基于聚類分析的新疆棉花生產風險區劃研究*

王靜，王莉晶，聶芳曈，郭金夢，段星汝，劉云

(塔里木大學信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

棉花是關系國計民生的戰略物資，安全穩定的棉花生產是確保國民經濟持續健康發展的基礎。新疆是我國第一大棉花生產區，棉花產業的發展對新疆農業發展起著重要的作用。由于新疆棉花存在著較高的產量風險和價格風險，棉花收入具有較大的波動性，因此，棉農對收入保險有迫切的需求[1]。自20世紀80年代以來，棉花保險一直是新疆重要的特色險種，目前棉花保費收入已占全部農作物保費收入的50%以上，參保面積已達90%。隨著新疆農民合作社、家庭農場等新型經營主體不斷發展，推行棉花收入保險對于棉花產業及新疆農村經濟的穩定發展更具重要意義[2]。而保險費率厘定是否合理又與風險區劃密切相關[3]，風險區劃是棉花收入保險費率厘定的前提和基礎，保險產品根據棉花種植區域的自然和社會條件厘定費率。新疆是我國陸地面積第一大省級行政區，地域廣闊，氣候各異，不同地級區域的棉花生產由于氣候不同，其風險水平也明顯不同。因此，應根據不同地區的風險特征以及當地對收入風險的認知水平厘定差異化費率。只有在風險區劃環節充分考慮不同風險因素，體現風險分區的科學合理性，才能科學厘定保費率，促進棉花保險市場的發展[2]。

近年來，已有許多學者在生產風險評估和風險區劃方面進行了深入的研究，并取得了很多有意義的成果。陳國榮，等[3]以森林火災為例，采用基于熵權的TOPSIS法對全國各省份進行風險區劃研究，在95%置信度下厘定森林火災險的區間費率。吳垠豪，等[4]和陳軍，等[5]學者基于區域產量變化衡量自然風險對農業生產影響視角進行了農作物生產保險風險區劃研究。袁祥州[6]以湖北省三個地級區域級水稻產量風險評估為案例，定量評價了地級區域水稻產量風險的低估程度。李文芳，等[7]與何青華[8]使用非參數信息擴散模型，選取不同指標對小麥生產風險進行了區劃。此外，基于不同的研究對象眾多學者運用不同的方法在風險區劃方面做了大量的工作，得出了一系列重要的結論[9-14]。現行棉花生產風險的區劃，受人為因素的影響較大，尚缺乏科學理論依據，也未能科學反映區域之間風險水平的差異。基于此，作者結合新疆棉花單產記錄的豐富數據資料，通過構建新疆棉花收入風險區劃指標體系對棉花收入風險進行等級區劃，也為其他經濟作物生產風險區劃工作的開展提供理論參考和實踐指導。

1 數據來源及分析

數據均來自歷年《新疆統計年鑒》及新疆維吾爾自治區國民經濟和社會發展統計公報。搜集并整理了新疆主要棉花生產區域(地區、自治州、市)1990～2019年的棉花種植面積、棉花總產量、農作物種植面積等的時間序列數據，用非參數擴散模型估計新疆13個區域的棉花風險損失。新疆13個區域1990～2019年棉花單產數據的描述性統計分析結果見表1。

表1 各地級區域棉花單產(kg/hm2)序列的基本統計量

2新疆棉花生產風險損失率的估計

影響棉花產量的綜合風險因素有很多，主要包括社會風險與自然風險兩方面的因素。因而選取新疆13個地級區域1990～2019年的棉花單產數據來計算其歷年棉花的單產減產率，并利用非參數信息擴散模型計算出各地級區域棉花單產減產率超過某一閾值的概率值。

2.1 應用非參數信息擴散模型

影響農作物產量水平的因素很多，首先是生產力方面的因素，包括生產水平、基礎設施、生產規模等，這些因素決定農作物單產的長期趨勢性；其次是自然風險方面的因素，包括地形地貌、氣溫降水等，該因素決定農作物單產的隨機波動性。因此，新疆各地級區域棉花單產的時間序列數據同時具有確定性趨勢和隨機波動性特征。鑒于ARIMA(p, d, q)模型可以較好地反映時間序列的確定性趨勢和隨機性特征。本文使用Eviews 8.0軟件來選取最優的ARIMA(p, d, q)模型對棉花單產序列進行擬合，并將得到的新疆歷年棉花單產的趨勢值作為對應年份棉花單產的理論值，據此計算歷年棉花單產減產率。其計算公式如下(1)。

(1)

設棉花產量損失率為l，且l∈[0,1],某地第t年的產量損失率的樣本觀測數據為xi(t=1,2,3,…,T)。設xi所包含的信息按正態分布規律擴散給損失率樣本空間[0, 1]里的所有樣本點l，則其信息擴散模型為(2)。

(2)

式中h是信息擴散系數。為簡化計算過程，實際應用中一般將產量損失率l的樣本空間[0,1]平均分成m份，0=l1

(3)

(4)

2.2 產量損失率及其概率估計

使用Eviews 8.0軟件及相關統計方法檢驗可得，各區域棉花單產趨勢模型見表2。

表2 各地級區域棉花單產趨勢模型

運用非參數信息擴散模型對以上各地級區域棉花單產減產率的概率進行估計，將產量損失率l的樣本空間[0,1]平均分成21份。0=l1

表3 各地級區域棉花風險損失率的概率分布

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

3新疆棉花產量風險區劃

3.1 主導指標的選擇及其分析

棉花的生產離不開自然環境、社會經濟、生產技術等條件，這些因素是棉花生產的主要風險因子。本文根據風險區劃的特征以及聚類分析的要求，選擇以下四個指標對新疆棉花生產進行風險區劃，各區劃指標的含義及類型如下。

X1為各地級區域棉花單產變異系數，是綜合性指標，它反映了新疆各區域棉花生產的波動情況。該指標值越小，表明各地級區域棉花生產越穩定，生產風險越小。計算棉花單產的波動水平即變異系數。

X2為各地級區域棉花單產減產率超過某一閾值的概率，是自然風險指標。為了能較充分地反映各地級區域的自然風險狀況，選取單產減產率超過10%和20%的概率作為其中的兩個風險區劃指標。

X3為各地級區域棉花生產的專業化指數，是棉花生產規模指標；專業化指數主要考察棉花的規模情況。通常規模面積越大，一旦發生自然災害，受到損失的可能性也就越大。專業化指數計算公式為(5)。

(5)

式中SAIij表示棉花的專業化指數，CSij表示各地級區域棉花的播種面積，CSi表示各地級區域農作物的總播種面積，CSj表示新疆棉花播種面積，CS表示新疆農作物的總播種面積。當SAIij>1時，說明該地級區域棉花的生產規模超過了全疆平均水平，該地級區域棉花生產規模較大。當SAIij<1時說明該地級區域棉花生產規模低于全疆平均水平。

X4各地級區域棉花生產的效率指數，棉花生產效率指標。效率指標的高低反映了各地級區域農業生產資源的生產能力。其計算公式為(6)。

(6)

其中APij為i區域棉花單產；APj為全疆棉花平均單產。EAij>1表明與全疆平均水平相比，i區域棉花生產具有效率優勢，其風險水平較低；反之則較高。

3.2 權重確定和模型構建

在根據風險指標進行風險區劃的過程中，各指標的權重起著非常重要的作用。基于所構建的指標體系，采用因子分析法進行加權綜合來進行棉花產量的風險評估，得出各公共因子得分，為聚類分析提供數據。

3.2.1 KMO和Bartlett檢驗

KMO檢驗是比較變量間簡單相關系數和偏相關系數的方法。KMO統計量的取值在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球形檢驗用于檢驗相關陣中各變量間的相關性是否為單位陣，即檢驗各個變量是否相互獨立[15]。對數據進行KMO檢驗和Bartlett球形檢驗，檢驗結果見表4。

表4 KMO和Bartlett球形度檢驗

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

3.2.2 確定公共因子的個數和命名

當滿足累計貢獻率大于70%的條件時，釆用方差最大正交旋轉法對因子旋轉后得到的載荷矩陣和方差貢獻率(見表5)。

表5 旋轉后的因子載荷矩陣和方差貢獻率

因子1為產量致災因子，包括單產變異系數、專業化指數和效率指數，這三個指標反映了單產的高低。因子2為產量綜合自然風險因子，本文選用各地級區域的棉花單產減產率來近似代替綜合自然風險損失率。它包括棉花單產減產率超過10%的概率和棉花單產減產率超過20%的概率。

運用統計分析軟件SPSS 25.0，得出棉花產量風險各因子的得分系數矩陣，進一步計算得出各地級區域公共因子的得分。具體結果見表6。

表6 各地級區域棉花產量風險因子得分

4新疆棉花產量風險評估及區劃

4.1 聚類分析

為了綜合評價新疆棉花生產在各地級區域的風險大小，這里采用系統聚類法進行風險區劃。使用統計分析軟件SPSS 25.0對以上影響新疆13個地級區域棉花產量風險的分類指標進行聚類分析，將聚類結果確定為3類，聚類譜系圖見圖1。

圖1 聚類譜系圖

4.2風險評估

從圖1可以看出，新疆棉花產量的風險區劃具有一定的地域完整性，所劃分的區域具有連片的特點。克拉瑪依市處于高風險區域；中風險區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、巴音郭楞蒙古自治州、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區和和田地區；低風險地區主要包括吐魯番地區、哈密地區、阿克蘇地區和伊犁哈薩克自治州。將新疆棉花生產風險分為高、中和低三個區域。據此給出各地級區域棉花產量的風險等級分區見表7。

表7 新疆棉花各地級區域風險區劃表

為了更加直觀的對比各區域的風險狀況，表8給出反映各區域風險程度的指標數據。

表8 各區域風險程度的指標數據

5結論

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，農業技術裝備參差不齊，不同地級區域的棉花生產由于氣候不同，其收入風險水平也明顯不同。本文以新疆地級區域為基本單位，利用因子分析和聚類分析的方法，對新疆棉花進行了保險風險區劃研究，克服了因原始指標間存在相關性所造成的聚類偏差，區劃結果較為客觀準確。區劃結果表明自然風險對棉花安全的影響在全疆呈現出南疆高、北疆低的區域分布及連片性特征，這與新疆各地級區域自然災害的實際狀況是一致的。研究結果能夠為相關從業者進行生產布局、發展棉花保險、指導應對災害工作提供參考依據，并且具有重要的現實意義。

實際上，在自然災害的發生概率、強度及抵御自然災害的能力方面，即使在同一地級區域范圍內也差別很大，因此，下一步有必要考慮實施更小區域單位的風險區劃，基本單位越小，越能體現各區域單位間的風險差異。