鄒芷瀟,程昌秀※,沈 石
(1.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;2.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875;3.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875)
糧食安全是一個(gè)國際性的難題。中國作為農(nóng)業(yè)和人口大國,隨著人口增長,糧食安全問題日益凸顯。在我國四大主糧中,水稻是主要“口糧”,水稻種植占有重要地位,從事水稻生產(chǎn)的農(nóng)戶接近農(nóng)戶總數(shù)的50%,近70%的地區(qū)水稻產(chǎn)量在增加[1]。東北地區(qū)一直是我國最大的商品糧基地,由于氣候變化等因素,我國水稻種植和產(chǎn)量的重心都在向東北方向移動(dòng),而近20年來東北地區(qū)的水稻種植生產(chǎn)發(fā)生了明顯的變化,尤其是三江平原。2005年以來水稻逐漸代替大豆成為該地區(qū)最主要作物種植類型[2,3]。因此,深入分析三江平原水稻產(chǎn)量的影響因素,有助于制定該區(qū)域水稻生產(chǎn)和耕地保護(hù)政策,對保障我國未來糧食安全有著重要意義。
目前,三江平原水稻產(chǎn)量影響因素研究基本集中在2009年以前。方修琦等估算了20世紀(jì)70—90年代黑龍江省氣候變暖對水稻產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率[4];王媛等利用1986—2000年黑龍江的氣象和水稻數(shù)據(jù)得到黑龍江水稻總產(chǎn)量增產(chǎn)中29%~57%是由氣候變暖引起的[5]。藺濤等分析了1986—2000年黑龍江省氣候變化對糧食生產(chǎn)的影響[6];Zhou等采用相關(guān)分析探究了1960—2009年氣象因素變化對黑龍江水稻產(chǎn)量變化的關(guān)系[7]。在東北地區(qū)氣候變暖的增幅加劇和“黑土耕地保護(hù)三年行動(dòng)計(jì)劃”的背景下,三江平原的社會經(jīng)濟(jì)及氣象條件發(fā)生了變化,近年來三江平原水稻產(chǎn)量影響因素的研究值得探討,目前系統(tǒng)、定量的相關(guān)研究相對較少。
水稻產(chǎn)量受氣象因素和社會經(jīng)濟(jì)因素共同影響,然而已有研究未能定量刻畫氣象因素和社會經(jīng)濟(jì)因素對三江平原水稻產(chǎn)量的影響[5,7]。目前已有研究分析氣象因子和三江平原水稻產(chǎn)量的關(guān)系,同時(shí)不少學(xué)者也從全國、地區(qū)、省域等不同尺度揭示了社會經(jīng)濟(jì)對于水稻產(chǎn)量的影響不同[8-10]:藺濤等發(fā)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)因素對黑龍江省糧食生產(chǎn)有影響[6],但綜合考慮氣象和社會經(jīng)濟(jì)因素對三江平原水稻產(chǎn)量影響影響的研究鮮有。因此需要系統(tǒng)深入分析三江平原氣象因素和社會經(jīng)濟(jì)因素對水稻產(chǎn)量的綜合影響非常重要。
目前,綜合分析氣象和社會經(jīng)濟(jì)因素對糧食產(chǎn)量影響的前提是:將糧食產(chǎn)量分解為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、氣候產(chǎn)量和隨機(jī)誤差[11],大多將經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量看做是隨時(shí)間變化的函數(shù),被認(rèn)為是有時(shí)間變量決定的產(chǎn)量變化趨勢,少有學(xué)者使用經(jīng)濟(jì)學(xué)模型對水稻產(chǎn)量進(jìn)行分離。不少學(xué)者用一元線性回歸[12],二次函數(shù)[13]、多年滑動(dòng)平均[14]、指數(shù)滑動(dòng)平均[15]、Logistics函數(shù)[16,17]、Gompertz曲線[18]或HP濾波法[19]等來擬合經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,但是傳統(tǒng)回歸擬合得到的函數(shù)無法解釋其中經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量得到的機(jī)理[4,6,20]。采用具有較高的可解釋性經(jīng)濟(jì)學(xué)模型——柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)來計(jì)算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,并得到不同社會經(jīng)濟(jì)因素對于產(chǎn)量的影響。在總產(chǎn)量剝離出經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量后,則得到圍繞該趨勢的上下波動(dòng)產(chǎn)量,其被認(rèn)為是由不可控的自然因素(主要是氣象因素)影響的氣象產(chǎn)量[21],并利用Lasso回歸模型分析各市氣象因素對于水稻產(chǎn)量的影響。
文章利用1988—2018年三江平原各市的水稻作物產(chǎn)量、氣象數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),采用經(jīng)濟(jì)學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[22,23],從定量分析的角度分析氣象因素和社會經(jīng)濟(jì)因素對三江平原水稻產(chǎn)量影響,為預(yù)測未來氣候變化對水稻產(chǎn)量的影響提供支撐,對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及減少未來糧食安全風(fēng)險(xiǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。
三江平原位于黑龍江省的東北部,三江平原是由黑龍江、烏蘇里江和松花江三江沖積而成的沃土,總面積為108.9萬km2,包括佳木斯市、鶴崗市、雙鴨山市、七臺河市、雞西市所屬的21個(gè)縣(市)和牡丹江市所屬的穆棱市、哈爾濱市所屬的依蘭縣。該研究主要研究的是佳木斯市、鶴崗市、雙鴨山市和雞西市(圖1),占整個(gè)三江平原的絕大部分面積。三江平原屬于溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),生長季平均日均氣溫17~20℃,10℃以上活動(dòng)積溫2 500~3 000℃,生長季平均總降水量400~600mm,降水主要集中在夏秋兩季。其夏季雨熱同期的特點(diǎn)和土壤肥力較高的特點(diǎn)均利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
圖1 三江平原研究區(qū)
研究數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)。
氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),獲取了1988—2018年三江平原內(nèi)鶴崗、佳木斯、雙鴨山、七臺河和雞西5個(gè)地市的日尺度的氣象觀測數(shù)據(jù),氣象指標(biāo)5類10個(gè)指標(biāo),包括生長季(5—9月)的總降水量、平均日最高氣溫、平均日最低氣溫、日平均氣溫、平均日照時(shí)數(shù)、平均日相對濕度、日平均相對濕度小于等于70%的天數(shù),1988—2018年各個(gè)市10℃以上活動(dòng)積溫通過五日滑動(dòng)平均法計(jì)算得到。
從各市的統(tǒng)計(jì)年鑒獲取了1988—2019年三江平原內(nèi)鶴崗、佳木斯、雙鴨山、七臺河和雞西的單位面積勞動(dòng)力投入(人/hm2),農(nóng)村用電量(kW·h/hm2),單位面積化肥施用量(折為純量,t/hm2),單位面積農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入(元/hm2)。水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自于各市的統(tǒng)計(jì)年鑒,為1988—2018年各市市級單產(chǎn)數(shù)據(jù)。水稻生長季通常為每年5—9月。
水稻生產(chǎn)過程是社會經(jīng)濟(jì)因素和自然因素相互作用的結(jié)果。因此,水稻產(chǎn)量(Y)通常被視為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(Yt)、氣候產(chǎn)量(Yc)和隨機(jī)誤差(e),如式(1)所示。若要研究氣象變化對水稻產(chǎn)量的影響,首先要分離出來水稻的經(jīng)濟(jì)(趨勢)產(chǎn)量,獲得由自然因素決定的氣象產(chǎn)量,由于其受氣象波動(dòng)影響,也稱為波動(dòng)產(chǎn)量。
式(1)中,Y為水稻總產(chǎn)量(t/hm2),Yt為經(jīng)濟(jì)(趨勢)產(chǎn)量(t/hm2),Yc為氣象(波動(dòng))產(chǎn)量(t/hm2)。
該文采用了具有較高的可解釋性經(jīng)濟(jì)學(xué)模型——柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù),來計(jì)算經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,并得到不同社會經(jīng)濟(jì)因素對于產(chǎn)量的影響,公式為:
式(2)中,l為單位面積勞動(dòng)力投入(人/hm2),k為單位面積農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入(元),a為農(nóng)村用電量(kW·h/hm2),b為單位面積化肥施用量(t/hm2)。
當(dāng)計(jì)算出Yt以后,就能通過式(1)計(jì)算得到氣象產(chǎn)量Yc。
該文采用Lasso回歸模型,其本質(zhì)是是以縮小變量集(降階)為思想的壓縮估計(jì)方法。它通過構(gòu)造一個(gè)懲罰函數(shù),可以將某些不重要變量的系數(shù)進(jìn)行壓縮并使某些回歸系數(shù)變?yōu)?,保留重要的解釋變量,進(jìn)而達(dá)到變量選擇和參數(shù)估計(jì)的目的。該方法也有利于解決多重共線性的問題。假設(shè)因變量氣候產(chǎn)量Yc=(yc1,yc2,…,ycn)',n=1,2,…,31,β=(β1,β2,…,βj)',j=1,2,…,5,考慮線性模型為:
Lasso回歸的參數(shù)估計(jì)通過式(3)得到,λ為正則化參數(shù)。式(5)的求解可以轉(zhuǎn)化為帶有懲罰項(xiàng)的優(yōu)化問題。公式為:
Lasso影響系數(shù)βj表示氣象因素對于水稻產(chǎn)量的影響大小,而標(biāo)準(zhǔn)化Lasso影響系數(shù)βsd,j則可以用來比較不同氣象因素對于水稻產(chǎn)量的相對重要性的大小。兩個(gè)指標(biāo)相互轉(zhuǎn)換的公式為:
式(6)中,sdyc表示氣候產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)差,sdj表示氣象因素的標(biāo)準(zhǔn)差。
該文利用了經(jīng)濟(jì)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識,以三江平原水稻產(chǎn)量為研究對象,采用了柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)和Lasso回歸模型,分析了社會經(jīng)濟(jì)和氣象因素對于水稻產(chǎn)量的影響?;谝陨涎芯績?nèi)容,工作流程如圖2所示。
圖2 工作流程
通過柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)式(2)擬合水稻產(chǎn)量和社會經(jīng)濟(jì)因素的關(guān)系,得到三江平原地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)因素對水稻產(chǎn)量的影響,公式為:
擬合后得到的調(diào)整后的R2為0.625 6,且所有參數(shù)均通過置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn)。式(7)表明:①單位面積農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入和農(nóng)村用電量的單位面積增產(chǎn)效應(yīng)比較明顯。農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入的彈性系數(shù)為0.357 4,表示農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入增加10%,水稻產(chǎn)量將增長3.574%。農(nóng)村用電量的彈性系數(shù)為0.484 1,表示如果農(nóng)村用電量增加10%,水稻產(chǎn)量將增長4.841%。②單位面積勞動(dòng)力投入和化肥使用量對水稻產(chǎn)量的負(fù)向影響。勞動(dòng)力投入的彈性系數(shù)為-1.593 7,表示如果勞動(dòng)力投入減少10%,水稻產(chǎn)量將增加15.937%?;适┯昧咳氲膹椥韵禂?shù)為-0.483 6,表示化肥施用量增加10%,水稻產(chǎn)量將減少4.836%。單位面積勞動(dòng)力投入減少,反而產(chǎn)量增加,原因可能是與規(guī)模化生產(chǎn)和農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移相關(guān)[24,25]。單位面積化肥施用量對于水稻單產(chǎn)的負(fù)向影響可能是我國在東北地區(qū)實(shí)行“黑土耕地保護(hù)三年行動(dòng)計(jì)劃”,積極推行化肥減量,增加有機(jī)肥施用導(dǎo)致的[26]。
單位面積農(nóng)村用電量和農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入對于水稻產(chǎn)量有效應(yīng)。這可能是由于機(jī)械化程度的加大導(dǎo)致農(nóng)村用電量增加,農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)的大量投入推動(dòng)了技術(shù)進(jìn)步,最終提升了產(chǎn)量。因此,提高機(jī)械化水平、加大科研投入和技術(shù)創(chuàng)新是提高水稻產(chǎn)量的有效途徑。
農(nóng)用化肥施用量和勞動(dòng)力投入對水稻產(chǎn)量具有負(fù)效應(yīng)。對于農(nóng)業(yè)化肥的負(fù)效應(yīng),麻坤等也提出了類似的發(fā)現(xiàn):繼續(xù)增加化肥用量可能無法實(shí)現(xiàn)糧食的增產(chǎn)[27],樓宇濤等通過試驗(yàn)揭示了化肥的負(fù)效應(yīng),即雖然減少了化肥的用量,但增加有機(jī)肥的用量,導(dǎo)致水稻增產(chǎn)[26]。此外,造成勞動(dòng)力投入負(fù)效應(yīng)的原因可能是:一方面,規(guī)?;a(chǎn)和集約化經(jīng)營會解放一部分勞動(dòng)力,導(dǎo)致勞動(dòng)力投入的減少,但是由于機(jī)械化水平提升水稻產(chǎn)量增加;另一方面,農(nóng)村勞動(dòng)力向非農(nóng)部門轉(zhuǎn)移,使得非農(nóng)收入增加,則被用于生產(chǎn)的支出增加,即通過購買更加優(yōu)良的水稻品種或雇用機(jī)械來從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn),從而有助于水稻產(chǎn)量的增加[25,28]。建議合理施肥提升水稻產(chǎn)量。
利用Lasso回歸分析建立了生長季(5—9月)的總降水量、平均日最低氣溫、平均日照時(shí)數(shù)、平均日相對濕度均與水稻產(chǎn)量的關(guān)系,得到各因素的標(biāo)準(zhǔn)化Lasso影響系數(shù),如圖3所示,不同氣象因素對水稻產(chǎn)量有著不同的影響:生長季平均日照時(shí)數(shù)和生長季平均日最低氣溫的標(biāo)準(zhǔn)化Lasso影響系數(shù)主要集中在正值部分,生長季平均日相對濕度和生長季總降水量的標(biāo)準(zhǔn)化Lasso影響系數(shù)主要集中在負(fù)值部分。
圖3 不同氣象因素的Lasso影響系數(shù)的小提琴圖
根據(jù)圖3可知,生長季平均日照時(shí)數(shù)對水稻產(chǎn)量有正向影響,生長季平均日照時(shí)數(shù)的增加會使得水稻光合生產(chǎn)能力升高[29],從而影響結(jié)實(shí)率和千粒重,有利于提高水稻產(chǎn)量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)和非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的關(guān)系式(6),將標(biāo)準(zhǔn)化Lasso影響系數(shù)轉(zhuǎn)換為Lasso影響系數(shù),得到三江平原各市Lasso影響系數(shù),雞西受生長季平均日照時(shí)數(shù)的影響最大,生長季平均日照時(shí)數(shù)每增加1h,雞西市水稻年產(chǎn)量增加9.226萬t,有可能因?yàn)殡u西有較好的水熱條件,生長季日照時(shí)長的增加更有利于水稻的生長。
根據(jù)圖3可知,大部分地區(qū)的生長季平均日最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)化Lasso影響系數(shù)均處于正值,說明生長季平均日最低氣溫對水稻產(chǎn)量有正向影響,是因?yàn)橐归g增溫可以明顯提高水稻地上總生物量和水稻籽粒產(chǎn)量[30],從而增加水稻產(chǎn)量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)和非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)的關(guān)系式(6)得到,鶴崗受最低氣溫影響最大,平均日最低氣溫每升高1℃,鶴崗市水稻年產(chǎn)量增加26.099萬t??赡苁且?yàn)辁Q崗處于低溫冷害的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[31],生長季的低溫易導(dǎo)致冷害的發(fā)生,因此提高最低氣溫,減少低溫冷害的發(fā)生率,更有利于鶴崗水稻增產(chǎn)。
根據(jù)圖3可知,大部分地區(qū)的生長季平均日相對濕度標(biāo)準(zhǔn)化Lasso影響系數(shù)均處于負(fù)值,生長季平均日相對濕度對水稻產(chǎn)量有負(fù)向影響。一方面,較高的大氣濕度會增加水稻的空粒數(shù),降低水稻的實(shí)粒率[32,33],從而影響水稻產(chǎn)量的提高,且濕度與溫度之間是相互影響的,濕度高通常會使溫度降低,而溫度降低也會影響水稻產(chǎn)量的提高[34]。另一方面,群體濕度降低可能對抑制水稻病蟲害有一定的作用[35]。
根據(jù)圖3可知,大部分地區(qū)的生長季總降水量標(biāo)準(zhǔn)化Lasso影響系數(shù)均處于負(fù)值,生長季總降水量對于三江平原大部分地區(qū)水稻產(chǎn)量具有負(fù)向影響,可能是因?yàn)樗鹃_花期降水與水稻空殼率和秕谷率呈顯著正相關(guān)[36],降水過多,特別是水稻處于開花授粉階段時(shí),如遇暴雨沖刷,水稻在生長季內(nèi)的授粉結(jié)實(shí)階段會受到很大影響[29]。同時(shí),根據(jù)圖3所示,總體來說,對比其他氣象因素,生長季總降水量對于水稻產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)化Lasso影響系數(shù)最小,說明生長季總降水量對于三江平原水稻產(chǎn)量的影響較小。
綜上所述,建議可以適當(dāng)?shù)厝斯ぴ黾由L季的光照時(shí)間和加強(qiáng)冷害防治對提高水稻產(chǎn)量有重要意義,同時(shí),可以在空氣濕度相對較高的地區(qū)減少水分灌溉,以提高水分利用率,并且做好強(qiáng)降雨的應(yīng)對措施對提高水稻產(chǎn)量也具有非常重要意義。
該文基于1988—2018年中三江平原各市氣象數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和水稻數(shù)據(jù),利用經(jīng)濟(jì)學(xué)模型——柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)分析社會經(jīng)濟(jì)因素水稻產(chǎn)量的影響,并建立各市Lasso回歸模型分析氣象因素對水稻產(chǎn)量的影響,得到的結(jié)論如下。
(1)單位面積農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入和農(nóng)村用電量的單位面積增產(chǎn)效應(yīng)比較明顯。農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入表征技術(shù)進(jìn)步,農(nóng)村用電量表征的是機(jī)械化程度。因此政府部門應(yīng)該要提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平,加大農(nóng)業(yè)科研投入和技術(shù)創(chuàng)新,加速農(nóng)業(yè)科技發(fā)展與推廣。
(2)單位面積勞動(dòng)力投入和單位面積化肥使用量對水稻產(chǎn)量的負(fù)向影響,這是與前人研究有所不同的。單位面積勞動(dòng)力投入減少,反而水稻產(chǎn)量增加,有可能與規(guī)?;a(chǎn)和農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移有關(guān)?;适┯昧繉τ谒締萎a(chǎn)的負(fù)向影響可能是我國在東北地區(qū)實(shí)行“黑土耕地保護(hù)三年行動(dòng)計(jì)劃”,積極推行化肥減量,增加有機(jī)肥施用導(dǎo)致的。建議可以通過合理施肥提升水稻產(chǎn)量。
(3)生長季平均日照時(shí)數(shù)對水稻產(chǎn)量有正向影響。生長季平均日照時(shí)數(shù)增加會提高水稻光合生產(chǎn)能力,從而影響結(jié)實(shí)率和千粒重,利于水稻產(chǎn)量的形成。建議可以適當(dāng)?shù)厝斯ぴ黾庸庹諘r(shí)間。
(4)生長季平均日最低氣溫對水稻產(chǎn)量有正向影響。由于夜間增溫明顯提高水稻地上總生物量和水稻籽粒產(chǎn)量,從而增加水稻產(chǎn)量。因此,加強(qiáng)冷害防治對提高水稻產(chǎn)量具有非常重要意義。
(1)在社會經(jīng)濟(jì)因素的選擇上,盡管該文考慮了單位面積勞動(dòng)力投入、單位面積農(nóng)業(yè)科研經(jīng)費(fèi)投入等社會經(jīng)濟(jì)因素的影響,但由于政策變化因素難以進(jìn)行量化,未能考慮到政策變化對于水稻產(chǎn)量的影響。為此,未來可以根據(jù)不同時(shí)間的政策變化來研究不同政策變化對水稻產(chǎn)量的影響。
(2)在氣象指標(biāo)的選取上,該文雖然采用了水稻生長季內(nèi)的日平均氣象數(shù)據(jù)(如日平均氣溫等)或者日總氣象數(shù)據(jù)(如:日總降水量),但是仍然忽略了水稻生長季的不同生育階段(如開花期、抽穗期)會對水稻產(chǎn)量的影響是不一樣的,同時(shí)還未考慮一些異常值(生長季內(nèi)的極端高溫、極端低溫)對水稻產(chǎn)量的影響。因此,未來可以研究水稻不同生育階段氣象因素對水稻產(chǎn)量的影響,還可以通過構(gòu)建干旱或者高溫冷害指標(biāo)來考慮一些極端氣候?qū)λ井a(chǎn)量的影響。
(3)在水稻品種的數(shù)據(jù)上,受到數(shù)據(jù)收集的限制,并沒有將水稻細(xì)分為早、中、晚和粳稻來展開研究,實(shí)際上社會經(jīng)濟(jì)和氣象因素可能會對不同水稻品種產(chǎn)量有著不同的影響。若在今后的研究中,在數(shù)據(jù)可獲取的條件下,可以針對不同水稻品種來研究其影響因素,有助于更加全面了解水稻生產(chǎn)的影響因素。