山东省粮食生产时空格局演变及安全评价

于元赫 吴 健* 李子君 胡 蕾

(1.中国人民大学 环境学院，北京 100872； 2.山东师范大学 地理与环境学院，济南 250014)

粮食安全是人类共同关注的全球性重大问题之一，是一个国家和地区经济发展和社会稳定的重要基础[1]。党的十九大报告指出，“确保国家粮食安全，把中国人的饭碗牢牢端在自己手中。”[2]国家粮食安全的重要前提是保障区域粮食供需平衡，但由于不同区域农业资源禀赋和农业生产条件存在明显差异，其粮食生产水平和粮食安全状况也不同[3]。因此，深入探讨区域粮食生产变化及时空分布格局，对于优化粮食生产布局、保障国家粮食安全具有重要的实践意义。

我国耕地资源短缺，人口众多，粮食供需矛盾一直存在[4]。在这种背景下，大量研究关注了粮食生产的时空格局[5-8]、区域差异[9-12]、影响因素[13-16]、粮食安全[17-21]等相关领域。在全国尺度上，Liu等[22]采用GAEZ模型分析了中国耕地粮食生产潜力空间格局，指出中国耕地粮食生产潜力呈现南减北增、总量减少的特征；陈秧分等[23]对中国粮食产量变化的时空格局进行了探究，发现中国粮食产量变化可分为3个阶段，东中西部省份粮食生产存在较大差异。在区域尺度上，刘玉等[24]运用LMDI模型定量分析了黄淮海地区粮食生产格局及影响因素，指出粮食增产主要来源于粮食单产的提高；潘佩佩等[25]揭示了太湖流域粮食生产时空格局及粮食安全水平，发现该流域存在较大的粮食安全风险。这些成果较好地揭示了国家、地区和省、市等层面粮食生产格局的演化规律，为客观认识我国及区域粮食生产在宏观格局上的变化提供了依据，但对于区域内部粮食生产变化的异质性及影响机制未及深入讨论。

山东省是我国13个传统粮食生产和消费大省之一，是保障国家粮食安全的重要基础。然而，随着城市化和工业化的推进，大量耕地被侵占，粮食生产面积萎缩；加之人口逐年增多，家庭经济水平不断提升，粮食需求量大幅提高，粮食生产压力不断加大；再加上居民膳食结构和消费格局的转变，导致粮食生产结构也发生了很大变化。鉴于此，本研究以山东省134个县(市、区)作为基本分析单元，运用重心迁移模型和探索性空间数据分析等方法，探讨1995—2015年山东省粮食生产时空格局演变特征，并引入人均粮食占有量、粮食产量波动系数和变异系数等指标评价山东省粮食安全水平，以期为山东省粮食可持续生产及政策制定提供学术参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1探索性空间数据分析(ESDA)

探索性空间数据分析(ESDA)是一系列空间数据分析方法的集合，它通过将数据进行可视化表达来展现事物的空间集聚特征以及与周边事物的异质性。该方法分为全局空间自相关和局部空间自相关。本研究采用Global Moran’sI统计量来分析山东省粮食生产空间相关性的总体趋势。计算公式为：

(1)

(2)

式中：Z为检验统计量；E(I)为期望；Var(I)为方差。

热点分析G*指数常用于分析事物在局部空间上的集聚特征，可进一步测度粮食生产热点区(高值区)和冷点区(低值区)的空间分布。计算公式为：

(3)

本研究结合全局Moran指数和热点分析G*指数来测度山东省粮食生产的空间集聚格局。其中全局Moran指数反映了粮食生产在整个省域内的空间特征，以此来分析城市间空间关联程度；在此基础上，局部G*指数可反映粮食生产局部空间异质特征，进而判断局部空间分异规律。

1.1.2重心迁移模型

粮食生产重心迁移模型能够反映粮食生产空间分布及迁移规律，若一个区域由多个次级区域组成，第i个次级区域的重心坐标为(Mi，Ni)，P为该区域某种属性值的权重。计算公式为：

(4)

式中：M、N分别为粮食生产重心的经纬度坐标；Pi为第i个县(市、区)的粮食产量；Mi、Ni分别为第i个县(市、区)的中心经纬度坐标，利用ArcGIS软件计算得出。

1.1.3粮食产量变异系数

粮食产量变异系数为粮食产量标准差与平均值之比，可以反映粮食真实增长率偏离平均值的程度，变异系数越高，代表粮食生产越不稳定。其表达式为：

(5)

1.1.4粮食产量波动指数

粮食产量波动指数为粮食总产量年际间的波动幅度，波动指数越大，代表粮食实际产量对趋势产量的偏离程度越大，稳定性越差。其表达式为：

αt=[|Tt-Ft|/Ft]×100%

(6)

式中：αt为t年的波动指数；Tt为t年的粮食产量；Ft表示t年的趋势产量，用粮食产量时间序列计算得到。

1.2 数据来源

数据来源主要为山东省及各县(市、区)统计年鉴，包括《山东省统计年鉴》[26]、《中国县(市) 社会经济统计年鉴》[27]。主要数据包括全省及各县(市)粮食产量、粮食播种面积、主要粮食作物产量与播种面积以及年末常住人口数。其中各县(市、区)的粮食产量选取了1995、2005、2010和2015年的4期数据。1995年以来山东省部分县(市、区)行政区划发生调整，因此以2015年山东省县域行政区划为基准对1995、2005和2010年的县级单元及相关统计数据进行修正，最终共获取134个县(市、区)单元。

2 粮食生产的时序变化

2.1 粮食总产的时序变化

1995—2015年，山东省粮食总产的变化趋势大体可分为2个阶段(图1)：1995—2002年为波动下降期，粮食总产从4 245.0万t下降至3 292.7万t。由于该阶段山东省城市化进程加快，建设用地蚕食耕地，导致复种指数明显下降，加之农业结构调整，农民种粮积极性受挫，导致粮食产量急剧下滑。另外，1997和2002年下降最为严重主要是由于这两年全省发生了百年不遇的特大干旱，导致粮食大幅减产；2003—2015年为稳步上升期，由3 435.5万t上升至4 712.7万t，尤其是2004年之后，中央颁布了农业税减免、直粮补贴、粮食最低收购价等惠农举措，同时，加强了耕地保护，积极推动农业科技进步，一系列重大利好政策使粮食生产得到极大保障和扶持，农民种粮积极性显著提高，粮食连年丰收。

图1 山东省粮食总产和单产的变化趋势Fig.1 Changes of grain yield and the per unit area yield of grain in Shandong Province

2.2 粮食单产的时序变化

1995—2015年山东省粮食单产总体呈现出上升趋势(图1)，大体可分为2个阶段：1995—2002年为波动性变化，期间出现2次明显的阶段性下降(1997年和2002年)；2003—2015年为持续提高阶段，至2015年，粮食单产达到近20多年来最高值，为6 290.0 kg/hm2，相比2002年提升约32个百分点。2003年以后，在农作物品种改良、农业生产条件改善和管理技术进步等因素的综合作用下，粮食单产能力得到了极大地提高，为近10多年来山东省粮食增产做出了重要贡献。

2.3 粮食生产结构的时序变化

2.3.1粮食作物产量结构的变化

1995—2015年，在山东省粮食作物产量结构中，小麦和玉米是占粮食作物总产量比重最高的两种作物(图2)。其中，小麦的比重高于45%，为山东省“第一主粮”；玉米的比重逐年增加，由1995年的33.9%上升到2015年的43.5%；甘薯作为山东省第三大主粮，比重由1995年的9.6%下降至2015年的3.7%；大豆产量也呈现下降趋势；而稻谷、谷子、高粱和其他粮食作物产量较低，比重变化不明显。

图2 山东省主要粮食作物产量结构Fig.2 The structure of main grain crop yield in Shandong Province

2.3.2粮食作物播种面积结构的变化

1995—2015年，在山东省粮食作物播种面积结构中，小麦和玉米是占粮食作物播种面积比重最高的2种作物(图3)。其中，小麦的比重最大，接近50%；玉米比重不断上升，由1995年的29.7%上升到2015年的42.4%，提高了12.7个百分点；甘薯和大豆的播种面积均呈不断下降的趋势；而稻谷、谷子和高粱等粮食作物播种面积较小，比重变化不明显。

图3 山东省主要粮食作物播种面积结构Fig.3 The structure of sown area of main grain crop in Shandong Province

通过以上分析可以看出，山东省粮食生产结构以小麦和玉米为主，小麦的总产量和播种面积占比最高，玉米次之，而甘薯和大豆占比呈持续下降的趋势。究其原因，一方面随着劳动力务农机会成本上升，进城务工的农民倾向于选择省时省力的小麦和玉米；另一方面，小麦和玉米优良品种的普及以及管理技术的进步，促进其单产水平持续提高。然而，甘薯作为山东省第三大主粮，所占比重却呈现持续下降趋势。甘薯与小麦和玉米相比，种植成本低、产量高，但由于市场需求小，往往出现供大于求的情况，种植效益低，导致农民种植甘薯的积极性不高，再加之种植技术落后和粗放管理，因此其总产量和播种面积持续下滑。

3 粮食生产的空间格局演变

3.1 粮食生产空间格局变化特征

参照相关文献[28]，本研究按照山东省县域粮食产量平均值的50%、100%和150%(即18.81、37.62和56.43万t为分节点)，将山东省县域粮食产量分为低产区、一般区、中产区和高产区(图4)。山东省粮食产量存在明显的区域差异。在数量变化上，高产区的县(市、区)由1995年的12个增加至2015年的46个；中产区和一般区的县(市、区)呈持续减少的趋势；低产区的县(市、区)则经历了“增加—减少—增加”的变化。在空间变化上，高产区的空间范围明显扩大，呈现出向鲁西地区集中的趋势，鲁西地区大部分县(市、区)，如鄄城县、商河县等，已发展为全省主要粮食高产区；中产区和一般区的空间分布比较分散，波动频繁；低产区则主要分布于鲁北、鲁中山区和鲁东沿海地区，如垦利县、沂源县、牟平区等，空间分布相对稳定。

图4 山东省粮食生产时空格局变化Fig.4 The spatial-temporal variation of grain production in Shandong Province

3.2 粮食生产空间集聚格局变化特征

基于各县(市、区)的粮食总产量，利用GeoDa软件计算得到了1995、2005、2010和2015年的全局Moran 指数分别为0.205、0.267、0.281、0.337，呈上升趋势，且Z值均通过1%的置信度检验，表明1995—2015年山东省粮食生产的空间分布呈正相关，整体空间集聚态势增强。

为了进一步分析粮食生产的局部空间集聚格局变化特征，通过测度各县(市、区)粮食产量的局部G*指数，利用自然断点分级法将其分成4类，按数值从高到低依次记为：热点区、次热区、次冷区和冷点区。通过图5可知，有相当数量的县(市、区)粮食产量高值(低值)区域在空间上集聚，形成高高集聚或低低集聚的空间分异格局。分阶段来看：1995—2005年，粮食生产的空间集聚格局波动较大，鲁东地区的热点区明显收缩，而次热区与次冷区有所扩张；2005—2010年，鲁西地区的热点区明显增加，次热区、次冷区和冷点区变化微弱；2010—2015年，热点区继续扩大且在山东省西部形成集中连片的分布格局，而冷点区基本稳定，分散分布于鲁北、鲁中山区以及鲁东沿海地区。总体而言，1995—2015年山东省粮食生产逐渐形成了一定的时间稳定性空间分布，鲁西地区形成大规模稳定性热点，鲁北、鲁中山区和鲁东沿海地区形成分散的稳定性冷点。

3.3 粮食生产分布重心变化特征

将4个时期的粮食产量重心坐标依次连接，得到粮食生产重心迁移轨迹见图6。可以看出，粮食生产重心的地理坐标为117.50°～117.92° E，36.25°～36.28° N，均位于山东省几何中心(118.15° E，36.36° N)的西南方向，表明山东省粮食生产空间分布不均衡，鲁西地区逐渐成为粮食生产重点区域。这主要是由于鲁西平原地势平坦、土壤肥沃，适合大规模机械化作业，农业优势明显，仅菏泽市粮食总产量就约占全省的1/8。在当地政府农业政策的扶持下，逐渐发展为山东省粮食生产的相对优势区。1995—2015年，山东省粮食生产重心逐渐向西迁移，呈现出粮食生产和经济发展区域分工的空间格局。随着鲁东地区经济和人口不断增长，粮食生产重心的移动方向与经济和人口重心移动方向相反，将导致山东省粮食供需关系愈发紧张。因此，探讨山东省粮食生产时空格局演变过程中的粮食安全水平对于协调经济发展与耕地保护之间的关系，促进粮食可持续生产及政策制定具有重要意义。

图5 山东省粮食生产空间集聚格局变化Fig.5 The spatial agglomeration pattern variation of grain production in Shandong Province

图6 山东省粮食生产重心迁移轨迹Fig.6 The trajectories of the center of gravity for grain production in Shandong Province

4 粮食安全评价

目前，国内外学术界对于粮食安全评价并没有统一的标准，研究内容比较宽泛。我国对粮食安全的思路正面临重构，其中，保障和提高粮食生产能力是国家粮食安全观的一个重要体现[28-29]。姚成胜[19,21]、宋小青等[30]和张凤荣等[31]研究表明，粮食安全的核心就在于确保足够的、稳定的粮食生产能力。因此，保障国家粮食安全的最基本要求就是要稳定和提高区域粮食产量，特别是粮食主产区的粮食产量。由于不同省(市、自治区)农业资源禀赋存在较大地域差异，其粮食安全的定义和要求也是不同的。对于农业生产条件差，必须依靠调入粮食满足需求的省(市、自治区)目前的粮食安全核心是满足基本的粮食需求，提高粮食生产能力；山东省作为重要的粮食主产省，其对粮食安全的要求更加严格，不仅需要具备较强的粮食生产能力，更需要具备较稳定的粮食供给能力，能够维持省内外粮食供需动态平衡并稳定粮食市场价格。因此，本文着重从粮食生产能力和粮食供给稳定性两方面评价山东省粮食安全水平。

4.1 粮食生产能力评价

结合上述分析可知，1995—2015年山东省粮食总产量和单位面积产量得到明显提升。虽然在一定程度上反映出山东省粮食生产能力较强，但由于每年的粮食播种面积、人口数量等不断发生变化，仅单纯从总产量和单位面积产量方面考虑粮食生产能力缺乏一定的科学性和完整性[32]。人均粮食占有量既是反映粮食生产能力的综合指标，也是衡量粮食安全程度的评价指标[19,24]，人均粮食占有量越高，说明粮食生产能力越高、粮食安全程度也越好；反之亦然。

不同统计数据口径下的人口数据会对人均粮食占有量的计算结果产生重要影响，这种影响在人口数量大、人口流动活跃的山东省更加突出。参考相关文献[33]，本研究在计算人均粮食占有量时采用年末常住人口数据。综合张利国[20]、姚成胜等[21]的观点，将人均粮食占有量表征的粮食安全类型大致分成以下6种：<300 kg为严重不安全型，≥300～350 kg为较不安全型，≥350～400 kg为温饱型，≥400～450 kg为较安全型，≥450～500 kg为小康型，≥500 kg为富裕型，且定义人均粮食占有量小于350 kg为粮食不安全。

1995—2015年山东省人均粮食占有量呈先下降后上升的变化趋势(图7)，粮食安全状况整体趋于好转，由温饱型过渡到较安全型，又重新迈入小康型。1995年山东省人均粮食占有量为488 kg，处于小康型。此后人均粮食占有量呈波动下降趋势，2002—2004年均跌破400 kg，粮食安全状况恶化，下降为温饱型。2005年开始，粮食安全状况出现持续好转，人均粮食占有量再次突破400 kg，从温饱型过渡到较安全型，并持续到2007年。这期间山东省人均粮食占有量虽然有所波动，但一直未能突破450 kg，始终处于较安全型。2008年人均粮食占有量再次超过450 kg，重新回到小康型，并一直保持上升趋势。这期间山东省人均粮食占有量基本稳定在450—500 kg之间，粮食安全状况明显改善。

图7 山东省人均粮食占有量的变化Fig.7 The variation of the per capita share of grain in Shandong Province

4.2 粮食供给稳定性评价

一个区域不同时期粮食总产量波动幅度的大小以及粮食真实增长率偏离平均值的程度反映了粮食供给的平稳程度，也体现了其粮食安全风险水平。为此，本研究结合粮食产量波动系数和粮食产量变异系数两个指标来表征山东省粮食供给稳定性。

通过计算可知(图8)，1995—2015年，山东省粮食产量波动系数的范围为0.35%～18.24%，其中有近一半以上年份的波动系数高于同时期全国平均水平，存在粮食安全风险。尤其是2002—2004年的波动系数均超过14%，这一阶段受农业产业结构调整和自然灾害的双重影响，粮、棉、蔬果等农产品产量均大幅减产，从而导致粮食作物产量降至近20年最低值(图1)。可见，波动系数较大的年份与减产幅度较大的年份(2002—2004年)在时间上具有很好的对应性，表明粮食减产越多，粮食安全风险越大。但2004年以后波动系数明显下降，均未超过6%，仅有2010年和2011年略高于全国平均水平，表明该时期粮食安全风险逐渐降低。

图8 山东省和全国不同时期粮食产量波动系数比较Fig.8 Comparison of fluctuation coefficients of grain yield in different periods in Shandong Province and China

通过计算可知，1995—2015年山东省粮食产量变异系数为9.28%，高于全国平均水平(5%)，表明山东省粮食供给稳定性较差。目前山东省二、三产业发展迅速，经济的快速发展也带来耕地非农化速度加快、耕地质量下降等问题。虽然2004年以来粮食总产量有所增长，但同期粮食总产量占全国百分比由8.98%下降至7.58%。利用Pearson相关系数进行相关性分析发现，山东省粮食总产量占全国百分比与同期GDP占全国百分比在5%的显著性水平下呈负相关，相关系数为-0.387。由此可见，在未来相当长的一段时间内耕地面积减少的趋势难以逆转的态势下，粮食安全问题值得高度关注。

5 结论与讨论

5.1 结论

本研究基于重心迁移模型、探索性空间数据分析等方法，探讨了山东省粮食生产变化及时空分布格局，并引入人均粮食占有量、粮食产量波动系数和变异系数等指标评价了山东省粮食安全状况，主要结论如下：

1)1995—2015年，山东省粮食总产经历了从波动下降到稳步上升2个阶段，而粮食单产整体呈上升趋势，粮食单产水平的提高为粮食增产做出了重要贡献；在主要粮食作物中，小麦的总产量和播种面积占比最高，玉米次之，而甘薯和大豆占比呈持续下降的趋势。

2)山东省粮食生产存在明显的空间差异，鲁西地区大部分县(市、区)已发展为全省主要粮食高产区，粮食生产重心向西迁移；粮食生产空间集聚态势增强，呈现出高高集聚或低低集聚特征，鲁西地区成为大规模稳定性热点，鲁北、鲁中山区以及鲁东沿海地区成为稳定性冷点。

3)1995—2015年，山东省粮食生产能力逐渐提高，粮食安全状况整体趋于好转，由温饱型过渡到较安全型，又重新迈入小康型；然而粮食产量变异系数和近一半以上年份的粮食产量波动系数均超全国平均水平，表明山东省粮食供给稳定性较差，粮食安全问题依然严峻。

5.2 讨论

粮食生产空间分布格局和集聚格局表明，山东省粮食生产存在明显的空间差异，这可归因于不同区域的自然资源状况、城镇化水平和经济发展水平不同。鲁西地区农业生产条件优越，种粮优势较大，而鲁东地区经济较发达，城镇化水平较高。李明杰等[34]研究发现，鲁西北地区光热水土资源较好，农业基础设施较为完善，粮食生产能力较强。王兆华等[35]也进一步指出山东省粮食生产应向种粮自然条件相对较好的地区进行转移，可有效降低粮食生产成本。因此，未来应尽快建立区域粮食生产补偿制度，加大对粮食生产大县(市、区)的补偿力度(如定陶县、鄄城县、商河县等)，建立区域粮食生产利益补偿的长效机制(如鼓励鲁东地区经济较发达的城市到鲁西地区投资建设粮食生产基地等)，实现粮食主产地区与主销地区之间的利益平衡；因地制宜、分类指导省内不同地区粮食生产，对于粮食生产优势区(如聊城、菏泽等地区)，应加大种粮补贴和农机具购置补贴力度，快速推动粮食生产向机械化、规模化、专业化方向发展，同时，加快推进高标准基本农田建设，力争将鲁西地区建成“山东粮仓”；对于粮食生产非优势区(如烟台、威海等地区)，应协调好城市化、经济发展与耕地保护的关系，严守耕地红线，稳定耕地面积，同时，促进耕地集约利用，保证粮食作物播种面积。

粮食安全状况的变化表明，山东省粮食生产能力逐渐提高，但粮食供给稳定性较差，依然存在粮食安全风险。一方面可能与农业产业结构调整有关，该阶段，山东省农业产业结构经历着由粮食—经济作物二元结构向粮食—经济—饲料作物三元结构转变的“阵痛期”，粮食作物播种面积大幅减少；另一方面可能与自然灾害频发有关，栾健等[36]研究指出自然灾害对山东省粮食总产量具有显著的负向影响；叶明华等[37]研究也表明山东省农业气象灾害会对粮食产量短期波动产生冲击作用。因此，为增强粮食供给稳定性，应进一步完善农田水利基础设施建设，保证农业用水有效供给；建立多层次的农业气象灾害防范和管理体系，提高气象灾害的监测与预报能力；积极研发和培育抗灾新品种，增强粮食作物自身的耐旱、耐涝特性，提高粮食作物的抗灾稳产能力。

本研究仅从数据上分析了1995—2015年山东省粮食生产时空格局演变规律，但对于这种时空格局变化带来的更深层次的影响未能展开讨论。山东省粮食生产重心的迁移和粮食生产的空间聚集，清晰地预示着区域功能分异的特征，由此产生的经济和环境影响值得进一步研究。