基于DEA模型的河南省玉米氣象效率研究

朱曉宵，李炳軍

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與管理科學(xué)學(xué)院, 河南 鄭州 450002)

1 引言

玉米作為飼料、食物及重要的化工原料，也是河南省重要的糧食作物，玉米生產(chǎn)對(duì)人們的生活有嚴(yán)重影響，保障玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)是保障國(guó)家糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。氣象因素(氣溫、日照、平均相對(duì)濕度等)作為影響玉米產(chǎn)量的重要因素，嚴(yán)重威脅糧食安全。

近年來(lái)，受全球氣候變化的影響，河南省秋冬的氣溫也在逐漸增加[1～2]。此外，日照時(shí)數(shù)逐漸減少、降水逐漸增多，旱災(zāi)、洪澇等自然災(zāi)害發(fā)生頻繁，玉米的產(chǎn)量波動(dòng)較大。氣象因素對(duì)玉米生產(chǎn)造成的影響，現(xiàn)在越來(lái)越引起人們的關(guān)注。

近年來(lái)，諸多學(xué)者將玉米產(chǎn)量進(jìn)行分解，分別研究玉米的趨勢(shì)產(chǎn)量及氣象產(chǎn)量。其中對(duì)氣象產(chǎn)量的研究越來(lái)越多。兩季光溫資源分配合理，同作物的生長(zhǎng)發(fā)育高度匹配，此外，水肥等資源充足供應(yīng)造就黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米的生產(chǎn)模式及其高產(chǎn)產(chǎn)量[3]。學(xué)者們的大多數(shù)研究停留在玉米用水及用肥效率，而較少探究氣象因素對(duì)玉米生產(chǎn)的影響，學(xué)者們大多選用部分氣象因素進(jìn)行分析，相對(duì)而言不夠全面。氣象資源的變化致使氣候資源配置不合理，從而使作物的品種、播期、生育期等與水、溫、光等資源的變化不匹配，進(jìn)一步影響玉米的生長(zhǎng)發(fā)育[4～5]。周寶元[6]采用定量分析的方法探究冬小麥-夏玉米模式高產(chǎn)形成同季節(jié)間光溫水資源分配間的關(guān)系。王玉寶等[7]利用CERES-Maize模型來(lái)模擬作物生產(chǎn)水足跡,同時(shí)分析不同氣候情景下旱作玉米產(chǎn)量的變化。闞飛等[8]利用隴中半干旱區(qū)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),采用渦度系統(tǒng)的碳水通量數(shù)據(jù),分別從生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率(WUE)、固有水分利用效率(IWUE)三個(gè)方面探討不同氣象條件對(duì)半干旱區(qū)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的影響。

此外，諸多學(xué)者對(duì)玉米的生產(chǎn)效率進(jìn)行研究，其中：楊印生等[9]采用DEA-SBM模型,結(jié)合實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，探究吉林省市場(chǎng)份額前21位玉米品種在2014-2016年的生產(chǎn)效率。孫煒等[10]、趙貴玉等[11]、楊春等[12]則采用不同的DEA模型研究中國(guó)各地的玉米生產(chǎn)效率。

從現(xiàn)有研究來(lái)看，學(xué)者們研究多集中于分析玉米的生產(chǎn)效率，對(duì)氣象效率的研究較少。氣象因素作為影響玉米生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，其投入的多少在一定程度上影響玉米的單產(chǎn)，研究氣象因素對(duì)作物生長(zhǎng)的影響具有重要意義。氣象作為不可控的外界因素，人們無(wú)法阻止其變化，但可以采取措施減小其變化造成的損失。對(duì)氣象的調(diào)控主要體現(xiàn)在通過(guò)提高各地市的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，進(jìn)而增強(qiáng)其對(duì)氣象變化的抵御能力，從而提高玉米產(chǎn)量。玉米生長(zhǎng)所跨時(shí)期較長(zhǎng)，玉米不同生長(zhǎng)階段氣象因素呈現(xiàn)出灰數(shù)的特征，因而，筆者采用灰色模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。筆者在對(duì)玉米的氣象效率進(jìn)行分析時(shí)，選取一個(gè)產(chǎn)出指標(biāo)及多個(gè)投入指標(biāo)，而DEA方法在處理多輸入問(wèn)題方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因而筆者選用DEA模型對(duì)玉米氣象效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后，依據(jù)氣象效率分析結(jié)果，為保障玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提出政策建議。

2 方法介紹

2.1 DEA模型

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)，在1978年由美國(guó)A.Charnes和W.W.Cooper[13]等人首先提出來(lái)，DEA模型分為CCR模型和BCC模型，以“相對(duì)效率”概念為基礎(chǔ)，根據(jù)多指標(biāo)投入和多指標(biāo)產(chǎn)出來(lái)對(duì)相同類型的單位(部門)進(jìn)行相對(duì)有效性或效益評(píng)價(jià)的一種系統(tǒng)分析方法，在應(yīng)用DEA方法建立模型前無(wú)須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

考慮到農(nóng)業(yè)氣象效率研究的實(shí)際需要，選擇以產(chǎn)出為導(dǎo)向的BCC模型。假設(shè)有個(gè)決策單元，其投入數(shù)據(jù)和產(chǎn)出數(shù)據(jù)分別為[14]:xij>0,yrj>0,j=1,2,…,n;i=1,2,…,n;r=1,2,…,s.其中m為單個(gè)決策單元中投入變量的個(gè)數(shù)，s為單個(gè)決策單元產(chǎn)出變量個(gè)數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的BCC模型為：

(1)

S.t.

(2)

2.2 HP濾波法

考慮到環(huán)境和作物本身及所采用的種植方式對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，玉米產(chǎn)量分為趨勢(shì)產(chǎn)量及氣象產(chǎn)量。筆者分析氣象產(chǎn)量，采用HP濾波求得趨勢(shì)產(chǎn)量，進(jìn)而求得氣象產(chǎn)量。HP濾波法將玉米產(chǎn)量序列{yt}分為趨勢(shì)產(chǎn)量gt與波動(dòng)產(chǎn)量ct， 即yt分解為：yt=gt+ct

其中g(shù)t的計(jì)算方法常被定義為以下最小化公式的解，即：

(3)

式中，λ為HP濾波參數(shù)，當(dāng)λ=0時(shí)，函數(shù)最小化的解為{yt}序列，隨著λ值的增加，最小化解估計(jì)的趨勢(shì)越光滑，一般經(jīng)驗(yàn)下的λ如下：

(4)

2.3 灰色GM(1,1)模型

灰色GM(1,1)模型所需要的數(shù)據(jù)少、可檢驗(yàn)、進(jìn)行短期預(yù)測(cè)時(shí)精度較高,該模型比傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法具有更大的優(yōu)越性, GM(1,1)模型[15]預(yù)測(cè)越來(lái)越廣泛.灰色GM(1,1)模型的建模過(guò)程如下：

對(duì)X(1)建立一階線性微分方程模型

(5)

式(5)稱為GM(1,1)模型均值形式的白化微分方程。

其中Y,B分別為

微分方程(5)的解為

(6)

對(duì)(6)式進(jìn)行累減還原

(7)

則原序列的灰色預(yù)測(cè)模型為

k=1,2,…,n

(8)

3 數(shù)據(jù)的收集與選取

綜合變量指標(biāo)選取的科學(xué)性、全面性及數(shù)據(jù)的可獲得性，同時(shí)結(jié)合相關(guān)學(xué)者[16]的研究，筆者選取1個(gè)產(chǎn)出指標(biāo)，10個(gè)投入指標(biāo)，構(gòu)建玉米氣象效率投入產(chǎn)出模型指標(biāo)體系如表1所示：

產(chǎn)量數(shù)據(jù)從河南省統(tǒng)計(jì)局[17]獲得，各氣象數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[18]獲得，采用灰色模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)氣象產(chǎn)量進(jìn)行歸一化處理，2009年河南省玉米氣象產(chǎn)量及相關(guān)氣象因素?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表2，其余各年氣象產(chǎn)量及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)均以此方法表示。

4 綜合效率分析

運(yùn)用DEAP2.1軟件運(yùn)算VRS模型，求得2009-2018年河南省13市玉米氣象效率如表3所示。

表1 玉米氣象效率投入產(chǎn)出指標(biāo)

表2 2009年河南省13市玉米氣象產(chǎn)量及相關(guān)氣象因素

表3 2009-2018年河南省13市玉米氣象效率

筆者主要以綜合生產(chǎn)效率進(jìn)行分析，從橫向角度而言,近10 a周口、駐馬店有6個(gè)年份綜合生產(chǎn)效率值達(dá)到1，洛陽(yáng)則有5個(gè)年份綜合生產(chǎn)效率值達(dá)到1，安陽(yáng)、三門峽、鄭州則有4個(gè)年份綜合生產(chǎn)效率值達(dá)到1，新鄉(xiāng)、開(kāi)封、南陽(yáng)、平頂山、信陽(yáng)、商丘則有3個(gè)年份綜合生產(chǎn)效率值達(dá)到1，而許昌只有2個(gè)年份綜合生產(chǎn)效率值為1。綜合效率值達(dá)到1，表明該年份玉米生產(chǎn)的氣象資源配置效率達(dá)到最佳，即氣象資源得到充分利用，不存在氣象資源投入過(guò)剩的情況，也沒(méi)有氣象資源投入與產(chǎn)出結(jié)構(gòu)配置不恰當(dāng)?shù)那闆r。各地區(qū)其它年份玉米生產(chǎn)的氣象效率為非效率最佳。

從縱向角度而言，2018年玉米的綜合生產(chǎn)效率值中僅有一個(gè)地區(qū)未達(dá)到1，表明2018年玉米生產(chǎn)整體氣象效率較高。河南省玉米生產(chǎn)氣象效率整體呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)。此外，安陽(yáng)、新鄉(xiāng)、許昌、開(kāi)封、商丘這些地區(qū)10 a中有一半年份玉米生產(chǎn)氣象效率低于平均水平，這些地區(qū)玉米氣象資源配置較不合理，而鄭州市僅有一年玉米氣象效率低于平均水平，其整體氣象效率較高，氣象資源配置較為合理，資源利用充分。

分區(qū)域分析。將河南省分為豫東、豫西、豫中、豫南、豫北，分區(qū)域后，河南省各區(qū)域玉米氣象效率整理如表4所示。

以表格中數(shù)據(jù)為依據(jù)，構(gòu)造河南省各區(qū)域氣象效率變化折線圖，通過(guò)圖1可觀察近10 a河南省各個(gè)區(qū)域玉米氣象效率變化情況。

表4 2009-2018年河南省各區(qū)域玉米氣象效率

圖1 2009-2018年河南省各區(qū)域玉米氣象效率

豫西地區(qū)玉米平均氣象效率最高，主要由于洛陽(yáng)、三門峽兩個(gè)地市的氣象效率較高；豫中的許昌、平頂山、鄭州整體氣象效率較高；而豫南的南陽(yáng)、駐馬店、信陽(yáng)及豫北的新鄉(xiāng)及安陽(yáng)整體氣象效率相差不大；豫東地區(qū)整體氣象效率最低且氣象效率波動(dòng)最大，主要由于商丘氣象效率波動(dòng)較大，2016年商丘的氣象效率為0.313，達(dá)到10 a內(nèi)的最低值。2016年商丘氣象要素投入較多，而氣象產(chǎn)量?jī)H為0.16萬(wàn)t，存在較大程度的投入冗余，進(jìn)而導(dǎo)致2016年商丘玉米氣象效率達(dá)到該地區(qū)近十年的最低值。整體來(lái)看，豫南地區(qū)氣象效率波動(dòng)較為平穩(wěn)，效率值在平均效率附近波動(dòng)，整體波動(dòng)不大。

從資源分布角度來(lái)看，河南省各地太陽(yáng)輻射分布表現(xiàn)為豫北、豫東地區(qū)較多,豫西、豫南地區(qū)較少，而實(shí)際上，豫北、豫東地區(qū)玉米氣象效率不及豫南、豫西地區(qū)，這主要由于氣象效率的高低除了考慮光照外，還包括其他因素。此外，太陽(yáng)輻射過(guò)多易導(dǎo)致光照投入冗余，且易出現(xiàn)干旱，因而豫北、豫東地區(qū)的氣象效率比豫西、豫南地區(qū)要低。河南省玉米整體的氣象效率由東北向西南呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，豫西南的大部分玉米種植區(qū)位于南陽(yáng)盆地內(nèi), 其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較好，整體效率較高。

氣象效率由氣象因素影響，而氣象因素對(duì)玉米生產(chǎn)的影響除其自身的影響外，還受該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的制約。一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平越高，其農(nóng)業(yè)資源配置越充分，抵抗氣象變化的能力越強(qiáng)，此時(shí)，氣象因素對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響就越小。

5 政策建議

氣象資源的利用效率還受科技水平、市場(chǎng)、勞動(dòng)力、交通和政府政策等因素的影響[19]。在分析氣象資源對(duì)玉米生產(chǎn)影響的基礎(chǔ)上，配以合理的政策建議，可以更好的促進(jìn)資源的合理配置，以彌補(bǔ)氣象因素對(duì)玉米生產(chǎn)的影響，保障玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。結(jié)合河南省玉米氣象效率分析結(jié)果，提出如下政策建議：

(1)耐性品種的培育。氣象因素主要有溫度、相對(duì)濕度、光照、風(fēng)速等，氣象因素投入量過(guò)大，即產(chǎn)生氣象異常，從而造成玉米減產(chǎn)，降低氣象資源利用效率。為提高玉米單產(chǎn)，可從根源入手，通過(guò)培育耐旱、耐澇、抗高溫、抗倒伏的品種，從而減輕氣象因素的影響，提高玉米產(chǎn)量。

(2)農(nóng)業(yè)資源配置的完善。政府通過(guò)合理調(diào)配各地區(qū)的農(nóng)業(yè)資源，完善農(nóng)業(yè)資源配置，減輕氣象異常對(duì)玉米生產(chǎn)的影響。例如，通過(guò)配備充足的灌溉設(shè)施，在缺水干旱時(shí)，及時(shí)進(jìn)行灌溉，避免玉米遭受干旱影響產(chǎn)量。

(3)合理密植。玉米的產(chǎn)量與種植密度呈正相關(guān)，而種植密度過(guò)高則會(huì)影響玉米品質(zhì)。可通過(guò)設(shè)定合理的種植密度，提高玉米抗倒伏及抗倒折能力，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量。

(4)玉米與其他作物間作種植。由于單一作物的長(zhǎng)期大面積種植以及化肥農(nóng)藥過(guò)量超標(biāo)使用，使得農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)變得越來(lái)越脆弱，導(dǎo)致其對(duì)自然災(zāi)害的抵御能力下降。將玉米與其他作物間作種植，可以提高作物對(duì)光照及溫度的利用效率，同時(shí)可以降低病害的發(fā)病率，從而提高玉米產(chǎn)量。