21世纪以来三江平原农作物种植结构演化研究

杜国明，张扬，李全峰

（东北农业大学公共管理与法学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

近十几年来，种植结构优化、布局调整作为影响粮食产量的重要因素，对保障我国粮食安全起到了重要的作用[1-2]。与此同时，农产品有效供给不足与结构性过剩并存成为现阶段我国农业生产的主要问题，并由此导致粮食生产量、库存量、进口量“三量齐增”以及农产品价格倒挂等问题，影响着国家粮食安全的稳定性，阻碍着农业现代化水平的提升和农业可持续发展。因此，从农业供给侧出发，优化调整农作物种植结构势在必行。2019年中央一号文件《国务院关于坚持农业农村优先发展做好“三农”工作的若干意见》与《全国种植业结构调整规划（2016—2020年）》明确指出，优化调整农作物种植结构是推进农业供给侧改革、提升农业供给侧改革质量与效率的重要保障。科学合理地优化区域农作物种植结构成为当前国家粮食安全与经济转型的重要措施。而如何客观认识与识别区域农作物种植结构特征演变与驱动机制是优化国家/区域农作物种植结构的必要前提。

当前国内学者对农作物种植结构进行了大量相关研究，其学科领域涉及经济学、生态学与地理学等[3-5]。从信息源获取方式看，面板数据、遥感解译数据与调查数据构成了农作物种植结构研究的多源数据平台[6-7]。从内容看，学者们主要从不同空间尺度探讨了农作物种植结构的时空演变及其驱动机制[8-10]。如刘珍环等[3,11]分别对中国全域和中国东北地区近30 a农作物种植结构分析发现，全国范围内多元种植结构正在代替单一种植结构，但东北地区种植结构单一化明显，可见不同空间尺度存在不同的种植结构演变特征；并且不同驱动因素影响，不同地区或者同一地区不同时期也会形成不同的农作物种植结构变化规律[12-14]。近年来，东北地区作为国家商品粮供给的核心区，其集约化、规模化与专业化趋势愈加明显，区域粮食生产格局逐渐趋于稳定[15]。三江平原作为东北地区新兴商品粮生产基地，是国家级现代农业综合改革配套试验区的核心区，农作物种植结构演变却鲜有相关研究。全面认识三江平原农作物种植结构时空特征及其演变态势，对推动东北地区农业供给侧结构性改革与保障国家粮食安全战略具有重要意义。

综上所述，农作物种植结构时空演变是单一/多种类型农作物交替组合过程，呈现出明显的时空动态性、空间聚集性和区域差异性[3,16-17]。因此，本研究拟通过数理统计与GIS空间分析方法，刻画2000—2015年不同时间尺度农作物种植结构时空特征，揭示三江平原农作物种植结构演变趋势，探究影响三江平原农作物种植结构演变的主要驱动机制，以期为该区域农业种植结构调整与布局优化、耕地可持续利用等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三江平原位于黑龙江省东北部（图1），土地总面积为10.9×104km2。三江平原由黑龙江、乌苏里江和松花江汇积而成，地势平坦，呈南高北低，西高东低。当前三江平原农作物种植以玉米和水稻等为主，2000—2015年间，三江平原粮食产量由1 197×104t增至 3 605×104t，增幅 2 408×104t，其中玉米产量增幅1 409×104t，水稻产量增幅1 276×104t，而大豆产量减幅115×104t。

1.2 数据来源

选 取 2000、2005、2010年 Landsat TM 以 及2015年Landsat OLI 的云量符合标准的6月及8月耕作期影像为主要数据源，在对卫星影像数据进行大气校正、几何校正和图像增强的基础上，分别进行TM数据4、5、3（OLI数据5、6、4）波段融合。在已有三江平原2000、2005、2010、2015年土地利用数据基础上[18]，从土地利用数据中提取耕地矢量数据，然后利用耕地层矢量数据切割影像以获取4期耕地层影像进行非监督分类，根据分类成果中各类型作物的像元数，统计得到2000—2015年三江平原不同农作物的种植面积。根据《黑龙江省2016年统计年鉴》、《黑龙江垦区2016年统计年鉴》和依兰县、穆棱市农业统计数据，获取2015年三江平原主要农作物种植面积统计数据，以此对农作物提取面积进行了精度验证，大豆、玉米和水稻面积（其他作物种植面积统计数据难以统计，因此针对大豆、玉米和水稻提取面积进行精度验证）提取精度分别为83.34%、86.58%、90.08%（表1），并通过样本点野外勘测检验，反演精度不低于92%。

表1 2015年主要农作物遥感提取面积精度验证Table 1 Validation of area accuracy of the remote sensing extraction of major crops in 2015

1.3 研究方法

本文选择动态度模型、变化幅度来描述三江平原农作物种植面积变化情况。为进一步揭示三江平原农作物种植结构变化特征，使用作物类型变化分析方法分析其种植结构类型变化特征。

1.3.1 农作物种植面积变化 1）农作物面积变化速度。动态度模型可以描述研究区某时期农作物面积的变化速度，计算公式[19]为：

式中：K为研究时段内农作物面积变化速度；a和b分别表示研究初期与末期，Ua、Ub分别为研究初期和研究末期的种植面积；T为研究时间间隔，单位为年。

2）农作物面积变化幅度。该指数可用来表示某种农作物在一段时期内的面积变化比例，计算公式[20]为：

式中：ΔS为作物面积变化幅度，a和b分别表示研究初期与末期，Ua和Ub分别为研究初期和末期某一作物类型的面积。此指数可以表示某种农作物在一段时间内的面积变化情况，其数值的“±”表示作物面积变化方向。

1.3.2 农作物种植结构类型判定及演化 以县市为单元，依据2000—2015年大豆、玉米、水稻、其他作物占耕地总面积的百分比为样本判定种植结构类型。结合前人在东北地区的研究[11,21]，作物组合类型数不超过3种，种植结构类型判定情况为：当县域只有某一种农作物占耕地面积比例超过30%时，则为该作物单一型，如单一水稻型；当有2类或3类农作物超过30%，则为作物组合型，如大豆-水稻型、大豆-水稻-其他作物型；当所有农作物比例都不超过30%时，则以前3位农作物组合。此外，为定量计算种植结构类型变化，对前后两期种植结构类型进行空间叠加运算，得到农作物种植结构类型互相转化的转移矩阵，以表现种植结构类型变化数量比例及其空间分布，具体计算公式[22]如下：

式中：a和b分别表示研究初期与末期，Am×n为某一时期的种植结构类型，Cm×n为研究初期到末期的种植结构类型变化结果。

2 结果与分析

2.1 农作物种植面积变化分析

整体上看，2000—2015年间大豆与其他作物种植面积减少（减幅分别为24.10%，17.46%），玉米与水稻种植面积增加（增幅分别为18.33%，23.23%）。15年来，三江平原大豆种植比例呈现先稳定后持续减少的趋势，而玉米呈现先稳定后持续增加的趋势，其变化时点均为2005年；而其他作物和水稻种植比例分别呈现“阶梯状”的下降与上升趋势，其变化时点为2005与2010年。总体而言，自2005年后玉米和水稻等农作物逐渐成为三江平原主要种植类型，其种植总比例由33.27%增加至74.82%（图2、图 3）。

图2 2000—2015年三江平原农作物面积变化Fig. 2 Changes of major crop areas in Sanjiang Plain during 2000—2015

具体而言，2000—2015年三江平原大豆和其他作物种植面积减少速度呈现增加趋势，年均减少速度分别为-4.95%和-3.31%；而玉米种植面积增加速度呈现逐渐增加趋势，水稻种植增加速度呈现先增加后减缓趋势，年均增加速度分别为9.93%和7.83%。从不同时段看，2010—2015年大豆和玉米面积变化幅度与年均变化速度均达到最大，大豆为-70.6%、-14.12%，玉米为84.76%、16.95%（表2）。在此期间，大豆种植面积快速减少而玉米种植面积快速增加，说明农民对农作物种植类型的选择发生变化；而水稻和其他作物种植面积变化幅度与速度在2005—2010年达到最大，在此期间，水稻种植面积快速增加而其他作物面积快速减少。

图3 2000—2015年三江平原农作物比例变化Fig. 3 Changes of major crop proportions in Sanjiang Plain during 2000—2015

2.2 农作物种植结构类型演变

2.2.1 种植结构类型时间变化 2000—2015年以县域为单元的三江平原农作物种植结构变化累计为10种类型（表3），主要表现为玉米和水稻的单一化类型阶段性增加，以大豆与其他作物组合型为主导的县域农作物种植结构类型向水稻和玉米组合型逐渐转变。

表2 2000—2015年三江平原农作物变化幅度及年均变化速度（%）Table 2 Ranges and speeds of the crop structure changes in Sanjiang Plain during 2000—2015（%）

表3 2000—2015年三江平原农作物种植结构类型县域数量比例变化（%）Table 3 Proportion changes of the crop structure and planting regions in Sanjiang Plain during 2000—2015（%）

15年来，三江平原农作物种植单一化类型的县域数量比例呈现先增加后减少趋势（详细数据见表3）。其中三江平原大豆种植单一化类型的县域数量比例于2015年降至为0；而水稻种植单一化类型的县域数量比例呈现显著增加趋势，于2010年达到最高（39.13%）；玉米种植单一化类型县域数量比例略增加，于2015年达到最高（21.74%）；其他作物种植单一化类型县域数量比例明显下降，于2010年降至最低（8.70%）。农作物组合类型县域数量比例先减少后增加，2000年时最高（43.48%），于2010年降至最低（26.09%）。主要以大豆与其他作物组合型为主导的县域农作物种植结构类型向以玉米与水稻组合型转变。

2.2.2 种植结构类型空间分布特征 2000—2015年三江平原县域农作物种植结构类型空间聚集性和区域分异特征明显（图4）。总体而言，农作物种植结构类型在东北部河流沿岸县域、中部地形平坦县域与西北、西南部山地丘陵县域呈聚集分布且彼此差异明显。

具体来看，2000年，县域种植结构类型由北到南以其他作物主导型、大豆-其他作物型和单一大豆型为主。2005年县域种植结构类型由北到南以单一大豆型、大豆-其他作物型、其他作物主导型为主。2010年县域种植结构类型以单一水稻型、大豆-水稻型、单一玉米型为主。单一水稻型连片分布在黑龙江、松花江及乌苏里江沿岸县域，大豆-水稻型区域主要分布在东部富锦—密山一带平原县域，单一玉米型区域分布在集贤、鸡东等山地丘陵区县域。2015年县域种植结构类型以单一水稻型、单一玉米型、玉米-水稻型为主。单一水稻型连片分布在黑龙江、松花江和乌苏里江沿岸县域，玉米-水稻型在北部呈“小聚集”状态分布，单一玉米型连片分布在依兰—宝清一带平原县域。

图4 三江平原农作物种植结构类型空间分布Fig. 4 Spatial distribution of crop structures in Sanjiang Plain during 2000—2015

2.2.3 种植结构类型变化区域分异特征 通过对比不同时期县域农作物种植结构类型变化可发现，15年来，三江平原东北部河流沿岸县域和中部平原县域向水稻、玉米的单一化类型和组合型转变且趋于稳定，西北部和南部山地丘陵县域向大豆与其他作物组合型转变（图5）。

2000—2005年三江平原北部农作物种植结构类型以单一大豆及其组合型代替其他作物主导及其组合型为主，南部其他作物主导及其组合型成为主要农作物种植结构类型。2005—2010年东北部农作物种植结构类型由单一大豆及其组合型改为单一水稻及其组合型；单一大豆及其组合型代替其他作物主导型在三江平原南部呈“小聚集”状态分布；其他作物主导及其组合型退出三江平原主要种植结构类型序列。2010—2015年东北部农作物种植结构类型趋于稳定，以中部平原和西南部依兰、桦川地势平坦地区单一大豆及其组合型改为单一玉米及其组合型为主。

3 种植结构演变驱动机制

3.1 驱动因素分析

3.1.1 自然环境驱动因素 自然环境（气候、地形、水文等）影响耕地资源禀赋，决定了农作物种植的适宜性。近年来，三江平原显著的气候变暖为玉米、水稻等喜温作物的种植和扩张提供了气候条件，驱使着玉米、水稻种植面积的增加。与山地丘陵地区相比，平原地区地形平坦，适宜大规模机械化耕作，这为大宗农产品集中连片种植创造了积极条件。而水文条件制约着农作物灌溉条件，直接影响水稻的种植条件。三江平原东北部和中部地形平坦，水资源丰富，灌溉便利，随着气候变暖，水稻和玉米种植面积迅速增加（增幅分别为18.33%和23.23%），原有的大豆与其他作物逐渐向西北部与南部山地丘陵萎缩，自然环境因素是影响三江平原农作物种植结构演变空间特征的直接因素。

图5 2000—2015年三江平原农作物种植结构类型变化Fig. 5 Changes of crop structures in Sanjiang Plain during 2000—2015

3.1.2 社会经济驱动因素 社会经济状况（市场需求、经济效益、农业政策）历来被认为是影响粮食生产的重要因素[23]。我国北粮南运的粮食产业格局逐渐成型，三江平原作为我国重要的商品粮基地，玉米和水稻等大宗农产品需求逐渐加大，促进了玉米和水稻种植面积的增加。并且在市场经济条件下，农民按照市场价值规律从事农业生产，农产品收购价格和产量的高低直接关系农业生产的经济效益，进而影响到农业生产和种植结构变化。此外，黑龙江省2004年取消农业税、2005年制定并且逐步上调水稻收购价格至3.1元/kg、2008年制定玉米临储收购价格且逐步上调至2.22元/kg，以及诸多农业生产补贴形成农产品间的比较效益，影响着农民对农作物种植类型的选择，导致了2005年和2010年以后水稻与玉米种植面积的快速增加，在土地报酬递减规律作用下，经济效益较少的大豆和其他作物面积减少，种植区域向山地丘陵县域萎缩，从而影响到农作物种植结构类型的变化。

3.1.3 科技驱动因素 农业投入与技术进步是推动农业生产发展的重要因素。2000年以来，三江平原东部地区土地整理重大工程107个子项目及其他土地整治等项目[24]陆续实施，通过平整土地、完善排灌渠道、建设农业附属设施、完善改进农田水利工程，为水稻、玉米等大宗农作物的大规模种植奠定了物质基础，水稻育秧、栽培、植保技术发展，具有耐寒、高产等特性的水稻、玉米等作物新品种不断繁育，农业机械化水平不断提高，为克服农作物种植结构变化限制因素，促进玉米、水稻大规模种植提供了有利条件，直接影响着种植结构与格局的变化。

3.2 驱动机制

区域种植结构演变是在自然与社会经济规律共同作用下，区域种植结构从一种空间状态向另一种空间状态变化的过程，是自然环境与人类活动相结合的结果[25]，充分体现了人地关系矛盾冲突性与动态适应性。

从本文结果规律看，人文要素与自然要素共同驱动着区域农作物种植结构格局变化，具体表现为自然环境、社会经济状况、科学技术等因素。自然环境中气候、地形和水文条件直接影响着农作物种植格局状态，其时空变化是种植结构变化的约束力与驱动条件；在此基础上，社会经济中市场需求、经济效益和政策的调控影响农作物种植类型的选择，促使农作物种植类型由大豆和其他作物转向经济效益更高的玉米和水稻，间接影响着区域农作物种植结构变化，对种植结构影响较为快速和明显；农业投入及土地整治、农业机械和农艺技术的进步能动地改变了水稻、玉米生长的限制因素，对种植结构与格局影响具有直接性和持续性。自然环境、社会经济、科学技术等因素相互影响，共同驱动着三江平原农作物种植面积和种植结构类型的时空变化，并对区域农业气候、经济发展水平具有一定的反馈作用（图6）。

图 6 三江平原种植结构变化驱动机制Fig. 6 Driving mechanism of crop structure changes in Sanjiang Plain

4 结论与讨论

4.1 结论

通过对三江平原2000—2015年农作物进行遥感提取，并且运用数理统计和GIS统计分析了近15 a三江平原农作物种植结构类型时空变化特征，主要结论如下：

1）15 a来三江平原大豆、其他作物种植面积减少，玉米、水稻种植面积增加，且种植总比例由33.27%增加至74.82%；2005—2010年水稻种植面积快速增加，其他作物种植面积快速减少，2010—2015年大豆种植面积快速减少，玉米种植面积快速增加。

2）15 a来以县域为单元，种植结构类型共有10种类型，农作物单一化类型县域数量占比始终超过50%，并且由大豆和其他作物的单一化类型向玉米和水稻的单一化类型转变；作物组合类型由大豆与其他作物组合型为主导，变为玉米与水稻的组合型为主导。

3）从县域种植结构类型空间分布及变化区域差异来看，三江平原北部主要河流沿岸及中部平原县域变为水稻、玉米的单一化类型和组合型且趋于稳定，大豆、其他作物主导和组合型逐渐向西北和南部山地丘陵县域萎缩。

4）21世纪以来，自然环境、社会经济状况和科学技术等因素相互影响、相互作用，共同推动了三江平原农作物种植面积和种植结构类型的变化。

4.2 讨论

1）三江平原水稻面积快速增加，农业需水量已经引起局部地下水超采，改变了原有的水循环特征[26-27]。水稻种植时农田地表水集中连片分布会对区域热环境产生影响，导致气温及积温下降[28]。大面积旱地改为水田，必然对区域土壤的理化性质产生深远影响，甚至呈现出土壤类型的变化[29]。由于旱作作物单一，三江平原的旱地区难以形成合理科学的轮作制度，不利于耕作土壤养分的保持。因此，如何合理控制水田规模，实现三江平原水、土、热等农业资源的可持续利用已经迫在眉睫。

2）粮食是战略性资源，确保谷物基本自给、口粮绝对安全是我国的粮食安全战略。在国际贸易、气候变暖、农业补贴政策等综合影响下，三江平原的种植业规模、结构与布局不断演化。但由于其作为国家级商品粮基地的重要意义，保证该区域种植业规模、结构、布局的相对稳定、有序变化对于我国推进农业供给侧改革、保证粮食安全特别是粳稻、大豆安全举足轻重[30]。后续，如何针对该类地区调整和优化农业补贴和粮食收储制度来保障战略性农产品安全意义重大。

3）三江平原国营农场与普通农村相间分布，分别实施不同的土地所有制和土地使用制度，耕地生产经营的行为及种植特征存在显著的差异。因此，针对该区域的种植业结构调整与布局优化措施，应该因地制宜、分类施策。在国营农场改革、自然资源管理制度改革的背景下，优化种植业结构与布局管理也是应有之义，当审慎为之。