薛劍，韓娟，劉玉，張鳳榮

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地資源管理系，北京100094;2.國土資源部土地整治中心，北京100035;3.地質(zhì)出版社，北京100083;4.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097)

糧食安全事關(guān)國計民生，一直是全球關(guān)注的熱點問題[1]。國內(nèi)外學(xué)者基于全國、流域和省域等不同尺度，從糧食總產(chǎn)、糧食單產(chǎn)、人均糧食占有量、耕地變化等方面圍繞糧食生產(chǎn)與糧食供應(yīng)安全開展了大量研究[2-3]。宏觀視角的研究表明，我國傳統(tǒng)的“南糧北調(diào)”格局被“北糧南調(diào)”格局所取代，北方糧食生產(chǎn)全面超越南方[4];糧食生產(chǎn)重心呈現(xiàn)“北進中移”的遷移態(tài)勢，重心移動速率不斷增大[5];案例研究逐步由東部沿海省份和東北地區(qū)向中西部省份轉(zhuǎn)移，基于縣域單元的省域研究日益增多[6-7]。這些研究為我國糧食生產(chǎn)布局優(yōu)化、糧食發(fā)展政策制定提供了科學(xué)依據(jù)和經(jīng)驗借鑒。然而，現(xiàn)有研究往往忽視空間因素對糧食生產(chǎn)區(qū)域格局形成的影響，研究成果的應(yīng)用性受到較大限制[8]。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，運用探索性空間數(shù)據(jù)分析法(ESDA)探討省域內(nèi)縣域糧食生產(chǎn)格局變化的研究增多[9-10]，從技術(shù)手段上支持了深層次的糧食生產(chǎn)空間格局研究。

河南省是我國13個糧食主產(chǎn)省份之一，也是《全國新增1 000億斤糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃(2009—2020年)》中確定的重點區(qū)域之一，對保障我國糧食安全、穩(wěn)定糧食價格發(fā)揮著重要作用。隨著《中原經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃(2012—2020年)》的出臺，中原經(jīng)濟區(qū)正式上升為國家戰(zhàn)略，河南省將全力打造全國“三化”協(xié)調(diào)發(fā)展的示范區(qū)。隨著河南省城市化、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整進程的加快，耕地變化等對糧食生產(chǎn)的資源性約束也將日益突出。為此，本研究選取1980，1990，2000和2010年為研究斷面，運用探索性空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)、重心模型等方法，探討河南縣域糧食生產(chǎn)的時空動態(tài)及其驅(qū)動機制，以期為糧食生產(chǎn)布局優(yōu)化、糧食生產(chǎn)政策制定提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河南省地處我國中東部、黃河中下游，位于31°23'N～36°23'N、110°21'E～116°39'E之間，與江蘇、山東、安徽、河北、山西、陜西、湖北相臨，土地面積16.70×104km2;地勢西高東低，地貌類型復(fù)雜多樣;屬暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風氣候，年平均氣溫12.4℃～16.1℃，年均降雨量432～1 632 mm，氣候溫和，無霜期較長，適宜種植多種農(nóng)作物。在《農(nóng)用地分等規(guī)程》(TD/T 1004—2003)中，根據(jù)熱量、水分、地貌以及社會經(jīng)濟條件，將河南省劃分為燕山太行山山前平原區(qū)、冀魯豫低洼平原區(qū)、黃淮平原區(qū)、鄂豫皖丘陵山地區(qū)、豫西山地丘陵區(qū)5個耕作制度二級類型區(qū)(表1)。全省共設(shè)17個設(shè)區(qū)市，21個縣級市，88個縣，50個市轄區(qū)。從數(shù)據(jù)的可獲得性和研究需要出發(fā)，以2010年為基準對行政區(qū)劃單元進行修正，將各地級市轄區(qū)進行歸并，如鄭州市中原區(qū)、二七區(qū)、管城區(qū)、金水區(qū)、上街區(qū)、惠濟區(qū)統(tǒng)一歸并為鄭州市區(qū)，最終選取126個單元。1980年的糧食產(chǎn)量等數(shù)據(jù)由中國自然資源數(shù)據(jù)庫提供，1990，2000和2010年數(shù)據(jù)來源于相應(yīng)年份的《河南統(tǒng)計年鑒》、《河南農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》、《河南改革開放30年》。

表1 河南省耕作制度分區(qū)Tab.1 Division of standard farming system in Henan

2 研究方法

2.1 探索性空間數(shù)據(jù)分析法

探索性空間數(shù)據(jù)分析ESDA是一系列空間分析方法和技術(shù)的集合，通過對事物或現(xiàn)象分布格局的描述與可視化探究區(qū)域?qū)傩灾档姆植寄Ｊ胶涂臻g相對差異?？臻g自相關(guān)分析分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)分析。本研究采用Global Moran’sI和Local Moran’sI統(tǒng)計量進行空間關(guān)聯(lián)分析[11]。

2.2 重心遷移模型

重心遷移模型通過計算特定區(qū)域某一時段糧食產(chǎn)量的分布重心來描述糧食生產(chǎn)的時空分布格局[5]。

式中:Xj，Yj分別表示第j年糧食產(chǎn)量的區(qū)域重心坐標;Xi，Yi分別表示i縣域的重心坐標;Gij表示i縣域第j年的糧食產(chǎn)量;dm為重心遷移距離(km)。

2.3 空間回歸分析法

當統(tǒng)計指標存在空間自相關(guān)時，殘差就不再相互獨立，因此，存在空間自相關(guān)的數(shù)據(jù)不適合采用普通最小二乘法(OLS)回歸模型。將空間相互關(guān)系引入模型，對線性回歸模型通過空間權(quán)重矩陣w進行修正的空間計量經(jīng)濟模型能較好的解決這一問題，其中空間滯后模型(spatial lag model，SLM)和空間誤差模型(spatial error model，SEM)較為常用[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 糧食生產(chǎn)總體特征

1980年以來，河南省糧食產(chǎn)量及其在全國糧食總產(chǎn)量中的比例均呈現(xiàn)增長態(tài)勢(圖1)。2010年全省糧食產(chǎn)量為5 437.1萬t，是1980年的2.53倍，年均增長率為3.14%;人均糧食占有量由1980年的295 kg/人增加至2010年的543 kg/人，年均增長率2.05%;糧食產(chǎn)量在全國糧食總產(chǎn)量中的比例也呈現(xiàn)增長趨勢，由1980年的6.88%增加到2000年的8.87%，2001—2005年在9.00%上下徘徊;2006年以后基本維持在10%。

圖1 1980—2010年河南省糧食產(chǎn)量及其占全國比例Fig.1 The grain yield of Henan Province and its proportion in China from 1980 to 2010

從不同耕作區(qū)的糧食產(chǎn)量分布看(圖2)，黃淮平原區(qū)糧食產(chǎn)量所占比例最大，1980年以來占河南糧食總產(chǎn)量的50%以上，31年間比例提高了4.43%;冀魯豫低洼平原區(qū)所占比例由9.48%提高到12.29%;鄂豫皖丘陵山地區(qū)糧食產(chǎn)量比例略有下降;燕山太行山山前平原區(qū)、豫西山地丘陵區(qū)下降明顯，分別降低了2.64%和3.70%，河南省糧食生產(chǎn)向平原區(qū)集中分布的趨勢明顯。

圖2 1980—2010年河南省不同耕作區(qū)糧食產(chǎn)量分布Fig.2 Distribution of grain production in different farming system divisions in Henan Province from 1980 to 2010

1980年糧食產(chǎn)量Gi＞30萬t的縣域為6個，2010年為81個，糧食產(chǎn)量占全省總產(chǎn)量的比例由9.03%增至86.28%。1980—2010年間，Gi＞50萬t的縣域由0個增至60個，糧食產(chǎn)量比例增至72.74%，主要分布在黃淮平原區(qū)、冀魯豫低洼平原區(qū)和鄂豫皖丘陵山地區(qū);40萬～50萬t的縣域由0個增至7個，縣域糧食產(chǎn)量比例增加至5.33%;30萬～40萬t的縣域由6個增至14個，但縣域糧食產(chǎn)量比例由9.03%下降至8.21%，分布較分散;Gi＜30萬t的縣域個數(shù)和糧食產(chǎn)量比例均下降，集中分布在豫西山地丘陵區(qū)以及鄂豫皖丘陵山地區(qū)西部。與1980年相比，2010年118個縣域糧食產(chǎn)量增加，其中增加量＞45萬t的縣域27個，在黃淮平原區(qū)分布密集，糧食生產(chǎn)向產(chǎn)糧大縣集中;8個縣域糧食產(chǎn)量下降(表2)。95個糧食主產(chǎn)縣1980，1990，2000和2010年糧食產(chǎn)量占全省糧食產(chǎn)量的比例分別為81.41%，86.27%，88.01%和89.78%，呈逐年增加的趨勢?？梢姡幽鲜】h域糧食總產(chǎn)量呈現(xiàn)“東高西低”的分布格局，糧食生產(chǎn)向產(chǎn)糧大縣和東部平原區(qū)集中，且隨時間推移，這種分異格局愈加明顯(圖3)。

表2 1980—2010年河南省糧食縣域生產(chǎn)分布Tab.2 Distribution of counties with different grain production in Henan Province from 1980 to 2010

圖3 1980—2010年河南省糧食總產(chǎn)量及其變化Fig.3 Spatial patterns of grain production and changes at county level in Henan Province from 1980 to 2010

3.2 縣域糧食空間差異

采用GeoDa軟件計算了4個年份縣域糧食生產(chǎn)的全局自相關(guān)系數(shù)Moran’sI。整個研究期間，全局Moran’sI估計值全部為正，從1980年的0.142 8增加到2010年的0.422 7，總體上呈現(xiàn)擴大趨勢。表明1980年以來河南省各縣域糧食生產(chǎn)存在顯著的正空間自相關(guān)特性，即糧食產(chǎn)量水平較高的縣域趨于相鄰，糧食產(chǎn)量水平較低的縣域也趨于相鄰，呈現(xiàn)出空間上高高集聚(H-H)、低低集聚(L-L)的集中分布。同時，隨著時間的推移，這種正的空間自相關(guān)增強的趨勢表明同期河南省糧食生產(chǎn)增長差異也存在相似的趨勢。

由于Moran’sI估計值是一種總體統(tǒng)計指標，只能顯示某一區(qū)域與其周邊地區(qū)空間差異的平均程度，不能全面反映區(qū)域糧食的局部空間特征及其空間關(guān)系。因此，需要借助Moran散點圖和LISA聚集圖進一步分析縣域糧食生產(chǎn)的局部空間特性。根據(jù)縣域糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)，得到河南省1980，1990，2000和2010年糧食生產(chǎn)的Moran散點圖，統(tǒng)計出在p=0.05顯著性水平下的4種空間聯(lián)系類型的縣域數(shù)。31年間，位于H-H和L-L象限的縣域數(shù)量由75個增至97個，1980，1990，2000和2010年位于H-H和L-L象限的縣域分別占縣域總數(shù)的59.5%，70.6%，73.8%和77.0%，位于H-H象限的縣域糧食產(chǎn)量分別占河南省糧食總產(chǎn)量的54.2%，59.0%，58.7%和61.8%，表明河南省糧食生產(chǎn)的局部空間自相關(guān)顯著，且集聚能力不斷增強。

圖4 1980—2010年河南省縣域糧食產(chǎn)量的LISA聚集圖Fig.4 LISA cluster map for grain production at county level from 1980 to 2010 in Henan Province

將Moran散點圖與LISA顯著性水平相結(jié)合，繪制p=0.05顯著性水平下的Local Moran’sI圖，進一步分析河南省縣域糧食生產(chǎn)的空間自相關(guān)程度及其演化過程(圖4)。①顯著的H-H類型區(qū)在研究期內(nèi)有一定變化。1980年，H-H類型區(qū)主要分布在周口、南陽和許昌。隨著時間推移，以周口為核心的H-H類型區(qū)呈現(xiàn)“北進南擴”的趨勢，范圍明顯擴大，其他的呈現(xiàn)分散分布且不穩(wěn)定。該區(qū)位于黃淮平原區(qū)，是全國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，光熱水土資源匹配較好，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，農(nóng)用地綜合生產(chǎn)能力較高。②顯著的L-L類型區(qū)在洛陽、三門峽和南陽西北部呈現(xiàn)面狀分布，并逐步向平頂山和鄭州擴展。該類型區(qū)處于豫西山地丘陵區(qū)，地勢起伏度較大，水土流失較為嚴重，耕地地力差，農(nóng)田基礎(chǔ)建設(shè)滯后，耕地綜合生產(chǎn)能力低。③顯著的低高(L-H)類型區(qū)和顯著的高低(H-L)類型區(qū)分布的縣域較少，規(guī)律性不甚明顯。

3.3 糧食生產(chǎn)重心變化

利用公式(1)～(3)計算出河南省4個研究年份的糧食生產(chǎn)重心，河南省糧食生產(chǎn)重心在許昌縣和鄢陵縣境內(nèi)移動。2010年與1980年相比較，向東南方向偏移了26.07 km，經(jīng)向移動距離遠大于緯向移動距離。這主要是由于河南東部的黃淮平原區(qū)糧食生產(chǎn)占全省的比例較高，且呈現(xiàn)增加趨勢，而豫西山地丘陵區(qū)糧食生產(chǎn)比例持續(xù)下降，共同造成了河南省糧食生產(chǎn)重心向東南方向偏移。重心模型的分析結(jié)果與空間自相關(guān)分析的結(jié)果一致，即河南省糧食生產(chǎn)集中于黃淮平原區(qū)，表現(xiàn)出一定的空間集聚性。

3.4 糧食生產(chǎn)空間格局變化的驅(qū)動機制

影響糧食生產(chǎn)空間格局變化的主要因素包括自然因素和經(jīng)濟社會投入因素?；诂F(xiàn)有研究成果[9，12]，并咨詢相關(guān)領(lǐng)域的專家，本研究選擇了農(nóng)林牧漁業(yè)勞動力、農(nóng)業(yè)機械總動力等12個主要因素;鑒于河南省縣域糧食生產(chǎn)存在較強的空間自相關(guān)性，因此，利用126個縣域糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)與12個主要影響因素進行空間回歸分析。初步計算結(jié)果顯示:3個年份SLM和SEM模型的擬合系數(shù)均高于經(jīng)典回歸模型，且以SEM的擬合系數(shù)最高，因此，以1980年的縣域糧食生產(chǎn)為基礎(chǔ)，以SEM模型的估計結(jié)果，分析1990，2000和2010年縣域糧食生產(chǎn)格局演化的影響因素(表3)。

由表3可知，1990年化肥投入量、農(nóng)村居民人均純收入、農(nóng)林牧漁勞動力是影響縣域糧食產(chǎn)量格局的主要因素;2000年演變?yōu)檗r(nóng)林牧漁業(yè)勞動力、復(fù)種指數(shù)、種植結(jié)構(gòu)、灌溉面積比率、農(nóng)用機械總動力、化肥投入量、耕地面積和前期糧食產(chǎn)量等多個因素共同影響的特征;2010年，耕地面積和前期糧食產(chǎn)量的回歸系數(shù)分別提高到0.509和0.486，農(nóng)林牧漁業(yè)勞動力對糧食產(chǎn)量的影響由正向顯著轉(zhuǎn)化為負向顯著，表明農(nóng)林牧漁業(yè)勞動力的過剩阻礙了糧食生產(chǎn)的進一步提高;2010年，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對糧食生產(chǎn)的影響為負，且通過顯著性檢驗，表明非農(nóng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對糧食生產(chǎn)的負面影響已經(jīng)顯現(xiàn)?？傮w而言，隨著糧食播種面積單產(chǎn)提升幅度的降低，糧食總產(chǎn)格局更多地依賴于耕地面積、復(fù)種指數(shù)和種植結(jié)構(gòu)，農(nóng)藥、化肥等的投入因素的影響作用逐漸降低。

表3 空間殘差回歸分析結(jié)果Tab.3 Estimated results of SEM in 1990，2000 and 2010

4 結(jié)論與討論

1)研究期內(nèi)河南省糧食總產(chǎn)量及其在全國糧食產(chǎn)量中的比例增加，糧食生產(chǎn)向產(chǎn)糧大縣、黃淮平原區(qū)集中;糧食生產(chǎn)重心東南方向偏移了26.07 km，糧食生產(chǎn)“東高西低”的態(tài)勢更加顯化。

2)1980—2010年河南省縣域糧食生產(chǎn)具有明顯的正相關(guān)性，全局空間自相關(guān)系數(shù)增加，糧食生產(chǎn)存在顯著的空間聚集分布;1980，1990，2000和2010年位于HH和L-L象限的縣域分別占總單元數(shù)的59.5%，70.6%，73.8%和77.0%，局部集聚格局顯著，集聚能力不斷增強;顯著H-H類型區(qū)主要分布在周口、南陽和許昌，顯著L-L類型區(qū)在洛陽、三門峽和南陽西北部呈現(xiàn)面狀分布。

3)前期糧食產(chǎn)量、耕地面積、復(fù)種指數(shù)和種植結(jié)構(gòu)等對河南糧食生產(chǎn)格局的影響日益提高，而農(nóng)林牧漁勞動力、化肥投入、農(nóng)藥投入等的影響不顯著或者呈現(xiàn)負影響。在現(xiàn)階段，穩(wěn)定耕地面積并適當提高復(fù)種指數(shù)和糧食作物比例，優(yōu)化化肥、農(nóng)藥等的投入結(jié)構(gòu)，是提高糧食產(chǎn)量的重要途徑。

4)本研究采用空間分析和空間回歸分析等方法，揭示了1980—2010年河南省縣域糧食生產(chǎn)的時空演化特征，并初步分析了糧食生產(chǎn)時空演化的驅(qū)動機制。受數(shù)據(jù)資料和文章篇幅的限制，本研究在指標選取上未考慮溫度、降水等氣候因素;只是概略地分析了投入要素的數(shù)量，而對要素投入質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的分析明顯不足。因此，針對不同類型區(qū)選取典型縣域，綜合考慮氣溫、降水等自然因子，深入研究要素投入數(shù)量、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)等對糧食產(chǎn)量的影響，是下一步亟需研究的重要方向。

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