贵州省粮食产量预测时空演变格局研究

□ 张熠群 张斯屿 赵云蔚 杨 佳 邹灵燕

（贵州师范学院地理与资源学院，贵州 贵阳 550018）

一、引言

（一）研究背景

目前，我国粮食总产量达到68285万吨，人均粮食占有量为0.474吨，已连续四年高于国际粮食标准安全线（0.4吨）。我国《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出以夯实粮食生产能力为基础，保障粮食等重要农产品供给安全的要求。

贵州省耕地匮乏，仅占全国耕地面积的3.4%；但其垦殖率高，2018年贵州省耕地的垦殖率高达25.62%，为全国平均垦殖率1.8倍；此外，贵州省坡耕地多，耕地禀赋较差，土地产出低。因此，准确的估算贵州省粮食产量，预测未来粮食产量变化趋势，对贵州省农业规划与管理以及宏观调控具有重要意义。

（二）国内外研究现状

目前国内外学者粮食产量预测模型选择中，大部分选择多元线性回归、灰色模型、BP神经网络、组合模型等。其中组合模型的精准度最高，效果最好。组合模型通过一个模型去弥补其他模型的缺点，达到提高模型精度的效果。粮食产量具有一定的复杂性与不稳定性，单一的预测方法将受到较大的影响和制约，所以多数学者选择优化模型，从而提高预测数据的精准度。

国内相关研究方面，王少航等［1］利用灰色马尔科夫模型对河南省粮食产量进行了预测；王友文等［2］通过灰色方法对山西省2018-2020年粮食产量进行了预测；伊邦华等［3］用灰色马尔科模型对湖北省的粮食产量预测进行研究分析；潘霖等［4］运用SPSS分析建立了多元线性回归模型，对江苏省的粮食产量进行预测分析；郭晓婷等［5］利用多元回归分析法对安徽省粮食产量预测方法研究；郭亚菲等［6］研究多种组合模型，从影响因子方法出发，建立两种组合预测模型，模型一利用灰关联筛选影响因子，并建立影响因子与粮食产量之间的BP神经网络，最后采用粒子群算法对其权值进行优化。

国外相关研究方面，Kim等［7］利用卫星云图和高分辨遥感影像监测韩国水稻冠层生长与产量，通过生物量与植被指数之间的经验关系，从而估算作物产量；Rogachev等［8］以俄罗斯联邦下伏尔加河地区为例，对模拟的TS进行了统计分析，建立粮食产长期序列水平分布的自相关函数，从而预测作物产量；Mishra等［9］运用自回归综合移动平均（ARIMA）模型对印度的粮食总产量和粮食面积进行了预测。

以上研究虽然在通过模型预测粮食产量在数值上精度较高，但无法明确粮食产量的空间分布。或者通过遥感影像建立与植被指数的经验方程，估算空间尺度上粮食产量格局分布，但受数据时效性限制，无法预测未来时间序列的粮食产量。因此本文采用GM（1，1）模型对贵州省2025年粮食产量进行预测，并结合GIS平台将离散的县级粮食产量进行空间分布化，以期为保证贵州省粮食供应安全提供数据基础和科学依据。

二、数据来源及研究方法

粮食产量数据来源于2001-2019年贵州省统计年鉴；2001、2019年贵州省土地利用数据来源于ESA CCI Land Cover数据集［10］。本研究依托GIS平台，将离散的县级粮食产量进行空间分布化，并采用土地利用转移矩阵明确土地转化与粮食变化的关系。

本研究采用灰色系统GM（1，1）模型预测粮食产量，该模型是以灰色系统理论为基础，将离散变量连续化，抵消随机误差的同时对变化过程做序列模拟，模型基本公式如下［11］：

式中a为贵州省粮食产量因素发展变化系数，w为贵州省粮食产量灰色预测模型作用量。a、w是通过建构得灰色预测模型求解得参数。将2001-2019年贵州省粮食产量原始数据带入上述预测模型，得到2020-2025年贵州省粮食产量的预测值。

三、结果分析

（一）2001-2019年贵州省粮食产量时空格局

2001-2019年，贵州省粮食总产量为870-1250万吨，整体变化趋势相对稳定，呈逐年缓慢上升态势，年均增率为1.31%（图1）。整体而言，2001-2019年贵州省年均粮食总产量为1105.44万吨，标准差为75.78，其中2017年粮食产量最高为1242.4万吨，2011年粮食产量最低为876.9万吨，2011年粮食产量骤减，主要是受旱灾和冻雨的影响。以2011年为分界点，贵州省的粮食总产量可分为两个阶段（图1）：2001-2011年，贵州省粮食产量在1100万吨左右平稳浮动，该阶段粮食产量均值为1127.28万吨；2011-2019年，粮食产量在波动中增加，该阶段年均粮食产量为1121.71万吨，粮食增加速率为19.88%。

图1 2001-2019年贵州省粮食产量

根据贵州省粮食产量空间分布可知（图2），2001-2019年贵州省粮食产量空间分布基本保持一致，南北差异明显。空间分布上整体而言，2001-2019年贵州北部粮食产量相对较高，县级粮食总产量多高于21万吨，贵州中部及南部粮食产量则相对较低，县级粮食总产量多低于15万吨。其中，2001-2019年无论南北，贵州省城市主城区粮食产量均相对较低，如贵阳市南明区和云岩区、遵义市汇川区和红花岗区，主要原因为城市农业用地相对较少。

图2 贵州省粮食产量空间分布（单位：万吨）

结果表明，贵州省粮食产量减少与耕地转为建设用地的面积紧密相关（表1）。2001-2019年，耕地转化为建设用地面积较为明显的城市排序为（耕地转出>35km2）：贵阳市（137.63km2）>遵义（75.22km2）>黔东南（42.25km2）>黔南（42.23km2）>毕节（35.16km2）。其中，贵阳市和遵义市因大力发展经济，城市扩张占用耕地，导致粮食产量减少。此外，虽然毕节市耕地转为建设用地面积较大，但同时大面积草地转为耕地，耕地面积得到增加，因此粮食产量相应增加。

表1 2001-2019年耕地类型转换类型（单位：km2）

六盘水19.49 51.64

（二）2020-2025年贵州省粮食产量预测

本研究采用GM（1，1）模型，预测贵州省2020-2025年粮食产量，模型精度为94.67%，平均相对误差3.13%，模型预测结果较为准确。2020-2025年贵州省粮食产量预测空间分布如图3所示，贵州省2020-2025的粮食产量将稳步增长，平均粮食产量1206.86万吨、平均增长率0.47%、平均年增量5.65万吨。其中，2025年同比增长量最高，粮食总产量达1221.07万吨；2020年粮食产量较2019年增量最少，为1192.73万吨。2020-2025年粮食产量空间分布上与2001-2019年保持一致，仍为南低北高，但南部地区县级粮食总产量有所增加，以高于29万吨为主；此外，2020-2025年贵州省西南部地区粮食产量也增加至29万吨以上；2020-2025年贵州省中部、北部地区粮食产量以低于14万吨为主，贵阳市主城区南明区、云岩区粮食产量仍为0。

图3 2020-2025年贵州省粮食产量预测空间分布

四、结论与建议

本研究主要结论如下：（1）2000-2019年贵州省粮食产量在1000万吨左右，空间分布上呈南低北高，其中南部多高于21万吨，北部多低于15万吨；（2）通过GM（1，1）模型预测贵州省2020-2025年粮食产量，模型精度94.67%，平均相对误差3.13%，预测精度为一级，可以为农业发展提供数据基础与科学依据；（3）预测结果表明2025年贵州省粮食产量增至1221.07万吨，空间分布仍呈南低北高趋势，但南部粮食产量有所增加，以高于29万吨为主。

通过数学模型预测粮食产量为当下农业发展的研究热点之一，本研究符合国家粮食安全保障政策，为了保证贵州省粮食产量的稳定与增长，结合贵州省实际情况提出以下优化意见：1.加大农业科技投入，加强农业机械化水平，着力推进山区耕地宜机化建设；2.加强防灾能力，科学安排应对冰雹和低温冷害，利用局地小气候优势、合理规划布局并进行科学施肥；3.加大政府扶持力度，强化政策保障，适当提高收购价格，稳定农业补贴政策，扩大粮食作物完全成本保险和种植收入保险覆盖范围。