0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［1］。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［4］。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［5］。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［6］。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［5］采用GIS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［6］采用数理统计和GIS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［7］通过变异率和变异系数两个参数分析了全国各省市单产波动特征，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［8］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GIS的空间表达，难以反映区域内部粮食生产的异质性。而基于GIS平台的探索性空间数据分析ESDA(ExploratorySpatialDataAnalysis)方法是通过对事物或现象空间分布格局的描述与可视化，发现空间集聚和空间异常，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［10］、土地［11－12］等各种社会经济要素［13］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［14］，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ESDA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36°03'N～42°40'N，113°27'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1所示。 1．2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［15－17］，如极差、标准差、变异系数和泰尔(Theil)系数等，其中泰尔指数和变异系数应用较为普遍。泰尔指数(Theil)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(TWR)和区间差异(TBR)，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［18］式(1)中，N为县市数，yi为i地区的粮食产量占河北省的份额，Pi为i县市的播种面积占河北省的份额。式(2)中，T为泰尔指数，TwR为区内差异，TBR为区间差异，yi为i区播种面积占河北省的总播种面积的比重，pi为i区粮食产量占河北省的比重，yij为i区第j个县市占i区的播种面积，pij为i区第j个县市的粮食产量占i区的粮食产量密度。则其中，Cv为变异系数，y为河北省的平均粮食单产，yi为县市i的粮食单产，n为县市个数。 1．2．2ESDA方法 ESDA方法是一系列空间分析方法和技术的集合［19］，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，Moran’sI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Moran’sI统计得出虚假的推论［19］。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EBI。EBI统计量的定义［12］为2)局部自相关。空间自相关的局部指标LISA可以进一步度量区域i与周边地区的空间关联程度，其中Moran’sIi的分解形式［20］。基于上文同样的原因，运用经验贝叶斯方法对Moran’sIi指数修正得到局部空间自相关指数，该统计量的定义［12］为式(5)参数定义同式(4)。EBIi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，EBIi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=EBIi－E(EBIi)Var(EBIi槡)，Zi为正，即EBIi大于E(EBIi)，说明该区域单元的值相对较高，Zi为负，即EBIi小于E(EBIi)，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。#p#分页标题#e# 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Ⅱ1燕山太行山山前平原区、Ⅱ2冀鲁豫低洼平原区区、Ⅵ1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。河北省粮食单产差异演化如图3所示。由图3可知，4个区之间的差异与总体差异的变动一致，均经历了逐渐缩小的过程。从对总差异的贡献率来看各区有所不同。Ⅵ1区对全省整体差异的贡献最大，历年平均贡献水平达到20%，Ⅱ2区次之，Ⅱ1区和Ⅵ2区对全省整体差异的贡献最低，平均贡献水平低于10%;Ⅵ1区涵盖河北省8个市，农业发展也各有差异，处于冀东地区和冀中地区利用其经济上的优势，积极改善第一产业发展，冀北地区则由于经济相对薄弱，发展经济的同时农业提高并没有相应跟进。 2．1．3生态类型区内差异特征 河北省粮食单产差异如图4所示。由图4可知，4个生态类型区的区内差异均与总体差异的变动一致，均经历了逐渐缩小的过程。从对总差异的贡献率来看各区有所不同，Ⅱ1区、Ⅱ2区和Ⅵ2区的内部差异经历了缩小的趋势，Ⅵ1区的内部差异则呈现增长的势头，由12．37%增加到22．9%，共同导致区内差异对总体差异的贡献由50．08%下降到48．44%。区内差异源自最初农业基础条件的差异，但各地区的农业发展轨迹改变了原有的基础差异，形成了目前的粮食单产空间格局。综合来看，区间差异、冀鲁豫低洼平原区、辽吉西蒙东南冀北山地区内部差异“三足鼎立”，是河北省整体差异的主要贡献者，在在未来粮食生产中，应注意Ⅵ1，Ⅵ2区内差异的控制管理以确保河北省粮食生产安全。 3河北省粮食单产空间演变特征 3．1空间格局的总体特征 表2为河北省1987－2009年粮食单产的EBI估算值，在p＜0．05的显著性水平下，其检验统计量z均通过z值检验(z的临界值为1．96)，且相关性显著。结果表明所有的EBI值为正，且具有波动性。对比泰尔系数的变化，二者所反应的变化基本上吻合。对于全局自相关不显著的年份，并不能由此推断其局部自相关也不显著，为了全面分析河北省粮食单产的局部空间演化特征，还需要进一步分析。 3．2空间分布格局的局部特征 进一步考察河北省各县粮食单产在空间上的相互关联类型，根据县域与其相邻县域的关系，即依据计算公式中Zi和利用EBIi及标准化Zi值可以判断县市i与周边区域的关联类型:①若EBIi＞0且Zi＞0，则为H—H关联类型，即区域自身和周边区域的观测值均较高，二者的空间差异程度较小，其中通过显著性检验的区域为高值集聚中心;②若EBIi＞0且Zi＜0，则为L—L关联类型，即区域自身和周边区域的观测值均较低，二者的空间差异程度较小，其中通过显著性检验的区域为低值集聚中心;③若EBIi＜0且Zi＞0，则为H—L关联类型，即区域自身观测值较高而周边区域较低，二者的空间差异程度较大，其中通过显著性检验的区域为高值孤立点;④若EBIi＜0且Zi＜0，则为低—高关联类型，即区域自身观测值较低而周边区域较高，二者的空间差异程度较大，其中通过显著性检验的区域为低值孤立点。 为挖掘出粮食单产空间格局变化的可视化聚集信息，在Z检验(5%)的基础上绘制出了LISA聚集图(如图5所示)。由图5可以看出:①空间差异较小、区域自身和区域周边粮食单产均显著较高(H—H)的县市个数由25个减少到了16个。以石家庄市为中心基本保持不变，并辐射到周围的几个县市，成为粮食生产的“热点区域”，该区域粮食生产集约化、集中化特征日益明显，始终保持着“齐头并进”发展粮食生产的大好局面，而以唐山市、秦皇岛为中心的地区，近些年则出现了一枝独秀的局面，仅有滦南、滦县保持着较高水平，自身的规模效益递增，但对周边的辐射作用未体现。②空间差异较小、区域自身和区域周边粮食单产均显著较低(显著LL)的县市个数由24个减少到了14个，主要表现在以衡水市、沧州市一带，随着农业投入水平的提高，大力改造盐碱地，逐步摆脱了单产水平低的局面。③在研究期间，张家口市始终是粮食单产的低值中心，但从其周边有H－L型的县市来看，其有扩张的趋势。在冀南地区的邢台、邯郸两个县市粮食单产空间分布格局没有明显的变化。自然资源、社会资源、自然灾害、农田土壤及粮食作物是影响粮食单产的5大要素［6］。农产品价格变动对粮食单产格局变化的影响也不容忽视［7］。 1987－2009年河北省粮食单产空间格局变化的灰色关联分析如图6所示。依据粮食单产变化影响因素的重要程度，选择10个具体指标进行灰色关联分析:X1代表有效灌溉面积保证率(%)、X2代表单位面积农药施用量(104kg/hm2)、X3代表单位面积劳动力投入(104人/hm2)、X4代表粮食收购价格指数、X5代表农业生产资料价格指数、X6代表农作物成灾面积比例(%)、X7代表单位面积农业机械总动力(104kW/hm2)、X8代表单位面积化肥使用量(折纯104t/hm2)、X9代表单位面积农村用电量(104kW/hm2)、X10代表农民人均纯收入(104元)。根据灰色建模理论［21］，建立河北省各县市粮食单产变化量与上述各因素指标变化量的灰色系统模型，计算其关联度。结果显示，农业投入是影响粮食单产格局变化最为主要的因素，农产品价格变动对粮食单产格局变化的影响不断加大，有效灌溉面积保证率、单位面积劳动力投入和单位面积农药施用量与粮食单产的关联度分别为0．8363，0．795，0．742，在对粮食单产的贡献率在10个因素中分别位居第1、第2和第4位。作为全国重要的商品粮食生产基地之一，粮食收购价格始终对河北省粮食单产波动有很大影响，粮食收购价格指数和农业生产资料价格指数对粮食单产变化的关联度达到0．752，0．727，在对粮食单产的贡献率在10个因素中分别位居第3、第5位。自然灾害对粮食单产变化的影响不容忽视，对粮食单产的贡献率位居第6位。农作物对机械总动力、单位面积化肥施用量、单位面积用电量和农民人均纯收入对粮食单产影响相对较小，处于对粮食单产的贡献率位居后4位。 #p#分页标题#e# 4结论 粮食安全是国家安全的基石，粮食单产地域格局变化对区域粮食供需平衡与流通有重要影响。本文以我国的农业大省同时也是保障京津冀都市圈的粮食供应及安全的河北省为例，应用泰尔指数和ESDA，探讨了1987－2009年河北省县域粮食单产的区域差异特征和空间格局演化特征，得到如下结论: 1)粮食单产的总体差异和不同生态类型区的区间差异呈现波动性缩小趋势，生态类型区内差异则出现分异。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总体差异在研究期内经历了先波动后缩小的过程，辽吉西、蒙东南、冀北山地的内部差异经历了波动性增长的过程，共同导致区域内差异对总体差异的贡献下降。 2)基于GIS平台的探索性空间数据分析ESDA可以很好地揭示河北省粮食单产的地域格局时空变换特征，有效地测度区域粮食生产空间集聚和异常。研究期间，河北省的粮食单产整体上趋于空间集聚下降状态。以石家庄市为中心粮食产量区域较为稳定，始终保持着“齐头并进”发展粮食生产的大好局面。而以唐山市、秦皇岛为中心的地区，近些年则出现一枝独秀的局面，衡水市、沧州市一带，逐步摆脱了单产水平低的局面。而在研究期间，张家口市始终是粮食单产的低值中心，但从其周边有H－L型的县市来看，有继续扩大趋势。在冀南地区的邢台、邯郸两个县市粮食单产空间分布格局没有明显的变化。 3)灰色相关表明，农业投入是影响粮食单产格局变化最为主要因素，农产品价格变动对粮食单产格局变化的影响不断加大，有效灌溉面积保证率、单位面积劳动力投入和单位面积农药施用量与粮食单产的关联度分别为0．8363，0．795和0．742，在对粮食单产的贡献率在10个因素中分别位居第1、第2和第4位。粮食收购价格指数和农业生产资料价格指数对粮食单产变化的关联度达到0．752和0．727，对粮食单产的贡献率在10个因素中分别位居第3、第5位。
