鄭偉浩,何 鋒,蔣逸霞

(1.云南財(cái)經(jīng)大學(xué) 金融學(xué)院,云南 昆明 650221;2.云南財(cái)經(jīng)大學(xué) 物流與管理工程學(xué)院,云南 昆明 650221)

0 引言

耕地—糧食—人口系統(tǒng)是指在某一地域內(nèi),以耕地資源開(kāi)發(fā)利用為基礎(chǔ),以糧食生產(chǎn)、消費(fèi)和流通為中心環(huán)節(jié),以滿足人類糧食需求為最終目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)[1-3],通?？梢杂脕?lái)反映糧食安全狀況。具體來(lái)說(shuō),糧食產(chǎn)量和人口決定了人均糧食產(chǎn)量,而糧食產(chǎn)量的決定因素包括耕地面積、復(fù)種指數(shù)、糧食作物播種面積比例、糧食作物單產(chǎn)等因素。顯然,耕地?cái)?shù)量的減少并不能完全反映出耕地資源所承載的糧食安全的壓力。而最小人均耕地面積和耕地壓力指數(shù)兩個(gè)指標(biāo)可以綜合反映這些信息,用以度量耕地滿足人們糧食需求的能力,以及影響這種能力變化的主要因素[4-5]。近年來(lái),部分研究從國(guó)家和地區(qū)的宏觀尺度上,分析了這一動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與糧食安全狀況及趨勢(shì)[6-8],構(gòu)建了糧食安全評(píng)價(jià)體系[9-11]。然而,對(duì)耕地壓力指數(shù)的預(yù)測(cè)方面以往研究主要通過(guò)分別預(yù)測(cè)人口、糧食、耕地來(lái)預(yù)測(cè)耕地壓力指數(shù)變化[12],顯然,分別對(duì)人口、糧食、耕地進(jìn)行預(yù)測(cè)的綜合誤差大于直接對(duì)耕地壓力指數(shù)預(yù)測(cè)造成的誤差并且該類預(yù)測(cè)沒(méi)有對(duì)預(yù)測(cè)模型的精確度進(jìn)行檢驗(yàn)。因此,本研究將應(yīng)用蒙特卡羅算法直接預(yù)測(cè)耕地壓力指數(shù)的變化趨勢(shì)及范圍使得預(yù)測(cè)值更準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際情況。黃土高原地區(qū)是土壤侵蝕很嚴(yán)重的地區(qū),并且有著巨大的人口壓力,環(huán)境惡化問(wèn)題嚴(yán)重[13],研究該地區(qū)的耕地—人口—糧食系統(tǒng)及糧食安全狀況對(duì)該區(qū)域乃至中國(guó)總體糧食安全具有重要的意義。長(zhǎng)武縣位于陜西省境內(nèi),是黃土高原溝壑區(qū)的典型代表。該縣水資源貧乏、人均耕地資源較少,在原有耕地的1/3退耕還林還草之后,面臨的首要問(wèn)題是糧食安全問(wèn)題。因此,本研究將以該縣為例,從縣域尺度分析耕地壓力指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),對(duì)黃土高原地區(qū)乃至全國(guó)的糧食安全及可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題具有重要的參考價(jià)值。

1 研究方法

本研究首先用耕地壓力指數(shù)、最小人均耕地面積法對(duì)1990年以來(lái)長(zhǎng)武縣耕地—糧食—人口系統(tǒng)進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用非線性模型和蒙特卡羅算法預(yù)測(cè)耕地壓力指數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

最小人均耕地面積是指在某一區(qū)域內(nèi),給定糧食自給水平、耕地生產(chǎn)能力前提下,能夠提供本區(qū)人口正常生活的食物消費(fèi)所需的耕地面積,用來(lái)衡量區(qū)域糧食安全所需的最低耕地底線[14-15]。其計(jì)算式如下:

(1)

式中:Smin為最小人均耕地面積(hm2·人-1);β為區(qū)域糧食自給水平(%);Gr為人均糧食需求量(kg·人-1);p為糧食單產(chǎn)(kg·hm-2);q為糧食播種面積占總播種面積的比率(%);k為復(fù)種指數(shù)(%),即一年中4個(gè)季節(jié)實(shí)際播種面積與耕地面積的比率[16]。

耕地壓力指數(shù)Smin是和人均實(shí)際耕地面積的比值,如下式:

(2)

式中:Sa為人均實(shí)際耕地面積(hm2·人-1),K為耕地壓力指數(shù),用來(lái)核算區(qū)域耕地資源的稀缺、沖突度,確定耕地保護(hù)的閾值,指導(dǎo)耕地保護(hù)的調(diào)控指標(biāo)。當(dāng)K=1時(shí),耕地壓力平衡;當(dāng)K>1時(shí),表明供給小于需求,耕地承受巨大壓力,存在糧食安全問(wèn)題,需采取措施減小耕地壓力指數(shù);當(dāng)K<1時(shí),耕地壓力較輕,處于安全狀態(tài),此時(shí)可適度調(diào)整耕地用途和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)[17-18]。

本研究通過(guò)研究變量隨時(shí)間變化的方式,發(fā)現(xiàn)其發(fā)展變化規(guī)律,用蒙特卡羅算法模擬耕地壓力指數(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。蒙特卡羅算法(Monte Carlo simulation)是一種根據(jù)隨機(jī)抽樣和數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行計(jì)算的數(shù)學(xué)方法,與隨機(jī)試驗(yàn)十分接近。首先,需要確定投入?yún)?shù)的概率分布,以及投入變量和產(chǎn)出變量的數(shù)學(xué)關(guān)系,然后,根據(jù)概率分布隨機(jī)抽樣,得到若干個(gè)樣本,每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)一個(gè)產(chǎn)出值,即模擬值,最后根據(jù)模擬值確定真實(shí)值的統(tǒng)計(jì)特征[19]。本研究依據(jù)的隨機(jī)抽樣的概率分布為正態(tài)分布;分別應(yīng)用直線方程、二次函數(shù)、三次函數(shù)、冪函數(shù)以及對(duì)數(shù)函數(shù)模擬時(shí)間變量與耕地壓力指數(shù)的數(shù)量關(guān)系,然后分別對(duì)2020及2030年的耕地壓力指數(shù)模擬10 000次,對(duì)模擬值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到耕地壓力指數(shù)預(yù)測(cè)值的平均值與變化范圍。用以模擬數(shù)量關(guān)系的表達(dá)式分別為:

Y=A1+A2X+ε1;

(3)

Y=B1+B2X2+ε2;

(4)

Y=C1+C2X+C3X2+ε3;

(5)

Y=D1+D2X3+ε4;

(6)

Y=E1+E2lnX+ε5;

(7)

Y=H1+H2ex+ε6;

(8)

式中:Y為耕地壓力指數(shù);X為時(shí)間變量;Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Hi為待估參數(shù);εi為服從正態(tài)分布的殘差項(xiàng)。

2 研究區(qū)域耕地—人口—糧食系統(tǒng)動(dòng)態(tài)

2.1 耕地?cái)?shù)量變化

長(zhǎng)武縣位于黃土高原腹地,是該區(qū)域典型的溝壑地貌縣域。年均降水僅500 mm,常年缺水?？h域以農(nóng)業(yè)為主,人口稠密,2018年總?cè)丝谶_(dá)17.68萬(wàn),密度312人/km2。特點(diǎn)是水資源匱乏而人口眾多,農(nóng)業(yè)條件較為脆弱。隨著耕地減少,到2019年僅剩1.2×104hm2,而人口持續(xù)增加,出現(xiàn)明顯的人地矛盾。隨著生態(tài)問(wèn)題加劇,資源短缺情況下如何保糧食安全是該縣面臨的巨大挑戰(zhàn)?？h域內(nèi)耕地—糧食—人口動(dòng)態(tài)變化集中體現(xiàn)了黃土高原區(qū)縣的特征和問(wèn)題。在資源日益緊張下,科學(xué)評(píng)估預(yù)測(cè)糧食安全風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是該地區(qū)的當(dāng)務(wù)之急。因此,本研究通過(guò)縣域系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析,以提供黃土高原地區(qū)糧食安全和生態(tài)環(huán)境管理決策支持?？h域的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征,能代表性地反映該區(qū)域的主要矛盾,分析糧食安全和可持續(xù)發(fā)展所面臨的問(wèn)題,并提出科學(xué)的政策建議。

根據(jù)1991—2019年長(zhǎng)武縣統(tǒng)計(jì)年鑒(1)1991—2019.長(zhǎng)武縣統(tǒng)計(jì)年鑒.,1990年以來(lái),長(zhǎng)武縣耕地面積呈現(xiàn)出持續(xù)減少的趨勢(shì)。如圖1所示,1990年全縣總耕地面積為22 333 hm2,到2019年減少到12 021 hm2,29年來(lái)共減少了10 312 hm2,平均每年減少355.59 hm2。該縣耕地面積陸續(xù)減少并呈現(xiàn)出明顯的階段性特征,該縣耕地面積陸續(xù)減少并呈現(xiàn)出明顯的階段性,即:1990—2000年耕地減少較平穩(wěn);2000—2004年耕地?cái)?shù)量急劇減少;2005年以后耕地?cái)?shù)量有所增加并趨于平穩(wěn),其原因可能是國(guó)家對(duì)生態(tài)退耕補(bǔ)償政策年限的不同,即還生態(tài)林補(bǔ)償8年,還經(jīng)濟(jì)林補(bǔ)償5年,還草補(bǔ)償2年,造成有部分退耕地因?yàn)閲?guó)家停止支付退耕補(bǔ)償金而被返耕[20-21]。1990年人均耕地面積0.141 4 hm2,到2019年降為0.068 hm2,耕地和人均耕地?cái)?shù)量均有陸續(xù)降低中趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。

圖1 長(zhǎng)武縣1990—2019年耕地總面積、人均耕地面積變化情況

2.2 人口數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化

1990年該縣總?cè)丝跒?5.8×104人,2019年人口為17.7×104人,凈增人口1.9×104人,平均每年凈增人口655 人,全縣平均人口自然增長(zhǎng)率為11.2 ‰。由圖2可以明顯看出,該縣人口增長(zhǎng)曲線呈階段式變化:1990—2010年為緩慢增加階段,凈增人口2.45×104人,平均每年增加1 225 人;2010—2012年為較快增長(zhǎng)階段,凈增人口0.76×104人,平均每年增加3 800 人;2016—2017年為人口突減階段,凈減人口1.62×104人,平均每年減少16 200 人。

圖2 長(zhǎng)武縣1990—2019年人口總量變化圖

2.3 糧食產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化

1990年該縣糧食總產(chǎn)量6×104t,2019年減少到5.428×104t,減產(chǎn)0.572×104t,平均每年減產(chǎn)197.24 t。但因?yàn)樵摽h易遭受旱災(zāi),糧食產(chǎn)量波動(dòng)較大,如1995年僅有2.256×104t,比相鄰的1994和1996年分別減少1.599×104t和2.2×104t。因?yàn)?999年以來(lái)的退耕還林還草政策的大力推行和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的大力調(diào)整,1999—2002年連續(xù)4年減產(chǎn),糧食減產(chǎn)量為0.380 4×104t。直到2003年糧食產(chǎn)量略有回升,2004—2007年又連續(xù)4年減產(chǎn),糧食減產(chǎn)量為1.646 8×104t。2007—2010年4年糧食產(chǎn)量又急劇回升,糧食增產(chǎn)為2.143 3×104t。2010年以后糧食產(chǎn)量趨于平穩(wěn)(圖3)。

圖3 1990—2019年長(zhǎng)武縣糧食產(chǎn)量指標(biāo)變化態(tài)勢(shì)

3 研究結(jié)果

1990年長(zhǎng)武縣人均糧食產(chǎn)量380.20 kg,2019年為307.02 (kg·人-1·a-1),低于人均391 (kg·a-1)的合理范圍[14]。以人均食物需求量為391 (kg·a-1)為標(biāo)準(zhǔn),糧食自給率將由人均糧食產(chǎn)量和人均實(shí)際需求量的比值來(lái)確定。由圖4可知,1990—2019年K值總體變化情況是比較平穩(wěn)的趨勢(shì),在整個(gè)時(shí)間段K值變化不太明顯,Smin保持著逐漸減小趨向平穩(wěn)的趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上,利用Crystal ball軟件分別對(duì)2020年與2030年耕地壓力指數(shù)進(jìn)行模特卡羅模擬預(yù)測(cè),其預(yù)測(cè)值分別為1.083 4和1.051 5,耕地壓力趨于平穩(wěn)。

圖4 長(zhǎng)武縣1990—2019年K的變化狀況

4 結(jié)論與討論

本研究以陜西省長(zhǎng)武縣為例,應(yīng)用蒙特卡羅算法,從縣域尺度分析了1990年以來(lái)該縣域內(nèi)耕地、人口、糧食系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)演變及其對(duì)糧食安全的影響。研究發(fā)現(xiàn),1990—2019年長(zhǎng)武縣耕地面積、人口數(shù)量及糧食產(chǎn)量均呈波動(dòng)變化態(tài)勢(shì)。具體來(lái)看,1990—2000年耕地面積較為平穩(wěn),2000—2004年急劇下降,2005年之后趨于平緩;人口數(shù)量1990—2010年緩慢增加,2010—2012年較快增長(zhǎng),2016—2017年明顯減少;糧食產(chǎn)量受自然條件影響較大,不同年份波動(dòng)較大。綜合分析各變量變化趨勢(shì)可知,長(zhǎng)武縣耕地—人口—糧食系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)之中,系統(tǒng)內(nèi)各要素互為影響。

values in Changwu County from 1990 to 2019

盡管耕地?cái)?shù)量出現(xiàn)波動(dòng)式下降,但距離觸碰紅線尚有一定空間,未出現(xiàn)嚴(yán)重的人地矛盾。本研究構(gòu)建的耕地壓力指數(shù)能反映系統(tǒng)的綜合狀況,1990—2001年該指數(shù)基本在1左右波動(dòng),系統(tǒng)處于相對(duì)平衡狀態(tài)。運(yùn)用蒙特卡羅算法模擬了1990—2019年的指數(shù)歷史變化,驗(yàn)證了模型的預(yù)測(cè)精度。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示該區(qū)域面臨日益嚴(yán)峻的糧食安全形勢(shì)。

因此,研究表明長(zhǎng)武縣整個(gè)耕地—人口—糧食系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)變化,應(yīng)對(duì)措施必須因時(shí)制宜、綜合考慮各影響因素。為保障長(zhǎng)久的糧食安全,縣域內(nèi)應(yīng)進(jìn)一步提高土地生產(chǎn)效率,開(kāi)發(fā)和利用水資源,調(diào)整種植結(jié)構(gòu),并與周邊地區(qū)加強(qiáng)合作。本研究嘗試從縣域尺度分析黃土高原區(qū)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演變情況,并預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn),為該區(qū)域及全國(guó)的糧食安全和可持續(xù)發(fā)展提供有益的科學(xué)支持。

需要注意的是,本研究?jī)H從耕地—人口—糧食3個(gè)方面展開(kāi)討論,未考慮可能影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的其他因素,如技術(shù)進(jìn)步、政策調(diào)控等,后續(xù)研究還需構(gòu)建更全面的評(píng)估模型。此外,單個(gè)典型樣本的研究,其結(jié)論的擴(kuò)展性還需進(jìn)一步檢驗(yàn)。本研究試圖以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行討論,但任何研究都存在局限,需要在今后的工作中不斷完善。