張景源，楊緒紅，涂心萌，寧可心，欒心晨

（南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京210023）

0 引 言

生物質(zhì)燃燒排放的及其二次形成的氣體與顆粒等產(chǎn)物對區(qū)域乃至全球的大氣環(huán)境有著重要影響[1-4]，而農(nóng)作物秸稈燃燒是中國生物質(zhì)燃燒的重要表現(xiàn)形式之一[5-6]。作為農(nóng)業(yè)種植大國，中國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量巨大，年均秸稈產(chǎn)量高達(dá)8.02×108t[7]，為快速高效處理作物收割后的殘余秸稈，便于下一茬農(nóng)作物的播種和成長，農(nóng)戶可以選擇多樣化的秸稈處理方式，如用作生活柴薪、動(dòng)物飼料、回收出售和田頭堆棄等[8]，但由于農(nóng)忙時(shí)間倉促、勞動(dòng)力人手不夠、燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整以及對秸稈焚燒的認(rèn)識不夠等因素，使得中國大量農(nóng)作物秸稈在田間露天焚燒，據(jù)學(xué)者估計(jì)，中國年均秸稈露天焚燒量約為1.40×108t[9]。大規(guī)模的秸稈田間焚燒會產(chǎn)生大量的碳氧化物、氮氧化物、苯以及環(huán)芳烴等有害氣體和顆粒物，危害人體健康的同時(shí)，對大氣環(huán)境、交通安全和火災(zāi)防護(hù)造成極大的隱患[10]。自1999 年起，中國各級政府為制止田間秸稈露天焚燒現(xiàn)象相繼發(fā)布了多項(xiàng)政策，如《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》(環(huán)發(fā)[1999]98號)、《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見》(國辦發(fā)[2008]105 號)、《關(guān)于加強(qiáng)農(nóng)作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》(發(fā)改環(huán)資[2013]930 號)和《關(guān)于進(jìn)一步加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》(發(fā)改環(huán)資[2015]2651 號)，要求進(jìn)一步大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，完善秸稈收儲體系，加大秸稈禁燒力度，提高禁燃監(jiān)管水平。但由于現(xiàn)階段秸稈焚燒空間分布復(fù)雜多變，查證監(jiān)管耗時(shí)耗力，且具有“點(diǎn)多量少、火點(diǎn)零星、時(shí)點(diǎn)隨機(jī)”等特點(diǎn)，田間秸稈露天禁燒的政策成效不太顯著，據(jù)調(diào)查全國秸稈露天焚燒比例達(dá)到20.80%，部分地區(qū)如湖南、湖南省、河南省和安徽省，秸稈露天焚燒比例甚至分別高達(dá)43.10%、20.80%和39.70%[11]?？陀^、精細(xì)地刻畫秸稈焚燒火點(diǎn)的時(shí)空分布特征，對科學(xué)引導(dǎo)作物秸稈處理和提高行政監(jiān)管效率具有重要實(shí)踐意義。

傳統(tǒng)的田間秸稈焚燒監(jiān)測大多采用自下而上的地面調(diào)查方法[12]，農(nóng)戶調(diào)查涉及面窄、低效耗時(shí)，對中宏觀尺度秸稈焚燒空間分布的估計(jì)存在較大的不確定性且無法獲取火點(diǎn)的時(shí)空信息[13-15]。近年來，利用遙感觀測自上而下獲取秸稈焚燒的時(shí)空特征得到學(xué)界的廣泛關(guān)注[16-19]，其基本原理是基于維恩位移定律，當(dāng)物體溫度愈高時(shí)其輻射譜的波長越短，常溫地物熱輻射的波峰位于長波紅外波段，當(dāng)溫度升高時(shí)，熱輻射的峰值將向波長較短的波段移動(dòng)[20]。因此，可利用遙感中分辨率成像光譜儀觀測地面中紅外輻射光譜的能量變化，進(jìn)而記錄地表異常高溫物體。據(jù)此，楊珊榮等開發(fā)了基于MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行秸稈焚燒火點(diǎn)提取的算法[21]；毛慧琴等基于MODIS數(shù)據(jù)研究了東北地區(qū)2015-2017 年秸稈焚燒火點(diǎn)時(shí)間和空間分布[22]；劉海新等分析了2005-2015 年京津冀地區(qū)6月麥秸稈焚燒的時(shí)空變化[23]；李佳等依據(jù)火點(diǎn)像元亮溫特征提取比較2000 年、2008 年和2014 年河南省秸稈焚燒火點(diǎn)，分析了河南省14 年間秸稈焚燒現(xiàn)象的擴(kuò)散變化[24]；張麗娟等和厲青等分別考察了中國2015 年夏秋季節(jié)以及2007 年6 月秸稈焚燒火點(diǎn)的總體分布[25-26]；何立明等利用四年MODIS火點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行秸稈焚燒的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)2002-2005年全國秸稈焚燒面積逐年上升[27]；。綜合來看，上述研究從研究方法、研究視角和時(shí)空尺度等方面對中國秸稈焚燒的時(shí)空格局進(jìn)行了有效探索，為后續(xù)研究積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)；但已有研究大多聚焦在局部地區(qū)長時(shí)段或全國范圍單時(shí)段的秸稈火點(diǎn)時(shí)空變化特征，對宏觀尺度、長時(shí)間序列秸稈焚燒火點(diǎn)分布及其時(shí)空格局變化等方面的研究并未有充分涉及。

鑒于此，本文基于2014-2018 年中國區(qū)域內(nèi)Satsee-Fire 火點(diǎn)數(shù)據(jù)集，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)清洗等處理后，采用重心轉(zhuǎn)移模型、空間自相關(guān)模型和k 均值聚類模型從不同時(shí)間尺度和空間尺度探索連續(xù)5 a 中國田間秸稈露天焚燒火點(diǎn)分布的時(shí)空格局及其演變，以期全面反映中國秸稈焚燒的時(shí)空變化及其趨勢，為科學(xué)規(guī)范作物秸稈禁燒行為和提高行政監(jiān)管效率提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究火點(diǎn)數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所發(fā)布的近實(shí)時(shí)地表高溫異常點(diǎn)數(shù)據(jù)集SatSee-Fire(Satellite See Fire，http://satsee.radi.ac.cn:8080/index.html)。時(shí) 間 跨 度 為2014 年1 月1 日 至2018 年12 月31 日(其中2014 年、2015 年與2016 年缺12 月份數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)集屬性信息包括高溫點(diǎn)ID、經(jīng)度和緯度、捕獲日期、反演溫度、反演面積和高溫點(diǎn)捕獲信度。該數(shù)據(jù)集為何陽等[28]利用Landsat-8 等陸地衛(wèi)星遙感觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)高溫火點(diǎn)波譜特征，采用歸一化燃燒植被指數(shù)(NBRS)結(jié)果自適應(yīng)地確定閾值提取的異常高溫點(diǎn)，對包含秸稈焚燒火點(diǎn)在內(nèi)的異常高溫點(diǎn)有著較好的識別作用。中國縣域行政區(qū)空間矢量數(shù)據(jù)和耕地圖斑源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，其中耕地矢量圖斑從2015年中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取。

原始火點(diǎn)數(shù)據(jù)集包含了2014-2018 年亞洲區(qū)森林火災(zāi)、工業(yè)煙囪火點(diǎn)、油田火點(diǎn)、田間秸稈火點(diǎn)和野火等高溫異常點(diǎn)，數(shù)據(jù)格式為文本。在進(jìn)行田間秸稈火點(diǎn)時(shí)空分析前進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理：首先，將2014-2018 年亞洲地區(qū)異常高溫點(diǎn)逐月數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)繪為矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)，定義投影為蘭伯特投影，并將信度低于閾值的疑似火點(diǎn)剔除；然后，剔除境外和海域內(nèi)的火點(diǎn)，提取中國陸域范圍內(nèi)的高溫異常點(diǎn)位信息(未含港澳臺地區(qū))。由于秸稈火點(diǎn)的開爾文溫度介于500～1 000 K[25]，據(jù)此剔除溫度明顯過高或過低的火點(diǎn)；針對火點(diǎn)數(shù)據(jù)集中常年累月穩(wěn)定火點(diǎn)數(shù)據(jù)(同一地點(diǎn)在一年中超過3 個(gè)不同時(shí)間被檢出高溫點(diǎn)即認(rèn)為是穩(wěn)定火點(diǎn)，主要是煙囪火點(diǎn))，采用Python 編程依次將穩(wěn)定火點(diǎn)剔除。最后，以中國耕地圖斑作為掩膜，提取出落入耕地圖斑范圍內(nèi)的火點(diǎn)，構(gòu)建田間秸稈火點(diǎn)空間數(shù)據(jù)集(技術(shù)路線如圖1a)。據(jù)此識別得到2014-2018 年中國田間秸稈焚燒火點(diǎn)共計(jì)27 375 個(gè)，利用環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心發(fā)布的月度秸稈火點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為(2016年7 月至2017 年2 月共監(jiān)測到秸稈火點(diǎn)2 699個(gè))，本研究在該時(shí)段內(nèi)提取出火點(diǎn)總數(shù)為2 517個(gè)，兩者的數(shù)量差異率約為6.74%；此外，以驗(yàn)證火點(diǎn)數(shù)據(jù)做1km的緩沖區(qū)，統(tǒng)計(jì)本研究同時(shí)段的火點(diǎn)落入緩沖區(qū)的數(shù)量為2 408個(gè)，由此得到本研究火點(diǎn)數(shù)據(jù)集的空間一致性精度約為89.23%，數(shù)據(jù)基本可信，可用于后續(xù)分析，結(jié)果如圖1b所示。

1.2 研究方法

1.2.1 重心模型

“重心”為物理學(xué)概念，指一個(gè)物體各部分所受重力合力的作用點(diǎn)[29-30]。為探索秸稈焚燒火點(diǎn)的時(shí)空變化軌跡，本研究引入重心模型以表征秸稈焚燒火點(diǎn)整體的空間遷移。定義中國田間秸稈焚燒火點(diǎn)重心為式中分別為中國田間秸稈焚燒火點(diǎn)重心的經(jīng)度和緯度，n為全國縣域個(gè)數(shù)，Si為第i個(gè)縣域的秸稈焚燒火點(diǎn)個(gè)數(shù)，Xi,Yi為第i 個(gè)縣域的重心經(jīng)緯度(此處用行政中心[31])。當(dāng)田間秸稈焚燒火點(diǎn)重心發(fā)生移動(dòng)時(shí)，即表明秸稈焚燒空間格局發(fā)生變化；重心移動(dòng)方向指示了秸稈焚燒相對增多的方向，偏離距離指示了秸稈焚燒相對增多的程度。

1.2.2 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)是衡量位于區(qū)域不同空間位置某一屬性值之間相關(guān)性的指標(biāo)，是對空間集聚程度的一種度量，分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)2種計(jì)算方法[32-33]。

1）空間權(quán)重矩陣

本研究根據(jù)火點(diǎn)數(shù)據(jù)特征，基于鄰接規(guī)則選取一階四鄰域Rook鄰接權(quán)重矩陣Wij，定義如下[34]：

2）全局空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)測度指標(biāo)選用Global Moran’s I[35-36]，計(jì)算公式如下：

式中n為研究區(qū)內(nèi)縣區(qū)總數(shù)；Xi、Xj分別為縣i、j的田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)；為屬性X的平均值；Wij是空間權(quán)重矩陣。I取值在[-1，1]之間。Global Moran’s I 大于0 表示空間正相關(guān)，愈趨向于1相似屬性值聚集愈明顯；I等于0說明不存在空間自相關(guān)性，屬性值在空間上隨機(jī)分布；I小于0表示空間負(fù)相關(guān)，愈趨向于-1相異屬性值聚集愈明顯。

3）局部空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)可反映研究區(qū)總體屬性值與鄰域之間的平均差異程度，但難探測出聚集位置及區(qū)域相關(guān)程度。而局部空間自相關(guān)主要用于分析各屬性單元在空間上的分布格局，可度量每個(gè)區(qū)域與周圍地區(qū)之間局部空間關(guān)聯(lián)程度[37]，常用指標(biāo)為Local Moran’s I，計(jì)算公式如下：

式中Ii為局部空間自相關(guān)系數(shù)。本研究采用空間自相關(guān)模型分析縣域尺度下秸稈露天火點(diǎn)的空間聚集或離散特征。

1.2.3 k均值聚類

劃分為k 個(gè)類簇C={c1,c2,…,ck}，k 為事先給定的聚類數(shù)目。k 均值的目標(biāo)是使得各類簇的對象到其所屬的類簇中心的距離平方和最小，即J最?。?/p>

式中uk為第k 個(gè)類簇的中心。本研究利用k 均值聚類探索不同地區(qū)秸稈焚燒的主導(dǎo)季節(jié)，具體是首先對各地區(qū)不同月份秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)進(jìn)行歸一化，即將每月秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)占全年的比例作為特征向量，再選擇合適的k類簇，采用k均值聚類方法進(jìn)行聚類，當(dāng)所得的J最小時(shí)，該k 類簇即為不同地區(qū)的秸稈焚燒在年內(nèi)的分類，以此分析不同地區(qū)田間秸稈焚燒火點(diǎn)在年內(nèi)分布情況。

圖1 秸稈露天焚燒火點(diǎn)提取技術(shù)路線及其空間分布Fig.1 Technical route and spatial distribution of straw burning fire points

2 結(jié)果與分析

2.1 田間秸稈焚燒火點(diǎn)的時(shí)間變化特征

分析結(jié)果顯示，2014-2018年中國共有田間秸稈焚燒火點(diǎn)27 375個(gè)，年均秸稈火點(diǎn)數(shù)量為5 475個(gè)。研究時(shí)段內(nèi)田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量呈現(xiàn)逐年單調(diào)遞減態(tài)勢（圖2a）；其中，田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量的峰值出現(xiàn)在2014 年(7 765 個(gè))，之后逐年遞減，2015 年為6 181 個(gè)，2016 年為5 782 個(gè)，2017 年為4 836 個(gè)，2018 年為2 811 個(gè)，5 a 間秸稈焚燒火點(diǎn)減少了近5 千個(gè)，年均減少990 個(gè)，年均減少率達(dá)22.43%。月際間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量差異十分顯著(圖2b)；研究時(shí)段內(nèi)秸稈焚燒火點(diǎn)集中出現(xiàn)在10-11月和2-4月，其中2-4月份火點(diǎn)數(shù)量共有13607個(gè)，占全年火點(diǎn)數(shù)量的49.71%，10-11 月火點(diǎn)數(shù)量共有9.854 個(gè)，占全年火點(diǎn)數(shù)量的36.00%，合計(jì)85.71%。平均每月火點(diǎn)數(shù)量為5 475個(gè)；火點(diǎn)數(shù)量峰值出現(xiàn)在3月份，達(dá)到6 839個(gè)。

按季度對5 a 火點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明（圖3）：秋季(9-11 月)秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量最多，且變化最為顯著，研究時(shí)段內(nèi)持續(xù)降低，火點(diǎn)數(shù)量減少了3 385 個(gè)，減少比例高達(dá)88.22%。夏季(6-8 月)秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量始終處于較低水平，介于74～227 個(gè)之間，并呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢，5 a 合計(jì)減少了153 個(gè)，減少比例為67.40%。春季(3-5 月)和冬季(12-2 月)則呈現(xiàn)高位波動(dòng)略有減少的變化特征，火點(diǎn)數(shù)分別減少了601 和909，減少比例分別為28.15%和58.05%。2014-2018 年秸稈焚燒火點(diǎn)總數(shù)的持續(xù)減少主要是由于秋季秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量逐年降低，而當(dāng)前秋季、春季秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量分別處于低位和高位，如要進(jìn)一步控制秸稈露天焚燒現(xiàn)象，建議在現(xiàn)有監(jiān)管防控基礎(chǔ)上加大春季秸稈露天焚燒的查處力度。

圖2 2014-2018年秸稈焚燒火點(diǎn)年際和月際變化Fig.2 Annual and monthly variation of straw burning fire points from 2014 to 2018

2.2 田間秸稈焚燒火點(diǎn)的空間變化特征

研究期內(nèi)，中國田間秸稈焚燒火點(diǎn)主要分布在東北、華北和華中地區(qū)，而華南、華東和西北地區(qū)秸稈火點(diǎn)數(shù)量相對較少，總體與中國的各主要糧食產(chǎn)區(qū)相一致，如以胡煥庸線為界限，則東南半壁田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)為21 551個(gè)，占全部火點(diǎn)的78.73%，西北半壁火點(diǎn)數(shù)為5 824個(gè)，僅占全部田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)的21.27%；田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)超過1 000個(gè)的省域共有7個(gè)，分別為黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、河北、山東、山西，而上海市秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)低于10個(gè)。

從省域分布情況來看，研究期內(nèi)全國秸稈焚燒火點(diǎn)的空間分布發(fā)生了較大的變化，高達(dá)84.80%的省域秸稈焚燒火點(diǎn)顯著減少，少數(shù)省份略有增多。其中，黑龍江省、吉林省、遼寧省3 個(gè)省份的田間秸稈焚燒火點(diǎn)減少數(shù)量最多，研究期內(nèi)黑龍江省秸稈焚燒火點(diǎn)年均降低31.52%；河北、四川、海南、新疆、云南等地區(qū)田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量出現(xiàn)小幅增加，以火點(diǎn)增加數(shù)量最多的河北省為例，研究期內(nèi)也僅增加131 個(gè)?？臻g變化結(jié)果與近五年來中國不斷加大秸稈焚燒行政監(jiān)管與處罰力度密切相關(guān)，反映了中國秸稈禁燒政策成效顯著。由于東北地區(qū)是中國重要的糧食產(chǎn)地，小麥、玉米和大豆等秸稈資源十分豐富，秸稈焚燒現(xiàn)象亦較為常見。依據(jù)秸稈火點(diǎn)提取結(jié)果，黑龍江、吉林、遼寧省近五年火點(diǎn)數(shù)依次為7 733、4 548 和3 153 個(gè)，占全國秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)比例分別為28.25%、16.61% 和11.52%，合計(jì)57.37%是全國火點(diǎn)數(shù)最多的前3省份；盡管在近五年該地區(qū)秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)大幅下降，但其絕對值仍處于高位。究其原因可能是該地區(qū)秸稈利用仍處于初級粗放階段，技術(shù)回收體系、農(nóng)戶認(rèn)識等存在局限，加之地廣人稀、監(jiān)管力量不夠[38]；該地區(qū)的秸稈焚燒對中國北方的空氣質(zhì)量有很大影響，應(yīng)有針對性地進(jìn)一步提高該地區(qū)秸稈資源化利用水平和加強(qiáng)管控，減少秸稈焚燒量[31]。

圖3 2014-2018秸稈焚燒火點(diǎn)季度變化情況Fig.3 Seasonal variation of straw burning fire points from 2014 to 2018

不同省份的秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量在近五年中變化各異：黑龍江、遼寧等省份2014-2018 年田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量持續(xù)下降；內(nèi)蒙古、新疆等省份田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量先增后減；云南省在研究期內(nèi)田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量呈現(xiàn)持續(xù)遞增的趨勢。將省域秸稈火點(diǎn)變化率以50%的相等間隔分成5類(圖4)，結(jié)果顯示：各省秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)變化率介于-100%～274%之間。其中，西藏、江西、湖北等11 個(gè)省份變化率低于-50%，屬于田間秸稈焚燒火點(diǎn)快速減少的省份；新疆、海南、云南3個(gè)省份增長率大于100%，屬于田間秸稈焚燒火點(diǎn)較快增加的省份；其余多數(shù)省份增長率處于-50%～100%之間，屬于秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量相對平穩(wěn)變化的省份。不同省份的秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量變化的趨勢與速度直接反映了不同地區(qū)秸稈資源管控和處理水平的差異。

2.3 田間秸稈焚燒火點(diǎn)的重心轉(zhuǎn)移特征

以縣域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)單元，對逐年田間秸稈焚燒火點(diǎn)進(jìn)行重心分析，結(jié)果如圖5。研究期內(nèi)，年際間全國秸稈焚燒火點(diǎn)重心向東北方向偏移，主要介于遼寧-河北一帶，其中：2014-2016 年秸稈火點(diǎn)重心在遼寧省西部并向西南移動(dòng)，2017 年北移至內(nèi)蒙古東側(cè)的庫倫旗，而2018 年向東南移動(dòng)至北京市密云縣，五年間移動(dòng)距離合計(jì)340.27 km，總體呈現(xiàn)向西南方向移動(dòng)的發(fā)展趨勢。結(jié)合前述省域秸稈火點(diǎn)數(shù)量變化情況可知，該種變化趨勢主要受近五年中國東北地區(qū)的黑、吉、遼、蒙秸稈焚燒現(xiàn)象在逐年減少，而華中、西南和西北地區(qū)的秸稈火點(diǎn)現(xiàn)象并未顯著增加所致。

圖4 2014-2018年不同省份田間秸稈焚燒火點(diǎn)年度變化情況Fig.4 Annual changes of straw burning fire points at provincial level

年內(nèi)逐月秸稈焚燒火點(diǎn)重心分析結(jié)果如圖5b。研究期內(nèi)，全國田間秸稈焚燒火點(diǎn)重心在月際間呈現(xiàn)明顯的回字形遷移軌跡，1-4月往東北遷移，4-7月往西南遷移，7-11月又往東北遷移，之后11-12月往西南遷移，重心回到1月份的所在位置附近；此外，月際間秸稈火點(diǎn)重心總體位于中國華北地區(qū)北部和東北地區(qū)。這種變化軌跡與東北地區(qū)和南方大部分地區(qū)的2季農(nóng)作物交替收割季節(jié)相一致，反映了主要糧食種植區(qū)由于種植制度、季節(jié)和作物類型等差異使得秸稈焚燒整體格局在空間上呈現(xiàn)不斷迂回的遷移格局。

2.4 田間秸稈焚燒火點(diǎn)的空間自相關(guān)特征

圖5 秸稈焚燒火點(diǎn)分布重心年際與月際遷移情況Fig.5 Moving tracks of gravity of straw burning fire points at annual and monthly level

為探索田間秸稈焚燒火點(diǎn)在空間分布上的集聚特征，采用空間自相關(guān)模型以縣域火點(diǎn)數(shù)量為分析對象，算得全局莫蘭指數(shù)(Global Moran’s I)和局部莫蘭指數(shù)(Local Moran’s I)，其中空間權(quán)重矩陣采用歐式距離量測和二次距離加權(quán)。結(jié)果表明，2014-2018年縣域秸稈焚燒火點(diǎn)的莫蘭指數(shù)介于0.33-0.49 (P 值均小于0.05，Z 值均大于2.5，通過顯著性檢驗(yàn))。其中，莫蘭指數(shù)在逐年降低，2014年的莫蘭指數(shù)最大(0.49)，2018年最小(0.33)。5 a綜合后的縣域秸稈火點(diǎn)莫蘭指數(shù)僅為0.53，呈現(xiàn)較弱的空間集聚態(tài)勢。由此來看，中國秸稈火點(diǎn)的空間自相關(guān)總體在較低水平，并且呈現(xiàn)逐年降低趨勢，在空間上的集聚在不斷分化，火點(diǎn)的離散分布態(tài)勢愈加明顯。

田間秸稈火點(diǎn)逐年的局部空間自相關(guān)結(jié)果見圖6。分析可知，相較而言高值-高值聚集區(qū)(“高-高”類型)和低值-低值聚集區(qū)(“低-低”類型)在空間分布上具有明顯的集聚特征，而其余類型區(qū)的集聚效應(yīng)不太明顯，具體如下：

圖6 2014-2018年縣域火點(diǎn)自相關(guān)分析結(jié)果Fig.6 Autocorrelation analysis of fire points at county level from 2014 to 2018

1)“高-高”類型主要分布于東北地區(qū)，以松嫩平原為核心，2014 年包含161 個(gè)縣域單元，5 a 間數(shù)量略有增加，2018 年包含243 個(gè)縣級單元，年均變化率8.58%，增加區(qū)域主要在海河平原和內(nèi)蒙古高原南側(cè)的部分地區(qū)，而東北地區(qū)略有減少，在空間格局上有逐步擴(kuò)散態(tài)勢。

2“)高-低”類型分散分布于中國秦嶺-淮河以南的大部分地區(qū)，在廣西盆地、四川盆地南部、江漢平原、黃淮平原等地有零星分散，5 a 包含的縣級單元數(shù)量依次僅為43、55、74、22 和67 個(gè)，總體呈現(xiàn)波動(dòng)增加態(tài)勢，年均變化率9.28%。

3“)低-高”類型圍繞著“高-高”類型區(qū)，主要分布于東北地區(qū)的山地丘陵地帶，2014 年含有51 個(gè)縣級單元，包括大、小興安嶺，長白山等地區(qū)；5 a 間呈現(xiàn)明顯增長態(tài)勢，2018 年擴(kuò)充到180 個(gè)縣級單元，年均變化率28.7%，主要增加區(qū)域位于內(nèi)蒙古高原南側(cè)、山西高原、海河平原一帶的部分地區(qū)。

4“)低-低”類型覆蓋了中國南方的大部分地區(qū)和西北部地區(qū)。2014 年含有1 496 個(gè)縣級單元，2018 年含有1 405 個(gè)縣級單元，個(gè)數(shù)總量基本保持穩(wěn)定，但空間分布存在較大變動(dòng)，隨著時(shí)間推移，塔里木盆地西部和天山山脈一帶不再呈現(xiàn)“低-低”類型特征，而黃淮平原和江漢平原一帶“低-低”類型特征逐漸明顯。

從空間自相關(guān)結(jié)果來看，研究期內(nèi)田間秸稈焚燒火點(diǎn)空間相關(guān)系數(shù)不斷減小，集聚效應(yīng)不斷減弱；隨著秸稈資源利用管控疏導(dǎo)工作的不斷深入，秸稈焚燒火點(diǎn)空間分布較為集中的縣域在不斷減少，而秸稈焚燒火點(diǎn)分布零散的縣域卻略有增加。

2.5 田間秸稈焚燒火點(diǎn)的聚類分析

采用k 均值聚類模型，以省域各月秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)占全年秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)的比例為聚類對象進(jìn)行聚類分析(2014-2018 年上?；瘘c(diǎn)數(shù)僅4 個(gè)，不參與聚類）。對不同k 值進(jìn)行嘗試，當(dāng)組數(shù)為3 時(shí)，偽F 值為4.2381，為組數(shù)3～10之間的最大值，故將火點(diǎn)聚類為3類結(jié)果，結(jié)果如圖7。根據(jù)各省域秸稈火點(diǎn)的月際分布特點(diǎn)，將不同省份的秸稈焚燒現(xiàn)象聚類為“秋冬季主導(dǎo)型”、“春季主導(dǎo)型”和“秋季主導(dǎo)型”。其中，“秋冬季主導(dǎo)型”秸稈焚燒分類標(biāo)準(zhǔn)差距離為0.197 5，分布范圍最廣，覆蓋了華中、華南、華東的大部分地區(qū)，包含江蘇、浙江、安徽、寧夏、四川、陜西、湖北、湖南、廣東、廣西、江西、福建等14 個(gè)省級行政區(qū)，該類型秸稈焚燒主要發(fā)生在9 月至次年3 月，擁有2 個(gè)焚燒的峰值區(qū)間，分別是1 月至2 月以及10 月；“秋冬季主導(dǎo)型”地區(qū)大體為東部季風(fēng)區(qū)，耕作制度以一年兩熟/三熟或兩年三熟為主，種植的作物以春油菜、夏水稻、冬小麥為主，如黃淮海平原春夏播玉米、冬播小麥，南方丘陵區(qū)春種夏收和夏種秋收水稻，故有2 個(gè)焚燒的波峰?！按杭局鲗?dǎo)型”秸稈焚燒分類標(biāo)準(zhǔn)差距離為0.212 7，覆蓋了東北、華北、西南的大部分地區(qū)，包含了黑吉遼、晉冀魯、京津、云貴藏疆、內(nèi)蒙等13 個(gè)省級行政區(qū)，該類型秸稈焚燒時(shí)間集中于2 月至5 月，峰值出現(xiàn)在3 月，峰值出現(xiàn)時(shí)間相對晚于“秋冬季主導(dǎo)型”地區(qū)，但在10 月亦呈現(xiàn)少量集中焚燒現(xiàn)象；“春季主導(dǎo)型”地區(qū)大部分為一年一熟為主，主要種植春玉米、春小麥、春花生或春播大豆，焚燒物大部分來源于上一年作物收割后殘留在田間的秸稈，在來年播種前集中焚燒處理。“秋季主導(dǎo)型”秸稈焚燒分類標(biāo)準(zhǔn)差距離為0.160 3，包括海南、甘肅、青海3 個(gè)省級行政區(qū)，其秸稈焚燒現(xiàn)象的峰值出現(xiàn)在10 月左右，月份分布相對均勻。由此可知，不同地區(qū)的秸稈焚燒規(guī)律與其種植制度、作物類型和物候節(jié)律具有密切關(guān)系，在對秸稈焚燒進(jìn)行管控和疏導(dǎo)時(shí)，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)匚锖蚬?jié)律，以降低行政成本和提高行政效率。

圖7 秸稈焚燒火點(diǎn)月際聚類分布Fig.7 Month clustering results of straw burning fire points

3 討 論

首先，如何發(fā)展高時(shí)空分辨率的秸稈火點(diǎn)遙感監(jiān)測、提取和驗(yàn)證技術(shù)是當(dāng)前中國乃至全球秸稈露天焚燒研究的關(guān)鍵核心科學(xué)問題，這是制約秸稈露天焚燒監(jiān)測的主要瓶頸，也是遙感領(lǐng)域、地理學(xué)領(lǐng)域和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域日益關(guān)注的重大科學(xué)問題。其次，本研究所采用的秸稈火點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源自近實(shí)時(shí)地表高溫異常點(diǎn)數(shù)據(jù)集SatSee-Fire，該數(shù)據(jù)集成了Landsat-8、Landsat-7和Sentinel-2等中分辨率衛(wèi)星的高溫點(diǎn)數(shù)據(jù)；由于該數(shù)據(jù)集包含了工業(yè)煙囪火點(diǎn)、森林火點(diǎn)、秸稈火點(diǎn)、野火等高溫異常點(diǎn)位，本文在制備中國田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)據(jù)集時(shí)進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)清洗操作，如行政區(qū)掩膜提取、穩(wěn)定火點(diǎn)剔除、火點(diǎn)溫度控制、耕地掩膜提取等，雖然所得到的秸稈火點(diǎn)數(shù)據(jù)集樣本精度較高，但由于遙感影像受云量、閃電和過境時(shí)間等因素限制，原始數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率、空間分辨率、信度水平最終可能會影響到本研究的精確性，而作為掩膜分析的耕地圖斑采用的是單個(gè)年份數(shù)據(jù)，并不能與火點(diǎn)年份逐一對應(yīng)，也會限制秸稈火點(diǎn)的精度；再者，本研究的時(shí)間序列僅為5 a，樣本量有限，這對挖掘中國秸稈露天焚燒變化的一般性，規(guī)律和趨勢略顯不足，后續(xù)有必要延長數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度和進(jìn)一步擴(kuò)充樣本量；此外，中國秸稈露天焚燒空間差異顯著、成因多樣、驅(qū)動(dòng)機(jī)制復(fù)雜，剖析其時(shí)空格局特征并不能有效杜絕秸稈露天焚燒現(xiàn)象，有必要進(jìn)一步開展諸如農(nóng)戶秸稈處理的行為習(xí)慣探究、秸稈焚燒現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)機(jī)制解析以及禁燒政策制度設(shè)計(jì)、執(zhí)行成效評估等方面的研究。

4 結(jié)論

基于中國區(qū)域內(nèi)Satsee-Fire 火點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、提取、清洗等處理后，本研究構(gòu)建了2014-2018 年中國秸稈露天焚燒火點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)一步采用重心轉(zhuǎn)移模型、空間自相關(guān)模型和k 均值聚類模型從不同時(shí)空尺度探索了2014-2018 年中國田間秸稈露天焚燒火點(diǎn)分布的時(shí)空格局及其演變，主要結(jié)論如下：

1)研究時(shí)段內(nèi)田間秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量逐年單調(diào)遞減，年均降低率達(dá)22.43%；田間秸稈焚燒火點(diǎn)集中在10-11月、2-4月，分別占全年比重的36.00%、49.71%；空間上集聚在東北、華北和華中地區(qū)，黑吉遼三省占比高達(dá)56.37%，如以胡煥庸線為界限，則東南半壁和西南半壁分別占全部火點(diǎn)的78.73%、21.27%。

2)年際田間秸稈焚燒火點(diǎn)重心主要位于遼寧-河北一帶，受東北地區(qū)秸稈火點(diǎn)逐年減少影響，總體呈現(xiàn)向西南方向移動(dòng)的發(fā)展格局，而月際秸稈火點(diǎn)重心呈現(xiàn)明顯的回字形遷移軌跡。

3)秸稈火點(diǎn)的空間自相關(guān)總體在較低水平，并逐年降低；在空間上的集聚現(xiàn)象在不斷分化，火點(diǎn)的離散分布態(tài)勢愈加明顯，以往高密度秸稈火點(diǎn)的縣域密集分布現(xiàn)象在空間不斷離散。

4)不同省份的秸稈焚燒現(xiàn)象可聚類為“秋冬季主導(dǎo)型”、“春季主導(dǎo)型”和“秋季主導(dǎo)型”，不同地區(qū)的秸稈焚燒規(guī)律與其種植制度、作物類型和物候節(jié)律具有密切關(guān)系，在對秸稈焚燒現(xiàn)象進(jìn)行管控和疏導(dǎo)時(shí)，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)匚锖蚬?jié)律，以降低行政成本和提高行政效率。