寿光市农作物种植结构时空变化及其水土资源利用效应 - 图文

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Hans Journal of Agricultural Sciences 农业科学, 2020, 10(9), 693-705

Published Online September 2020 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/hjas https://doi.org/10.12677/hjas.2020.109105

寿光市农作物种植结构时空变化及其水土资源利用效应

任婉侠1,2*，董书恒1,2，肖骁1,2，谢潇1,2，薛冰1,2

中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁沈阳

辽宁省环境计算与可持续发展重点实验室，辽宁沈阳

收稿日期：2020年8月21日；录用日期：2020年9月4日；发布日期：2020年9月11日

摘要

探究乡镇尺度农作物种植结构时空变化对推进我国农业供给侧结构性改革至关重要。本文以山东省寿光市所辖14个镇与街道为研究区，开展我国典型乡镇作物种植结构变化及其水土资源效应分析。研究发现，2006~2016年，寿光市农作物种植类型始终为单一蔬菜型，而其所辖镇(街道)种植类型差异显著。其中，位于寿光中部的5个镇(街道)种植结构类型以小麦–玉米复合型为主；寿光南部的6个镇(街道)种植类型为单一蔬菜型；位于寿光最北端及小清河入海口的羊口镇种植结构，由单一棉花型调整为玉米–棉花复合型；洛城街道种植结构变化最为显著，具有5种种植类型，最终调整为单一蔬菜型；以2006年种植结构为参照情景，寿光市种植结构调整加剧了其水土资源紧缺压力，而结构调整的水土效应在不同镇(街道)表现具有差异性。该研究为水土资源刚性制约下我国乡镇种植结构调整和农业可持续发展提供更为精细化的科学支撑。

关键词

种植业，种植结构，结构调整，水土资源，乡镇

Spatio-Temporal Changes of Cropping Patterns in Shouguang City and Its Effects on Water and Soil Resources Consumption

Wanxia Ren1,2*, Shuheng Dong1,2, Xiao Xiao1,2, Xiao Xie1,2, Bing Xue1,2

Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang Liaoning

Key Lab for Environmental Computation and Sustainability of Liaoning Province, Shenyang Liaoning

Received: Aug. 21, 2020; accepted: Sep. 4, 2020; published: Sep. 11, 2020

通讯作者。

文章引用: 任婉侠, 董书恒, 肖骁, 谢潇, 薛冰. 寿光市农作物种植结构时空变化及其水土资源利用效应[J]. 农业科学, 2020, 10(9): 693-705. DOI: 10.12677/hjas.2020.109105

任婉侠等

Abstract

Exploring the spatio-temporal changes of cropping patterns at township scale is crucial to advance China’s agricultural supply-side structural reform. In this paper, 14 towns and sub-districts under the jurisdiction of Shouguang City, Shandong Province, are used as the research area to analyze the changes in cropping patterns and the effects of water and soil resources consumption. The study found that from 2006 to 2016, Shouguang City’s cropping pattern was always a single vegetable type, while the cropping patterns of its townships were significantly different. Among them, the five townships located in the middle of Shouguang City were mainly composed of wheat-corn compound type; the six townships in the south were single vegetable type; and Yangkou Town, located at the northernmost part of Shouguang and the mouth of Xiaoqing River to Bo Hai, was adjusted from a single cotton to a corn-cotton compound type. The changes of Luocheng Street’s cropping patterns were the most significant, with five cropping types, which were finally adjusted to a single vegetable type. Taking the cropping pattern in 2006 as a basic scenario, the adjustment of the cropping pattern in Shouguang City had aggravated the pressure on the shortage of water and soil resources, and the effects of water and soil resource consumption on the cropping pattern adjustment in the 14 town-ships were different. This study provides more refined scientific support for the cropping pattern adjustment and sustainable agricultural development in China’s townships under rigid constraints of water and soil resources.

Keywords

Planting, Cropping Pattern, Structural Adjustment, Water and Soil Resources, Township

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Open Access 1. 前言

当前，中国农业发展的主要矛盾已由总量不足转变为结构性矛盾[1]，突出表现为阶段性供过于求和供给不足并存[2]。种植结构优化、布局调整作为影响农作物产量的重要因素，对保障我国粮食安全和重要农产品有效供给起到了重要作用[3] [4] [5]。作物种植结构调整研究一直是农业地理学及农业经济学中传统且重要的研究内容，是学术界关注的热点[6] [7]。目前，学界对种植结构调整的研究主要集中于国家[5] [8]、区域[9] [10] [11]和省市县域尺度[5] [12] [13] [14]，聚焦于种植结构时空变化及其驱动力[15] [16]、种植业地理集聚及其空间分布[17] [18]、种植结构优化[11] [19] [20]、土壤和气候条件[21]、气候变化[22] [23]、劳动力和农地流转[24] [25]、技术进步等[26]，以及种植结构调整对水土资源[27] [28] [29]、农户收入[30]等方面的影响。研究发现，1978~2003年，中国种植业总体上表现出明显的“去粮化”趋势，而2004年后转变为“趋粮化”结构[2]；从县域看，2002年后以粮食作物为主的种植结构发生了根本性变化，以水稻为主的种植格局调整为水稻、小麦和玉米的种植区域共存的格局，其中玉米种植面积比例在空间上变化最为显著，在中国形成东北–西南向的“玉米减少带”，水果和蔬菜类种植比例在城市化地区快速增加[5]。而且随着全球气候变化，我国粮食主产区持续向缺水和生态脆弱的北方地区转移[31] [32]，加剧了华北地区水资源短缺[33]，气温升高预计会增加小麦、根茎类、蔬果类和纤维类农作物种植，而水稻、玉米、含油作物和特种作物种植预计将减少[34]。

中国是农业大国，也是世界上水土资源相对匮乏的区域之一，人均水土资源占有量分别仅占世界平

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均水平的28.0%和40.0% [35] [36]。而且，我国水土资源空间分布不均，水土资源匹配严重失衡，华北地区耕地面积占全国耕地的65.0%，而其水资源量仅占全国的18.0% [37]，世界平均值的4.0%，而该区粮食生产严重依赖地下水灌溉，深层超采区地下水位以每年1~2 m速度下降[38]，地下水超采严重程度已引起重力场改变[39]。我国粮食增产是以高强度开发利用水土资源为代价的，而粮食种植面积扩增和水资源消耗需求扩增的压力主要集中在水土资源严重紧缺的北方地区[29]，不仅导致区域间粮食的供求失衡，而且也进一步加剧了农业水资源短缺的态势[40]。近年，由于气候变化，南北方水资源分布的不均性加剧，华北平原84.0%的县面临严重水资源短缺[41]。对耕地而言，中国不仅人均耕地数量少，而且耕地质量总体偏低，中、低生产力的土地共占耕地总面积的2/3以上[42]。综上，人增地减、水资源短缺的现实情势严重制约着我国粮食生产和农业发展，且随着工业化、城镇化的进一步推进，水土资源对农业生产的刚性约束将愈加凸显。水土资源约束下确保所有人粮食安全并实现环境可持续是世界面临的最大挑战之一[43] [44]。

人均占有水资源量185.7 m3 [45]。山东省寿光市是水土资源严重匮乏的县级市，人均耕地0.078 hm2，随着工农业用水逐年增加，特别是农业生产方式和种植模式的改变，致使寿光市成为山东省地下水浅层孔隙水严重超采区，占潍坊市超采区面积的41.6%，形成山东省最大的地下水漏斗区，已引起地下水下降和咸水入侵等严重的生态与环境地质问题[46]。因此，作为全国重要的蔬菜生产基地和食品商品供应地，水资源不足、地下水超采、耕地数量和质量下降已成为制约寿光市农业可持续发展的主要限制因素。鉴于此，本研究选择在我国农业发展中极具代表性的寿光市及其所辖的14个镇和街道为例，分析我国典型乡镇农作物种植结构时空变化及其对水土资源利用的影响，为水土资源制约下，寿光市及其乡镇种植结构调整和农业可持续发展提供更为精细化的科技支撑。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

寿光市位于东经118?32'~119?10'，北纬36?41'~37?19'，地处山东半岛中部，渤海莱州湾南畔，海岸线长

Figure 1. Location of the study area

图1. 研究区位置示意图

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56 km，属暖温带季风区大陆性气候，年平均温度12.7℃，年平均降雨量约593 mm。寿光总面积2180 km2，人口117.0万，城镇化率33.3%，辖9镇、5街道(图1)，一、二和三产比重为13:2:42.8:44.0，耕地面积136.6万亩，其中农田有效灌溉面积占比92.1% [45]。

寿光市是国家确定的粮食、蔬菜、果品、棉花、水产、畜牧综合商品基地市和山东省第2批粮食、棉花生产基地市，同时还是山东半岛对外开放和黄淮海平原农业开发重点市。寿光蔬菜产业驰名中外，是我国冬暖式大棚种植的发祥地，被命名为“中国蔬菜之乡”。蔬菜产业已成为寿光农业支柱产业和农民主要收入来源，占农民收入的70.0%以上[47]。

2.2. 数据来源

本研究所用寿光市及所辖乡镇主要农作物种植面积数据来自《寿光统计年鉴》(2006~2008年和2010~2016年)。年鉴数据为寿光及所辖乡镇的当年数据，由于缺乏2009年统计年鉴，因此本文使用其前后2年共计4年的数据平均值作为2009年寿光市及所辖乡镇的主要农作物种植面积数据。由于历史时期行政边界变更，本研究以中国科学院资源环境数据云平台发布的2014年乡镇行政边界为基础。2007年，田马镇并入稻田镇，留吕镇并入洛城街道，因此2006年田马镇和留吕镇相应数据分别加和到稻田镇和洛城街道的对应数据中。另外，2011年12月底寿光市成立了双王城生态经济园区，包括牛头镇村、吴家卧铺村、卧铺村、寇家坞一村、寇家坞二村、寇家坞三村、寇家坞四村、寇家坞五村、寇家坞六村、寇家坞七村、李家坞村、南木桥村、北木桥村、郭井子村、杨家围子村和六股路村共计16个村，其中牛头镇村原属于台头镇，拥有耕地约1.2万亩，约占双王城园区总种植面积的7.0%，其它15个村原属于羊口镇，农作物种植面积约15.3万亩，约占双王城园区总种植面积的93.0%。因此，在2012年后的各乡镇农作物统计数据中，本研究把双王城生态经济园区的农作物数据以7:93的比例分别分配给台头镇和羊口镇，尽量保障各乡镇数据与其行政边界符合。最后，2006年和2007年统计年鉴中还统计了农场、林场、园艺场、鸡场和良种场的相关农作物种植数据，但是由于其占寿光市总农作物种植总面积的比例分别仅为0.7%和0.5%，故本研究未计入这部分数据。

2.3. 研究方法

文中数据分析与处理使用Excel 2016和STATA 16.1软件。 2.3.1. 农作物种植比例变化趋势分析

为研究寿光市及所辖镇(街道) 2006~2016年的农作物种植比例变化趋势，本研究对寿光市及所辖14个镇(街道)的某种作物对应的比例使用STATA 16.1统计软件按年份进行一元线性回归分析，得到斜率系数S，用于表示某种作物的比例状况的变化趋势[5]。若S < 0，表示该镇(街道)的某种作物呈减少趋势；若S > 0，表示该镇(街道)的某种作物呈增加趋势；如果该趋势通过0.05的显著性水平，即P < 0.05，则认为某种作物变化比例减少或增加趋势显著。斜率S计算公式如下：

nS=t1=n∑tXtj=?∑t1=t∑t1Xtjn∑t1=t2?∑t1t=n(n)(nn()2) (1)

式中，S为某类作物种植比例的变化趋势线性斜率；t为研究时段内的年份；n为研究时段内的年份数；Xtj为某年j作物的种植比例。 2.3.2. 农作物种植结构类型判定

依据文献[5]，种植结构类型组合采用作物种植面积占所有作物类型种植面积的百分比组合确定，种

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植结构类型组合可分为两种情况：①采用作物种植面积占所有作物类型种植面积的百分比超过30.0%和前三位的组合确定，一般组合不会超过3种作物。如：某行政单元的作物种植面积中前三位只有水稻的种植面积占所有作物种植面积的比例超过30.0%，则认为该区域的种植结构类型为单一水稻型；以此类推，有2类或3类作物超过30.0%，则以超过的作物进行组合，如水稻–玉米型，水稻–小麦–大豆型；②所有作物比例均不超30.0%时，以前三位作物为组合。 2.3.3. 农作物种植结构类型变化趋势

为考察寿光市及所辖镇(街道)的农作物种植结构类型演变趋势，本文依据某一年份的种植结构类型数量与研究时段内全部出现的类型比例，即种植类型组合丰富度来表示[5]，公式如下：

Rt=Pt (2) Pmax式中，Rt是某一年种植结构类型的比例，其值域为[0, 1]，该值越大则种植结构类型越丰富；Pt为某一年种植结构类型的种类数量；????????????????为研究时段内所有种植结构组合类型的种类数量。

产量一定情况下，低产品种需要更多种植面积，也意味着需要更多地土地资源生产粮食、蔬菜等农作物。种植结构变化或调整引起的农作物种植面积需求量变化的测算方法如下[27]：

2.3.4. 农作物种植结构变化的土地资源效应

Q=A×Y=∑ai×yi=A×∑ai×yi=A×∑si×yi (3) A式中，Q为农作物产量；A为农作物播种面积；Y为农作物单产；ai为农作物i的种植面积；yi为i作物单产水平；si为i作物种植面积与农作物总播种面积的比例。

假定种植结构无变化，即维持初期(0)不变，在末期(t)产量不变的条件下：

Qt=At′∑si0×yit=At×∑sit×yit (4)

因此，无结构变化种植面积(A′)与实际有结构变化的种植面积(At)的关系为：

′At×∑=Atsit×yit∑si0×yit (5)

差值At′?At，即为产量一定条件下，相比于结构无变化情景，种植结构变化所节约或耗费的土地资源。

2.3.5. 农作物种植结构变化的水资源效应

基本思路与土地资源效应测算相似[27]，即通过测算获得相同的农作物总产量时，结构调整与无结构调整相比，增加或者减少了多少水资源消耗量。核算公式如下：

W=∑ai×yi×mi=A×∑si×yi×mi (6)

式中，W为农作物生产需水量；mi为单位质量的作物i生长耗水量；在产量一定的条件下，相对于结构无变化情形的耗水量????????′，因结构调整带来的耗水节约量为：

Wt′?Wt=At′×∑si0×yit×mit?At×∑sit×yit×mit (7)

农产品生产所消耗的水资源量，一般由农作物生长发育期间累积的蒸发蒸腾水量估算而得，即农作物产品虚拟水含量[48]。本文使用的主要农作物单位质量虚拟水含量mi分别为小麦1.08 m3 kg?1、玉米0.75 m3 kg?1、棉花6.0 m3 kg?1 [46]、蔬菜0.16 m3 kg?1和菜用瓜0.25 m3 kg?1 [49]。

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