河南省优势粮食作物生产空间布局研究

孙浩航, 李二玲, 闫艳辉, 游谋

(河南大学地理与环境学院/河南大学区域发展与规划研究中心/黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室,河南 开封 475004)

2023年中央一号文件提出了加快建设农业强国,而建设农业强国的首要任务就是保证国家粮食安全。河南省是中国粮食供给大省,仅用全国十六分之一的耕地就生产出了全国十分之一的粮食,在国家粮食生产安全中占据重要地位。2020年河南省粮食产量高达6 825.8万t,仅次于黑龙江省位居全国第二,粮食增量130.4万t,占全国粮食总增量的23.1%,位居全国第一,河南省已经成为名副其实的“中原粮仓”。随着粮食生产重心由南方向北方、由东西部向中部迁移[1],河南省作为中部重要粮食核心建设区,其粮食生产地位在国家粮食安全战略体系中变得愈加重要。因此,研究河南省粮食生产的空间格局及影响因素、确定粮食作物优劣产区对于优化河南省粮食生产的空间布局、调整粮食结构发展方向具有理论意义和现实意义。

目前,已有很多学者把比较优势理论引入农业研究中,主要涉及农作物生产空间格局、区域优势发展水平及种植结构变化影响因素等方面。龚立新[2]运用比较优势理论研究河南11种农作物的生产格局演变及空间布局优化。马悦梅等[3]基于国家层面和省际层面两种视角对云南省粮食作物的综合比较优势指数进行测算。QUDDUS等[4]利用了国内资源成本法确定巴基斯坦旁遮普省的水稻、小麦和甘蔗等的相对效率及其在国际贸易中的比较优势。李洋等[5]将比较优势理论运用于种植业和养殖业的生产空间格局研究中,对我国近17年主要农作物和主要畜产品生产格局演变进行分析。李晔等[6]引入劳动力、农业机械化、市场设施等因素对比较优势指数法进行改良,分析上海市优势粮食作物相较于全国的比较优势。吴文斌等[7]对农作物空间格局的变化特征、形成机制和模拟空间模型3个方面全面总结了最新的研究进展,充分了解农作物种类、结构、分布特征等重要信息。刘珍环等[8]运用时序变化趋势、空间集聚分析方法探究中国种植结构时空变化特征。宋桂琴等[9]运用空间统计分析方法分析2001—2014年辽宁省的玉米、水稻、大豆、油料和蔬菜5种主要粮食和经济作物播种面积的时间空间变化特征。陈玉洁等[10]运用粮食贡献率、环境评价模型(PSR)探究东北西部粮食生产变化及其影响因素。OOSTINDIE[11]和LOBELL等[12]分析农业技术和气候变化对农作物种植格局和产量的影响。

上述研究大多都使用单一的分析方法,研究方向大多聚焦在农作物生产格局现状分析或农作物比较优势分析上,研究层面多以国家层面和省际层面较多,对省域内市际之间粮食作物生产空间格局、优劣产区划分的深入研究不多。为此,本研究把空间格局分析和比较优势分析相结合来研究2011—2020年河南省优势主要粮食作物在空间生产格局上的重心迁移变化和种植结构离散趋势,并借助比较优势指数法测算出河南省各地区优势粮食作物的生产效率和生产规模来确定粮食作物的优劣产区,进一步明确了河南省粮食种植结构优化的方向,并对河南省粮食作物布局调整与优化提供理论依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 重心模型 粮食生产重心的迁移可以反映出粮食生产空间格局的变动。重心是度量地理实体空间分布的一个指标,在此基础之上引入粮食作物产量来确定不同时期区域粮食作物的重心位置以及粮食作物重心的变化方向和迁移距离[13-14]。选取优势粮食作物的产量运用重心迁移模型对不同年份河南省优势粮食作物生产重心坐标和迁移路径进行研究。计算公式如下:

(1)

(2)

式中:Mij为i地区第j年某种粮食作物的产量;Xi,Yi表示市域的几何中心坐标;Xj和Yj分别代表第j年某种粮食作物产量中心的经纬度坐标;D为j1年至j2年中心迁移的距离;C为地理坐标单位每变化1°转换为平面距离(km)的系数,通常取值为111.111 km。

1.1.2 标准差椭圆 标准差椭圆(SDE)是一种研究要素空间分布形态的多功能GIS工具,可以较好地反映空间要素在空间中的分布形态和离散程度,它的主要参数有中心点、长轴、短轴和方位角[15]。中心点表示全部地理要素在空间上的中心位置,长轴和短轴分别表示地理要素在空间上的分布方向和分布范围,方位角是以X轴的正北方向为基准顺时针旋转和椭圆长轴形成的夹角[16]。运用ArcGIS 10.7从中心性、方向性、离散性等方面对河南省优势粮食作物生产空间格局演化进行分析。

1.1.3 规模比较优势指数 规模比较优势指数采用农作物的播种面积来计算,播种面积是反映农作物生产规模和专业化程度的重要指标[17]。规模比较优势指数通过分析特定地区某种农作物播种面积占该地区全部农作物播种面积的比值与更高一级地区平均水平的关系来衡量该地区在生产规模上是否具有相对优势。计算公式如下:

(3)

式中:SAIij为i地区第j种农作物的规模比较优势指数;Sij为i地区第j种农作物的播种面积;Si为i地区所有农作物的播种面积;Sj为高一级区域j种农作物的播种面积;S为高一级区域所有农作物总播种面积。当SAI>1时,说明i地区j作物在高一级区域水平之上具有规模比较优势,SAI值越大生产规模优势越明显。

1.1.4 效率比较优势指数 效率比较优势指数采用农作物单位面积产量来计算,单位面积产量可以反映该地区是否适合种植该种作物,也能间接反映出该地区自然条件和科学技术手段对该种农作物的作用程度[18]。效率比较优势指数通过分析特定地区某种农作物的产出效率与该地区所有农作物平均产出效率比值,以及全国某种农作物的产出率与全国所有农作物平均产出率的比值来衡量该地区在生产效率上是否具有相对优势。计算公式如下:

(4)

式中:EAIij为i地区第j种农作物的效率比较优势指数;Eij为i地区j种农作物的产量;Ei为i地区j作物的播种面积;Ej为高一级区域j种农作物的产量;E为高一级区域j种作物的播种面积。当EAI>1时,说明i地区j作物在高一级区域水平之上具有生产效率比较优势,EAI值越大生产效率优势越明显。

1.1.5 综合比较优势指数 农作物综合比较优势指数用于测度特定区域某种农作物生产的综合比较优势,从该农作物效率与生产规模两方面综合考虑衡量区域农作物的相对比较优势[19]。综合比较优势指数就是相同年份的规模优势指数与效率优势指数几何平均值,可较为全面反映出该地区某种农作物的生产优劣势,计算公式如下:

(5)

式中:AAIij为i地区j种农作物的综合比较优势指数;SAIij和EAIij分别为i地区j种农作物的规模比较优势指数和效率比较优势指数。若AAIij>1,表明i地区生产j种农作物具有综合比较优势,AAI数值越大,比较优势越强;若AAIij<1,则具有比较劣势;若AAIij=1,则与区域平均综合水平持平。

1.1.6 优势作物生产分区标准 借鉴前人研究结果,依据SAI、EAI、AAI的数值大小对生产分区进行优劣划分[20]。根据河南省各市综合比较优势指数是否大于1先将粮食作物生产划分为优势区和劣势区,再根据规模比较优势指数和效率比较优势指数是否大于1进一步细化到6种不同的生产区域类型(如表1所示)。

表1 主要粮食作物生产分区标准

1.2 数据来源

结合河南省实际,本研究选取2011—2020年河南省水稻、小麦、玉米、大豆4种粮食作物播种面积、总产量及单位面积产量作为基础数据,利用ArcGIS 10.7中的重心模型和标准差椭圆分析其生产格局演变过程及相对全国的比较优势与市际比较优势。本研究数据均来源于《中国统计年鉴》《中国农村统计年鉴》和《河南统计年鉴》。

2 河南省优势粮食作物重心迁移过程

根据公式(1)可以计算出2011—2020年河南省优势粮食作物生产的重心坐标,将历年重心坐标表示在河南省地图中,依次对坐标点进行连线得出2011—2020年河南省优势粮食作物生产重心演变轨迹图(如图1所示),再由公式(2)计算出重心迁移距离(如表2所示)。

图1 2011—2020年河南省优势粮食作物生产重心迁移图

表2 2011—2020年河南省优势粮食作物生产重心迁移距离

2.1 河南省优势粮食作物生产重心迁移距离

2011—2020年水稻生产重心迁移总距离为36.27 km,平均移动速度3.63 km·a-1,2019—2020年重心移动距离最大,为9.93 km;小麦生产重心迁移总距离为11.24 km,平均移动速度1.12 km·a-1,2014—2015年重心移动距离最大,为2.65 km;玉米生产重心迁移总距离为22.93 km,平均移动速度2.29 km·a-1,2016—2017年重心移动距离最大,为6.03 km;大豆生产重心总迁移距离为52.70 km,平均移动速度5.27 km·a-1,2017—2018年重心移动距离最大,高达12.50 km。河南省优势粮食作物重心均发生不同程度迁移,大豆生产重心的迁移幅度和移动速度最大,玉米的迁移幅度和速度最小。

2.2 河南省优势粮食作物生产重心位置分布

水稻生产重心一直位于河南南部地区,2011—2020年由驻马店正阳县迁移至信阳息县,迁移趋势大致呈“I”型。水稻生产重心的经度变化范围为114.660 2° E～114.699 2° E,纬度变化范围为32.369 6° N～32.618 5° N,水稻生产重心迁移总体趋势向东南方向。小麦生产重心一直位于河南中部地区许昌市鄢陵县。小麦生产重心的经度变化范围为114.124 2° E～114.152 9° E,纬度变化范围为34.042 4° N～34.063 7° N,小麦生产重心迁移总体趋势向西南方向。玉米生产重心一直位于河南中部地区许昌市长葛市,迁移趋势大致呈“W”型。玉米生产重心的经度变化范围为113.998 6° E～114.091 1° E,纬度变化范围为34.213 5° N～34.239 3° N,玉米生产重心迁移总体趋势向东南方向迁移。大豆生产重心一直位于河南中部地区,2011—2020年由漯河市临颍县迁移至许昌市鄢陵县再迁移至许昌市建安区,迁移趋势大致呈“L”型。大豆生产重心的经度变化范围为114.023 2° E～114.145 1° E,纬度变化范围为33.919 0° N～34.089 1° N,大豆生产重心迁移总体趋势向西北方向。

2.3 河南省优势粮食作物生产重心迁移方向性分析

水稻在河南省的迁移方向为西南(2011—2012)—东北(2012—2013)—东南(2013—2016)—西南(2016—2017)—西北(2017—2018)—东南(2018—2020),2012、2013、2016、2017和2018年这5年重心迁移方向都发生了改变,2012年和2018年重心迁移是完全逆向的方向变化。小麦在河南省的迁移方向为西南(2011—2012)—东南(2012—2013)—西南(2013—2015)—东北(2015—2016)—西南(2016—2018)—东南(2018—2019)—西北(2019—2020),重心迁移方向除2014年和2017年外每年都发生了变化,其中2015、2016和2019年都是完全逆向的方向变化。玉米在河南省的迁移方向为东南(2011—2013)—东北(2013—2014)—西南(2014—2015)—东南(2015—2016)—东北(2016—2017)—西南(2017—2018)—东北(2018—2019)—东南(2019—2020),重心迁移方向除2012年外每年都发生变化。大豆在河南省的迁移方向为西南(2011—2013)—东南(2013—2014)—西北(2014—2015)—西南(2015—2016)—东北(2016—2017)—西北(2017—2018)—西南(2018—2019)—西北(2019—2020),重心迁移的方向每年都发生变化。

3 河南省优势粮食作物生产空间分布特征

利用ArcGIS 10.7绘制出2011—2020年主要年份优势粮食作物生产标准差椭圆变化图(如图2所示)。

a:水稻;b:小麦;c:玉米;d:大豆。a: Rice; b: Wheat; c: Corn; d: Soybean.图2 2011、2015和2020年河南省优势粮食作物生产标准差椭圆变化图

3.1 河南省水稻生产空间分布特征

河南省水稻生产的分布格局总体呈南(略偏东)—北(略偏西)的分布特征,东西方向发展趋向于均衡而在南北方向发展趋向于不平衡。标准差椭圆分布区域一开始主要集中在河南南部地区和河南中部地区,后期逐渐向驻马店和信阳集聚。2011—2020年标准差椭圆一直在向南移动且分布范围有明显减小,水稻生产主体区域越来越向信阳、驻马店地区集聚且水稻生产整体呈现空间缩小趋势;方位角为158.07°～168.82°,发生了一定幅度的变化,说明水稻生产的主趋势方向并未发生大的改变;椭圆长轴和短轴都减小,说明水稻生产空间分布的方向性和离散性都在减弱;椭圆的扁率在变大,说明水稻在南北方向上发展的趋势越来越明显。

3.2 河南省小麦生产空间分布特征

河南省小麦生产的分布格局总体呈东北—西南的分布特征,标准差椭圆分布区域主要集中在河南中东部地区。2011—2015年标准差椭圆向东南方向有明显的移动且椭圆分布范围明显减小,小麦的生产主体区域在空间上也呈现缩小趋势;方位角从80.01°变化到56.21°,有明显的变化,小麦生产主趋势也发生明显改变;2015—2020年标准差椭圆分布范围略有缩小,方位角从56.21°变化到55.11°,小麦生产主趋势变化不大;长轴和短轴都在逐年减小,说明小麦生产空间分布的方向性和离散性都在减弱。小麦的标准差椭圆分布面积最大,所以小麦是河南省粮食作物中分布最广泛的农作物。

3.3 河南省玉米生产空间分布特征

河南省玉米生产的分布格局总体也呈现同小麦相似的特征,标准差椭圆分布区域也主要集中在河南中东部地区。2011—2020年标准差椭圆面积略有增加,玉米的生产主体区域在空间上呈现向东北方向逐渐扩张的趋势;方位角从59.43°变化到60.96°,也并未发生较大变化;椭圆长轴增加、短轴减小,说明玉米主趋势的方向性在增强但离散化程度在减弱。在河南省农作物种植中,玉米跟小麦一样属于普遍性粮食作物,但规模仅次于小麦,所以玉米是河南省第二大粮食作物。

3.4 河南省大豆生产空间分布特征

河南省大豆生产的分布格局总体呈西(略偏南)—东(略偏北)的分布特征,南北方向发展趋向于均衡而在东西方向发展趋向于不均衡。标准差椭圆分布区域主要集中在河南中、东部地区。2011—2020年标准差椭圆向西移动,椭圆分布范围向河南中部地区集聚,大豆的生产主体区域在空间上也呈现缩小趋势;方位角从78.42°变化到80.68°,并未发生较大变化,大豆生产主趋势并未有明显变化;椭圆长轴减小,短轴基本不变,说明大豆在长轴方向上存在向椭圆重心集聚的现象。

4 河南省主要粮食作物比较优势分析

4.1 河南省主要粮食作物比较优势指数确定

通过Excel计算出河南省相较于全国的比较优势指数见表3所示。河南省水稻效率优势指数和综合优势指数历年均小于1,规模优势指数历年均大于1,所以水稻生产具有显著的规模生产劣势和较明显的效率优势。水稻单产效率高于全国平均水平,因为生产条件受限,导致水稻生产的规模化、专业化程度严重滞后。2011—2020年河南省小麦的效率优势指数和综合优势指数均大于1,规模优势指数均大于2,小麦的种植规模具有明显高于全国的优势且小麦的土地产出率也高于全国平均水平,因此河南省小麦生产具有明显的综合比较优势。河南省玉米规模优势指数2013—2015这三年略小于1而其他年份均大于1,表明玉米生产具有一定的规模优势。历年土地产出率略低于全国平均水平,综合优势指数只有2018年和2019年大于1,所以玉米生产也不具备综合比较优势。从表3可以发现,河南省大豆既不具备规模比较优势也具备综合比较优势。但2017年以后的效率比较优势指数均大于1,说明近年来河南大豆的土地产出率有所提高。

表3 2011—2020年河南省主要粮食作物较全国水平比较优势指数

4.2 河南省18市主要粮食作物比较优势分析

以河南省18个市为研究单元计算了2011—2020年各市水稻、小麦、玉米和大豆的规模比较优势指数、效率比较优势指数和综合比较优势指数。考虑到农作物个别年份的产量和播种面积可能受天灾影响,为了消除数据的波动性,采用近10年算术平均值进行计算,结果见表4,再依据表1主要粮食作物生产分区标准对河南省18市进行优劣产区分析,找出河南省粮食作物最具优势生产地区并为粮食生产布局规划和农业产业建设带来依据。

4.2.1 水稻优劣势产区分析 河南省水稻种植地区一共有14个,优势区有2个,劣势区有12个。其中,信阳是均衡优势区,濮阳是低效率优势区,郑州、开封、洛阳、平顶山、新乡、焦作、南阳、商丘、驻马店和济源是绝对劣势区,安阳和周口是低规模劣势区。河南省水稻优势区仅有信阳和濮阳2个,可见各地区水稻生产差异性很大,信阳SAI高达8.99位居全省第一,EAI为1.09位居全省第二,濮阳SAI为1.52位居全省第二,但EAI为0.92位居全省第五。信阳市是河南省水稻生产的主产区,每年水稻产量约占河南省水稻产量的80%,在河南省占据重要地位,但其效率优势指数为1.09并不具有明显优势,虽然生产规模很大但是土地产出率并不算高。濮阳的规模化程度高于全省平均,但是单位面积产量低,生产效率相对较低。水稻劣势产区所占比例为85.7%,这12个水稻生产劣势区的规模优势指数均低于效率优势指数,说明河南省整体水稻生产规模不足。除新乡其余劣势区SAI均低于0.5,属于规模劣势极大的劣势区,安阳和周口SAI都是0.01但EAI大于1,说明是规模化程度明显不够从而影响到综合比较优势。郑州、安阳、商丘、周口和济源AAI均低于0.1,说明这5个地区水稻生产劣势十分显著。

4.2.2 小麦优劣势产区分析 河南省18个市均种植小麦,生产优势区有10个,劣势区有8个。河南省小麦产区包括安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳、许昌、漯河、商丘、周口和驻马店10个均衡优势区,郑州、开封、洛阳、三门峡、南阳和信阳6个绝对劣势区,平顶山和济源2个低效率劣势区,劣势产区所占比例为44.4%,大部分劣势区都表现出SAI大于EAI的现象。河南省各地区小麦生产SAI为0.84～1.21,EAI为0.67～1.23,AAI为0.72～1.17,可见各个地区三指数变化幅度较小。说明河南省小麦生产在单产、规模、综合三方面发展都比较均衡,已经形成稳定的生产模式[21]。开封和南阳虽然是绝对劣势区,但SAI、EAI、AAI均趋近于1,小麦生产劣势并不显著,只要加以提高规模化、专业化就能成为均衡优势区。

4.2.3 玉米优劣势产区分析 河南省18个市均种植玉米,生产优势区有14个,劣势区有4个。其中,均衡优势区有安阳、鹤壁、新乡、焦作、濮阳、许昌、漯河、商丘和周口9个,低效率优势区有郑州、洛阳、平顶山、驻马店和济源5个,绝对劣势区有开封、信阳、三门峡和南阳4个。玉米优势产区是3种粮食作物优势产区最多的,所占比例为77.8%,玉米的生产地位越来越高,在河南省种植广泛性很强。河南省各地区玉米生产优势区SAI为1.03～1.46,EAI为1.08～1.29,AAI为1.03～1.46,可见优势区3个指数变化幅度也较小,优势区之间差异性很小,玉米呈现出比小麦更稳定的发展趋势。鹤壁市的SAI、EAI和AAI均位列全省第一位,信阳市SAI为0.1,AAI为0.3,除EAI外均是全省最后一位,说明该地区不适宜种植玉米。

4.2.4 大豆优劣势产区分析 河南省18个市也均种植大豆,生产优势产区11个,劣势产区7个。其中,均衡优势产区有洛阳、濮阳、许昌、漯河、三门峡、南阳、商丘和周口8个,低规模优势区有平顶山、新乡和济源3个,绝对劣势区只有信阳1个,低规模劣势区有郑州、开封、安阳、鹤壁、焦作和驻马店6个。大豆的种植产区之间差异性较大,优势产区SAI为1.09～3.03,EAI为1.01～1.78,AAI为1.02～1.93,可见各比较优势指数变化幅度较大存在明显的差异性。大豆优势产区所占比例为61.1%,三门峡市SAI高达3.03,AAI为1.93均位列全省第一位,周口市SAI为2.03,AAI为1.77均位居全省第二位。平顶山、新乡、济源大豆生产规模不大但是由于土地产出率很高导致AAI大于1。信阳是唯一一个大豆绝对劣势区,且信阳除水稻之外其余三种粮食作物的比较优势指数都小于1。

5 结论与建议

5.1 结论

河南省粮食生产自北向南呈现出“小麦-玉米-大豆-水稻”的空间分布格局,水稻生产空间变化呈现向南集聚的趋势,小麦呈现向东南集聚的趋势,大豆呈现向西北集聚的趋势。集聚的发展模式是现代化粮食生产的标志,这种向粮食优势产区集聚发展的模式可以充分发挥自身自然资源优势和区域竞争优势,很好的提高生产效率和经济效益。从省际层面看,河南省小麦、玉米生产主要受规模优势主导,水稻、大豆生产主要受效率优势主导,小麦、玉米同时具备规模、效率和综合比较优势,而水稻仅具备效率比较优势,大豆不具备3种比较优势。从市域层面看,水稻的最优种植区是信阳市和濮阳市,小麦的最优种植区有安阳市、鹤壁市、新乡市、焦作市、濮阳市、许昌市、漯河市、商丘市、周口市和驻马店市,玉米的最优种植区有安阳市、鹤壁市、新乡市、焦作市、濮阳市、许昌市、漯河市、商丘市、周口市、郑州市、洛阳市、平顶山市、驻马店市和济源市,大豆的最优种植区有洛阳市、濮阳市、许昌市、漯河市、三门峡市、南阳市、商丘市、周口市、平顶山市、新乡市和济源市。这与河南省主要粮食作物分布的实际情况基本相符,表明了比较优势在河南省粮食作物分析方面的科学性和适应性。

5.2 建议

1)提高优势作物小麦和玉米的播种面积和单产。从省际尺度上看,河南省最具比较优势的是小麦和玉米,说明这两种粮食作物是河南省最适宜发展的核心农作物,这为河南省主要粮食作物的产业结构调整和优化提出了明确的路线图。粮食播种面积和粮食单产是影响河南省粮食生产的主导因素,且具有绝对正向促进作用[22-23]。因此,要通过扩大小麦、玉米的种植面积进一步打造优势产区,通过提高生产资料投入水平来提升粮食作物的单位面积产量。同时还可以扶持大豆和水稻的种植,实现河南省粮食作物比较优势的可持续协调发展。

2)合理调整河南省各市粮食作物的种植结构和空间布局。从市域尺度上看,针对河南省不同地市自然资源禀赋的差异来发展各地区不同优势粮食作物。不同地区建立不同的粮食主产区,适当扩大优势作物的种植面积,以提高区域优势作物的生产能力,对于不具备竞争优势的粮食作物可以适当减少种植,维持正常市场需求即可。在水系资源禀赋的河南南部减少其他粮食作物的种植用于种植水稻,对于濮阳市来说,提高水稻单产可使其具有比较优势。小麦和玉米都适合平原种植,河南省各市大多是平原地区地势开阔、种植面积大。开封市、商丘市地处黄河中下游平原,驻马店市、南阳市、周口市属于黄淮海平原,利于小麦和玉米的种植和收割,所以这些平原地区在小麦和玉米种植方面具有规模生产优势。

3)大力投入农业科技。在有限的耕地面积下尽可能通过科学技术手段的提升来提高粮食作物的单位面积产量,进而提高粮食作物的生产效率[24-26]。例如,通过对粮食作物的改良,研发优质、高产的品种(如新乡小麦“百农307”、信阳水稻“广优7289”等),大幅度提高粮食作物的生态适宜性,扩大粮食作物生产空间规模,从而达到提高粮食产量的目的。

4)加大粮食生产扶持力度。通过以往国家农业政策的调整情况来看,政府的引导和调控是提高粮食作物生产的重要推手,每一次政府政策的调整都极大影响了粮食作物的产量和种植面积[27]。河南省要结合自身优势完善农业发展政策,进一步加大对河南省粮食生产的扶持力度,稳固全国重要粮食生产核心区地位。