中国农业科学 2009,42(12):4269-4274 Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2009.12.018
中国粮食生产与耕地变化的时空动态
刘彦随，王介勇，郭丽英
（1中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）
1
1
2
摘要：【目的】揭示1990-2005年中国粮食生产与耕地变化的时空动态特征，以及粮食生产对于耕地变化的敏感性。【方法】构建重心拟合模型和敏感度分析模型，对比分析耕地面积重心和粮食产量重心动态关系。【结果】中国粮食生产重心和耕地分布重心在空间上均表现为“北进中移”的态势,在移动方位上大致具有同向性。耕地重心沿着“西北—西南—东北”的轨迹共移动了17.3 km，粮食产量重心沿着“东北—西南—东北”的轨迹移动了223.3 km，两个重心之间的距离和粮食产量大致呈反向变化。当两者距离拉近时，粮食产量减少，当两者距离增大时，粮食产量增长。【结论】区域粮食产量增长受粮食单产、粮食播种面积等非耕地总量因素的影响日益明显；粮食产量变化对耕地变化的敏感性呈增强趋势。化肥、农药等物质投入的报酬递减趋势日益明显，粮食增产对耕地资源的依赖性也日益增强。保障粮食安全与耕地保护亟需创新机制和政策。
关键词：粮食生产；耕地变化；重心模型；敏感度模型；时空动态；中国
The Spatial-Temporal Changes of Grain Production and
Arable Land in China
LIU Yan-sui1, WANG Jie-yong1, GUO Li-ying2
2
(1Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101; Institute of Natural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)
Abstract: 【Objective 】 The objective of this study is to reveal the spatial-temporal change characteristics of grain production and arable land changes in China as well as the sensitivity of grain yield changes to arable land from 1990 to 2005. 【Method 】 Contrastive analyzing the dynamic relationship of China's grain production and arable land changes by constructing models of gravity center fitting and sensitivity analyzing in this paper. 【Result 】 The results of study show that the gravity center of China’s grain production and arable land distribution are both expressed as Move to northern and middle regions, which means both of them are almost the same in space. The center of arable land had been moved 17.3 km along the track of Northwest - Southwest - Northeast, and the center of grain production had been moved 223.3 km along the track of Northeast - Southwest - Northeast. The distance between the two centres of grain production and arable land was almost contrary to grain yield. When one center is close to the other, the grain yield reduced, otherwise grain yield increased.【Conclusion 】 The increase of grain yield in China is affected by unit yield and planting areas, and the sensitivity of grain yield changes to arable land is enhanced. The diminishing returns of fertilizers and pesticides show that the dependence of grain production on arable land resources is increasing. It is very important to realize a mechanism and policy innovation for guarantee of national food security and arable land protection.
Key words: grain production; arable land change; gravity center model; sensitive degree model; spatial-temporal change; China
0 引言
【研究意义】中国是人口大国，粮食安全事关国
家安全和社会稳定大局。近年来，国内外粮食生产和粮食消费格局正在发生重大变化，粮食供求关系偏紧，结构性矛盾突出，粮食安全与耕地保护面临严峻的挑
收稿日期：2009-04-12；接受日期：2009-05-25
基金项目：国家自然科学基金重点项目（40635029；40871257）、国家“十一五”科技支撑计划重点项目（20006BAB15B05） 作者简介：刘彦随（1965－），男，陕西绥德人，研究员，博士，研究方向为土地利用、区域农业与农村发展。Tel ：010-64889037；E-mail ：[email protected]
4270 中 国 农 业 科 学 42卷
战[1]。深入研究中国粮食产量与耕地面积的时空动态，对于严格保护耕地和保障粮食安全的规划决策，具有重要启示意义，对优化中国粮食生产布局及相关区域政策制定提供依据。【前人研究进展】自莱斯特·R·布朗提出“谁来养活中国”之后，粮食安全与耕地保护成为国内外学术研究的热点领域。学者们提出“提高粮食综合生产能力”、“藏粮于土”[2-3]、“最小人均“农业多功能 耕地面积”、“可持续食物安全”、
性”[6-8]等战略和理念。同时，关于耕地面积与粮食产量变化[9-10]等研究也十分活跃，侧重分析了耕地变化与粮食生产的区域特征。【本研究切入点】随着中国工业化、城镇化发展和农业结构调整，耕地变化表现出明显的区域差异性[11-13]，粮食生产的区域特征也在发生重大变化[14-16]，“南粮北运”已演变为“北粮南调”，城乡转型发展进程中农业生产的区域新格局日益显现[17-19]。本研究重点是对中国粮食产量与耕地面积时空动态变化格局进行模拟分析。【拟解决的关键问题】通过构建重心拟合模型和敏感度分析模型，揭示1990－2005年中国粮食产量与耕地面积的时空动态特征，以及粮食产量对耕地变化的敏感性。
[4]
[5]
重心移动距离模型为：
d m =(x k +m −x k ) 2+(y k +m +y k ) 2 （4）1.2 敏感度分析模型
为了度量粮食产量变化对耕地面积变化的响应，构建了粮食产量对耕地面积变化的敏感度评价模型：
β=[(G t +1−G t ) /G t ]/[(L t +1−L t ) /L t ] （5）G t 、G t +1分别为基期和末期的粮食产量，L t 、L t +1
分别为基期和末期的耕地面积。若β＜0，表明粮食产量与耕地面积成反向变化，粮食产量对耕地面积变化说明粮食产量与耕地面积同向变化，不敏感；若β＞0，
β值越大，粮食产量变化受耕地面积增减变化的影响。
说明粮食产量对耕地变化的敏感度越高，即耕地面积的较小变动会造成粮食产量的较大波动。 1.3 数据来源
耕地面积来源于1990年土地利用概查数据，以及
1998、2003、2005年分省县域土地利用详查变更数据；农业生产与农业资源投入数据来源于相关年份的《农村经济统计年鉴》；粮食产量数据来源于《1990年全国分县（市）统计资料》、《1998年全国分县（市）统计资料》、《2003年全国县（市）社会经济统计年
1 研究方法与数据来源
1.1 重心拟合模型
重心模型是研究区域发展过程中要素空间变动的重要分析工具。由于区域发展是要素集聚与扩散的过程，各要素的重心位置处于不断变动之中，要素重心的移动客观地反映了区域发展诸要素空间集聚及其位移规律。人口重心模型[20]、经济重心模型[21]以及生产重心模型[22]是地理学常用的分析模型。本文依据重心模型理论尝试构建了区域粮食产量及耕地面积两种要素重心拟合模型，基本模型如下：
x j =∑(T ij ·x i )/∑T ij （1）
i =1
i =1
n
n
鉴》、《2006年全国县（市）社会经济统计年鉴》。
2 结果与分析
2.1 粮食生产重心与耕地重心的时空动态 2.1.1 耕地面积的时空变化 1990－2005年，中国耕地面积总体上呈持续减少趋势。在区域上表现为，东部沿海地区、长江沿岸、黄土高原，以及从东北到西南大致沿第二级阶梯山地一线地区的耕地减少变化最为明显，而东北平原、黄淮海平原，以及内蒙古河套平原等传统农区，由于农田灌溉等基础设施的改进，农户农业生产积极性的提高，耕地面积呈现增加态势。耕地面积变化的阶段特征：（1）1990－1998年耕地面积减少109.8×104 hm 2，年均减少13.7×104 hm 2。城镇扩张与开发区建设是导致耕地面积减少的主要因素。东南沿海发达地区耕地面积减少最为剧烈，而西北地区由于人口压力和农田基础设施的改进，耕地垦殖率提高，耕地面积呈扩大趋势；（2）1998－2003年耕地面积减少625×104 hm 2，年均减少125×104
y j =∑(T ij ·y i )/∑T ij （2）
i =1
i =1
n n
式中，T ij （i =1,2,3,…, n ）表示第i 评价单元第j 年某要y i ）为第i 评价单元的地理中心坐标，素的总量。P （i x i ，P j （x j ，y j ）为该要素第j 年的全国重心坐标。
（设第k 、k +m 年某要素全国重心坐标分别为P k x k ，y k ）、P k+m（x k+m，y k+m），那么，重心P k 向P k+m移动方向模型为：
hm 2。西北地区生态退耕和东部地区建设占用、农业结构调整成为耕地减少的主要因素；（3）2003－2005年西北地区生态退耕及农业结构调整占用耕地有所减
θm =arctan[(y k +m −y k )/(x k +m −x k )] （3）
12期 刘彦随等：中国粮食生产与耕地变化的时空动态 4271
少，东南沿海地区非农建设占用耕地仍在不断增多。 2.1.2 粮食生产的时空变化 1990－2005年，中国北方粮食生产对全国粮食产量的贡献越来越大，其波
（2）粮食生产重心的移动规律。1990－1998年粮食生产重心向北偏东移动61.1 km，至河南通许县东部，其中向北移动60.8 km，向东移动6.4 km；1998－2003年粮食产量重心向西偏南移动79.9 km，至河向南移动南许昌长葛市西部，其中向西移动48.1 km，
1990－2005年动性深刻地影响着全国粮食生产格局。
年均粮食增加20 000 t的市（县）主要分布于东北地区、黄淮海平原、河套平原，而东南沿海地区、长江中游地区市（县）粮食产量呈现明显下滑趋势。中国粮食流通格局呈现出“北粮南运”、“中粮西运”的态势。其演进特征是：（1）1990－1998年粮食产量上升，1998年达到最高峰5.12×108 t 。粮食产量年均增长大于20 000 t的市（县）主要分布在耕地资源丰富的东北地区、黄淮海平原地区；（2）1998－2003年粮食产量出现下滑，2003年降到4.37×108 t 。除内蒙古沿线及西部部分县、市之外，其它区域县、市粮食产量都出现不同程度的下滑，其中粮食产量减少大于20 000 t的市（县）主要分布在黄淮海、东北及长三角、珠三角地区；（3）2004年是中国农业生产的“转机年”。在国家粮食直补、免除农业税等政策驱动下，粮食产量开始回升，2005年达到4.84×108 t 。东北地区、中部地区及四川盆地的粮食产量增幅较为明显。
2.1.3 粮食生产与耕地重心的时空耦合
（1）耕地面积重心的移动规律。1990年耕地面积
63.8 km；2003年以来粮食产量重心转向北偏东移动82.3 km，至河南开封县西南部，其中向北移动68.2 km ，向东移动46.8 km（图2）。
图2 1990－2005年粮食产量重心轨迹
Fig. 2 The track of grain production gravity center (1990－2005)
（3）粮食重心与耕地重心的时空耦合。1990－2005年，中国粮食生产重心与耕地重心移动方向大致具有同向性，均表现为“北进中移”的态势。耕地面积分布主要集中在粮食主产区，当粮食产量增加时，粮食生产要素投入增长带有全国性的，除粮食主产区稳定增产外，其它粮食产区的贡献率也大，因而粮食产量
1990－1998年耕地面重心在河南洛阳市汝阳县附近。
积重心向西偏北移动13.6 km，至洛阳市宜阳县北部，向北移动6.2 km；1998－2003其中向西移动12.1 km，
年耕地面积重心向南偏西移动1.3 km，至宜阳县西南部，其中向南移动0.98 km，向西移动0.92 km；2003－2005年耕地面积重心向东偏北移动2.4 km，至宜阳县东部，其中向东移动2.3 km，向西移动0.3 km（图1）。
1990年粮食产量重心和耕重心和耕地重心距离拉大。
地重心距离为192 km，1998年增加到205 km，这一
2003年两个重心距时期粮食产量呈现快速增长态势。
离降为146 km，这一时期粮食产量呈现快速减少态
2003－2005年两个重心距离再次拉大，2005年两势。
同期粮食生产出现了恢复性增个重心距离为188 km，
长。由此来看，粮食产量重心与耕地重心的距离与粮食产量变化呈反向走势。即当两者距离近时，粮食产量出现减少；当两者距离增大时，粮食产量反而增长。这一现象反映了耕地对于粮食生产的基础性作用，也进一步说明在保障耕地面积的情况下，粮食产量主要受播种面积和其它生产要素投入变化的影响。 2.2 粮食产量对耕地变化的敏感性特征
2.2.1 粮食产量与耕地重心变化的相关性 1990－
图1 1990－2005年耕地重心轨迹
Fig. 1 The track of arable land gravity center (1990－2005)
4272 中 国 农 业 科 学 42卷
2005年的3个时期，中国粮食产量重心移动速度分别为7.6、16和41.2 km·a-1，呈现增长趋势（表）。这说
明粮食生产的区域波动性大，粮食生产的投入与产出不够稳定。
表 1990－2005年粮食产量与耕地重心变化
Table The gravity center changes of arable land and grain production during 1990－2005
时段(年) Period of time (Year)
粮食产量重心 Grain production gravity center 距离 Distance (km)
速度 Speed (km·a)
-1
距离
耕地重心 Arable land gravity center
速度 Speed (km·a)
-1
方向 Orientation North by east 6°
方向 Orientation West by north 27°
Distance (km) 13.6 1.3 2.4
1990－1998 61.1 1998－2003 79.9 2003－2005 82.3
7.6 北偏东6° 16.0 西偏南37°
West by south 37°
41.2 北偏东34°
North by east 34°
1.7 西偏北27° 0.3 南偏西49°
South by west 49°
1.2 东偏北17°
East by north 17°
1990－2005年的3个时期。耕地重心移动速度分别为1.7、0.3和1.2 km·a-1，耕地重心相对稳定，其变化幅度较小。粮食产量重心移动除了受耕地面积变化影响之外，还受到粮食播种面积、粮食单产水平，以及农业政策波动等非耕地因素的显著影响，因而其变化幅度大、速度快。
2.2.2 粮食产量对耕地变化的敏感性评价 耕地是保障粮食生产的必要条件。中国粮食产量对粮食播种面积具有较高的依赖性。研究表明，粮食播种面积每增加1%，粮食产量则增加1.63%[23]。因此，在一定的农业科技水平和投入管理条件下，耕地面积或粮食播种面积的减少将会带来粮食产量的持续下降。采用公
式（5）对1990－1998年和1998－2005年2个时期的全国分县粮食生产对耕地变化的敏感性度进行评价，①β≤0为无敏感并将其敏感性程度划分为4个级别：
性，粮食产量变化与耕地面积变化不具有同步性特征；③5＜β≤10为中度敏感；④β②0＜β≤5为低度敏感；＞10为高度敏感。
2.2.3 粮食生产对耕地变化的敏感性分析 （1）2个时期不同县（市）敏感度的差异。1990－1998年粮食生产对耕地变化高度敏感的县（市）有
204个，中度敏感的县（市）有99个，低度敏感的县具有敏感性的县（市）占全国县（市）（市）有506个。总数的39.7%（图3-a ）；1998－2005年粮食生产对
图3 中国粮食产量变化对耕地面积变化敏感性格局
Fig. 3 The sensitivity of grain yield changes to arable land in China during 1990－2005
12期 刘彦随等：中国粮食生产与耕地变化的时空动态 4273
耕地变化高度敏感的县（市）有328个，中度敏感的县（市）有120个，低度敏感的县（市）有647个，具有敏感性的县（市）占县（市）总数的47.6%（图
公顷左右粮食播种面积、提高粮食单产目标统筹规划；在粮食产量对耕地变化敏感度高的地区，应严格实行耕地“补占平衡”政策，创新农村土地产权制度，推进城乡建设用地一体化市场建设。重视加大农村土地综合整治还田和南方地区冬闲田开发利用力度，整体提升农村土地利用效率与效益，实现耕地保面积、提产能与保障粮食安全的综合目标。
3-b ）。后一时期具有敏感性的县（市）比前一时期增加了183个，其中高敏感的县（市）增加了124个。 （2）2个时期不同县（市）敏感度的空间格局。
1990－1998年敏感度较高的县（市）主要分布于中国西部地区的牧区及农牧交错区，这些地区通过开垦荒地，扩大灌溉面积，发展粮食生产，因而粮食产量的
4 结论
4.1 1990－2005年，中国粮食产量重心与耕地重心的移动方位大致具有同向性。耕地重心沿着“西北—平均速度为0.91 西南—东北”的轨迹移动了17.3 km，
1998－2005年敏感增长与耕地面积的扩展密切相关；
度较高的县（市），主要分布于中国东部沿海地区及中部地区，粮食产量变化受到物质投入、土地利用方式及政策变动因素的综合影响。
（3）粮食生产对耕地敏感变化的成因。1998年中国实施“西部大开发”战略，西部地区实行“退耕还林还草”政策，带来耕地面积的逐年减少，粮食产量随之出现下降趋势。与此同时，东部地区快速城镇化进程中的耕地“非农化”流失和耕地利用的“非粮化”倾向日益凸显。2006年，全国耕地非粮化率（即非粮食作物播种面积与农作物播种总面积的比值）为
km·a-1，粮食产量重心沿着“东北—西南—东北”的轨迹共移动了223.3 km，平均速度为14.9 km·a-1。 4.2 粮食产量重心与耕地重心之间的距离与粮食产量变化大致呈反向态势。当两者的距离拉近时，粮食产量出现减少；当两者的距离增大时，则出现增长。这一规律说明了1990－2005年中国粮食产量的增长受粮食播种面积、粮食单产等非耕地总量因素的作用明显。
4.3 粮食产量变化对耕地变化的敏感性呈现增强趋势。其中敏感度较高的县（市），1990－1998年主要
32.8%，浙江、山东、江苏等省非粮化率分别达46.5%、36.6%、34.5%；过量化肥、农药、农膜的使用导致耕地质量下降，物质投入报酬递减显现，粮食生产对耕地变化的敏感性明显增强。
1998－2005年则主分布在西部的牧区及农牧交错区，
要分布在东部沿海发达地区。后一时段具有敏感性的县（市）增加了183个，其中高敏感性的县（市）增加了124个。
3 讨论
通过分析1990－2005年中国耕地面积和粮食产量重心的变化特征，揭示了耕地面积与粮食生产“北进中移”的演进态势，为中国粮食生产由“南粮北调”转向“北粮南调”的判断提供了科学依据。而耕地面积与粮食产量时空演变的经济社会动力学机制尚需深入研究。
粮食生产“北进中移”的态势加剧了中国北方地区及中部传统农区水土资源的矛盾和农村经济发展的压力。北方生态脆弱地区“耕垦增粮”正潜伏着巨大的生态环境风险，从土地资源安全的战略高度，应限制扩大粮食种植面积；中部传统农区粮食生产是农民收入的主要来源，从保障粮食安全的战略高度，创新耕地保护经济补偿机制和农业产业政策的意义深远。
严格耕地保护和强化粮食基地管理战略。在粮食产量对耕地变化敏感度较低的地区，谨防产生保护耕地等同于保障粮食安全的误区，加大永久性基本粮田建设力度，将坚守1.2亿公顷耕地红线与稳定1.07亿
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（责任编辑 李云霞）
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摘要：【目的】揭示1990-2005年中国粮食生产与耕地变化的时空动态特征，以及粮食生产对于耕地变化的敏感性。【方法】构建重心拟合模型和敏感度分析模型，对比分析耕地面积重心和粮食产量重心动态关系。【结果】中国粮食生产重心和耕地分布重心在空间上均表现为“北进中移”的态势,在移动方位上大致具有同向性。耕地重心沿着“西北—西南—东北”的轨迹共移动了17.3 km，粮食产量重心沿着“东北—西南—东北”的轨迹移动了223.3 km，两个重心之间的距离和粮食产量大致呈反向变化。当两者距离拉近时，粮食产量减少，当两者距离增大时，粮食产量增长。【结论】区域粮食产量增长受粮食单产、粮食播种面积等非耕地总量因素的影响日益明显；粮食产量变化对耕地变化的敏感性呈增强趋势。化肥、农药等物质投入的报酬递减趋势日益明显，粮食增产对耕地资源的依赖性也日益增强。保障粮食安全与耕地保护亟需创新机制和政策。
关键词：粮食生产；耕地变化；重心模型；敏感度模型；时空动态；中国
The Spatial-Temporal Changes of Grain Production and
Arable Land in China
LIU Yan-sui1, WANG Jie-yong1, GUO Li-ying2
2
(1Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101; Institute of Natural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)
Abstract: 【Objective 】 The objective of this study is to reveal the spatial-temporal change characteristics of grain production and arable land changes in China as well as the sensitivity of grain yield changes to arable land from 1990 to 2005. 【Method 】 Contrastive analyzing the dynamic relationship of China's grain production and arable land changes by constructing models of gravity center fitting and sensitivity analyzing in this paper. 【Result 】 The results of study show that the gravity center of China’s grain production and arable land distribution are both expressed as Move to northern and middle regions, which means both of them are almost the same in space. The center of arable land had been moved 17.3 km along the track of Northwest - Southwest - Northeast, and the center of grain production had been moved 223.3 km along the track of Northeast - Southwest - Northeast. The distance between the two centres of grain production and arable land was almost contrary to grain yield. When one center is close to the other, the grain yield reduced, otherwise grain yield increased.【Conclusion 】 The increase of grain yield in China is affected by unit yield and planting areas, and the sensitivity of grain yield changes to arable land is enhanced. The diminishing returns of fertilizers and pesticides show that the dependence of grain production on arable land resources is increasing. It is very important to realize a mechanism and policy innovation for guarantee of national food security and arable land protection.
Key words: grain production; arable land change; gravity center model; sensitive degree model; spatial-temporal change; China
0 引言
【研究意义】中国是人口大国，粮食安全事关国
家安全和社会稳定大局。近年来，国内外粮食生产和粮食消费格局正在发生重大变化，粮食供求关系偏紧，结构性矛盾突出，粮食安全与耕地保护面临严峻的挑
收稿日期：2009-04-12；接受日期：2009-05-25
基金项目：国家自然科学基金重点项目（40635029；40871257）、国家“十一五”科技支撑计划重点项目（20006BAB15B05） 作者简介：刘彦随（1965－），男，陕西绥德人，研究员，博士，研究方向为土地利用、区域农业与农村发展。Tel ：010-64889037；E-mail ：[email protected]
4270 中 国 农 业 科 学 42卷
战[1]。深入研究中国粮食产量与耕地面积的时空动态，对于严格保护耕地和保障粮食安全的规划决策，具有重要启示意义，对优化中国粮食生产布局及相关区域政策制定提供依据。【前人研究进展】自莱斯特·R·布朗提出“谁来养活中国”之后，粮食安全与耕地保护成为国内外学术研究的热点领域。学者们提出“提高粮食综合生产能力”、“藏粮于土”[2-3]、“最小人均“农业多功能 耕地面积”、“可持续食物安全”、
性”[6-8]等战略和理念。同时，关于耕地面积与粮食产量变化[9-10]等研究也十分活跃，侧重分析了耕地变化与粮食生产的区域特征。【本研究切入点】随着中国工业化、城镇化发展和农业结构调整，耕地变化表现出明显的区域差异性[11-13]，粮食生产的区域特征也在发生重大变化[14-16]，“南粮北运”已演变为“北粮南调”，城乡转型发展进程中农业生产的区域新格局日益显现[17-19]。本研究重点是对中国粮食产量与耕地面积时空动态变化格局进行模拟分析。【拟解决的关键问题】通过构建重心拟合模型和敏感度分析模型，揭示1990－2005年中国粮食产量与耕地面积的时空动态特征，以及粮食产量对耕地变化的敏感性。
[4]
[5]
重心移动距离模型为：
d m =(x k +m −x k ) 2+(y k +m +y k ) 2 （4）1.2 敏感度分析模型
为了度量粮食产量变化对耕地面积变化的响应，构建了粮食产量对耕地面积变化的敏感度评价模型：
β=[(G t +1−G t ) /G t ]/[(L t +1−L t ) /L t ] （5）G t 、G t +1分别为基期和末期的粮食产量，L t 、L t +1
分别为基期和末期的耕地面积。若β＜0，表明粮食产量与耕地面积成反向变化，粮食产量对耕地面积变化说明粮食产量与耕地面积同向变化，不敏感；若β＞0，
β值越大，粮食产量变化受耕地面积增减变化的影响。
说明粮食产量对耕地变化的敏感度越高，即耕地面积的较小变动会造成粮食产量的较大波动。 1.3 数据来源
耕地面积来源于1990年土地利用概查数据，以及
1998、2003、2005年分省县域土地利用详查变更数据；农业生产与农业资源投入数据来源于相关年份的《农村经济统计年鉴》；粮食产量数据来源于《1990年全国分县（市）统计资料》、《1998年全国分县（市）统计资料》、《2003年全国县（市）社会经济统计年
1 研究方法与数据来源
1.1 重心拟合模型
重心模型是研究区域发展过程中要素空间变动的重要分析工具。由于区域发展是要素集聚与扩散的过程，各要素的重心位置处于不断变动之中，要素重心的移动客观地反映了区域发展诸要素空间集聚及其位移规律。人口重心模型[20]、经济重心模型[21]以及生产重心模型[22]是地理学常用的分析模型。本文依据重心模型理论尝试构建了区域粮食产量及耕地面积两种要素重心拟合模型，基本模型如下：
x j =∑(T ij ·x i )/∑T ij （1）
i =1
i =1
n
n
鉴》、《2006年全国县（市）社会经济统计年鉴》。
2 结果与分析
2.1 粮食生产重心与耕地重心的时空动态 2.1.1 耕地面积的时空变化 1990－2005年，中国耕地面积总体上呈持续减少趋势。在区域上表现为，东部沿海地区、长江沿岸、黄土高原，以及从东北到西南大致沿第二级阶梯山地一线地区的耕地减少变化最为明显，而东北平原、黄淮海平原，以及内蒙古河套平原等传统农区，由于农田灌溉等基础设施的改进，农户农业生产积极性的提高，耕地面积呈现增加态势。耕地面积变化的阶段特征：（1）1990－1998年耕地面积减少109.8×104 hm 2，年均减少13.7×104 hm 2。城镇扩张与开发区建设是导致耕地面积减少的主要因素。东南沿海发达地区耕地面积减少最为剧烈，而西北地区由于人口压力和农田基础设施的改进，耕地垦殖率提高，耕地面积呈扩大趋势；（2）1998－2003年耕地面积减少625×104 hm 2，年均减少125×104
y j =∑(T ij ·y i )/∑T ij （2）
i =1
i =1
n n
式中，T ij （i =1,2,3,…, n ）表示第i 评价单元第j 年某要y i ）为第i 评价单元的地理中心坐标，素的总量。P （i x i ，P j （x j ，y j ）为该要素第j 年的全国重心坐标。
（设第k 、k +m 年某要素全国重心坐标分别为P k x k ，y k ）、P k+m（x k+m，y k+m），那么，重心P k 向P k+m移动方向模型为：
hm 2。西北地区生态退耕和东部地区建设占用、农业结构调整成为耕地减少的主要因素；（3）2003－2005年西北地区生态退耕及农业结构调整占用耕地有所减
θm =arctan[(y k +m −y k )/(x k +m −x k )] （3）
12期 刘彦随等：中国粮食生产与耕地变化的时空动态 4271
少，东南沿海地区非农建设占用耕地仍在不断增多。 2.1.2 粮食生产的时空变化 1990－2005年，中国北方粮食生产对全国粮食产量的贡献越来越大，其波
（2）粮食生产重心的移动规律。1990－1998年粮食生产重心向北偏东移动61.1 km，至河南通许县东部，其中向北移动60.8 km，向东移动6.4 km；1998－2003年粮食产量重心向西偏南移动79.9 km，至河向南移动南许昌长葛市西部，其中向西移动48.1 km，
1990－2005年动性深刻地影响着全国粮食生产格局。
年均粮食增加20 000 t的市（县）主要分布于东北地区、黄淮海平原、河套平原，而东南沿海地区、长江中游地区市（县）粮食产量呈现明显下滑趋势。中国粮食流通格局呈现出“北粮南运”、“中粮西运”的态势。其演进特征是：（1）1990－1998年粮食产量上升，1998年达到最高峰5.12×108 t 。粮食产量年均增长大于20 000 t的市（县）主要分布在耕地资源丰富的东北地区、黄淮海平原地区；（2）1998－2003年粮食产量出现下滑，2003年降到4.37×108 t 。除内蒙古沿线及西部部分县、市之外，其它区域县、市粮食产量都出现不同程度的下滑，其中粮食产量减少大于20 000 t的市（县）主要分布在黄淮海、东北及长三角、珠三角地区；（3）2004年是中国农业生产的“转机年”。在国家粮食直补、免除农业税等政策驱动下，粮食产量开始回升，2005年达到4.84×108 t 。东北地区、中部地区及四川盆地的粮食产量增幅较为明显。
2.1.3 粮食生产与耕地重心的时空耦合
（1）耕地面积重心的移动规律。1990年耕地面积
63.8 km；2003年以来粮食产量重心转向北偏东移动82.3 km，至河南开封县西南部，其中向北移动68.2 km ，向东移动46.8 km（图2）。
图2 1990－2005年粮食产量重心轨迹
Fig. 2 The track of grain production gravity center (1990－2005)
（3）粮食重心与耕地重心的时空耦合。1990－2005年，中国粮食生产重心与耕地重心移动方向大致具有同向性，均表现为“北进中移”的态势。耕地面积分布主要集中在粮食主产区，当粮食产量增加时，粮食生产要素投入增长带有全国性的，除粮食主产区稳定增产外，其它粮食产区的贡献率也大，因而粮食产量
1990－1998年耕地面重心在河南洛阳市汝阳县附近。
积重心向西偏北移动13.6 km，至洛阳市宜阳县北部，向北移动6.2 km；1998－2003其中向西移动12.1 km，
年耕地面积重心向南偏西移动1.3 km，至宜阳县西南部，其中向南移动0.98 km，向西移动0.92 km；2003－2005年耕地面积重心向东偏北移动2.4 km，至宜阳县东部，其中向东移动2.3 km，向西移动0.3 km（图1）。
1990年粮食产量重心和耕重心和耕地重心距离拉大。
地重心距离为192 km，1998年增加到205 km，这一
2003年两个重心距时期粮食产量呈现快速增长态势。
离降为146 km，这一时期粮食产量呈现快速减少态
2003－2005年两个重心距离再次拉大，2005年两势。
同期粮食生产出现了恢复性增个重心距离为188 km，
长。由此来看，粮食产量重心与耕地重心的距离与粮食产量变化呈反向走势。即当两者距离近时，粮食产量出现减少；当两者距离增大时，粮食产量反而增长。这一现象反映了耕地对于粮食生产的基础性作用，也进一步说明在保障耕地面积的情况下，粮食产量主要受播种面积和其它生产要素投入变化的影响。 2.2 粮食产量对耕地变化的敏感性特征
2.2.1 粮食产量与耕地重心变化的相关性 1990－
图1 1990－2005年耕地重心轨迹
Fig. 1 The track of arable land gravity center (1990－2005)
4272 中 国 农 业 科 学 42卷
2005年的3个时期，中国粮食产量重心移动速度分别为7.6、16和41.2 km·a-1，呈现增长趋势（表）。这说
明粮食生产的区域波动性大，粮食生产的投入与产出不够稳定。
表 1990－2005年粮食产量与耕地重心变化
Table The gravity center changes of arable land and grain production during 1990－2005
时段(年) Period of time (Year)
粮食产量重心 Grain production gravity center 距离 Distance (km)
速度 Speed (km·a)
-1
距离
耕地重心 Arable land gravity center
速度 Speed (km·a)
-1
方向 Orientation North by east 6°
方向 Orientation West by north 27°
Distance (km) 13.6 1.3 2.4
1990－1998 61.1 1998－2003 79.9 2003－2005 82.3
7.6 北偏东6° 16.0 西偏南37°
West by south 37°
41.2 北偏东34°
North by east 34°
1.7 西偏北27° 0.3 南偏西49°
South by west 49°
1.2 东偏北17°
East by north 17°
1990－2005年的3个时期。耕地重心移动速度分别为1.7、0.3和1.2 km·a-1，耕地重心相对稳定，其变化幅度较小。粮食产量重心移动除了受耕地面积变化影响之外，还受到粮食播种面积、粮食单产水平，以及农业政策波动等非耕地因素的显著影响，因而其变化幅度大、速度快。
2.2.2 粮食产量对耕地变化的敏感性评价 耕地是保障粮食生产的必要条件。中国粮食产量对粮食播种面积具有较高的依赖性。研究表明，粮食播种面积每增加1%，粮食产量则增加1.63%[23]。因此，在一定的农业科技水平和投入管理条件下，耕地面积或粮食播种面积的减少将会带来粮食产量的持续下降。采用公
式（5）对1990－1998年和1998－2005年2个时期的全国分县粮食生产对耕地变化的敏感性度进行评价，①β≤0为无敏感并将其敏感性程度划分为4个级别：
性，粮食产量变化与耕地面积变化不具有同步性特征；③5＜β≤10为中度敏感；④β②0＜β≤5为低度敏感；＞10为高度敏感。
2.2.3 粮食生产对耕地变化的敏感性分析 （1）2个时期不同县（市）敏感度的差异。1990－1998年粮食生产对耕地变化高度敏感的县（市）有
204个，中度敏感的县（市）有99个，低度敏感的县具有敏感性的县（市）占全国县（市）（市）有506个。总数的39.7%（图3-a ）；1998－2005年粮食生产对
图3 中国粮食产量变化对耕地面积变化敏感性格局
Fig. 3 The sensitivity of grain yield changes to arable land in China during 1990－2005
12期 刘彦随等：中国粮食生产与耕地变化的时空动态 4273
耕地变化高度敏感的县（市）有328个，中度敏感的县（市）有120个，低度敏感的县（市）有647个，具有敏感性的县（市）占县（市）总数的47.6%（图
公顷左右粮食播种面积、提高粮食单产目标统筹规划；在粮食产量对耕地变化敏感度高的地区，应严格实行耕地“补占平衡”政策，创新农村土地产权制度，推进城乡建设用地一体化市场建设。重视加大农村土地综合整治还田和南方地区冬闲田开发利用力度，整体提升农村土地利用效率与效益，实现耕地保面积、提产能与保障粮食安全的综合目标。
3-b ）。后一时期具有敏感性的县（市）比前一时期增加了183个，其中高敏感的县（市）增加了124个。 （2）2个时期不同县（市）敏感度的空间格局。
1990－1998年敏感度较高的县（市）主要分布于中国西部地区的牧区及农牧交错区，这些地区通过开垦荒地，扩大灌溉面积，发展粮食生产，因而粮食产量的
4 结论
4.1 1990－2005年，中国粮食产量重心与耕地重心的移动方位大致具有同向性。耕地重心沿着“西北—平均速度为0.91 西南—东北”的轨迹移动了17.3 km，
1998－2005年敏感增长与耕地面积的扩展密切相关；
度较高的县（市），主要分布于中国东部沿海地区及中部地区，粮食产量变化受到物质投入、土地利用方式及政策变动因素的综合影响。
（3）粮食生产对耕地敏感变化的成因。1998年中国实施“西部大开发”战略，西部地区实行“退耕还林还草”政策，带来耕地面积的逐年减少，粮食产量随之出现下降趋势。与此同时，东部地区快速城镇化进程中的耕地“非农化”流失和耕地利用的“非粮化”倾向日益凸显。2006年，全国耕地非粮化率（即非粮食作物播种面积与农作物播种总面积的比值）为
km·a-1，粮食产量重心沿着“东北—西南—东北”的轨迹共移动了223.3 km，平均速度为14.9 km·a-1。 4.2 粮食产量重心与耕地重心之间的距离与粮食产量变化大致呈反向态势。当两者的距离拉近时，粮食产量出现减少；当两者的距离增大时，则出现增长。这一规律说明了1990－2005年中国粮食产量的增长受粮食播种面积、粮食单产等非耕地总量因素的作用明显。
4.3 粮食产量变化对耕地变化的敏感性呈现增强趋势。其中敏感度较高的县（市），1990－1998年主要
32.8%，浙江、山东、江苏等省非粮化率分别达46.5%、36.6%、34.5%；过量化肥、农药、农膜的使用导致耕地质量下降，物质投入报酬递减显现，粮食生产对耕地变化的敏感性明显增强。
1998－2005年则主分布在西部的牧区及农牧交错区，
要分布在东部沿海发达地区。后一时段具有敏感性的县（市）增加了183个，其中高敏感性的县（市）增加了124个。
3 讨论
通过分析1990－2005年中国耕地面积和粮食产量重心的变化特征，揭示了耕地面积与粮食生产“北进中移”的演进态势，为中国粮食生产由“南粮北调”转向“北粮南调”的判断提供了科学依据。而耕地面积与粮食产量时空演变的经济社会动力学机制尚需深入研究。
粮食生产“北进中移”的态势加剧了中国北方地区及中部传统农区水土资源的矛盾和农村经济发展的压力。北方生态脆弱地区“耕垦增粮”正潜伏着巨大的生态环境风险，从土地资源安全的战略高度，应限制扩大粮食种植面积；中部传统农区粮食生产是农民收入的主要来源，从保障粮食安全的战略高度，创新耕地保护经济补偿机制和农业产业政策的意义深远。
严格耕地保护和强化粮食基地管理战略。在粮食产量对耕地变化敏感度较低的地区，谨防产生保护耕地等同于保障粮食安全的误区，加大永久性基本粮田建设力度，将坚守1.2亿公顷耕地红线与稳定1.07亿
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（责任编辑 李云霞）