粮食生产[24].这些改革与措施促进了非洲农业发展,导致各国粮食产量的增加.但非洲粮食产量各年增长幅度不一样,在增长的过程中也出现了一些波动,有些年份甚至呈下降趋势.这主要是由于气候、政治和军事的影响,2007年的下降与非洲遭遇的旱灾密切相关,而2016年的旱灾也导致了非洲粮食减产.厄尔尼诺现象的发生会导致气候灾难,影响非洲粮食的生产和牲畜的数量.有时伴随着干旱或洪水,部分地区的冲突也加剧了国家粮食不安全情况[25].

图3 2000—2020年非洲粮食生产时间变化特征 图4 非洲不同国家粮食生产总量变化

从空间上来看,非洲各国家之间的粮食产量有明显差异(见图4).尼日利亚、刚果共和国、埃塞俄比亚、南非共和国、坦桑尼亚这5个国家粮食总产量占非洲粮食总产量的48.27%,集聚程度较高.2000—2020年间,粮食总产量增加的国家数量为45个,粮食总产减少的国家远远低于增加的国家数量.说明这20年来,非洲粮食生产能力不断提高,产量总体以增加为主,尤其是尼日利亚、刚果共和国、埃塞俄比亚、坦桑尼亚等国家,粮食产量增加显著.虽然非洲的粮食增长较为明显,但人口也在快速地增加,非洲仍然面临着严重的缺粮问题.

根据人均400 kg/年的国际粮食安全标准线,将人均粮食占有量划分为严重缺粮区(<150 kg)、一般缺粮区(150～300 kg)、基本自给区(300～400 kg)、一般余粮区(400～600 kg)和重要余粮区(>600 kg)[26].总体来看,大部分非洲国家的人均粮食产量均在增加.截至2020年,非洲已有20个国家达到粮食自给及以上水平,分布在非洲的西部、中部和东部,这与非洲耕地资源的分布十分匹配.这是由于当地具有丰富的气候资源和水资源,并且国家政治相对稳定,政府也制订了一系列的发展农业政策.如尼日利亚政府将农业作为推动经济发展的重心,增加耕地资源数量,促进农业发展,加上国际援助和资金支持,推动了粮食产量的持续上升.而缺粮情况较为严重的地区除了与其自然条件密切相关外,与当地的社会政治稳定情况密切相关,如利比亚、苏丹(原)等国,虽然也在政策上支持农业的发展,但受战乱的影响,人均粮食产量并未提高.

2000—2020年,非洲的严重缺粮区由23个下降为18个,其中埃塞俄比亚、肯尼亚和摩洛哥转变为一般缺粮区,塞内加尔和塞拉利昂转变为一般过渡区.当地耕地资源的开发利用与国际的投资援助促进了粮食人均占有量的提高.如针对塞拉利昂存在的粮食安全问题,国外为其援助有效的存粮设施,一些国家援助组织为农民提供PICS(purdue improved crop storage)袋[27].一般缺粮区虽数量不变,但空间分布却发生了改变,由2000年的西非逐渐转向2020年的北非和中非.基本自给区的数量增加了1个,有从缺粮区转变而来的布隆迪、喀麦隆和科特迪瓦,也有几个国家人均占有量提高,从自给区转变为一般余粮区.一般余粮区的数量有明显的增多,几内亚、坦桑尼亚和安哥拉都是由基本自给区转变而来,这也离不开国外的技术援助,如我国的农业专家根据坦桑尼亚地区农田的实际特点研制出的玉米密植增产技术,在当地得到了极大的推广[28].重要余粮区则整体变化不大,主要分布在马拉维和加纳.见图5.

图5 2000—2020年非洲人均粮食产量时空变化

2.3 耕地资源与粮食生产重心迁移

总体来说,粮食生产重心和耕地资源重心的迁移方向大致一致,粮食重心向耕地资源集聚方向迁移.2000—2020年,非洲耕地资源重心始终在中非共和国境内,呈现出移动距离短、波动式移动的特点.在2000—2005年间,耕地重心有明显的向北移动,这也是整个时期耕地重心移动速度最快、距离最大的阶段.这是由于相较于其他地区来说,西非几内亚湾沿岸地区自然条件优越,气候适宜,尼日利亚、布基纳法索和贝宁等国家耕地资源随着社会经济的发展有明显的增加.而在2005—2020年间,各国签订了“非洲农业综合发展计划”等一系列的推动农业发展的合约,许多国家开始将注意力转移到农业、增加耕地资源的数量来大力发展农业,耕地资源的重心并没有发生太大的改变.从上述的耕地资源时空分布图中可以明显地看出,在这20年间,西非地区耕地资源增加显著,远高于其他各区,故耕地重心向西北方向移动,这也体现出相较于其他地区而言,西非更具有自然条件优势,耕地扩张潜力更大.

2000—2020年,非洲的粮食生产重心也发生了较大的位移,粮食产量重心整体呈现出向西北方向移动,粮食生产重心的移动速度明显快于耕地资源重心的移动速度.2000—2005年,粮食产量重心波动较大,移动速度最快,向西北方向移动到了中非共和国的西南部.这是由于在这5年间粮食产量有普遍的提高,但是北方的增加速度明显快于南方,尤其是在西非和北非有明显的体现,如塞内加尔、摩洛哥、埃塞俄比亚、尼日尔等国的人均粮食产量有明显的提高.这与同时段的耕地重心移动方向有相似之处,均向北方迁移,说明耕地资源变化会在一定程度上影响粮食产量的变化.2005—2020年间,粮食产量重心和耕地资源中心相似,变化波动不大,虽然西非(如尼日利亚、尼日尔)粮食产量增加显著,但苏丹(原)等国常年受到战乱冲突的影响,破坏农业生产,导致粮食大幅减产;加上坦桑尼亚、肯尼亚等国家利用国际援助和本国的政策支持,大力发展农业,所以南北方整体上粮食产量差异不大,重心移动距离较短.见图6.

图6 2000—2020年非洲耕地资源与粮食生产重心移动

2.4 粮食生产对耕地资源变化的敏感度分析

利用敏感度系数对非洲各国粮食产量对耕地数量变化的敏感度进行定量分析.2000—2005年,非洲共有42个国家具有敏感性,占整个研究区域的79.25%,其中摩洛哥和尼日尔具有高度敏感性,塞内加尔和尼日利亚则为中度敏感性,其余38个国家为低度敏感性.非洲的大部分国家均是低度敏感性,这是由于进入21世纪后,虽然非洲各国鼓励粮食生产,毁林开荒,大力发展农业,但由于受到战乱冲突影响,农作物、畜牧业被严重破坏,粮食作物大量减产,农业及其相关设施投资停滞;加之气候变化对粮食作物产量影响很大,在这2种灾祸的叠加情况下,粮食产量对耕地资源的敏感程度较低.21世纪以来,摩洛哥改变农业模式,为了增加粮食产量,鼓励农民将牧场改为耕地,农业耕作面积及其产量都在不断增加,导致粮食产量对耕地面积较敏感[29].在尼日尔,沙漠面积占到国土面积的2/3以上,其经济发展主要依赖于农业和畜牧业,1996—2005年,尼日尔耕地面积增加了30%,每年大约有75 万hm2的森林或畜牧用地被占为农用地,粮食产量也随着耕地的增加有明显的增加[30].尼日利亚和塞内加尔也是在该时间大力发展农业,把农业放在国民经济的中心地位,所以粮食产量对耕地面积具有较高的敏感性.而在非洲南部,如博茨瓦纳、纳米比亚、津巴布韦等国家由于社会发展状况较差,医疗卫生状况等基本生活保障不容乐观,所以呈现出无敏感性.

2005—2010年,非洲有45个国家粮食产量对耕地面积的变化表现出敏感性,数量略有增多.其中具有高度敏感性的只有几内亚比绍,莫桑比克、塞拉利昂、厄立特里亚、马拉维均由低度敏感性转变为中度敏感性.虽然扩大耕地面积会在一定程度上提高粮食产量,但由于受当地科技水平较低、农业生产方式落后并且经济作物种植面积增加等影响,尼日利亚和塞内加尔由中度敏感性降为低度敏感性.几内亚比绍是世界上最贫穷的国家之一,为了提高本国经济水平,当地政府从农业开始抓起,更是在2005 年制定了“多样化种植战略”,积极推进水稻的种植[31];莫桑比克也是依赖于优越的自然条件进行耕地资源的开发利用来推动农业的发展;马拉维、塞拉利昂这些经济最不发达地区更是依赖于政府农业政策的调整导致粮食产量对耕地面积呈现出较高的敏感性;利比亚等国则由于受政治局势的影响,粮食产量对耕地变化表现为无敏感性.

2010—2015年,非洲具有敏感性的国家数量保持不变.具有高度敏感性的是苏丹(原)和几内亚比绍;厄立特里亚保持中度敏感性不变;摩洛哥由低度敏感性恢复为中度敏感性.苏丹(原)由于南部战争不断及西部持续干旱,对农业生产的投入也不足,整体生产技术水平较低,粮食产量不高,表现不敏感.但2011年南苏丹独立后,农业部制定十年发展目标:耕地面积要在未来十年中由270 万hm2增加至400 万hm2,新增的耕地面积包括森林、草原等[32].这些尚未开发的土地具有较高的农业生产潜力,到2015年时粮食产量大幅增长,体现出较高的敏感度.毛里塔尼亚、尼日尔等国虽然在前期由于政策的影响,粮食产量对耕地面积变化表现出敏感性,但在后期农业发展中逐渐更多地受制于气候条件恶劣、水资源短缺等影响,农业处于较低水平,随着耕地面积的增加,粮食产量增加不显著甚至出现负增长,粮食产量对耕地变化表现为无敏感性.见图7.

图7 非洲各国粮食产量对耕地面积变化的敏感度分析

2015—2020年,总体来看非洲粮食总量对耕地面积变化的敏感度有所下降,敏感性国家由45个下降为41个,其中高度敏感性国家增至4个,分别为南非共和国、厄立特里亚、津巴布韦、佛得角;喀麦隆也由低度敏感性转变为中度敏感性;无敏感性国家增至12个,占比由上一时段的15.09%增至22.64%.南非共和国在该时间段内耕地面积整体变化不大,粮食产量却大幅增加,这得益于国外援助,如在中国的支持下,当地政府建立农业技术示范中心,使农业向规模化、产业化方向发展,带动南非产量增收,呈现出较高敏感性[33].而位于东非的埃塞俄比亚、肯尼亚、乌干达、坦桑尼亚呈现出无敏感性.粮食产量在一定程度上会受到耕地面积的影响,但同时也受社会因素的控制,这些国家耕地面积变化不大,但粮食产量却明显增加,离不开国际支持和当地农业技术发展.如中国在非洲派出农业专家技术员、建立产业园等措施保证当地的粮食安全[34].

3 结 论

1)2000—2020年间,非洲耕地资源面积增长了53.44%,人均耕地面积略有下降,耕地资源集聚区集中分布在几内亚湾沿岸和非洲的东部地区.近20年来,非洲粮食总产量与人均粮食产量均大幅提高,其中西非地区和东非地区增长态势显著.

2)2000—2020年间,非洲耕地资源重心和粮食生产重心整体均向西北方向移动,粮食重心向耕地资源集聚方向迁移.研究期内,非洲77%以上国家的粮食产量对耕地面积变化都表现出敏感性.受政治局势、气候变化和农业技术等因素的共同影响,大部分国家都表现出低度敏感性,粮食生产对耕地资源数量变化的依赖程度减弱.