基于遙感數據的山西省水產養殖經濟效益探索性空間分析

袁興偉， 劉尊雷， 張 輝， 姜亞洲， 金 艷， 程家驊

(中國水產科學研究院東海水產研究所，農業部東海漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090)

隨著海洋環境持續惡化，海洋漁業資源衰退嚴重，水產養殖業的發展受到世界主要漁業國家的重視和扶持。改革開放以來，中國水產養殖業取得巨大成就，養殖產量躍居世界水產養殖大國首位[1-5]。養殖水體面積是衡量養殖規模的重要指標，其調查方式通常由地方主管部門統計上報，需耗費大量人力和財力，且養殖面積的規模和空間分布變化不易及時掌握，因此急需一種新的監測手段和方法。衛星遙感數據具有反映地面信息豐富、獲得資料速度快、周期短、時效性強、成本低、經濟效益大等特點，為水產養殖面積的調查提供了新的科學手段。國內學者基于RADARSAT-1[6]、Landsat ETM[7]、ETM+[8]、ASTER數據[9]等不同遙感數據類型對如何高效、高精度地提取水產養殖區面積信息開展了相關研究。在水產養殖經濟效益空間聚集及成因分析方面，石兆文[10]分析了漁業集聚的成因，曹光鑫等[11]對集聚效益進行了研究，姚成勝等[12]利用區位基尼系數、區位商指數及動態面板模型對我國水產養殖業的地理集聚特征及其演變機制進行了研究，侯熙格等[13]運用行業集中度和產業空間集聚指數探討了中國大菱鲆養殖業的產業聚集水平及成因。

探索性空間數據分析方法(Exploratory Spatial Data Analysis，ESDA)是依據考察變量的空間特性，將統計學和現代圖形技術相結合，是直觀展現考察變量隱含的空間分布、空間模式及空間相互作用特征的一種數據分析方法，其在漁業領域得到較為廣泛的應用[14-17]。然而，目前利用ESDA技術對養殖水體經濟效益方面開展的研究還鮮有報道。本研究基于2010年山西省漁業統計年鑒數據及衛星遙感水體面積數據，結合探索性空間數據分析方法，分析各縣域水產養殖水體占比及水產養殖效益的空間分布特征，為山西省水產養殖業的綠色、可持續發展提供數據支撐。

1 研究區域概況

山西省地處黃河流域中部東岸，華北平原西面的黃土高原上，省境四周山環水繞，與鄰省(區)的自然境界分明，國土面積15.67×104km2，轄太原、大同、長治、朔州、陽泉、運城、呂梁、忻州、臨汾、晉城、晉中等11個地級市，119個縣、市、區。境內屬溫帶大陸性季風氣候，南北氣候差異顯著，晝夜溫差較大。

山西省境內共有大小河流1 000余條，分屬黃河、海河兩大水系，其中黃河沿山西境內流程968 km。黃河流域在山西境內的面積有9.71×104km2，占全省總面積的62%，海河流域在山西省內的面積有5.91×104km2，占全省總面積的38%。山西省境內天然湖泊不多，漁業可利用湖泊有18個。境內現有700余座水庫，漁業可利用水庫293座，其中大型水庫8座，中型水庫54座，小型水庫231座。山西水庫多建在山區和丘陵地區，上游有廣闊的消落區，庫周圍則有大片荒山荒坡，水質新鮮，溶氧充足，非常有利于從事漁業生產。水庫是山西省境內主要的養殖水體，占到全省養殖水面的70%左右。同時，山西省是我國北方巖溶泉分布面積最廣的省份，利用巖溶泉進行流水養殖是山西省特色漁業之一，主要以池塘流水精養模式進行冷水魚養殖[18]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 遙感數據源

采用中巴地球資源衛星CBERS-02B星CCD傳感器拍攝的多光譜影像進行養殖水體資源提取。選用的山西省影像數據為2010年分辨率為19.5 m的衛星影像數據。篩選原則為影像所在月份水域面積保存完好，無大面積干涸情況，云霧覆蓋率低，影像質量相對較好。采用ERDAS軟件對CCD傳感器獲取的1～4波段進行波段合成。對于影像輻射畸變，采用校正曲線或各種數學算法進行空間濾波和平滑化，校正各種灰度失真及條紋、信號缺失或疵點等離散形式輻射誤差。

2.1.2 水產養殖數據

水產養殖面積數據(hm2)和漁業經濟增加值數據(元)源自《2010年山西省漁業統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 數據預處理

2.2.1.1 遙感數據預處理

首先進行遙感影像預處理，主要包括波段合成、輻射校正、幾何校正、影像鑲嵌與裁剪；最后進行養殖水體資源提取。提取過程中，為提高精度，需借助野外實地調查，使用手持GPS對不同養殖水體的實際面積做了測量。

2.2.1.2 水產養殖數據預處理

研究以2010年山西省行政區劃為準，劃分市轄區和縣為主的106個空間單元，其中各地級市下轄區統一劃至相應市轄區。利用水產養殖面積與水體遙感面積之比定義為養殖水體占比，當年漁業經濟增加值與水產養殖面積之比定義為單位hm2漁業經濟增加值。用單位hm2漁業經濟增加值的自然對數值代表縣域水產養殖經濟效益。

2.2.2 探索性空間統計分析(ESDA)

探索性空間數據分析是以空間統計學為基礎，以空間數據為研究對象，分析觀測值空間分布特征的一種方法，分為全局空間自相關分析和局部空間自相關分析兩類。

2.2.2.1 全局空間自相關分析

全局空間自相關是度量空間自相關的全局指標，反映了考察變量在全部區域范圍內空間自相關的整體趨勢。表示全局空間自相關的指標較多，本研究選用最常用的全局空間自相關檢驗統計量——MoranI，其計算公式如下[19]：

(1)

2.2.2.2 局部空間自相關分析

局部空間自相關可以度量考察變量在局部區域范圍內空間差異程度。常用的局部空間自相關分析指標有LISA(local indicators of spatial association)和Moran散點圖(Moran scatterplot)。本研究選擇Moran散點圖分析水產養殖經濟效益的局部空間自相關關系，并進行正態分布假設的顯著性檢驗；此外輔助以回歸消減診斷法(regression depletion diagnostics, RDD)進行特異值識別。Moran散點圖是利用散點圖的形式，對考察變量Z與其空間滯后向量WZ之間的相關關系進行直觀描述的一種分析方法。散點圖的橫軸對應變量Z的觀測值，縱軸對應滯后向量WZ(即被觀測單元周圍鄰近區域的屬性值的加權平均)的取值，坐標系按照高低順序組合，被分成4個象限(HH、HL、LL、LH)，分別顯示了某個區域與其鄰近區域之間的空間關系。HH/(LL)代表了高屬性值(或低屬性值)的區域被同樣是高值(或低值)的區域所包圍的空間分布形式；HL代表了高值區域被低值區域包圍的空間形式；LH代表了低值區域被高值區域包圍的空間分布形式[20]。

2.2.3 數據分析工具

采用ARCGIS 10.2中的空間統計工具，計算2010年山西省養殖效益水平的MoranI指數，利用R軟件繪制養殖水體占比的空間分布圖及Moran散點圖。

3 結果與分析

3.1 養殖水體資源結構

山西省地處山地、高原地區，受降水及下墊面條件的影響，山西省水資源地區分布差別較大。總體上，東部山區和東南部地區水資源相對比較豐富，占全省河川徑流量的42%，大同、忻州、太原、臨汾等腹部地區占36.6%，西部地區占12%，南部地區占7.6%。2010年山西省水產養殖水體資源結構如圖1所示。

圖1 山西省水產養殖水體資源結構圖Fig.1 Water resource structure and distribution in Shanxi Province

晉北地區的大同市和朔州市地跨海河、黃河兩大流域，境內河流眾多，流域面積超過4×104km2；水庫156座，其中大中型水庫超過18座，水體結構以大于33.33 hm2(500畝)的大水面為主，兼有少量小型山塘水庫和淡水池塘，大水面占比自北向南依次遞減，其中大同市大水面占比高達56.62%。汾河是黃河水系的兩大支流之一，也是省內黃河干流外的第一大河流，流經太原、臨汾盆地，致使晉中地區太原和晉西南部的臨汾兩市水產養殖水體以大水面為主，小型池塘為輔；呂梁、晉中等中部地區不同養殖水體結構相似且三種水體類型均分；陽泉市地處山區，面積較小，水產養殖以0.33～33.33 hm2(5～500畝)的山塘和水庫為主。晉東南的長治市地跨黃河和海河兩大流域，流域面積超過1.2×104km2，同時境內共有中、小型水庫75座，致使該市養殖類型以大水面養殖為主；同樣位于晉東南的晉城市，丹河和沁河及其支流流經該市，流域面積超過7 500 km2，養殖類型以流水池塘養殖和水庫養殖為主。位于西南部的運城市地處黃河北干流以東，河流繁多，水庫超過124座，由于大部分水庫不能保證常年有水源或作為飲用水源地，故水產養殖主要以小型池塘養殖為主，養殖年均產量及養殖面積位居全省首位，是山西省名副其實的養殖大市。

3.2 各縣域養殖水體占比的空間分布特征

山西省各縣域養殖水體占比的分布情況見圖2。養殖水體占比空間分布特征極不均勻，高值和低值區域聚集分布，中值區域呈分散狀。其中，養殖水體占比較高的地區有13個，占全省縣域的12.26%，主要集中在忻州市東部的定襄縣、五臺縣，呂梁市的方山縣、文水縣、臨縣，陽泉市的盂縣，晉中市的和順縣，長治市的武鄉縣，晉城市的沁水縣，運城市的絳縣、新絳縣、芮城縣。而養殖利用率偏低的地區最多，有35個，占全省縣域的33.02%，主要集中在北部的大同市、朔州市，陽泉市南部、晉中市北部，呂梁市東南部及晉中市西南部各縣，晉城市東南部，以及運城市中北大部各縣域。養殖利用率中等偏低的區域主要集中在省內中西部及中東部各縣域內。整體上，高值區域養殖水體主要分布在該市水資源相對豐富的縣域內，而養殖類型以小型的池塘養殖為主，大水面利用率極低。低值區域養殖水體集中在水資源相對匱乏以及地形以山區居多的縣域內，如交口縣、陽泉市轄區、平順縣、沁源縣、蒲縣、鄉寧縣、左云縣、黎城縣、晉城市轄區、陵川縣等，水體面積均不超過200 hm2，淡水養殖類型分布相對均分。

3.3 各縣域水產養殖經濟效益空間自相關特征

3.3.1 全局空間自相關分析

利用公式(1)對山西省106個縣域單元不同養殖類型的綜合養殖經濟效益進行空間自相關分析，結果如表1所示。計算結果表明，全局MoranI指數為0.36，且在0.05的水平上顯著。這說明山西省各縣域水產養殖效益空間分布并非隨機分布狀態，具有顯著的空間正相關關系，空間上鄰近縣域具有相似的養殖經濟效益，即效益高的縣域，其周邊縣域的效益也較高，反之亦然，表明各縣域水產養殖經濟效益在地理空間上呈現顯著的聚集特征。

圖2 山西省水產養殖水體占比空間分布特征Fig.2 Spatial distribution of the utilization ratio of aquaculture water in Shanxi Province

樣本量均值標準誤Moran I指數Z得分P值1065.120.490.362.840.004

3.3.2 局部空間自相關分析

全局MoranI指數顯示山西省水產養殖經濟效益存在顯著的空間聚集特征，考慮到全局相關性分析不能用來考察局部區域的空間自相關，本研究借助Moran散點圖進行局部空間自相關分析。利用R軟件描繪山西省106個縣域水產養殖效益的空間分布狀態，得出Moran散點圖(圖3)，并對圖3進行統計分析，得表2。

結合圖3和表2可以看出，山西省的近70%的縣域屬于HH和LL區內，占比分別為24.53%和42.45%，大部分縣域表現為局部正相關，說明山西省各縣域水產養殖經濟發展聚集趨勢明顯，這與前面全局空間自相關分析結果是一致的。由于屬于LL區的縣域數量遠多于屬于HH區的縣域，說明山西省水產養殖效益整體偏低，因此山西省縣域水產養殖經濟協調發展的道路還很長。從空間分布看，同類型地區的聚集特征非常明顯。利用回歸消減診斷法進行特異值識別后發現，屬于HH區的顯著性高增長聚集區主要集中在中東部的陽泉市內3縣、東南部晉城市的陵川和澤州2縣，表明上述區域自身水產養殖發展水平較高且空間差異性較小；屬于LL區的顯著聚集區有兩大塊，一塊是中部婁煩、方山、交城3縣；另一塊是東南部長治市的武鄉、沁縣、襄垣、屯留和長子等5縣，上述縣域水產養殖發展水平較低且空間差異性亦較小。屬于HL和LH區的非典型區域(偏離全局空間自相關整體趨勢的地區)分別占16.04%和16.98%，數量相對較少，且沒有1個縣通過顯著性檢驗，說明這些縣域自身的極化作用尚不明顯。上述結果從總體上揭示了山西省水產養殖經濟效益發展水平在空間分布上的不均衡性。

圖3 山西省各縣域水產養殖經濟效益Moran散點圖Fig.3 Scatterplot of Moran′s index for the economic benefits of aquaculture in Shanxi Province

樣本量占比HHLLHLLH局部空間自相關縣域7166.98%2645非典型縣域3533.02%1718

4 討論

山西省是全國缺水最為嚴重的省份之一。養殖水體占比是衡量用以養殖用途水體面積大小的重要指標。整體上，2010年山西省養殖水體占比空間分布特征極不均勻，高值區域零星分布，中值區域較為分散，低值區域呈局部聚集狀態。山西省內養殖水體占比偏低，這與山西省是全國漁業小省、漁業建設規模不大，漁業發展相對緩慢的實際狀況相符合[21]；另一方面，受調水、沖淤等因素影響，水位波動較大，加之部分水庫作為飲用水源地，不適宜從事水產養殖業。山西省養殖水體占比較高的有13個縣，致使其偏高的主要原因是上述縣域水資源較為匱乏，13個縣合計水體總面積僅占全省水體面積的4.29%，其中有11個縣遙感水體總面積均不超過250 hm2，盂縣、定襄縣、絳縣、新絳縣等縣域的水體面積甚至不超過60 hm2，養殖集約化顯著；同時，由于遙感數據源未考慮年內和年際水位變化對水域面積的影響，加之縣域水體面積較小，遙感數據精度存在一定誤差，也可能是導致上述縣域養殖水體占比數據偏高的一個因素。

探索性空間分析結果表明，山西省各縣域水產養殖效益表現出顯著的全局空間正相關趨勢，借助局部空間自相關分析，發現山西省水產養殖經濟效益空間分布表現為兩個特征：一是空間聚集，二是空間不平衡分布，其空間格局是顯著的中東及東南部高、中部低的兩極化分布。山西省水產養殖經濟效益顯著性高增長地區主要集中在陽泉市3縣和晉城市的陵川和澤州2縣，這與當地養殖模式的改變有關。陽泉市是省內水資源嚴重匱乏的地級市之一，盡管可利用的養殖水體面積較小，但在發展傳統池塘養殖的基礎上，引入新型養殖技術，著力推廣標準化流水池塘養殖鱘魚(Acipensersp.)的特色養殖模式，建成省、部級水產健康養殖示范場數家，其中，平定縣娘子關標準化流水池塘養殖鱘魚已初具規模，年產商品鱘魚超過500 t，年產值高達12×106元；晉城市地處太行山脈，冷泉水資源豐富，該市大力發展標準化池塘養殖，虹鱒(Oncorhynchusmykiss)和鱘魚等冷水養殖種類作為當地特色養殖得到蓬勃發展，效益顯著[18]。規模化特色養殖模式既可以提高養殖戶的科技水平，又可以降低養殖品種在養殖過程中的成本投入，提高產量，從而增加水產養殖經濟效益。山西省中部的婁煩、方山、交城3縣和東南部的武鄉、沁縣、襄垣、屯留和長子5縣是水產養殖效益較低的地區。上述地區水產養殖空間結構基本相同，水產養殖類型單一且水體利用率不高、低產值養殖品種占主導地位是其共同特征，表現出較強的空間聚集特征。青魚(Mylopharyngodonpiceus)、草魚(Ctenopharyngodonidellus)、鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)、鳙(Aristichthysnobilis)、鯽(Carassiusauratus)等傳統養殖品種占全部養殖產量的85%以上，且產量較低，加之價格低廉，致使上述縣域水產養殖經濟效益較低。運城市地處晉陜豫黃河三角地帶，水域灘涂資源廣闊，光熱資源豐富，具有發展淡水養殖得天獨厚的條件。該市漁業發展模式先進，其漁業專業合作社已成為該市漁業發展的重要模式和生力軍。漁業產量和產值穩居全省首位，其下轄的13個區縣單元養殖效益多數處在HH區，但由于池塘養殖是其主要養殖類型，且養殖品種單一，2009年鯉(Cyprinuscarpio)、草魚、鰱等低產值品種產量占比高達90.9%，盡管產量為全省首位，但產值不高，其下轄的區縣與鄰近區縣間經濟效益差距不大，致使其局部空間自相關未通過顯著性檢驗。全局空間自相關表明水產養殖經濟效益相近的地區彼此聚集，說明近鄰效應顯著，那么加強縣域間合作，可實現雙贏局面；低效益區在空間上的聚集，可選擇聚集區作為激勵對象，采用促進聚集區共同發展的縣域特色政策，以產生更高效益。

伴隨水產品需求日益增長，物價水平的逐步上漲，飼料成本投入不斷加大，養殖效益明顯下滑的大趨勢，如何提高水產養殖經濟效益是亟待解決的問題。目前在水產養殖中普遍采用池塘高密度養殖方式，這種方式在提高水產養殖產量的同時也帶來了許多問題和弊端，例如養殖水體嚴重富營養化致使出現養殖區域水體的污染嚴重、病原生物大量繁殖、生態環境惡化、生物多樣性遭到破壞，養殖品種爆發性死亡頻發等現象[22]。受傳統養殖觀念的影響，2010年前，山西省漁業生產還停留在粗放型養殖狀態。為切實提高水產養殖的經濟效益，同時減少環境污染，必須按照資源節約、環境友好和循環經濟的理念，加快水產養殖業增長方式的轉變。因此，加快推進水產健康養殖步伐，既是提高水產品質量安全的重要舉措，也是保障漁民增收的重要途徑，更是促進漁業可持續發展的重要內容[23]。要結合當地的資源優勢和區位特點，著力推進地方特色養殖業，積極挖掘水產養殖水域使用面積潛力，大力發展生態系統水平的新型養殖生產模式，加快經營方式轉變，引導養殖者向規模化發展[5]。建議相關管理部門全面推進中低產值養殖池塘標準化改造，大力促進粗放型、簡易型水產養殖向現代養殖設施工廠化方向轉變，加強水產養殖業管理與執法能力建設，重點加強養殖水域保護，建立養殖水域生態補償機制，實現山西省水產養殖業綠色、可持續發展。