楊 軍,李高磊,叢建輝,趙永斌,裴彥婧

(1.山西大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,山西 太原 030006;2.山西綠色發(fā)展研究中心,山西 太原 030006)

1 前言

當(dāng)前全球氣候正發(fā)生著以變暖為主要特征的顯著變化,這種變化逐漸影響到人類生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。作為“靠天吃飯”的生產(chǎn)活動(dòng),糧食作物生產(chǎn)受氣候變化影響最為直接,在面對(duì)氣候變化時(shí)極其

脆弱[1-3]。因此,在準(zhǔn)確把握未來氣候變化趨勢(shì)基礎(chǔ)上,厘清氣候變化對(duì)糧食作物產(chǎn)量的影響,對(duì)糧食作物生產(chǎn)更好地適應(yīng)氣候變化、保障糧食安全等具有重要意義。

20世紀(jì)90年代以來,關(guān)于氣候變化趨勢(shì)及其對(duì)糧食作物產(chǎn)量影響的文獻(xiàn)大量增加[4-6]。該領(lǐng)域?qū)儆诘湫偷慕徊鎸W(xué)科方向,以農(nóng)學(xué)研究人員為主的自然科學(xué)界和以經(jīng)濟(jì)學(xué)研究人員為主的社會(huì)科學(xué)界從各自學(xué)科角度出發(fā)進(jìn)行了相關(guān)研究[7,8]。按照區(qū)域范圍劃分差異,現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)氣候變化和糧食作物關(guān)系的研究已經(jīng)覆蓋了我國(guó)整體、次國(guó)家級(jí)區(qū)域和特定省市三個(gè)層次。關(guān)于氣候變化對(duì)我國(guó)糧食作物產(chǎn)量的研究,由于研究方法、時(shí)間尺度、變量選取等方面的不同,不論是在不同學(xué)科之間還是在同一學(xué)科內(nèi)部,學(xué)者們的研究結(jié)論都存在著顯著差異,有的學(xué)者認(rèn)為氣候變化抑制了我國(guó)糧食作物產(chǎn)量增長(zhǎng)[9-11],有的學(xué)者則持相反的觀點(diǎn)[12,13]。但多數(shù)研究證實(shí)氣候變化的影響在次國(guó)家級(jí)區(qū)域間甚至同一區(qū)域不同省市之間具有明顯差異,這與我國(guó)地域廣闊、氣候條件復(fù)雜的現(xiàn)狀相一致[4，14，15]。我國(guó)特定省域和城市研究方面,受制于數(shù)據(jù)獲取的難度增加和相關(guān)測(cè)度模型在小區(qū)域尺度上適用性變?nèi)醯纫蛩?現(xiàn)有研究較為薄弱。代表性文獻(xiàn)主要有:宋佃星等利用滑動(dòng)平均和線性回歸分析了寶雞市近54年的氣候變化趨勢(shì),通過相關(guān)分析方法分析了氣溫上升對(duì)小麥產(chǎn)量的影響[16];朱珠等采用氣候傾向率方法分析了江蘇省1981—2009年的氣候變化趨勢(shì),通過產(chǎn)量趨勢(shì)系數(shù)測(cè)算分析了氣溫、降水等氣象因素對(duì)水稻產(chǎn)量的影響[17];趙國(guó)良等利用天水市1968—2009年的氣象資料,結(jié)合冬油菜的生育期各階段的生長(zhǎng)條件,分析了氣候變化對(duì)天水市冬油菜生長(zhǎng)的影響[18];張榮榮運(yùn)用氣候統(tǒng)計(jì)方法分析了河南省1980—2015年的氣候變化特征,運(yùn)用面板非線性回歸模型探討了氣候變化對(duì)小麥、玉米等糧食作物產(chǎn)量的影響[19]。

綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)來看,當(dāng)前對(duì)氣候變化與糧食作物產(chǎn)量研究取得了豐碩成果,為不同區(qū)域糧食作物適應(yīng)氣候變化提供了良好的理論指導(dǎo)。但現(xiàn)有研究仍存在著兩個(gè)明顯不足:一是多數(shù)研究集中探討氣溫、降水等氣候要素變化對(duì)糧食作物產(chǎn)量的影響,或討論非氣候變化要素對(duì)作物產(chǎn)量的影響,鮮有研究注意到氣候要素與非氣候要素之間交互作用對(duì)作物產(chǎn)量的影響;二是對(duì)特定區(qū)域的研究仍較薄弱且呈現(xiàn)不平衡性,特別是對(duì)山西省這類由平原向高原過渡區(qū)域的研究較為匱乏。

山西省位于我國(guó)黃土高原和太行山地區(qū)，地理座標(biāo)為34°34′—40°44′N、110°14′—114°33′E,總體呈現(xiàn)“兩山夾一川”的地勢(shì),地形條件多樣;南北跨越了溫帶季風(fēng)氣候與溫帶大陸性氣候兩個(gè)氣候帶,氣候條件復(fù)雜;以玉米和小麥為主的糧食作物產(chǎn)值占山西農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的60%以上,是山西省不少地區(qū)(特別是深度貧困地區(qū))農(nóng)民的主要產(chǎn)業(yè)和收入來源。分析山西省的氣候變化趨勢(shì),觀察對(duì)糧食作物產(chǎn)量的影響,不僅有利于山西省實(shí)現(xiàn)種植業(yè)發(fā)展和農(nóng)民增產(chǎn)增收、脫貧致富,也有助于研判我國(guó)由平原到高原過渡地帶和黃土高原典型地形區(qū)氣候變化的脆弱性及其對(duì)糧食作物產(chǎn)量的響應(yīng)。

本文利用山西省1957—2015年近60年的氣象數(shù)據(jù)和1978—2015年的糧食作物產(chǎn)量數(shù)據(jù),使用重標(biāo)極差分析法(Rescaled Range Analysis,R/S分析)對(duì)山西省氣候變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),建立種植業(yè)生產(chǎn)函數(shù)[20]開展實(shí)證分析,研究氣候要素與非氣候要素如何影響糧食作物生產(chǎn),并討論兩者的交互影響對(duì)不同作物單產(chǎn)的效應(yīng),為未來種植業(yè)更好地適應(yīng)氣候變化提供參考。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

氣候變化基本趨勢(shì)估計(jì)模型:氣候傾向率、重標(biāo)極差分析是目前預(yù)測(cè)某一地區(qū)氣候變化趨勢(shì)使用較多的兩種統(tǒng)計(jì)方法[21-23]。其中，氣候傾向率雖然能很好地預(yù)測(cè)氣候變化趨勢(shì),但是無法預(yù)測(cè)未來氣候的冷暖轉(zhuǎn)換,而重標(biāo)極差分析方法可以很好地解決這個(gè)問題。重標(biāo)極差分析法使用過去連續(xù)的氣候要素?cái)?shù)據(jù)對(duì)某一地區(qū)的氣候變化趨勢(shì)做出科學(xué)合理的分析,是分形理論在氣候變化領(lǐng)域的應(yīng)用。該方法通過測(cè)算分形維數(shù)D,利用小時(shí)間尺度范圍的變化規(guī)律來預(yù)測(cè)大時(shí)間尺度范圍的變化。在此基礎(chǔ)上,英國(guó)水文專家赫斯特又提出了Hurst指數(shù),用以度量變化趨勢(shì)的強(qiáng)度。計(jì)算H指數(shù)與分形維數(shù)D值的步驟為:

設(shè)長(zhǎng)度為T的時(shí)間序列,首先將時(shí)間序列{Xi}等分成長(zhǎng)度為n個(gè)(n長(zhǎng)度是W(T/n的整數(shù)部分)連續(xù)的子序列Fd(d=1,2,…,W),每個(gè)子序列中的元素記作Qr,d。

計(jì)算各子序列Fd的平均值Gd:

(1)

計(jì)算Fd偏離子序列平均值Gd的累積離差Xt,d:

(2)

計(jì)算各子序列Fd的極差Rd:

Rd=max1≤t≤n(Xt,d)-min1≤t≤n(Xt,d)

(3)

計(jì)算每個(gè)子序列Fa的標(biāo)準(zhǔn)差Sa:

(4)

用標(biāo)準(zhǔn)差Sa除極差Ra對(duì)不同類型的時(shí)間序列進(jìn)行比較:

(R/S)d=Rd/Sd

(5)

對(duì)以上步驟進(jìn)行重復(fù)操作,可得到一個(gè)重標(biāo)極差序列,計(jì)算其均值:

(6)

將子序列的時(shí)間長(zhǎng)度加1,并不斷重復(fù)上述步驟,當(dāng)n=M/2時(shí)結(jié)束。

(R/S)n=ρhH

(7)

引入被解釋變量ln(R/S)n與解釋變量lnn,利用最小二乘法計(jì)算計(jì)算解釋變量的系數(shù)H,得出的解釋變量的系數(shù)即所求的Hurst指數(shù)H值:

ln(R/S)n=Hlnn+lnρ

(8)

Hurst指數(shù)與分維數(shù)的關(guān)系為:

D=2-H

(9)

H指數(shù)與分維數(shù)D主要分為以下的四種情況:H=0.5、D=1.5,表明過去的變化趨勢(shì)與未來不相關(guān);0.5

氣候變化對(duì)山西省糧食作物產(chǎn)量影響的模型:影響糧食作物產(chǎn)量的因素主要分為氣候要素和非氣候要素，光、熱、水是影響作物產(chǎn)量較明顯的氣候要素，影響作物產(chǎn)量的非氣候要素有農(nóng)村勞動(dòng)人口、灌溉、土地等[20,24]。本文將作物單產(chǎn)作為被解釋變量,日照時(shí)數(shù)、氣溫、降水作為主要的解釋變量,非自然因素作為主要的控制變量引入到模型中。首先構(gòu)建氣候變化對(duì)糧食作物產(chǎn)量影響的基礎(chǔ)模型:

lnYi=a+a1lnS+a2lnTem+a3lnR+a4lnMA+a5lnFE+a6lnLA+a7lnIR+a8lnPA

業(yè)內(nèi)人士分析指出，這一政策將直接惠及海外中小品牌，尤其是日韓品牌。相較于歐美成熟大牌，這些化妝品品牌上新快、頻次高，對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)也更敏捷。

(10)

式中,Yi表示不同作物的單產(chǎn)(i=1,2,3);S、TEM、R分別表示年平均日照時(shí)數(shù)、年平均氣溫、年平均降水量;MA表示機(jī)械投入;FE表示化肥投入;LA表示種植業(yè)勞動(dòng)力投入;IR表示灌溉比;PA表示糧食作物播種面積。

本文首先分析單個(gè)氣候要素及非氣候要素對(duì)糧食作物單產(chǎn)的影響,進(jìn)而探討氣候要素與非氣候要素的交互影響會(huì)對(duì)糧食作物單產(chǎn)產(chǎn)生怎樣的效應(yīng)。氣候要素是作物生長(zhǎng)的必要因素,它不但會(huì)直接對(duì)作物產(chǎn)生影響,而且會(huì)改變化肥、灌溉等非氣候要素的功效,間接影響種植業(yè)單產(chǎn)[25-27]?？紤]氣候要素與非氣候要素的關(guān)聯(lián)效應(yīng)對(duì)作物產(chǎn)量造成的影響,本文提出以下三個(gè)假說,并對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行拓展:假說1——?dú)鉁睾娃r(nóng)田水利灌溉的關(guān)聯(lián)作用會(huì)對(duì)作物單產(chǎn)產(chǎn)生影響。水是旱作農(nóng)業(yè)中關(guān)鍵的因素之一,水對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)潛力影響較大,水源充足,作物的生產(chǎn)潛力較高。由于降水減少,作物生長(zhǎng)期不能滿足作物的水分要求,因此必須利用灌溉水源彌補(bǔ)降水減少造成的不利影響。水、熱條件配合是作物增產(chǎn)的關(guān)鍵因素,氣溫與灌溉的關(guān)聯(lián)作用有利于作物增產(chǎn),但對(duì)不同作物其效果有所區(qū)別。假說2——?dú)鉁嘏c化肥的關(guān)聯(lián)作用會(huì)對(duì)作物單產(chǎn)產(chǎn)生影響。氣溫上升會(huì)加快化肥的分解,釋放氮?dú)舛鴵p傷作物,降低肥效,不利于作物生長(zhǎng)，但化肥總體上會(huì)提供作物生長(zhǎng)所需要的養(yǎng)分,提高單產(chǎn)。不同作物對(duì)化肥的響應(yīng)不同。假說3——降水與化肥的關(guān)聯(lián)作用會(huì)對(duì)作物單產(chǎn)產(chǎn)生影響。化肥的作用主要是通過調(diào)節(jié)土壤的肥力,配合一定的水、熱條件,達(dá)到增產(chǎn)的作用。即化肥會(huì)間接與氣溫、降水發(fā)生交互作用影響作物的單產(chǎn)。氣溫、降水與化肥的關(guān)聯(lián)作用對(duì)作物單產(chǎn)的影響有所不同。

引入氣候要素與非氣候要素的交互項(xiàng)討論對(duì)玉米和小麥這兩種作物單產(chǎn)的影響。引入氣溫和灌溉比的交互項(xiàng),考察兩者的關(guān)聯(lián)效應(yīng)對(duì)作物單產(chǎn)的影響,驗(yàn)證假說1。

lnYi=a+a1lnS+a2lnTem+a3lnR+a4lnMA+a5lnFE+a6lnLA+a7lnIR+a8lnPA+a9lnTem×IR

(11)

引入氣溫和化肥施用量的交互項(xiàng)分析兩者的關(guān)聯(lián)效應(yīng)對(duì)作物單產(chǎn)的影響,以驗(yàn)證假說2。

lnYi=a+a1lnS+a2lnTem+a3lnR+a4lnMA+a5lnFE+a6lnLA+a7lnIR+a8lnPA+a10lnTem×FE

(12)

引入降水和化肥的交互項(xiàng)分析兩者的關(guān)聯(lián)作用對(duì)作物單產(chǎn)的影響,以驗(yàn)證假說3。

lnYi=a+a1lnS+a2lnTem+a3lnR+a4lnMA+a5lnFE+a6lnLA+a7lnIR+a8lnPA+a10lnR×FE

(13)

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的氣象數(shù)據(jù)均來源于國(guó)家氣象數(shù)據(jù)共享中心,鑒于數(shù)據(jù)的完整性,主要使用了分布在山西省11個(gè)地市29個(gè)臺(tái)站的氣象數(shù)據(jù),從中提取了1957—2015年的日照時(shí)數(shù)、氣溫和降水相關(guān)氣象要素的月度數(shù)據(jù)資料,并根據(jù)需要整理成季度數(shù)據(jù)和年度數(shù)據(jù),對(duì)山西省氣候變化進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。本文使用1978—2015年的氣象數(shù)據(jù)與玉米、小麥等糧食作物相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。其中,玉米、小麥等糧食作物相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和相關(guān)年份的《山西統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2.3 變量選取及數(shù)據(jù)說明

資本、勞動(dòng)力和科學(xué)技術(shù)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵影響因素。農(nóng)村人口勞動(dòng)力、機(jī)械等科技水平是影響作物單產(chǎn)的重要因素,土地、化肥、農(nóng)田灌溉等是影響作物生長(zhǎng)的非氣候要素資本,光、熱、水是影響氣候要素的資本。主要影響因素有:①作物單產(chǎn)(Y)。作物單產(chǎn)是最能代表糧食作物生產(chǎn)水平的標(biāo)志之一,不同的作物受各種生產(chǎn)要素的影響不同。首先選取糧食單產(chǎn)作為被解釋變量,分析氣候要素對(duì)山西省整體糧食單產(chǎn)的影響;小麥、玉米是山西省產(chǎn)量占比較高的兩種作物,使用這兩種農(nóng)作物的單產(chǎn)來分析氣候要素對(duì)不同作物的影響。②氣候要素。對(duì)農(nóng)業(yè)影響較大的因素主要是光、熱、水,使用山西省年平均日照時(shí)數(shù)(S)、氣溫(Tem)、降水(R)作為解釋變量。③非氣候要素。除了氣候要素以外,機(jī)械(MA)、化肥(FE)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力(LA)、農(nóng)業(yè)灌溉(IR)、糧食作物播種面積(PA)都對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很大的影響。本文用農(nóng)業(yè)有效灌溉面積占播種面積的比重來反映灌溉對(duì)作物單產(chǎn)的影響。機(jī)械反映農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平,是提高作物單產(chǎn)的重要手段,化肥、農(nóng)田灌溉投入量會(huì)直接影響作物在生長(zhǎng)期的發(fā)育,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力是作物生長(zhǎng)必要的人力資本,糧食作物播種面積可反映種植業(yè)的規(guī)?；?規(guī)?；降母叩鸵矔?huì)對(duì)作物單產(chǎn)產(chǎn)生一定的影響。各變量的描述性統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 變量的描述性統(tǒng)計(jì)

表1可見,玉米單產(chǎn)高于其他農(nóng)作物,但近30年變化不大,糧食和小麥單產(chǎn)的最值之間相差較大,近年來變化較明顯。去除氣候異常年份,日照時(shí)數(shù)、氣溫和降水的最值相差較大。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平提高,農(nóng)業(yè)機(jī)械用電量有明顯增加,化肥施用量變化突出,工業(yè)化發(fā)展使農(nóng)村從業(yè)人口有明顯變化,灌溉與糧食作物播種面積顯著變化。

3 實(shí)證結(jié)果

3.1 氣候變化基本趨勢(shì)估計(jì)結(jié)果

分析山西省四季和年平均日照時(shí)數(shù)的Hurst指數(shù)H與分維數(shù)D(表2):當(dāng)0.5

表2 山西省日照時(shí)數(shù)序列的Hurst指數(shù)與分維數(shù)D

山西省過去各季節(jié)和年平均日照時(shí)數(shù)變化幅度不盡相同(圖1、圖2):春季日照時(shí)數(shù)下降幅度為5.8h/10a,夏季日照時(shí)數(shù)下降幅度為11.6h/10a,秋季日照時(shí)數(shù)下降幅度為6.2h/10a,冬季日照時(shí)數(shù)下降幅度為12.6h/10a,降幅最大,年平均日照時(shí)數(shù)下降幅度為8.5h/10a。由表2可知,秋季的Hurst指數(shù)最大,表明秋季日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)的持續(xù)性最強(qiáng),分維數(shù)D值最小,說明秋季日照時(shí)數(shù)在該時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)最明顯也最簡(jiǎn)單。

圖1 山西省近60年四季平均日照時(shí)數(shù)變化

圖2 山西省近60年平均日照時(shí)數(shù)變化

當(dāng)0.5

表3 山西省氣溫序列的Hurst指數(shù)與分維數(shù)D

山西省春季氣溫平均上升幅度為0.3℃/10a,夏季氣溫上升幅度為0.1℃/10a,秋季氣溫上升幅度為0.2℃/10a,冬季氣溫上升幅度為0.4℃/10a,年平均氣溫上升幅度為0.3℃/10a,冬季氣溫增幅最大(圖3、圖4)。由表3可知,夏季、冬季的Hurst指數(shù)大于春、秋季,表明前者氣溫上升趨勢(shì)的持久性高于后者。夏季分維數(shù)D值最小,說明夏季氣溫在該時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)最明顯和最簡(jiǎn)單。年平均氣溫的Hurst指數(shù)僅次于夏季,表明年平均氣溫升溫趨勢(shì)的持續(xù)性相對(duì)較強(qiáng),未來升溫的趨勢(shì)仍將繼續(xù)。

圖3 山西省近60年四季平均氣溫變化

圖4 山西省近60年年平均氣溫變化

由表4可知,四季和年平均降水過去的增量與未來的增量呈正相關(guān),未來的趨勢(shì)和過去的趨勢(shì)正好相同,降水變化的整體方向?qū)⒗^承過去的趨勢(shì)。從四季和年平均降水的變化趨勢(shì)來看,都呈下降趨勢(shì),該過程變化具有持續(xù)性特征。

表4 山西省降水序列的Hurst指數(shù)與分維數(shù)D

山西省春季降水減少幅度為0.18mm/10a,夏季降水減少幅度為3.95mm/10a,秋季降水減少幅度為0.22mm/10a,冬季降水減少幅度為0.04mm/10a,年平均降水減少幅度為1.08mm/10a(圖5、圖6)。夏季降水減少幅度最大,冬季降水減少幅度最小。表4可知,冬季的Hurst指數(shù)最大,表明冬季的降水下降趨勢(shì)的持久性高于其他季節(jié);夏季分維數(shù)D值最小說明夏季氣溫在該時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)最明顯和最簡(jiǎn)單。年平均降水的Hurst指數(shù)最小,表明年平均降水減少趨勢(shì)的持續(xù)性較弱,降水變化趨勢(shì)在該時(shí)間尺度上較復(fù)雜。近60年來,山西省平均氣溫上升了2.05℃,增溫速率高于全國(guó)平均水平;降水減少了112mm,下降速率快于全國(guó)平均水平[5]。山西省種植業(yè)受災(zāi)面積占種植面積的比例平均為43%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)的26%,反映了處于特殊地理位置下的山西省種植業(yè)適應(yīng)氣候變化能力較弱這一事實(shí)。

圖5 山西省近60年四季平均降水量變化

圖6 山西省近60年平均降水量變化

3.2 氣候變化對(duì)山西省糧食作物產(chǎn)量的影響

主要是:①氣候變化對(duì)山西省小麥種植的影響。山西省的小麥種植集中在運(yùn)城臨汾盆地,中部晉城、晉中有少量小麥種植,晉北地區(qū)幾乎沒有小麥種植。氣溫上升,使冬小麥播期整體呈現(xiàn)向后推遲的趨勢(shì)。冬季生長(zhǎng)期延長(zhǎng),若按照原播種期,麥苗在秋季生長(zhǎng)過旺,不利于安全越冬,即使不被凍死,也會(huì)由于葉片大部分凍枯養(yǎng)分消耗過多而不利于返青后的生長(zhǎng)。山西省中部地區(qū)的冬小麥播期向后推遲大概一周左右,但南部盆地的冬小麥播期并沒有明顯變化。中部冬小麥的越冬期向后推遲,返青和播節(jié)日期有所提前。②氣候變化對(duì)山西省玉米種植的影響。玉米在山西省分布較均勻,但晉南地區(qū)種植最多。玉米生長(zhǎng)對(duì)降水較敏感,受氣候影響較大。近幾年山西省頻發(fā)的極端天氣對(duì)玉米生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響,如2016年晉南地區(qū)的大旱使運(yùn)城、臨汾盆地許多地區(qū)顆粒無收,損失較大。晉城市的玉米種植所需水資源完全來自降水,沒有任何河流灌溉水源,受氣候影響更為明顯。山西中部和北部地區(qū)降水呈減少趨勢(shì),未來玉米種植面積會(huì)逐漸減少。③氣候變化對(duì)山西省作物病蟲害的影響。影響山西省玉米生長(zhǎng)的昆蟲主要是玉米螟,該昆蟲喜濕,并且年氣溫越高,發(fā)生代數(shù)越多。晉南地區(qū)的氣溫高,降水相對(duì)較多,很容易導(dǎo)致玉米螟繁衍,不利于玉米生長(zhǎng);干旱少雨地區(qū)并不適合玉米螟生存,因此中部地區(qū)玉米受玉米螟影響較小;晉北地區(qū)降水較少,氣溫較低,不適合玉米螟生存。小麥蚜蟲是影響山西省小麥生長(zhǎng)的主要病蟲害之一,山西省的小麥蚜蟲主要是麥二叉蚜。小麥蚜蟲喜干怕濕,主要發(fā)生在中部地區(qū)，隨著中部地區(qū)降水減少,小麥種植容易受到麥二叉蚜的影響。本文利用近30年的氣象數(shù)據(jù)和糧食作物相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,討論單個(gè)氣候要素對(duì)糧食作物單產(chǎn)的影響,見表5。

表5 日照時(shí)數(shù)、氣溫、降水對(duì)山西省主要糧食作物產(chǎn)量的影響

注:括號(hào)內(nèi)數(shù)值表示t值;***、**、*分別表示在1%、5%、10%的顯著性水平上顯著。

回歸結(jié)果表明,不同的糧食作物對(duì)各氣候要素變化的響應(yīng)有所不同。整體看,對(duì)糧食單產(chǎn)影響較大的有日照時(shí)數(shù)、播種面積、降水和灌溉比。對(duì)小麥影響較大的要素有氣溫、機(jī)械、化肥施用量和播種面積;玉米受日照時(shí)數(shù)、氣溫、降水、化肥施用量和播種面積影響比較大。日照時(shí)數(shù)對(duì)糧食單產(chǎn)表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系;氣溫對(duì)小麥單產(chǎn)表現(xiàn)為正相關(guān),對(duì)玉米單產(chǎn)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān);降水與糧食單產(chǎn)與小麥單產(chǎn)表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系,與玉米單產(chǎn)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。山西省日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì),對(duì)作物的光合生產(chǎn)潛力會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)效應(yīng),不利于未來的糧食生產(chǎn);氣溫上升有利于小麥增產(chǎn),但對(duì)玉米的生長(zhǎng)不利;降水減少與農(nóng)業(yè)需水量增加之間的矛盾不斷加強(qiáng),水資源日益緊張,不利于糧食作物作物生長(zhǎng);山西省水資源缺乏主要影響了小麥的種植面積與產(chǎn)量,但對(duì)玉米生長(zhǎng)影響不大。非氣候要素投入會(huì)改變氣候要素對(duì)糧食作物單產(chǎn)的影響,所以本文引入氣候要素與非氣候要素的交互項(xiàng)觀測(cè)兩者對(duì)糧食作物產(chǎn)量的交互影響(表6)。

根據(jù)交互項(xiàng)結(jié)果分析可知,氣溫與灌溉的交互項(xiàng)對(duì)山西省糧食單產(chǎn)存在正效應(yīng),對(duì)小麥單產(chǎn)不顯著,對(duì)玉米單產(chǎn)則表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)。這是因?yàn)橛衩椎娜~片較大,氣溫上升會(huì)使其體內(nèi)水分快速蒸發(fā),同時(shí)將養(yǎng)分帶到作物體外,造成養(yǎng)分大量流失,不利于作物生長(zhǎng);小麥的葉片較小,水分蒸發(fā)較少,可將養(yǎng)分留存在體內(nèi),因此灌溉水會(huì)滿足小麥的需水量,提高其產(chǎn)量。氣溫與化肥的交互項(xiàng)對(duì)糧食和玉米單產(chǎn)效應(yīng)為負(fù),對(duì)小麥單產(chǎn)呈正向效應(yīng)。由于玉米的水分蒸發(fā)較快,對(duì)化肥的肥力吸收慢,會(huì)因?yàn)闅鉁厣仙够史纸膺^快產(chǎn)生氮?dú)?損傷作物;小麥保留水分的能力較強(qiáng),化肥可很好地配合水熱條件促進(jìn)小麥增長(zhǎng)。降水與化肥的交互作用對(duì)糧食和玉米單產(chǎn)的作用為負(fù),對(duì)小麥單產(chǎn)的影響為正;玉米的水分流失相對(duì)較快,降水減少使玉米的水熱條件不均衡,無法很好地吸收肥力,反而對(duì)需水量較小、水熱條件較好的小麥生長(zhǎng)有利。以上結(jié)果證明氣候要素與非氣候要素的交互作用會(huì)影響作物單產(chǎn),三個(gè)假說成立。因此,農(nóng)業(yè)適應(yīng)氣候變化亟需調(diào)整非氣候要素的投入力度,以此強(qiáng)化(降低)氣候與非氣候要素的交互正(負(fù))作用。

表6 生產(chǎn)要素的交互作用對(duì)山西省農(nóng)業(yè)的影響

(續(xù)表6)

項(xiàng)目 糧食 小麥 玉米 變量 1 2 3 1 2 3 1 2 3lnTem-0.54*** [-2.91]-0.06* [-1.79]-0.06 [-1.47] 0.13* [1.92] 0.83*** [9.02] 0.88*** [10.55] 0.91** [2.02]-0.08 [-0.96]-0.24*** [-3.65]lnR-0.20*** [-3.40]-0.13** [-1.97]-0.08* [-1.87] 0.10 [0.90] 0.12 [1.03] 0.11 [0.73]-0.16 [-1.21]-0.07 [-0.61] 0.21* [1.77]lnMA 0.11* [1.75] 0.03 [0.46] 0.07 [0.99] 0.57*** [4.39] 0.41*** [3.54] 0.36** [2.56]-0.44*** [-2.82]-0.17 [-0.51] 0.18 [1.64]lnFE 0.103* [1.75] 0.06** [2.41] 0.06** [2.35]-0.22** [-2.13]-0.43*** [-3.28]-0.34*** [-3.23] 0.31** [2.38] 0.82*** [6.43] 0.59*** [7.11]lnLA-0.39 [-1.43] 0.03 [0.15] 0.01 [0.05]-1.07** [-2.02]-0.52 [-1.14]-0.41 [-0.88] 0.81 [1.26] 0.15 [0.34]-0.29 [-0.81]lnIR-1.95*** [-2.94]-0.23** [-2.46]-0.21** [-2.01]-2.99** [-2.29]-0.29 [-1.65]-0.32* [1.71] 3.91** [2.48]-0.21 [-1.22] 0.03 [0.26]lnPA-1.67*** [-8.89]-1.44*** [-7.15]-1.34*** [-6.21]-1.52*** [-4.11]-1.35*** [-3.65]-1.38*** [-3.37]-0.96** [-2.17]-0.92** [-2.52]-0.36 [-1.13]lnTem*IR 1.72** [2.60] 2.75 [0.86] -4.27*** [-2.71]lnTem*FE -0.01** [-2.23] 0.21* [1.74] -0.01*** [-4.61]lnR*FE -0.003* [-1.86] 0.001** [2.15]-0.03*** [-6.84]

注:括號(hào)內(nèi)數(shù)值表示t值;***、**、*分別表示在1%、5%、10%的顯著性水平上顯著;1、2、3分別代表三個(gè)假設(shè)。

4 結(jié)論與政策建議

4.1 結(jié)論

從上文對(duì)山西氣候變化預(yù)測(cè)的實(shí)證結(jié)果來看,日照時(shí)數(shù)、氣溫、降水的Hurst指數(shù)均位于0.5—1的范圍,即未來山西省的氣候變化會(huì)保持與過去一致的趨勢(shì)。其中,降水的D值最大,表明降水的變化趨勢(shì)較為復(fù)雜,整體保持繼續(xù)下降的趨勢(shì),波動(dòng)性較強(qiáng);氣溫的D值最小,表明氣溫變化簡(jiǎn)單,繼續(xù)維持上升的趨勢(shì)。

氣候變化對(duì)山西糧食作物產(chǎn)量影響的實(shí)證結(jié)果表明,山西省日照時(shí)數(shù)減少不利于糧食作物增產(chǎn);氣溫上升不利于整體糧食作物和玉米增產(chǎn),但有利于小麥生長(zhǎng);降水減少不利于整體糧食作物和小麥增產(chǎn),但有利于玉米增產(chǎn)。氣候要素與非氣候要素的交互影響分析顯示,非氣候要素投入會(huì)改變氣候要素對(duì)糧食作物單產(chǎn)的影響,這種影響會(huì)因?yàn)樽魑锏牟煌?。灌溉比的引入?huì)改變氣溫對(duì)糧食單產(chǎn)的負(fù)效應(yīng),與氣溫的交互作用對(duì)小麥單產(chǎn)影響為正,對(duì)玉米單產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生不利影響。氣溫與化肥的交互作用對(duì)糧食和玉米單產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生不利影響,但卻有利于小麥增產(chǎn)。降水與化肥的交互作用對(duì)玉米單產(chǎn)影響為負(fù),但對(duì)小麥增產(chǎn)有利。

4.2 政策建議

本文提出以下建議:①調(diào)整作物品種。山西中部偏北地區(qū)一直使用強(qiáng)冬性冬小麥品種,隨著冬季氣溫的上升,可引入弱冬性品種,將晉南地區(qū)的強(qiáng)冬性品種調(diào)整為弱冬性品種。但不能過度削弱品種的冬性,盡管冬季氣溫有所上升,但總體氣溫仍較低,冬性較弱會(huì)使作物無法平安過冬。對(duì)玉米等短日照作物選擇生育期較長(zhǎng)的品種進(jìn)行栽培,充分利用當(dāng)?shù)氐墓鉄豳Y源,發(fā)揮生育期較長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì);小麥應(yīng)選擇對(duì)日照時(shí)數(shù)反應(yīng)較遲鈍的弱冬性品種。推廣半精量播種技術(shù),避免大面積播種栽培方式,增加田間的透光性,調(diào)整農(nóng)作物大棚的位置和塑膜的透光性,重視人工光照等技術(shù)的推廣與應(yīng)用。谷子和豆類等作物是山西省的優(yōu)勢(shì)作物,因此應(yīng)提高平原、盆地地區(qū)以小麥、玉米為主的糧食作物產(chǎn)量。同時(shí),利用谷子耐旱耐熱的優(yōu)點(diǎn),在干旱缺水的山區(qū)保持一定的種植面積,推廣雜交谷子。②加強(qiáng)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè),調(diào)整灌溉、化肥等投入。針對(duì)降水不均勻的氣候現(xiàn)狀,建立蓄水設(shè)施以保證作物不同時(shí)期的需水量,減少玉米的化肥和灌溉投入,增加對(duì)小麥的化肥投入,選育耐熱的作物品種和種類。隨著氣溫升高,適當(dāng)減少對(duì)玉米的化肥、灌溉投入,充分利用氣溫上升帶來的正向效應(yīng)促進(jìn)玉米增產(chǎn),向北擴(kuò)種,進(jìn)一步壓縮晉北的春小麥種植面積。增加小麥的化肥投入,配合小麥較好的水熱條件提高其單產(chǎn)。③加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境綜合治理等農(nóng)業(yè)生態(tài)工程建設(shè),增強(qiáng)農(nóng)業(yè)種植業(yè)適應(yīng)氣候變化的物質(zhì)基礎(chǔ)和能力。促進(jìn)土地流轉(zhuǎn)和適度規(guī)模經(jīng)營(yíng),推進(jìn)農(nóng)村合作經(jīng)濟(jì)組織的發(fā)展,推進(jìn)地方農(nóng)業(yè)的統(tǒng)一化管理,及時(shí)對(duì)氣候變化造成的影響做出反應(yīng),調(diào)整農(nóng)業(yè)種植規(guī)模和種植布局等,減少協(xié)調(diào)交易成本。