耕地—粮食—人口系统对长武县粮食安全的影响.pdf

第 卷第 期 年 月云 南 地 理 环 境 研 究 收稿日期:修订日期:.基金项目:国家社会科学基金项目“西南地区多重脆弱条件下农村闲置宅基地有效利用创新模式研究”()云南省科技厅面上项目“云南地质灾害贝叶斯风险定量评估模型研究”().作者简介:郑伟浩()男 湖北省潜江市人 本科生 研究方向为金融工程 通信作者:何 锋()男 云南省红河州人 副教授 博士 研究方向为土地系统与遥感定量化、土地经济与管理 耕地粮食人口系统对长武县粮食安全的影响郑伟浩 何 锋 蒋逸霞(云南财经大学 金融学院 云南 昆明 云南财经大学 物流与管理工程学院 云南 昆明)摘要:应用蒙特卡罗算法 以陕西省长武县为例 从县域尺度对位于黄土高原地区的耕地、人口、粮食系统动态及粮食安全状况进行了研究 分析了反映粮食安全状况的耕地压力指数 并对未来耕地压力指数变化进行了模拟预测 研究结果表明:年以来 长武县耕地数量持续减少 人口不断增加 但由于耕地生产率不断提高 年以前耕地压力指数基本在 左右浮动 蒙特卡罗算法对 年耕地压力指数的历史模拟值及其范围可以较好地涵盖实际值及其变化范围 因此对耕地压力指数进行预测具有较好的精确度 预测结果表明 年及 年该地区将面临更加严重的粮食安全问题 为防止耕地压力指数扩大 需要依靠增加投入和科技进步提高耕地生产率 以减轻耕地压力、保证粮食安全关键词:耕地粮食人口系统 耦合关系 粮食安全 长武县中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言耕地粮食人口系统是指在某一地域内 以耕地资源开发利用为基础 以粮食生产、消费和流通为中心环节 以满足人类粮食需求为最终目标的复杂系统 通常可以用来反映粮食安全状况具体来说 粮食产量和人口决定了人均粮食产量而粮食产量的决定因素包括耕地面积、复种指数、粮食作物播种面积比例、粮食作物单产等因素 显然 耕地数量的减少并不能完全反映出耕地资源所承载的粮食安全的压力 而最小人均耕地面积和耕地压力指数两个指标可以综合反映这些信息 用以度量耕地满足人们粮食需求的能力 以及影响这种能力变化的主要因素 近年来 部分研究从国家和地区的宏观尺度上 分析了这一动态系统与粮食安全状况及趋势 构建了粮食安全评价体系 然而 对耕地压力指数的预测方面以往研究主要通过分别预测人口、粮食、耕地来预测耕地压力指数变化 显然 分别对人口、粮食、耕地进行预测的综合误差大于直接对耕地压力指数预测造成的误差并且该类预测没有对预测模型的精确度进行检验 因此 本研究将应用蒙特卡罗算法直接预测耕地压力指数的变化趋势及范围使得预测值更准确的反应实际情况 黄土高原地区是土壤侵蚀很严重的地区 并且有着巨大的人口压力 环境恶化问题严重 研究该地区的耕地人口粮食系统及粮食安全状况对该区域乃至中国总体粮食安全具有重要的意义 长武县位于陕西省境内 是黄土高原沟壑区的典型代表 该县水资源贫乏、人均耕地资源较少 在原有耕地的/退耕还林还草之后 面临的首要问题是粮食安全问题 因此 本研云南地理环境研究第 卷究将以该县为例 从县域尺度分析耕地压力指数的动态变化趋势 对黄土高原地区乃至全国的粮食安全及可持续发展问题具有重要的参考价值 研究方法本研究首先用耕地压力指数、最小人均耕地面积法对 年以来长武县耕地粮食人口系统进行分析 在此基础上 应用非线性模型和蒙特卡罗算法预测耕地压力指数的发展趋势最小人均耕地面积是指在某一区域内 给定粮食自给水平、耕地生产能力前提下 能够提供本区人口正常生活的食物消费所需的耕地面积 用来衡量区域粮食安全所需的最低耕地底线 其计算式如下:()式中:为最小人均耕地面积(人)为区域粮食自给水平()为人均粮食需求量(人)为粮食单产()为粮食播种面积占总播种面积的比率()为复种指数()即一年中 个季节实际播种面积与耕地面积的比率耕地压力指数 是和人均实际耕地面积的比值 如下式:()式中:为人均实际耕地面积(人)为耕地压力指数 用来核算区域耕地资源的稀缺、冲突度 确定耕地保护的阈值 指导耕地保护的调控指标 当 时 耕地压力平衡 当 时表明供给小于需求 耕地承受巨大压力 存在粮食安全问题 需采取措施减小耕地压力指数 当 时 耕地压力较轻 处于安全状态 此时可适度调整耕地用途和农业种植结构 本研究通过研究变量随时间变化的方式 发现其发展变化规律 用蒙特卡罗算法模拟耕地压力指数的未来发展趋势 蒙特卡罗算法()是一种根据随机抽样和数理统计进行计算的数学方法 与随机试验十分接近 首先 需要确定投入参数的概率分布 以及投入变量和产出变量的数学关系 然后 根据概率分布随机抽样 得到若干个样本 每个样本对应一个产出值 即模拟值 最后根据模拟值确定真实值的统计特征本研究依据的随机抽样的概率分布为正态分布 分别应用直线方程、二次函数、三次函数、幂函数以及对数函数模拟时间变量与耕地压力指数的数量关系 然后分别对 及 年的耕地压力指数模拟 次 对模拟值进行统计分析 得到耕地压力指数预测值的平均值与变化范围 用以模拟数量关系的表达式分别为:()()()()()()式中:为耕地压力指数 为时间变量、为待估参数 为服从正态分布的残差项 研究区域耕地人口粮食系统动态 耕地数量变化长武县位于黄土高原腹地 是该区域典型的沟壑地貌县域 年均降水仅 常年缺水 县域以农业为主 人口稠密 年总人口达 万 密度 人/特点是水资源匮乏而人口众多 农业条件较为脆弱 随着耕地减少 到 年仅剩 而人口持续增加 出现明显的人地矛盾 随着生态问题加剧 资源短缺情况下如何保粮食安全是该县面临的巨大挑战 县域内耕地粮食人口动态变化集中体现了黄土高原区县的特征和问题 在资源日益紧张下 科学评估预测粮食安全风险 实现可持续发展是该地区的当务之急 因此 本研究通过县域系统动态分析 以提供黄土高原地区粮食安全和生态环境管理决策支持县域的自然和社会经济特征 能代表性地反映该区域的主要矛盾 分析粮食安全和可持续发展所面临的问题 并提出科学的政策建议第 期郑伟浩等:耕地 粮食 人口系统对长武县粮食安全的影响根据 年长武县统计年鉴 年以来 长武县耕地面积呈现出持续减少的趋势如图 所示 年全县总耕地面积为 到 年减少到 年来共减少了 平均每年减少 该县耕地面积陆续减少并呈现出明显的阶段性特征 该县耕地面积陆续减少并呈现出明显的阶段性 即:年耕地减少较平稳 年耕地数量急剧减少 年以后耕地数量有所增加并趋于平稳 其原因可能是国家对生态退耕补偿政策年限的不同 即还生态林补偿 年 还经济林补偿 年 还草补偿 年 造成有部分退耕地因为国家停止支付退耕补偿金而被返耕 年人均耕地面积 到 年降为 耕地和人均耕地数量均有陆续降低中趋于平稳的趋势图 长武县 年耕地总面积、人均耕地面积变化情况 人口数量的动态变化 年该县总人口为 人 年人口为 人 净增人口 人 平均每年净增人口 人 全县平均人口自然增长率为 由图 可以明显看出 该县人口增长曲线呈阶段式变化:年为缓慢增加阶段净增人口 人 平均每年增加 人 年为较快增长阶段 净增人口 人 平均每年增加 人 年为人口突减阶段 净减人口 人 平均每年减少 人 粮食产量的动态变化 年该县粮食总产量 年减少到 减产 平均每年减产 但因为该县易遭受旱灾 粮食产量波动较大 如 年仅有 比相邻的 图 长武县 年人口总量变化图 长武县统计年鉴 云南地理环境研究第 卷和 年分别减少 和 因为 年以来的退耕还林还草政策的大力推行和农业结构的大力调整 年连续 年减产 粮食减产量为 直到 年粮食产量略有回升 年又连续 年减产粮食减产量为 年 年粮食产量又急剧回升 粮食增产为 年以后粮食产量趋于平稳(图)图 年长武县粮食产量指标变化态势 研究结果 年长武县人均粮食产量 年为 (人)低 于 人 均()的合理范围 以人均食物需求量为()为标准 粮食自给率将由人均粮食产量和人均实际需求量的比值来确定 由图 可知 年 值总体变化情况是比较平稳的趋势 在整个时间段 值变化不太明显 保持着逐渐减小趋向平稳的趋势 在此基础上 利用 软件分别对 年与 年耕地压力指数进行模特卡罗模拟预测 其预测值分别为 和 耕地压力趋于平稳图 长武县 年 的变化状况 结论与讨论本研究以陕西省长武县为例 应用蒙特卡罗算法 从县域尺度分析了 年以来该县域内耕地、人口、粮食系统的动态演变及其对粮食安全的影响 研究发现 年长武县耕地面积、人口数量及粮食产量均呈波动变化态势 具体来看 年耕地面积较为平稳 年急剧 下 降 年 之 后 趋 于 平 缓 人 口 数 量 年缓慢增加 年较快增长 年明显减少 粮食产量受自然条件影响第 期郑伟浩等:耕地 粮食 人口系统对长武县粮食安全的影响 图 年耕地压力指数真实值与模拟值变化 较大 不同年份波动较大 综合分析各变量变化趋势可知 长武县耕地人口粮食系统处于动态调节之中 系统内各要素互为影响尽管耕地数量出现波动式下降 但距离触碰红线尚有一定空间 未出现严重的人地矛盾 本研究构建的耕地压力指数能反映系统的综合状况 年该指数基本在 左右波动 系统处于相对平衡状态 运用蒙特卡罗算法模拟了 年的指数历史变化 验证了模型的预测精度预测结果显示该区域面临日益严峻的粮食安全形势因此 研究表明长武县整个耕地人口粮食系统存在动态变化 应对措施必须因时制宜、综合考虑各影响因素 为保障长久的粮食安全 县域内应进一步提高土地生产效率 开发和利用水资源调整种植结构 并与周边地区加强合作 本研究尝试从县域尺度分析黄土高原区的系统动态演变情况 并预测风险 为该区域及全国的粮食安全和可持续发展提供有益的科学支持需要注意的是 本研究仅从耕地人口粮食 个方面展开讨论 未考虑可能影响系统动态的其他因素 如技术进步、政策调控等 后续研究还需构建更全面的评估模型 此外 单个典型样本的研究 其结论的扩展性还需进一步检验 本研究试图以科学严谨的态度对细节问题进行讨论 但任何研究都存在局限 需要在今后的工作中不断完善参考文献:王念 程昌秀 林耿 中国农产品贸易结构演化及对粮食安全的影响.地理学报 ():李潇洒 杨钊 安徽省生态系统服务价值与人类福祉的关联性研究.云南地理环境研究 ():李昊 中国西部沿边省份经济趋同的空间马尔科夫链分析 以云南省为例.云南地理环境研究 ():王禾军 邓飞其 基于模糊最小二乘支持向量机的区域粮食安全性预警分析.农业工程学报 ():崔宁波 王胜男 粮食安全背景下东北典型黑土区耕地压力动态变化及趋势分析.农业工程学报 ():肖海峰 王姣 中国粮食综合生产能力影响因素分析.农业技术经济 ():陈百明 周小萍 中国近期耕地资源与粮食综合生产能力的变化态势.资源科学 ():公茂刚 王学真 高峰 中国农村贫困人口微观粮食安全的影响因素分析.宁夏大学学报(人文社会科学版)():付青叶 王征兵 中国粮食安全的评价指标体系设计.决策参考 ():解宗方 粮食生产过程中的不协调性分析 以河南省为例.农业现代化研究 ():张小允 鲍洁 许世卫 基于熵权 模型的中国粮食安全评价研究.中国农业资源与区划 ():李玉平 蔡运龙 区域耕地 人口 粮食系统动态分析与耕地压力预测以河北省邢台市为例.北京大学学报(自然科学版)():.:谭术魁 张路 齐睿 基于系统动力学的区域耕地压力指数研究.自然资源学报 ():韩书成 谢永生 长武王东沟小流域农业产业结构调查分析.水土保持学报 ():潘元庆 王争艳 刘晓丽 等 河南省黄河滩区耕地后备资源评价研究.中国土地科学 ():云南地理环境研究第 卷 曹洪亮 樊哲文 基于耕地压力指数的粮食生产与粮食安全状况分析 以江西省南昌县为例.江西科学 ():李建平 上官周平 陕西省耕地生产能力的时空分布.农业工程学报 ():.():陈浮 曾思燕 马静 等 多情景模拟休耕对中国粮食安全的影响.中国土地科学 ():黄建伟 张兆亮 地方政府参与耕地流转“非粮化”的逻辑及其治理 基于耕地种树绿化的案例研究.中国土地科学 ():():