寧夏主要糧食作物種植結構的時空變化特征

陳紅翔，王炳瑩

（寧夏師范學院 資源環境與生命科學學院，寧夏 固原 756000）

0 引言

2022年中央一號文件中“糧食”一詞出現了23次，主要強調了全力抓好糧食生產和重要農產品供給、強化現代農業基礎支撐2個方面的內容。糧食生產是國民經濟的基礎，必須居安思危、緊抓不懈，此次新冠疫情防控阻擊戰又一次證明了糧食安全的“壓艙石”作用［1］。2000年以來，無論從人均糧食占有量還是糧食供求平衡關系來看，當前都是我國糧食安全水平最高的年代，2015—2019年的年人均糧食產量為476 kg，其中，年人均谷物產量為443 kg，2020年糧食又獲豐收，目前的年人均糧食產量和年人均谷物產量都高于400 kg的安全線［2］。雖然當前我國的糧食安全水平較高，但長期以來，我國油脂油料和蛋白飼料嚴重不足，大量依賴進口。因此，我國的種植結構亟需調整，筆者分析了寧夏全區多年糧食作物的種植結構，以期為進一步優化寧夏的農業生產布局，以及該地區農業生產結構的調整提供科學的依據。

潘曉卉等［3］采用2005—2015年東北地區40個市(盟)主要糧食作物播種面積的數據，運用數理統計方法，根據主要作物種植面積比重以及作物組合狀況，劃分了主要作物種植結構的類型，進而分析了東北地區主要糧食作物種植結構的時空變化。王衛東等［4］通過對1991—2016年陜西省主要糧食作物種植結構相關數據進行收集、整理和量化分析，分析了主要糧食作物(小麥、玉米、水稻)種植面積的演變特征。王連喜等［5］以江蘇省為研究區域，采用2013年1月1日—2014年12月19日46景250 m空間分辨率的MODIS-NDVI時間序列數據、2014年4月23日的MOD09A1反射率影像Landsat數據，開展了冬小麥種植面積的遙感識別。閆夢川等［6］采用決策樹方法，基于MOD13Q1數據，結合農作物物候數據和東三省土地利用數據，運用景觀指數對東三省主要糧食作物——玉米、水稻和大豆種植結構的時空演變進行了分析。夏天等［7］基于CLUE-S土地利用變化模擬模型，進行了概念模型設計、框架和模塊重建、參數本地化和校正研究，并提出了一個適用于我國農作物空間格局動態變化模擬模型(CROPS, Crop Pattern Simulator)的可行性架構，使其能夠實現區域尺度土地利用變化與農作物空間格局變化的雙層動態模擬。基于上述3種方法的研究結果可知，選取的研究區多為商品糧基地，而寧夏全區的研究較少，且采用的方法多為數理統計分析法［8］，也有少部分文獻采用了基于遙感影像的方法［9］進行了研究。因此，本文彌補了運用單一種植面積數據對寧夏全區主要糧食作物種植結構時空演變研究的不足之處，為今后的糧食作物種植結構時空演變的研究打下堅實的基礎。

本研究以寧夏全區為研究區域，主要采用數理統計分析法、遙感影像分析法、模型分析法。探究了全區主要糧食作物種植結構的時空變化，基于MOD13Q1遙感影像數據，采用決策樹方法分類提取了主要糧食作物的EVI數據層，得到各種主要糧食作物的種植面積數據，然后利用景觀指數分析了全區2000—2020年主要糧食作物種植結構的時空變化，旨在為進一步優化寧夏全區的農業生產布局，以及調整全區生產結構提供科學依據，從而加快推進全區高標準農田建設，以保障特殊時期糧食的可持續生產，促進鄉村振興和農業高質量發展。

1 研究區概況與數據源

1.1 寧夏回族自治區的概況

寧夏回族自治區位于中國西北地區，東鄰陜西省，西、北部接內蒙古自治區，西南、南部、東南部與甘肅省相連［10］。具體的地理位置如圖1所示，位于104°17′～107°39′E、35°14′～39°23′N之間，面積6.64萬km2，截至2020年，耕地面積120.10萬hm2。地形從西南向東北逐漸傾斜，丘陵溝壑林立，分為三大板塊：北部引黃灌區、中部干旱帶、南部山區。地勢南高北低，呈階梯狀下降，全區屬溫帶大陸性干旱、半干旱氣候［11］。寧夏是全國水資源最少的省區之一，大氣降水、地表水和地下水都十分匱乏，空間上分布不均，時間上變化大。水利資源在地區上的分布是不平衡的，絕大部分在北部引黃灌區，而中部干旱高原丘陵區最為缺水，不僅地表水量小，且水質含鹽量高，多屬苦水或因地下水埋藏較深，水資源灌溉利用價值較低［12］。南部半干旱半濕潤山區，河系較為發育，主要河流有清水河、苦水河、葫蘆河、涇河、祖厲河等［13］。

圖1 寧夏回族自治區概況

1.2 數據來源

本文使用的遙感影像數據是通過LAADSDA- AC網站下載的空間分辨率為250 m的MOD13Q1數據。根據農業農村部種植業管理司收集的農作物物候數據，選取2000、2005、2010、2015、2020年等5個年份中第97～321天的MOD13Q1遙感影像數據，結合中國科學院資源環境科學與數據中心下載的上述5個對應年份的寧夏回族自治區土地利用遙感監測數據，以及寧夏回族自治區統計局提供的主要糧食作物種植面積數據。

1.3 數據預處理

利用MRT軟件對5年中第97～321天的MOD13 Q1遙感影像數據批處理，提取EVI數據層。基于ArcGIS軟件平臺，將坐標系變換為投影坐標系UTM中的WGS_1984_UTM_Zone_48N，利用寧夏回族自治區行政區劃數據對變換坐標系后的數據進行掩膜提取，再將處理后對應年份的土地利用遙感監測數據中的耕地數據對上述數據再次掩膜提取，得到本研究所需的EVI數據層。打開ENVI軟件，導入數據后，利用Band Math工具去除波段中的異常值，完成數據的預處理過程。

2 研究方法

2.1 基于決策樹模型的主要糧食作物種植面積的提取

在利用MODIS數據進行農作物種植結構研究中，EVI數據層在農作物種植結構變化方面的敏感程度高于NDVI數據層，因此更適合應用于農作物的動態監測［6］。本研究基于空間分辨率為250 m的MOD13Q1遙感影像數據，通過MRT軟件對MODI3Q1時間序列數據進行批處理，提取2000、2005、2010、2015、2020年等5年的EVI數據層。基于ArcGIS軟件平臺，對數據進行變換坐標系、裁剪等預處理，通過對所采集到的玉米、小麥、薯類、水稻等作物的物候特征進行分析，并采用ENVI軟件平臺對這些作物的數據進行閾值切割，從而建立了決策樹的分類規則，構建決策樹分類模型。構建模型后，各種糧食作物數據間會出現疊加現象，在ERDAS軟件中建立模型，將冬小麥與春小麥合并，再根據實際情況對其他疊加部分重新賦值，得到主要糧食作物分類，最后，利用ArcMap軟件中的字段計算器工具計算主要糧食作物種植面積。

2.2 景觀指數

景觀格局是指大小和形狀不同的景觀要素在空間上的排列［14］，而農田生態系統的景觀格局特征及其變化可以從“質、量、形、度”4個方面來描述與分析［15］。本研究從上述4類景觀格局指數中選取斑塊密度、農作物變化幅度、斑塊聚合度、最大斑塊指數、平均斑塊面積5個景觀指標，對小麥、稻谷、薯類、玉米這4類作物的種植結構時空變化進行分析。

平均斑塊面積指農田斑塊面積的平均大小，即連片農田的平均面積，該指標在一定程度上反映了農田的破碎化，其值越小農田越破碎化［16］。最大斑塊指數是最大連片農田的面積占農田總面積的比例，反映了人類活動對農田的干擾強弱與方向［16］。斑塊密度是單位面積上農田斑塊即連片農田的數目，反映農田的空間異質性和破碎化程度，值越大空間異質性和破碎化程度就越大，其值越小種植越集中或規模化［16］。

農作物變化幅度(ΔS)表示某種作物在一段時期內的面積變化比例（%）［17］。

其中：S(i, t1)和S(i, t2)分別為研究初期t1和末期t2某一作物類型i的面積［11］。

3 提取結果與分類精度的評價

3.1 提取結果

基于決策樹分類模型和ERDAS軟件建模疊加處理的方法，提取出2000、2005、2010、2015、2020年寧夏全區及各地級市主要糧食作物——小麥、稻谷、薯類和玉米的種植面積信息，根據提取結果制作寧夏主要糧食作物種植結構圖。

3.2 分類精度評價

精度評價是科學研究驗證其準確性必不可少的一步，本研究通過對比提取到的主要糧食作物種植面積與統計年鑒中的種植面積數據，評價糧食作物分類的精度。由表1可知，2000、2005、2010、2015、2020年這5年的誤差比分別為-0.054、 -0.131、 -0.073、-0.008、0.061，由此可以看出，本次提取結果誤差較小，精度較高，能科學有效地分析寧夏主要糧食作物種植結構的時空變化。但寧夏除了種植小麥、稻谷、玉米、薯類這4種糧食作物外，還種植了豆類，由于豆類種植面積有限，豆類的種植面積信息難以提取，本研究予以舍去。

表1 2000—2020年寧夏主要糧食作物的實際種植面積與提取面積對比

4 主要糧食作物種植結構的時空變化分析

種植結構指的是一個地區或國家在農作物種植種類、品種、面積及其比例上的問題，一般以糧食作物為主，其他經濟類作物為輔［18］。基于決策樹的分類模型，本文主要提取出了2000、2005、2010、2015、2020年這5個年份中主要糧食作物小麥、稻谷、玉米、薯類的種植信息，因此本文主要針對其種植面積和及其比例進行分析。

4.1 主要糧食作物種植面積的變化分析

基于提取到的主要糧食作物的種植信息，從寧夏全區和各地級市2個層次分別分析其種植面積的變化。

4.1.1 寧夏全區主要糧食作物種植面積的變化特征由圖2可知，2010年是近20 a間主要糧食作物種植面積最多的一年，種植面積為81.50萬hm2，在此之后，主要糧食作物的種植面積逐漸減少，至2020年，種植主要糧食作物面積為58.42萬hm2。近20 a來，玉米的種植面積呈顯著增長趨勢，小麥和薯類呈減少趨勢，稻谷的種植面積增長幅度較小。

圖2 2000—2020年寧夏全區主要糧食作物種植 面積的變化

在2000、2005、2010、2015和2020年等5年間，玉米的種植面積不斷增加，從1.29萬hm2增至32.27萬hm2，增加了30.98萬hm2，且2010年后玉米成為寧夏主要的糧食作物。小麥的種植面積先不斷增加，之后，小麥的種植面積逐年減少，2005年增加的種植面積達到研究年份的最大值(27.6萬hm2)，到2020年小麥的種植面積減少了18.31萬hm2。薯類的種植面積呈現出先波動增加，隨后波動下降的趨勢，2010年增加的面積達到研究年份的最大值(22.19萬hm2)到2020那年薯類的種植面積減少了12.68萬hm2。近20 a來，水稻的種植面積一直處于末位，種植面積變化不大，年平均種植面積6.08萬hm2，可能是由于水稻喜高溫、多濕、短日照，受其生長條件制約而導致其種植面積變化不大。

4.1.2 寧夏各地級市主要糧食作物種植面積的變化特征結合圖3分析寧夏5個地級市——銀川市、石嘴山市、吳忠市、中衛市、固原市4種主要糧食作物的種植面積變化。

圖3 2000—2020年寧夏各地級市主要糧食作物的種植面積及其占比

（1）2000、2005、2010和2020年期 間，銀 川 市主要糧食作物種植面積呈波動變化趨勢，從2000年 的127123.19 hm2增 加 至2010年 的166266.20 hm2，達到近20 a間種植面積的最大值，之后，主要糧食作物的種植面積又逐漸減少，減少到2020年的128408.50 hm2。總體來看，除2010年種植面積增加外，其他時間段，銀川市主要糧食作物種植面積變化不大。其中，小麥、稻谷的種植面積整體上呈減少趨勢；薯類的種植面積先增加后減少；玉米的種植面積逐年增加，從2000年3981.89 hm2增加至2020年的71324.80 hm2，增加了67342.91 hm2。

（2）石嘴山市主要糧食作物種植面積在波動中增加，從2000年的86918.73 hm2，增加至2020年的109234.44 hm2，增加了22315.71 hm2。其中，小麥的種植面積逐年減少，從2000年度63063.90 hm2，減少至2020年6515.14 hm2，減少了56548.76 hm2；稻谷的種植面積基本保持穩定；薯類在2000—2015年處于增長態勢，2015年后迅速減少；玉米的種植面積逐年增加，2020年比2000年增加了78315.37 hm2。

（3）吳忠市主要糧食作物種植面積逐年增加，從2000年的67090.49 hm2，增加至2020年的148837.90 hm2，增加了81747.41 hm2。其中，小麥在2000—2015年逐年減少，從29656.20 hm2減少至8171.78 hm2，減少了21484.42 hm2，2015年后小麥的種植面積有所回升；稻谷的種植面積逐年增加，2020年比2000年增加了12874.20 hm2；薯類的種植面積波動中增加，從2000年的21150.10 hm2增加至25429.10 hm2，增加了4279.00 hm2；玉米的種植面積整體上呈增加趨勢，2020年比2000年增加了76183.31 hm2。

（4）中衛市主要糧食作物種植面積整體上呈現增加的趨勢，2020年比2000年增加了48577.56 hm2。其中，小麥的種植面積整體上呈減少趨勢，與2000年相比，2020年減少了11306.80 hm2；稻谷的種植面積在波動中增加，從2000年的4360.76 hm2增加至2020年的9873.00 hm2，增加了5512.24 hm2；薯類的種植面積先增加至20年間的最大值(23497.60 hm2)，然后開始減少；玉米整體上呈增長趨勢，與2000年相比，2020年增加了58532.32 hm2。

（5）固原市的主要糧食作物種植面積先增加再減少的趨勢，2005—2015年是其主要糧食作物種植面積最多的一段時間。其中，小麥的種植面積先增加后減少，2005—2010年期間種植面積最多，之后，小麥的種植面積減少；稻谷的種植面積波動中增加，從2000年的742.89 hm2，增加至2020年的4152.75 hm2，增 加 了3409.86 hm2；薯 類 在2000—2015年波動增加，但在2015年后急劇減少，與2015年相比，2020年其種植面積減少了34528.80 hm2；玉米的種植面積逐年增加，且增長幅度較大，從2000年的29.72 hm2，迅速增加到69356.20 hm2。

4.2 主要糧食作物種植面積的變化幅度分析

由表2可知，在2000、2005、2010、2015和2020年期間，小麥的種植面積變化幅度先增大后減小的趨勢，自2005年開始呈現負增長，在2010—2015年期間甚至出現負增長峰值，其后雖仍為負增長，但負增長幅度明顯變小的趨勢。因此，可以看出小麥的種植面積從2005年開始迅速減少，其中，2015年減少的面積是幾年中減少最多的一年。稻谷的種植面積變化幅度不大，先呈現正增長態勢，緊接著出現負增長，且負增長幅度和正增長幅度相差不多，這說明了稻谷的種植面積保持穩定。薯類的種植面積變化幅度較大，時而呈現正增加，時而出現負增長，但整體上是呈負增長的，在2000—2010年期間，由-8.61%急劇增大到64.71%，說明薯類的種植面積迅速增加；在2010—2020年，由64.71%急劇減小到-41.22%，說明薯類的種植面積又迅速減少。玉米的種植面積變化幅度一直呈現正增長，但其種植面積變化幅度在逐年減少，說明玉米的種植面積一直在增加，但種植面積同比增加幅度在減小。

表2 2000—2020年寧夏主要糧食作物種植面積的變化%

4.3 主要糧食作物種植比例的時空變化分析

基于提取到的主要糧食作物的種植信息，從全區和地級市2個層次分析其種植比例的變化。

4.3.1 寧夏全區主要糧食作物種植比例的時空變化特征從時間序列來看，2000、2005、2010、2015和2020年全區4類主要糧食作物種植面積占當年糧食作物總種植面積的比例如圖4所示。稻谷的種植面積比重比較穩定，平均占比12.08%；小麥的種植面積比重呈減小趨勢，且下降幅度很大，2000年時還是寧夏最主要的糧食作物，至2020年，小麥成為了除稻谷外種植面積最少的一種主要糧食作物；薯類的種植面積占比在波動中減小，除2000、2010、2015年等3年薯類種植面積占比超過25%，其余年份均低于20%；玉米的種植面積占比逐年增大，且增加幅度最大，由2000年的2.63%快速增大至2020年的59.62%。

圖4 2000—2020年寧夏全區主要糧食作物種植比例的時間變化特征

從種植空間格局來看，由圖5可知，在2000、2005、2010、2015和2020年，寧夏的主要糧食作物的種類未發生變化，但各主要糧食作物在空間分布上發生著明顯變化。

2000年寧夏的主要糧食作物集中分布在黃河灌溉區、清水河流域、西吉縣、隆德縣和涇源縣，且在4類主要糧食作物種植比重中，小麥所占比重明顯大于其他主要糧食作物，小麥的種植面積也多于其他主要糧食作物，說明在2000年小麥是寧夏最主要的糧食作物(圖5a)。

2005年寧夏的主要糧食作物與2000年主要糧食作物分布區域相同，但西吉縣和隆德縣主要糧食作物種植面積明顯增多，苦水河流域開始少量種植主要糧食作物。小麥仍是最主要的糧食作物，但小麥的種植面積明顯減少，尤其是引黃灌溉區，且小麥的種植明顯向南遷移，固原市的小麥種植面積增加尤為明顯。與此同時，全區玉米種植逐漸突出，主要集中于銀川市和吳忠市(圖5b)。

2010年寧夏的主要糧食作物集中分布于黃河灌溉區、清水河流域、苦水河流域和西吉縣，薯類的種植面積明顯增多，小麥主要集中分布于固原市，各種主要糧食作物比重相差較小(圖5c)。

2015年寧夏的主要糧食作物集中分布于黃河灌溉區、清水河流域、苦水河流域、原州區、西吉縣和彭陽縣，薯類仍占據一定的優勢(圖5d)。

2020年寧夏的主要糧食作物集中分布于黃河灌溉區、清水河流域、苦水河流域，原州區、西吉縣和彭陽縣分布較為分散，玉米種植面積大幅增加，在各地級市中都占據一定優勢地位(圖5e)。

圖5 2000—2020年寧夏主要糧食作物種植結構的空間變化特征

4.3.2 寧夏各地級市主要糧食作物種植比例的時空變化特征

4.3.2.1 作物種植比例的時間變化特征（1）小麥種植比例的時間變化特征。由圖6可知，小麥在各地級市中的種植比例變化較為明顯。從各地級市的小麥種植比重來看，固原市的小麥所占比重一直領先于其余各地級市，其中，2005、2010和2015年固原市的小麥占寧夏全區小麥種植面積均超過50%，其余年份比例也超過了25%。石嘴山市20年間小麥所占比重明顯變少，說明石嘴山開始向其他主要糧食作物種植轉變，小麥種植規模減小。銀川市20年間小麥所占比重先減少然后增加，但變化幅度不大。吳忠市2000、2010和2015年小麥所占比重逐年減少，2020年比重有所增加。中衛市的小麥占比前10年逐年減少，2010年后，其占比開始增加，說明中衛市的小麥種植規模先減小然后變大，且2015年后超過石嘴山市的小麥的種植面積。2000年，固原市、銀川市、石嘴山市的小麥種植比重較大，2005、2010和2015年，由于固原市的小麥種植面積激增，導致其余各市的小麥種植面積所占比重均較小，至2020年除石嘴山市的小麥種植比重較少，其余各地級市的比重相差不多，且比例較為均衡，其中，銀川市占17.74%、吳忠市占21.36%、中衛市占19.81%、固原市占33.39%。

圖6 2000—2020年寧夏各地級市的小麥種植比例

（2）稻谷種植比例的時間變化特征。由圖7可知，稻谷的種植以銀川市、石嘴山市、吳忠市為主，種植比重較大，主要是因為這3個市地處黃河灌溉區，能較好地滿足水稻生長過程中的用水需求。從各地級市稻谷的種植比重來看，銀川市稻谷所占比重在逐年減少，由2000年的56.49%減少至2020年的18.41%，除2020年外，其他年份比重均大于其他4個市，這說明銀川市除2020年以外其他年份都是寧夏稻谷種植面積最多的地區。石嘴山市除2015年比重稍有增加，其余年份均保持在16.76%左右。吳忠市的種植比重在2015年前較為穩定，2015年后其比重開始增加，直至2020年吳忠市稻谷占比成為全區最大。而中衛市與固原市種植比重較小，尤其是固原市，占比最多的年份僅占11.87%(2010年)，平均占比5.19%，固原市地處南部山區無法滿足稻谷的灌溉條件，因此其稻谷種植比重非常小。

圖7 2000—2020年寧夏各地級市的稻谷種植比例

（3）薯類種植比例的時間變化特征。由圖8可知，薯類的種植比例變化不明顯，5個地級市均有種植薯類，除中衛市比重稍小，其余各地級市比重相差不大。從各地級市薯類的種植比重來看，固原市薯類種植比重在波動中逐漸減少，其占比分別為34.72%、27.26%、24.36%、31.37%、18.14%，2010和2020年固原市薯類的種植面積被銀川市超越，其他年份其種植面積均領先于其他各市。銀川市波動變化，但變化幅度不大，在2010和2020年其種植面積領先于其他各市，其他年份排在第2或第3位，說明銀川市薯類的種植在全區中是相對比較多的一個市。石嘴山市在2005、2010和2015年薯類種植比重略大于其他年份，吳忠市、中衛市保持相對穩定。

圖8 2000—2020年寧夏各地級市的薯類種植比例

（4）玉米種植比例的時間變化特征。由圖9可知，在5個地級市中玉米的種植比例變化較為明顯，從2000、2005和2010年以銀川市和吳忠市市種植比重較大，逐漸轉變為2020年的各地級市均衡分布。從各地級市玉米的種植比重來看，銀川市種植比重整體上呈減小趨勢，說明銀川市玉米的種植比重逐漸少于其他市，截至2020年銀川市玉米的種植比重僅大于中衛市和固原市。石嘴山市2015年前玉米所占比重比較小且相差不大，平均比重8.66%，至2020年其比重明顯增大。吳忠市玉米所占比重逐年減小，除2005年外，玉米的種植比重均領先于其他各市，說明吳忠市是全區玉米種植較為集中的地區。中衛市玉米所占比重先增大后減小，除2020年處于末位外，其他各年的種植比重在各市中均排在第2或第3位。固原市玉米所占比重先增大后減小，2000和2005年，固原市玉米的種植比重少于其他各市，但2010年后，其種植比重逐漸超越石嘴山市、銀川市。

圖9 2000—2020年寧夏各地級市的玉米種植比例

4.3.2.2 作物種植比例的空間變化特征（1）小麥種植比例的空間變化特征。寧夏小麥有春小麥和冬小麥之分，以春小麥為主，各市縣都有分布，冬小麥主要分布在彭陽、涇源、隆德等縣，鹽池南部、原州區、同心、西吉也有少量種植［19］。提取2000、2005、2010、2015和2020年寧夏小麥種植面積得出的結果如圖10所示。由此可以看出，小麥在各市都有種植，但隨著時間的推移，小麥空間分布情況發生了明顯變化。2000年，小麥集中分布于寧夏境內的黃河、清水河、葫蘆河流域，即主要分布于惠農區南部、平羅縣、賀蘭縣、西夏區東部、金鳳區、興慶區、永寧縣、靈武市西北部、青銅峽市、利通區北部、中寧縣和沙坡頭區沿黃河區域、中寧縣與同心縣交匯區域、同心縣和海原縣交匯地帶、隆德縣、涇源縣，原州區、西吉縣、彭陽縣分布較零散，但相對其他縣市種植面積較多。2005年小麥分布地區與2000年相同，但在紅寺堡區中部出現小面積種植，固原市各市縣小麥種植面積大幅增多。2010年，全區小麥種植面積明顯減少，尤其是銀川市、吳忠市、中衛市，但各地級占當年小麥種植總面積比重與2005年相比變化不大。2010年小麥的分布區域多了海原縣西南地區，其余分布區和上述年份相同。2015年，全區的小麥種植面積仍在減少，分布區域與2010年相差不多。至2020年，除中衛市中部地區、同心縣中南部、靈武市大部分地區及鹽池縣北部地區種植面積極少，其余地區分布相對均勻。

圖10 寧夏2000—2020年小麥種植面積的空間變化特征

（2）稻谷種植比例的空間變化特征。由圖11所示，全區稻谷種植面積空間變化不大，仍集中于引黃灌溉區，即銀川市、吳忠市、石嘴山市，但個別年份也有向南擴展。2000年，稻谷主要分布于引黃灌溉區，即平羅縣、賀蘭縣、西夏區東部、金鳳區、興慶區、永寧縣、靈武市西北部、青銅峽市、利通區、中寧縣和沙坡頭區沿黃河區域。2005年，除引黃灌溉區外，紅寺堡區中部、鹽池縣中北部、同心縣與海原縣交界處、西吉縣、原州區、彭陽縣開始零星種植稻谷。2010年，除去2005年提到的幾個地區，鹽池縣南部、紅寺堡區、海原縣南部稻谷種植面積也明顯增多，但彭陽縣稻谷種植面積減少至幾乎沒有。2015年，鹽池縣南部、海原縣南部、西吉縣稻谷種植面積急劇減少，幾乎沒有種植。2020年時，稻谷的種植區域與2010年相同。

圖11 寧夏2000—2020年稻谷種植面積的空間變化特征

（3）薯類種植比例的空間變化特征。由圖12所示，薯類的種植空間變化不大，主要分布于引黃灌溉區和固原市各縣區。2005年與2000年相比，石嘴山市和中衛市薯類種植面積明顯增多，固原市薯類種植面積減少；2010年石嘴山市、銀川市種植面積同比增加，中衛市稍有減少；2015年，固原市薯類種植面積明顯增加，銀川市明顯減少；至2020年，全區薯類種植面積較其他年份明顯大幅度減少。

圖12 寧夏2000—2020年薯類種植面積的空間變化特征

（4）玉米種植比例的空間變化特征。玉米既是一種高產的作物，也是重要的飼料，隨著時間的推移，其種植面積從11596.5 hm2增至361520.0 hm2，成為寧夏首要糧食作物。經過提取2000、2005、2010、2015和2020年寧夏玉米種植面積得出圖13所示的結果。玉米的種植的空間變化非常明顯，從銀川市、吳忠市逐漸向南北擴展，至2020年，各市種植比重相差不多。2000年，全區玉米種植面積非常小，只在石嘴山市、銀川市、吳忠市、中衛市零星分布。2005年，引黃灌溉區開始大面積種植玉米，尤其是銀川市、吳忠市玉米種植非常集中。2010年，玉米的種植逐漸在全區擴散開，但仍主要集中于引黃灌溉區和清水河流域。2015年在2010年的基礎上玉米的種植面積仍在增加，尤其是固原市，玉米種植面積增加比較明顯。至2020年，各地級市種植面積比重相差不大，主要集中于分布于引黃灌溉區、清水河流域及固原市各縣區。

圖13 寧夏2000—2020年玉米種植面積的空間變化特征

4.4 主要糧食作物景觀指數的變化分析

由圖14可知，在2000、2005、2010、2015和2020年期間，全區小麥和稻谷的平均斑塊面積逐年減少，其斑塊密度整體上呈現增大趨勢，斑塊聚合度變小，說明小麥和稻谷種植空間異質性和破碎化程度越來越嚴重，實現規模性種植的可能性減少；在2000、2005和2010年，薯類的平均斑塊面積呈不斷增大的趨勢，而斑塊的密度則呈現出持續降低的趨勢，并且斑塊的聚集程度也有所提高，表明在這段時間內，薯類的種植是較為集中的；2010、2015和2020年，馬鈴薯的平均斑塊面積和密度都有所下降，但其聚集程度比較穩定，表明馬鈴薯的種植呈現出輕度的碎裂，總體上的集中種植呈現出輕度的分散；在2000、2005、2010、2015和2020年，玉米的斑塊面積和斑塊密度總體呈上升趨勢，除了2000年的斑塊聚合度數值異常外，其余年份都比較穩定，這表明玉米的分布趨向于集中，但總體上其仍存在分散種植。

圖14 寧夏2000—2020年主要糧食作物的景觀指數

根據最大斑塊指數，2000和2005年，小麥的最大斑塊指數為0.3309%和0.1428%，均大于稻谷、薯類和玉米的最大斑塊指數，說明在2000和2005年的小麥種植面積最多，是寧夏最主要的糧食作物；在2005、2010和2020年，玉米的最大斑塊指數超過其他主要糧食作物的最大斑塊指數，因而玉米代替小麥成為寧夏最主要的糧食作物。

5 小結與討論

5.1 小結

本文以MOD13Q1遙感圖像為基礎，利用決策樹分類方法，對寧夏全區主要糧食作物進行提取分析，并將其與統計年鑒資料中的主要糧食種植面積進行了比較，評價本次提取精度。通過對寧夏主要糧食作物的時空變化分析的研究，得出如下結論：

（1）從種植面積來看，在2000、2005、2010、2015和2020年期間，全區主要糧食作物的種植面積整體上呈增加趨勢，其中，玉米的種植面積呈顯著增長趨勢，小麥和薯類呈減少趨勢，稻谷的種植面積保持穩定。

（2）從種植空間變化來看，各類主要糧食作物都集中分布于引黃灌溉區、清水河、苦水河、葫蘆河流域。其中小麥雖在全區各地級市中都有分布，但2000、2005及2010年相對集中分布于引黃灌溉區、清水河流域及固原各區縣，自2015年開始分散分布于其他各地級市。稻谷主要集中種植在引黃灌溉區，但總體上是在逐漸向南、向東擴展，但由于南部山區大部分地區不能滿足稻谷的種植條件，因此只有原州區、西吉縣零星分布。薯類的種植空間變化不大，主要分布于引黃灌溉區和固原市各縣區。玉米的種植的空間變化非常明顯，從銀川市、吳忠市逐漸向南北擴展，至2020年，各市種植比重相差不多。

（3）從種植結構來看，小麥和玉米的種植比例變化較為明顯，稻谷種植比例變化較小，薯類的種植比例變化不明顯。在2000和2005年小麥的種植面積最多，是寧夏最主要的糧食作物；在2010、2015和2020年，玉米代替小麥成為寧夏最主要的糧食作物。

（4）從種植格局來看，在2000、2005、2010、2015和2020年，寧夏小麥和稻谷種植空間異質性和破碎化程度愈加嚴重；薯類在2010年之前種植一直比較集中，但后來的10 a里薯類種植開始出現輕微破碎化的現象，在整體的集中種植上出現了輕微的分散；玉米的種植在向著集中化發展，但其仍存在分散種植現象。

5.2 討論

本文采用決策樹分類方法，提取寧夏全區的主要糧食作物面積進行了分析，并對各主要糧食作物提取精度進行了比較準確的評價，從某種意義上證明了MODIS數據在大范圍研究中的合理性，同時也豐富了以寧夏全區為研究區，對主要糧食作物種植結構時空分析的文獻。但本研究還存在一些不足之處：

（1）受到MODIS數據低空間分辨率的限制，研究區內種植面積較少的糧食作物難以提取，在后續研究中可探索選用空間分辨率較高的遙感影像［20］或者多源遙感數據［21］作為研究數據，提高農作物的提取精度，完善研究內容。

（2）對于分類精度驗證，本文所采用的方法是與統計年鑒中的主要糧食作物數據進行對比，計算誤差比，在今后的研究中，可以結合統計年鑒數據，向農戶調查，隨機選取樣本數據，通過混淆矩陣或其他方法，計算其分類精度，科學有效地驗證提取結果。