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基于敏感度分析的非洲粮食生产对耕地资源变化的动态响应.pdf
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1、第 46 卷第 4 期浙江师范大学学报(自然科学版)Vol.46,No.42023 年 11 月 Journal of Zhejiang Normal University(Nat.Sci.)Nov.2023DOI:10.16218/j.issn.1001-5051.2023.052基于敏感度分析的非洲粮食生产对耕地资源变化的动态响应解雪峰1,2,陈 瑾1,蒋国俊1,2,吴 涛1,2,张建珍1,2(1.浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004;2.浙江师范大学 省部共建非洲研究与中非合作协同创新中心,浙江 金华 321004)摘 要:耕地作为粮食生产的载体,耕地资源的变化也影
2、响着粮食生产格局.以非洲有数据的 53 个国家为研究单元,基于耕地资源指数、重心模型和敏感度模型揭示非洲 20002020 年间耕地资源与粮食生产的时空变化规律,以及粮食生产对耕地资源变化的敏感性.结果发现:1)20002020 年,非洲耕地面积不断扩大,人均耕地面积稍有下降,耕地资源集中分布在几内亚湾沿岸和非洲的东部地区,而北部与南部非洲地区耕地资源相对稀疏;2)近 20 年来,非洲粮食产量的分布格局与耕地资源分布基本一致,粮食总产量大幅提高,而受人口持续增加的影响,人均粮食产量基本持平;3)20002020 年间,非洲粮食生产重心和耕地资源重心均向西北方向移动,粮食生产重心移动仍然受制于耕
3、地面积变化的影响;4)研究期内非洲大部分国家粮食产量对耕地面积变化都表现出低度敏感性,粮食生产对耕地资源数量变化的依赖程度减弱.研究旨在为非洲粮食安全战略规划提供支撑.关键词:耕地数量;粮食生产;时空变化;非洲中图分类号:F311 文献标识码:A 文章编号:1001-5051(2023)04-0442-09A study on dynamic response of grain production to changes of cultivated land resources in Africa based on sensitivity analysisXIE Xuefeng1,2,CHEN
4、 Jin1,JIANG Guojun1,2,WU Tao1,2,ZHANG Jianzhen1,2(1.College of Geography and Environmental Sciences,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,China;2.African Research and China-Africa Cooperation of Provincial and Ministerial Collaborative Innovation Center,Zhejiang Normal University,Jinhua 321004,Ch
5、ina)Abstract:As the carrier of grain production,the variation of cultivated land resources also affected the pattern of grain production.53 countries with data in Africa were collected as the research unit,the temporal and spa-tial changes of cultivated land resources and food production in Africa f
6、rom 2000 to 2020,and the sensitivity of food production to cultivated land resources changes were analyzed based on cultivated land resource index,gravity center model and sensitivity model.The results showed that:1)From 2000 to 2020,the cultivated land area in Africa continued to expand,and the cul
7、tivated land area per capita decreased slightly.The culti-收文日期:2022-10-31;修订日期:2022-11-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(42101068);浙江省软科学重点项目(2022C25004);浙江师范大学“教育部非洲研究与中非合作省部共建协同创新中心”委托课题(21XTFZ02A)作者简介:解雪峰(1991),男,安徽合肥人,副教授,博士.研究方向:土地利用及其环境效应.通信作者:张建珍.E-mail:zjz .vated land resources were concentrated along the
8、 Gulf of Guinea and the eastern region of Africa,while the cultivated land resources in northern and southern Africa were relatively sparse.2)In the past 20 years,the distribution pattern of food production in Africa was basically consistent with the distribution of cultivated land resources.The tot
9、al food production had increased significantly,while the per capita food production was basi-cally flat due to the continuous increase of population.3)From 2000 to 2020,the gravity center of food pro-duction and cultivated land resources in Africa moved to the northwest,and the movement of the gravi
10、ty center of food production had still been affected by the change of cultivated land area.4)During the study period,food production in most African countries showed low sensitivity to changes in cultivated land area,and the de-pendence of food production on changes in the quantity of cultivated lan
11、d resources weakened.The investiga-tion results could provide support for the strategic planning of food security in Africa.Key words:cultivated land quantity;food production;spatial and temporal variation;Africa 耕地资源是粮食生产的重要载体,也是人类赖以生存与发展的基础,它承担着粮食安全的重要作用,与经济发展息息相关1-2.耕地资源的时空演变势必对粮食生产格局产生深刻影响.受到气候变
12、化、政治动荡等因素的影响,非洲人均粮食产量在逐渐减少,人均粮食占有水平不足全球平均水平的 1/2.其中,撒哈拉以南地区更是世界的粮食危机中心,许多儿童因长期缺粮而导致发育迟缓3.截至 2017 年,非洲有 1/5 的人口缺粮,2.5 亿人口粮食不足,其中东非和中非分别有31%和 26%的人口面临着粮食短缺问题4.非洲耕地资源开发利用潜力较高,故掌握非洲耕地资源的分布和变化特征,揭示其数量与粮食生产之间的关系可以指导非洲耕地资源的开发.当前,已有学者从单一对耕地资源特征和粮食生产格局的驱动机制研究向二者之间耦合关系研究转变5-9.已有研究主要从耕地数量10、质量11、耕地利用变化9,12等角度探
13、讨对粮食生产能力的影响.Tan 等13发现城市扩张大多占用优质耕地,19902000 年间被占用耕地的粮食生产水平相当于全国的 1.47 倍;He 等14发现,由于建设用地占用耕地的原因,我国粮食自给率在19922015 年期间下降了 2%;还有研究发现,农村建设用地扩张比城市建设用地扩张对耕地减少的影响更大15.受城市化进程不断推进的影响,粮食生产受耕地资源数量的约束愈发明显,因而探讨二者的时空变化及依存关系显得尤为重要,而目前在大洲尺度上既考虑耕地数量又考虑耕地质量对粮食生产影响的研究较为薄弱.因此,本研究综合考虑耕地的面积与质量对粮食生产布局的影响,以非洲有数据的 53 个国家为研究单元
14、,基于耕地资源指数和重心模型分析非洲耕地资源和粮食生产格局的时空变化,并通过敏感度模型探讨粮食生产格局对耕地资源时空变化的敏感度响应,以期为非洲粮食安全战略规划提供支撑.1 材料与方法1.1 研究区概况非洲作为世界第二大洲,面积约 3107 km2.非洲是一个高原大陆,地势自东南向西北递减.非洲目前人口约为 12 亿,分布极不均衡,主要集中在河流沿岸及沿海平原地区.由于政治、历史等原因,非洲的经济发展远低于世界平均水平,且国家间经济水平差异较大16.农业作为非洲最重要的经济部门,是大多数国家的经济支柱,约 60%的就业及农村人口的主要收入来源于农业17.非洲大陆大部分区域水热条件较好,较为适宜
15、农作物的种植,然而受政治、科技等因素的影响,农业也未得到很好的发展,粮食更依赖于进口.进入 21世纪以来,非洲人口呈爆发式增长,粮食安全问题日益突出,对粮食产量提出更高要求的同时对耕地的需求量也日益提高,所以各国出现毁林开荒以扩大耕地面积的现象.随着耕地数量的不断增加,非洲粮食总量也在逐年递增,在过去的 20 年中,非洲粮食每年增加约 2.6%.1.2 数据来源参考联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization,FAO)提出的概念,将谷类(大麦、小麦、小米、玉米、燕麦、水稻)、豆类(大豆、扁豆、菜344 第 4 期 解雪峰,等:基于敏感度分析的非洲粮食生产对
16、耕地资源变化的动态响应豆)和薯类(木薯、马铃薯和红薯)均纳入粮食范畴.本研究数据包含人口数据、耕地资源面积数据和粮食生产数据.其中非洲 20002020 年各国人口数据来自世界银行(https:/www.worldbank.org/en/home),耕地资源面积和粮食生产数据来自联合国粮农组织(https:/www.fao.org/home/en/).1.3 研究方法1.3.1 耕地资源指数在研究中考虑耕地数量与质量对所种植粮食作物产量的影响,并参考相关文献对耕地资源指数进行改进18,结合耕地面积、种类和粮食生产总量,将耕地资源指数表示为Ri=Cia Ya+Cib Yb+Cic YcSi Ya
17、.(1)式(1)中:Ri为第 i 个国家的耕地资源指数;Cia为第 i 个国家的谷物面积;Cib为第 i 个国家的豆类面积;Cic为第 i 个国家的薯类面积;Si为第 i 个国家的土地面积;Ya表示非洲谷物粮食单产值;Yb表示非洲豆类粮食单产值;Yc表示非洲薯类粮食单产值.根据计算,非洲 20002020 年谷物、豆类和薯类的平均单产值分别为 1 555.26,751.30 和8 615.74 kg/hm2.1.3.2 重心迁移模型重心迁移模型是选取某一要素作为研究对象,分析其在特定区域一段时间的分布状况及变化规律19.本研究构建粮食生产重心和耕地面积重心,并对二者重心进行空间耦合分析.模型具
18、体公式如下:Xt=nt=1(Mtixi)/nt=1Mti;(2)Yt=nt=1(Mtiyi)/nt=1Mti.(3)式(2)式(3)中:(Xt,Yt)表示非洲在第 t 年的耕地资源(粮食生产)的重心坐标;Mti表示第 i 个国家在 t 年的耕地资源(粮食生产)总量;(xi,yi)表示第 i 个国家的重心坐标.设非洲在第 t1年的耕地资源(粮食生产)的重心坐标为(Xt1,Yt1),在第t2年的耕地资源(粮食生产)的重心坐标为(Xt2,Yt2),那么 t1t2年耕地资源(粮食生产)的重心迁移距离为D=(Xt2-Xt1)2+(Yt2-Yt1)2.(4)1.3.3 敏感度模型敏感度是指系统对外界变化的
19、响应程度.本研究中引用刘彦随等20所提出的“敏感度系数”概念,将其定义为=(Gt+1-Gt)/Gt/(Lt+1-Lt)/Lt.(5)式(5)中:为非洲某国家粮食产量对耕地资源变化的敏感度系数;Gt和 Gt+1分别为初始年和期末年的粮食总产量;Lt和 Lt+1分别为初始年和期末年的耕地面积.并将其按敏感度高低划分为 4 个级别(见表 1),体现出耕地面积的变化对粮食产量的影响.表 1 粮食生产对耕地变化的敏感性分级敏感度等级粮食生产对耕地变化敏感性响应无敏感性0耕地面积变化与粮食产量变化方向相反,或耕地面积变化而粮食产量不变低度敏感性05随着耕地面积变化,粮食产量出现同向较小波动中度敏感性510
20、耕地面积变化较小,粮食产量出现同向剧烈波动2 结果与分析2.1 非洲耕地资源时空变化特征20002020 年,非 洲 耕 地 总 面 积 增 加 了63.22106 hm2,增幅为 53.44%,具体见图 1.由于受到自然条件的限制和历史、政治等方面的影响,非洲农业的发展并不如其他地区一样迅速,首当其冲的便是位于干旱地区气候条件较为恶劣的国家,农业进程十分缓慢.随着全球发展水平的不断提高,从 21 世纪初开始,非洲各国政府就对农业的关注越来越高.各国农业部长于 2003 年召开会议,制定了促进农业发展的相关计划,其中包括农业每年增长 6%的目标21.还通过非洲绿色革命联盟及一些基金会为一些低收
21、入的农业经济体引入大量投资,加之世界经济的快速发展,非洲的农业开始复苏,耕地面积不断扩大.444浙江师范大学学报(自然科学版)第 46 卷图 1 20002020 年非洲耕地资源的时间变化特征计算非洲各国的耕地资源指数,将结果划分为高度稀疏区(Ri0.05)、相对稀疏区(0.05R0.10)、一般过渡区(0.10R0.20)、相对集聚区(0.20 0.50)22.从空间上来看(见图 2),非洲多数国家的耕地资源属于高度稀疏区,主要分布在非洲的北部与南部,以及中部的部分国家,包括撒哈拉沙漠周围国家,如阿尔及利亚、利比亚和埃及等地,南非高原的博茨瓦纳、赞比亚和津巴布韦等国家.相对稀疏区主要分布在非
22、洲的埃塞俄比亚高原和非洲西部部分国家,包括肯尼亚、塞内加尔、利比里亚等.一般过渡区主要包括非洲北部阿特拉斯山脉、中部的刚果盆地和东非高原,包括摩洛哥、刚果民主共和国、坦桑尼亚、莫桑比克.耕地资源集聚地区主要分布在几内亚湾沿岸,马拉维、乌干达、贝宁为耕地资源相对集聚区,尼日利亚等国则为耕地资源高度集中区.注:基于自然资源部标准地图服务网审图号为 GS(2016)2940 号的标准地图制作,底图边界无修改,下同图 2 20002020 年非洲耕地资源的指数时空分布 从时间上看,研究区内高度稀疏区数量减少,由 2000 年的 25 个国家转变为 2020 年的 20 个国家,其中斯威士兰、马里、安哥
23、拉、利比里亚转变为相对稀疏区,只有喀麦隆转变为一般过渡区.20002020 年间,相对稀疏区也由 14 个国家减少为 11 个国家,其中许多国家耕地资源数量增加,变为一般过渡区或相对集聚区.这是由于人口的快速增长对粮食需求量增大,毁林开荒能够迅速缓解这一问题,所以引起耕地面积的快速增长,同时也导致了森林面积的减少.正是由于尼日尔、莫桑比克、塞内加尔、刚果民主共和国由相对稀疏区转变为一般过渡区,所以一般过渡区的面积呈现出增加的趋势.西非的相对集聚区和高度集聚区是耕地资源变化最明显的地区,不仅几内亚、塞拉利昂等国家从544 第 4 期 解雪峰,等:基于敏感度分析的非洲粮食生产对耕地资源变化的动态响
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