基于GIS的湖南粮食生产重心迁移分析

阳宽达，黄运湘，谢红霞，余 丹，袁 红

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

美国世界观察研究所所长Lester R. Brown 曾发出“谁来养活中国”的惊人之问，其焦点问题就是中国的粮食供给和粮食安全。作为一个一直被世界所广泛关注的焦点问题，粮食问题对于人口众多的中国来说，更关乎国民经济发展和社会稳定。近年来，在我国人口持续增加，耕地面积逐年减少的背景之下，粮食生产及其消费格局在不断变化，粮食供求关系偏紧，结构性矛盾突出，粮食安全与耕地保护正面临着严峻的挑战[1]。湖南省工业化、城市化的进程不断加快，建设项目占用耕地越来越多，而人民生活水平不断提高对粮食总量的需求呈增加的态势，湖南是一个粮食生产大省，研究该区域粮食生产重心转移问题，有利于统筹区域城乡发展，合理配置区域内粮食生产，为区域的持续健康发展提供重要保障。项目组选取了湖南省作为研究对象，分8个时段探讨近25 a 来粮食总量的重心迁移，希望对优化湖南省粮食生产布局以及粮食生产相关政策的制定提供相应的数据参考，为确保粮食安全的规划决策提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湖南省地处长江中游南部，位于东经108°47′～114°15′，北纬24°39′～30°08′。全省土地面积 21.18万km2，是连接东部沿海省与西部内陆省的桥梁地带。地貌以山地、丘陵为主，全省三面环山，形成一个从东南西三面向北倾斜开口的马蹄形盆地。湘江、资水、沅江、澧水四大水系由西南向北汇集至有全国第二大淡水湖之称的洞庭湖，经岳阳城陵矶注入长江。全省属中亚热带季风气候，雨量充沛，热量丰富，年平均降水量在1 200～1 700 mm 之间，年平均温度在16～18℃之间，物产富饶、资源丰富以及自然条件优越，素有“湖广熟，天下足”之谓，也是全国水稻产量最大的省以及全国粮食主产区之一[2]。

1.2 数据来源

使用数据均来自湖南省统计年鉴（1990～2014年），以县（区）为单位收集相关数据，包括各个县（区）的历年人口数、耕地面积、粮食播种面积、粮食总产量和农作物播种面积等。由于近25 a 湖南省部分行政区划发生了一些变动，为了保持数据的连续性，对有些行政区进行了归并。长沙市区包括长沙郊区、芙蓉区、天心区、岳麓区、开福区和雨花区；株洲市区包括株洲郊区、荷塘区、芦淞区、石峰区和天元区；湘潭市区包括湘潭郊区、雨湖区和岳塘区；衡阳市区包括衡阳郊区、珠晖区、雁峰区、石鼓区和蒸湘区；邵阳市区包括邵阳郊区、双清区、大祥区和北塔区；岳阳市区包括岳阳郊区、岳阳楼区、云溪区和君山区；常德市区包括武陵区、鼎城区；张家界市区包括永定区、武陵源区；益阳市区包括资阳区、赫山区，南县包括南县和大通湖区；郴州市区包括郴县、北湖区和苏仙区；永州市区包括零陵区、冷水滩区；怀化市区包括鹤城区、中方县；娄底市区包括娄星区。

1.3 研究方法

重心模型是研究区域发展过程中要素空间变动的重要分析工具。由于区域发展是要素集聚与扩散的过程，各要素的重心位置处于不断变动之中，要素重心的移动客观地反映了区域发展诸要素空间集聚及其位移规律。人口重心模型、经济重心模型以及生产重心模型是地理学常用的分析模型[3]。依据重心模型理论尝试构建了湖南省粮食产量重心拟合模型公式（1）。

式中，Tij（i=1，2，3，…，n）表示第i 评价单元第j年粮食产量。xi、yi为第i 评价单元的地理经纬度。xj、yj为湖南省粮食产量第 j年的重心横纵坐标。设第k、k+m年湖南省粮食产量重心坐标分别为Pk（xk，yk）、Pk+m（xk+m，yk+m），那么，重心Pk向Pk+m移动方向模型公式为（2），重心移动距离模型公式为（3）。

2 结果与分析

2.1 湖南省粮食、人口的时序变化

尽管实行了计划生育这一基本国策，但是因人口基数较大，1989～2013年人口仍然有增加的趋势，湖南省总人口数量增加了762.35 万人。粮食总量的需求将会随着人口的增加而增加，耕地资源成为了维系粮食生产的最基本的保障，无论是数量上还是质量上都会影响着粮食生产和粮食安全[4-5]。但由于近年来湖南省工业化、城市化进程加快，非理性用地所造成耕地非农化利用的趋势不可逆转，该省耕地面积从1989～2013年减少了2.6×105hm2，在一定程度上影响了湖南省的粮食生产。此外农药化肥的大量使用、不合理的灌溉方式等导致的耕地质量下降 , 也制约了粮食生产和粮食安全。1989～2013年，湖南省粮食总产量在2.60×107～3.45×107t 范围内上下波动（图1）。总体来说，经历了缓慢下降、快速下降和缓慢上升三个阶段。随着改革开放的推行，湖南进入了真正意义上的发展时期，由于该省位于我国中部地区，经济和技术发展相对滞后，工业化、城镇化进程缓慢，粮食产量出现小幅度的下降。进入21 世纪后，我国区域的发展战略进行了调整，制定了一系列加快中西部地区开发的政策和措施，因此湖南省迎来发展的契机，随着建设用地占用的不断增加，粮食产量大幅度下降。但伴随着技术的进步以及政策的导向，加速推进了湖南省农业发展的现代化和规模化，推动粮食产量稳步上升。

图1 湖南省1989～2013年人口总数、耕地总量、粮食播种面积、粮食单产、粮食总产量变化

2.2 湖南省粮食生产重心迁移变化

采用湖南省粮食重心模型，运用Excel 计算出1989～2013年湖南省粮食总产量重心坐标的位置以及移动距离、移动速度和移动的角度（表1），并且利用ArcGIS10.2 绘制了湖南省1989～2013年粮食总产量重心移动轨迹（图2）。

粮食产量重心的变化表征了区域粮食产量分布，反映了粮食生产空间格局的变动。重心偏离的方向指示了省域空间范围内粮食产量的高密度部位，偏离的距离则指示了粮食产量的均衡程度[6]。通过绘制出的湖南省粮食总产量重心移动轨迹，结果表明：湖南省近25 a 粮食产量的重心位置位于湖南省的地理中心位置的东侧，说明湖南省粮食生产的优势区域在湖南省东部。1989～2001年湖南省粮食总产量重心向东南方向偏移，2001～2013年湖南省粮食总产量有向西北方向偏移的趋势，即1989～2001年粮食产量的“高密度”区向湖南省东南部偏移；2001～2013年粮食产量的“高密度”区向湖南省西北部偏移。全省粮食生产的空间波动较小，表明了湖南省粮食总产量的分布大致处于比较均衡的状态，同时也说明了湖南省粮食生产的优势区域格局相对比较稳定。

表1 1989～2013年湖南粮食产量重心位置及移动态势

图2 1989～2013年湖南省粮食产量重心轨迹

由于农业生产技术、自然资源条件限制、农业投入和耕地质量等因素在地域上存在差异，导致全省粮食单产和耕地利用集约度在地域上也存在差异。一般光照资源、水热条件优良、土地生产潜力较大和社会投入越多的地区，往往其耕地利用集约度较高，粮食产量较高，因此粮食产量重心会向其迁移。1989～1992年，受农业政策的引导和灌溉条件的改善，位于湖南省地理中心东部的宁乡县、湘乡市、双峰县、湘潭县等地区粮食产量处于湖南省粮食生产的前列，而位于湖南省地理中心东南部的湘乡市、双峰县两个粮食增产较大，且其粮食年均总产量要高于湖南省平均水平，故该时期粮食产量重心以3.59 km/a 的速度向南偏东15.08°方向移动了14.36 km；1992～1995年，位于湖南省东北部的长沙、益阳、岳阳市粮食产量普遍减少，共减产4.2×105t，相反娄底、邵阳地区增产5.2×105t，占全省粮食增产量的71.93%，且粮食单产和耕地利用效率均高于全省水平，故该时期粮食产量重心以2.43 km/a的速度向南偏西5.14°方向移动了9.73 km；1995～1998年，由于受到自然灾害的侵袭，位于湖南省东北部的长沙县、望城县、华容县、湘阴市、双峰县、南县和沅江市等地区粮食减产量达到9.2×105t，与此同时位于湖南省西部的邵阳县、隆回县、绥宁县、新宁县、洞口县、芷江县和麻阳县等地粮食增产量占全省增产量的61.76%，故该时期粮食产量重心以1.30 km/a 的速度向南偏西83.11°方向移动了5.18 km；1998～2001年，城市化的不断推进以及传媒、餐饮和服务等相应配套设施的不断完善，虽然在一定程度上促进了经济的发展，但是由于建设用地的增加导致耕地数量的减少和农业劳动力非农转移的速度增加，使得全省耕地利用和集约程度降低，农作物播种面积减少，导致粮食总产量减少。在该时期湖南省东南部地区的衡阳县、双峰县、衡南县、耒阳市、安仁县和炎陵县地区粮食年均总产量远远高于全区粮食年均总产量，故该时期粮食产量重心以2.54 km/a 的速度向南偏东42.13°方向移动了10.16 km；2001～2004年，由于国家粮食生产补贴等一系列惠农政策的实施，加上湘中、湘北地区农业基础条件的改善、农业技术的进步以及农业基础设施的配套逐步完善，粮食产量有较大幅度的提高，其中汉寿县、澧县、桃源县和石门县等湖南西北地区增产5.5×105t，占全省增产的47.19%，故该时期粮食产量重心以2.65 km/a 的速度向北偏西25.44°方向移动了10.58 km；2004～2007年，衡阳县、祁东县和耒阳市等湖南省东南部地区粮食产量下降，而安化县、桃江县等湖南省西北部地区粮食产量稳步上升，故该时期粮食产量重心以0.74 km/a 的速度向北偏西22.81°方向移动了2.95 km；2007～2010年，由于南部地区城市化、工业化逐步发展以及种植结构的迅速调整，衡阳县、衡东县、衡山县和永兴县等东南地区粮食产量减少1.1×105t，故该时期粮食产量重心以0.8 km/a 的速度向北偏西17.68°方向移动了3.19 km；2010～2013年，尽管湖南省大部分地区粮食产量有所下降，但宁乡县、益阳市区和长沙县等湘北地区粮食产量占全省的比重较大，故该时期粮食产量重心以0.32 km/a 的速度向北偏东60.88°方向移动了1.29 km。

3 结 论

利用GIS 和空间重心的分析方法，以湖南省101个县（区）为单元，对近25 a 来的粮食总产量的重心转移以及粮食单产、耕地面积、农作物播种面积、总人口与粮食总产量重心转移之间的联系进行研究。湖南省近25 a 粮食产量的重心位置位于该省的地理中心位置的东侧，且重心移动速度和空间波动都比较小，1989～2013年湖南省粮食总产量重心整体向西南方向移动。其中1989～2001年湖南省粮食总产量重心整体向东南方向移动，2001～2013年湖南省粮食总产量向西北方向移动，整体移动距离不大，反映了湖南粮食产量贡献的内部变化和相对稳定性。目前湖南省耕地面积总量有减少的趋势，耕地面积数量和质量上的变化必然会影响到粮食产量的波动，与此同时，随着湖南省人口数量逐年增加，对于粮食需求量也会大幅度增加，此外由于种植结构的调整、食物消费结构的改变，均会影响到粮食总产量，带来粮食产量重心的迁移。为了确保湖南省粮食安全，首先应该确保一定的耕地数量，着重要做好对基本农田的保护，严格实行耕地保护制度。然后要加大生产分区管理的力度, 努力提高粮食生产核心区的粮食产量，提高耕地利用集约度和投入要素利用效率。同时要改进基本农田水利设施，确保水土资源的合理利用，加大投入力度，运用高新技术去培养抗寒抗旱新品种，提高粮食单产。此外，还需要加大宣传的力度，向农民宣传先进的技术，提高农民的种粮积极性。

[1]刘彦随，王介勇，郭丽英. 中国粮食生产与耕地变化的时空动态[J]. 中国农业科学，2009，42（12）：4269- 4274.

[2]周 敏，王路希，邓 旭，等. 湖南省近20年耕地和粮食承载时空变化分析[J]. 湖南农业科学，2011，（19）：65-68.

[3]文 琦，赵 亮. 1978～2011年宁夏粮食产量重心移动轨迹及其驱动机制[J]. 地域研究与开发，2014，33（1）：99-102.

[4]余振国，胡小平. 我国粮食安全与耕地的数量和质量关系研究[J]. 地理与地理信息科学，2003，19（3）：45-49.

[5]傅泽强，蔡运龙，杨友孝，等. 中国粮食安全与耕地资源变化的相关分析[J]. 自然资源学报，2001，16（4）：313-319.

[6]王 千，金晓斌，阿依吐尔逊·沙木西，等. 河北省粮食产量空间格局差异变化研究[J]. 自然资源学报，2010，25（9）：1525-1535.