中國耕地面積-糧食產量重心遷移軌跡特征及空間錯位關系

王楠 陳從喜 郭文華 李士偉 齊書花 朱先云 蘇宇 李政 高宇

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

摘要：為了探究糧食資源和耕地利用效率的協調統一，利用2000—2019年中國耕地面積和糧食產量數據，以省域為研究對象，基于重心模型和空間錯位指數，系統分析全國耕地面積、糧食產量重心遷移軌跡特征及空間錯位關系。結果表明：研究期內耕地面積重心與糧食產量重心變化方向不盡相同，耕地面積重心從河南省博愛縣向東北移動，而糧食產量重心則先從河南省舞陽縣向東北后再向東向平移；全國的糧食產量和耕地面積主要集中在中水平區和中低水平區，且由東到西呈現正向錯位到負向錯位的分布特征；耕地面積和糧食產量受資源稟賦影響較大，但經濟發展水平、人口、降水量和積溫水平等因素也具有一定的推動作用。

關鍵詞：耕地；糧食產量；重心模型；空間錯位指數

中圖分類號：N91

文獻標志碼：A

開放科學識別碼（OSID碼）：

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????????? 網絡首發時間：2023-11-13T11：56：41

基金項目：國家自然科學基金項目（41907118）；自然資源部部門預算項目（121101000000190003）

第一作者簡介：王楠（1991—），女，北京人。助理研究員，碩士，研究方向為土地資源利用。E-mail： nwang@infomail.mnr.gov.cn。

通信作者簡介：陳從喜（1963—），男，安徽蕭縣人。研究員，博士，研究方向為國土資源戰略和形勢分析。E-mail： cxchen@infomail.

mnr.gov.cn。

網絡首發地址：https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231109.2120.004

耕地是糧食生產的基礎， 耕地面積的變化關系到國家糧食安全， 進而影響國家社會經濟可持續發展。 雖然我國糧食總產量從2000年到2019年增長了44.9%， 但糧食年均進口量自2014年以來始終保持在108 t以上， 2017年中國糧食累計進口達到1.31×108 t，創下歷史記錄［1］。牢牢守住“18億畝耕地紅線”，確保糧食穩定生產對于我國這樣一個擁有14億人口的大國尤其重要［2］。

進入21世紀以來， 隨著我國城市化和工業化的快速發展， 耕地被建設用地占用、后備資源不足等問題給糧食安全帶來了嚴重威脅， 因而引發國內學者廣泛關注［3］。 此外， 耕地和淡水資源供給明顯不足， 使得我國糧食供應結構性矛盾突出， 需要借助進口來調劑需求［4-6］。 耕地面積和糧食產量關系密切， 如何協調兩者之間的關系， 是關系國家耕地保護和糧食生產穩定和發展的重大問題。 當前針對我國耕地和糧食產量的研究主要集中在以下幾個方面：1）有關耕地數量和質量變化影響因素的研究主要圍繞人文因素和社會因素展開， 有學者認為土地復墾、整理、農業結構調整［4］、生態退耕［7］、農田棄耕和撂荒等帶來的耕地面積的變化［8］， 而自然因素以及自然環境的改善， 如土壤質地、土層厚度［9］變化則對耕地生產潛力產生影響［10］。 2）有關影響糧食產量的因素研究主要從糧食供需角度展開， 有學者認為糧食生產面臨的約束主要包括資源環境［11］、要素成本［12］、科技水平、勞動力水平［13］、農業投資水平［14］、農業機械化水平、農業物資投入和農業經濟水平［15］等方面， 而糧食的需求則受居民消費水平的影響［16］。 3）耕地和糧食產量的區域特征和空間演變態勢的分析紛紛涌現， 如張國平等［17］根據20世紀80年代末期、1995—2000年的遙感數據， 對我國耕地時空變化進行分析， 認為全國耕地資源總量增加， 但耕地生態環境質量下降。 王凱澄等［18］利用1985—2015 年中國縣域糧食產量數據， 定量分析了基于地貌分區的中國糧食生產時空分異特征。 上述分析表明， 已有研究多從區域尺度對耕地面積和糧食產量2項指標進行分析， 對于耕地面積和糧食產量兩者的空間耦合關系進行分析少有關注， 因此有必要從兩者的空間分布和耦合關系角度進行探究。

本文中基于2000—2019年全國糧食產量和耕地面積數據，以省域尺度為數據基本單元，刻畫近20 a全國耕地面積、糧食產量重心變化特征，并根據重心遷移軌跡和錯位指數分析兩者的耦合關系，以期為耕地保護和糧食安全提供新思考，實現糧食資源和耕地利用效率的協調統一。

1? 數據來源和研究方法

1.1? 數據的選取

考慮到研究的必要性和數據獲取的可得性，本文中選取了糧食產量和耕地面積2個指標來反映兩者重心遷移變化特征、耦合和錯位關系，耕地面積數據主要來自歷年《中國國土資源統計年鑒》和《中國統計年鑒》，糧食產量數據來自國家統計局的國家數據網站。

1.2? 重心模型

重心模型是研究區域發展過程中要素空間變動的重要分析工具，模型通過特征數據加權的方式，識別要素的地理中心或密度中心，反映區域要素空間的集聚和位移規律。本文中利用Walker等學者開創和改進的重心模型計算了我國2000—2019年的糧食產量的重心位置、移動方向和移動距離，用于揭示全國糧食產量的空間變化特征。重心模型的計算公式［18-20］為

X=∑ni=1sixii=1si ，（1）

Y=∑ni=1siyii=1si ，（2）

式中：X、Y分別為重心的橫、縱坐標；si為省份i的耕地面積或糧食總產量，i=1， 2， …， n， n為統計的省份數；xi、yi分別為省份i的重心橫、縱坐標。

1.3? 重心偏移方向和移動距離

重心偏移方向的計算公式［18-20］為

θ=arctanxi-xjyi-yj ，（3）

式中：θ為偏移方向的角度；xj、yj分別為省份i前一年的重心橫、縱坐標。

根據各年重心坐標，運用距離公式計算重心移動距離，以移動速度探求耕地面積和糧食產量重心移動特點。

d=（xi-xj）2+（yi-yj）2 ，（4）

式中d為重心移動距離。

1.4? 重心耦合關系分析

耦合原為物理學概念，是指2個或2個以上系統或實體通過各種相互作用而彼此影響的現象。本文中利用重心距離和方向變動，根據空間重疊性和空間變動一致性來衡量2個指標之間的重心軌跡耦合狀況，從而更好地衡量耕地面積和糧食產量的空間格局。

變動重疊性公式［18-20］為

L=（xiq-xjp）2+（yiq-yjp）2 ，（5）

變動一致性公式［18-20］為

C=ΔxpΔxq+ΔypΔyq

（Δx2p+Δy2p）（Δx2q+Δy2q） ，（6）

式中：xip、 yip分別為省份i的耕地面積重心橫、縱坐標；

xjq、yjq分別為省份i前一年的糧食產量重心橫、坐標值；Δxp、Δyp分別為耕地面積重心橫、縱坐標；Δxq、Δyq分別為糧食產量重心橫、縱坐標的差值；

L為耕地面積和糧食產量的重心距離，L值越大，說明兩者重疊性越小，錯位程度越高，反之則錯位程度越低；C為一致性指數，取值范圍為［-1，1］，當C=1時表示2個屬性重心完全同向移動，當C=-1時表示2個屬性重心完全反向移動［21］。

1.5? 空間錯位指數

利用Martin提出的空間錯位指數［22］，計算中國耕地面積與糧食產量的空間均衡發展狀態。

Iit=100 aitc ，（7）

Ki=1t=1Iiti=1Iit×100% ，（8）

式中：Iit為省份i的t年份的空間錯位指數；cit、ait分別為

省份i的t年份的

耕地面積和糧食產量；c、a分別為全國耕地面積和糧食產量；Ki為省份i在m年期間的空間錯位貢獻度。Iit值為正表示耕地面積與糧食產量正向錯位，即糧食產量相對于耕地面積超前發展，反之則說明耕地產量相對于耕地面積滯后發展［23］。 Iit絕對值越小說明兩者的同步性越高，數值越大則表明兩者的錯位現象越顯著［24］。

2? 中國耕地面積、糧食產量重心的時空演變

2.1? 中國耕地面積和糧食產量整體變化

研究期內全國耕地面積總量呈現減少趨勢，其中2000—2008年全國耕地面積下降幅度明顯，從2000年的1.28×108 hm2下降到1.22×108 hm2，降幅為5.1%。2009—2017年全國耕地面積相對穩定，但總量依舊有所下降。第三次國土調查數據顯示，2019年全國耕地面積為1.28×108 hm2，較2017年下降了5.2%。分區域看，2009年黑龍江、河南等區域的耕地面積占全國耕地面積比重較大，2019年耕地面積向東北部聚集。

2000—2019年全國糧食總產量時間序列呈現線性增長趨勢，其中2000—2004年糧食產量增長率波動較大，2004年到達峰值，此時段糧食產量整體增加了7.29×106 t；2004—2015年，糧食產量穩定增長，較歷史產量差距不斷拉大，此時段糧食產量增加了1.9×108 t；2016—2019年，糧食產量較為平穩，無明顯增減，維持在6.5×108 t以上。

2.2? 耕地面積重心移動分析

根據歷年耕地面積數據，利用式（1）、（2）計算得到我國耕地面積重心情況。從偏移距離上看，我國歷年耕地重心位移距離較小，整體格局較為穩定。耕地重心分別在2009、2019年有2次較大幅度的移動，移動距離分別為83.12、132.73 km，并在2002、2014年有2次較大幅度的移動，偏移變化率分別為104.7%和227.0%。

具體來看，耕地面積的重心偏移可以分為3個階段：第一階段是2001—2012年，耕地面積重心主要從河南省焦作市博愛縣向東北移動至山西省晉城市陵川縣；第二階段是2013—2017年，耕地面積重心向西北方向移動；第三階段為2018—2019年，耕地面積重心向東北移動，且角度偏轉較大，分別位于山西省晉城市陵川縣和山西省晉中市左權縣。整體來看，全國耕地面積重心從2000—2019年整體朝向東北方向移動。

2.3? 糧食產量重心移動分析

根據歷年耕地面積數據，利用式（1）、（2）計算得到我國糧食產量重心情況，結果如圖1所示。由圖可知：從分布格局上看，2000—2011年我國糧食產量重心共偏移了244.45 km，從2011—2019年開始偏移速度放緩，重心共移動了61.50 km。2000—2019年的糧食產量偏移方向整體穩定，部分年份有一定波動，呈現朝向東北方向連續S型的移動特征，并在2015年后呈現東向平移。

從移動方向和移動距離上看，糧食產量重心移動大體經歷了3個階段：第一階段是2000—2005年，糧食產量從河南省漯河市舞陽縣先朝向東北、2003年朝向西南后繼續朝向東北移動；第二階段是2005—2011年，重心整體朝向東北移動，東向移動了78.81 km，幅度較小，北向移動了157.2 km，幅度相對較大，整體移動距離為175.9 km；第三階段是2012—2019年，雖然各個年度重心之間存在一定距離，但整體較為聚集，整體共移動了61.50 km，且移動角度先朝向東北，后整體朝東向平移。

3? 耕地面積-糧食產量重心的耦合態勢分析

通過對2000—2019年我國耕地面積、糧食產量重心分析和對比可知，兩者的重心整體在方向上呈同向趨勢，但兩者的不同年份的空間分布有一定差異，階段劃分也不盡相同，存在一定的空間錯位現象，因而需要進一步利用式（3）、（4）、（5）分析兩者重心軌跡的耦合趨勢，結果見圖2。

由于耕地重心分別在2009、2019年有2次較大幅度的移動， 因此需要對耕地面積和糧食產量的重心軌跡重疊性進行分析， 判斷兩者重心軌跡的位置關系。 由圖2可以看出：耕地面積、糧食產量的重心重疊性經歷了降低-平穩波動-增長3個階段。 2000年為重心距離的最大點， 達到229.42 km， 重疊度較低；2001年開始重心距離不斷減小，并在2005年開始維持在160 km左右波動，空間重疊性提升，重心區域聚集，并保持較為穩定的狀態；2017年重心距離開始增大，2019年兩者重心距離陡增至215.28 km。整體來看，耕地面積與糧食產量的重心距離呈現U型特征。

圖3所示為2001—2019年中國耕地面積與糧食產量重心一致性的變化。從圖中可以看出：耕地面積與糧食產量重心耦合過程中呈現出多次波峰波谷階段，整體呈現偏離-吻合交替軌跡，一致性指數正值共出現9次，負值出現10次。具體來看，2000—2001年耕地面積與糧食產量重心遷移一致性指數為正值，但數值較小， 呈現直角形態；2003年的一致性指數為0.97， 兩者呈反向遷移態勢；2004—2006年，兩者一致性指數大于0.85，2005年一致性指數達到0.99， 說明兩者重心變動方向趨于同步；此后， 一致性指數開始正負交替， 2009—2011年連續呈現反向變動， 并在2010年達到最小值-0.99， 2012—2016年繼續聚集-分散交替變動，2016—2018年重心變動再次呈現反向，2019年一致性指數陡增至0.85。

總的來看，全國耕地面積與糧食產量的重心重疊性較為穩定，兩者重心距離基本維持在150～160 km，近幾年重心距離增大；一致性不斷波動，但結合重心移動分析看，兩者交替向東北-東移動，方向大體一致。

耕地面積、糧食產量的重心變動與全國不同區域的經濟發展水平、人口變動、降水量變化和積溫水平變化等眾多因素相關。從經濟發展水平和人口角度看，城鎮化的快速發展［25］與人口的增多增加了建設用地占用耕地的數量，且耕地變化區域正好多集中在經濟速度發展較快的中國東部和東南部地區［26］，華東地區和華南地區的耕地面積從2000年的2.54×107、8.28×106 hm2分別減少至2019年的2.12×107、5.70×106 hm2，而東北耕地面積從2000年的2.14×107 hm2增加至2019年的2.99×107 hm2，因而耕地面積重心主要朝東北方向移動。

從土地利用價值驅動變化角度看［27］，隨著土地利用的屬性、功能及質量的變化，導致耕地非糧化、非農化加劇，耕地常年撂荒或季節性撂荒等現象越來越普遍。農業農村部發布的《2022中國農業農村發展趨勢報告》顯示［28］，僅2017年全國耕地撂荒6.67×106 hm2以上，撂荒率約7%。由于經濟作物的商品率高［29］，且經濟價值較高，經濟作物的純收益遠高于糧食作物的，因此經濟作物逐漸取代糧食作物成為主導性種植作物［30］。經過對我國經濟作物產量的重心測算，2000—2019年全國經濟作物產量重心移動路徑如圖4所示。從圖中可以看出：全國經濟作物產量重心整體向西南方向移動，并在2006—2009年加速向西南方向移動。糧食產量與經濟作物產量重心相向而行，且西南部地區的經濟作物播種面積從2000年的6.69×106 hm2增加至2019年的1.04×107 hm2，而糧食作物的播種面積由2000年的1.72×107 hm2減少為2019年的1.53×107 hm2。由此可看出，經濟作物的種植擠占了糧食作物的種植空間，導致糧食作物產量重心的移動。

從氣候角度看， 2019年全國平均降水量達到643.4 mm，其中黑龍江省大部、吉林省中部等地區降水增長較為明顯［31］。全國平均氣溫整體呈現升高趨勢，東北、西北地區等地近年來降水偏多時氣溫卻偏低，水熱匹配不均，也是造成糧食產量重心變動的主要因素之一。

4? 耕地面積與糧食產量空間錯位分析

重心和空間重疊性僅能在宏觀上揭示兩者存在的空間錯位現象，無法闡釋局部錯位強度及模式，因此本文中引入空間錯位模型，利用式（6）、（7）、（8）揭示耕地面積和糧食產量之間存在的錯位態勢和程度。參考自然斷點法劃分類型，按照多年平均貢獻度Ki分為高水平區（Ki≥6.55）、中高水平區（3.45≤Ki＜6.55）、中水平區（1.77≤Ki＜3.45）、中低水平區（0.77≤Ki＜1.77）和低水平區（Ki＜0.77）5種類型，并按照錯位指數的正、負值分為正向錯位和負向錯位，結果如表1和圖5所示。

首先，從空間錯位程度來看，全國的糧食產量和耕地面積主要集中在中低水平區、中水平區和中高水平區。2000—2019年全國糧食產量與耕地面積錯位高水平區有6個，分別為湖南、山東、江蘇、甘肅、河南省和內蒙古自治區，其中河南省Ki值最大，為10.94；全國錯位低水平區有4個，分別為北京、上海、天津市和西藏自治區。中低水平和中水平省份共13個，占全國類型數量的42%；中高水平省份共8個，占全國類型數量的25.8%。

其次，結合時空演變來看，全國耕地面積與糧食產量由東到西呈現正向錯位到負向錯位的分布特征。全國東部地區整體呈現正向錯位，即較少的耕地面積帶來較多的糧食產量，且正向或朝正向變化水平不斷變大［見圖5（a）］；中部地區除山西省外，錯位指數均為正向，且安徽、江西、河南和湖南省正向錯位水平穩中有升，不斷變大［見圖5（b）］；西部地區除重慶市和四川省， 耕地面積與糧食產量整體呈現負向錯位， 即較多的耕地面積帶來較少的糧食產量， 負向錯位的省份中， 除西藏自治區外均呈現中水平以上的錯位， 且新疆維吾爾自治區、甘肅省、內蒙古自治區的負向錯位水平在不斷變大［見圖5（c）］。 東北三省中的遼寧、吉林省在正向和負向之間不斷波動，而黑龍江省整體呈現出負向錯位水平［見圖5（d）］。

東、中部地區除北京、天津市和河北省等部分區域位于作物一年一熟帶以外，大部分省份處于作物一年兩熟帶或一年三熟帶區域，因而相同耕地面積的糧食產量有所不同，且東部地區海拔較低，坡度平緩，水土條件好［32］，部分區域耕地質量等級較優，有利于推動農業機械化種植和規模經營，因而東、中部地區的整體糧食產量高，耕地面積與糧食產量呈現正向匹配特征。

從西部地區看，西北地區如陜西、甘肅省和寧夏回族自治區等地區地處內陸，氣候干旱，降水量少［33］，水資源較為緊張，經濟發展水平不高。近年來，隨著資金持續投入，退耕還林還草政策使西北地區土地的蓄水保濕能力不斷提高［34］，農業生產條件已經有所改善，整體生產水平有所提升，但部分區域的地力條件并沒有明顯改善，糧食作物產量不高。新疆維吾爾自治區北部氣候濕潤，水資源充足，農業發展條件較好，但南部為干旱、鹽堿和高寒地區，區內遍布戈壁和沙漠，地廣人稀，氣候干燥，沙塵暴等自然災害頻發，因此該地區的耕地面積與糧食產量錯位指標為負值。西藏自治區受氣候、海拔、自然災害等因素影響糧食產量不夠穩定［35］。西南地區如四川盆地、云貴高原等多為盆地和丘陵，除海拔較高的地方外，多屬于作物一年二熟區，水資源豐富，但水土流失嚴重，日照時間不足，因此錯位指標為中等正向錯位或波動錯位。

東北三省位于我國黑土地帶，適宜糧食作物生產，資源稟賦好，地勢平坦，適合規模經營和機械化種植，是我國重要的商品糧生產基地，但東北地區的資源優勢并沒有帶來更多的糧食收益。一是從氣候特點看，東北地區受光照、溫度和水的影響，作物只能一年一熟［36］，因而基礎生產力并不突出；二是東北地區農墾歷史較晚，多數地區的水利等農業基礎設施老化嚴重，農耕配套設施薄弱；三是東北地區經濟發展困境使地方財政吃緊，配套的惠農政策實施較為困難，基層財政無法負擔配套資金［33］，削弱了發展糧食產業內在動力；四是糧食連年豐收使得糧食價格不斷走低，農民很難通過種植糧食作物獲得較大收益，影響了東北地區糧食產能的穩定，形成了耕地面積與糧食產量正負波動匹配的變化特點。

5? 結論與建議

5.1? 結論

通過對2000—2019年我國耕地面積、糧食產量的重心偏移和錯位程度分析，可以得到以下結論：

從全國尺度上看，研究期內我國耕地面積總量呈現減少趨勢，而糧食總產量平穩增長；研究期內耕地面積重心朝向東北移動，糧食產量重心先朝向東北后朝東向平移，兩者在2005年開始重心距離較為穩定，而近幾年重疊度低，重心從中心區域發散；一致性指數正負交互變動，重心移動方向不斷波動，但整體朝向基本一致。在錯位程度上，全國的耕地面積和糧食產量主要集中在中低水平區、中水平區和中高水平區，且由東到西呈現正向錯位到負向錯位的分布特征。耕地面積、糧食產量的重心變動和錯位特征與全國不同區域的經濟發展水平、人口變動、降水量變化和積溫水平變化等眾多因素相關，經濟作物的西南向移動對兩者重心移動也有一定推動作用。

從區域尺度上看，東部地區受水土條件、海拔、熟制、經濟發展等影響，整體呈現正向錯位，其中中部地區的河南省正向錯位貢獻度最高；西部地區的地理條件整體偏差，生產水平有待提升，除西南地區部分區域外整體呈現負向錯位，且西北地區，尤其是內蒙古自治區、新疆維吾爾自治區等地區的負向錯位水平不斷變大；東北三省的土地資源稟賦較好，發展潛力大，但受到經濟發展程度的制約和氣候條件的影響，遼寧、吉林省在正向和負向之間不斷波動，而黑龍江省整體呈現出負向錯位水平。

5.2? 政策建議

本文中基于我國耕地面積和糧食產量數據的研究，揭示了兩者的耦合關系。當前在保護耕地和穩步提升糧食產量的政策措施方面還存在一定問題，因而在政策制定上提出以下建議：

1）耕地資源稟賦存在區域差異，應因地制宜發展具有比較優勢的農業產業，強化專業化的優勢種植，重點保護和發展全國糧食主產區，以及產量高且穩定的耕地區域，改造資源稟賦好、糧食產量增長上有潛力的耕地區域。

2）對于資源稟賦好，但經濟發展較為薄弱的地區，可以建立健全農民種糧收益保障機制，加大耕地地力保護補貼，鼓勵制定農業專項補助資金、政策性農業保險補助等惠農惠糧政策，可采取糧食主銷區向糧食主產區生產者進行雙向利益補償等方式提升耕地保護和糧食種植的積極性，并在財政上給予支持和傾斜。

3）對于具有一定發展潛力的地區，可以改善耕地質量，推廣綠色生態種植模式，科學、系統地提升耕地質量，提升地力，加快推動“藏糧于地、藏糧于技”戰略落實落地。

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（責任編輯：于海琴）