基于G IS 的甘肃农业生产时空格局演变及驱动因素分析

武续续 ，向万里 *，张春晖 ，刘金芳

（1.兰州交通大学交通运输学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学现代物流研究所，甘肃 兰州 730070）

目前我国已有研究成果从一定程度上反映了国家和地区等层面上粮食生产的时空演变，但对于区域内部粮食的时空演变讨论较少。甘肃地处我国内陆，地域狭长，植被较少，生态环境极易被破坏。各市域间甚至县域间的气候差异较大，粮食产量波动不稳，粮食安全问题比较突出。因此，分别以市域和县域为空间单元，对甘肃省粮食生产的时空格局演变规律进行可视化分析具有一定的现实意义，并应用灰色关联模型对粮食产量的影响因素进行相关性分析，找出主要的驱动因素，对甘肃省农业发展具有重要意义。

1 研究区概况

甘肃省土地资源丰富，粮食种类多样。在地理位置上，东与陕西相邻，南与青海、四川接壤，西与新疆交汇，北与内蒙古相邻，东北与宁夏连接。甘肃地域狭长，由东南到西北气候种类丰富且差异较大，包含了湿润、寒冷、干旱等各种气候类型。土地面积居全国第七位，耕地面积辽阔，白天光照充足且昼夜温差较大，给农业的发展提供了有利条件。由于甘肃省地域间的自然条件差异明显，因此甘肃省形成了4 大特色农业区，包括河西走廊的灌溉农业区、天水南部及陇南地区的山地特色农业区、甘南及河西部分地区的高寒牧区和陇中、陇东地区的旱作农业区[1]。

2 甘肃省粮食生产时空格局演变分析

2.1 基于市州层面粮食生产空间格局演变

为了了解甘肃省粮食生产的空间移动规律，论文选取 1994年、2002年、2010年及 2018年4个年份的统计数据，对粮食产量的移动特点进行可视化分析，可以更加清晰地反映出1994—2018年粮食生产的空间演变轨迹（图1）。

从图1 可以发现，甘肃省各个城市间粮食生产的差异明显。随着时间的推移，粮食生产也发生了一定的转移，但相邻的城市间粮食的总产也有一定的趋向。陇东地区光照资源充足，耕地面积广，是甘肃省主要的产粮区，多年来一直保持高产，素有“陇东粮仓”之称。张掖、武威以及白银随着近些年的发展已经成为甘肃中西部城市群的主要粮食生产基地。所以，甘肃省市域间粮食生产的差异较大，河西地区张掖、酒泉、武威及白银等市光热资源丰富、土地质量好，灌溉农业发达，是甘肃省的主要商品粮基地[2]。由于近年来政府对旱作农业小麦等粮食作物的重视，庆阳、定西、陇南、天水、平凉等陇东、陇中旱作雨养农业区逐渐发展为甘肃省粮食主要产区[3]。

2.2 基于县域层面粮食生产空间格局演变

从图1 可以看出，甘肃省各个市州粮食产量的分布情况以及大致的空间演变方向，但是要分析空间格局的演变，基于市州层面的视角过大，每个城市内部也相应地存在着地理以及经济的差异，也有一定的空间演变规律。为了更加全面地分析甘肃省粮食产量的区域分布情况，以县域为单元，进行可视化分析。因此，选取 1994年、2002年、2010年及 2018年各个县域的统计数据，分析1994—2018年各个县域粮食生产的演变轨迹（图2）。

图1 甘肃省各市（州）粮食产量空间分布图

图2 甘肃省各县（区）粮食产量空间分布图

从图2 可以看出来，1994—2018年甘肃省县域粮食生产也存在很大的差异，甘州区、凉州区是甘肃省传统的粮食主产区，是甘肃省粮食生产分布较为平稳的区域。但随着时间的推移，粮食高产县域也在逐步向东转移，中部的会宁县、定西市安定区、临洮县、通渭县以及东部的宁县、镇原县、环县等县域的粮食产量也在逐步地增加。具体来说，以县域为空间单元的粮食主产区存在由西向东转移的态势[4]。河西地区甘州、民乐、永昌、凉州、肃州等县（区）光热资源丰富、土地质量好，灌溉农业比较发达，2000年以前相比其他的县级单元，粮食产量一直比较高[5]。2007年后，甘肃省开始重视旱作农业，加大了对陇中、陇东地区旱作农业的投资，粮食主产区发生了转移[5]，由河西地区向陇中、陇东地区转移，陇中的景泰、靖远、会宁、陇西、通渭等县以及陇东的宁县、镇原、环县、静宁等县粮食产量逐年上升，逐渐成为甘肃省主要的商品粮基地。

3 甘肃省粮食生产时空格局演变驱动因素分析

3.1 研究方法

灰色关联分析法是一种定量的分析方法，主要用来分析母子序列之间的关联程度。为了更好地说明各项因素指标对甘肃省粮食作物演变影响的显著程度，采用灰色关联分析法，探索影响因素中哪些因素与甘肃省粮食作物的生产演变是高度相关的，以期为甘肃省粮食生产的可持续发展提供参考。灰色关联模型构建过程如下。

确定分析序列，甘肃省粮食总产量构成母序列，各影响因素构成子序列，母子序列构成原始指标数据序列。

由于各个影响因素的量纲不相同，为了便于比较，将原始数据进行无量纲化处理，本文采用的是均值法对原始指标数据序列进行无量纲化处理[6]，计算公式：

求差序列，计算公式：

计算母序列与子序列之间的关联系数，计算公式：

式（3）中，ε是分辨系数，取值范围在[0，1]之间，一般取ε=0.5。

计算关联度，计算公式：

3.2 实证分析

本文结合已有的研究成果及甘肃省粮食生产的实际情况，选取甘肃省粮食产量（Y）（万t）为参考序列[7]，粮食播种面积（X1）（千 hm2）、粮食单位面积产量（X2）（kg/hm2）、农业机械水平（X3）（%）、农用化肥使用量（X4）（万 t）、农业生产资料价格指数（X5）、有效灌溉面积（X6）（千 hm2）、区域经济状况（X7）（元）、受灾面积（X8）（千 hm2）、第一产业从业人员（X9）（万人）、农业支出（X10）（万元）等10个影响因素为比较序列，建立灰色关联模型，其中区域经济状况（X7）在数值上用人均GDP 来表示。

运用SPSSAU 进行灰色关联分析，在灰色关联分析时，分辨系数取0.5，结合公式（3）计算出关联系数值，并根据关联系数值，计算出粮食产量与各影响因素之间的关联度，并确定关联排序，以用于评价判断，具体的计算过程不再叙述。为了更加准确地描述甘肃省粮食产量和和各影响因子之间的关联度，分别按照 1994—2006年、2006—2018年、1994—2018年3个时间段进行分析，结果如表1 所示。

从表1 可以看出，1994—2006年针对本次10个评价项，粮食单位面积产量（kg/hm2）的综合评价最高（关联度为0.951），其次是有效灌溉面积（千hm2）（关联度为 0.936）。在 2006—2018年针对本次10个评价项，粮食单位面积产量（kg/hm2）的综合评价最高（关联度为0.941），其次是农业生产资料价格指数（关联度为0.939）。对于1994—2018年这一总时期，针对本次10个评价项，也是粮食单位面积产量（kg/hm2） 的综合评价最高（关联度为0.955），其次是有效灌溉面积（千hm2）（关联度为0.897），第三是农用化肥使用量（万t）（关联度为0.844）。因此可以得出结论，对甘肃省粮食生产时空格局演变影响最大的是粮食单位面积产量。此外，农业化肥使用量、有效灌溉面积和甘肃省粮食产量的关联性也是比较强的。

表1 不同时期甘肃省粮食产量影响因素灰色关联度及排名

4 结论

通过对甘肃省粮食生产的时间尺度、空间分布以及影响因素综合分析，可以得出如下结论：一是甘肃省粮食生产的地域性差异较大，河西地区依靠发达的灌溉农业，粮食产量逐年增加。2007年后，甘肃省大力发展小麦等旱作农业，陇中的景泰、会宁、陇西、通渭等县以及陇东的宁县、镇原、环县、静宁等县的粮食产量逐年上升，陇东、陇中旱作农业区发展成为甘肃省粮食的主要产区。甘肃粮食主产区由河西地区向陇中、陇东地区转移。二是通过灰色关联分析发现，在1994—2018年粮食单位面积产量与粮食产量高度相关，因此必须加大各种相关要素的投入，努力提高粮食单位面积产量。有效灌溉面积和农用化肥使用量也是影响粮食生产时空演变的重要因素。农业上的支出虽然从1994年来逐年增加，但是和甘肃省粮食总产的关联性是非常弱的，因此农业的支出很难拉动粮食的增产。因此，加强现代农田建设、抓住水利设施建设、保证粮食作物的有效灌溉面积、提高水资源利用率等也是提升粮食生产能力的有效途径。农用化肥的使用可以提高粮食作物的单位面积产量，增加粮食作物的产量。但是过量施用化肥不仅会使土壤的性状恶化，降低农产品的品质，还会破坏农业生态环境，所以应该从提高化肥的利用率和绿色有机肥的使用等角度考虑，合理施用化肥，以提高粮食产量。