中国耕地面积-粮食产量重心迁移轨迹特征及空间错位关系

王楠 陈从喜 郭文华 李士伟 齐书花 朱先云 苏宇 李政 高宇

文章编号：1671-3559（2024）01-0053-08DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20231109.002

摘要：为了探究粮食资源和耕地利用效率的协调统一，利用2000—2019年中国耕地面积和粮食产量数据，以省域为研究对象，基于重心模型和空间错位指数，系统分析全国耕地面积、粮食产量重心迁移轨迹特征及空间错位关系。结果表明：研究期内耕地面积重心与粮食产量重心变化方向不尽相同，耕地面积重心从河南省博爱县向东北移动，而粮食产量重心则先从河南省舞阳县向东北后再向东向平移；全国的粮食产量和耕地面积主要集中在中水平区和中低水平区，且由东到西呈现正向错位到负向错位的分布特征；耕地面积和粮食产量受资源禀赋影响较大，但经济发展水平、人口、降水量和积温水平等因素也具有一定的推动作用。

关键词：耕地；粮食产量；重心模型；空间错位指数

中图分类号：N91

文献标志码：A

开放科学识别码（OSID码）：

Characteristics of Transfer Trajectory of Barycenter and Spatial Mismatch

Relationship Between Cultivated Land Area and Grain Yield in China

WANG Nan1， CHEN Congxi1， GUO Wenhua1， LI Shiwei2， QI Shuhua1，

ZHU Xianyun1， SU Yu1， LI Zheng1， GAO Yu1

（1. Information Center of the Ministry of Natural Resources， Beijing 100036， China;

2. School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To explore the coordination and unity of grain resources and cultivated land use efficiency， using the data of national cultivated land area and grain yield from 2000 to 2019， taking the province as the basic unit of data， and based on barycenter model and spatial mismatch index， the characteristics and spatial mismatch relationship of migration trajectory of the barycenter of national cultivated land area and grain yield was systematically analyzed. The results show that the change directions of barycenter of cultivated land area and grain yield are not the same during the study period. The barycenter of cultivated land area moved from Boai county， Henan province to the northeast， while the barycenter of grain yield first moved from Wuyang county， Henan province to the northeast and then to the east. The national grain output and cultivated land area are mainly concentrated in the middle and low-level areas showing the distribution characteristics of positive mismatch to negative dislocation from east to west. The cultivated land area and grain yield are greatly influenced by resource endowments， but many factors such as economic development level， population， precipitation， and accumulated temperature level also have a certain driving effect.

Keywords： cultivated land; grain yield; barycenter model; spatial mismatch index

收稿日期：2022-07-28          網络首发时间：2023-11-13T11：56：41

基金项目：国家自然科学基金项目（41907118）；自然资源部部门预算项目（121101000000190003）

第一作者简介：王楠（1991—），女，北京人。助理研究员，硕士，研究方向为土地资源利用。E-mail： nwang@infomail.mnr.gov.cn。

通信作者简介：陈从喜（1963—），男，安徽萧县人。研究员，博士，研究方向为国土资源战略和形势分析。E-mail： cxchen@infomail.

mnr.gov.cn。

网络首发地址：https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231109.2120.004

耕地是粮食生产的基础， 耕地面积的变化关系到国家粮食安全， 进而影响国家社会经济可持续发展。 虽然我国粮食总产量从2000年到2019年增长了44.9%， 但粮食年均进口量自2014年以来始终保持在108 t以上， 2017年中国粮食累计进口达到1.31×108 t，创下历史记录［1］。牢牢守住“18亿亩耕地红线”，确保粮食稳定生产对于我国这样一个拥有14亿人口的大国尤其重要［2］。

进入21世纪以来， 随着我国城市化和工业化的快速发展， 耕地被建设用地占用、后备资源不足等问题给粮食安全带来了严重威胁， 因而引发国内学者广泛关注［3］。 此外， 耕地和淡水资源供给明显不足， 使得我国粮食供应结构性矛盾突出， 需要借助进口来调剂需求［4-6］。 耕地面积和粮食产量关系密切， 如何协调两者之间的关系， 是关系国家耕地保护和粮食生产稳定和发展的重大问题。 当前针对我国耕地和粮食产量的研究主要集中在以下几个方面：1）有关耕地数量和质量变化影响因素的研究主要围绕人文因素和社会因素展开， 有学者认为土地复垦、整理、农业结构调整［4］、生态退耕［7］、农田弃耕和撂荒等带来的耕地面积的变化［8］， 而自然因素以及自然环境的改善， 如土壤质地、土层厚度［9］变化则对耕地生产潜力产生影响［10］。 2）有关影响粮食产量的因素研究主要从粮食供需角度展开， 有学者认为粮食生产面临的约束主要包括资源环境［11］、要素成本［12］、科技水平、劳动力水平［13］、农业投资水平［14］、农业机械化水平、农业物资投入和农业经济水平［15］等方面， 而粮食的需求则受居民消费水平的影响［16］。 3）耕地和粮食产量的区域特征和空间演变态势的分析纷纷涌现， 如张国平等［17］根据20世纪80年代末期、1995—2000年的遥感数据， 对我国耕地时空变化进行分析， 认为全国耕地资源总量增加， 但耕地生态环境质量下降。 王凯澄等［18］利用1985—2015 年中国县域粮食产量数据， 定量分析了基于地貌分区的中国粮食生产时空分异特征。 上述分析表明， 已有研究多从区域尺度对耕地面积和粮食产量2项指标进行分析， 对于耕地面积和粮食产量两者的空间耦合关系进行分析少有关注， 因此有必要从两者的空间分布和耦合关系角度进行探究。

本文中基于2000—2019年全国粮食产量和耕地面积数据，以省域尺度为数据基本单元，刻画近20 a全国耕地面积、粮食产量重心变化特征，并根据重心迁移轨迹和错位指数分析两者的耦合关系，以期为耕地保护和粮食安全提供新思考，实现粮食资源和耕地利用效率的协调统一。

1  数据来源和研究方法

1.1  数据的选取

考虑到研究的必要性和数据获取的可得性，本文中选取了粮食产量和耕地面积2个指标来反映两者重心迁移变化特征、耦合和错位关系，耕地面积数据主要来自历年《中国国土资源统计年鉴》和《中国统计年鉴》，粮食产量数据来自国家统计局的国家数据网站。

1.2  重心模型

重心模型是研究区域发展过程中要素空间变动的重要分析工具，模型通过特征数据加权的方式，识别要素的地理中心或密度中心，反映区域要素空间的集聚和位移规律。本文中利用Walker等学者开创和改进的重心模型计算了我国2000—2019年的粮食产量的重心位置、移动方向和移动距离，用于揭示全国粮食产量的空间变化特征。重心模型的计算公式［18-20］为

X=∑ni=1sixii=1si ，（1）

Y=∑ni=1siyii=1si ，（2）

式中：X、Y分别为重心的横、纵坐标；si为省份i的耕地面积或粮食总产量，i=1， 2， …， n， n为统计的省份数；xi、yi分别为省份i的重心横、纵坐标。

1.3  重心偏移方向和移动距离

重心偏移方向的计算公式［18-20］为

θ=arctanxi-xjyi-yj ，（3）

式中：θ为偏移方向的角度；xj、yj分别为省份i前一年的重心横、纵坐标。

根据各年重心坐标，运用距离公式计算重心移动距离，以移动速度探求耕地面积和粮食产量重心移动特点。

d=（xi-xj）2+（yi-yj）2 ，（4）

式中d为重心移动距离。

1.4  重心耦合关系分析

耦合原为物理学概念，是指2个或2个以上系统或实体通过各种相互作用而彼此影响的现象。本文中利用重心距离和方向变动，根据空间重叠性和空间变动一致性来衡量2个指标之间的重心轨迹耦合状况，从而更好地衡量耕地面积和粮食产量的空间格局。

变动重叠性公式［18-20］为

L=（xiq-xjp）2+（yiq-yjp）2 ，（5）

变动一致性公式［18-20］为

C=ΔxpΔxq+ΔypΔyq

（Δx2p+Δy2p）（Δx2q+Δy2q） ，（6）

式中：xip、 yip分别为省份i的耕地面积重心横、纵坐标；

xjq、yjq分别为省份i前一年的粮食产量重心横、坐标值；Δxp、Δyp分别为耕地面积重心横、纵坐标；Δxq、Δyq分别为粮食产量重心横、纵坐标的差值；

L为耕地面积和粮食产量的重心距离，L值越大，說明两者重叠性越小，错位程度越高，反之则错位程度越低；C为一致性指数，取值范围为［-1，1］，当C=1时表示2个属性重心完全同向移动，当C=-1时表示2个属性重心完全反向移动［21］。

1.5  空间错位指数

利用Martin提出的空间错位指数［22］，计算中国耕地面积与粮食产量的空间均衡发展状态。

Iit=100 aitc ，（7）

Ki=1t=1Iiti=1Iit×100% ，（8）

式中：Iit为省份i的t年份的空间错位指数；cit、ait分别为

省份i的t年份的

耕地面积和粮食产量；c、a分别为全国耕地面积和粮食产量；Ki为省份i在m年期间的空间错位贡献度。Iit值为正表示耕地面积与粮食产量正向错位，即粮食产量相对于耕地面积超前发展，反之则说明耕地产量相对于耕地面积滞后发展［23］。 Iit绝对值越小说明两者的同步性越高，数值越大则表明两者的错位现象越显著［24］。

2  中国耕地面积、粮食产量重心的时空演变

2.1  中国耕地面积和粮食产量整体变化

研究期内全国耕地面积总量呈现减少趋势，其中2000—2008年全国耕地面积下降幅度明显，从2000年的1.28×108 hm2下降到1.22×108 hm2，降幅为5.1%。2009—2017年全国耕地面积相对稳定，但总量依旧有所下降。第三次国土调查数据显示，2019年全国耕地面积为1.28×108 hm2，较2017年下降了5.2%。分区域看，2009年黑龙江、河南等区域的耕地面积占全国耕地面积比重较大，2019年耕地面积向东北部聚集。

2000—2019年全国粮食总产量时间序列呈现线性增长趋势，其中2000—2004年粮食产量增长率波动较大，2004年到达峰值，此时段粮食产量整体增加了7.29×106 t；2004—2015年，粮食产量稳定增长，较历史产量差距不断拉大，此时段粮食产量增加了1.9×108 t；2016—2019年，粮食产量较为平稳，无明显增减，维持在6.5×108 t以上。

2.2  耕地面积重心移动分析

根据历年耕地面积数据，利用式（1）、（2）计算得到我国耕地面积重心情况。从偏移距离上看，我国历年耕地重心位移距离较小，整体格局较为稳定。耕地重心分别在2009、2019年有2次较大幅度的移动，移动距离分别为83.12、132.73 km，并在2002、2014年有2次较大幅度的移动，偏移变化率分别为104.7%和227.0%。

具体来看，耕地面积的重心偏移可以分为3个阶段：第一阶段是2001—2012年，耕地面积重心主要从河南省焦作市博爱县向东北移动至山西省晋城市陵川县；第二阶段是2013—2017年，耕地面积重心向西北方向移动；第三阶段为2018—2019年，耕地面积重心向东北移动，且角度偏转较大，分别位于山西省晋城市陵川县和山西省晋中市左权县。整体来看，全国耕地面积重心从2000—2019年整体朝向东北方向移动。

2.3  粮食产量重心移动分析

根据历年耕地面积数据，利用式（1）、（2）计算得到我国粮食产量重心情况，结果如图1所示。由图可知：从分布格局上看，2000—2011年我国粮食产量重心共偏移了244.45 km，从2011—2019年开始偏移速度放缓，重心共移动了61.50 km。2000—2019年的粮食产量偏移方向整体稳定，部分年份有一定波动，呈现朝向东北方向连续S型的移动特征，并在2015年后呈现东向平移。

从移动方向和移动距离上看，粮食产量重心移动大体经历了3个阶段：第一阶段是2000—2005年，粮食产量从河南省漯河市舞阳县先朝向东北、2003年朝向西南后继续朝向东北移动；第二阶段是2005—2011年，重心整体朝向东北移动，东向移动了78.81 km，幅度较小，北向移动了157.2 km，幅度相对较大，整体移动距离为175.9 km；第三阶段是2012—2019年，虽然各个年度重心之间存在一定距离，但整体较为聚集，整体共移动了61.50 km，且移动角度先朝向东北，后整体朝东向平移。

3  耕地面积-粮食产量重心的耦合态势分析

通过对2000—2019年我国耕地面积、粮食产量重心分析和对比可知，两者的重心整体在方向上呈同向趋势，但两者的不同年份的空间分布有一定差异，阶段划分也不尽相同，存在一定的空间错位现象，因而需要进一步利用式（3）、（4）、（5）分析两者重心轨迹的耦合趋势，结果见图2。

由于耕地重心分别在2009、2019年有2次较大幅度的移动， 因此需要对耕地面积和粮食产量的重心轨迹重叠性进行分析， 判断两者重心轨迹的位置关系。 由图2可以看出：耕地面积、粮食产量的重心重叠性经历了降低-平稳波动-增长3个阶段。 2000年为重心距离的最大点， 达到229.42 km， 重叠度较低；2001年开始重心距离不断减小，并在2005年开始维持在160 km左右波动，空间重叠性提升，重心区域聚集，并保持较为稳定的状态；2017年重心距离开始增大，2019年两者重心距离陡增至215.28 km。整体来看，耕地面积与粮食产量的重心距离呈现U型特征。

图3所示为2001—2019年中国耕地面积与粮食产量重心一致性的变化。从图中可以看出：耕地面积与粮食产量重心耦合过程中呈现出多次波峰波谷阶段，整体呈现偏离-吻合交替轨迹，一致性指数正值共出现9次，负值出现10次。具体来看，2000—2001年耕地面积与粮食产量重心迁移一致性指数为正值，但数值较小， 呈现直角形态；2003年的一致性指数为0.97， 两者呈反向迁移态势；2004—2006年，两者一致性指数大于0.85，2005年一致性指数达到0.99， 说明两者重心变动方向趋于同步；此后， 一致性指数开始正负交替， 2009—2011年連续呈现反向变动， 并在2010年达到最小值-0.99， 2012—2016年继续聚集-分散交替变动，2016—2018年重心变动再次呈现反向，2019年一致性指数陡增至0.85。

总的来看，全国耕地面积与粮食产量的重心重叠性较为稳定，两者重心距离基本维持在150～160 km，近几年重心距离增大；一致性不断波动，但结合重心移动分析看，两者交替向东北-东移动，方向大体一致。

耕地面积、粮食产量的重心变动与全国不同区域的经济发展水平、人口变动、降水量变化和积温水平变化等众多因素相关。从经济发展水平和人口角度看，城镇化的快速发展［25］与人口的增多增加了建设用地占用耕地的数量，且耕地变化区域正好多集中在经济速度发展较快的中国东部和东南部地区［26］，华东地区和华南地区的耕地面积从2000年的2.54×107、8.28×106 hm2分别减少至2019年的2.12×107、5.70×106 hm2，而东北耕地面积从2000年的2.14×107 hm2增加至2019年的2.99×107 hm2，因而耕地面积重心主要朝东北方向移动。

从土地利用价值驱动变化角度看［27］，随着土地利用的属性、功能及质量的变化，导致耕地非粮化、非农化加剧，耕地常年撂荒或季节性撂荒等现象越来越普遍。农业农村部发布的《2022中国农业农村发展趋势报告》显示［28］，仅2017年全国耕地撂荒6.67×106 hm2以上，撂荒率约7%。由于经济作物的商品率高［29］，且经济价值较高，经济作物的纯收益远高于粮食作物的，因此经济作物逐渐取代粮食作物成为主导性种植作物［30］。经过对我国经济作物产量的重心测算，2000—2019年全国经济作物产量重心移动路径如图4所示。从图中可以看出：全国经济作物产量重心整体向西南方向移动，并在2006—2009年加速向西南方向移动。粮食产量与经济作物产量重心相向而行，且西南部地区的经济作物播种面积从2000年的6.69×106 hm2增加至2019年的1.04×107 hm2，而粮食作物的播种面积由2000年的1.72×107 hm2减少为2019年的1.53×107 hm2。由此可看出，经济作物的种植挤占了粮食作物的种植空间，导致粮食作物产量重心的移动。

從气候角度看， 2019年全国平均降水量达到643.4 mm，其中黑龙江省大部、吉林省中部等地区降水增长较为明显［31］。全国平均气温整体呈现升高趋势，东北、西北地区等地近年来降水偏多时气温却偏低，水热匹配不均，也是造成粮食产量重心变动的主要因素之一。

4  耕地面积与粮食产量空间错位分析

重心和空间重叠性仅能在宏观上揭示两者存在的空间错位现象，无法阐释局部错位强度及模式，因此本文中引入空间错位模型，利用式（6）、（7）、（8）揭示耕地面积和粮食产量之间存在的错位态势和程度。参考自然断点法划分类型，按照多年平均贡献度Ki分为高水平区（Ki≥6.55）、中高水平区（3.45≤Ki＜6.55）、中水平区（1.77≤Ki＜3.45）、中低水平区（0.77≤Ki＜1.77）和低水平区（Ki＜0.77）5种类型，并按照错位指数的正、负值分为正向错位和负向错位，结果如表1和图5所示。

首先，从空间错位程度来看，全国的粮食产量和耕地面积主要集中在中低水平区、中水平区和中高水平区。2000—2019年全国粮食产量与耕地面积错位高水平区有6个，分别为湖南、山东、江苏、甘肃、河南省和内蒙古自治区，其中河南省Ki值最大，为10.94；全国错位低水平区有4个，分别为北京、上海、天津市和西藏自治区。中低水平和中水平省份共13个，占全国类型数量的42%；中高水平省份共8个，占全国类型数量的25.8%。

其次，结合时空演变来看，全国耕地面积与粮食产量由东到西呈现正向错位到负向错位的分布特征。全国东部地区整体呈现正向错位，即较少的耕地面积带来较多的粮食产量，且正向或朝正向变化水平不断变大［见图5（a）］；中部地区除山西省外，错位指数均为正向，且安徽、江西、河南和湖南省正向错位水平稳中有升，不断变大［见图5（b）］；西部地区除重庆市和四川省， 耕地面积与粮食产量整体呈现负向错位， 即较多的耕地面积带来较少的粮食产量， 负向错位的省份中， 除西藏自治区外均呈现中水平以上的错位， 且新疆维吾尔自治区、甘肃省、内蒙古自治区的负向错位水平在不断变大［见图5（c）］。 东北三省中的辽宁、吉林省在正向和负向之间不断波动，而黑龙江省整体呈现出负向错位水平［见图5（d）］。

东、中部地区除北京、天津市和河北省等部分区域位于作物一年一熟带以外，大部分省份处于作物一年两熟带或一年三熟带区域，因而相同耕地面积的粮食产量有所不同，且东部地区海拔较低，坡度平缓，水土条件好［32］，部分区域耕地质量等级较优，有利于推动农业机械化种植和规模经营，因而东、中部地区的整体粮食产量高，耕地面积与粮食产量呈现正向匹配特征。

从西部地区看，西北地区如陕西、甘肃省和宁夏回族自治区等地区地处内陆，气候干旱，降水量少［33］，水资源较为紧张，经济发展水平不高。近年来，随着资金持续投入，退耕还林还草政策使西北地区土地的蓄水保湿能力不断提高［34］，农业生产条件已经有所改善，整体生产水平有所提升，但部分区域的地力条件并没有明显改善，粮食作物产量不高。新疆维吾尔自治区北部气候湿润，水资源充足，农业发展条件较好，但南部为干旱、盐碱和高寒地区，区内遍布戈壁和沙漠，地广人稀，气候干燥，沙尘暴等自然灾害频发，因此该地区的耕地面积与粮食产量错位指标为负值。西藏自治区受气候、海拔、自然灾害等因素影响粮食产量不够稳定［35］。西南地区如四川盆地、云贵高原等多为盆地和丘陵，除海拔较高的地方外，多属于作物一年二熟区，水资源丰富，但水土流失严重，日照时间不足，因此错位指标为中等正向错位或波动错位。

东北三省位于我国黑土地带，适宜粮食作物生产，资源禀赋好，地势平坦，适合规模经营和机械化种植，是我国重要的商品粮生产基地，但东北地区的资源优势并没有带来更多的粮食收益。一是从气候特点看，东北地区受光照、温度和水的影响，作物只能一年一熟［36］，因而基础生产力并不突出；二是东北地区农垦历史较晚，多数地区的水利等农业基础设施老化严重，农耕配套设施薄弱；三是东北地区经济发展困境使地方财政吃紧，配套的惠农政策实施较为困难，基层财政无法负担配套资金［33］，削弱了发展粮食产业内在动力；四是粮食连年丰收使得粮食价格不断走低，农民很难通过种植粮食作物获得较大收益，影响了东北地区粮食产能的稳定，形成了耕地面积与粮食产量正负波动匹配的变化特点。

5  结论与建议

5.1  结论

通过对2000—2019年我国耕地面积、粮食产量的重心偏移和错位程度分析，可以得到以下结论：

从全国尺度上看，研究期内我国耕地面积总量呈现减少趋势，而粮食总产量平稳增长；研究期内耕地面积重心朝向东北移动，粮食产量重心先朝向东北后朝东向平移，两者在2005年开始重心距离较为稳定，而近几年重叠度低，重心从中心区域发散；一致性指数正负交互变动，重心移动方向不断波动，但整体朝向基本一致。在错位程度上，全国的耕地面积和粮食产量主要集中在中低水平区、中水平区和中高水平区，且由东到西呈现正向错位到负向错位的分布特征。耕地面积、粮食产量的重心变动和错位特征与全国不同区域的经济发展水平、人口变动、降水量变化和积温水平变化等众多因素相关，经济作物的西南向移动对两者重心移动也有一定推动作用。

从区域尺度上看，东部地区受水土条件、海拔、熟制、经济发展等影响，整体呈现正向错位，其中中部地区的河南省正向错位贡献度最高；西部地区的地理条件整体偏差，生产水平有待提升，除西南地区部分区域外整体呈现负向错位，且西北地区，尤其是内蒙古自治区、新疆维吾尔自治区等地区的负向错位水平不断变大；东北三省的土地资源禀赋较好，发展潜力大，但受到经济发展程度的制约和气候条件的影响，辽宁、吉林省在正向和负向之间不断波动，而黑龙江省整体呈现出负向错位水平。

5.2  政策建议

本文中基于我国耕地面积和粮食产量数据的研究，揭示了两者的耦合关系。当前在保护耕地和稳步提升粮食产量的政策措施方面还存在一定问题，因而在政策制定上提出以下建议：

1）耕地资源禀赋存在区域差异，应因地制宜发展具有比较优势的农业产业，强化专业化的优势种植，重点保护和发展全国粮食主产区，以及产量高且稳定的耕地区域，改造资源禀赋好、粮食产量增长上有潜力的耕地區域。

2）对于资源禀赋好，但经济发展较为薄弱的地区，可以建立健全农民种粮收益保障机制，加大耕地地力保护补贴，鼓励制定农业专项补助资金、政策性农业保险补助等惠农惠粮政策，可采取粮食主销区向粮食主产区生产者进行双向利益补偿等方式提升耕地保护和粮食种植的积极性，并在财政上给予支持和倾斜。

3）对于具有一定发展潜力的地区，可以改善耕地质量，推广绿色生态种植模式，科学、系统地提升耕地质量，提升地力，加快推动“藏粮于地、藏粮于技”战略落实落地。

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（责任编辑：于海琴）