甘肃旱作农业地区粮食综合生产能力影响因素的实证分析

李红伟，魏胜文，张东伟

（1.甘肃农业大学财经学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃省农业科学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

提高粮食综合生产能力、保障口粮绝对充足是每个国家都关注的问题。甘肃省是西北地区的农业大省，同时也是人均耕地面积超过全国人均耕地面积的省份，但是甘肃各地区资源禀赋差异较大，影响粮食产量的因素也较多。一是土地面积大，但有效耕地面积少，全省拥有耕地面积344.90公顷，其中旱地面积占70%以上，是典型的山地型高原地区。二是不同气候类型区位差异较大，从东南到西北包括了亚热带湿润区到高寒区、干旱区的各种气候类型。总体上气候干燥，气温日差较大，虽光照充足，但太阳辐射强。三是甘肃省水资源贫乏，自然灾害事件发生频繁。由于这些自然条件的限制，形成了甘肃省以“靠天吃饭”的旱作农业为主的农业生产方式。四是农民种粮所产生的经济收益远低于种植经济作物或者外出务工所带来的收入，所以大多数农民种粮意愿不是很强烈。

旱作农业区在甘肃省粮食农业中拥有重要的战略位置，已成为甘肃省粮食作物的主产区，确保甘肃省旱作区农业平稳健康发展也就是为了保证“把中国人的饭碗牢牢端在自己手里”，实现甘肃省农业可持续发展和国家粮食安全的重要基础和保证。在正常年份，粮食产量和市场价格波动不大时，甘肃省从其他省份调入粮食较容易，但是如果遇到特大灾害，如2008年的冰雪灾害、2021年的西部大旱等非正常年份时，甘肃省再从其他省份调运粮食难度就会相当之大。其次，如今种粮所带来的经济收入较低，各省种粮农民的积极性处于低迷状态，多数粮食主产区自身都面临困境。所以，如何挖掘自身粮食生产潜力，稳固甘肃旱作农业区粮食综合生产能力，以此来保证粮食安全和国民经济平稳发展成为甘肃迫切需要解决的重点问题。

国内外专家和学者对制约粮食综合生产能力的因素普遍关注。从自然因素的分析角度：主要从粮食耕地面积、水资源综合利用、气候变化三个因素方面综合分析对粮食综合生产能力造成直接影响，研究结果认为每年耕地面积和复种指数的变化会对粮食总产量的波动和趋势直接进行影响[1-2]。在水资源综合利用影响方面：研究普遍认为我国粮食水资源具有人均占有量低、空间分布不平衡的特征，是影响粮食综合生产能力提升的制约因素之一[3-4]。在气候变化方面：许多研究通过自然理论和学科实证分析，证明随着时间的推移，我国农业受灾频率呈上升趋势，造成的粮食损失约占我国粮食生产总损失的80%，其中，旱灾发生造成的粮食减产约占灾害总减产量的50%～70%[5]。从投入要素的视角：研究得到农业机械总动力、农业用电量、财政投入等各种物质要素投入对粮食综合利用生产率和产能的转化起促进作用[6]。在政策扶持方面：近年来我国对农业生产的投入逐步增加，国家在扶持政策和农业生产资料上的投入力度有所增加，但所占比例不大，没有有效地促进农业生产者的种粮积极性[7-8]。结构上各要素的变化：围绕农业耕地变迁[9]、播种面积的变化直接引起粮食产量波动[10]，机械化对逐步提升粮食生产能力虽然起到促进作用，但同时也带来了农业生产结构的变化，而科技技术的投入、新资源和品种，使年生产率以1.6%的速度递增，农业政策、粮食价格补贴等对粮食综合生产能力起促进作用[11]。

通过参考已有文献，发现关于对粮食主产区粮食生产能力和影响因素的研究较多，但是对非产粮大省，尤其是对甘肃旱作农业区粮食生产能力的研究相对较少。因此本文从整体上对甘肃省发展旱作农业的支撑因素进行合理的分析，借助改进的灰色关联分析方法，来反映各变量对粮食产量的影响度。利用2009—2019年甘肃旱作农业区粮食生产水平统计数据，研究11年来粮食总产变化的阶段性特征，分析近11年来影响甘肃旱作农业地区粮食综合生产能力的相关因素并提出合理的对策。这对提高甘肃旱作农业区粮食综合生产能力水平具有重要的现实意义，同时还能有效保障甘肃省粮食安全。

1 灰色关联度模型的建立与运用

关联度的主要内容是分析系统中主要行为因素与相关行为因素之间的密切关系。为了确定引起系统变化的主要因素和次要因素，灰色系统分析方法以关联度作为其密切关系和相互比较的相对标志。分析其主要行为序列曲线的几何相似性，判断其是否密切相关为基本思路的分析方法。

1.1 变量的选取

粮食综合生产能力是一个非常复杂的系统，制约粮食综合生产能力的因素很多，这里我们主要从几个关键因素进行分析。在参考已有文献的基础上，结合甘肃旱作农业区典型的地理位置和气候条件，分析出了影响甘肃旱作农业区粮食生产能力的因素主要有粮食播种面积、耕地土壤质量、年平均降水量、农业科技、化肥肥料施用量、农业机械总动力、受灾面积成灾率、粮食混合收购价格等，因耕地土壤质量和农业科技在粮食生产过程中属于慢性变量，所以本研究在评价甘肃旱作农业区粮食生产能力的主要指标中把这两个慢性变量删除掉了。本文选取7个主要指标对影响甘肃旱作农业区粮食综合生产能力的因素进行定量分析。其中，用粮食总产量、播种面积和年平均降水量来反映粮食综合生产能力中自然资源的生产投入情况；用农业化肥施用量（折纯量）、农业机械总动力来衡量粮食综合生产能力中的物质、技术投入水平；以受灾面积成灾率来衡量农田基础设施对粮食综合生产能力的影响；用粮食混合收购价格来反映粮食价格对于刺激粮农生产的积极性和农户的经营决策导向。

1.2 原始数据处理

依据降水量和是否有稳定丰富的水源用于灌溉划分了甘肃省14个市州，从中划分出了兰州、白银、平凉、庆阳、定西、临夏六市为甘肃省的旱作农业区，其余8个市州为非旱作农业区。所以本文选取甘肃省兰州、白银、平凉、庆阳、定西、临夏六市2009—2019年，粮食每年总产量（万吨）、粮食播种面积（万公顷）、年平均降水量（毫米）、化肥施用量（万吨）、农业机械总动力（万千瓦）、粮食受灾面积成灾率（%）、粮食混合收购价格（元/吨）七列原始数据，通过TOPSIS灰色关联度计算各变量的平均值得到数据，如表1所示。

表1 甘肃旱作农业区粮食总产影响因素统计资料（2009-2019年）

1.3 模型的构建

相应的关联序为：r6＞r2＞r1＞r3＞r4＞r5。上述关联序表明对甘肃旱作农业区粮食总产量影响度依次是粮食混合收购价格、年平均降水量、粮食播种面积、化肥施用量、农机总动力和成灾率。

2 影响甘肃旱作农业区粮食综合生产能力的因素分析

2.1 播种面积因子的影响

耕地是决定粮食综合生产能力最基本的要素，而粮食作物的播种面积和耕地面积更能如实反映粮食产量的变化情况。2020年全省粮食播种面积263.8万公顷，比上年同期增长5.7万公顷，且有70%的耕地分布在旱作农业区。甘肃省2020年粮食产量1 202.2万吨，比上年同比增产3.4%。其中旱作农业区粮食播种面积占全省粮食作物播种面积比重为58.03%，可见旱作农业区粮食总产量已经超过全省粮食生产的一半之多。从甘肃旱作农业区看，2009—2019年粮食播种面积与粮食产量关联度较高。第一阶段（2009—2015年）：随着播种面积的增加，粮食产量也高速增长，2009—2015年旱作农业区粮食总产量从471.6万吨增长到650.28万吨。这七年甘肃旱作农业区粮食播种面积从162.372万公顷增长到173.400万公顷。第二阶段：自2015年以后随着播种面积的减少，特别是兰州市从2015年的12.279万公顷降到2019年的7.641万公顷，粮食总产量也开始有所减少，但是旱作农业区总体粮食产量减少并不明显。从表2可知，播种面积对甘肃旱作农业区粮食总产关联度综合排序仅在粮食混合收购价格和年平均降水量之后。通过实际关联度数值分析得知其与相应上一年度旱作农业区粮食作物播种面积和当年粮食播种总产量关联系数都在0.7以上，粮食产量和播种面积的实际关联度较高。

2.2 降水量因子的影响

甘肃省有70%以上的耕地分布在旱作农业区，水资源对这些地区来说尤为重要。从表1可以看出，自2009年起甘肃旱作农业区降水量有明显增加，在2013年达到了437.9毫米，出现了近10年来降水量的最大值。年平均降水量对甘肃旱作农业区粮食总产关联度综合排序仅在粮食混合收购价格之后且关联度在0.8以上，这说明年平均降水量对旱作农业区粮食产量的影响非常重要。从旱作农业区看（见表1），粮食稳定增产的2009—2013年，五年的降水量与粮食总产关联度也较高，都在0.8以上，粮食播种面积也从2009年的162.372万公顷增长到了2013年的175.344万公顷，达到了旱作农业区粮食播种面积的历史最高值。尤其是地膜覆盖技术的推广，保水剂蓄水保墒对甘肃旱作农业区粮食增产发挥了不可替代的作用。

2.3 化肥施用因子的影响

从甘肃旱作农业区总体看（见表2）化肥施用与粮食总产关联性正度排序列第四位，而且化肥施用量出现了先升后降的趋势，从2009年的5.77万吨增加到2019年的6.34万吨，年均递增幅度为0.817%，粮食产量由2009年的471.6万吨增长到2019年的597.66万吨，年均递增幅度为2.0%，化肥施用对粮食增产的作用效果明显。国家提出要发展绿色农业和生态农业，化肥施用上就必然要减量增效，提高化肥的使用效率。即从甘肃旱作农业区六个市分别来看，化肥施用量在不同的年份都出现了先升后降的态势，六个市区11年来的化肥使用效果已经出现了边际效益递减。近年来，化肥使用效率在不断提高。

2.4 农机总动力的影响

农业机械总动力反映了农业现代化水平，对于农业生产率提高、农产品商品化意义重大。甘肃旱作农业区农业机械化程度发展缓慢，在2009年六个市区的农机总动力平均值才达到了127.50万千瓦（见表1），但是自2009年起旱作农业区的农机总动力在不断增长，农业机械对粮食增产作用效果也较为明显，从关联度测算即可看出（见表2），农机总动力与粮食总产关联性正度排序列第五位。甘肃旱作农业区农机总动力由2009年的127.50万千瓦增长到2019年的146.98万千瓦，年平均递增幅度为1.2%，粮食产量由2009年的471.6万吨增长到2019年的597.66万吨，年平均增加值为1.9%。但甘肃旱作区的其他农业，目前生产机械化发展程度在50%左右，由于全国劳动力工价不断上升及粮食生产成本不断加大，加之政府惠农政策，今后农业生产机械化的发展程度将会继续得到提高。

2.5 自然灾害成灾率因子的影响

甘肃旱作农业区近11年来自然灾害成灾率大致都在50%以上，但是从表2可以看出自然灾害成灾率与粮食总产关联性正度排序列第六位，是所有影响粮食产量因子的最后一位。随着经济社会的发展和科学技术水平的不断提高，甘肃旱作农业区自然灾害成灾率从2009年的77.80%下降到了2019年的62.39%（见表1）。从每个市区分别来看，虽然个别年份六个市的自然灾害成灾率较高，但是没有影响粮食总产量的增加，可见随着科技水平的不断发展，自然灾害成灾率得到了有效的控制。

2.6 粮食混合收购价格因子的影响

从近11年全国粮食价格变动与甘肃省粮食产量变动历史统计数据中可知，即使在粮食市场机制不完善的时期，价格波动机制也在很大程度上左右着甘肃省粮食生产。甘肃省粮食价格结构调整与粮食产量价格波动密切相关的两个重要阶段：（1）2009—2014年粮食价格稳步增长。2004年以来，政府连续颁布了6个中央1号文件，在逐步取消农业税的基础上实行了粮食直补、农机补贴、良种补贴和农资综合补贴等四种补贴[12]。在国家农业政策补贴和宏观价格调控的实施下，调动了种粮农民的积极性，甘肃旱作农业区粮食产量在2009—2014年之间实现了稳步增长。粮食价格从2009年的1 846.00元/吨提高到了2014年的2 509.80元/吨，年平均提价幅度为2.4%。同时期（2009—2014年）甘肃旱作农业区粮食总产量也由471.6万吨增长到了648.42万吨，粮食年平均增长率为4.99%。（2）2015—2019年粮食价格下调。粮食收购价格从2015年的2 295.60元/吨下调到了2019年的2 182.60元/吨，下调幅度为0.47%，加之自然灾害原因，甘肃旱作农业区粮食总产量从2015年的650.28万吨下降到了2019年的579.66万吨。粮食混合收购价格在某几个年份的上调将对粮食生产产生巨大的刺激作用，充分把潜在的粮食生产能力挖掘出来，从而带动粮食产量上升，对于刺激种粮农民生产积极性和农户调整生产种植结构具有较强的导向作用。

3 甘肃旱作农业区粮食综合生产能力的预测

3.1 用GM(1,1)模型进行粮食总产量预测

原始数列为：

累加序列为：

生成X(1)的紧邻均值序列，Z(1)为：

进一步，求得如下变量：

得到预测累加序列、预测值、残差以及相对误差如表3所示。

表3 甘肃旱作农业GM(1,1)模型拟合精度及误差检验

需要指出的是模型中误差都小于等于10%且没有超过10%（国际上粮食产量预测准确率一般以10%为限）。因此，模型粮食产量整体趋势拟合良好，适合时间序列预测要求。

模型检验：为保证预测结果准确性，下面对结果进行残差检验、后验比检验及小误差概率P检验。

3.1.1 残差检查。计算残差：

相对误差：

残差与相对误差的计算结果如表3所示，相对误差最大为10.10%＜20%，预测效果较好，残差检验通过。

计算平均相对残差：

模型的精度为：

3.1.2 后验比检验及小误差概率P检验。计算原始序列标准差：

计算绝对误差序列的标准差：

表4 GM(1,1)预测精度等级

根据以上模型检验结果，说明预测结果可靠，预测出2020—2029年甘肃旱作农业区粮食生产潜力结果如图1所示。

图1 甘肃旱作农业区粮食产量GM(1,1)预测应用及结果

从图1中可以看出，以2020年甘肃旱作农业区粮食产量为参考，预测出2020年甘肃旱作农业区每个地区年平均粮食总产量为103.37万吨，比2019年增长6.57万吨，增幅为6.35%；甘肃旱作农业区粮食总产量为620.22万吨，比2019年增加39.42万吨，且从2020年到2029年未来10年粮食总产量都在波动式的上升，未来10年粮食总产量年平均增长幅度大致都在1%左右。需要说明的是GM(1,1)模型预测只是一种趋势延续，粮食生产占优势的平凉、庆阳和定西三市粮食增长趋势明显，实际由于国家粮食政策导向作用，甘肃旱作农业地区粮食产量已经超过模型预测2020年的620.22万吨。粮食生产过程是自然、社会等诸多因素相互综合作用的结果，用模型预测粮食的意义并不仅仅在于和实际拟定综合准确程度相比有多高，而主要在于对各种粮食政策实施方案可能都会出现的情况，对后人起到一种警示作用。

3.2 用多维GM(1,N)模型进行粮食总产量预测

根据GM(1,N)得到模型拟合值、残差序列，见表5。

表5 甘肃旱作农业区GM(1,N)模型拟合精度及残差

注意到，k0=3满足改进的GM(1,N)的残差修正条件，为提高预测结果的准确度，故进行残差修正的GM(1,N)预测，预测结果如表6所示。

表6 残差修正的GM(1,N)预测结果

因GM(1,N)预测需要因变量的原始预测值，故采用时间序列的方法对相关序列数据进行预测，具体模型如表7所示。

表7 模型描述

考虑到甘肃旱作农业区农业机械化程度较低，农业机械化水平提升空间很大，甘肃旱作农业区整体预测，把农机总动力放在甘肃省的历史平均水平；自然灾害中的成灾率维持在历史上平均水平；化肥推广使用虽有负面影响效果，但是随着有机肥、绿色肥料的推广使用，它仍然是促进粮食增产的因素之一；考虑到宜耕开发土地资源，旱作农业区现有耕地不被其他用途占用，粮食每年单产水平以最低年平均增长幅度2%左右进行测算；年平均降水量按增长2%左右进行综合测算；粮食收购价格历史年均增长大约为2.4%，这与国家政策导向理论有关，我们一致认为由于甘肃省耕地、水等自然资源的约束、以及粮食生产资料较为短缺和我国粮食生产市场面临开放的大环境背景下甘肃省粮食单产收购价格可能快速增长，所以我们采用年平均价格增长2%左右水平进行综合测算；按照上述的硬约束测算条件将其带入测算模型，结果见图2。

图2 甘肃旱作农业区粮食产量GM(1,N)预测应用及结果

从甘肃旱作农业区GM(1,N)方程可知，在粮食综合生产能力影响因子中，不同因子对粮食综合生产能力影响程度不相同，促进因子有粮食播种面积、化肥施用量、降水量以及粮食收购价格；农机总动力和自然灾害成灾率多为抑制因子，但综合四个方程影响系数共同特点，粮食收购价格对每年粮食总产量影响最显著，其次为降水量的影响，播种面积和化肥施用量是正向促进因子，只是影响程度偏弱而已。

粮食混合收购价格对每年粮食总产量影响最为显著，其在甘肃旱作农业区对粮食总产量影响度方面排名第一，从历史数据和预测效果来看甘肃旱作农业区粮食收购价格从2009年开始先升后降，其中粮食平均收购价格在2014年出现最高，为2 509.80元/吨，粮食平均收购价格在2009年出现最低，为1 846元/吨，粮食收购价格年平均上升幅度为2.4%，且经过GM(1,N)的预测显示粮食收购价格在2020年以后将会维持在2 143元/吨左右，不会出现大幅度的变化。从预测数据中看出2020—2029年甘肃旱作农业区粮食总产量2020年达到了584.64万吨，2029年达到了1 083.66万吨，未来10年甘肃旱作农业区年平均粮食产量增长幅度为4.2%。

甘肃旱作农业区粮食播种面积历史数据波动情况为先升后降，分别是从2009年的162.375万公顷上升为2013年的175.344万公顷，后来从2014年的174万公顷下降为2019年的149.934万公顷，平均年下降率为2.6%，并从这几年国家粮食安全政策的提出和预测结果显示粮食播种面积不会出现大幅度的变化。其次是响应国家退耕还林还草以及生态环境保护的要求，耕地面积不可能增加，但甘肃旱作农业区却有其他可以增加的潜力。

提高甘肃省旱作农业区粮食综合生产能力的主要方法是提高粮食单位产量，而提高粮食单位产量又以粮食生产领域的科技进步为首要任务。甘肃旱作农业区粮食单产从2009年的3 307.3千克/公顷增长到2019年的5 625千克/公顷，平均年增长率为3.7%，即这是所有影响甘肃省旱作农业区粮食生产能力因素中较大的制约条件。

4 结论及对策建议

4.1 结论

本研究利用粮食总产量、播种面积、年平均降水量、化肥施用量、农业机械总动力、粮食受灾面积成灾率、粮食混合收购价格等指标，运用2009—2019年甘肃旱作农业地区的数据和实证分析系统地对甘肃旱作农业地区粮食生产的状况水平进行研究。研究表明，甘肃旱作农业地区粮食生产总量从2009—2019年在不断增加，粮食综合生产能力也在不断提高；在近11年内发现粮食收购价格、降水量以及播种面积是影响甘肃旱作农业地区粮食综合生产能力的三个最主要因素，但粮食收购价格对粮食生产能力的影响较大，降水量对粮食生产能力的影响次之，播种面积对粮食生产能力的影响排名第三；以前化肥施用量是影响甘肃旱作农业区粮食生产能力的重要因素，但近年来随着绿色发展理念的推广，化肥施用量在不断递减，对粮食综合生产能力的影响降低；成灾率在任何时间段都和粮食综合生产能力呈现负相关，农业机械总动力与粮食综合生产能力呈现正相关。

4.2 对策建议

4.2.1 加强耕地保护和提高耕地生产质量。通过多种途径和方法增加甘肃旱作农业地区耕地数量，做好中低产田改造，有效提高这些地区耕地的生产能力。优化农田结构，积极促进农村土地优化流转，实行土地集约化生产经营，立足于土地整理，完善耕地补贴制度，让种粮农民真正感到实惠，从而稳定住甘肃旱作农业地区粮食种植面积。

4.2.2 积极推广旱作节水农业。强化集雨水库补灌与综合水肥利用一体化补灌技术综合应用，针对旱作补灌农业的实际，侧重以综合蓄水和高效综合利用自然降水补灌技术为核心，通过综合配置新型软体集雨水库储窖，充分利用集雨窖面、设施集雨棚面及硬化道路等区域作为集水面，储存自然降水，提高自然降水补灌资源的综合利用效率。强化地膜减量增效技术应用，注重发挥地膜减量、保水剂蓄水保墒作用，助推高标准农田耕地质量提升，重点推广保水剂、水肥一体化替代地膜技术应用，开展全生物降解膜、秸秆覆盖替代地膜试验示范，减少地膜对环境的污染和残膜对土壤的污染。

4.2.3合理利用化肥，提高化肥使用效率。推进农业精准土地施肥，根据各地区的资源禀赋情况，合理研究制定作物生产单位面积土地施肥标准；加快调整粮食生产化肥使用结构，深入推进绿色肥料的研发力度，促进大量活性元素与中微量元素有效配合，引导农用肥料行业产品结构优化转型升级，扩大提高新型农用肥料产品占比，推广先进施肥技术和设备。

4.2.4 加大科技资金在农业领域的投入力度，保证农业高水平发展。建立健全新型农业机械化新技术推广服务体系和新型社会化农业服务体系，继续加强对农业科研院所和机关科研单位的引导和扶持，并支持涉农企业自主研发、生产、推广以及实用性机械化新技术和新产品，提高甘肃旱作农业区的机械化水平。

4.2.5 保护和提高种粮农民的生产积极性。甘肃省应继续加强对农村种粮作业农民的直接粮食补贴支持力度，做到重点保护粮食的补贴方向。积极号召种粮农民参与购买粮食保险和参加期货，保护种粮农民利益，调动种粮农民参与粮食生产的积极性。