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“大国粮仓”何以稳固——基于山东省粮食生产时空格局演变的时代探析

申报人:田懿艺 申报日期:2026-03-13

基本情况

2026创新项目
“大国粮仓”何以稳固——基于山东省粮食生产时空格局演变的时代探析 学生申报
创新训练项目
农学
植物生产类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
本项目以国家粮食安全战略、乡村振兴战略和黄河流域生态保护与高质量发展战略为时代背景,聚焦产粮大省山东省,围绕“大国粮仓”何以稳固这一核心命题,系统开展粮食生产时空格局演变及其驱动机制研究。项目基于2011—2025年山东省16地市农业生产面板数据,综合运用空间自相关、重心迁移模型、LMDI因素分解及面板回归等分析方法,重点开展三方面研究:一是刻画粮食生产要素投入与产出的时空格局演变特征,识别生产“热点”与“冷点”区域;二是量化播种面积效应、单产效应及灌溉、电气化、化肥等生产要素投入对粮食产量变化的贡献份额与作用机制;三是解析农作物种植结构演变趋势,测度“非粮化”倾向对粮食总产稳定的潜在约束。项目创新性地将LMDI因素分解结果与GIS空间分析相耦合,实现驱动因素的空间可视化表征,为分区分类的粮食生产政策制定提供精细化的科学依据。预期成果包括形成山东省粮食生产时空格局分析报告及GIS专题图集、发表1-2篇高质量学术论文、提出具有可操作性的粮食生产稳固路径建议,为政府部门优化种植结构、提升资源利用效率、筑牢“大国粮仓”根基提供决策参考。
主持山东省艺术科学重点课题、国家自然科学基金等项目,曾参与国家级、省级科研项目、决策咨询项目多项。
全程学术指导:指导项目设计、组织开展、结果分析和报告撰写,提升项目完成质量,助力产出优秀成果。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
田懿艺 护理学院 护理学(四年制本) 2025 整体规划及进度把控
张雨涵 护理学院 护理学(四年制本) 2024 访谈工作及财务工作
刘艺玮 护理学院 护理学(四年制本) 2025 资料收集及问卷调查
王浩杰 护理学院 护理学(四年制本) 2024 数据分析及技术支持
宋红钰 护理学院 护理学(四年制本) 2025 记录及整理调研结果

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
任频频 护理学院
迟诚 护理学院

立项依据

在国家粮食安全战略、乡村振兴战略和黄河流域生态保护与高质量发展战略协同推进的时代背景下,系统揭示产粮大省-山东省粮食生产系统的时空演变规律、驱动机制与结构风险,是稳固“大国粮仓”根基的科学前提。本研究旨在:
1.揭示时空格局演变规律:利用2011—2025年山东省16地市面板数据,综合运用空间统计学方法、时间序列分析方法,清晰刻画近15年来山东省粮食生产的区域差异、空间集聚特征及生产重心迁移轨迹。
2.量化多因素驱动效应:突破传统单因素分析局限,引入灌溉、电气化、农业物耗等生产要素,采用LMDI模型与面板回归相结合的方法,定量识别播种面积效应、单产效应及生产要素投入对粮食产量变化的贡献份额、时空差异与作用机制。
3.诊断结构优化路径:解析农作物种植结构的时空演变趋势,测度“非粮化”倾向对粮食总产稳定的潜在约束,进而提出优化区域粮食生产布局、提升资源利用效率的科学对策,为保障“大国粮仓”稳固提供科学依据与决策参考。
围绕上述研究目的,本项目将重点开展以下三个层面的系统研究:
1.山东省粮食生产要素投入与产出的时空格局特征分析
①数据收集整理:通过查阅山东省农业统计年鉴,收集并整理2011—2025年山东省16地市的农业生产面板数据,重点涵盖:粮食作物(小麦、玉米等)、油料作物、棉花、蔬菜等作物的播种面积、总产与单产;生产要素投入指标,包括灌溉面积、农村用电量(表征电气化水平)、农用化肥施用折纯量(表征化学化水平)等。对缺失的数据,通过数据清洗和数据插补进行补全,构建完整的面板数据库。
②时空格局分析:运用Mann-kendall检验法、Sen-slope检验法、线性回归等时序分析方法,以及变异系数、全局与局部Moran's I指数、重心迁移模型等空间分析方法,刻画近15年来山东省粮食产量、主要粮食作物(小麦、玉米)、以及农业生产要素(灌溉面积、农业化肥用量、农用柴油量、农药使用量、农村用电量等)投入的时序演变规律、区域差异特征、空间集聚特征(高-高,低-低,高-低,低-高类型)及生产重心的动态演进轨迹。
2.基于LMDI模型的粮食产量变化驱动因素分解
①因素分解:运用对数平均迪氏指数分解法(LMDI),构建“总产变化=播种面积效应+单产效应”的恒等式,逐年分解2011—2025年间山东省各地市粮食总产和主要粮食作物(小麦、玉米)的生产变化,探讨单产和种植面积对作物总产变化的贡献量和贡献度、及其年际变化特征。
②时空呈现:将因素分解结果(面积效应、单产效应)与地理信息系统GIS技术相结合,实现贡献因素的空间可视化,识别不同区域粮食增长的主导因素类型,揭示驱动效应的区域异质性。
3.种植结构演变与“非粮化”对粮食生产的约束效应评估
①种植结构分析:利用农作物总播种面积及各类作物(粮食、油料、棉花、蔬菜等)播种面积数据,计算种植结构丰富度指数和主要粮食作物(小麦、玉米)的种植比例。系统分析山东省农作物种植结构的时空演变趋势,重点识别“非粮化”(即粮食作物种植比例下降)的时空特征。
①约束效应评估:在前面研究的基础上,构建面板回归模型,定量评估种植结构演变及灌溉、电气化等农业生产要素投入对粮食总产的协同或制约作用,探讨在资源环境约束下保障粮食产能的优化路径。
在全球粮食安全形势日趋严峻与水资源约束日益加剧的双重背景下,粮食生产的时空格局演变及其驱动机制已成为农业地理学、资源科学及可持续发展研究领域的核心议题。系统梳理国内外相关研究进展,对于准确定位本研究的学术坐标、明确研究切入点具有重要的理论价值与现实意义。
1.国外研究现状
学者围绕粮食生产时空格局及其驱动机制开展了大量开创性研究,主要呈现以下特征与发展趋势:
(1)研究尺度由全球宏观向区域中观深化。早期研究多聚焦于全球或国家尺度下的气候变化、土地利用变化等因素对粮食生产的影响。Han等[1]分析了1997-2021年全球四种主要农作物(玉米、大豆、水稻和小麦)产量受干旱影响的情况。结果表明尽管干旱发生的频率有所增加,但由干旱造成的农作物损失却显著下降。Rudra[2]等评估了2003-2023年间由气候因素引发的干旱对美国农作物产量的时空影响,重点探讨了不同气候因素影响干旱易发地区农业产量的作用机制。近年来,研究尺度逐渐向区域层面下沉,重点探讨特定农业区、流域或地下水超采区的粮食生产格局演变及其影响因素等。Zhao等[3]将APSIM(农业生产系统模拟器)和BCC-CSM2-MR(BCC)模型相结合,模拟了未来情景下播种日期变化对中国华北平原小麦产量带来的影响。Kassa等[4]分析了气温和降水变化对非洲西部和东部地区农作物产量的影响,指出东非地区面临的持续变暖将会对小麦等作物产量带来显著影响。
(2)研究内容从单要素分析向多系统耦合拓展。传统研究侧重于气候变化、技术进步对作物生产潜力的作用机制。Ahsan等[5]分析了气候变化对未来全球小麦、水稻和玉米产量的影响。Wang等[6]基于全球尺度研究发现,灌溉对小麦和玉米产量的贡献存在显著的区域异质性,灌溉与雨养小麦的产量差异可达34%±9%。Zaveri等[7]对印度的研究表明,若无灌溉,20世纪初印度小麦产量的增长将减少13%,揭示了灌溉在缓解高温胁迫、稳定产量方面的重要作用。近年来,研究视角逐渐拓展至耕地-粮食-人口等多系统的空间耦合特征。Li等[8]基于GlobeLand30和WorldPop数据,系统分析了2000—2020年中国耕地面积、粮食生产与人口分布的时空耦合特征,发现耕地重心向西北移动、粮食生产重心向东北移动,而人口重心则向东南沿海集中,三者空间错位程度加剧,“北粮南运”格局进一步强化。
(3)研究方法呈现多源数据融合与模型模拟并重的趋势。遥感反演、模型模拟作物生产并进行统计分析成为主流范式。Su[9]提出的地表能量平衡系统(SEBS)模型被广泛应用于区域尺度作物蒸散量的估算。Ren等[10]基于SEBS模型反演的蒸散数据,系统分析了黄淮海平原小麦-玉米体系的水分消耗与灌溉需求的时空格局。DSSAT、APSIM等作物机理模型在模拟气候变化对作物产量影响方面得到广泛应用,为农业生产布局优化提供了情景分析工具。Emami[11]等构建了基于农业水分生产力的水文经济模型,探讨了气候变化背景下伊朗Zarrine河流域的作物种植模式优化问题。Navid等[12]基于APSIM模型模拟了灌溉计划、总用水量和播种日期等要素变化对小麦和大麦产量的影响,并指出采用最佳农艺措施可以极大地提高作物生产力和资源利用效率。
2.国内研究现状
国内学者在借鉴国际前沿方法的基础上,结合中国粮食主产区的实际情况,开展了大量本土化研究,形成了较为完整的研究体系。
(1)研究内容聚焦粮食主产区生产格局的时空演变及其驱动因素。刘玉等[13]基于LMDI模型对黄淮海地区县域粮食生产影响因素进行了分解,明确指出单产提高是粮食增产的主导因素。任频频等[14]进一步探讨了黄淮海旱作区农作物种植结构演变下小麦玉米生产的时空格局,发现种植结构呈现由多元化向专一化发展的趋势,山东西北部、河北平原西部为小麦玉米单产显著“高-高”聚集的优势生产区。王晨等[15]运用标准差椭圆方法,将1978年以来中国粮食供给划分为三个增长阶段,发现粮食增产重心呈现“西南—东北—西北”的移动轨迹,小麦增产重心各阶段变化不大,而玉米增产重心则呈现明显的空间摆动。常晓东等[16]解构了21世纪以来中国粮食生产能力的空间重构过程,发现粮食生产总量重心整体从豫南向豫北、冀南转移,气候变化与城镇化两大主控因子在空间重构过程中呈现此消彼长的态势。
(2)研究视角从单纯产量分析向多维要素协同拓展。近年来,学者开始关注灌溉、电气化、化学化等生产要素投入的时空分异及其对粮食生产的协同作用。武术兰等[17]以鲁西平原为研究区,运用LMDI方法分解了冬小麦水分生产力(CWP)的变化,明确了2010年以后蒸散对CWP变化的正向贡献效应日益凸显,而单产的贡献呈减弱趋势,为区域尺度农业生产与耗水管理提供了新视角。许静等[18]构建了粮食安全韧性评价指标体系,从产业链、供应链、价值链“三链”协同的角度,探讨了粮食主产区粮食安全韧性的时空分异及其驱动因素,发现农林牧渔业总产值和一般公共预算收入是关键影响因素。
(3)研究方法趋向空间统计与因素分解的有机整合。空间自相关、重心迁移模型及LMDI因素分解相结合的分析框架得到广泛应用。于元赫等[19]运用空间分析方法研究了山东省粮食生产效率的时空演变,揭示了生产效率的区域分异特征及其影响因素。常媛媛等[20]分析了粮食主产区耕地非粮化的空间格局及其成因,指出保护现有耕地资源、防止“非农化”和“非粮化”是保障粮食产能的重要途径。此外,空间计量模型的引入使得影响因素分析从传统的统计相关拓展至空间溢出效应的识别,深化了对粮食生产空间依赖性的理解。
(4)研究导向从学术探讨向政策决策支撑转变。在国家粮食安全战略、乡村振兴战略和黄河流域生态保护与高质量发展战略的驱动下,研究成果日益注重政策转化价值。耿庆玲等[21]基于生态系统服务视角,通过构建水-粮-碳系统关联耦合的欧几里得三维空间几何解析模型,分析了1982—2017年黄河流域水-粮-碳关联耦合的时空演变特征及主导控制变量。井淼等[22]研发了水位、水量、产量联控的节水灌溉多目标优化模拟框架,并通过模拟发现适度减压地下水开采可实现深层地下水回升且冬小麦减产在可控范围内。这些研究体现了农业地理学研究从“是什么”“为什么”向“怎么办”的延伸,增强了研究成果的现实指导意义。
3.研究评述与本研究的切入点
综合国内外研究进展可见,粮食生产时空格局研究已形成较为成熟的理论基础与方法体系,研究尺度涵盖全球、国家、区域及县域等多个层次,研究内容从单要素分析逐步拓展至多系统耦合,研究方法实现了从传统统计向空间分析、因素分解、模型模拟的综合演进。然而,现有研究仍存在以下可深化之处:
第一,因素分解的空间化表达不足。LMDI、Laspeyres等分解方法多应用于时序分析,分解结果(如面积效应、单产效应)较少与空间统计方法深度融合,导致驱动因素的区域异质性刻画不够精细,难以实现“分区施策”的科学指导。
第二,生产要素的多维解耦不够系统。现有研究多聚焦于面积与单产的两因素分解,对灌溉、电气化、化学化等生产要素投入本身的时空分异特征及其对粮食产量的协同驱动机制关注不足,未能完整揭示“要素投入—产出响应”的作用链条。
第三,种植结构演变与总产稳定的关联机制有待深化。对“非粮化”趋势的测度多停留在宏观描述层面,其与生产要素再配置如何共同影响粮食总产的机制尚需进一步探究,特别是在资源环境约束趋紧的背景下,种植结构调整对粮食生产系统的潜在风险亟待评估。
第四,长时间序列、多维度面板数据的支撑仍有不足。现有研究多采用较短时序数据或单一指标,难以全面捕捉粮食生产系统的动态演变特征。构建涵盖产量、面积、单产及生产要素投入的连续面板数据,是实现精细化分析的基础前提。
基于上述分析,本研究的切入点在于:以山东省16地市为研究单元,基于2011—2025年连续面板数据,将LMDI因素分解结果与GIS空间分析进行有机整合,实现贡献因素的空间可视化表征;引入灌溉、电气化、化肥等多维生产要素,系统刻画其时空演变规律并探究协同驱动机制;定量解析种植结构演变及“非粮化”倾向对粮食总产的约束效应,旨在深化对粮食主产区生产规律的科学认知,为山东省及类似区域粮食生产布局优化和可持续发展提供理论参考与实践借鉴。
1.方法论创新:构建“因素分解-空间表征”耦合分析框架。
突破传统LMDI模型局限于时序分析的范式,将其与GIS空间分析深度融合。通过将粮食总产变化的贡献因素(面积效应、单产效应)分解结果进行空间可视化,揭示不同驱动要素的区域异质性与空间集聚特征,为分区分类的粮食生产政策制定提供更精细的科学依据。
2.研究视角创新:系统解构生产要素投入的协同效应。
打破传统“面积-单产”两因素分解的局限,将研究链条延伸至农业生产的前端。系统引入灌溉、电气化、农业物耗等多维生产要素,不仅刻画其自身的时空演变规律,更深入探究其对粮食生产的协同驱动与作用机制,深化对粮食生产复杂系统的整体认知。
3.内容特色:揭示种植结构调整对总产稳定的制约机制。
在解析农作物种植结构时空演变趋势的基础上,定量测度“非粮化”倾向对粮食总产稳定的潜在约束。这一分析将种植结构调整、生产要素再配置与总产变化置于统一框架下,为国家粮食安全战略在区域层面的精准落地提供决策参考。
1.技术路线
本项目遵循“数据收集-格局分析-机制解析-对策提出”的逻辑主线。技术路线图如图1所示。
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图1 本研究技术路线图
2.拟解决的问题
(1)厘清“格局”:山东省粮食生产(总产、单产)及生产要素投入(灌溉、电气化、化肥)在近15年间的时空演变特征是什么?其“热点”与“冷点”区域如何分布和迁移?
(2)量化“贡献”:在粮食产量变化中,播种面积扩大与单产提高分别扮演了怎样的角色(LMDI分解)?灌溉、电气化等生产要素的投入强度变化对粮食产量产生了多大的定量影响(面板回归)?其贡献是否存在区域差异?
(3)诊断“风险”:农作物种植结构的演变趋势如何?是否存在显著的“非粮化”现象?这种结构变化对保障粮食总产稳定构成了怎样的潜在约束?如何在保障“大国粮仓”稳固的目标下,优化区域粮食生产布局?
3.预期成果
(1)一套高质量的分析报告与数据库:形成《山东省粮食生产时空格局演变特征分析报告》及配套的GIS专题图集(含空间分布、重心迁移、LISA集聚图等),并构建可供后续研究的山东省农业生产面板数据库。
(2)学术论文:在相关领域学术期刊上发表1-2篇高质量研究论文,系统阐述研究成果。
(3)一份政策建议报告:基于研究结论,提炼出一套契合国家战略的、具有可操作性的山东省粮食生产稳固路径建议,为政府部门制定农业节水政策、优化种植结构、建设高标准农田提供科学参考。
1.前期准备(2026年1月-5月):数据收集与文献梳理:系统收集2011-2025年山东省及各市统计年鉴、农村统计年鉴等,完成播种面积、产量、灌溉、电气化、化肥等核心数据的采集与整理;广泛阅读国内外相关文献,深化研究框架,完善技术路线。
2.中期研究(2026年6月-2027年4月):时空格局与驱动机制分析:①运用ArcGIS、GeoDa等软件,完成粮食生产及生产要素投入的空间自相关、重心迁移等分析,揭示时空演变规律。②运用LMDI模型分解粮食总产变化,并结合面板回归模型,量化单产、面积、灌溉、电气化、种植结构等因素的贡献效应与作用机制。
3.后期总结(2027年5月-12月):论文撰写与成果总结:①结合政策背景,深入分析种植结构演变的驱动因素及其与粮食生产的互作机制。②撰写并修改学术论文,力争发表。③完成结项报告和成果汇编,提炼政策建议,准备项目答辩。
相关研究积累:①数据基础扎实:项目组已系统收集并整理了2011-2025年山东省各市的灌溉面积、农村电气化水平、农业化学化水平、农作物播种面积与产量等核心数据,构建了初步的Excel数据库,为后续研究奠定了坚实的数据基础。②理论与方法储备充足:在指导教师指导下,团队已完成研究框架的初步梳理与技术路线的设计,系统学习了农业经济学、区域分析与空间统计等相关理论,并掌握了基础的数据处理与统计分析方法,具备开展实证研究的能力。
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图2 本研究构建的2011-2025年农业生产数据
已取得的成绩:发表农作物生产相关研究文章2篇(北大核心)。系统揭示了农作物种植结构演变下的黄淮海旱作区小麦玉米生产时空格局、鲁西平原冬小麦水分生产力时空格局及其变化分解,这些为本项目开展夯实了理论基础、方法论基础。
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图3 鲁西平原冬小麦总产的变化分解(武术兰、任频频等,2024)

(1)已具备的条件:
数据条件:已建成涵盖粮食生产核心指标的数据库。
指导条件:指导教师具有丰富科研经验,可提供全方位学术指导。
团队条件:团队成员分工明确、责任心强,具备良好的学习能力和团队协作精神。
(2)尚缺少的条件及解决方法:
一是数据缺口:缺少部分社会经济与自然地理数据,如各市GDP、非农从业人口、财政支农支出、农业机械总动力、降水量、积温等,这些是构建完整“影响因素指标体系”和深化面板回归模型分析的关键。解决方法:查阅对应年份的《山东省统计年鉴》、《中国县域统计年鉴》、各市统计年鉴及气象局公开数据,进行补充与核实。
二是实践认知:缺少对研究区域农业发展现状的实地调研。解决方法:在研究中期,选取典型县域(如德州、济宁)开展线上问卷或线下访谈,补充一手信息,增强研究的现实针对性。



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经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5000.00 500.00 4500.00
1. 业务费 5000.00 500.00 4500.00
(1)计算、分析、测试费 0.00 0.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 500.00 500.00 0.00
(5)论文出版费 4500.00 0.00 4500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 0.00 0.00 0.00
结束