氣候變化對玉米單產的貢獻分析

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1資料與方法

1．1資料

1．1．1氣象資料農業氣象資料主要用于計算玉米的光溫和氣候生產潛力。來源于國家氣象局數據中心，主要包括黑龍江省30個基礎臺站1980—2009年溫度日值與月值資料、降水、相對濕度、風速等的旬值、月值資料。

1．1．2社會經濟數據社會經濟數據主要包括1980—2009年黑龍江省玉米生產的公頃產值（元）、每公頃用工數量（日）、每公頃勞動日工價（元）、每50kg平均出售價格（元）、每公頃種籽秧苗費用（元）、農家肥費（元）、化肥費（元）、畜力費（元）、機械作業費（元）、每公頃化肥用量（kg）、排灌費（元）等數據［14－15］。

1．1．3氣候影響數據利用聯合國糧農組織的AEZ（Agro－ecologicalZone，農業生態區劃）模型，根據溫度、水分、光照數據，結合土地利用數據，計算得出1980—2009年黑龍江光溫生產潛力（kg／hm2）、氣候生產潛力（kg／hm2）。

1．2研究方法

1．2．1生產潛力計算模型光溫生產潛力是指在保持水、肥等相關要素最適宜的狀態下，由光溫條件共同決定的潛在產量，光溫生產潛力被認為是灌溉農業糧食產量的上限。

1．2．2氣候變化對玉米單產貢獻份額分析方法本研究中采用主成分分析的方法分析氣候變化對玉米單產的貢獻份額［16］。步驟如下：1）將原始變量標準化，消除量綱；2）構建標準化之后變量的相關系數矩陣；3）根據方差貢獻率，確定主成分個數及如何求解主成分；4）進行主成分旋轉，使主成分的載荷更加集中，代表的實際意義更加明晰；5）計算主成分值。

2黑龍江省光溫、氣候生產潛力結果

通過上述公式，運用收集到的相關農業氣象數據對逐個站點逐年的光溫生產潛力進行計算，對光溫生產潛力進行降水水分訂正，得到氣候生產潛力。模型運行結果顯示，黑龍江省玉米光溫生產潛力位于10500～15000kg／hm2之間，光溫生產潛力最大的年份是1982年，達到14565kg／hm2，最小的年份是1983年，也達到了10590kg／hm2。從年代來看，上世紀80年代（1980—1989年）光溫生產潛力平均值為11640kg／hm2，90年代（1990—1999）平均為12210kg／hm2，21世紀平均（2000—2009）為12840kg／hm2，以21世紀最高。氣候生產潛力的波動幅度相對較大，普遍位于6000～7500kg／hm2之間，其中2001年的氣候生產潛力最小，僅為5250kg／hm2，而1994年最大，為10560kg／hm2。從年代來看，以21世紀的平均氣候生產潛力最低，為7800kg／hm2，90年代平均最高為9075kg／hm2，80年代平均為8850kg／hm2。從光溫生產潛力和氣候生產潛力的時間變化趨勢可以看出，黑龍江省玉米光溫生產潛力表現為增加趨勢，光溫生產潛力在以每年55．5kg／hm2的速度增加；氣候生產潛力在經過降水有效系數修正后，表現為減少的趨勢，減少速度為每年45．0kg／hm2。這表明在保證灌溉的條件下，氣候變化對黑龍江玉米產量的影響是正向的。在無灌溉條件下，光照、溫度和降雨的綜合作用會使玉米減產；無灌溉條件下減產的幅度要大于有灌溉條件下的增產幅度，原因主要是干旱趨勢逐年的逐年增加。

3．黑龍江玉米生產的影響因素分析

在光溫潛力（X10）、氣候生產潛力（X11）確定的基礎上，選取公頃產值（X1）、每公頃用工數量（X2）、每公頃勞動日工價（X3）、每50kg平均出售價格（X4）、每公頃種籽秧苗費用（X5）、農家肥費（X6）、化肥費（X7）、畜力費（X8）、機械作業費（X9）、每公頃化肥用量（X12）、排灌費（X13）11個有代表性的社會經濟因素進行主成分分析，以進一步驗證氣候要素對黑龍江玉米產量的影響，并定量揭示其影響份額。

3．1氣候變化影響份額分析利用13個變量（X1～X13）在1980－2009年各年份的數值進行主成分分析。KMO統計量等于0．770，Bartlett球形檢驗的p值為0．000。利用相關系數矩陣的特征值及其對總方差的累積貢獻度提取3個主成分，其特征值方差累積貢獻率達到78．36％。用F1、F2、F3表示。對主成分的載荷矩陣進行方差最大化正交旋轉。主成分F1中，公頃產值（X1）、每公頃用工數量（X2）、每公頃勞動日工價（X3）、每50kg平均出售價格（X4）、每公頃種籽秧苗費用（X5）、化肥費（X7）、機械作業費（X9）、每公頃化肥使用量（X12）等變量的載荷絕對值均大于或接近0．6，其他變量在該主成分的載荷絕對值均小于或接近0．3。這些變量是從經濟社會的角度影響黑龍江玉米產量的，因此把此主成分命名為“經濟社會”主成分；主成分F2中，畜力費（X9）和農家肥費（X6）的載荷絕對值大于0．9，其他變量的載荷絕對值均小于或接近0．5。結合數據的年際變化，認為在90年代中期以前，傳統的農家肥和畜力投入對玉米生產有顯著影響，因此將此主成分命名為“傳統投入”主成分；主成分F3中，光溫生產潛力（X10）、氣候生產潛力（X11）和排灌費（X13）的載荷絕對值均大于0．6，其他變量在此主成分上的載荷均小于或接近0．3，將此主成分命名為“氣候變化及應對措施”主成分。對以上3大主成分特征值方差貢獻率的分析表明，F1可以解釋產量變化總方差的50．699％（亦即F1對所有變量提供的方差貢獻之和占總方差的比重），F2可以解釋17．047％，F3可以解釋10．614％。換句話說，剔除良種良法等其他因素影響，從1980－2009年價格、產值、費用等“經濟社會”主成分對黑龍江玉米產量的貢獻份額可以達到50．699％，“傳統投入”主成分貢獻份額達到17．047％；“氣候變化及應對措施”主成分影響份額達到10．614％。進一步對主成分F3的載荷進行詳細分析表明，光溫生產潛力的載荷為0．805，氣候生產潛力（即有降水作用下）的影響為－0．898。可以認為，在氣候影響的10．614％的貢獻率中，光溫是正向作用，降水減少（干旱）是負向作用，負向作用的影響力略大于正向影響力；同時灌溉影響也是正向作用，載荷達到0．642；說明光溫和灌溉疊加抵消了降雨減少的負向作用，對玉米增產起到積極的作用。

3．2各主成分對黑龍江玉米產量影響趨勢采用“標準差標準化法”將X1～X13原始變量標準化后，根據主成分分析“成分得分系數矩陣”，計算3大主成分各個年份得分。采用同樣方法，將黑龍江玉米產量數據也進行標準化，得出產量指數，分析主成分得分年度變化趨勢與產量年度變化趨勢之間的關系。在影響產量的3大主成分中，“經濟社會”主成分的得分逐年增長；“傳統投入”主成分在90年代中期值較大，后期變小，影響力逐漸下降；“氣候變化及應對措施”主成分呈現出波動性，沒有明顯的上升或下降趨勢。與實際生產結合進行分析，經濟社會投入逐年增加，與我國玉米價格增長和生產方式變化有較大關聯，“經濟社會”主成分得分變化與黑龍江玉米產量變化基本上是同步的，并且有明顯的線性相關關系（相關系數達到0．89）；“傳統投入”主成分的影響有明顯的階段性變化，在90年代中期達到最大，隨后受農業機械化及化肥使用量增大影響逐步降低；“氣候變化及應對措施”主成分沒有明顯的階段性變化，在光溫生產潛力增大、氣候生產潛力減小，及人工灌溉的干預下，表現為較強的波動性。

4結論

經過分析，可以得出的初步結論是，近30年來，光照和溫度條件的綜合作用，有利于黑龍江玉米的產量的提高；降雨減少趨勢的增加則要求有充足的、可持續利用的灌溉資源。同時，經濟社會因素仍然是玉米產量最重要的影響因素。傳統的畜力和農家肥在90年代中期發揮著重要作用，但在當前其作用和地位逐步下降。在影響產量的諸多因素中，只有經濟社會因素的影響呈現線性的，氣候影響則規律性不強。對比實際情況，根據中國統計出版社出版的在1980－2010年出版的《中國統計年鑒》數據，從1979年到2009年，黑龍江玉米的產量和種植面積均迅速增加。總產由1979年的581．00萬噸增長到2009年的1920．20萬噸，30年共增長3．3倍，年均增長44．63萬噸。從1979年到2009年，黑龍江玉米種植面積由196．08萬公頃增長到401．02萬公頃，增長2．04倍。同期，黑龍江玉米單產由1979年的3330．00kg／公頃增長到2009年的6328．95kg／公頃，增長1．9倍。從數量來看，面積擴張的速度大于單產提高的速度；實際調研表明，三江平原和松嫩平原北部縣市玉米產量增加幅度最為明顯，這一事實也驗證了由于光溫生產潛力的提高，玉米種植界限向北拓展，對總產提高有著重要影響。本研究首次將光溫潛力的計算結果作為變量放入主成份模型，結合經濟社會數據，評價氣候變化對玉米產量的影響，是一種用應用綜合手段分析氣候變化影響的嘗試。與單個氣候因素納入主成份模型不同的是，多年份潛力的對模型的影響是綜合的，因而作者認為是更可靠的。在今后的研究，還將進一步論證。

作者：尤飛王秀芬李文娟單位：中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所