宁夏主要粮食作物种植结构的时空变化特征

2022-03-14陈红翔王炳莹

江西农业学报 2022年12期

陈红翔，王炳莹

（宁夏师范学院资源环境与生命科学学院，宁夏固原 756000）

0 引言

2022年中央一号文件中“粮食”一词出现了23次，主要强调了全力抓好粮食生产和重要农产品供给、强化现代农业基础支撑2个方面的内容。粮食生产是国民经济的基础，必须居安思危、紧抓不懈，此次新冠疫情防控阻击战又一次证明了粮食安全的“压舱石”作用［1］。2000年以来，无论从人均粮食占有量还是粮食供求平衡关系来看，当前都是我国粮食安全水平最高的年代，2015—2019年的年人均粮食产量为476 kg，其中，年人均谷物产量为443 kg，2020年粮食又获丰收，目前的年人均粮食产量和年人均谷物产量都高于400 kg的安全线［2］。虽然当前我国的粮食安全水平较高，但长期以来，我国油脂油料和蛋白饲料严重不足，大量依赖进口。因此，我国的种植结构亟需调整，笔者分析了宁夏全区多年粮食作物的种植结构，以期为进一步优化宁夏的农业生产布局，以及该地区农业生产结构的调整提供科学的依据。

潘晓卉等［3］采用2005—2015年东北地区40个市(盟)主要粮食作物播种面积的数据，运用数理统计方法，根据主要作物种植面积比重以及作物组合状况，划分了主要作物种植结构的类型，进而分析了东北地区主要粮食作物种植结构的时空变化。王卫东等［4］通过对1991—2016年陕西省主要粮食作物种植结构相关数据进行收集、整理和量化分析，分析了主要粮食作物(小麦、玉米、水稻)种植面积的演变特征。王连喜等［5］以江苏省为研究区域，采用2013年1月1日—2014年12月19日46景250 m空间分辨率的MODIS-NDVI时间序列数据、2014年4月23日的MOD09A1反射率影像Landsat数据，开展了冬小麦种植面积的遥感识别。闫梦川等［6］采用决策树方法，基于MOD13Q1数据，结合农作物物候数据和东三省土地利用数据，运用景观指数对东三省主要粮食作物——玉米、水稻和大豆种植结构的时空演变进行了分析。夏天等［7］基于CLUE-S土地利用变化模拟模型，进行了概念模型设计、框架和模块重建、参数本地化和校正研究，并提出了一个适用于我国农作物空间格局动态变化模拟模型(CROPS, Crop Pattern Simulator)的可行性架构，使其能够实现区域尺度土地利用变化与农作物空间格局变化的双层动态模拟。基于上述3种方法的研究结果可知，选取的研究区多为商品粮基地，而宁夏全区的研究较少，且采用的方法多为数理统计分析法［8］，也有少部分文献采用了基于遥感影像的方法［9］进行了研究。因此，本文弥补了运用单一种植面积数据对宁夏全区主要粮食作物种植结构时空演变研究的不足之处，为今后的粮食作物种植结构时空演变的研究打下坚实的基础。

本研究以宁夏全区为研究区域，主要采用数理统计分析法、遥感影像分析法、模型分析法。探究了全区主要粮食作物种植结构的时空变化，基于MOD13Q1遥感影像数据，采用决策树方法分类提取了主要粮食作物的EVI数据层，得到各种主要粮食作物的种植面积数据，然后利用景观指数分析了全区2000—2020年主要粮食作物种植结构的时空变化，旨在为进一步优化宁夏全区的农业生产布局，以及调整全区生产结构提供科学依据，从而加快推进全区高标准农田建设，以保障特殊时期粮食的可持续生产，促进乡村振兴和农业高质量发展。

1 研究区概况与数据源

1.1 宁夏回族自治区的概况

宁夏回族自治区位于中国西北地区，东邻陕西省，西、北部接内蒙古自治区，西南、南部、东南部与甘肃省相连［10］。具体的地理位置如图1所示，位于104°17′～107°39′E、35°14′～39°23′N之间，面积6.64万km2，截至2020年，耕地面积120.10万hm2。地形从西南向东北逐渐倾斜，丘陵沟壑林立，分为三大板块：北部引黄灌区、中部干旱带、南部山区。地势南高北低，呈阶梯状下降，全区属温带大陆性干旱、半干旱气候［11］。宁夏是全国水资源最少的省区之一，大气降水、地表水和地下水都十分匮乏，空间上分布不均，时间上变化大。水利资源在地区上的分布是不平衡的，绝大部分在北部引黄灌区，而中部干旱高原丘陵区最为缺水，不仅地表水量小，且水质含盐量高，多属苦水或因地下水埋藏较深，水资源灌溉利用价值较低［12］。南部半干旱半湿润山区，河系较为发育，主要河流有清水河、苦水河、葫芦河、泾河、祖厉河等［13］。

图1 宁夏回族自治区概况

1.2 数据来源

本文使用的遥感影像数据是通过LAADSDA- AC网站下载的空间分辨率为250 m的MOD13Q1数据。根据农业农村部种植业管理司收集的农作物物候数据，选取2000、2005、2010、2015、2020年等5个年份中第97～321天的MOD13Q1遥感影像数据，结合中国科学院资源环境科学与数据中心下载的上述5个对应年份的宁夏回族自治区土地利用遥感监测数据，以及宁夏回族自治区统计局提供的主要粮食作物种植面积数据。

1.3 数据预处理

利用MRT软件对5年中第97～321天的MOD13 Q1遥感影像数据批处理，提取EVI数据层。基于ArcGIS软件平台，将坐标系变换为投影坐标系UTM中的WGS_1984_UTM_Zone_48N，利用宁夏回族自治区行政区划数据对变换坐标系后的数据进行掩膜提取，再将处理后对应年份的土地利用遥感监测数据中的耕地数据对上述数据再次掩膜提取，得到本研究所需的EVI数据层。打开ENVI软件，导入数据后，利用Band Math工具去除波段中的异常值，完成数据的预处理过程。

2 研究方法

2.1 基于决策树模型的主要粮食作物种植面积的提取

在利用MODIS数据进行农作物种植结构研究中，EVI数据层在农作物种植结构变化方面的敏感程度高于NDVI数据层，因此更适合应用于农作物的动态监测［6］。本研究基于空间分辨率为250 m的MOD13Q1遥感影像数据，通过MRT软件对MODI3Q1时间序列数据进行批处理，提取2000、2005、2010、2015、2020年等5年的EVI数据层。基于ArcGIS软件平台，对数据进行变换坐标系、裁剪等预处理，通过对所采集到的玉米、小麦、薯类、水稻等作物的物候特征进行分析，并采用ENVI软件平台对这些作物的数据进行阈值切割，从而建立了决策树的分类规则，构建决策树分类模型。构建模型后，各种粮食作物数据间会出现叠加现象，在ERDAS软件中建立模型，将冬小麦与春小麦合并，再根据实际情况对其他叠加部分重新赋值，得到主要粮食作物分类，最后，利用ArcMap软件中的字段计算器工具计算主要粮食作物种植面积。

2.2 景观指数

景观格局是指大小和形状不同的景观要素在空间上的排列［14］，而农田生态系统的景观格局特征及其变化可以从“质、量、形、度”4个方面来描述与分析［15］。本研究从上述4类景观格局指数中选取斑块密度、农作物变化幅度、斑块聚合度、最大斑块指数、平均斑块面积5个景观指标，对小麦、稻谷、薯类、玉米这4类作物的种植结构时空变化进行分析。

平均斑块面积指农田斑块面积的平均大小，即连片农田的平均面积，该指标在一定程度上反映了农田的破碎化，其值越小农田越破碎化［16］。最大斑块指数是最大连片农田的面积占农田总面积的比例，反映了人类活动对农田的干扰强弱与方向［16］。斑块密度是单位面积上农田斑块即连片农田的数目，反映农田的空间异质性和破碎化程度，值越大空间异质性和破碎化程度就越大，其值越小种植越集中或规模化［16］。

农作物变化幅度(ΔS)表示某种作物在一段时期内的面积变化比例（%）［17］。

其中：S(i, t1)和S(i, t2)分别为研究初期t1和末期t2某一作物类型i的面积［11］。

3 提取结果与分类精度的评价

3.1 提取结果

基于决策树分类模型和ERDAS软件建模叠加处理的方法，提取出2000、2005、2010、2015、2020年宁夏全区及各地级市主要粮食作物——小麦、稻谷、薯类和玉米的种植面积信息，根据提取结果制作宁夏主要粮食作物种植结构图。

3.2 分类精度评价

精度评价是科学研究验证其准确性必不可少的一步，本研究通过对比提取到的主要粮食作物种植面积与统计年鉴中的种植面积数据，评价粮食作物分类的精度。由表1可知，2000、2005、2010、2015、2020年这5年的误差比分别为-0.054、 -0.131、 -0.073、-0.008、0.061，由此可以看出，本次提取结果误差较小，精度较高，能科学有效地分析宁夏主要粮食作物种植结构的时空变化。但宁夏除了种植小麦、稻谷、玉米、薯类这4种粮食作物外，还种植了豆类，由于豆类种植面积有限，豆类的种植面积信息难以提取，本研究予以舍去。

表1 2000—2020年宁夏主要粮食作物的实际种植面积与提取面积对比

4 主要粮食作物种植结构的时空变化分析

种植结构指的是一个地区或国家在农作物种植种类、品种、面积及其比例上的问题，一般以粮食作物为主，其他经济类作物为辅［18］。基于决策树的分类模型，本文主要提取出了2000、2005、2010、2015、2020年这5个年份中主要粮食作物小麦、稻谷、玉米、薯类的种植信息，因此本文主要针对其种植面积和及其比例进行分析。

4.1 主要粮食作物种植面积的变化分析

基于提取到的主要粮食作物的种植信息，从宁夏全区和各地级市2个层次分别分析其种植面积的变化。

4.1.1 宁夏全区主要粮食作物种植面积的变化特征由图2可知，2010年是近20 a间主要粮食作物种植面积最多的一年，种植面积为81.50万hm2，在此之后，主要粮食作物的种植面积逐渐减少，至2020年，种植主要粮食作物面积为58.42万hm2。近20 a来，玉米的种植面积呈显著增长趋势，小麦和薯类呈减少趋势，稻谷的种植面积增长幅度较小。

图2 2000—2020年宁夏全区主要粮食作物种植面积的变化

在2000、2005、2010、2015和2020年等5年间，玉米的种植面积不断增加，从1.29万hm2增至32.27万hm2，增加了30.98万hm2，且2010年后玉米成为宁夏主要的粮食作物。小麦的种植面积先不断增加，之后，小麦的种植面积逐年减少，2005年增加的种植面积达到研究年份的最大值(27.6万hm2)，到2020年小麦的种植面积减少了18.31万hm2。薯类的种植面积呈现出先波动增加，随后波动下降的趋势，2010年增加的面积达到研究年份的最大值(22.19万hm2)到2020那年薯类的种植面积减少了12.68万hm2。近20 a来，水稻的种植面积一直处于末位，种植面积变化不大，年平均种植面积6.08万hm2，可能是由于水稻喜高温、多湿、短日照，受其生长条件制约而导致其种植面积变化不大。

4.1.2 宁夏各地级市主要粮食作物种植面积的变化特征结合图3分析宁夏5个地级市——银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市、固原市4种主要粮食作物的种植面积变化。

图3 2000—2020年宁夏各地级市主要粮食作物的种植面积及其占比

（1）2000、2005、2010和2020年期间，银川市主要粮食作物种植面积呈波动变化趋势，从2000年的127123.19 hm2增加至2010年的166266.20 hm2，达到近20 a间种植面积的最大值，之后，主要粮食作物的种植面积又逐渐减少，减少到2020年的128408.50 hm2。总体来看，除2010年种植面积增加外，其他时间段，银川市主要粮食作物种植面积变化不大。其中，小麦、稻谷的种植面积整体上呈减少趋势；薯类的种植面积先增加后减少；玉米的种植面积逐年增加，从2000年3981.89 hm2增加至2020年的71324.80 hm2，增加了67342.91 hm2。

（2）石嘴山市主要粮食作物种植面积在波动中增加，从2000年的86918.73 hm2，增加至2020年的109234.44 hm2，增加了22315.71 hm2。其中，小麦的种植面积逐年减少，从2000年度63063.90 hm2，减少至2020年6515.14 hm2，减少了56548.76 hm2；稻谷的种植面积基本保持稳定；薯类在2000—2015年处于增长态势，2015年后迅速减少；玉米的种植面积逐年增加，2020年比2000年增加了78315.37 hm2。

（3）吴忠市主要粮食作物种植面积逐年增加，从2000年的67090.49 hm2，增加至2020年的148837.90 hm2，增加了81747.41 hm2。其中，小麦在2000—2015年逐年减少，从29656.20 hm2减少至8171.78 hm2，减少了21484.42 hm2，2015年后小麦的种植面积有所回升；稻谷的种植面积逐年增加，2020年比2000年增加了12874.20 hm2；薯类的种植面积波动中增加，从2000年的21150.10 hm2增加至25429.10 hm2，增加了4279.00 hm2；玉米的种植面积整体上呈增加趋势，2020年比2000年增加了76183.31 hm2。

（4）中卫市主要粮食作物种植面积整体上呈现增加的趋势，2020年比2000年增加了48577.56 hm2。其中，小麦的种植面积整体上呈减少趋势，与2000年相比，2020年减少了11306.80 hm2；稻谷的种植面积在波动中增加，从2000年的4360.76 hm2增加至2020年的9873.00 hm2，增加了5512.24 hm2；薯类的种植面积先增加至20年间的最大值(23497.60 hm2)，然后开始减少；玉米整体上呈增长趋势，与2000年相比，2020年增加了58532.32 hm2。

（5）固原市的主要粮食作物种植面积先增加再减少的趋势，2005—2015年是其主要粮食作物种植面积最多的一段时间。其中，小麦的种植面积先增加后减少，2005—2010年期间种植面积最多，之后，小麦的种植面积减少；稻谷的种植面积波动中增加，从2000年的742.89 hm2，增加至2020年的4152.75 hm2，增加了3409.86 hm2；薯类在2000—2015年波动增加，但在2015年后急剧减少，与2015年相比，2020年其种植面积减少了34528.80 hm2；玉米的种植面积逐年增加，且增长幅度较大，从2000年的29.72 hm2，迅速增加到69356.20 hm2。

4.2 主要粮食作物种植面积的变化幅度分析

由表2可知，在2000、2005、2010、2015和2020年期间，小麦的种植面积变化幅度先增大后减小的趋势，自2005年开始呈现负增长，在2010—2015年期间甚至出现负增长峰值，其后虽仍为负增长，但负增长幅度明显变小的趋势。因此，可以看出小麦的种植面积从2005年开始迅速减少，其中，2015年减少的面积是几年中减少最多的一年。稻谷的种植面积变化幅度不大，先呈现正增长态势，紧接着出现负增长，且负增长幅度和正增长幅度相差不多，这说明了稻谷的种植面积保持稳定。薯类的种植面积变化幅度较大，时而呈现正增加，时而出现负增长，但整体上是呈负增长的，在2000—2010年期间，由-8.61%急剧增大到64.71%，说明薯类的种植面积迅速增加；在2010—2020年，由64.71%急剧减小到-41.22%，说明薯类的种植面积又迅速减少。玉米的种植面积变化幅度一直呈现正增长，但其种植面积变化幅度在逐年减少，说明玉米的种植面积一直在增加，但种植面积同比增加幅度在减小。

表2 2000—2020年宁夏主要粮食作物种植面积的变化%

4.3 主要粮食作物种植比例的时空变化分析

基于提取到的主要粮食作物的种植信息，从全区和地级市2个层次分析其种植比例的变化。

4.3.1 宁夏全区主要粮食作物种植比例的时空变化特征从时间序列来看，2000、2005、2010、2015和2020年全区4类主要粮食作物种植面积占当年粮食作物总种植面积的比例如图4所示。稻谷的种植面积比重比较稳定，平均占比12.08%；小麦的种植面积比重呈减小趋势，且下降幅度很大，2000年时还是宁夏最主要的粮食作物，至2020年，小麦成为了除稻谷外种植面积最少的一种主要粮食作物；薯类的种植面积占比在波动中减小，除2000、2010、2015年等3年薯类种植面积占比超过25%，其余年份均低于20%；玉米的种植面积占比逐年增大，且增加幅度最大，由2000年的2.63%快速增大至2020年的59.62%。

图4 2000—2020年宁夏全区主要粮食作物种植比例的时间变化特征

从种植空间格局来看，由图5可知，在2000、2005、2010、2015和2020年，宁夏的主要粮食作物的种类未发生变化，但各主要粮食作物在空间分布上发生着明显变化。

2000年宁夏的主要粮食作物集中分布在黄河灌溉区、清水河流域、西吉县、隆德县和泾源县，且在4类主要粮食作物种植比重中，小麦所占比重明显大于其他主要粮食作物，小麦的种植面积也多于其他主要粮食作物，说明在2000年小麦是宁夏最主要的粮食作物(图5a)。

2005年宁夏的主要粮食作物与2000年主要粮食作物分布区域相同，但西吉县和隆德县主要粮食作物种植面积明显增多，苦水河流域开始少量种植主要粮食作物。小麦仍是最主要的粮食作物，但小麦的种植面积明显减少，尤其是引黄灌溉区，且小麦的种植明显向南迁移，固原市的小麦种植面积增加尤为明显。与此同时，全区玉米种植逐渐突出，主要集中于银川市和吴忠市(图5b)。

2010年宁夏的主要粮食作物集中分布于黄河灌溉区、清水河流域、苦水河流域和西吉县，薯类的种植面积明显增多，小麦主要集中分布于固原市，各种主要粮食作物比重相差较小(图5c)。

2015年宁夏的主要粮食作物集中分布于黄河灌溉区、清水河流域、苦水河流域、原州区、西吉县和彭阳县，薯类仍占据一定的优势(图5d)。

2020年宁夏的主要粮食作物集中分布于黄河灌溉区、清水河流域、苦水河流域，原州区、西吉县和彭阳县分布较为分散，玉米种植面积大幅增加，在各地级市中都占据一定优势地位(图5e)。

图5 2000—2020年宁夏主要粮食作物种植结构的空间变化特征

4.3.2 宁夏各地级市主要粮食作物种植比例的时空变化特征

4.3.2.1 作物种植比例的时间变化特征（1）小麦种植比例的时间变化特征。由图6可知，小麦在各地级市中的种植比例变化较为明显。从各地级市的小麦种植比重来看，固原市的小麦所占比重一直领先于其余各地级市，其中，2005、2010和2015年固原市的小麦占宁夏全区小麦种植面积均超过50%，其余年份比例也超过了25%。石嘴山市20年间小麦所占比重明显变少，说明石嘴山开始向其他主要粮食作物种植转变，小麦种植规模减小。银川市20年间小麦所占比重先减少然后增加，但变化幅度不大。吴忠市2000、2010和2015年小麦所占比重逐年减少，2020年比重有所增加。中卫市的小麦占比前10年逐年减少，2010年后，其占比开始增加，说明中卫市的小麦种植规模先减小然后变大，且2015年后超过石嘴山市的小麦的种植面积。2000年，固原市、银川市、石嘴山市的小麦种植比重较大，2005、2010和2015年，由于固原市的小麦种植面积激增，导致其余各市的小麦种植面积所占比重均较小，至2020年除石嘴山市的小麦种植比重较少，其余各地级市的比重相差不多，且比例较为均衡，其中，银川市占17.74%、吴忠市占21.36%、中卫市占19.81%、固原市占33.39%。

图6 2000—2020年宁夏各地级市的小麦种植比例

（2）稻谷种植比例的时间变化特征。由图7可知，稻谷的种植以银川市、石嘴山市、吴忠市为主，种植比重较大，主要是因为这3个市地处黄河灌溉区，能较好地满足水稻生长过程中的用水需求。从各地级市稻谷的种植比重来看，银川市稻谷所占比重在逐年减少，由2000年的56.49%减少至2020年的18.41%，除2020年外，其他年份比重均大于其他4个市，这说明银川市除2020年以外其他年份都是宁夏稻谷种植面积最多的地区。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。吴忠市的种植比重在2015年前较为稳定，2015年后其比重开始增加，直至2020年吴忠市稻谷占比成为全区最大。而中卫市与固原市种植比重较小，尤其是固原市，占比最多的年份仅占11.87%(2010年)，平均占比5.19%，固原市地处南部山区无法满足稻谷的灌溉条件，因此其稻谷种植比重非常小。

图7 2000—2020年宁夏各地级市的稻谷种植比例

（3）薯类种植比例的时间变化特征。由图8可知，薯类的种植比例变化不明显，5个地级市均有种植薯类，除中卫市比重稍小，其余各地级市比重相差不大。从各地级市薯类的种植比重来看，固原市薯类种植比重在波动中逐渐减少，其占比分别为34.72%、27.26%、24.36%、31.37%、18.14%，2010和2020年固原市薯类的种植面积被银川市超越，其他年份其种植面积均领先于其他各市。银川市波动变化，但变化幅度不大，在2010和2020年其种植面积领先于其他各市，其他年份排在第2或第3位，说明银川市薯类的种植在全区中是相对比较多的一个市。石嘴山市在2005、2010和2015年薯类种植比重略大于其他年份，吴忠市、中卫市保持相对稳定。

图8 2000—2020年宁夏各地级市的薯类种植比例

（4）玉米种植比例的时间变化特征。由图9可知，在5个地级市中玉米的种植比例变化较为明显，从2000、2005和2010年以银川市和吴忠市市种植比重较大，逐渐转变为2020年的各地级市均衡分布。从各地级市玉米的种植比重来看，银川市种植比重整体上呈减小趋势，说明银川市玉米的种植比重逐渐少于其他市，截至2020年银川市玉米的种植比重仅大于中卫市和固原市。石嘴山市2015年前玉米所占比重比较小且相差不大，平均比重8.66%，至2020年其比重明显增大。吴忠市玉米所占比重逐年减小，除2005年外，玉米的种植比重均领先于其他各市，说明吴忠市是全区玉米种植较为集中的地区。中卫市玉米所占比重先增大后减小，除2020年处于末位外，其他各年的种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减小，2000和2005年，固原市玉米的种植比重少于其他各市，但2010年后，其种植比重逐渐超越石嘴山市、银川市。

图9 2000—2020年宁夏各地级市的玉米种植比例

4.3.2.2 作物种植比例的空间变化特征（1）小麦种植比例的空间变化特征。宁夏小麦有春小麦和冬小麦之分，以春小麦为主，各市县都有分布，冬小麦主要分布在彭阳、泾源、隆德等县，盐池南部、原州区、同心、西吉也有少量种植［19］。提取2000、2005、2010、2015和2020年宁夏小麦种植面积得出的结果如图10所示。由此可以看出，小麦在各市都有种植，但随着时间的推移，小麦空间分布情况发生了明显变化。2000年，小麦集中分布于宁夏境内的黄河、清水河、葫芦河流域，即主要分布于惠农区南部、平罗县、贺兰县、西夏区东部、金凤区、兴庆区、永宁县、灵武市西北部、青铜峡市、利通区北部、中宁县和沙坡头区沿黄河区域、中宁县与同心县交汇区域、同心县和海原县交汇地带、隆德县、泾源县，原州区、西吉县、彭阳县分布较零散，但相对其他县市种植面积较多。2005年小麦分布地区与2000年相同，但在红寺堡区中部出现小面积种植，固原市各市县小麦种植面积大幅增多。2010年，全区小麦种植面积明显减少，尤其是银川市、吴忠市、中卫市，但各地级占当年小麦种植总面积比重与2005年相比变化不大。2010年小麦的分布区域多了海原县西南地区，其余分布区和上述年份相同。2015年，全区的小麦种植面积仍在减少，分布区域与2010年相差不多。至2020年，除中卫市中部地区、同心县中南部、灵武市大部分地区及盐池县北部地区种植面积极少，其余地区分布相对均匀。

图10 宁夏2000—2020年小麦种植面积的空间变化特征

（2）稻谷种植比例的空间变化特征。由图11所示，全区稻谷种植面积空间变化不大，仍集中于引黄灌溉区，即银川市、吴忠市、石嘴山市，但个别年份也有向南扩展。2000年，稻谷主要分布于引黄灌溉区，即平罗县、贺兰县、西夏区东部、金凤区、兴庆区、永宁县、灵武市西北部、青铜峡市、利通区、中宁县和沙坡头区沿黄河区域。2005年，除引黄灌溉区外，红寺堡区中部、盐池县中北部、同心县与海原县交界处、西吉县、原州区、彭阳县开始零星种植稻谷。2010年，除去2005年提到的几个地区，盐池县南部、红寺堡区、海原县南部稻谷种植面积也明显增多，但彭阳县稻谷种植面积减少至几乎没有。2015年，盐池县南部、海原县南部、西吉县稻谷种植面积急剧减少，几乎没有种植。2020年时，稻谷的种植区域与2010年相同。

图11 宁夏2000—2020年稻谷种植面积的空间变化特征

（3）薯类种植比例的空间变化特征。由图12所示，薯类的种植空间变化不大，主要分布于引黄灌溉区和固原市各县区。2005年与2000年相比，石嘴山市和中卫市薯类种植面积明显增多，固原市薯类种植面积减少；2010年石嘴山市、银川市种植面积同比增加，中卫市稍有减少；2015年，固原市薯类种植面积明显增加，银川市明显减少；至2020年，全区薯类种植面积较其他年份明显大幅度减少。

图12 宁夏2000—2020年薯类种植面积的空间变化特征

（4）玉米种植比例的空间变化特征。玉米既是一种高产的作物，也是重要的饲料，随着时间的推移，其种植面积从11596.5 hm2增至361520.0 hm2，成为宁夏首要粮食作物。经过提取2000、2005、2010、2015和2020年宁夏玉米种植面积得出图13所示的结果。玉米的种植的空间变化非常明显，从银川市、吴忠市逐渐向南北扩展，至2020年，各市种植比重相差不多。2000年，全区玉米种植面积非常小，只在石嘴山市、银川市、吴忠市、中卫市零星分布。2005年，引黄灌溉区开始大面积种植玉米，尤其是银川市、吴忠市玉米种植非常集中。2010年，玉米的种植逐渐在全区扩散开，但仍主要集中于引黄灌溉区和清水河流域。2015年在2010年的基础上玉米的种植面积仍在增加，尤其是固原市，玉米种植面积增加比较明显。至2020年，各地级市种植面积比重相差不大，主要集中于分布于引黄灌溉区、清水河流域及固原市各县区。

图13 宁夏2000—2020年玉米种植面积的空间变化特征

4.4 主要粮食作物景观指数的变化分析

由图14可知，在2000、2005、2010、2015和2020年期间，全区小麦和稻谷的平均斑块面积逐年减少，其斑块密度整体上呈现增大趋势，斑块聚合度变小，说明小麦和稻谷种植空间异质性和破碎化程度越来越严重，实现规模性种植的可能性减少；在2000、2005和2010年，薯类的平均斑块面积呈不断增大的趋势，而斑块的密度则呈现出持续降低的趋势，并且斑块的聚集程度也有所提高，表明在这段时间内，薯类的种植是较为集中的；2010、2015和2020年，马铃薯的平均斑块面积和密度都有所下降，但其聚集程度比较稳定，表明马铃薯的种植呈现出轻度的碎裂，总体上的集中种植呈现出轻度的分散；在2000、2005、2010、2015和2020年，玉米的斑块面积和斑块密度总体呈上升趋势，除了2000年的斑块聚合度数值异常外，其余年份都比较稳定，这表明玉米的分布趋向于集中，但总体上其仍存在分散种植。

图14 宁夏2000—2020年主要粮食作物的景观指数

根据最大斑块指数，2000和2005年，小麦的最大斑块指数为0.3309%和0.1428%，均大于稻谷、薯类和玉米的最大斑块指数，说明在2000和2005年的小麦种植面积最多，是宁夏最主要的粮食作物；在2005、2010和2020年，玉米的最大斑块指数超过其他主要粮食作物的最大斑块指数，因而玉米代替小麦成为宁夏最主要的粮食作物。

5 小结与讨论

5.1 小结

本文以MOD13Q1遥感图像为基础，利用决策树分类方法，对宁夏全区主要粮食作物进行提取分析，并将其与统计年鉴资料中的主要粮食种植面积进行了比较，评价本次提取精度。通过对宁夏主要粮食作物的时空变化分析的研究，得出如下结论：

（1）从种植面积来看，在2000、2005、2010、2015和2020年期间，全区主要粮食作物的种植面积整体上呈增加趋势，其中，玉米的种植面积呈显著增长趋势，小麦和薯类呈减少趋势，稻谷的种植面积保持稳定。

（2）从种植空间变化来看，各类主要粮食作物都集中分布于引黄灌溉区、清水河、苦水河、葫芦河流域。其中小麦虽在全区各地级市中都有分布，但2000、2005及2010年相对集中分布于引黄灌溉区、清水河流域及固原各区县，自2015年开始分散分布于其他各地级市。稻谷主要集中种植在引黄灌溉区，但总体上是在逐渐向南、向东扩展，但由于南部山区大部分地区不能满足稻谷的种植条件，因此只有原州区、西吉县零星分布。薯类的种植空间变化不大，主要分布于引黄灌溉区和固原市各县区。玉米的种植的空间变化非常明显，从银川市、吴忠市逐渐向南北扩展，至2020年，各市种植比重相差不多。

（3）从种植结构来看，小麦和玉米的种植比例变化较为明显，稻谷种植比例变化较小，薯类的种植比例变化不明显。在2000和2005年小麦的种植面积最多，是宁夏最主要的粮食作物；在2010、2015和2020年，玉米代替小麦成为宁夏最主要的粮食作物。

（4）从种植格局来看，在2000、2005、2010、2015和2020年，宁夏小麦和稻谷种植空间异质性和破碎化程度愈加严重；薯类在2010年之前种植一直比较集中，但后来的10 a里薯类种植开始出现轻微破碎化的现象，在整体的集中种植上出现了轻微的分散；玉米的种植在向着集中化发展，但其仍存在分散种植现象。