基于耕地压力指数的新疆粮食安全状况研究

亚森江·喀哈尔，王敬哲，吕光辉,3，刘志辉

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046；3. 新疆大学干旱生态研究所，乌鲁木齐 830046)

基于耕地压力指数的新疆粮食安全状况研究

亚森江·喀哈尔1,2，王敬哲1,2，吕光辉1,2,3，刘志辉2,3

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046；3. 新疆大学干旱生态研究所，乌鲁木齐 830046)

目的研究新疆1949～2012年64年的耕地面积和粮食产量的变化趋势，并针对耕地压力指数变化的特点，预测新疆未来10年的粮食安全状况，为新疆粮食安全提出相应的对策。方法运用最小人均耕地面积和耕地压力指数模型以及GM(1，1)灰色预测模型定量分析新疆粮食安全程度。结果1949～2012年新疆最小人均耕地面积和耕地压力指数呈增加趋势，并且在未来10年耕地压力指数仍将大于1且呈显著增长趋势。结论新疆的粮食安全形势将愈加严峻，大力发展节水农业、增加农业科技投入、确保耕地“占-补”平衡等对策来保障粮食安全。

耕地压力指数；粮食安全；灰色预测

0 引 言

【研究意义】新疆是我国重要的粮食和棉花生产基地，有着丰富的光热资源和得天独厚的地理条件。随着西部大开发战略的稳步实施，新疆加大了对产业结构调整和城镇基础设施建设的力度，致使耕地资源保有量面临着新的严峻挑战[1-2]。因此，保障基本耕地面积，提高粮食生产水平，增强粮食有效供给，对确保新疆的粮食安全以及促进新疆社会经济稳定协调发展具有非常重要的现实意义。【前人研究进展】目前，国内很多学者在耕地数量变化对粮食安全的影响上进行了深入研究。蔡运龙等[3]认为以最小人均耕地面积和耕地压力指数作为粮食安全的基本标准，具有显著的科学性和可操作性，可以做到因地制宜地兼顾食物安全和经济发展对土地的需求；陈佑启[4]认为耕地利用变化对粮食生产的影响主要表现在对粮食生产面积、粮食生产环境及粮食生产水平三个方面的影响；郭毅[5]认为耕地利用结构变化对粮食产量的贡献减弱，然而其对粮食生产的制约性渐强。国内学者对中国不同省区的粮食安全及供应预测方面的研究较多，包括李福夺，喻保华等[6-16]学者利用各种不同方法和模型对未来中国不同省区的粮食安全状况做出了判断分析；在有关新疆粮食生产与粮食安全问题上也进行了一定的研究，如阿依吐尔逊·沙木西，陶永红等[17-22]的研究。【本研究切入点】目前尚未见到对新疆粮食安全的研究。利用新疆1949～2012年耕地面积、粮食产量等相关数据，结合最小人均耕地面积和耕地压力指数模型及灰色预测模型，研究新疆耕地面积和粮食产量的变化趋势。【拟解决的关键问题】应用耕地压力指数和灰色预测法，研究1949年以来新疆耕地压力指数和粮食安全相互关系，为合理利用土地资源、协调经济发展与耕地压力之间的矛盾提供帮助。

1 材料与方法

1.1材料

新疆地处亚欧大陆腹地，我国的西北边陲，地理位置为73°32′～96°21′E，34°22′～49°33′N。新疆下辖3个地级市、6个地区、5个自治州，截至2012年新疆总人口2 232.78×104人，年末实有耕地面积513.5×104hm2，人均耕地面积0.230 hm2，粮食总产量1 259.83×104t，人均粮食产量564.24 kg。此外，新疆又是我国重要的农垦地区，区域的农业活动主要发生在绿洲及其周边区域，绿洲农业供养了全疆95%以上的人口，是新疆稳定发展与长治久安的基本命脉[23]。

研究中1949～2004年粮食产量、耕地面积和人口相关数据来源于《新疆五十年》，2004～2012年粮食产量和人口数据来自于《新疆统计年鉴》，2004～2012年耕地面积数据来自于《新疆年鉴》。由于选取的指标时间序列长(1949～2012年) ，部分数据出现了时间序列长度不够或空缺等问题，研究对这些数据进行了插补和延长；在此基础上相互校正并补充资料，最终整理出新疆1949～2012年完整的数据资料。

1.2 方 法

运用最小人均耕地面积和耕地压力指数模型以及GM(1，1)灰色预测模型进行计算得到新疆的耕地压力指数，进而对新疆粮食安全程度进行定量分析。

1.2.1 最小人均耕地面积模型

最小人均耕地面积是人均耕地面积的警戒值，是为确保一定区域粮食安全所需保护的耕地数量的底线。低于最小人均耕地面积，粮食安全将会受到威胁。计算公式如下:

(1)

其中Smin为最小人均耕地面积(hm2/人)；β为粮食自给率(%)；G为人均粮食需求量(kg/人)；P为粮食单产(kg/hm2)；q为粮食播种面积占总播种面积之比(%)；k为复种指数(%)。

1.2.2 耕地压力指数

耕地压力指数是最小人均耕地面积与实际人均耕地面积的比值，如下式：

K=Smin/Sa.

(2)

式中:K为耕地压力指数;S为实际人均耕地面积(hm2/人)。

耕地压力指数是测度粮食安全程度的指标，给出了耕地保护阈值，可以衡量一个地区耕地资源的稀缺和冲突程度，即当K值大于1时，粮食供给小于需求，粮食处于不安全状态；当K值等于1时，粮食供需平衡；当K小于1时，粮食供给大于需求，粮食处于安全状态。

1.2.3 GM(1，1)灰色预测模型

邓聚龙教授[24]在1982年创立的灰色系统理论是研究“少数据、贫信息、不确定性问题”的有效方法。灰色系统理论核心内容之一的GM(1，1)模型特别适合于土地利用与粮食生产方面的预测。灰色预测就是对某一指标在未来各个时刻的具体数值所作的预测。GM(1，1)模型的具体建模过程见文献[25]。

2 结果与分析

2.1 耕地资源变化

研究表明，1949～2012年间，新疆的耕地面积整体上处于持续上升的趋势。1949新疆年末实有耕地面积为1 209.70×103hm2，到2012年耕地面积增加为3 904×103hm2。64年间共增加耕地面积2 694.30×103hm2，年均增加42.10×103hm2。新疆耕地面积变化经历了迅速增加→波动变化→动态保持→缓慢回升的变化历程。第一阶段为1949～1960年，耕地面积迅速增加，1949年底新疆的耕地面积仅为1 209.70×103hm2，到1960年底已经突破了3 000×103hm2，年增长率13.33%。政策对耕地具有重要的调控作用[26]，耕地数量迅速增加，并对国民经济的恢复和发展起到了有效的促进作用[27]。第二阶段为1961～1970年，耕地面积波动变化，经历了两次减少和一次增加的过程。1960～1963年，耕地面积从3 145.11×103hm2减小到3 021.71×103hm2，此后持续增长，至1967年达3 376.83×103hm2，1970年时又降到了3 131.86×103hm2。耕地面积震荡波动[28]。第三阶段为1971～2004年，耕地面积保持动态平衡，耕地总量有微小的波动变化，但基本稳定在 3 200×103hm2。第四阶段为恢复增长阶段2005～2012年，耕地面积由本阶段初期的4 063.4×103hm2增长至末期的5 135×103hm2，采用生态自我修复与人工治理相互结合的方式加速了耕地数量的增加。整个发展历程中新疆受水资源不足、盐渍化的影响，新疆耕地变化呈现开荒—耕作—弃耕往复循环的特点[29]。图1

2.2 粮食产量变化

研究表明，粮食总产从1949年的84.77×104t到2012年的1 259.83×104t，64年的时间里粮食产量净增1 175.06×104t。粮食单产从1949年的700.75 kg/hm2增加到2012年的2 453.42 kg/hm2，而2009年的单产高达2 767.76 kg/hm2。图2

新疆 1949至2012年人均粮食产量与人均耕地面积的变化。图3

图1 新疆1949～2012年总人口、耕地面积的变化
Fig.1 The changes of total population and cultivated area in Xinjiang from 1949 to 2012

图2 新疆 1949～2012年粮食总产量、粮食单产的变化

Fig.2ThevarietyofgrainyieldandgrainyieldperunitareainXinjiangduring1949-2012

图3 新疆1949～2012年人均粮食产量、人均耕地面积的变化
Fig.3 The changes of per capita grain production and arable land area in Xinjiang during 1949-2012

用SPSS 19.0软件对粮食产量的变化进行相关分析。将时间作自变量t，粮食总产量作因变量y1，粮食单产作因变量y2。据此建立时间序列与粮食产量的回归模型为：

y1= 16.367t-31 916(R2= 0.933 4，n=64)。y2= 35.44t-68 680(R2= 0.855 6，n=64)。 通过计算可知64年来新疆的粮食总产量在84.77×104t的基础上，平均每年以18.36×104t的速度递增，粮食单产在700.75 kg/hm2的基础上以每年27.38 kg/hm2的速度递增。1949～2012年新疆粮食总产和单产都有了很大提高，并且单产的增加速度大于总产。图3

基于以上耕地、粮食的动态情况分析，可以得出最小耕地面积(Smin)和耕地压力指数(K)的变化。推算新疆1949～1960年，1961～1970年，1971～1980年，1981～1990年，1991～2000年，2001～2012年的人均粮食需求量分别在230、280、320、360、390和420 kg浮动变化[30-31]。鉴于我国粮食自给程度很高，研究粮食自给率统一采用100%；以此计算，可知在研究期内K值总体变化呈上升趋势，新疆耕地压力越来越大。但期间存在一定的波动，根据波动状况可以将整个变化过程分为4个阶段：(1)1949～1970年，K值在1949年的1.423至1970年的1.246波动变化；(2)1971～1984年，K值稳定在1.623左右，处于动态平衡状态，耕地压力稳定；(3)1985～2006年，受改革开放和人口生育高峰影响K值呈增长趋势，并达到建国以来的最高值3.100，耕地压力巨大；(4)2007～2012年耕地面积迅速增加，耕地压力指数处于快速下降趋势。但K值仍大于1 ，说明耕地处于超负荷状态。耕地压力指数波动变化的原因与上述粮食总产量和耕地变化的原因基本一致。图4

图4 新疆1949-2012年耕地压力指数变化
Fig.4 The changes of cultivated land pressure index in Xinjiang during 1949-2012

2.3 新疆耕地压力指数的灰色GM(1，1)预测

自1949年以来的耕地压力指数的数据，利用DPS V15.10软件中的GM(1，1)模型，得到相应的耕地压力指数灰色GM(1，1)预测模型如下:

x(t+1)=89.5587e0.1221t-88.135 7.

(3)

(4)

由此得到的残差平方和为0.592 536，平均相对误差为4.676%，相对精度高于90%，模型可信，预测值可用。

根据(3)、(4)式预测模型，对2018～2027年的耕地压力指数进行了预测。预测结果显示：2018～2027年的耕地压力指数都大于1而且将持续增大，这说明此期粮食供给小于需求且差距越来越大。表1

表1 新疆2018～2027年耕地压力指数预测结果
Table 1 Prediction results of cultivated land pressure index in 2018-2027 in Xinjiang

年份Years预测值Predictivevalue20181 169120191 183420201 197920211 212720221 227520231 242620241 257920251 273320261 289020271 3048

3 讨 论

3.1 新疆粮食安全的制约因素

3.1.1 耕地生产能力低

新疆受干旱气候的影响，土壤砂质含量高，水分少，热容量小，增温、降温迅速，有机质积累少消耗快，土壤肥力不高，农业生态环境十分脆弱。2000～2012年，新疆化肥使用量增加了143.46%。农药及化肥的大量使用造成了耕地生产能力的降低。耕地质量在人为和自然双重因素的作用下不断退化。表2

表2 2000～2012年新疆化肥使用量(折纯量)
Table 2 Fertilizer usage (discounted amount)ofXinjiangin2000-2012(104t)

3.1.2 水资源不足

农业用水量在整个新疆用水量中占95%，随着人工绿洲的迅速扩展(从1950～2003年，绿洲面积扩张了5倍[32])，使流域的水资源分布发生了变化，降水少、蒸发大的气候特点以及特殊的地理格局使土壤沙化盐渍化程度不断加剧。

3.1.3 农村市场化及创新程度较低

新疆的农村市场化组织程度低，在一定程度上制约着新疆的农业生产和农产品流通。另一方面，由于新疆农村劳动力初中以上人数仅占总劳动力的 14.3%，低于全国16.98%的平均水平，在各省市中排在倒数第5；劳动力数量也不足，耕地占有的劳动力数量仅为1.67人[33]，这也在一定程度上制约着新疆的农业生产和农产品流通。

3.2 确保新疆粮食安全的必要性及其对策

粮食安全事关新疆经济发展和社会稳定的大局[34]。虽然新疆作为中国的一个农业大区(是中国最具增粮空间的省区之一[35]，宜农荒地达10 000×103hm2，占全国宜农荒地资源的20%以上)。

3.2.1 增加农业科技投入

粮食产量的增加必须依靠物质、技术的高投入以提高粮食单产来实现[36]。加大农业科技强度，推动农业产业化和农村信息化的建设，依靠科技进步来提高粮食的单产和品质。通过培训等方式提高农村劳动力的素质，积极调整种植业结构，实施集约化生产经营，提高粮食单产，稳定粮食总产。

3.2.2 大力发展节水农业

改善新疆农田基本生产条件，加大农业水利基础设施建设的力度，推广高效节水农业技术(膜上灌溉、喷灌、滴灌等技术的应用对粮食总产的提高可发挥重要的作用)。此外，发展节水农业也在缓解各业用水需求之间的矛盾，尤其是对生态用水的保障，进行绿洲外围的生态屏障的建设，保证绿洲内部的耕地安全等方面起着重要作用[37-38]。

3.2.3 确保耕地“占-补”平衡

增强对耕地资源的保护力度，确保现有的耕地数量并在一定程度上提高质量，是确保区域粮食安全的重要措施。耕地是粮食生产活动最基本的生产资料，是其他物质或资源无法比拟的[39-40]。贯彻落实耕地保护责任制，确保耕地“占-补”平衡，积极推进土地资源的复垦与开发。

4 结 论

4.1 1949～2012年新疆耕地面积和粮食产量呈逐年增加趋势，随着人口数量的逐年增加，最小人均耕地面积和耕地压力指数也呈增加趋势，说明新疆在过去64年里，受诸多因素影响，耕地压力指数波动较大，粮食需求量因人口的持续增长及人民生活水平的提高而刚性增长，粮食的供给小于需求，存在粮食安全隐患。

4.2 GM(1，1)模型预测表明在未来10年，耕地压力指数仍将大于1，且呈显著增长趋势。在此期间粮食供需差距加大，粮食安全问题形势比较严峻。

4.3 根据新疆较低的耕地生产能力、水资源不足和市场化程度低等制约因素提出了发展节水农业、增加科技投入、确保耕地“占-补”平衡。

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Abstract：【Objective】 To study the changing tendency of cultivated land and grain yield in Xinjiang in the past 64 years and forecast the food security situation in Xinjiang in the next 10 years according to the characteristics of cultivated land pressure index, and corresponding countermeasures to ensure grain security in Xinjiang will be put forward.【Method】The minimum per capita arable land area and the cultivated land pressure index model and the GM (1,1) gray prediction model were used to quantitatively analyze the food safety level in Xinjiang.【Result】The minimum per capita arable land area and cultivated land pressure index of Xinjiang increased from 1949 to 2012, and the cultivated land pressure index in the next 10 years would be greater than 1 and showed a significant growth trend.【Conclusion】Xinjiang's food security is unsafe and the future food security situation will become more and more serious. In view of this situation, it is proposed to develop water-saving agriculture, increase agricultural science and technology investment and maintain the amount of cultivated land to ensure food security.

Keywords: cropland pressure index; grain security; gray prediction

GrainSecurityofXinjiangBasedonCroplandPressureIndex

Yasenjiang Kahar1,2, WANG Jing-zhe1,2, LÜ Guang-hui1,2,3, LIU Zhi-hui2,3

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofAridEco-environmentalSciences,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.09.021

S-03

A

1001-4330(2017)09-1737-09

2017-04-18

国家自然科学基金重点项目“干旱区湖泊流域陆面过程及人类活动适应性—以艾比湖为例”(41130531)

亚森江·喀哈尔(1993- )，男，新疆阿克苏人，硕士研究生，研究方向为干旱区资源与环境遥感应用，(E-mail)ysj_0801@163.com

吕光辉(1963- )，男，山东青岛人，教授，研究方向为干旱区生态学，(E-mail)ler@xju.edu.cn

Supported by: Key Program of National Natural Science Foundation of China "Land Surface Process and Adaptability of Human Activities in Lake Basin of Arid Area - Taking Ebinur Lake as an Example" (41130531)

Corresponding author：LÜ Guang-hui (1963-), male, native place: Qingdao, Shandong. Professor, research field: Arid area ecology. (E-mail) ler@xju.edu.cn