河西走廊县域人均粮食占有量的时空演变与驱动力分析*

许云霖，石培基，李佳芳，王永男，周文霞

(西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州 730070)

·问题研究·

河西走廊县域人均粮食占有量的时空演变与驱动力分析*

许云霖，石培基※，李佳芳，王永男，周文霞

(西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州 730070)

粮食安全始终是关系我国国民经济发展、社会稳定和国家自立的全局性重大战略问题。我国政府明确提出“以我为主、立足国内、确保产能、适度进口、科技支撑”的粮食安全新战略，并将其作为首要工作任务。文章以河西走廊20个县域为研究单元，运用ESDA和GWR模型，分析河西走廊人均粮食占有量的时空格局演变及变化的驱动力。结果表明：1990～2014年，河西走廊人均粮食占有量呈波动增长-急剧减少-持续增长变化特征；县域人均粮食占有量增长类型以总产低、快速增长型为主，中东部的张掖全市、永昌县、凉州区等地粮食生产作用日益明显；人均粮食占有量总体空间关联度在提高，高高聚集和低低聚集态势增强；人均粮食占有量变化的驱动因素中，种植结构>复种指数>人均耕地面积>单位面积产量>非农就业机会>人均GDP，驱动因素表现出过渡性、空间分异特征，单位面积产量、非农就业机会和人均GDP的变化对人均粮食占有量的影响具有空间分异特征；种植结构、复种指数和人均耕地面积对人均粮食占有量的变化影响从高值区向东西两侧递减。河西走廊水资源短缺，生态环境脆弱，发展粮食生产应处理好粮食生产、经济社会发展与生态保护的关系，在生态安全的前提下促进粮食生产稳定发展。此外，统筹考虑自身发展规模与资源环境状况，发展一定规模的草畜、经济作物，有条件的县域，注重产粮大县的建设，政府政策、资金对其进行扶持，保障产粮大县以及粮农的利益。

人均粮食占有量 时空演变 GWR 驱动力 河西走廊

0 引言

粮食安全始终是关系我国国民经济发展、社会稳定和国家自立的全局性重大战略问题[1]。我国政府明确提出“以我为主、立足国内、确保产能、适度进口、科技支撑”的粮食安全新战略，并将其作为首要工作任务[2]。近年来，国内外学者在不同视角和时空尺度上对粮食安全评价[3～4]、生产力估算[4-5]、供需水平[6]、耕地因素分解[7-10]、时空格局[11-19]、成因分析[14-20]等方面进行了广泛的研究。研究表明农业要素投入、土地利用变化等因素影响粮食生产格局演化。总的来说，研究区域由全国和省区等宏观尺度向区域和市县的中微观尺度以及多尺度方向转变，中小尺度能更详尽的揭示粮食生产区域差异的空间格局[21]； 研究范围广泛，包括粮食主产区、生态脆弱区及城市化水平高的地区； 研究视角从粮食总产量、粮食单产[22-23]、人均粮食[11， 14-15， 19]、不同作物类型[4， 8， 10， 12， 18]进行分析； 粮食生产格局研究由单纯的描述性分析逐渐转向空间计量分析，重视研究单元之间的空间关联性及原因解释，在粮食变化成因分析时，注重地理空间效应。

河西走廊位于祁连山北麓，东起乌鞘岭，西与新疆交接，北部是马鬃山、龙首山和合黎山，总面积27.1万km2，占甘肃省面积的60%，绿洲面积占区域面积的24%，属西北内陆极干旱区，降水稀少，气候干燥，风大沙多，生态环境脆弱。该区光照充足，昼夜温差大，有利于有机物质积累和瓜果糖分积累，源于祁连冰川积雪区的石羊河、黑河、疏勒河三大流域浇灌的灌溉农业发达，是我国的重要商品粮基地之一，为保障甘肃省粮食安全做出重要贡献，现进行农业结构调整，发展特色农业和绿洲节水高效农业(图1)。

由于各研究单元人口数量的差异，从粮食总产的角度探讨粮食生产时空格局演变并不能很好的反应粮食生产格局的变化，而人均粮食占有量是反映区域粮食供给水平、安全程度的重要指标[14]。在研究区域上，粮食生产与安全多集中在粮食主产区与经济发展迅速的粮食主销区，对于生态环境脆弱的西部地区的研究较少。基于此，文章以河西走廊20个县域为研究单元，通过人均粮食占有量变化指数模型与空间自相关分析，对河西走廊1990～2014年县域人均粮食占有量的时空格局进行分析，运用地理加权回归(GWR)模型探索演化的驱动因素。

图1 研究区域概况

1 研究方法与数据来源

1.1 空间自相关分析模型

探索性空间数据分析是分析事物空间分布模式和空间差异变化，揭示研究对象之间的空间相互作用机制的一种有效工具，分为全局空间自相关和局部空间自相关[24]。Global Moran′s I指数根据要素位置和要素值来度量空间自相关，Local Moran′s I指数可标识在模型中具有相似属性值的要素的空间聚类。

1.2 人均粮食占有量变化指数模型

参考刘玉的人均粮食变化指数模型[19]，人均粮食占有量年增长指数是指区域某时间段内各县域人均粮食占有量的年增长速度：

(1)

式(1)中，Si为i县人均粮食年增长指数，Git1、Git2分别表示i县域在t1、t2年的人均粮食占有量。

人均粮食占有量比较优势指数(AIi)是指i县域某个年份人均粮食占有量与区域人均粮食占有量的比值：

(2)

人均粮食增长比较优势指数(CIi)是指i县域某时间段内人均粮食占有量年增长指数(Si)与区域同期年增长指数(S)的比值。

(3)

1.3GWR模型

地理加权回归(GWR)模型是将空间结构嵌入线性回归模型中，探测空间关系的非平稳性。该模型改进了普通线性回归(OLS)模型，可以清楚地展示空间结构分异，得到的参数估计可进行统计检验。模型参数的估计时，常用的空间权函数包括距离阈值法、距离反比法、Gauss函数法与截尾型函数法。模型对特定权函数的带宽很敏感，常用的权函数带宽的优化方法有交叉验证方法、AIC准则、贝叶斯信息准则[25]。

1.4 数据来源

该文数据主要来源于《新中国60年·甘肃》、《甘肃统计年鉴》(2010～ 2015)《甘肃农村年鉴》(1992～2014)。以河西走廊20个县或县级市为研究单元，选取1990年、2000年和2014年为研究断面，以县域人均粮食占有量为指标，研究河西走廊人均粮食占有量时空格局和驱动机制。为消除偶然因素的影响，粮食产量采用相应年份近3年的均值。

2 河西走廊的人均粮食占有量变化

2.1 人均粮食占有量的时间序列特征分析

从图2可知， 1990～2014年，河西走廊人均粮食占有量经历了波动增长-急剧减少-持续增长3个阶段。第一阶段为1990～1998年，由于农业投入的增加与农业科技的进步，人均粮食占有量波动增长，由493.20kg增长到558.58kg，累计增长65.38kg。第二阶段为1999～2003年，受市场粮价下跌以及农业结构调整的影响，人均粮食占有量急剧减少， 2003年减少到最低值436.69kg，累计减少121.89kg。1995年和2000年，包括河西走廊在内甘肃省遭遇严重的旱灾[26]，人均粮食出现低值点。第三阶段为2004～2014年，人均粮食占有量持续增长。2004年国家出台了保护耕地、按最低收购价托市收购粮食、减免税收、建立直接补贴制度、加大投入等一系列政策措施调动农民种粮积极性， 2014年人均粮食占有量达605.97kg，累计增长169.28kg。全国人均粮食占有量、甘肃省人均粮食占有量与河西走廊有相似的变化趋势，各阶段之间转折年份略有不同； 全国人均粮食占有量各阶段转折年份为1998年、2003年，甘肃省人均粮食占有量各阶段转折年份为1998年、2002年。河西走廊与甘肃省的人均粮食占有量差值从200kg下降到160kg，河西走廊与全国的人均粮食占有量差值从120kg增长到160kg，全国与甘肃省的人均粮食占有量差值从80kg下降到0kg(图3)。河西走廊人均粮食对甘肃省人均粮食保障作用略有下降，对全国人均粮食保障作用有所上升，甘肃省人均粮食达到全国平均水平。

2.2 人均粮食占有量空间分异状况

参考前人研究[14]，该文按Git把各县划分为严重缺粮区(<150kg)、一般缺粮区(150～300kg)、基本自给区(300～400kg)、一般余粮区(400～600kg)、重要余粮区(>600kg)。从图4可知，重要余粮区由1990年的6个增加到2000年的7个， 2014年进一步增加到8个，集中分布于河西走廊中东部的张掖市、凉州区和永昌县； 一般余粮区由1990年的6个减少到2000年的5个， 2014年进一步减少到3个，分散分布于石羊河流域下游的民勤县、东部的古浪县以及中部的金塔县； 基本自给区1990年为2个， 2000年和2014年均为3个，除祁连山北麓的肃州区外，集中分布于西部的肃北县和玉门市； 一般缺粮区1990年和2000年均为2个， 2014年增加到3个，分散分布于东部的金川区、天祝县及西部的瓜州县； 严重缺粮区1990年为4个， 2000年和2014年均为3个，除中部的嘉峪关市外，集中分布于西部的敦煌市和阿克塞县。

图2 河西走廊、甘肃省和全国的人均粮食占有量 图3 河西走廊、甘肃省与全国之间人均粮食占有量差值

图4 河西走廊人均粮食占有量空间格局

图5 1990～2014年人均粮食占有量增长类型

2.3 人均粮食占有量增长类型分析

基于1990年的AI和1990～2014年间的CI将河西走廊县域划分为5类(图5)。

Ⅰ类。人均粮食占有量高，快速增长型(AI>1且CI>1)：共4个县域，分布于河西走廊中部的临泽县以及祁连山北麓的甘州区、民乐县和永昌县，该区水土资源组合较好；

Ⅱ类。人均粮食占有量低，快速增长型(AI≤1且CI>1)：共7个县域，是研究时期内的主要类型，除西部的阿克塞县外，在祁连山北麓分布较为集中；

Ⅲ类。人均粮食占有量缓慢变化型(1≥CI>0)：共3个县域，黑河中游的高台县增长较快，石羊河流域下游的民勤县和西部的肃北县缓慢增长；

Ⅳ类。人均粮食占有量高，迅速减少型(AI>1且CI≤0)：共4个县域，主要分布在酒泉市的肃州区、金塔县、敦煌市和瓜州县；

Ⅴ类。人均粮食占有量低，迅速减少型(AI≤1且CI≤0)：共2个县域，中西部的嘉峪关市和玉门市，优质蔬菜、果品、食用菌等特色产业发展较快。

河西走廊县域人均粮食增长以总产低、快速增长型为主； 中东部的张掖市、永昌县、凉州区等地粮食生产作用日益明显； 中西部的酒泉市、嘉峪关市调整农业结构，发展特色农业与高效节水农业，区域人均粮食占有量迅速下降。

2.4 县域人均粮食占有量的探索性空间分析(ESDA)

2.4.1 人均粮食占有量的总体空间格局

计算河西走廊人均粮食占有量的GlobalMoran’sI值，结果显示，GlobalMoran’sI全部为正， 1990～1998年、2007年和2008年未通过显著性检验，人均粮食占有量的高值和低值可能呈现随机分布状态，人均粮食占有量生产的空间格局表现出一定的不稳定性。1999年、2006年和2009年通过p=0.1的显著性检验， 2000～2005年、2010年通过p=0.05的显著性检验， 2011～2014年通过p=0.01的显著性检验，存在正的空间自相关， 1990年Moran’sI为0.126， 2000年Moran’sI为0.268， 2014年Moran’sI为0.421，Moran’sI值随着时间推移呈现波动性增大的趋势，说明1999～2006年、2009～2014年总体空间关联度在提高； 河西走廊人均粮食占有量比较接近的县域呈集中分布趋势，即人均粮食占有量比较高(低)的县域，其周边县域的人均粮食占有量也比较高(低)； 人均粮食占有量接近的县域在空间上趋同性增强。

2.4.2 人均粮食占有量局部空间自相关分析(LISA)

根据p=0.05的LISA聚类图可知(图6)， 1990年高值区为中部为黑河河谷盆地的高台县，该区自身和区域周边人均粮食占有量均显著较高(显著HH)； 2000年高值区增加了黑河流域的临泽县； 2014年高值区继续向东南方向扩散，河西走廊中部的民乐县、山丹县和临泽县成为高值区，且西部的敦煌市成为低值区，该区自身和区域周边人均粮食占有量均显著较低(显著LL)； 1990年、2000年和2014年3个时间段未出现自身人均粮食较高而周边地区人均粮食较低(显著HL)的县域和自身人均粮食较低而周边地区人均粮食较高(显著LH)的县域，这可能与研究的县域数量较少有关。高值区与低值区的县域数增加，研究时段内人均粮食占有量高高聚集和低低聚集态势增强，粮食生产地域分工和空间趋同性更加明显。

图6 河西走廊县域人均粮食占有量的LISA聚类分析注： 1990年和2000年未出现显著LL、显著LH和显著HL， 2014年未出现显著LH、显著HL

3 人均粮食占有量变化的驱动力分析

上述分析发现，河西走廊人均粮食占有量表现出较强的空间自相关性，空间聚集特征较为显著，因此，较普通最小二乘法(OLS)，采用GWR模型解释人均粮食占有量变化的驱动因素可能效果更好。

人均粮食占有量具有显著的空间异质性和较强的时间异质性，要素投入的改变、粮食生产经济效益的变化、社会需求的改变、经济社会的发展、自然环境的变化、人口数量的增减均导致人均粮食占有量地域格局发生变化[15， 29-30]。基于此，该文用2014年相对于1991年的人均gdp、非农就业机会、种植结构、人均牛羊肉、复种指数、有效灌溉面积比率、亩均农业机械总动力、当年造林面积、人均耕地面积和单位面积产量作为GWR模型回归分析的解释变量。为方便计算，各项指标做标准差标准化。

在ArcGIS中选择FIXED核类型和CV带宽方法做局域估计。采用F检验对GWR模型回归方程及回归系数进行显著性检验。结果表明GWR模型回归方程的回归效果显著，人均牛羊肉、有效灌溉面积比率、亩均农业机械总动力和当年造林面积不显著，其他解释变量均通过p=0.05的显著性检验。

用剩余6个变量做OLS分析，其R2为0.928，AdjustedR2为0.895，AICc值为17.059，而GWR模型得到的R2为0.978，AdjustedR2为0.939，AICc值为56.930，说明GWR模型的模拟结果更合理。GWR模型估计的种植结构、复种指数、人均耕地面积和单位面积产量的回归系数在各县域均为正值，非农就业机会和人均GDP的回归系数在各县域有正有负。GWR模型能解释人均粮食占有量变化的90.95%～98.14%，拟合程度好。

从1991～2014年人均粮食占有量变化的回归系数估计(图7)可见，影响人均粮食占有量变化的解释变量的重要程度不同，从大到小依次为：种植结构、复种指数、人均耕地面积、单位面积产量、非农就业机会和人均GDP。

其中种植结构对人均粮食占有量的变化起到较强的推动作用，种植结构的回归系数均值达0.781，影响程度以河西走廊中部的张掖市为中心向东西两侧递减，东部的金川区、民勤县和古浪县高于其南部县域。西部的敦煌市、瓜州县等地水资源相对匮乏，粮食作物耗水量较大，且经济作物的比较效益较高，该区压缩高耗水作物，发展林果、瓜菜为主的高效节水农业，人均粮食占有量下降明显，但其重要程度在所有驱动因素中仍最大。历史上，张掖市、武威市有“金张掖，银武威”之称，农业开发历史悠久，受区位条件和传统观念等因素的影响，种植结构对粮食产量的作用较大。

图7 人均粮食占有量变化GWR模型的回归系数估计分布

复种指数的变化与人均粮食占有量呈正相关，回归系数以民乐县、山丹县和金昌市为中心向东西两侧递减，东部的天祝县和古浪县低于其北部县域。复种指数与耕作制度、农户的种植意愿有关，充足的农村劳动力，较高的粮食种植意愿，粮食作物的复种指数较高。张掖市、武威市的农业人口较多，粮食种植维持在一定比重，复种指数贡献较大； 玉门市以西的县域经过流域综合治理，压粮扩经，复种指数贡献较小。

人均耕地面积的变化与人均粮食占有量也呈正相关，回归系数以西部的瓜州县和肃北县为中心向东西两侧递减，中部的金塔县高于其南部县域。人均耕地面积较大，易于产生规模效益，其对人均粮食占有量的影响主要与粮食单产有关，还受种植结构影响，单产越高、粮食作物种植比例越大，人均耕地面积产出的粮食越多。酒泉市积极培育新型农业经营主体，以转包、出租、互换、转让、股份合作等形式流转土地，建成多个规模经营示范点，人均耕地面积表现出的贡献较大，敦煌市的单产贡献最大，但种植结构的贡献较小，人均耕地面积的贡献适中，金昌市和武威市的单产贡献较小，种植结构贡献较大，规模效应有待提高。

单位面积产量对人均粮食占有量的变化起到正向作用，回归系数自西向东递减，东部的永昌县和凉州区高于其北部县域。一个粮食作物种植比例高的地区，人均粮食占有量的变化对粮食单产的依赖较小。玉门市以西的县域由于粮食作物占比较低，单产的影响较大，影响程度高于复种指数。张掖市、金昌市的种植结构贡献较高，单产贡献较低。东部的武威市人均粮食播种面积较大，人均粮食占有量对单产依赖偏小。

非农就业机会的变化与人均粮食占有量的回归系数自西向东减少，中部的肃州区和金塔县高于其南部县域，玉门市以西的县域影响程度大于复种指数，敦煌市的影响程度仅次于种植结构，正值区为嘉峪关市及其以西的县域，该区农民人均粮食播种面积较小，一部分农民从事非农事业，一部分农民通过土地流转、参加专业合作社，以粮食生产作为主要收入来源，专业化经营，易于产生规模效益，武威市、金昌市和张掖市的农民人均粮食播种面积较大，在现有耕作水平下，非农就业带来的农业劳动力的减少以及老弱化会导致耕地不能充分耕种，对人均粮食占有量产生负面影响。

人均GDP对人均粮食占有量变化的影响自西向东降低，回归系数均值为-0.245，中部的肃南县低于其北部县域。正值区为嘉峪关市以西的县域，敦煌市的回归系数大于复种指数，该区收入的增长增加了对农业方面的投入，改善农业生产条件，对人均粮食占有量起到正向作用，粮食生产的比较效益低，武威市和金昌市在经济发展过程中部分耕地由城乡建设用地替代或发展设施农牧业和特色林果业，出现耕地非农化、非粮化现象，非农就业也对人均粮食占有量产生负面影响。

4 结论与展望

4.1 结论

(1)1990～2014年，河西走廊人均粮食占有量经历了波动增长-急剧减少-持续增长3个阶段； 县域人均粮食占有量增长以产量低、快速增长型为主，中东部的张掖全市、永昌县、凉州区等地粮食生产作用日益明显； 人均粮食占有量总体空间关联度在提高，高高聚集和低低聚集态势增强，部分年份可能呈现随机分布状态。

(2)人均粮食占有量的驱动因素中，种植结构>复种指数>人均耕地面积>单位面积产量>非农就业机会>人均GDP，玉门市以西的县域非农就业机会大于复种指数； 非农就业机会和人均GDP的回归系数在各县域有正有负，其余均为正； 驱动因素表现出过渡性、空间分异性特征，单位面积产量、非农就业机会和人均GDP的变化对人均粮食占有量的影响具有空间分异性特征； 种植结构、复种指数和人均耕地面积对人均粮食占有量的变化影响以高值区向东西两侧递减。

4.2 展望

河西走廊水资源短缺，生态环境脆弱，发展粮食生产应处理好粮食生产、经济社会发展与生态保护的关系，在生态安全的前提下促进粮食生产稳定发展。此外，统筹考虑自身发展规模与资源环境状况，发展一定规模的草畜、经济作物，有条件的县域，注重产粮大县的建设，政府政策、资金对其进行扶持，保障产粮大县以及粮农的利益。划定永久基本农田，保持一定数量的粮食播种面积，防止出现粮食大减产，推进土地整治、中低产田改造，对于灌区末端水利条件较差，或绿洲边缘毗邻戈壁、沙漠地区质量较差的耕地，考虑退耕封育。加强农田水利、农业气象服务等基础设施建设，发展新型农业科技，复种指数适当调减，控制农田灌溉配水规模，实施灌区节水改造工程，推广高效节水灌溉技术，发挥河西制种基地的优势，培育优良品种，注重高产田的建设，优化粮食生产布局，重视高产田的空间集聚，提升农村劳动力素质，提高农业劳动生产率，发展规模化的经营模式，科学配方施肥，可探索适度减少化肥、农药等化学投入的经济机制，实行化学投入风险担保政策[28]，推进粮食绿色生产。

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SPATIO-TEMPORAL EVOLVEMENT AND ITS DRIVING FACTORS OF PER CAPITA GRAIN POSSESSION AT COUNTY LEVEL IN HEXI CORRIDOR*

Xu Yunlin，Shi Peiji※，Li Jiafang，Wang Yongnan,Zhou Wenxia

(College of Geographic and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou，Gansu 730070，China)

Grain security is a national strategy that is related to economic development, social stability and national independence. China′s government explicitly proposed new grain security strategy, that is "taking the initiative, focusing on domestic, making sure the production capacity, moderate import, and technical support". Taking 20 counties as research units in Hexi Corridor, using the methods of ESDA and geographically weighted regression (GWR) model, the article analyzed the evolvement of spatial-temporal patterns and its driving factors of per capita grain possession. The results showed that the change characteristics of per capita grain possession fluctuated, i.e. rising, declining, and rising again from 1990 to 2014. Low production but fast growth was the main pattern in the county level of per capita grain possession, and grain production function was more obvious in Zhangye, Yongchang county and Liangzhou district where were in the middle and east of the Corridor. Overall spatial correlation of per capita grain possession increased and the state of high-high cluster pattern and low-low cluster pattern heightened. Among the driving factors of per capita grain possession change, plant structure > multiple cropping index > per capita cultivated area > yield per unit area > nonfarm employment > per capita GDP. Driving factors had transitional and spatial differentiation characteristics. The change of yield per unit area, nonfarm employment and per capita GDP impact on per capita grain possession had spatial differentiation characteristics, and the impact of plant structure, multiple cropping index and per capita cultivated area declined as the high value area to the east and the west sides. Finally, it suggested that because of the water resource shortage and vulnerable ecological environment in Hexi Corridor, for the grain production it should balance the relationship among grain production, economic and social development, and ecological protection, develop a certain scale of pasture grass, livestock and cash crops, and pay attention to construct major grain-producing counties. The Government policies and funding should protect the interests of grain farmer and major grain-producing counties.

per capita grain possession; spatial-temporal evolvement; GWR; driving factors; Hexi Corridor

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170116

2016-05-29 作者简介：许云霖(1993—)，男，山西晋中人，硕士。研究方向：城市与区域发展。※通讯作者：石培基(1961—)，男，甘肃定西人，教授、博士生导师。研究方向：城市与区域发展。Email：xbsdspj@163.com *资助项目：国家自然科学基金资助项目“河西走廊经济带绿洲型城镇簇群空间成长过程、机理及管治研究”(41271133)

F307.11； F224

A

1005-9121[2017]01101-10