基于esda的河北省粮食单产空间格局变化研究

2012年1月农机化研究第1期基于E SD A的河北省粮食单产空间格局变化研究白立佳1，张路路1，刘瑞卿1，林常春2，门明新1(1．河北农业大学国土资源学院，河北保定071001；2．北京地星规划设计院有限公司，北京100080)摘要：为揭示河北省粮食单产空间格局分布特征，因地制宜地制定区域粮食安全生产政策，采用泰尔指数模型与ESD A空间分析技术，对1987-2009年河北省136个县粮食单产的区域差异特征以及动态演变格局和成因进行分析。

研究表明：粮食单产的整体差异和4个生态类型区的区间差异呈现逐渐缩小趋势，燕山太行山山前平原区、冀鲁豫低洼区和后山坝上高原区的内部差异在研究期内逐渐缩小，辽吉西、蒙东南、冀北山地区的内部差异呈现增长的过程，导致区域内差异对总体差异的贡献下降；河北省的粮食单产空间聚集程度有所减小，局部的空间相关来看，以石家庄市为中心粮食产量区域较为稳定，而张家口为中心的地产区域有扩大趋势；影响粮食单产格局变化最为主要的因素是有效灌溉面积、单位面积劳动力投入和粮食收购价格指数等。

关键词：粮食单产；区域差异；泰尔指数；空间自相关；河北省中图分类号：F316．11文献标识码：A文章编号：1003—188X(2012)01—0018—070引言随着中国人口的增加、社会经济的发展、耕地面积的减少，粮食安全已成为一个紧迫的问题…。

我国的粮食安全问题，实质上是粮食产量问题【2。

3]。

而粮食产量是众多因素共同作用的结果【4J。

近些年来，一些学者通过对我国粮食产量进行的研究表明，几十年来驱动我国粮食产量变化的直接推动力是单产，其次才是播种面积"』。

我国自1952年来粮食总产的增加，已经可以完全归结为单产水平的提高¨J。

粮食单产水平及其波动状况直接影响粮食产量及其稳定性，单产变化及其波动的区域差异已经引起我国许多学者的关注。

党安荣等一1采用G I S分析手段，通过对1984年以来我国粮食单产空间变化的定量研究表明，在1984—1994年这10年中我国北方地区粮食增产强度较大、南方地区下滑现象明显。

程叶青∞o采用数理统计和G I S空间分析方法，通过对1980—2005年东北地区183个县(市)的粮食单产变异的分析，揭示了东北地区粮食单产水平空间格局变化特征，为东北地区粮食可持续生产提供了科学依据。

钟甫宁等吲通过变异率和变异系数两个参数分析了全国各省市粮食收稿日期：20l I一04—28基金项目：河北省自然科学基金项目(D2010000795)；河北省教育厅项目(2009451)作者简介：自立佳(1985一)，男，河北南和人，硕士研究生，(E—m ai l) bl j8503@126．t om。

通讯作者：f-1明新(1974一)，男，河北南皮人，副教授，硕士生导师，(E —m a i l)c he nyaheng@126．c or n。

单产波动特征，结果表明粮食主产区的波动系数和波动幅度比其他地区高。

殷培红等旧1利用去趋势波动方法对全国2075个县(市)的20年粮食单产数据进行分析后指出，吉林、辽宁东部、河南、安徽地区粮食单产波动系数较高。

以往研究尽管基于国家或省级尺度，较好地揭示了粮食单产宏观格局的变化规律，却囿于统计分析和G I S的窄间表达，难以反映区域内部粮食生产的异质性。

而基于G I S平台的探索性空间数据分析E SD A(E xpl or at or y Spat i al D a t a A nal ys i s)方法是通过对事物或现象空间分布格局的描述与可视化，发现空间集聚和空问异常，解释研究对象之间的空间相互作用机制的一种新的有效的测度方法。

目前，此方法已广泛应用于区域人口[9]、农业¨0|、土地¨卜幢1等各种社会经济要素¨纠的空间格局分布研究上，但用于粮食单产这一主要农业经济要素的地域格局变化的研究还鲜见报道。

河北省是全国重要的商品粮食生产基地之一¨引，在全国粮食生产中具有重要的地位。

耕地面积减少和人口增长的双重压力，使河北省粮食生产只能走主攻单产之路，因此如何充分挖掘耕地增产潜力，稳定提高粮食单产就显得相当重要。

但河北省地貌类型多样，农业类型区跨度较大，粮食单产水平空间分布不尽相同。

基于此，本文以河北省136个县(市)为研究单元，基于泰尔指数模型与ESD A空间分析技术，对1987—2009年河北省136个县粮食单产的区域差异特征以及动态演变格局进行了动态研究，以期从一个崭新的途径上反映区域粮食单产的差异特征，为该区域2012年1月农机化研究第1期粮食生产宏观布局与规划决策提供科学依据。

1研究区域及研究方法1．1研究区概况河北省地跨36003’N一420407N，113027’E～119。

50’E之间，总面积为18．88万km2。

该区域平均气温自南向北，自东向西逐渐降低；地形地貌类型多样，平原分布在东南方，山地呈半环状耸于西北部，高原镶嵌在西北边缘，由海陆节节上升。

河北省拥有良好的农业基础和农业区位优势，是《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划(2009-2020年)》中确定的重点区域之一。

根据全国农业生态类型区的划分标准，河北省范围内包含2个国家一级类型区和4个国家二级类型区，如表1和图l所示。

表1河北省农业生态类型区T ab．1A画cuhur e ecol ogi cal dis t r ict s i n H e b e i pr ov i nce国家一级区国家二级区黄淮海区Ⅱ1Ⅱ2冀鲁豫低洼平原区Ⅱ燕山太行山山前平原区内蒙古高原胀栅线区Ⅵm需：：妻!萋誊≯图1国家二级生态类型区区划图(河北部分)Fi g l R e gi ona l i nt i on ofnati onal㈣ndaI y ecol ogi cal dis t r ict si n H ebei pm vl nee1．2研究方法1．2．1泰尔系数研究区域差异的定量化指标很多¨5““，如极差、标准差、变异系数和泰尔(T he i l)系数等，其中泰尔指和变异系应用较为普遍。

泰尔指(nei l)的意义在于可将区域总体差异分解成不同空间尺度的区内差异(TW n)和区间差异(TB R)，便于比较它们对区域整体差异的影响和贡献。

按照国家二级区的划分，对泰尔指数进行一阶段分解，可以将河北省总体差异分解4个生态类型区区间的差异和4个生态类型区内各县市之间的差异，其计算公式为””r=∑y。

l og詈(1) r=咒一+L一=砉，如s等+荟，i【y#l og习(2)式(1)中，Ⅳ为县市数，yi为i地区的粮食产量占河北省的份额，P。

为i县市的播种面积占河北省的份额。

式(2)中，丁为泰尔指数，k为区内差异，‰为区间差异，Y。

为i区播种面积占河北省的总播种面积的比重，P；为i区粮食产量占河北省的比重，yi为i区第J个县市占i区的播种面积，Pi为i区第，个县市的粮食产量占i区的粮食产量密度。

则．r=—i————■_C v==1．／{z(yi—y)2(3)一^、。

‘’y’。

‘其中，o为变异系数，Y为河北省的平均粮食单产，Y。

为县市i的粮食单产，n为县市个数。

1．2．2E SD A方法E SD A方法是一系列空间分析方法和技术的集合¨…，为事物或现象的空间相关性测度提供了有效工具。

根据研究目的的不同，可分为全局空间自相关和局部空间自相关。

1)全局自相关。

全局空间自相关反映了观测变量在整个研究区域内空间相关性的总体趋势，M or a n’s I指数是空间自相关分析中普遍采用的一种方法。

由于粮食单产是一个比率，在分析比率变量的空间自相关时，比率所固有的方差不稳定性违背了方差稳定性的基本假设，尤其当区域的基数值存在极大差异时，方差不稳定性更为显著，从而导致M or an’s I统计得出虚假的推论¨“。

为了避免比率所固有的方差不稳定性，本文采用经验贝叶斯方法修正的全局空间自相关指数EB I。

EB I统计量的定义¨21为…=罨娑(4)∑∑”。

∑(R。

一膏)2其中，埘。

是空间权重，R。

=等，P。

是估计比√口。

20l2年1月农机化研究第1期率，移i用来估计Pi的边缘方差，b用来估计Pi的边缘期望，关于E B I的具体推导过程参考杨杨的文献『12]。

E BI统计量取值介于一l和1之间，其绝对值越趋近于1，表示粮食单产的空间相关性越显著；EB I为0，表示粮食单产随机分布。

其假设检验一般采用得分检验方式，即Z：—EBiI=-二E二(=EBI)。

当IzI>1．96√V nr{、EB i)时，拒绝H O假设(p<0．05)，可以认定存在空间相关性。

本研究基于R ook’S邻接标准构建河北省136个县市的空间权重矩阵，当县市i和县市J至少有一条边相邻接时，埘i为1，反之为0。

所有计算通过LucA ns el i n教授开发的G eoD a0．9．5一i软件实现。

2)局部自相关。

空间自相关的局部指标LI S A可以进一步度量区域i与周边地区的空间关联程度，其中M or an’s I i的分解形式旧J。

基于上文同样的原因，运用经验贝叶斯方法对M or an’S I i指数修正得到局部空间自相关指数，该统计量的定义¨21为脚‘=(Ri厄)∑w i i(R／-i)(5)j=L式(5)参数定义同式(4)。

肋t为正，表示该区域单元周围相似性(高值或者低值)的空间聚集，E BI i为负，表示该区域单元周围非相似值(高低值或者低高值)的空间集聚。

Zi：E—B_Ii二-二E=(EjBIs)，Zi为正，即√V ar0EB i t)E BI i大于E(EB t)，说明该区域单元的值相对较高，五为负，即朋‘小于E(E BIi)，说明该区域单元的值相对较低。

2结果分析’2．1区域动态差异特征2．1．1河北省粮食单产时序变化采用泰尔指数和变异系数两种差异测度方法所得的河北省粮食单产总差异变化趋势基本一致。

即在1987—2009年间，粮食单产总差异呈现逐渐缩小趋势，大致分为3个阶段：1987—1992年的波动性增加趋势，1993—1999年之间的波浪式下降阶段以及2000—2009年的总差异现缓慢下降阶段。

这种缩小趋势反映出河北省在粮食单产稳步提高的基础上，粮食单产总体的差异在减小。

河北省粮食单产差异变化，如图2所示。

0．500．450．400．35O．300．250．150．10O．05磊器器宝矗鐾譬葛凑蔷瓮蓦窖g g g兽g兽兽窨答昌雪2222雪22要22旦2昌品器品￡蠹￡昌呙昌年份图2河北省粮食单产差异变化Fi g．2T he di s par i t y of gr ai n per unit ar ea yi el d i n H e b e i pr ovi nce 2．1．2生态类型区间差异特征河北省粮食单产的整体差异由Ⅱl燕山太行山山前平原区、Ⅱ2冀鲁豫低洼平原区区、V11辽吉西蒙东南冀北山地区、Ⅵ2坝上高原区这四个生态类型区之间的差异以及各个生态类型区内部的差异构成。