基于GIS技術的玉米在中國的空間傳播分析

摘 要：嘗試利用 GIS 技術模型化、定量化研究歷史地理問題，旨在為各種農作物傳播路徑研究和物質、文化擴散 等歷史地理課題研究提供一條新的研究思路和技術路線。為探究玉米進入中國后的傳播路徑和擴散過程，以中 國各地最早有玉米記錄的文獻及記錄時間為基礎數據，建立玉米在中國傳播的數字地面模型，利用定量和模型 分析的方法研究玉米在中國的傳播起點、方向、主線與擴展速度，探究其擴散區域面積與明末以來人口增長的關 系。結果表明，玉米在明嘉靖年間傳入中國，在甘肅西部（1522 年）、云南東南部（1563 年）、廣西東南部（1564 年）、 福建東部（1545 年）形成 4 處獨立的傳播源，沿 8 條線路傳向全國。玉米的傳播主要是沿陸路交通線傳播，清代官 路與大路對玉米的傳播促進作用明顯；但在我國西南地區，由于地形復雜、陸路交通不便，玉米的傳播主要沿河 谷方向拓展。清代以來玉米在中國快速擴散種植，中國人口快速增長，二者表現為明顯正相關關系，玉米的廣泛 引種是清初到 1950 年中國人口能夠快速增長的原因之一。

關 鍵 詞 ：玉米；DTM；空間插值；傳播路徑；歷史地理 中 圖 分 類 號 ：S127 文 獻 標 識 碼 ：A 文 章 編 號 ：1002?2481（2024）02?0103?07

玉米（Zea mays L）是禾本科屬一年生草本植 物，中文名稱有玉蜀黍、棒子、包谷、包米、包粟、玉 茭、玉麥、苞米、珍珠粒等 100 多個[1-2] ，是全球總產 量最高的重要糧食作物。早在 7 000 a 以前玉米就已經被印第安人馴化在墨西哥中部高原種植，伴隨 新大陸的發現，玉米在 15 世紀末和 16 世紀初傳入 歐洲，明末傳入中國[3-4] 。玉米這一作物憑借生長 快、產量高、適口性好，且對氣候、土壤、水肥的適應 性強、易種植等眾多優點，在中國被快速擴散種植， 對中國的糧食種植結構、飲食文化、人口增長，甚至 對國家的穩定都產生了深遠影響。玉米在中國傳 播的歷史研究主要集中在兩方面[5] 。一是玉米傳 播對自然和人文環境的影響。張祥穩等[6-7] 研究認 為，玉米在丘陵、山地開墾種植引起了水土流失與 土地荒漠化等問題。崔思朋[8] 分析了美洲作物在絲 綢之路上的傳播情況，證明了明清時期絲綢之路的 農作物傳播成為有效溝通各大洲之間的重要媒介。 顏德如[9] 總結玉米在中國的傳播路線已經不單單是 農學所研究的問題，很大程度上正是因為玉米、番 薯等美洲高產作物傳入中國，廣泛種植，才能使中 國在清末時，雖戰亂不斷，人口卻達到了前所未有 的四萬萬。二是玉米在中國各省的傳入時間和途徑。 關于這一點一直都是研究討論的熱點問題，如梁四 寶等[10] 對比玉米傳入山西省和相鄰省份的時間以 及玉米在山西的傳播途徑，指出玉米這種高產作物 對山西社會經濟發展的促進作用。郭云奇[11] 系統 分析了玉米在河南時間與空間傳播范圍，認為清代 以來玉米的推廣種植有效緩解了人口急劇增長與 糧食需求之間的矛盾，有效推動了商業、畜牧業、手 工業的發展。李昕升等[12] 研究認為，玉米和番薯傳 入廣西后，在通過多條線路反復引種，最終形成桂 西北山地多玉米，桂東南平原多番薯的空間分布格 局。張箭[13] 從全國空間格局認為，玉米傳入中國主 要有 3 條路徑，一是從西亞、中亞沿路上絲綢之路 傳入中國西北（甘、陜）；二是由葡萄牙人把玉米帶 往印度，然后經中南半島、緬甸等國傳入中國西南 （云南），后推廣及川、黔；三是越印度洋、中國南海， 由葡萄牙人和華裔商人把玉米傳入我國東南沿海 （閩、浙、粵），他的觀點也得到學界的普遍認可。

但以上相關研究多基于歷史方志、縣志等史料 文獻進行描述性分析，闡述歷史時期玉米傳入中國 在時間和空間位置上存在分散、模糊現象，使讀者 在感官和空間思考上難以形成整體印象。基于此， 研 究 嘗 試 利 用 地 理 信 息 系 統 中 的 數 字 地 面 模 型 （Digital Terrain Model，DTM）方法，將玉米在中國 各省市、縣最早有文獻記錄的時間作為高程值，建 立玉米在中國傳播的數字地面模型，利用定量和模 型分析的方法研究玉米在中國的傳播起點、方向、 主線與擴展速度，探究其擴散區域面積與明末以來 人口增長的關系，為歷史地理研究開拓了一種新的 研究方法。

1 數據來源及處理

1.1 基礎數據采集

研究玉米在中國的傳播，首先要搞清楚全國各 地最早什么時候開始有玉米種植。中國歷來有編 史修志的優良傳統，地方志會全面記載某一時期某 一地域的自然、社會、政治、經濟、文化、物產等方面 的情況或特定事項，通過各方志中有無關于玉米的 記載，可以確定玉米這一作物在此方志編纂年代是 否已在當地普遍種植。馬雪芹等已通過方志研究 出一些地方玉米引入時間，統計匯總共 126 個記 錄[14-16] 。本團隊查閱地方縣志、府州志、札記等歷史 資料補充 76 個記錄，共整理得到全國范圍內 202 個 地點最早記錄玉米種植的時間。

1.2 空間數據庫建立

該研究以中國國家地理信息中心網站所提供 的 1∶400 萬 數 據 庫 中 的 中 國 地 圖 為 底 圖 ，采 用 CGCS_2000 國家地理坐標系，利用 ArcGIS 10.2 為 平臺軟件，將搜集整理的 202 個市縣以點實體方式 矢量化（圖 1），并錄入市縣名稱（字符型）及最早記錄 玉米種植年份（整型），每個市縣定點位置為對應志 書編纂年代的舊行政駐地，若無法查找到其舊行政 駐地則取現行政駐地，因當地最高行政駐地往往是 本市縣的行政、經濟、文化、交通和人口集聚中心。

2 研究方法

數字地面模型（DTM）——即利用一個任意坐 標系中大量選擇的已知 x、y、z 的坐標點對連續地面 的一種模擬表示。本研究以全國各地區玉米傳入 最 早 時 間 為 高 程 值 ，采 用 插 值 的 方 法 建 立 DTM 模型。

2.1 DTM 的建立

數字高程模型 DEM 是 DTM 的核心，是描述 地球表面形態多種信息空間分布的有序數值陣列。

Vi=（Xi，Yi，Zi ）（i=1，2，3，4…n） （1）

式中，Xi，Yi是平面坐標，Zi是（Xi，Yi ）對應的高 程，表示區域上的三維向量有限序列。本文以數據 庫中全國各地最早記錄玉米種植的 202 個市縣的 離散點為基礎，將高程換成當地的玉米最早記錄時 間，對記錄年份進行全國范圍的空間插值，形成玉 米在中國擴散的數字高程模型，即得到玉米傳播的 趨勢面。

空間插值方法基于地形表面的空間自相關性， 由已知點或已知區域推算出未知點或未知區數據 的方法。目前插值算法有多種，本研究分別應用反 距離函數、克里金函數、趨勢面函數、自然領域函 數、樣條函數對已入庫的市縣點進行插值試驗，結 果見圖 2。

種方法的插值結果進行比較，反距離加權插 值方法對于玉米傳播在全國范圍內插值的均衡效 果最好，與記錄的時間吻合度最高。因而本研究 采用反距離加權插值法構建玉米在全國傳播的趨勢面。

2.2 人口數據庫的建立

葛劍雄等[17-19] 對明朝以來中國人口的研究成果 豐碩。本研究基于明清以來已有記錄或研究結論 的時間點中國人口數，通過線性插值方法估算出我 國明朝以來每隔 30 年的人口數量。

p=pi+（ ti+1-ti ） ?（ pi+1-pi ） /（ ti+2-ti ）（2）

式中，p 表示具體時間人口數量；pi 表示某一年 份人數；ti表示具體年份；i表示時間節點。

3 結果與分析

3.1 傳播趨勢與主要路徑分析

DTM 的脊線和谷線構成了地形起伏變化的分 界線（骨架線），在地形表示方面有著極其重要的作 用[20] 。利用 ArcGIS 的水文分析模塊，提取玉米在 中國傳播 DTM 的谷線（圖 3）。

在自然地貌中，谷線是兩山之間低凹的地方， 在地表具有合水性，是地表水匯集的徑流與流向所 在。本文以玉米在我國各地區最早記錄的時間為 高程空間插值生成 DTM，模擬出的是玉米傳播的 趨勢面，提取的谷線是玉米傳播推進最快的方向和 最快的路徑。從 DTM 來看，外圍的有 4 處獨立洼 地，分別在甘肅酒泉地區（1522 年）、云南臨滄地區 （1563 年）、廣西南寧地區（1531 年）、福建福州地區 （1545 年），是玉米從國外通過不同路徑進入中國的 最早落腳點。玉米在國內的傳播皆源于這 4 個點。 從谷線來看，反映出玉米在國內的傳播存在 8 條主 要路徑，分別是 A 線路（河西走廊→陜西關中→河 南）、B 線路（云南→四川）、C 線路（云南→貴州）、D 線路（廣西→貴州）、E 線路（雷州半島→廣州→湖 南）、F 線路（福建→浙江→江蘇）、G 線路（朝鮮→遼 寧→吉林→黑龍江）、H 線路（河南→山東→河北→ 內蒙古東部→黑龍江）。

3.2 玉米傳播路線和清代交通線關系

陳光華[21] 的《中國的交通運輸發展》中有清代 的官路與大路圖，記載了清代時期中國陸路上的官 路與大路分布及其連接的主要城市。將此圖地理 配準，把主要交通線路、城市節點信息進行矢量化， 構建清代主要道路數據庫。

從圖 4 可以看出，有 5 條玉米傳播路徑與清代 官道和大路交通線高吻合，分別是：A 線路與蘭州 官路走向一致；E 線路與大路、桂林官路走向一致； F 線路沿福州官路向北延伸；G 線路與奉天龍江路 一致；H 線路與北京呼倫路一致。說明陸路交通對 玉米在中國的快速傳播有促進作用。B、C、D 線路 無明顯吻合道路，但與中國水系圖疊置，發現 B、C、 D 線路與我國西南地區主要河谷吻合度較高，分別 與瀾滄江、長江以及珠江的主要支流右江重合，說 明在地形復雜、交通不便的西南地區，玉米的傳播 主要沿河谷擴展。

3.3 歷史時期玉米傳播范圍與人口增長分析

已有研究表明，從新大陸傳播到舊大陸的玉 米 、土 豆 是 促 進 近 代 人 口 增 長 的 重 要 作 物[22-24] 。 NUNN 等[25] 通過分析一國 4 萬人口以上城市所種 植土豆面積占比，估算出土豆對人口增長的貢獻 率。玉米在明末傳入中國，清代迅速傳播種植，成 為促進中國人口增長的重要因素之一。本文基于 玉米在全國傳播的趨勢面，提取等間距為 30a 的等 值線（圖 3），得到玉米在中國傳播年份等值線圖，得 到各年份玉米種植擴散到的區域，進而得到 1500— 1950 年間玉米在中國擴散區域累積面積變化曲線， 與 通 過 線 性 插 值 方 法 估 算 出 我 國 明 朝 以 來 每 隔 30 年的人口數量進行比較分析。

由中國人口變化與玉米擴散累積面積曲線可 見（圖 5），二者的變化趨勢存在較高一致性。1470— 1700 年人口數量與玉米擴散面積增長趨勢都較緩； 1700—1911 年、1890—1950 年人口增長和玉米種 植擴散速度都很快。人口增長與玉米擴散累積面 積 增 長 高 度 一 致 。 人 口 曲 線 在 1620—1650 年 、 1850—880 年出現人口減少，經查這兩段時期分別 是明末農民起義與清軍入關、太平天國運動時期， 中國戰亂頻繁，人口縮減，而這兩段時期玉米擴散 面積反而快速增長，筆者認為戰爭雖然會造成人 口減少，但流民增多會刺激人口的大量遷移，進而 促進玉米的傳播。從圖 5 可以看出，玉米的擴散面 積相對于人口增長表現出滯后 70～90 a，這種滯后 效應是因為各地并非在玉米傳入之時就立即修志 記錄，而是玉米傳入后，被地方農民認可成為一種 廣 泛 種 植 的 主 要 作 物 ，修 志 時 才 有 可 能 被 記 載 。 本文用于計算玉米擴散累積面積的 DTM 是基于 方志記錄數據創建的，所以，會表現出滯后性。實 際情況應該是玉米擴散面積增長在前，人口增長 在后。

2 條曲線變化趨勢趨同，表現出明顯的正相關 性，說明兩者之間存在聯系。對歷史時期人口和玉 米擴散面積構建一次線性模型，探究二者之間相關 性。采用散點圖方式，將人口數量與玉米擴展面積 進行擬合，其擬合結果 R2 =0.867 1，從擬合的 R2 值 來看，人口數量與玉米擴展面積也表現出強相關 性（圖 6）。

4 結論與討論

明 嘉 靖 年 間 玉 米 進 入 中 國 ，在 甘 肅 西 部 （1522 年）、云 南 東 南 部（1563 年）、廣 西 東 南 部 （1564 年）、福建東部（1545 年）形成 4 處獨立的傳播 源，然后在明、清、民國時期，主要沿 8 條線路向全 國傳播。分別是：A 線路（甘肅→陜西→河南）、B 線路（云南→四川）、C 線路（云南→貴州）、D 線路 （廣西→貴州）、E 線路（廣東→湖南）、F 線路（福 建→浙江→江蘇）、G 線路（朝鮮→遼寧→吉林→黑 龍江）、H 線路（河南→山東→河北→內蒙古東部→黑龍江）。

交通促進人與物交流，玉米在中國的傳播主要 是沿陸路交通線傳播，清代官路與大路對玉米的傳 播促進作用明顯。但在我國西南地區，由于地形復 雜 ，陸 路 交 通 不 便 ，玉 米 的 傳 播 主 要 沿 河 谷 方 向 拓展。

高產作物玉米的引入和擴散種植對中國人口 的增長有促進作用。明嘉靖年間到崇禎年間，玉米 雖傳入中國，但擴散速度緩慢，種植少，對人口數量 影響力微弱。清代以來玉米在中國快速擴散種植， 中國人口快速增長，二者存在顯著關聯，表現為明 顯正相關。玉米的廣泛引種是清初到 1950 年中國 人口能夠快速增長的原因之一。

地理信息系統技術的 DTM 方法能夠定量化、 模型化研究歷史地理問題。數字地面模型能夠可 視化表達玉米在中國傳播的起點、方向、范圍，模擬 玉米傳播的趨勢面，其谷線展現出玉米擴散的主要 方向和線路，基于 DTM 可以定量計算玉米在中國 的擴散速度和擴散區域面積。

研究以玉米這一農作物為突破口，試圖利用歷 史時期玉米傳入中國各地時間為數據支撐，建立玉 米傳播擴散數字地面模型，研究歷史時期玉米在中 國的擴散問題。本文嘗試利用 GIS 技術模型化、定 量化研究歷史地理問題，是歷史地理研究方法的一 種新嘗試，為今后各種農作物傳播路徑研究和物 質、文化擴散等歷史地理課題研究提供一條新的研 究思路和技術路線。

在研究中也遇到很多問題。首先，就數據而 言，原始采樣點的空間分布和數量直接影響 DTM 的空間插值效果，對趨勢面模擬的準確度和精度影 響巨大。中國以胡換庸線為界[26-28] ，東西差異很大， 東南人口眾多，西北人口稀少，且江淮、中原、閩越、 兩廣地區文化底蘊深厚，修志之風盛行，更容易出 現玉米相關的記載，所以，這些地區采集到的數據 點較密，趨勢面的擴散模擬效果良好；東北、西北等 區域采集到的數據點較稀疏甚至缺失，趨勢面的擴 散模擬效果一般；在廣闊的青藏地區只有 3 個數據 點，插值效果很差。這種原始數據的不均一性會影 響分析的結果，在研究中需要注意。本文將玉米的 擴散路徑和清代官路與大路交通疊加，驗證 DTM 提取擴散路徑的可靠性，并探討了它們之間的關 系 ，但 對 同 時 代 存 在 的 水 路 交 通 的 影 響 并 未 做 探究。

其次，筆者以地理學視角，用玉米這一農作物 為研究對象，建立定量分析模型，以可視化視角展 現玉米在中國的多種傳播路徑以及對人口擴散產 生的影響。但促進人口增長的原因是一個多要素、 多因素作用下的復雜問題。在歷史上，馬鈴薯、甘 薯、南瓜等眾多農作物對人口數量的增長也起到了 不可忽視的作用。歷朝歷代官方的一些政策實施 和調控也有助于人口的增長和遷移。本研究團隊 目前以玉米為研究突破口，積極探索地理空間分析 方法解決玉米在中國傳播這一定性問題。在今后 的研究中，將擴大研究范圍，補充完善數據源，優化 模 型 ，深 入 挖 掘 影 響 歷 史 時 期 中 國 人 口 增 長 的 因素。

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