基于全國的區(qū)域糧食生產安全預警模型研究

基于全國的區(qū)域糧食生產安全預警模型研究

1糧食生產安全預警方法與空間、時間、空間和時間預警的同步研究糧食生產安全是糧食安全的第一個障礙。我國的糧食生產出現問題,將直接影響我國乃至世界的糧食安全。由于糧食生產自身的特點,不僅總產量在不同年度間經常產生很大的變異,而且在總產量不變時其實際供應量在不同時間和不同地區(qū)也可能發(fā)生很大變化。因此,根據糧食生產的特點制定適當的政策并采取有效的措施,是保障糧食安全的基本前提。對于中國這樣的人口大國,通過糧食主產區(qū)糧食生產安全預警研究,來評價和預測糧食主產區(qū)糧食生產的安全性和穩(wěn)定性,對于我國糧食政策的制定以及保障我國的糧食安全顯得尤為迫切和必要,因此研究糧食生產安全預警對于保證我國糧食安全具有十分重要的理論和實際意義。糧食生產安全的核心是耕地安全,耕地的安全既有數量安全又有質量安全,耕地變化既有空間上的變化也有時間上的變化,而且空間的分布對于糧食生產安全也具有一定的影響。就農業(yè)預警而言,其在理論層次的研究也逐漸成熟,但耕地預警理論的具體應用比較少,真正意義的耕地預警系統(tǒng)的建立目前也只停留在理論研究的層面。已有的耕地預警研究更多的是側重數量預警,并且這種預警僅僅是在時間尺度上的預警,而在空間上進行討論的相關研究不多。耕地質量的預警更少且研究不夠,能夠將二者結合起來進行耕地預警的研究也不多見。因此,本文在糧食生產安全預警方法上進行探討,即從國家層面考慮區(qū)域的糧食生產安全,實現空間和時間預警的同步及耕地質量和耕地數量預警的同步,不僅具有一定的理論意義,而且具有較強的實用性和可操作性。本文選取了東北地區(qū)這一較為完整的地理單元,開展實證研究,為我國振興東北老工業(yè)基地保障國家的糧食安全服務。2對東北糧食生產安全預警的意義東北地區(qū)位于我國東北部,包括黑龍江、吉林和遼寧三省,縱跨緯度14°50′,介于北緯38°43′-53°33′之間,南北長1600km;橫跨經度16°14′,西起東經118°50′,東至東徑135°05′,東西寬約1400多公里。東北地區(qū)氣候資源比較豐富,具有太陽輻射較強,夏季氣溫高,降水比較適中,雨熱同期,晝夜溫差大等特點,對農作物生長有利。該地區(qū)土地肥沃,是我國主要糧食生產基地。該研究區(qū)內耕地面積2.1×107ha,占全國耕地面積的16.55%,2006年糧食產量占全國糧食產量的15.66%。東北地區(qū)作為我國最大的商品糧基地,確保其糧食生產產量,對全國的糧食安全具有很重要的作用。東北地區(qū)宜農荒地經過幾年的開發(fā),所剩的耕地后備資源已相當有限。而且近年來,由于土地用養(yǎng)失調,地力下降日趨明顯,糧食增產后勁不足。東北地區(qū)的糧食綜合生產能力正在承受著一定的潛在性威脅。因此,以東北地區(qū)作為研究區(qū)域,進行區(qū)域性糧食生產安全預警研究,探討區(qū)域性糧食生產安全預警的理論和方法體系,及時準確地掌握東北地區(qū)糧食生產安全狀況與趨勢,對發(fā)展我國區(qū)域性糧食生產,保障國家糧食安全具有重要的意義。本次研究需要的行政區(qū)劃數據、DEM、坡度、坡向等自然環(huán)境數據以及與糧食生產密切相關的灌溉面積、糧食播種面積、化肥用量等社會經濟統(tǒng)計數據均來源于科技部科研院所社會公益研究專項“中國區(qū)域性耕地資源變化影響評價及其預警”所建立的“東北地區(qū)資源環(huán)境基礎數據庫”。3以耕地自然質量為基礎的耕地質量預警系數糧食生產安全模型是以最小人均耕地面積為基礎的耕地數量預警系數和以耕地自然質量以及其他投入因素為基礎的耕地質量預警系數相互結合的產物。通過對兩個模型的計算以及其警限、警度區(qū)間的確定,可以進行東北三省糧食生產安全模型預警。3.1最小均耕地模型最小人均耕地面積是耕地數量預警模型中最重要的一個參數,其定義為:在一定區(qū)域范圍內,一定食物自給水平和耕地綜合生產能力條件下,為了滿足每個人正常生活的食物消費所需的耕地面積。最小人均耕地面積給出了為保障一定區(qū)域食物安全而需要保護的耕地數量底線。最小人均耕地面積是糧食供給度、糧食消費水平、糧食綜合生產能力等因子的函數,可用如下模型計算:公式(1)中:Smin為最小人均耕地面積(ha/per);β為糧食供給度(%);Gr為人均糧食需求量(kg/per/year);P為糧食單產(kg/ha);Q為糧食播種面積占耕地面積的百分比(%);公式(1)中最小人均耕地面積Smin與人均糧食需求量Gr及糧食供給度β成正比,而與糧食單產P、糧食播種面積占耕地面積百分比Q成反比。顯然,在耕地糧食生產能力不變而人均糧食消費水平及糧食供給度水平較高時,要求有較大的最小人均耕地面積;在保持一定糧食供給度和食物消費水平條件下,隨著糧食單產提高及糧食播種面積占耕地面積比重的增大,所需最小人均耕地面積減小。3.2ha/per法耕地數量預警系數是人均所需最小耕地面積與實際人均耕地面積之比,可以衡量一個地區(qū)耕地資源的緊張程度。其計算公式為:公式(2)中:Smin為最小人均耕地面積(ha/per);K為耕地數量預警系數;Sa為實際人均耕地面積(ha/per)。由于人口數量、耕地生產力、人均糧食消費水平等因素都是動態(tài)的,因而最小人均耕地面積和實際人均耕地面積都隨時間和空間發(fā)生變化,因此耕地數量預警系數也是一個隨時空變化的變量。耕地數量預警系數給出了耕地保護的閾值,可作為耕地保護的調控指標。不同時空截面上的K值大小反映了此時此處耕地資源所承受的壓力水平,根據K的大小選擇不同的對策措施,以調節(jié)耕地資源所承受的壓力,實現耕地資源的可持續(xù)利用。3.3耕地生產力總量模型耕地質量預警系數通過耕地質量參評因子來反應耕地質量變化的程度,該系數側重耕地質量的變化對糧食生產安全的影響,其表達式如下:公式(3)中:R為耕地質量預警系數;Ti和Tj分別表示預警年份和基準年耕地生產力總量;ΔX為與基準年相比人口增加數量(ΔX>0),N為基準年人均耕地生產力總量。而公式(3)中耕地生產力總量采用多元回歸分析進行計算,其可以表示為:T=B0+B1f+B2X2+......+BmXm(4)公式(4)中:T為區(qū)域耕地生產力總量;f為耕地自然質量指數,Xi為分別表示糧食播種面積、農業(yè)投入因素(包括化肥使用量、農村用電量、農機總動力以及有效灌溉面積等)。根據模型預警的原理,將耕地數量預警系數和耕地質量預警指數結合可以進行耕地預警。根據東北地區(qū)的具體的耕地狀況,以通過預測模型計算得到的耕地數量預警系數和耕地質量預警系數獲取警度的級別,分別是無警、輕警、中警、重警和巨警(表1所示)。4耕地自然質量及警度特征計算耕地數量預警系數值K首先要計算最小人均耕地面積,公式(1)為最小人均耕地面積的計算公式,其中糧食供給度β選取為100%,這是考慮到東北地區(qū)的糧食輸出情況而定的;人均糧食需求量Gr是采用東北三省多年的人均糧食輸出量對全國的人均糧食占有量無警警限進行修訂的結果。1996年發(fā)布的《中國的糧食問題》白皮書中確定2030年中國的人均量是占有量指標不低于400kg就可以滿足人民生活水平提高和營養(yǎng)改善的要求,且該數值在較多的研究中采用,根據東北地區(qū)1995～2003糧食輸出情況,東北地區(qū)多年的人均輸出量為294.98kg。在全國人均糧食占有量的基礎上,利用東北地區(qū)平均的年人均糧食輸出量295kg進行修正,從而確定東北地區(qū)人均糧食占有量無警的警限值695kg/per/year。而人口總數、糧食單產、糧食播種面積和耕地面積利用歷史統(tǒng)計數據,采用灰色預測和時間序列預測方法進行預測得到。耕地質量預警系數模型公式(3)中的耕地生產力總量采用多元逐步回歸分析公式(4)的方法得到。而回歸模型所需的耕地自然質量指數來源于耕地質量評價結果,即對影響耕地自然質量的因素(包括海拔、坡向、坡度、降水量、≥10℃積溫、成災率、土壤pH值、有機質、速效磷、速效鉀、堿解氮、表土含鹽量等)經過標準化后,采用加權求和的方法得到,它能夠反映耕地自然質量的高低。為了反映各縣耕地自然質量的差異,需計算各縣單位面積耕地內的自然質量指數。有了公式(2)和公式(3)所需的各個參數的值,在ARCGIS9.0中,建立GIS模型,計算出各縣的耕地數量預警系數和耕地質量指數,得到警度判定的要素值,并根據警度判定的準則,利用GIS空間表達和分析功能,采用分級制圖法來表達各縣的警度情況。如圖1所示為東北三省2000年、2003年和2010年的糧食生產安全警度空間分布圖,從圖上可以直觀地看出,黑龍江省2003年出現巨警和重警的縣比2000年要多,而從表2中的統(tǒng)計數據可以更加明顯看出,2000年出現警情的縣有41個,其中有11個縣出現巨警,有16個縣出現重警,有1個縣出現重警,有13個縣出現輕警;2003年出現警情的縣有49個,其中出現巨警的縣有26個,出現重警的縣有12個,出現中警和輕警的縣分別有3個和8個。2000年出現巨警的縣的數目比2003年要少,而出現重警縣的數目相差不大,而且2003巨警和重警主要出現在黑龍江省的一個糧食主產區(qū)松嫩平原農牧區(qū),從圖上看該區(qū)域基本上是以巨警和重警為主;而2000年該區(qū)域出現無警和輕警,巨警區(qū)域明顯減少,重警區(qū)域差別不大。而黑龍江省另外的一個糧食主產區(qū)三江平原農牧區(qū)各縣的警度沒有太大差異。此外,大小興安嶺林業(yè)區(qū)和張廣才嶺老爺嶺林農區(qū)若干個縣的警度都有所增加。因此,總體上看黑龍江省2003年的糧食生產安全程度比2000年要差。從糧食內貿(圖2所示)可以看出,黑龍江省2003年輸出的糧食比2000年要少,這也證明了這種對黑龍江省糧食生產安全判定的結論是可信的。從圖1中可以看出,2000年吉林省糧食主產區(qū)中部平原農業(yè)區(qū)以重警為主,而2003年該區(qū)域以無警狀態(tài)為主,顯然2000年的糧食生產安全程度低于2003年。而且從表2中可以看出,吉林省2000年共有37個縣出現警情,其中巨警縣有10個,重警縣17個,中警縣1個,輕警縣有9個;而2003年吉林省有26個縣出現警情,其中有10個縣出現巨警,有5個縣出現重警,3個縣出現中警,8個縣出現輕警。從巨警縣來看,2000年巨警主要發(fā)生在西部平原農牧區(qū)和長白山地林農區(qū),而2003年巨警主要發(fā)生在長白山地林農區(qū)。此外,2000年重警區(qū)域主要位于吉林省糧食主產區(qū)中部平原農業(yè)區(qū),而2003年重警區(qū)域遠少于2000年,且位于非糧食主產區(qū)。所以說,2003年的糧食生產狀況比2000年要好,產量相對來說是增加的。從2003年的糧食內貿數據也可以看出這一點(圖2所示),因為2003年吉林省輸出的糧食量比2000年要多。從圖1可以看到,遼寧省2000年除了東部山地農業(yè)區(qū)的北部是輕警外,其他的區(qū)域都處于重警和巨警狀態(tài),其中以巨警為主,重警區(qū)域主要分布在中部平原農業(yè)區(qū)中間的狹長地帶,而2003年,巨警主要位于西部低山丘陵農業(yè)區(qū)和濱海農業(yè)區(qū)。而糧食產區(qū)中部平原農業(yè)區(qū)出現了一部分無警區(qū)域,該區(qū)域其余縣的狀態(tài)沒有變化,且東部山地農業(yè)區(qū)基本以輕警為主?？梢?遼寧省2000年的糧食生產安全程度比2003年要差,盡管2003年的安全程度也不高。從表2可以看到,遼寧省2000年共有44個縣出現警情,其中巨警縣有31個,重警縣有8個,輕警縣有5個,而2003年,遼寧省出現警情的縣共有41個,其中巨警縣有19個,重警縣有11個,中警縣有1個,而輕警縣有10個。從數據上可以看出,比2000年有警的縣減少,有警的程度也相應減輕,因此,糧食產量也會相應增加。圖2所示糧食內貿中,遼寧省2000年糧食輸入量比2003年要多也就證明了上述結論的可靠性。從圖1和表2中可以明顯看出來,2010年東北三省中遼寧和黑龍江省各縣的糧食生產安全程度較2003年都明顯增高,出現警情的縣減少,且出現重警以上的縣也有了不同程度的減少。而吉林省的糧食出現警情比2003年要嚴重,主要表現在出現重警的縣明顯增加。但總體而言,東北三省的糧食生產安全程度較2003年都有所提高。雖然預測帶有一定的不確定性,但是從某種程度上也反映了近兩年來中央加大對農業(yè)投入的力度,特別是對糧食主產區(qū)耕地保護和農民種糧積極性的調動(包括取消農業(yè)稅,工業(yè)反哺農業(yè)等措施)而取得的成效。5糧食生產安全模型的驗證糧食生產安全模型可以反應糧食生產的安全程度。鑒于耕地安全是糧食生產安全的核心所在,糧食生產安全模型可以從耕地質量和數量綜合角度來考慮,并通過設立耕地的雙重預警來實現,即通過GIS手段獲得東北三省耕地的時空變化數據來反應區(qū)域耕地的數量和質量的變化,并由此反映區(qū)域的糧食生產安全狀況。利用2000年和2003年的糧食生產歷史狀況數據對模型進行驗證,結果表明糧食生產安全模型能夠反映東北三省2000年和2003年的糧食生產安全狀況。吉林和遼寧兩省2000年糧食生產安全程度低于2003年,遼寧省糧食內貿數據表明2003年遼寧省調入糧食比2000年明顯要少,吉林省2000年輸出糧食數量比2003年輸出糧食數