耕地资源生产潜力的空间特征

耕地资源生产潜力的空间特征

0耕地资源生态结构核算土地是人类生存和发展的重要资源和基础。作为一个土地精英，它是粮食综合生产能力的最重要因素之一。这是国家粮食安全的基础和保证。随着工业化与城镇化的快速发展,耕地面积急剧减少,对国家粮食安全与生态环境保护威胁巨大。而目前保障粮食安全的核心由产量安全逐步转向能力安全,研究中国耕地资源的粮食单产能力,并结合耕地面积的变化,核算中国耕地资源的粮食总生产能力及其变化,可以为国家实施耕地保护战略和确保粮食安全提供决策依据。近年来,在耕地分等成果的基础上,许多专家学者对耕地生产潜力的核算方法做了大量研究[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27],国土资源部在山西省进行试点研究,探讨了光温潜力、自然质量分、利用系数与标准粮之间的关系;张凤荣以粮食作物审定品种的区域试验产量为基础,计算了各类耕地的粮食单产,计算粮食总生产能力,并与现实产量比较,计算其潜力;郧文聚等将农用地生产能力划分为农用地远景理论生产能力、当前理论生产能力、实际生产能力3个层次,并提出依据农用地自然质量等指数核算远景理论生产能力,依据农用地利用等指数核算当前理论生产能力,依据农业统计数据核算实际生产能力,这些研究使得耕地生产能力核算方法趋于完善。但是,能够结合农用地分等成果,以乡镇尺度调查数据为基础,核算区域耕地资源的生产能力的研究还不多;而中国东北平原、华北平原等6省粮食总产量为32829.53万t,占全国粮食总产的66%,是中国重要的粮食产区。因此,研究这个区域耕地生产能力层次差异性及其空间分布差异规律有重要的科学意义和应用价值。本文基于省级耕地生产能力核算成果,以中国粮食主产区(黑龙江省、吉林省、辽宁省、河北省、山东省、江苏省)乡镇尺度的耕地资源生产能力数据为基础,核算了粮食主产区的理论生产能力、可实现生产能力和实际生产能力,分析了6省在12个耕作制度二级区间的耕地生产能力的分异规律,并把生产能力核算结果与区域资源本底、同期粮食产量的统计数据进行对比研究,以期为区域生产能力提升提供参考,为耕地资源数量、生产能力并重管理提供决策依据。1研究区域的概况和数据来源1.1研究区域自然条件黑龙江省、吉林省、辽宁省、河北省、山东省、江苏省(以下简称6省)是位于中国东北部及东部的6个省份,6省地处30°45′-53°33′N,113°11′-135°05′E。从最北端的黑龙江省漠河县到最南端的江苏省吴江市,南北最长约2600km,从最西边的河北省平山县到最东边的黑龙江省抚远县东西最宽约1500km,本文以6省作为研究区域。研究区域内耕地资源自然条件优越,土壤质量好,集中了中国相当数量的优质高产田。区域总面积约为124万km2,占全国陆地总面积的13%。2006年,区域耕地总面积约为39.91万km2,占全国耕地面积的31%。根据影响耕作制度的主要环境指标:热量、水分、地貌以及社会经济条件进行耕作制度分区,将全国分为12个一级区和40个二级区。按照《农用地分等规程》中划定的全国农业耕作制度,6省共覆盖到4个一级区和12个二级区,本文以12个二级区为单位进行分析研究,见图1。1.2明确产出核算依据理论单产的核算依据是指定作物审定品种区域试验产量调查数据,由6省国土资源厅会同省农业厅等专家共同确定;可实现单产的核算依据是2004-2006年高产稳产田指定作物单产统计数据;实际单产来源于2004-2006年6省乡镇级调查数据;统计产量来源于2007年各省国民经济统计年鉴。2数据处理和分析2.1理论产出模型农用地分等单元是农用地分等评价的最小空间单位,分等单元边界采用明显的河流、道路、水坝、沟渠、权属界线、地貌分界线等地物界线作为边界。根据调查分等单元指定作物审定品种的区域试验单产,按照标准粮换算系数折算为调查分等单元标准粮理论单产,建立二级区调查分等单元耕地标准粮理论单产和对应单元的耕地自然质量等指数的关系模型式中,yi″为第i个分等单元标准粮理论单产样本值,kg/hm2;Ri为第i个分等单元自然质量等指数;a、b为回归系数。经过数理分析和论证检验,各二级区理论单产模型(表1)。将各二级区内所有分等单元的耕地自然质量等指数代入模型,可获取它们的耕地理论单产YFi。然后核算分等单元理论生产能力WFi式中,WFi为第i个分等单元理论生产能力,kg;YFi为第i个分等单元理论单产,kg/hm2;Si为第i个分等单元耕地面积,hm2。各乡镇域内分等单元理论生产能力之和即为各乡镇理论生产能力,除以该乡镇耕地面积即为乡镇理论单产;各区县理论生产能力为域内各乡镇理论生产能力之和,除以各区县耕地面积即为各区县理论单产;各省/二级区理论生产能力为域内各区县理论生产能力之和,除以各省/二级区耕地面积即为理论单产。2.2耕地利用等指数的函数及驱动依据农用地利用等指数核算农用地可实现生产能力,以二级指标区为单位,建立抽样单元的可实现单产和相应的农用地利用等指数的函数关系,将所有分等单元的农用地利用等指数代入函数方程。可实现单产调查样本以农用地分等二级指标区为单位进行分层抽样,样本数量要求符合统计学要求,在各省各县内部都布设了调查样本,优先将指标区内国家级和省级标准样地作为调查样本,还兼顾了农用地分等所有等别及地类。通过样本抽样调查正常年景下高产稳产田指定作物近3a能获得的最高产量,根据标准粮换算系数折算为抽样分等单元标准粮产量,作为可实现单产,以二级指标区为单位,建立分等抽样单元指定作物的标准粮单产样本值与相应的分等单元利用等指数的函数关系式中,yi″为第i个分等单元标准粮可实现单产样本值,kg/hm2;Yi为第i个分等单元利用等指数;c、d为回归系数。经过数理分析和论证检验,确定各二级区可实现单产核算模型(表2)。将所有分等单元的耕地利用等指数代入函数方程,可以核算出耕地可实现单产YPi。然后,核算分等单元可实现生产能力WPi式中,WPi为第i个分等单元可实现生产能力,kg;YPi为第i个分等单元可实现单产,kg/hm2;Si为第i个分等单元耕地面积,hm2;各乡镇域内分等单元可实现生产能力之和即为各乡镇可实现生产能力,除以该乡镇耕地面积即为乡镇可实现单产;各区县可实现生产能力为域内各乡镇可实现生产能力之和,除以各区县耕地面积即为各区县可实现单产;各省/二级区可实现生产能力为域内各区县可实现生产能力之和,除以各省/二级区耕地面积即为可实现单产。2.3和现产—实际生产能力核算根据实际耕作制度,核算各乡镇农用地实际生产能力。区县域内各乡镇实际生产能力之和即为该区县实际生产能力,除以耕地面积为该区县实际单产;各区县实际生产能力为域内各乡镇实际生产能力之和,除以各区县耕地面积即为各区县实际单产;各省/二级区实际生产能力为域内各区县实际生产能力之和,除以各省/二级区耕地面积即为实际单产。2.4各个分等单元的理论利用潜力农用地单产潜力值包括理论单产潜力和可实现单产潜力。农用地理论单产潜力数值上等于理论单产与可实现单产的差值。式中,Gap1i为第i个分等单元的理论利用潜力,kg/hm2;YPi为第i个分等单元的可实现单产,kg/hm2;YFi为第i个分等单元的理论单产,kg/hm2。可实现单产潜力值反映投入和政策调整,可以实现的潜力,数值上等于可实现单产与实际单产的差值。式中,Gap2i为第i个分等单元的可实现利用潜力,kg/hm2;YOi为第i个分等单元的实际单产,kg/hm2;YPi为第i个分等单元的可实现单产,kg/hm2。2.5空间分析功能将6省生产能力核算成果做为分析的基础数据,采用Arcgis9.3软件的空间分析功能,对其成果进行转化。采用空间叠加分析、统计分析和综合分析等相关分析方法,研究理论单产、可实现单产与实际单产在省际、耕作制度二级区等空间尺度上的分布规律。3结果与分析3.1耕地生产力在省级行政区的分布特点3.1.1理论产出、实现高产的空间分布分别对6省进行生产能力核算并汇总,对汇总数据对比分析。从省级行政区耕地3层次单产分布情况来看(表3),江苏省理论单产、可实现单产、实际单产均最高,分别为19428.15、17265.37和14618.82kg/hm2;山东省的理论单产、实际单产低于江苏省高于其他4省,值分别为15398.18和9435.35kg/hm2;而黑龙江省的理论单产、可实现单产均最低,分别为9598.77和7886.24kg/hm2,实际单产最低的是河北省,为5986.34kg/hm2。耕地综合生产能力空间分布来看(图2),理论单产、可实现单产、实际单产空间分布规律基本一致。其中,江苏省的理论单产最高,山东省的大部分、河北省的中部、黑龙江省的南部理论单产次之,河北省的西北部、黑龙江省的西北部和东北部理论单产最低。江苏省的实现单产最高,黑龙江省南部可实现生产能力次之,河北省的西北部、黑龙江省的西北部和东北部可实现单产最低。江苏省的实际单产最高,山东省西北部、河北省中部、黑龙江省南部实际单产次之,河北省的西北部、黑龙江省的西北部和东北部实际单产最低。3.1.2配套生产企业以省级行政区划为计算单位,耕地面积最大的是黑龙江省,其面积值为1196.46万hm2,理论生产能力、可实现生产能力和实际生产能力最高的也是黑龙江省,其值分别为11484.59、9435.61和7255.21万t;其次,耕地面积第二大的是山东省,其值为728.50万hm2,其理论生产能力、可实现生产能力和实际生产能力值为11217.56、7609.97和6873.64万t;耕地面积最小的是辽宁省,其面积值为408.51万hm2,理论生产能力、可实现生产能力和实际生产能力最低的也是辽宁省,其值为5144.51、3898.01和3317.23万t。从图3可以看出,各省耕地总面积与其生产能力值大致呈正相关关系。3.2耕地生产力在两个区域的分布特征3.2.1主要耕地主要生产经营区将6省所覆盖的12个二级区的耕地生产能力数据进行汇总,并对汇总结果进行分析(表4)。由于6省地区跨度较大,因此耕地质量整体差异较大,不同地区的理论单产波动明显,其中江淮平原区、沿江平原区和黄淮平原区理论单产最高,其理论单产值分别为18961.38、18931.37和18640.16kg/hm2;山东丘陵区、燕山太行山山前平原区和冀鲁豫低洼平原区的理论单产都超过了13000kg/hm2,分别为15558.01、13883.80和13831.41kg/hm2。耕地理论单产最小的区为大小兴安岭山地区,其理论单产为4013.60kg/hm2。江淮平原区、沿江平原区和黄淮平原区位于北亚热带中部,滨江近海,气候温和湿润,地势平坦,其光热资源条件较好,土壤多为水稻土和潮土,土壤肥力均较高,因此其理论单产也较高。大小兴安岭山地区属于山区,地形条件和气候条件都较差,其耕地质量比较低,理论单产低。从各二级区的耕地可实现单产分布情况来看,江淮平原区和沿江平原区的可实现单产最高,其单产值分别为17163.98和17063.54kg/hm2,黄淮平原区、燕山太行山山前平原区和山东丘陵区的可实现单产也均超过10000kg/hm2,其单产值分别为14729.74、10536.40和10178.09kg/hm2,后山坝上高原的可实现单产最低,为3031.77kg/hm2。从各二级区的耕地实际单产分布情况来看,江淮平原区和沿江平原区优势明显,其实际单产值分别为15194.04和14194.14kg/hm2,其次为黄淮平原区,其实际单产值为12221.44kg/hm2,后山坝上高原区为最低,其实际单产值仅为1929.07kg/hm2。从耕地生产能力在二级区的空间分布规律(图4)可以看出,沿江平原区、江淮平原区、黄淮平原区理论单产最高,松嫩平原区的中部、冀鲁豫低洼平原区的东南部、山东丘陵区的大部分理论单产次之,大小兴安岭山地区、三江平原长白山地区的东北部、辽吉西蒙东南冀北山地以及后山坝上高原区理论单产最低。可实现单产与实际单产的分布规律与理论单产趋于一致。3.2.2理论生产能力以耕作制度二级区为计算单位,耕地面积最大的是松嫩平原区,其值为1182.3万hm2,该指标区理论生产能力、可实现生产能力、实际生产能力均最高,其值分别为13416.15、11345.42和8683.45万t;山东丘陵区、冀鲁豫低洼平原区理论生产能力、可实现生产能力、实际生产能力差异不大仅次于松嫩平原区,其耕地面积相近,均为423万hm2左右;后山坝上高原区、大小兴安岭山地区的理论生产能力、可实现生产能力、实际生产能力差异不大均最低,耕地面积也最低。大小兴安岭山地区的理论生产能力最低,为212.25万t。后山坝上高原区的可实现生产能力、实际生产能力均最低,分别为135.49和86.21万t,耕地面积最小,为44.69万hm2。其中,三江平原长白山地区耕地面积较大,为514.85万hm2,仅次于松嫩平原区,而理论生产能力、可实现生产能力、实际生产能力较低,在二级区内居于中列。三江平原长白山地区位于黑龙江省东部,域内海拔较高,光热条件匹配较差,耕地单产水平低,生产能力也较低。从图5可以看出,二级区耕地总面积与其生产能力值大致呈正相关关系。3.3不同地区利用潜力农用地理论利用潜力Gap1是理论单产与可实现单产的差值,表征耕地利用水平提升可以实现的生产潜力。潜力提升需要针对当地气候条件,通过建设、完善农田基础设施等土地整治措施可有效提高耕地生产能力。图6a显示,黑龙江、吉林、江苏3省的利用潜力较低,该地区耕地利用程度较高;辽宁省利用潜力次之;河北省的燕山太行山山前平原及冀鲁豫低洼平原区、山东省的山东丘陵区的利用潜力最高,超过3500kg/hm2,部分区县甚至超过5500kg/hm2,耕地提升潜力巨大。可实现利用潜力Gap2是可实现单产与实际单产的差值,表征耕地当前增产潜力。在当地气候条件和耕地利用技术水平下,政策、投入是限制耕地生产能力的主要因素。图6b显示,6省区半数以上的耕地可实现利用潜力较低。黑龙江、吉林省松嫩平原区、河北平原区及江苏西北部区域的耕地可实现利用潜力较高,通过实施提高粮食补贴价格等鼓励性政策可充分发挥该地区的耕地生产能力。3.4生产核算的实际产出高于统计联产水平的可能原因以省为单位,分别将6省生产能力核算成果与其2006年统计数据进行对比分析发现(表5),生产能力核算中采用的耕地面积数据与统计数据基本一致,但是6省通过生产能力核算得出的实际生产能力数据比实际统计的粮食产量数据高出很多,主要原因是生产能力核算的实际单产高于统计单产水平。生产能力核算的实际单产高于统计单产的可能原因如下:1)标准粮折算系数的影响。统计数据中的单产是指作物单位播种面积产量,而农用地生产能力核算中的单产,则是指作物单位耕地面积产量。对于不同的指定作物类型,需要转化为标准粮播种面积单产水平。而转化的方法,则是通过