玉米生長期干旱特征及其對產(chǎn)量的影響

許朗　王焱鏷　顧天竹

摘要：玉米是河南省種植面積僅次于小麥的重要糧食作物，在玉米生長期內(nèi)極易發(fā)生干旱等自然災(zāi)害，嚴(yán)重影響著玉米的穩(wěn)定生產(chǎn)?；?987—2015年河南省17個地市的玉米生產(chǎn)和氣象數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）分析了玉米生長期的干旱時空特征，通過建立變截距和變系數(shù)模型研究干旱等氣候因素對河南省玉米產(chǎn)量的影響，并識別出受干旱影響較為嚴(yán)重的地區(qū)。研究表明，玉米生長期內(nèi)干旱頻繁發(fā)生，平均每3年發(fā)生1次干旱且干旱程度有增強的趨勢;干旱導(dǎo)致了玉米產(chǎn)量的減少，相較于正常年份，干旱年份玉米總產(chǎn)量將平均減產(chǎn)6.75%;地區(qū)層面上，干旱對各地區(qū)玉米生產(chǎn)的影響差異較大，且受干旱負(fù)面影響最大的主要集中在西南部地區(qū);干旱發(fā)生頻率和干旱強度是導(dǎo)致玉米減產(chǎn)的重要原因，但區(qū)域自然條件、經(jīng)濟發(fā)展水平等同樣是不可忽視的因素。

關(guān)鍵詞：干旱;SPEI;玉米產(chǎn)量;面板數(shù)據(jù);河南省;地區(qū)差異

中圖分類號： S423;S162.5+3文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0311-06

近年來，全球各地均有不同程度的干旱、洪澇等自然災(zāi)害事件發(fā)生，與其他自然災(zāi)害相比，旱災(zāi)具有出現(xiàn)次數(shù)多、持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點，因此被認(rèn)為是造成農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失最大的自然災(zāi)害類型之一。據(jù)統(tǒng)計，全球約有1/3的土地以及20%的人口長期遭受干旱災(zāi)害的影響，農(nóng)業(yè)上受干旱影響造成的損失高達260億美元/年，全球幾乎全部的農(nóng)業(yè)用地都處于干旱災(zāi)害極易發(fā)生的地區(qū)[1]。在氣候變暖的背景下，我國的干旱發(fā)生范圍和強度也呈現(xiàn)出明顯增強的趨勢，成為制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全的主要因素[2]。

河南是我國重要的農(nóng)業(yè)大省和糧食生產(chǎn)大省，玉米是河南省第二大糧食作物，其種植面積約占全國播種面積的 1/10，僅次于小麥。河南省玉米生產(chǎn)區(qū)位于黃淮海玉米主產(chǎn)區(qū)的心臟地帶，區(qū)位優(yōu)勢明顯。得益于黃淮海地區(qū)豐富的光熱資源，該區(qū)十分適宜玉米的種植，但由于受季風(fēng)型氣候以及干旱化趨勢的干擾，玉米生長期內(nèi)極易發(fā)生干旱等自然災(zāi)害。研究表明河南地區(qū)1971—2010年間的近30年中，對糧食生產(chǎn)影響最為嚴(yán)重的是干旱，其中發(fā)生頻率最高的干旱類型則是伏旱[3]。李樹巖等基于氣象干旱綜合指數(shù)（CI指數(shù)）的研究表明，河南省伏旱發(fā)生頻率高達63.6%，嚴(yán)重制約玉米的生產(chǎn)[4]，1997年7—8月河南全省一半播種面積以上的秋作物受旱減產(chǎn)，旱情最嚴(yán)重的洛陽受旱面積高達90%[5]，2014年河南省更是因旱災(zāi)秋糧受災(zāi)面積達到154萬hm2，是63年來最為嚴(yán)重的伏旱。鑒于干旱災(zāi)害對河南省玉米生產(chǎn)造成的嚴(yán)重威脅，為保障玉米的穩(wěn)定生產(chǎn)，科學(xué)應(yīng)對干旱災(zāi)害，加強與深化干旱評估以及與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系方面的研究工作十分有必要。

氣溫和降水是氣候的主要因素，也是干旱的直接表征量。Vicente-Serrano等提出的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI），繼承了帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）對于溫度靈敏性以及標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）的多時空特點，同時考慮了降水和溫度對于干旱的影響，非常適合全球氣候變暖背景下的干旱特征分析[6-7]。因此，本研究選擇SPEI指數(shù)分析河南省玉米生長期的干旱情況。

干旱會導(dǎo)致作物缺水，影響作物的生長發(fā)育，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。國內(nèi)外學(xué)者就干旱對作物產(chǎn)量的影響機制及影響規(guī)律等展開了廣泛的研究。從研究方法上看，大致可以分為2類。第1類是基于作物生長動態(tài)模擬模型，模擬作物各生育階段不同等級干旱對作物產(chǎn)量的影響[8-10]。第2類是統(tǒng)計方法，借助氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，利用不同的干旱指標(biāo)對干旱程度進行量化，進而通過相關(guān)性分析、簡單線性回歸、柯布-道格拉斯（Cobb-Douglas，簡稱C-D）生產(chǎn)函數(shù)及面板數(shù)據(jù)模型等數(shù)理統(tǒng)計方法，在控制了技術(shù)進步、經(jīng)濟因素和人為行為影響的基礎(chǔ)上探討了干旱與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系。陳玉萍等基于干旱虛擬變量固定效應(yīng)模型利用湖北、廣西、浙江3個省份的降水和水稻生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)分析了水稻生產(chǎn)對降水量的彈性[11]，并得出了干旱造成的水稻生產(chǎn)的直接損失。許朗等以歷年的旱災(zāi)成災(zāi)面積作為衡量農(nóng)業(yè)干旱的程度，利用面板固定效應(yīng)模型實證分析了淮河流域干旱對于糧食、小麥以及水稻的影響[12]。何永坤等基于逐旬干濕指數(shù)建立了中國西南地區(qū)的玉米干旱累積指數(shù)，結(jié)合玉米產(chǎn)量資料，構(gòu)建了氣候產(chǎn)量與干旱指數(shù)的線性回歸模型[13]。楊曉晨等利用農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）從時間、空間2個維度分析中國東北春玉米區(qū)干旱特征，并利用回歸分析進行SPEI與玉米氣候產(chǎn)量的關(guān)系分析[14]。

在實際生產(chǎn)中，作物產(chǎn)量是由自然因素和經(jīng)濟社會因素共同決定的。而農(nóng)作物生長模擬模型的核心是試驗參數(shù)，并不考慮經(jīng)濟因素和人類行為，因而對社會經(jīng)濟影響的解釋能力有限。C-D生產(chǎn)函數(shù)模型是描述生產(chǎn)要素和產(chǎn)量之間關(guān)系的重要方法。丑潔明等研究認(rèn)為如果在C-D生產(chǎn)函數(shù)中納入自然因素，對于農(nóng)業(yè)投入與產(chǎn)出的反映將更為科學(xué)[15]。鑒于此，本研究將干旱等氣候因素作為外生變量以中性的方式引入到C-D生產(chǎn)函數(shù)中，通過建立變截距和變系數(shù)模型研究干旱等氣候因素對河南省玉米產(chǎn)量的影響，并識別出受干旱影響較為嚴(yán)重的地區(qū)，相關(guān)研究對防御氣象災(zāi)害對玉米生產(chǎn)的影響具有重要的現(xiàn)實意義。

1研究方法

1.1SPEI的計算方法

SPEI的計算主要利用到月降水量和月平均溫度，通過計算降水量與蒸散量的差值并將其正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化得到。具體的計算步驟如下：

（1）計算降水量與蒸散量差值，即氣候水平衡：

Di=Pi-PETi。（1）

式中：Di為降水量與蒸散量的差值，mm;Pi為降水量，mm;PETi為潛在蒸散量，mm。

（2）建立不同時間尺度氣候?qū)W意義上的水分盈虧累積序列：

Dkn=∑k-1i=0（Pn-i-PETn-i），n≥k。（2）

式中：k為時間尺度，月;n為計算次數(shù);

（3）采用3參數(shù)的Log-Logistic概率分布F（x）對D序列進行擬合，并對序列進行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布轉(zhuǎn)化，計算每個D對應(yīng)的SPEI值：

SPEI=w-c0-c1w+c2w21+d1w+d2w2+d3w3，w=-2ln（P）。（3）

式中：P為超過特定D值的累積概率，當(dāng)P>0.5時，SPEI值的符號被逆轉(zhuǎn)。常數(shù)項的值分別是c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI的計算可采用以月為單位的不同時間尺度，考慮到河南省玉米生長期集中在6—9月[16]，因此選擇4個月尺度的SPEI值研究玉米生長期的干旱特征。根據(jù)SPEI值可以劃分單站的干旱等級程度（表1）[17-18]。

1.2模型構(gòu)建

C-D生產(chǎn)函數(shù)是描述生產(chǎn)要素和產(chǎn)出之間關(guān)系的經(jīng)典模型。作物生長不僅受土地、勞動、化肥、灌溉等傳統(tǒng)投入要素的影響，與氣候因素同樣聯(lián)系密切，極端氣候事件（旱、澇等）對于農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的影響更為明顯，與傳統(tǒng)投入要素不同的是，氣候因素本身不是生產(chǎn)要素，而是通過影響生產(chǎn)要素的使用效率進而影響最終的產(chǎn)出[19]。因此，本研究參考相關(guān)文獻將氣候因素作為外生變量以中性的方式引入到模型中[19-20]，用以估計干旱等氣候因素對玉米產(chǎn)量的影響程度。具體形式如式（4）：

Q=α0AαLβKγeηC+μ。（4）

其對數(shù)函數(shù)形式為：

lnQ=α0+α0+αlnA+βlnL+γlnK+ηC+μ。（5）

式中：Q表示玉米產(chǎn)量;A表示玉米種植面積;L表示勞動投入;K表示資本投入;C表示氣候因素（包括干旱、降水和氣溫）;α0、α、β、γ、η是待估系數(shù);μ是誤差項。

此外，模型還包括時間趨勢變量T，作為技術(shù)進步程度的測度，地區(qū)虛擬變量用以控制海拔、土壤等不隨時間變化的要素。本研究最終模型設(shè)定如下：

lnYit=α0+α1T+β1Zit+β2TEMit+β3PREit+η1ln（CAit）+η2ln（FTit）+η3ln（AMit）+η4ln（LBit）+∑16m=1ρmDm+μ。（6）

式中：i和t表示第i個地市的第t年份;Y表示玉米產(chǎn)量，萬t;T為時間趨勢變量（取值為1，2，…，29）;Z為氣候類型虛擬變量（Z=0表示正常年份，Z=1表示干旱年份），由每年的玉米生長期的SPEI指數(shù)進行劃分，SPEI≤-0.5的年份定義為干旱年;TEM表示玉米生長期間的月平均氣溫（℃）;PRE表示玉米生長期的月平均降水量（mm）;CA表示玉米種植面積（×103 hm2）;FT表示玉米生產(chǎn)的化肥投入量（萬t）;AM表示玉米生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)機械總動力（萬kW）;LB表示從事玉米生產(chǎn)的勞動力總數(shù)（萬人）;Dm為一組地區(qū)虛擬變量。Z、TEM和PRE是本研究關(guān)注的核心變量。

2數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)和玉米投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)2個部分。氣象數(shù)據(jù)為河南省45個氣象站1971—2015年45年的逐日降水量和平均氣溫，由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供（http：//www.resdc.cn/），45個氣象站均勻分布在河南全省，具有較好的代表性;玉米的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)為河南17個市（由于濟源市在1996年前由焦作市代管，為前后統(tǒng)一，本研究將濟源市和焦作市投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)合并，仍以焦作市命名）的玉米產(chǎn)量、勞動力投入、農(nóng)業(yè)機械總動力、化肥投入等，主要來自河南省統(tǒng)計年鑒，時間序列為1987—2015年。由于研究對象為玉米，從年鑒中得到的化肥投入、農(nóng)業(yè)機械總動力以及農(nóng)村勞動力人數(shù)不能直接用于模型估計，參考周曙東等的研究方法[21-22]，以玉米播種面積占農(nóng)作物播種面積的比例為權(quán)重，對變量進行變化處理。

3結(jié)果與分析

3.1玉米生長期干旱特征分析

3.1.1干旱的時間特征分析

河南省平均SPEI指數(shù)年際變化趨勢見圖1。全省年平均SPEI指數(shù)是45個氣象臺站SPEI（6—9月）的平均值，所有站臺均勻分布在全省各地區(qū)，具有很好的代表性。河南省玉米生長期干旱始于1986年前后，此后的15年間干旱頻繁發(fā)生，2005—2010年偏濕潤，2010年開始又出現(xiàn)干旱趨勢。干旱最嚴(yán)重的前3個年份分別是1997年、2013年和1986年，最濕潤的前3個年份分別是1984年、2000年和2003年，從SPEI的數(shù)值上來看，最干旱的年份偏離正常年份的程度略大于最濕潤年份的偏離程度。從1971—2015年的45年間，該地區(qū)玉米生長期平均SPEI指數(shù)以0.031/10年的速度下降，若只計算1986—2015年近30年的SPEI指數(shù)，這種下降速度達0.127/10年，說明玉米生長期的干旱趨勢明顯在增強。

3.1.2干旱的空間特征分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）的計算結(jié)果，依據(jù)表1劃分的干旱標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計河南省45個站點的干旱發(fā)生頻率（1971—2015年）。從全省平均看，1971—2015年的45年中，河南省玉米生長期干旱發(fā)生頻率為0.322 2（SPEI<-0.5），平均每3年發(fā)生1次干旱，其中一般干旱發(fā)生頻率為0.151 5（-1