基于全国的区域粮食生产安全预警模型研究

基于全国的区域粮食生产安全预警模型研究

1粮食生产安全预警方法与空间、时间、空间和时间预警的同步研究粮食生产安全是粮食安全的第一个障碍。我国的粮食生产出现问题,将直接影响我国乃至世界的粮食安全。由于粮食生产自身的特点,不仅总产量在不同年度间经常产生很大的变异,而且在总产量不变时其实际供应量在不同时间和不同地区也可能发生很大变化。因此,根据粮食生产的特点制定适当的政策并采取有效的措施,是保障粮食安全的基本前提。对于中国这样的人口大国,通过粮食主产区粮食生产安全预警研究,来评价和预测粮食主产区粮食生产的安全性和稳定性,对于我国粮食政策的制定以及保障我国的粮食安全显得尤为迫切和必要,因此研究粮食生产安全预警对于保证我国粮食安全具有十分重要的理论和实际意义。粮食生产安全的核心是耕地安全,耕地的安全既有数量安全又有质量安全,耕地变化既有空间上的变化也有时间上的变化,而且空间的分布对于粮食生产安全也具有一定的影响。就农业预警而言,其在理论层次的研究也逐渐成熟,但耕地预警理论的具体应用比较少,真正意义的耕地预警系统的建立目前也只停留在理论研究的层面。已有的耕地预警研究更多的是侧重数量预警,并且这种预警仅仅是在时间尺度上的预警,而在空间上进行讨论的相关研究不多。耕地质量的预警更少且研究不够,能够将二者结合起来进行耕地预警的研究也不多见。因此,本文在粮食生产安全预警方法上进行探讨,即从国家层面考虑区域的粮食生产安全,实现空间和时间预警的同步及耕地质量和耕地数量预警的同步,不仅具有一定的理论意义,而且具有较强的实用性和可操作性。本文选取了东北地区这一较为完整的地理单元,开展实证研究,为我国振兴东北老工业基地保障国家的粮食安全服务。2对东北粮食生产安全预警的意义东北地区位于我国东北部,包括黑龙江、吉林和辽宁三省,纵跨纬度14°50′,介于北纬38°43′-53°33′之间,南北长1600km;横跨经度16°14′,西起东经118°50′,东至东径135°05′,东西宽约1400多公里。东北地区气候资源比较丰富,具有太阳辐射较强,夏季气温高,降水比较适中,雨热同期,昼夜温差大等特点,对农作物生长有利。该地区土地肥沃,是我国主要粮食生产基地。该研究区内耕地面积2.1×107ha,占全国耕地面积的16.55%,2006年粮食产量占全国粮食产量的15.66%。东北地区作为我国最大的商品粮基地,确保其粮食生产产量,对全国的粮食安全具有很重要的作用。东北地区宜农荒地经过几年的开发,所剩的耕地后备资源已相当有限。而且近年来,由于土地用养失调,地力下降日趋明显,粮食增产后劲不足。东北地区的粮食综合生产能力正在承受着一定的潜在性威胁。因此,以东北地区作为研究区域,进行区域性粮食生产安全预警研究,探讨区域性粮食生产安全预警的理论和方法体系,及时准确地掌握东北地区粮食生产安全状况与趋势,对发展我国区域性粮食生产,保障国家粮食安全具有重要的意义。本次研究需要的行政区划数据、DEM、坡度、坡向等自然环境数据以及与粮食生产密切相关的灌溉面积、粮食播种面积、化肥用量等社会经济统计数据均来源于科技部科研院所社会公益研究专项“中国区域性耕地资源变化影响评价及其预警”所建立的“东北地区资源环境基础数据库”。3以耕地自然质量为基础的耕地质量预警系数粮食生产安全模型是以最小人均耕地面积为基础的耕地数量预警系数和以耕地自然质量以及其他投入因素为基础的耕地质量预警系数相互结合的产物。通过对两个模型的计算以及其警限、警度区间的确定,可以进行东北三省粮食生产安全模型预警。3.1最小均耕地模型最小人均耕地面积是耕地数量预警模型中最重要的一个参数,其定义为:在一定区域范围内,一定食物自给水平和耕地综合生产能力条件下,为了满足每个人正常生活的食物消费所需的耕地面积。最小人均耕地面积给出了为保障一定区域食物安全而需要保护的耕地数量底线。最小人均耕地面积是粮食供给度、粮食消费水平、粮食综合生产能力等因子的函数,可用如下模型计算:公式(1)中:Smin为最小人均耕地面积(ha/per);β为粮食供给度(%);Gr为人均粮食需求量(kg/per/year);P为粮食单产(kg/ha);Q为粮食播种面积占耕地面积的百分比(%);公式(1)中最小人均耕地面积Smin与人均粮食需求量Gr及粮食供给度β成正比,而与粮食单产P、粮食播种面积占耕地面积百分比Q成反比。显然,在耕地粮食生产能力不变而人均粮食消费水平及粮食供给度水平较高时,要求有较大的最小人均耕地面积;在保持一定粮食供给度和食物消费水平条件下,随着粮食单产提高及粮食播种面积占耕地面积比重的增大,所需最小人均耕地面积减小。3.2ha/per法耕地数量预警系数是人均所需最小耕地面积与实际人均耕地面积之比,可以衡量一个地区耕地资源的紧张程度。其计算公式为:公式(2)中:Smin为最小人均耕地面积(ha/per);K为耕地数量预警系数;Sa为实际人均耕地面积(ha/per)。由于人口数量、耕地生产力、人均粮食消费水平等因素都是动态的,因而最小人均耕地面积和实际人均耕地面积都随时间和空间发生变化,因此耕地数量预警系数也是一个随时空变化的变量。耕地数量预警系数给出了耕地保护的阈值,可作为耕地保护的调控指标。不同时空截面上的K值大小反映了此时此处耕地资源所承受的压力水平,根据K的大小选择不同的对策措施,以调节耕地资源所承受的压力,实现耕地资源的可持续利用。3.3耕地生产力总量模型耕地质量预警系数通过耕地质量参评因子来反应耕地质量变化的程度,该系数侧重耕地质量的变化对粮食生产安全的影响,其表达式如下:公式(3)中:R为耕地质量预警系数;Ti和Tj分别表示预警年份和基准年耕地生产力总量;ΔX为与基准年相比人口增加数量(ΔX>0),N为基准年人均耕地生产力总量。而公式(3)中耕地生产力总量采用多元回归分析进行计算,其可以表示为:T=B0+B1f+B2X2+......+BmXm(4)公式(4)中:T为区域耕地生产力总量;f为耕地自然质量指数,Xi为分别表示粮食播种面积、农业投入因素(包括化肥使用量、农村用电量、农机总动力以及有效灌溉面积等)。根据模型预警的原理,将耕地数量预警系数和耕地质量预警指数结合可以进行耕地预警。根据东北地区的具体的耕地状况,以通过预测模型计算得到的耕地数量预警系数和耕地质量预警系数获取警度的级别,分别是无警、轻警、中警、重警和巨警(表1所示)。4耕地自然质量及警度特征计算耕地数量预警系数值K首先要计算最小人均耕地面积,公式(1)为最小人均耕地面积的计算公式,其中粮食供给度β选取为100%,这是考虑到东北地区的粮食输出情况而定的;人均粮食需求量Gr是采用东北三省多年的人均粮食输出量对全国的人均粮食占有量无警警限进行修订的结果。1996年发布的《中国的粮食问题》白皮书中确定2030年中国的人均量是占有量指标不低于400kg就可以满足人民生活水平提高和营养改善的要求,且该数值在较多的研究中采用,根据东北地区1995～2003粮食输出情况,东北地区多年的人均输出量为294.98kg。在全国人均粮食占有量的基础上,利用东北地区平均的年人均粮食输出量295kg进行修正,从而确定东北地区人均粮食占有量无警的警限值695kg/per/year。而人口总数、粮食单产、粮食播种面积和耕地面积利用历史统计数据,采用灰色预测和时间序列预测方法进行预测得到。耕地质量预警系数模型公式(3)中的耕地生产力总量采用多元逐步回归分析公式(4)的方法得到。而回归模型所需的耕地自然质量指数来源于耕地质量评价结果,即对影响耕地自然质量的因素(包括海拔、坡向、坡度、降水量、≥10℃积温、成灾率、土壤pH值、有机质、速效磷、速效钾、碱解氮、表土含盐量等)经过标准化后,采用加权求和的方法得到,它能够反映耕地自然质量的高低。为了反映各县耕地自然质量的差异,需计算各县单位面积耕地内的自然质量指数。有了公式(2)和公式(3)所需的各个参数的值,在ARCGIS9.0中,建立GIS模型,计算出各县的耕地数量预警系数和耕地质量指数,得到警度判定的要素值,并根据警度判定的准则,利用GIS空间表达和分析功能,采用分级制图法来表达各县的警度情况。如图1所示为东北三省2000年、2003年和2010年的粮食生产安全警度空间分布图,从图上可以直观地看出,黑龙江省2003年出现巨警和重警的县比2000年要多,而从表2中的统计数据可以更加明显看出,2000年出现警情的县有41个,其中有11个县出现巨警,有16个县出现重警,有1个县出现重警,有13个县出现轻警;2003年出现警情的县有49个,其中出现巨警的县有26个,出现重警的县有12个,出现中警和轻警的县分别有3个和8个。2000年出现巨警的县的数目比2003年要少,而出现重警县的数目相差不大,而且2003巨警和重警主要出现在黑龙江省的一个粮食主产区松嫩平原农牧区,从图上看该区域基本上是以巨警和重警为主;而2000年该区域出现无警和轻警,巨警区域明显减少,重警区域差别不大。而黑龙江省另外的一个粮食主产区三江平原农牧区各县的警度没有太大差异。此外,大小兴安岭林业区和张广才岭老爷岭林农区若干个县的警度都有所增加。因此,总体上看黑龙江省2003年的粮食生产安全程度比2000年要差。从粮食内贸(图2所示)可以看出,黑龙江省2003年输出的粮食比2000年要少,这也证明了这种对黑龙江省粮食生产安全判定的结论是可信的。从图1中可以看出,2000年吉林省粮食主产区中部平原农业区以重警为主,而2003年该区域以无警状态为主,显然2000年的粮食生产安全程度低于2003年。而且从表2中可以看出,吉林省2000年共有37个县出现警情,其中巨警县有10个,重警县17个,中警县1个,轻警县有9个;而2003年吉林省有26个县出现警情,其中有10个县出现巨警,有5个县出现重警,3个县出现中警,8个县出现轻警。从巨警县来看,2000年巨警主要发生在西部平原农牧区和长白山地林农区,而2003年巨警主要发生在长白山地林农区。此外,2000年重警区域主要位于吉林省粮食主产区中部平原农业区,而2003年重警区域远少于2000年,且位于非粮食主产区。所以说,2003年的粮食生产状况比2000年要好,产量相对来说是增加的。从2003年的粮食内贸数据也可以看出这一点(图2所示),因为2003年吉林省输出的粮食量比2000年要多。从图1可以看到,辽宁省2000年除了东部山地农业区的北部是轻警外,其他的区域都处于重警和巨警状态,其中以巨警为主,重警区域主要分布在中部平原农业区中间的狭长地带,而2003年,巨警主要位于西部低山丘陵农业区和滨海农业区。而粮食产区中部平原农业区出现了一部分无警区域,该区域其余县的状态没有变化,且东部山地农业区基本以轻警为主。可见,辽宁省2000年的粮食生产安全程度比2003年要差,尽管2003年的安全程度也不高。从表2可以看到,辽宁省2000年共有44个县出现警情,其中巨警县有31个,重警县有8个,轻警县有5个,而2003年,辽宁省出现警情的县共有41个,其中巨警县有19个,重警县有11个,中警县有1个,而轻警县有10个。从数据上可以看出,比2000年有警的县减少,有警的程度也相应减轻,因此,粮食产量也会相应增加。图2所示粮食内贸中,辽宁省2000年粮食输入量比2003年要多也就证明了上述结论的可靠性。从图1和表2中可以明显看出来,2010年东北三省中辽宁和黑龙江省各县的粮食生产安全程度较2003年都明显增高,出现警情的县减少,且出现重警以上的县也有了不同程度的减少。而吉林省的粮食出现警情比2003年要严重,主要表现在出现重警的县明显增加。但总体而言,东北三省的粮食生产安全程度较2003年都有所提高。虽然预测带有一定的不确定性,但是从某种程度上也反映了近两年来中央加大对农业投入的力度,特别是对粮食主产区耕地保护和农民种粮积极性的调动(包括取消农业税,工业反哺农业等措施)而取得的成效。5粮食生产安全模型的验证粮食生产安全模型可以反应粮食生产的安全程度。鉴于耕地安全是粮食生产安全的核心所在,粮食生产安全模型可以从耕地质量和数量综合角度来考虑,并通过设立耕地的双重预警来实现,即通过GIS手段获得东北三省耕地的时空变化数据来反应区域耕地的数量和质量的变化,并由此反映区域的粮食生产安全状况。利用2000年和2003年的粮食生产历史状况数据对模型进行验证,结果表明粮食生产安全模型能够反映东北三省2000年和2003年的粮食生产安全状况。吉林和辽宁两省2000年粮食生产安全程度低于2003年,辽宁省粮食内贸数据表明2003年辽宁省调入粮食比2000年明显要少,吉林省2000年输出粮食数量比2003年输出粮食数