新疆氣象災(zāi)害對主要作物產(chǎn)量影響的灰色關(guān)聯(lián)分析

吾米提·居馬太，瓦力江·瓦黑提，黃 娟

（1.伊犁州氣象局，新疆 伊寧835000；2.廣東省氣象臺，廣東 廣州510000；3.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

新疆地處亞歐大陸腹地，是典型的干旱半干旱地區(qū)，受氣候和地理環(huán)境的影響，生態(tài)環(huán)境脆弱，各種自然災(zāi)害頻繁發(fā)生。20世紀(jì)90年代以來，全球變暖的氣候背景下，極端天氣氣候事件增多，氣象災(zāi)害直接影響了作物產(chǎn)量，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前，國內(nèi)外有許多圍繞農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害展開的研究[1-2]，史培軍等[3]分析了自然災(zāi)害對我國糧食生產(chǎn)的影響，得出1980—1994年水旱災(zāi)害是影響最大的因素。龍方等[4]采用灰色關(guān)聯(lián)法對中國1950—2008年稻谷單產(chǎn)與氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果自然因素占48%~56%。即使地域不同、研究方法不同，得到的結(jié)果都證實(shí)氣象災(zāi)害對糧食生產(chǎn)有不利影響。關(guān)于新疆氣象災(zāi)害影響特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響主要集中在受災(zāi)范圍對糧食單產(chǎn)的影響方面[5-7]。然而不同氣象災(zāi)害對農(nóng)業(yè)的危害程度不同，往往多種氣象災(zāi)害并發(fā)或交替發(fā)生，不僅需要對單一災(zāi)種進(jìn)行評價(jià)，更有必要對多種災(zāi)害進(jìn)行綜合評價(jià)。

本文選取洪澇、干旱、風(fēng)雹和低溫冷凍對新疆農(nóng)業(yè)影響較大的氣象災(zāi)害，嘗試運(yùn)用線性趨勢分析和灰色關(guān)聯(lián)法將4種災(zāi)害對農(nóng)業(yè)的影響程度進(jìn)行定性定量分析，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及防災(zāi)減災(zāi)工作的綜合決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)作物總播種面積，旱災(zāi)、洪澇、風(fēng)雹和冷凍氣象災(zāi)害成災(zāi)受災(zāi)面積和作物生產(chǎn)產(chǎn)量資料來源于《新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》，時(shí)間序列為1978—2014年。為便于比較分析不同階段氣象災(zāi)害對糧食生產(chǎn)的影響，根據(jù)糧食產(chǎn)量變動(dòng)趨勢劃分為3個(gè)階段：1978—1994年，1994—2002年，2002—2014年。1994年新疆實(shí)行了糧食購銷體制改革，糧食走向多樣化，極大提高了糧食生產(chǎn)的積極性，產(chǎn)量持續(xù)增長。2002年起農(nóng)機(jī)經(jīng)歷了國家、集體統(tǒng)一經(jīng)營向多種形式并存的發(fā)展歷程，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料和勞動(dòng)者緊密結(jié)合，為農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1.2 分析方法

受災(zāi)率為農(nóng)作物受災(zāi)面積與總播種面積的比值，分析比較災(zāi)害造成的相對損失量，將因?yàn)?zāi)害使農(nóng)作物產(chǎn)量減產(chǎn)10%~30%的面積稱為受災(zāi)面積，因?yàn)?zāi)減產(chǎn)30%以上的面積稱為成災(zāi)面積。災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)為成災(zāi)面積與受災(zāi)面積的百分比，客觀地反映不同災(zāi)害對作物產(chǎn)量造成的影響[8]。農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害災(zāi)情的變化趨勢采用線性趨勢分析[9]，關(guān)聯(lián)分析采用灰色關(guān)聯(lián)分析法[10-13]。

灰色關(guān)聯(lián)分析法的一般步驟：設(shè)參考序列X0={x0（1），x0（2），…，x0（k），…，x0（n）}，比較序列Xi={xi（1），xi（2），…，xi（k），…，xi（n）}，其中參考序列為系統(tǒng)行為特征因子的時(shí)間序列；比較序列為影響系統(tǒng)行為特征因子的時(shí)間序列。

（1）數(shù)據(jù)處理一般將參考序列和比較序列進(jìn)行初始化處理，使之無量綱化、歸一化，采用初值化法。

（2）根據(jù) Δ0（ik）=，k=1，2，…，n，求絕對差。

（3）求關(guān)聯(lián)系數(shù)，分辨率系數(shù)ρ=0.5，公式為：

（4）計(jì)算關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度公式為：

其中ri為第i項(xiàng)比較序列與參考序列各時(shí)刻關(guān)聯(lián)系數(shù)均值。

（5）根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小進(jìn)行排序，確定比較序列對參考序列的相關(guān)程度大小。ri的值越大，說明關(guān)聯(lián)的程度越大；反之關(guān)聯(lián)度小。根據(jù)關(guān)聯(lián)度ri得到第i個(gè)影響因子的權(quán)重wi[14-16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆作物產(chǎn)量變化特征

1978—2014年，新疆主要農(nóng)作物單產(chǎn)和總產(chǎn)呈增加的趨勢。其中第一階段（1978—1994年），新疆作物單產(chǎn)和總產(chǎn)均有波動(dòng)上升趨勢；第二階段（1994—2002年），新疆糧食單產(chǎn)呈波動(dòng)上升趨勢，總產(chǎn)；第三階段（2002—2014年）單產(chǎn)量相對波動(dòng)小，2007年達(dá)到6287 kg·hm-2，總產(chǎn)呈上升趨勢。

1978—2014年新疆作物總產(chǎn)量為28 268萬t，平均為764萬t，最小值為375萬t，至 2013年達(dá)到最大值，產(chǎn)量值為1 377萬t，總體呈增長趨勢（圖1）。其中第一階段是1978—1994年，呈現(xiàn)增長趨勢，總增長量為269萬t，平均增長量為35萬t。第二階段是1995—2002年，也呈現(xiàn)增長趨勢，總增長量為192萬t，平均增長量為27萬t。第三階段是2003—2014年，呈明顯增長，總增長量為578萬t，平均增長量為53萬t。新疆的作物單產(chǎn)一直呈顯著上升趨勢，1978年新疆的單產(chǎn)量1 606 kg·hm-2到2014年增長達(dá)6 270 kg·hm-2，增加了2.9倍。1978—2002年呈不斷增長趨勢，其中1978—1995年顯著提高，2002—2014年，單產(chǎn)量相對波動(dòng)小，到2007年達(dá)到了最高值 6287 kg·hm-2。

圖1 新疆1978—2014年作物單產(chǎn)和總產(chǎn)的年際變化

圖2 新疆1978—2014年受災(zāi)率和災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)的年際變化

2.2 新疆氣象災(zāi)害變化特征

由新疆1978—2014年受災(zāi)率和災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)的年際變化（圖2）可知，在研究期間氣象災(zāi)害對新疆的作物生產(chǎn)影響較大，新疆平均受災(zāi)率和災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)分別為28%和51%。3個(gè)階段中，受災(zāi)率高于研究期平均值的年份占29.4%、62.5%、58.3%，災(zāi)害強(qiáng)度高于研究期平均值的年份占29.4%、50%、91.6%，說明研究期間內(nèi)氣象災(zāi)害的受災(zāi)范圍呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，而災(zāi)害強(qiáng)度不斷增大。

2.3 作物產(chǎn)量和氣象災(zāi)害的關(guān)聯(lián)分析

2.3.1 作物單產(chǎn)與受災(zāi)范圍

由表1可知，第一階段洪澇、旱災(zāi)、風(fēng)雹災(zāi)及冷凍4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)率與作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)為：作物單產(chǎn)與風(fēng)雹災(zāi)呈強(qiáng)關(guān)聯(lián)，其次為旱災(zāi)和冷凍災(zāi)。說明從受災(zāi)范圍看，風(fēng)雹災(zāi)是該階段的關(guān)鍵氣象災(zāi)害。所有作物單產(chǎn)與洪澇災(zāi)的關(guān)聯(lián)最弱，即危害最小。

表1 新疆1978—1994年4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)率與主要作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)分析

由表2可知，第二階段4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)率與作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)與第一階段相比得出：稻谷、小麥和甜菜單產(chǎn)與第一階段關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)一致，與風(fēng)雹災(zāi)呈強(qiáng)關(guān)聯(lián)，其次是旱災(zāi)和冷凍災(zāi)，最后是洪澇災(zāi)，說明從受災(zāi)范圍看，在此階段旱災(zāi)對棉花單產(chǎn)的危害程度顯著上升，風(fēng)雹災(zāi)有所下降，與旱災(zāi)呈強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系。旱災(zāi)對棉花單產(chǎn)上升與氣候變化有關(guān)系，主要?dú)夂蛞蛩厥菤鉁睾徒邓?，待進(jìn)一步研究。

表2 新疆1995—2002年4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)率與主要作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)分析

由表3可知，第三階段與第二階段相比，4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害與作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)為：旱災(zāi)成為最強(qiáng)關(guān)聯(lián)，對作物單產(chǎn)影響最大；對于稻谷洪澇災(zāi)影響上升，風(fēng)雹災(zāi)下降，成為影響稻谷單產(chǎn)的第2位；說明從受災(zāi)范圍看，對小麥、玉米、棉花和甜菜而言，該階段的關(guān)鍵氣象災(zāi)害為旱災(zāi)，其次是風(fēng)雹和洪澇災(zāi)，冷凍災(zāi)的危害最小。結(jié)合災(zāi)害數(shù)據(jù)，可知風(fēng)雹災(zāi)發(fā)生的頻率較高，而洪澇災(zāi)發(fā)生的頻率低。

表3 新疆2003—2014年4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害受災(zāi)率與主要作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)分析

綜上所述，對某一特定作物，不同災(zāi)害受災(zāi)范圍的影響不同，但對于不同作物，特定災(zāi)害受災(zāi)范圍的影響程度，具有相對一致性；受災(zāi)范圍對作物單產(chǎn)的影響在不斷地發(fā)生變化，第一階段的關(guān)聯(lián)度最大，第二階段略下降，第三階段上升，說明災(zāi)害受災(zāi)范圍對作物生產(chǎn)的危害下降后開始上升；總體上，前兩階段風(fēng)雹災(zāi)為關(guān)鍵氣象災(zāi)害，第三階段為旱災(zāi)。

風(fēng)雹災(zāi)一般發(fā)生在初春或雨季，大風(fēng)災(zāi)使農(nóng)作物吹倒，致使其長勢降低；冰雹持續(xù)時(shí)間短，影響范圍小，但出現(xiàn)次數(shù)多，對作物造成沖擊，尤其是在作物抽穗和成熟階段，直接影響產(chǎn)量。新疆是典型的內(nèi)陸干旱半干旱區(qū)，降水量和蒸發(fā)量相差懸殊，且降水量分布不均勻，北疆多于南疆，山區(qū)多于平原，西部多于東部。干旱災(zāi)害多發(fā)生于初春夏末，正值冬小麥生長盛期，同時(shí)是春播時(shí)期，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需大量水，所以水的供應(yīng)直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量。

2.3.2 作物單產(chǎn)與災(zāi)害強(qiáng)度

從表4可知，第一階段4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)與作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)為：風(fēng)雹災(zāi)呈現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)，對于稻谷和玉米單產(chǎn)而言其次為冷凍，而對于其余3種作物單產(chǎn)而言，其次為旱災(zāi)，最后為洪澇災(zāi)害；作物生產(chǎn)受風(fēng)雹災(zāi)的危害較大，洪澇災(zāi)害的危害較小。

表4 新疆1978—1994年4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)與主要作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)分析

第二階段與第一階段相比（表5）得出：洪澇災(zāi)的強(qiáng)度指數(shù)顯著上升至強(qiáng)關(guān)聯(lián)，其次是風(fēng)雹災(zāi)和冷凍災(zāi)，最后為旱災(zāi)，說明從災(zāi)害強(qiáng)度出發(fā)，作物單產(chǎn)在此階段受洪澇災(zāi)害的危害較大。

表5 新疆1995—2002年4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)與主要作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)分析

第三階段（表6）與第二階段相比較得出：風(fēng)雹災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)與作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)度上升為第一位，為強(qiáng)關(guān)聯(lián)。對于稻谷、小麥和玉米而言，旱災(zāi)為第二位，而對于棉花和甜菜，則為冷凍災(zāi)害。冷凍災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)對稻谷單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)度居第三位，洪澇災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)對小麥和玉米單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)度居第三位，旱災(zāi)災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)對棉花和甜菜單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)度居第三位。

對于不同作物，災(zāi)害強(qiáng)度的影響不同，從表4可知旱災(zāi)強(qiáng)度指數(shù)與小麥和棉花關(guān)聯(lián)度高于與稻谷和玉米關(guān)聯(lián)度，而冷凍災(zāi)強(qiáng)度指數(shù)對稻谷和玉米關(guān)聯(lián)度高。

表6 新疆2003—2014年4種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)與主要作物單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)分析

綜上所述，對于特定作物，4種不同災(zāi)害強(qiáng)度的影響程度是不同的，而對于5種作物，特定災(zāi)害強(qiáng)度的影響程度，與其他災(zāi)害也不一致。3個(gè)階段內(nèi)，災(zāi)害強(qiáng)度對作物單產(chǎn)的影響在不斷發(fā)生變化，第一階段的災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)最大，旱災(zāi)災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)先減小后增大，其余不斷減小。對于作物單產(chǎn)，特定災(zāi)害受災(zāi)范圍的影響程度是相對一致的，而災(zāi)害強(qiáng)度的影響程度存在差異，說明作物單產(chǎn)受不同災(zāi)害強(qiáng)度的影響比受災(zāi)范圍更敏感。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用新疆農(nóng)作物總播種面積，旱災(zāi)、洪澇、風(fēng)雹和冷凍氣象災(zāi)害成災(zāi)受災(zāi)面積和作物產(chǎn)量資料，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，從災(zāi)害受災(zāi)率和受災(zāi)強(qiáng)度兩種不同角度出發(fā)，綜合分析1978—2014年以及其中1978—1994年，1995—2002年，2003—2014年 3個(gè)不同階段的變化規(guī)律，評估了糧食產(chǎn)量分別受氣象災(zāi)害的影響程度，主要結(jié)論如下：

（1）1978—2014年新疆作物平均受災(zāi)率和災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)分別為28%和51%。而1978—1994年，1995—2002年，2003—2014年3個(gè)時(shí)期，新疆作物受災(zāi)率分別為29.4%、62.5%、58.3%，作物受災(zāi)強(qiáng)度分別為29.4%、50%、91.6%。這表明20世紀(jì)90年代以前新疆糧食作物的受災(zāi)率和受災(zāi)強(qiáng)度，明顯低于90年代中期以后。

（2）在1978—2014年中的3個(gè)研究時(shí)期，不同作物受不同災(zāi)害的影響范圍不同，但同種災(zāi)害對某一種特定作物的影響基本保持不變；受災(zāi)范圍對作物單產(chǎn)的影響在存在階段性波動(dòng)，20世紀(jì)90年代中期以前的關(guān)聯(lián)度最大，90年代中期以后關(guān)聯(lián)度略下降之后上升；另外，不同災(zāi)害造成的受災(zāi)范圍存在差別，2002年以前風(fēng)雹災(zāi)害為關(guān)鍵氣象災(zāi)害，2002年以后關(guān)鍵災(zāi)害變?yōu)楹禐?zāi)。

（3）對新疆作物受氣象災(zāi)害影響強(qiáng)度分析結(jié)果顯示，風(fēng)雹災(zāi)和洪澇災(zāi)對作物單產(chǎn)有更明顯影響。對于特定作物，4種不同災(zāi)害強(qiáng)度的影響程度不同，而對于不同作物特定災(zāi)害強(qiáng)度的影響程度與其他災(zāi)害也各不相同。1978—2014年3個(gè)階段內(nèi)，災(zāi)害強(qiáng)度對作物單產(chǎn)的影響在20世紀(jì)90年代中期以前災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)先減小后增大，90年代中期以后受災(zāi)強(qiáng)度不斷減小；災(zāi)害強(qiáng)度對作物單產(chǎn)的影響程度存在差異，表明作物單產(chǎn)變化受不同災(zāi)害強(qiáng)度的影響更敏感。

隨著氣候變暖，近年來新疆干旱、洪澇、風(fēng)雹和冷凍災(zāi)害發(fā)生頻繁，氣象災(zāi)害對新疆糧食生產(chǎn)具有明顯的不利影響，應(yīng)提高氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力，健全預(yù)警監(jiān)測、發(fā)布系統(tǒng)，提高應(yīng)急處理能力。對于受災(zāi)范圍的階段性變化，針對性地采取防災(zāi)減災(zāi)措施，降低受災(zāi)范圍至關(guān)重要。旱災(zāi)的危害逐漸增大，所以應(yīng)當(dāng)重視，加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害的認(rèn)識，做好防御工作，建立健全完善的自然災(zāi)害預(yù)測體系。因?yàn)轱L(fēng)雹災(zāi)和洪澇災(zāi)對作物單產(chǎn)有更明顯的影響，因此加強(qiáng)暴雨及風(fēng)雹預(yù)報(bào)研究、興建水利等減少災(zāi)害強(qiáng)度顯得尤為重要，而旱災(zāi)災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)先減小后增大，其余的災(zāi)種不斷減小，也應(yīng)加強(qiáng)對旱災(zāi)的重視。對于應(yīng)對氣象災(zāi)害總體措施而言，在應(yīng)對氣象災(zāi)害時(shí)，應(yīng)針對不同作物制定不同的防災(zāi)減災(zāi)措施，重點(diǎn)防范對不同作物生長關(guān)鍵期危害較大的氣象災(zāi)害。干旱發(fā)生在春節(jié)播種期，土壤缺乏水分影響種子發(fā)芽和出苗，洪澇災(zāi)對作物苗期階段影響明顯，農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)應(yīng)考慮各類作物發(fā)育階段特征及農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害發(fā)生特點(diǎn)，及時(shí)采取相應(yīng)的防御措施[17]。

此外，本文運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，從災(zāi)害受災(zāi)率和受災(zāi)強(qiáng)度兩種不同角度出發(fā)，對新疆氣象災(zāi)害對作物生產(chǎn)產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明灰色關(guān)聯(lián)分析法能識別不同階段的關(guān)鍵災(zāi)害及受影響最大的作物，可以為針對性采取防災(zāi)減災(zāi)措施提供科學(xué)依據(jù)。然而，目前研究仍舊存在一些不足，由于新疆地域廣袤，下墊面復(fù)雜多變，所以未來還特別需要針對不同下墊面條件進(jìn)行更細(xì)化的研究。此外，灰色關(guān)聯(lián)分析法主要缺點(diǎn)在于需要對各項(xiàng)指標(biāo)的最優(yōu)值進(jìn)行現(xiàn)行確定，主觀性過強(qiáng)，同時(shí)無量綱化處理不具備保序效應(yīng)，不能體現(xiàn)因素之間的內(nèi)在聯(lián)系及負(fù)相關(guān)特性，故上述氣象災(zāi)害的影響具有一定的局限性。今后研究中，可嘗試確定各項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)一步構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，從而制定更科學(xué)完善的定量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。