西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率影響因素的主成分分析

張 娜， 張建豐， 李 濤

(西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安710048)

在我國各用水部門中，全國總用水量的近七成消耗在農(nóng)業(yè)用水上，其中農(nóng)作物灌溉用水約占90%[1,2]。隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提高，工業(yè)、生活用水需求的大幅度增加以及日趨嚴重的氣候環(huán)境問題，各部門之間對水資源的競爭愈發(fā)激烈，農(nóng)業(yè)用水受到?jīng)_擊，灌溉面臨著如何用有限的水資源去增加更多的糧食產(chǎn)量的問題[3]。而灌溉水分生產(chǎn)率是評判農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、農(nóng)業(yè)用水科學性與合理性以及農(nóng)業(yè)高效發(fā)展的重要指標[4]。

因此，研究灌溉水分生產(chǎn)率及其影響因素對提高全國農(nóng)業(yè)用水效率，緩解水資源壓力是十分必要的[5]。但影響農(nóng)作物水分生產(chǎn)率的因素[6]有很多，有的因素是可控的，例如灌溉用水量、化肥農(nóng)藥施用量、農(nóng)業(yè)從業(yè)人員數(shù)量、經(jīng)濟投入等；有的因素是不可控的，比如輻射、降水量、風速、大氣溫度等[7]。近10年來，為了采取更加有效的措施來提高作物的灌溉水分生產(chǎn)率，國內(nèi)外許多學者[8-12]對水分生產(chǎn)率的影響因素做了大量研究。2004年，Zwart等[13]研究發(fā)現(xiàn)，全球作物水分生產(chǎn)率變化范圍較大，這可能是氣象、作物、土壤以及管理等多種因素作用于土壤-植物-水分關系造成的；2009年，張曉霞[14]基于灰色關聯(lián)分析方法對影響甘州區(qū)農(nóng)作物水分生產(chǎn)力的10個因子進行分析，結果顯示，生長期降水、沙塵天數(shù)等不可控因素對農(nóng)作物水分生產(chǎn)力影響顯著；2010年，胡廣錄、趙文智等[15]以黑河流域的綠洲灌區(qū)為例，利用 1995—2006 年的灌溉用水量、農(nóng)作物產(chǎn)量、氣象數(shù)據(jù)等資料，采用灰色關聯(lián)分析方法計算了綠洲灌區(qū)的小麥水分生產(chǎn)率，結果表明：不小于10℃積溫、農(nóng)藥費用、勞動管理費用、化肥施用量、水費依次是影響水分生產(chǎn)率的前 5 位主要因素。

綜上所述，國內(nèi)外學者對水分生產(chǎn)率的相關分析因研究的技術路線、方法、影響因素不同而結果不同，而針對西安地區(qū)作物灌溉水分生產(chǎn)率的研究較少。因此，本文以陜西省西安地區(qū)冬小麥為例，分析選取的11個影響因素和冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率的時間變化規(guī)律；采用主成分分析法[16]定量分析并確定影響冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率的主要影響因素，以期為提高冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率提供合理參考。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)域概況

西安市地理坐標為東經(jīng) 107°40′至109°49′，北緯 33°42′至 34°45′，地處關中平原中部，北瀕渭河，南依秦嶺。轄區(qū)東西最大長度206 km，南北最大寬度101 km，全市國土面積10 108 km2。市區(qū)有渭河、涇河、灃河等多條河流，水資源較為豐富，氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L氣候，具有豐富的土地資源和良好的光熱條件，但是降水稀少、蒸發(fā)量大。年平均氣溫14 ℃左右，年最高氣溫40 ℃左右，年最低氣溫-8 ℃左右。多年平均降水量550.36 mm，降水時空分布不均，夏季多冬季少，南部降雨多于北部。研究區(qū)降水量年際間波動較大(2001—2014 年)，豐水年降水量高達883.2 mm，枯水年低至405.9 mm。研究區(qū)年均氣溫均在13.5 ℃～15.5 ℃范圍內(nèi)。該區(qū)地勢平坦、土地肥沃，是我國傳統(tǒng)的糧食主產(chǎn)區(qū)。

1.2 灌溉水分生產(chǎn)率的計算

灌溉水分生產(chǎn)率是指單位灌溉水量所能生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。灌溉水分生產(chǎn)率[17-18]能反映灌區(qū)在不同階段(如實施節(jié)水灌溉工程前后)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出水平、灌溉系統(tǒng)工程的狀況以及灌溉管理水平，表現(xiàn)為灌區(qū)在投入單位灌溉水量后所獲得的農(nóng)作物產(chǎn)出效益。計算式[4]為：

(1)

式中：WP為灌溉水分生產(chǎn)率，kg/m3；Y為全灌區(qū)作物總產(chǎn)量，kg；W為總灌溉用水量，m3。

1.3 指標選取與數(shù)據(jù)來源

1.3.1指標選取

冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率與冬小麥生產(chǎn)過程中的總產(chǎn)量及灌溉用水量有關，化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的投入將會直接影響冬小麥總產(chǎn)量；支農(nóng)支出[19]和農(nóng)業(yè)從業(yè)人員等經(jīng)濟性因素則會對冬小麥產(chǎn)量產(chǎn)生間接影響；區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣象條件通過影響冬小麥的水分消耗，從而對冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率產(chǎn)生間接影響。由此可知，冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率涉及社會、經(jīng)濟、氣象等諸多因素。按照“資料完整、全面且具有代表性和實用性”的原則，同時考慮數(shù)據(jù)獲取的難易程度，本文僅考慮經(jīng)濟、科技發(fā)展等可控因素和氣象等不可控因素對灌溉水分生產(chǎn)率的影響，從而選取化肥施用折純量(X1)、農(nóng)膜用量(X2)、農(nóng)藥用量(X3)、有效灌溉面積(X4)、農(nóng)業(yè)機械總動力(X5)、農(nóng)業(yè)從業(yè)人員(X6)、灌溉用水量(X7)、支農(nóng)支出(X8)、生育期平均氣溫(X9)、生育期平均降水量(X10)、蒸散發(fā)量(X11)等11個指標對陜西省西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率進行綜合評價。

有效灌溉面積通過查看統(tǒng)計年鑒及相關文獻進行篩選?；适┯谜奂兞?X1)、農(nóng)膜用量(X2)、農(nóng)藥用量(X3)、有效灌溉面積(X4)、農(nóng)業(yè)機械總動力(X5)、農(nóng)業(yè)從業(yè)人員(X6)、灌溉用水量(X7)、支農(nóng)支出(X8)屬于影響冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率的可控因素；生育期平均氣溫(X9)、生育期平均降水量(X10)、蒸散發(fā)量(X11)屬于影響冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率的不可控因素，具體如圖1所示。

圖1 影響灌溉水分生產(chǎn)率的指標體系

1.3.2數(shù)據(jù)來源

本次研究中計算冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率時所需的冬小麥產(chǎn)量、灌溉用水量數(shù)據(jù)均來源于《西安市統(tǒng)計年鑒》；其中灌溉用水量利用灌溉用水總量進行分配，首先是利用西安地區(qū)不同作物的種植結構以及灌溉定額確定不同作物灌溉用水量各占灌溉用水總量的比例，其次將灌溉用水總量分配到冬小麥、夏玉米等不同的農(nóng)作物；有效灌溉面積通過查看統(tǒng)計年鑒及相關文獻進行篩選；化肥施用折純量、農(nóng)膜用量等可控因素數(shù)據(jù)來源于《陜西省統(tǒng)計年鑒》、《西安市統(tǒng)計年鑒》、水利部網(wǎng)站；不可控因素中的生育期平均氣溫及降水量從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)中獲??；作物蒸散發(fā)量的計算采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式[20]。

冬小麥蒸散發(fā)量的計算采用單作物系數(shù)法[20]：

ET=KcET0

(2)

式中：ET為作物蒸散發(fā)量；Kc為綜合作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸散發(fā)量。

1.4 分析方法

主成分分析[21]是基于數(shù)學統(tǒng)計學中降維的思想，利用各指標之間的相關聯(lián)系，把多個變量指標轉(zhuǎn)化為幾個少數(shù)綜合性指標(主成分)，其中每個主成分都能夠把原始變量的大部分信息反映出來，而且所含信息互不重復。主成分分析法的基本計算步驟為：

1) 為消除量綱的影響，將原始數(shù)據(jù)標準化：

(3)

2) 計算各指標的相關系數(shù)：

(4)

式中：zki、zkj分別為標準化矩陣第k行、第i列與第j列數(shù)據(jù)。

3) 求出矩陣的特征值和特征向量；計算貢獻率和累計貢獻率，并根據(jù)累計貢獻率確定主成分；計算主成分荷載矩陣和得分系數(shù)矩陣。

利用Microsoft Excel 軟件計算冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率并分析時間規(guī)律。主成分分析可通過SPSS (Statistical Product and Service Solutions)[22]軟件高效完成，該軟件目前已經(jīng)廣泛應用于眾多領域[23-24]。本文運用SPSS 25.0軟件對各指標相關性進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 灌溉水分生產(chǎn)率影響因素隨時間的變化

選取西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率的11個影響因子，收集整理原始數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1可得，化肥施用折純量整體呈上升趨勢，僅在2013年下降了約1.5%。農(nóng)膜用量在2003—2004年有所下降，幅度在5%～11%之間，2004年之后農(nóng)膜用量略有增加。由于施用農(nóng)藥會對生態(tài)環(huán)境造成一定程度的破壞，故一直控制農(nóng)藥用量，所以農(nóng)藥用量整體呈下降趨勢，并于2001—2003年期間大幅下降，幅度約為25%。2012—2013年間，冬小麥有效灌溉面積急劇降低，下降比例約為10.3%。農(nóng)業(yè)機械總動力在近14年中逐年遞增，2008年突增至271.26萬kW·h。隨著經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)技術的發(fā)展，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員明顯減少。灌溉用水量穩(wěn)定降低，近14年下降幅度約為33.9%。農(nóng)業(yè)經(jīng)濟投入在2001—2014年間快速增長，增長比例穩(wěn)定上升。對于可控因素，可以通過適當加大或降低某一指標來獲取更多的冬小麥產(chǎn)量。由于不可控因素的特殊性，生育期平均氣溫、生育期平均降水量以及蒸散發(fā)量年際間波動較大，且無規(guī)律。2001—2003年，生育期平均氣溫下降幅度較大，近14年生育期最高溫度出現(xiàn)在2013年，高達11.9 ℃。生育期平均降水量于2010—2012年驟降，幅度約為53.3%。2006—2007年間，冬小麥蒸散發(fā)量相對較高。

表1 2001—2014年冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率影響因子的初始數(shù)據(jù)

2.2 灌溉水分生產(chǎn)率隨時間的變化

表2是2001—2014年間西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率。

表2 2001—2014年西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率

由表2可知，西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率年平均值介于1.46～2.33 kg/m3之間，波動較大，整體呈上升趨勢，這與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟快速增長、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素投入逐年增加、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術及田間管理措施的投入加大有關。冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率在2001—2005年間緩慢增長，漲幅約為26%。2007年突降至低點1.54 kg/m3，查看統(tǒng)計年鑒及相關文獻[25]發(fā)現(xiàn)，受極端天氣影響，2007年冬小麥產(chǎn)量顯著下降，致使2007年灌溉水分生產(chǎn)率突然下降。2008—2010年間，冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率快速增長，漲幅約為11%，雖然這3年間蒸散發(fā)量相對較高，但經(jīng)濟發(fā)展迅速、農(nóng)業(yè)機械動力的推廣及輔助性產(chǎn)品的大量使用，使得灌溉用水得到有效利用，灌溉水分生產(chǎn)率快速增長。灌溉水分生產(chǎn)率于2010年后再次小幅下降，這與2010年后冬小麥有效灌溉面積下降幅度大、輔助性用品用量得到一定程度控制導致的冬小麥單位面積產(chǎn)量減少有關。

2.3 灌溉水分生產(chǎn)率影響因素的主成分分析

表3是影響因素間的相關系數(shù)矩陣。從表3中可以看出： 化肥施用折純量X1與農(nóng)膜用量X2(0.949)、農(nóng)業(yè)機械總動力X5(0.965)、支農(nóng)支出X8(0.912)之間的正相關系數(shù)較大。經(jīng)濟發(fā)展會促進農(nóng)業(yè)技術性資料的投入，輔助性農(nóng)產(chǎn)品的疊加使用可以提高冬小麥產(chǎn)量，農(nóng)業(yè)機械總動力的投入能在一定程度上提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，這表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術日趨成熟，因此，化肥施用折純量與農(nóng)膜用量、農(nóng)業(yè)機械總動力及支農(nóng)支出均存在較大的正相關性。

由主要影響因素間的相關系數(shù)矩陣計算其特征值、各個主成分的貢獻率和累計貢獻率，如表4所示。表4顯示，第一、第二主成分的特征值均大于1，累計貢獻率高達83.674%(大于80%)，所以只需要提取前2個主成分進行分析。

表3 影響因素間的相關系數(shù)矩陣

表4 總方差解釋

對于特征值7.328、1.876，分別求其特征向量e1、e2，計算各變量X1，X2，…，X11在主成分上的載荷，如表5所示。主成分因子載荷矩陣顯示了各個因素指標與提取的主成分之間的關系，指標與某一主成分之間相關系數(shù)越大，該主成分與指標之間的聯(lián)系就越緊密。由表5可知：①化肥施用折純量(X1)、農(nóng)膜用量(X2)、農(nóng)業(yè)機械總動力(X5)、支農(nóng)支出(X8)與第一主成分呈現(xiàn)出較強的正相關；②生育期平均降水量(X10)和蒸散發(fā)量(X11)在第二主成分上的載荷較高。對所提取的2個主成分中載荷值較高的影響因素進行排序：化肥施用折純量X1>農(nóng)業(yè)機械總動力X5>農(nóng)膜用量X2>支農(nóng)支出X8>生育期平均蒸散發(fā)量X11>生育期平均降水量X10。

從排序中可得出，在與主成分有較強相關關系的6個影響因素中，化肥施用折純量、農(nóng)業(yè)機械總動力等可控因素有4個，占比67%，而不可控因素包括生育期平均降水量以及蒸散發(fā)量，但排序較為靠后。說明西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率受可控因素的影響明顯大于不可控因素的影響。排序結果表明，隨著經(jīng)濟與科學技術的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械、化肥及農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)輔助資料的使用，對冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率影響顯著，從而說明現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的灌溉水分生產(chǎn)率與科技水平及生產(chǎn)資料投入密切相關。因此，可通過適當加大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中科學技術及輔助性產(chǎn)品的投入來提高冬小麥產(chǎn)量，進而提高冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率。不可控因素中生育期平均降水量雖然存在一定影響，但關聯(lián)度較低，這是因為可根據(jù)降水量的大小對灌溉水量及輔助性產(chǎn)品進行一定的調(diào)整，從而彌補降水量對灌溉水分生產(chǎn)率的影響。而由1.2節(jié)式(1)可知，灌溉用水量(X7)指標與灌溉水分生產(chǎn)率有直接關系，但其影響相對較低是因為單位面積灌溉水量不僅受灌溉工程條件和灌溉管理水平的影響，而且受年降水量和作物種植結構的影響，而文中數(shù)據(jù)表明，生育期平均降水量對灌溉水分生產(chǎn)率影響較大，所以相對來說，灌溉用水量的影響稍微偏弱。同時，灌溉形式、管理模式、水源類型、土壤特性、鹽漬化以及作物種植結構等對灌溉水分生產(chǎn)率的影響還需要進一步研究。綜上，要提高西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率，可通過合理配置農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中輔助性產(chǎn)品的投入比例來實現(xiàn)。

表5 主成分因子載荷矩陣

3 結 論

1) 隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械總動力在持續(xù)增長，輔助性用品中農(nóng)膜用量以及化肥施用折純量逐漸增加，表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中科學技術逐漸成熟；農(nóng)業(yè)從業(yè)人員、農(nóng)藥用量、有效灌溉面積、灌溉用水量在穩(wěn)定下降；不可控因素中生育期平均氣溫、生育期平均降水量以及蒸散發(fā)量變化較大。

2) 2001—2014年，西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率年均值介于1.46～2.33kg/m3之間，整體上呈增長趨勢，年際間波動較大，不同因素的變化都會導致冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率的改變。近年來，冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率有降低的趨勢，這與西安地區(qū)冬小麥有效灌溉面積的大幅減少有關，建議適當減少灌溉用水量，控制有效灌溉面積，使冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率趨于穩(wěn)定。

3) 冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率不僅受單一因素的影響，本文研究發(fā)現(xiàn)，可控因素中的化肥施用折純量、農(nóng)業(yè)機械總動力、農(nóng)膜用量及支農(nóng)支出都對冬小麥的灌溉水分生產(chǎn)率有顯著作用；不可控因素中，生育期平均降水量以及蒸散發(fā)量對冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率影響較小。這說明西安地區(qū)冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率受可控因素的影響明顯大于不可控因素的影響。

4) 提高冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率需要考慮農(nóng)業(yè)科學技術、農(nóng)資產(chǎn)品使用等多個影響因素。因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，可以通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)輔助性產(chǎn)品的投入結構、適當加大對農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟投入及合理使用先進的農(nóng)業(yè)科學技術來提高冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率。