基于聚類分析的新疆棉花生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究*

王靜，王莉晶，聶芳曈，郭金夢，段星汝，劉云

(塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

棉花是關(guān)系國計(jì)民生的戰(zhàn)略物資，安全穩(wěn)定的棉花生產(chǎn)是確保國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。新疆是我國第一大棉花生產(chǎn)區(qū)，棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展起著重要的作用。由于新疆棉花存在著較高的產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)和價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，棉花收入具有較大的波動性，因此，棉農(nóng)對收入保險(xiǎn)有迫切的需求[1]。自20世紀(jì)80年代以來，棉花保險(xiǎn)一直是新疆重要的特色險(xiǎn)種，目前棉花保費(fèi)收入已占全部農(nóng)作物保費(fèi)收入的50%以上，參保面積已達(dá)90%。隨著新疆農(nóng)民合作社、家庭農(nóng)場等新型經(jīng)營主體不斷發(fā)展，推行棉花收入保險(xiǎn)對于棉花產(chǎn)業(yè)及新疆農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展更具重要意義[2]。而保險(xiǎn)費(fèi)率厘定是否合理又與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃密切相關(guān)[3]，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃是棉花收入保險(xiǎn)費(fèi)率厘定的前提和基礎(chǔ)，保險(xiǎn)產(chǎn)品根據(jù)棉花種植區(qū)域的自然和社會條件厘定費(fèi)率。新疆是我國陸地面積第一大省級行政區(qū)，地域廣闊，氣候各異，不同地級區(qū)域的棉花生產(chǎn)由于氣候不同，其風(fēng)險(xiǎn)水平也明顯不同。因此，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)特征以及當(dāng)?shù)貙κ杖腼L(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知水平厘定差異化費(fèi)率。只有在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃環(huán)節(jié)充分考慮不同風(fēng)險(xiǎn)因素，體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)的科學(xué)合理性，才能科學(xué)厘定保費(fèi)率，促進(jìn)棉花保險(xiǎn)市場的發(fā)展[2]。

近年來，已有許多學(xué)者在生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方面進(jìn)行了深入的研究，并取得了很多有意義的成果。陳國榮，等[3]以森林火災(zāi)為例，采用基于熵權(quán)的TOPSIS法對全國各省份進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，在95%置信度下厘定森林火災(zāi)險(xiǎn)的區(qū)間費(fèi)率。吳垠豪，等[4]和陳軍，等[5]學(xué)者基于區(qū)域產(chǎn)量變化衡量自然風(fēng)險(xiǎn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響視角進(jìn)行了農(nóng)作物生產(chǎn)保險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究。袁祥州[6]以湖北省三個(gè)地級區(qū)域級水稻產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)評估為案例，定量評價(jià)了地級區(qū)域水稻產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)的低估程度。李文芳，等[7]與何青華[8]使用非參數(shù)信息擴(kuò)散模型，選取不同指標(biāo)對小麥生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了區(qū)劃。此外，基于不同的研究對象眾多學(xué)者運(yùn)用不同的方法在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方面做了大量的工作，得出了一系列重要的結(jié)論[9-14]。現(xiàn)行棉花生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)劃，受人為因素的影響較大，尚缺乏科學(xué)理論依據(jù)，也未能科學(xué)反映區(qū)域之間風(fēng)險(xiǎn)水平的差異。基于此，作者結(jié)合新疆棉花單產(chǎn)記錄的豐富數(shù)據(jù)資料，通過構(gòu)建新疆棉花收入風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)體系對棉花收入風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級區(qū)劃，也為其他經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃工作的開展提供理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)來源及分析

數(shù)據(jù)均來自歷年《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》及新疆維吾爾自治區(qū)國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)。搜集并整理了新疆主要棉花生產(chǎn)區(qū)域(地區(qū)、自治州、市)1990～2019年的棉花種植面積、棉花總產(chǎn)量、農(nóng)作物種植面積等的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，用非參數(shù)擴(kuò)散模型估計(jì)新疆13個(gè)區(qū)域的棉花風(fēng)險(xiǎn)損失。新疆13個(gè)區(qū)域1990～2019年棉花單產(chǎn)數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。

表1 各地級區(qū)域棉花單產(chǎn)(kg/hm2)序列的基本統(tǒng)計(jì)量

2新疆棉花生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)損失率的估計(jì)

影響棉花產(chǎn)量的綜合風(fēng)險(xiǎn)因素有很多，主要包括社會風(fēng)險(xiǎn)與自然風(fēng)險(xiǎn)兩方面的因素。因而選取新疆13個(gè)地級區(qū)域1990～2019年的棉花單產(chǎn)數(shù)據(jù)來計(jì)算其歷年棉花的單產(chǎn)減產(chǎn)率，并利用非參數(shù)信息擴(kuò)散模型計(jì)算出各地級區(qū)域棉花單產(chǎn)減產(chǎn)率超過某一閾值的概率值。

2.1 應(yīng)用非參數(shù)信息擴(kuò)散模型

影響農(nóng)作物產(chǎn)量水平的因素很多，首先是生產(chǎn)力方面的因素，包括生產(chǎn)水平、基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)規(guī)模等，這些因素決定農(nóng)作物單產(chǎn)的長期趨勢性；其次是自然風(fēng)險(xiǎn)方面的因素，包括地形地貌、氣溫降水等，該因素決定農(nóng)作物單產(chǎn)的隨機(jī)波動性。因此，新疆各地級區(qū)域棉花單產(chǎn)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)同時(shí)具有確定性趨勢和隨機(jī)波動性特征。鑒于ARIMA(p, d, q)模型可以較好地反映時(shí)間序列的確定性趨勢和隨機(jī)性特征。本文使用Eviews 8.0軟件來選取最優(yōu)的ARIMA(p, d, q)模型對棉花單產(chǎn)序列進(jìn)行擬合，并將得到的新疆歷年棉花單產(chǎn)的趨勢值作為對應(yīng)年份棉花單產(chǎn)的理論值，據(jù)此計(jì)算歷年棉花單產(chǎn)減產(chǎn)率。其計(jì)算公式如下(1)。

(1)

設(shè)棉花產(chǎn)量損失率為l，且l∈[0,1],某地第t年的產(chǎn)量損失率的樣本觀測數(shù)據(jù)為xi(t=1,2,3,…,T)。設(shè)xi所包含的信息按正態(tài)分布規(guī)律擴(kuò)散給損失率樣本空間[0, 1]里的所有樣本點(diǎn)l，則其信息擴(kuò)散模型為(2)。

(2)

式中h是信息擴(kuò)散系數(shù)。為簡化計(jì)算過程，實(shí)際應(yīng)用中一般將產(chǎn)量損失率l的樣本空間[0,1]平均分成m份，0=l1

(3)

(4)

2.2 產(chǎn)量損失率及其概率估計(jì)

使用Eviews 8.0軟件及相關(guān)統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)可得，各區(qū)域棉花單產(chǎn)趨勢模型見表2。

表2 各地級區(qū)域棉花單產(chǎn)趨勢模型

運(yùn)用非參數(shù)信息擴(kuò)散模型對以上各地級區(qū)域棉花單產(chǎn)減產(chǎn)率的概率進(jìn)行估計(jì)，將產(chǎn)量損失率l的樣本空間[0,1]平均分成21份。0=l1

表3 各地級區(qū)域棉花風(fēng)險(xiǎn)損失率的概率分布

由表3可知，各地級區(qū)域棉花風(fēng)險(xiǎn)損失率大于30%的概率幾乎為0，說明新疆在棉花生產(chǎn)方面有很大優(yōu)勢；但是在一定的風(fēng)險(xiǎn)損失程度下，各地級區(qū)域發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)損失的可能性有較大差異，如和田、塔城和哈密等區(qū)域發(fā)生一定程度風(fēng)險(xiǎn)損失的概率較其他區(qū)域大。

3新疆棉花產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

3.1 主導(dǎo)指標(biāo)的選擇及其分析

棉花的生產(chǎn)離不開自然環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)技術(shù)等條件，這些因素是棉花生產(chǎn)的主要風(fēng)險(xiǎn)因子。本文根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的特征以及聚類分析的要求，選擇以下四個(gè)指標(biāo)對新疆棉花生產(chǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，各區(qū)劃指標(biāo)的含義及類型如下。

X1為各地級區(qū)域棉花單產(chǎn)變異系數(shù)，是綜合性指標(biāo)，它反映了新疆各區(qū)域棉花生產(chǎn)的波動情況。該指標(biāo)值越小，表明各地級區(qū)域棉花生產(chǎn)越穩(wěn)定，生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)越小。計(jì)算棉花單產(chǎn)的波動水平即變異系數(shù)。

X2為各地級區(qū)域棉花單產(chǎn)減產(chǎn)率超過某一閾值的概率，是自然風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。為了能較充分地反映各地級區(qū)域的自然風(fēng)險(xiǎn)狀況，選取單產(chǎn)減產(chǎn)率超過10%和20%的概率作為其中的兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)。

X3為各地級區(qū)域棉花生產(chǎn)的專業(yè)化指數(shù)，是棉花生產(chǎn)規(guī)模指標(biāo)；專業(yè)化指數(shù)主要考察棉花的規(guī)模情況。通常規(guī)模面積越大，一旦發(fā)生自然災(zāi)害，受到損失的可能性也就越大。專業(yè)化指數(shù)計(jì)算公式為(5)。

(5)

式中SAIij表示棉花的專業(yè)化指數(shù)，CSij表示各地級區(qū)域棉花的播種面積，CSi表示各地級區(qū)域農(nóng)作物的總播種面積，CSj表示新疆棉花播種面積，CS表示新疆農(nóng)作物的總播種面積。當(dāng)SAIij>1時(shí)，說明該地級區(qū)域棉花的生產(chǎn)規(guī)模超過了全疆平均水平，該地級區(qū)域棉花生產(chǎn)規(guī)模較大。當(dāng)SAIij<1時(shí)說明該地級區(qū)域棉花生產(chǎn)規(guī)模低于全疆平均水平。

X4各地級區(qū)域棉花生產(chǎn)的效率指數(shù)，棉花生產(chǎn)效率指標(biāo)。效率指標(biāo)的高低反映了各地級區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的生產(chǎn)能力。其計(jì)算公式為(6)。

(6)

其中APij為i區(qū)域棉花單產(chǎn)；APj為全疆棉花平均單產(chǎn)。EAij>1表明與全疆平均水平相比，i區(qū)域棉花生產(chǎn)具有效率優(yōu)勢，其風(fēng)險(xiǎn)水平較低；反之則較高。

3.2 權(quán)重確定和模型構(gòu)建

在根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的過程中，各指標(biāo)的權(quán)重起著非常重要的作用。基于所構(gòu)建的指標(biāo)體系，采用因子分析法進(jìn)行加權(quán)綜合來進(jìn)行棉花產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)評估，得出各公共因子得分，為聚類分析提供數(shù)據(jù)。

3.2.1 KMO和Bartlett檢驗(yàn)

KMO檢驗(yàn)是比較變量間簡單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的方法。KMO統(tǒng)計(jì)量的取值在0和1之間。KMO值越接近于1，意味著原有變量越適合作因子分析。

Bartlett球形檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)相關(guān)陣中各變量間的相關(guān)性是否為單位陣，即檢驗(yàn)各個(gè)變量是否相互獨(dú)立[15]。對數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn)

由表4可以看出，KMO檢驗(yàn)量的度量值為0.455(>0.45)，Bartlett球形檢驗(yàn)的度量值為0.017(<0.05)，故適合作因子分析。

3.2.2 確定公共因子的個(gè)數(shù)和命名

當(dāng)滿足累計(jì)貢獻(xiàn)率大于70%的條件時(shí)，釆用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法對因子旋轉(zhuǎn)后得到的載荷矩陣和方差貢獻(xiàn)率(見表5)。

表5 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣和方差貢獻(xiàn)率

因子1為產(chǎn)量致災(zāi)因子，包括單產(chǎn)變異系數(shù)、專業(yè)化指數(shù)和效率指數(shù)，這三個(gè)指標(biāo)反映了單產(chǎn)的高低。因子2為產(chǎn)量綜合自然風(fēng)險(xiǎn)因子，本文選用各地級區(qū)域的棉花單產(chǎn)減產(chǎn)率來近似代替綜合自然風(fēng)險(xiǎn)損失率。它包括棉花單產(chǎn)減產(chǎn)率超過10%的概率和棉花單產(chǎn)減產(chǎn)率超過20%的概率。

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 25.0，得出棉花產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)各因子的得分系數(shù)矩陣，進(jìn)一步計(jì)算得出各地級區(qū)域公共因子的得分。具體結(jié)果見表6。

表6 各地級區(qū)域棉花產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)因子得分

4新疆棉花產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)評估及區(qū)劃

4.1 聚類分析

為了綜合評價(jià)新疆棉花生產(chǎn)在各地級區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)大小，這里采用系統(tǒng)聚類法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。使用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 25.0對以上影響新疆13個(gè)地級區(qū)域棉花產(chǎn)量風(fēng)險(xiǎn)的分類指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，將聚類結(jié)果確定為3類，聚類譜系圖見圖1。

圖1 聚類譜系圖

4.2風(fēng)險(xiǎn)評估

從圖1可以看出，新疆棉花產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃具有一定的地域完整性，所劃分的區(qū)域具有連片的特點(diǎn)。克拉瑪依市處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要有烏魯木齊市、昌吉回族自治州、博爾塔拉蒙古自治州、塔城地區(qū)、巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區(qū)和和田地區(qū)；低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要包括吐魯番地區(qū)、哈密地區(qū)、阿克蘇地區(qū)和伊犁哈薩克自治州。將新疆棉花生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)分為高、中和低三個(gè)區(qū)域。據(jù)此給出各地級區(qū)域棉花產(chǎn)量的風(fēng)險(xiǎn)等級分區(qū)見表7。

表7 新疆棉花各地級區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃表

為了更加直觀的對比各區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)狀況，表8給出反映各區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)程度的指標(biāo)數(shù)據(jù)。

表8 各區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)程度的指標(biāo)數(shù)據(jù)

5結(jié)論

新疆總面積占中國陸地面積大約六分之一(166萬km2)，地域廣闊，氣候條件千差萬別，農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備參差不齊，不同地級區(qū)域的棉花生產(chǎn)由于氣候不同，其收入風(fēng)險(xiǎn)水平也明顯不同。本文以新疆地級區(qū)域?yàn)榛締挝唬靡蜃臃治龊途垲惙治龅姆椒ǎ瑢π陆藁ㄟM(jìn)行了保險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，克服了因原始指標(biāo)間存在相關(guān)性所造成的聚類偏差，區(qū)劃結(jié)果較為客觀準(zhǔn)確。區(qū)劃結(jié)果表明自然風(fēng)險(xiǎn)對棉花安全的影響在全疆呈現(xiàn)出南疆高、北疆低的區(qū)域分布及連片性特征，這與新疆各地級區(qū)域自然災(zāi)害的實(shí)際狀況是一致的。研究結(jié)果能夠?yàn)橄嚓P(guān)從業(yè)者進(jìn)行生產(chǎn)布局、發(fā)展棉花保險(xiǎn)、指導(dǎo)應(yīng)對災(zāi)害工作提供參考依據(jù)，并且具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

實(shí)際上，在自然災(zāi)害的發(fā)生概率、強(qiáng)度及抵御自然災(zāi)害的能力方面，即使在同一地級區(qū)域范圍內(nèi)也差別很大，因此，下一步有必要考慮實(shí)施更小區(qū)域單位的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，基本單位越小，越能體現(xiàn)各區(qū)域單位間的風(fēng)險(xiǎn)差異。