基于GIS技術(shù)的玉米在中國(guó)的空間傳播分析

摘 要：嘗試?yán)?GIS 技術(shù)模型化、定量化研究歷史地理問(wèn)題，旨在為各種農(nóng)作物傳播路徑研究和物質(zhì)、文化擴(kuò)散 等歷史地理課題研究提供一條新的研究思路和技術(shù)路線。為探究玉米進(jìn)入中國(guó)后的傳播路徑和擴(kuò)散過(guò)程，以中 國(guó)各地最早有玉米記錄的文獻(xiàn)及記錄時(shí)間為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立玉米在中國(guó)傳播的數(shù)字地面模型，利用定量和模型 分析的方法研究玉米在中國(guó)的傳播起點(diǎn)、方向、主線與擴(kuò)展速度，探究其擴(kuò)散區(qū)域面積與明末以來(lái)人口增長(zhǎng)的關(guān) 系。結(jié)果表明，玉米在明嘉靖年間傳入中國(guó)，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(dú)立的傳播源，沿 8 條線路傳向全國(guó)。玉米的傳播主要是沿陸路交通線傳播，清代官 路與大路對(duì)玉米的傳播促進(jìn)作用明顯；但在我國(guó)西南地區(qū)，由于地形復(fù)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(lái)玉米在中國(guó)快速擴(kuò)散種植，中國(guó)人口快速增長(zhǎng)，二者表現(xiàn)為明顯正相關(guān)關(guān)系，玉米的廣泛 引種是清初到 1950 年中國(guó)人口能夠快速增長(zhǎng)的原因之一。

關(guān) 鍵 詞 ：玉米；DTM；空間插值；傳播路徑；歷史地理 中 圖 分 類 號(hào) ：S127 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 ：A 文 章 編 號(hào) ：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(gè)[1-2] ，是全球總產(chǎn) 量最高的重要糧食作物。早在 7 000 a 以前玉米就已經(jīng)被印第安人馴化在墨西哥中部高原種植，伴隨 新大陸的發(fā)現(xiàn)，玉米在 15 世紀(jì)末和 16 世紀(jì)初傳入 歐洲，明末傳入中國(guó)[3-4] 。玉米這一作物憑借生長(zhǎng) 快、產(chǎn)量高、適口性好，且對(duì)氣候、土壤、水肥的適應(yīng) 性強(qiáng)、易種植等眾多優(yōu)點(diǎn)，在中國(guó)被快速擴(kuò)散種植， 對(duì)中國(guó)的糧食種植結(jié)構(gòu)、飲食文化、人口增長(zhǎng)，甚至 對(duì)國(guó)家的穩(wěn)定都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。玉米在中國(guó)傳 播的歷史研究主要集中在兩方面[5] 。一是玉米傳 播對(duì)自然和人文環(huán)境的影響。張祥穩(wěn)等[6-7] 研究認(rèn) 為，玉米在丘陵、山地開(kāi)墾種植引起了水土流失與 土地荒漠化等問(wèn)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(shí)期絲綢之路的 農(nóng)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(jié)玉米在中國(guó)的傳播路線已經(jīng)不單單是 農(nóng)學(xué)所研究的問(wèn)題，很大程度上正是因?yàn)橛衩住⒎?薯等美洲高產(chǎn)作物傳入中國(guó)，廣泛種植，才能使中 國(guó)在清末時(shí)，雖戰(zhàn)亂不斷，人口卻達(dá)到了前所未有 的四萬(wàn)萬(wàn)。二是玉米在中國(guó)各省的傳入時(shí)間和途徑。 關(guān)于這一點(diǎn)一直都是研究討論的熱點(diǎn)問(wèn)題，如梁四 寶等[10] 對(duì)比玉米傳入山西省和相鄰省份的時(shí)間以 及玉米在山西的傳播途徑，指出玉米這種高產(chǎn)作物 對(duì)山西社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)作用。郭云奇[11] 系統(tǒng) 分析了玉米在河南時(shí)間與空間傳播范圍，認(rèn)為清代 以來(lái)玉米的推廣種植有效緩解了人口急劇增長(zhǎng)與 糧食需求之間的矛盾，有效推動(dòng)了商業(yè)、畜牧業(yè)、手 工業(yè)的發(fā)展。李昕升等[12] 研究認(rèn)為，玉米和番薯傳 入廣西后，在通過(guò)多條線路反復(fù)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(guó)空間格局認(rèn)為，玉米傳入中國(guó)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(guó)西北（甘、陜）；二是由葡萄牙人把玉米帶 往印度，然后經(jīng)中南半島、緬甸等國(guó)傳入中國(guó)西南 （云南），后推廣及川、黔；三是越印度洋、中國(guó)南海， 由葡萄牙人和華裔商人把玉米傳入我國(guó)東南沿海 （閩、浙、粵），他的觀點(diǎn)也得到學(xué)界的普遍認(rèn)可。

但以上相關(guān)研究多基于歷史方志、縣志等史料 文獻(xiàn)進(jìn)行描述性分析，闡述歷史時(shí)期玉米傳入中國(guó) 在時(shí)間和空間位置上存在分散、模糊現(xiàn)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(tǒng) 中 的 數(shù) 字 地 面 模 型 （Digital Terrain Model，DTM）方法，將玉米在中國(guó) 各省市、縣最早有文獻(xiàn)記錄的時(shí)間作為高程值，建 立玉米在中國(guó)傳播的數(shù)字地面模型，利用定量和模 型分析的方法研究玉米在中國(guó)的傳播起點(diǎn)、方向、 主線與擴(kuò)展速度，探究其擴(kuò)散區(qū)域面積與明末以來(lái) 人口增長(zhǎng)的關(guān)系，為歷史地理研究開(kāi)拓了一種新的 研究方法。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集

研究玉米在中國(guó)的傳播，首先要搞清楚全國(guó)各 地最早什么時(shí)候開(kāi)始有玉米種植。中國(guó)歷來(lái)有編 史修志的優(yōu)良傳統(tǒng)，地方志會(huì)全面記載某一時(shí)期某 一地域的自然、社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)、文化、物產(chǎn)等方面 的情況或特定事項(xiàng)，通過(guò)各方志中有無(wú)關(guān)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(dāng)?shù)仄毡榉N植。馬雪芹等已通過(guò)方志研究 出一些地方玉米引入時(shí)間，統(tǒng)計(jì)匯總共 126 個(gè)記 錄[14-16] 。本團(tuán)隊(duì)查閱地方縣志、府州志、札記等歷史 資料補(bǔ)充 76 個(gè)記錄，共整理得到全國(guó)范圍內(nèi) 202 個(gè) 地點(diǎn)最早記錄玉米種植的時(shí)間。

1.2 空間數(shù)據(jù)庫(kù)建立

該研究以中國(guó)國(guó)家地理信息中心網(wǎng)站所提供 的 1∶400 萬(wàn) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 中 的 中 國(guó) 地 圖 為 底 圖 ，采 用 CGCS_2000 國(guó)家地理坐標(biāo)系，利用 ArcGIS 10.2 為 平臺(tái)軟件，將搜集整理的 202 個(gè)市縣以點(diǎn)實(shí)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(gè)市縣定點(diǎn)位置為對(duì)應(yīng)志 書(shū)編纂年代的舊行政駐地，若無(wú)法查找到其舊行政 駐地則取現(xiàn)行政駐地，因當(dāng)?shù)刈罡咝姓v地往往是 本市縣的行政、經(jīng)濟(jì)、文化、交通和人口集聚中心。

2 研究方法

數(shù)字地面模型（DTM）——即利用一個(gè)任意坐 標(biāo)系中大量選擇的已知 x、y、z 的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)連續(xù)地面 的一種模擬表示。本研究以全國(guó)各地區(qū)玉米傳入 最 早 時(shí) 間 為 高 程 值 ，采 用 插 值 的 方 法 建 立 DTM 模型。

2.1 DTM 的建立

數(shù)字高程模型 DEM 是 DTM 的核心，是描述 地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列。

Vi=（Xi，Yi，Zi ）（i=1，2，3，4…n） （1）

式中，Xi，Yi是平面坐標(biāo)，Zi是（Xi，Yi ）對(duì)應(yīng)的高 程，表示區(qū)域上的三維向量有限序列。本文以數(shù)據(jù) 庫(kù)中全國(guó)各地最早記錄玉米種植的 202 個(gè)市縣的 離散點(diǎn)為基礎(chǔ)，將高程換成當(dāng)?shù)氐挠衩鬃钤缬涗洉r(shí) 間，對(duì)記錄年份進(jìn)行全國(guó)范圍的空間插值，形成玉 米在中國(guó)擴(kuò)散的數(shù)字高程模型，即得到玉米傳播的 趨勢(shì)面。

空間插值方法基于地形表面的空間自相關(guān)性， 由已知點(diǎn)或已知區(qū)域推算出未知點(diǎn)或未知區(qū)數(shù)據(jù) 的方法。目前插值算法有多種，本研究分別應(yīng)用反 距離函數(shù)、克里金函數(shù)、趨勢(shì)面函數(shù)、自然領(lǐng)域函 數(shù)、樣條函數(shù)對(duì)已入庫(kù)的市縣點(diǎn)進(jìn)行插值試驗(yàn)，結(jié) 果見(jiàn)圖 2。

種方法的插值結(jié)果進(jìn)行比較，反距離加權(quán)插 值方法對(duì)于玉米傳播在全國(guó)范圍內(nèi)插值的均衡效 果最好，與記錄的時(shí)間吻合度最高。因而本研究 采用反距離加權(quán)插值法構(gòu)建玉米在全國(guó)傳播的趨勢(shì)面。

2.2 人口數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

葛劍雄等[17-19] 對(duì)明朝以來(lái)中國(guó)人口的研究成果 豐碩。本研究基于明清以來(lái)已有記錄或研究結(jié)論 的時(shí)間點(diǎn)中國(guó)人口數(shù)，通過(guò)線性插值方法估算出我 國(guó)明朝以來(lái)每隔 30 年的人口數(shù)量。

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

式中，p 表示具體時(shí)間人口數(shù)量；pi 表示某一年 份人數(shù)；ti表示具體年份；i表示時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 傳播趨勢(shì)與主要路徑分析

DTM 的脊線和谷線構(gòu)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(guó)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(guó)各地區(qū)最早記錄的時(shí)間為 高程空間插值生成 DTM，模擬出的是玉米傳播的 趨勢(shì)面，提取的谷線是玉米傳播推進(jìn)最快的方向和 最快的路徑。從 DTM 來(lái)看，外圍的有 4 處獨(dú)立洼 地，分別在甘肅酒泉地區(qū)（1522 年）、云南臨滄地區(qū) （1563 年）、廣西南寧地區(qū)（1531 年）、福建福州地區(qū) （1545 年），是玉米從國(guó)外通過(guò)不同路徑進(jìn)入中國(guó)的 最早落腳點(diǎn)。玉米在國(guó)內(nèi)的傳播皆源于這 4 個(gè)點(diǎn)。 從谷線來(lái)看，反映出玉米在國(guó)內(nèi)的傳播存在 8 條主 要路徑，分別是 A 線路（河西走廊→陜西關(guān)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(nèi)蒙古東部→黑龍江）。

3.2 玉米傳播路線和清代交通線關(guān)系

陳光華[21] 的《中國(guó)的交通運(yùn)輸發(fā)展》中有清代 的官路與大路圖，記載了清代時(shí)期中國(guó)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(zhǔn)，把主要交通線路、城市節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行矢量化， 構(gòu)建清代主要道路數(shù)據(jù)庫(kù)。

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(shuō)明陸路交通對(duì) 玉米在中國(guó)的快速傳播有促進(jìn)作用。B、C、D 線路 無(wú)明顯吻合道路，但與中國(guó)水系圖疊置，發(fā)現(xiàn) B、C、 D 線路與我國(guó)西南地區(qū)主要河谷吻合度較高，分別 與瀾滄江、長(zhǎng)江以及珠江的主要支流右江重合，說(shuō) 明在地形復(fù)雜、交通不便的西南地區(qū)，玉米的傳播 主要沿河谷擴(kuò)展。

3.3 歷史時(shí)期玉米傳播范圍與人口增長(zhǎng)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(jìn) 近 代 人 口 增 長(zhǎng) 的 重 要 作 物[22-24] 。 NUNN 等[25] 通過(guò)分析一國(guó) 4 萬(wàn)人口以上城市所種 植土豆面積占比，估算出土豆對(duì)人口增長(zhǎng)的貢獻(xiàn) 率。玉米在明末傳入中國(guó)，清代迅速傳播種植，成 為促進(jìn)中國(guó)人口增長(zhǎng)的重要因素之一。本文基于 玉米在全國(guó)傳播的趨勢(shì)面，提取等間距為 30a 的等 值線（圖 3），得到玉米在中國(guó)傳播年份等值線圖，得 到各年份玉米種植擴(kuò)散到的區(qū)域，進(jìn)而得到 1500— 1950 年間玉米在中國(guó)擴(kuò)散區(qū)域累積面積變化曲線， 與 通 過(guò) 線 性 插 值 方 法 估 算 出 我 國(guó) 明 朝 以 來(lái) 每 隔 30 年的人口數(shù)量進(jìn)行比較分析。

由中國(guó)人口變化與玉米擴(kuò)散累積面積曲線可 見(jiàn)（圖 5），二者的變化趨勢(shì)存在較高一致性。1470— 1700 年人口數(shù)量與玉米擴(kuò)散面積增長(zhǎng)趨勢(shì)都較緩； 1700—1911 年、1890—1950 年人口增長(zhǎng)和玉米種 植擴(kuò)散速度都很快。人口增長(zhǎng)與玉米擴(kuò)散累積面 積 增 長(zhǎng) 高 度 一 致 。 人 口 曲 線 在 1620—1650 年 、 1850—880 年出現(xiàn)人口減少，經(jīng)查這兩段時(shí)期分別 是明末農(nóng)民起義與清軍入關(guān)、太平天國(guó)運(yùn)動(dòng)時(shí)期， 中國(guó)戰(zhàn)亂頻繁，人口縮減，而這兩段時(shí)期玉米擴(kuò)散 面積反而快速增長(zhǎng)，筆者認(rèn)為戰(zhàn)爭(zhēng)雖然會(huì)造成人 口減少，但流民增多會(huì)刺激人口的大量遷移，進(jìn)而 促進(jìn)玉米的傳播。從圖 5 可以看出，玉米的擴(kuò)散面 積相對(duì)于人口增長(zhǎng)表現(xiàn)出滯后 70～90 a，這種滯后 效應(yīng)是因?yàn)楦鞯夭⒎窃谟衩讉魅胫畷r(shí)就立即修志 記錄，而是玉米傳入后，被地方農(nóng)民認(rèn)可成為一種 廣 泛 種 植 的 主 要 作 物 ，修 志 時(shí) 才 有 可 能 被 記 載 。 本文用于計(jì)算玉米擴(kuò)散累積面積的 DTM 是基于 方志記錄數(shù)據(jù)創(chuàng)建的，所以，會(huì)表現(xiàn)出滯后性。實(shí) 際情況應(yīng)該是玉米擴(kuò)散面積增長(zhǎng)在前，人口增長(zhǎng) 在后。

2 條曲線變化趨勢(shì)趨同，表現(xiàn)出明顯的正相關(guān) 性，說(shuō)明兩者之間存在聯(lián)系。對(duì)歷史時(shí)期人口和玉 米擴(kuò)散面積構(gòu)建一次線性模型，探究二者之間相關(guān) 性。采用散點(diǎn)圖方式，將人口數(shù)量與玉米擴(kuò)展面積 進(jìn)行擬合，其擬合結(jié)果 R2 =0.867 1，從擬合的 R2 值 來(lái)看，人口數(shù)量與玉米擴(kuò)展面積也表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān) 性（圖 6）。

4 結(jié)論與討論

明 嘉 靖 年 間 玉 米 進(jìn) 入 中 國(guó) ，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(dú)立的傳播 源，然后在明、清、民國(guó)時(shí)期，主要沿 8 條線路向全 國(guó)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(nèi)蒙古東部→黑龍江）。

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

高產(chǎn)作物玉米的引入和擴(kuò)散種植對(duì)中國(guó)人口 的增長(zhǎng)有促進(jìn)作用。明嘉靖年間到崇禎年間，玉米 雖傳入中國(guó)，但擴(kuò)散速度緩慢，種植少，對(duì)人口數(shù)量 影響力微弱。清代以來(lái)玉米在中國(guó)快速擴(kuò)散種植， 中國(guó)人口快速增長(zhǎng)，二者存在顯著關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)為明 顯正相關(guān)。玉米的廣泛引種是清初到 1950 年中國(guó) 人口能夠快速增長(zhǎng)的原因之一。

地理信息系統(tǒng)技術(shù)的 DTM 方法能夠定量化、 模型化研究歷史地理問(wèn)題。數(shù)字地面模型能夠可 視化表達(dá)玉米在中國(guó)傳播的起點(diǎn)、方向、范圍，模擬 玉米傳播的趨勢(shì)面，其谷線展現(xiàn)出玉米擴(kuò)散的主要 方向和線路，基于 DTM 可以定量計(jì)算玉米在中國(guó) 的擴(kuò)散速度和擴(kuò)散區(qū)域面積。

研究以玉米這一農(nóng)作物為突破口，試圖利用歷 史時(shí)期玉米傳入中國(guó)各地時(shí)間為數(shù)據(jù)支撐，建立玉 米傳播擴(kuò)散數(shù)字地面模型，研究歷史時(shí)期玉米在中 國(guó)的擴(kuò)散問(wèn)題。本文嘗試?yán)?GIS 技術(shù)模型化、定 量化研究歷史地理問(wèn)題，是歷史地理研究方法的一 種新嘗試，為今后各種農(nóng)作物傳播路徑研究和物 質(zhì)、文化擴(kuò)散等歷史地理課題研究提供一條新的研 究思路和技術(shù)路線。

在研究中也遇到很多問(wèn)題。首先，就數(shù)據(jù)而 言，原始采樣點(diǎn)的空間分布和數(shù)量直接影響 DTM 的空間插值效果，對(duì)趨勢(shì)面模擬的準(zhǔn)確度和精度影 響巨大。中國(guó)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(qū)文化底蘊(yùn)深厚，修志之風(fēng)盛行，更容易出 現(xiàn)玉米相關(guān)的記載，所以，這些地區(qū)采集到的數(shù)據(jù) 點(diǎn)較密，趨勢(shì)面的擴(kuò)散模擬效果良好；東北、西北等 區(qū)域采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)較稀疏甚至缺失，趨勢(shì)面的擴(kuò) 散模擬效果一般；在廣闊的青藏地區(qū)只有 3 個(gè)數(shù)據(jù) 點(diǎn)，插值效果很差。這種原始數(shù)據(jù)的不均一性會(huì)影 響分析的結(jié)果，在研究中需要注意。本文將玉米的 擴(kuò)散路徑和清代官路與大路交通疊加，驗(yàn)證 DTM 提取擴(kuò)散路徑的可靠性，并探討了它們之間的關(guān) 系 ，但 對(duì) 同 時(shí) 代 存 在 的 水 路 交 通 的 影 響 并 未 做 探究。

其次，筆者以地理學(xué)視角，用玉米這一農(nóng)作物 為研究對(duì)象，建立定量分析模型，以可視化視角展 現(xiàn)玉米在中國(guó)的多種傳播路徑以及對(duì)人口擴(kuò)散產(chǎn) 生的影響。但促進(jìn)人口增長(zhǎng)的原因是一個(gè)多要素、 多因素作用下的復(fù)雜問(wèn)題。在歷史上，馬鈴薯、甘 薯、南瓜等眾多農(nóng)作物對(duì)人口數(shù)量的增長(zhǎng)也起到了 不可忽視的作用。歷朝歷代官方的一些政策實(shí)施 和調(diào)控也有助于人口的增長(zhǎng)和遷移。本研究團(tuán)隊(duì) 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(guó)傳播這一定性問(wèn)題。在今后 的研究中，將擴(kuò)大研究范圍，補(bǔ)充完善數(shù)據(jù)源，優(yōu)化 模 型 ，深 入 挖 掘 影 響 歷 史 時(shí) 期 中 國(guó) 人 口 增 長(zhǎng) 的 因素。

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