氣候變化對我國棉花產量的影響
——基于C-D-C模型的實證分析

王太祥， 董舒婷

(石河子大學經濟與管理學院，新疆石河子 832000)

以增溫為主要特征的氣候變化問題是世界各國政府、學術界及社會公眾廣泛關注的焦點問題。1880—2012年全球平均地溫升高0.85 ℃，1951—2012年全球地溫升溫速率是1880年以來升溫速率的2倍[1]。我國氣候變化情況與全球氣候變化趨勢基本一致，《第二次氣候變化國家評估報告》指出，近100年我國地溫年均升高0.5～0.8 ℃。與氣候息息相關的農業生產領域受氣候變化的影響更為直接，氣候變化勢必會對農作物自然生長造成影響，進而影響作物生產。研究表明，氣候變化對農業生產的不利影響已經顯現[2]，嚴重沖擊了我國農業生產領域，制約我國農業生產可持續發展[3]。氣候變化易使水資源供需矛盾尖銳化，引發干旱、洪澇等極端氣候事件，加重農業病蟲害[4]，致使農作物產量受影響。據統計，截至2030年，氣候變化可能導致我國種植業產量減少5%～10%；至21世紀后期，小麥、水稻、玉米等主要糧食作物產量最大可減少37%[5]。

我國有200多個縣的財政收入、2億農民的經濟來源、1 000 多萬紡織工業和棉花流通領域的勞動力與棉花產業息息相關[6]。而全球氣候變化對棉花生產是利還是弊，目前尚存在爭論。Hebbar等利用大氣環流模式和棉花生長季模型相結合的方法，研究了氣溫變化對印度棉花產量的影響，認為平均氣溫上升會降低棉花的產量[7]；Assad等利用棉水平衡模型，研究了氣溫變化對巴西棉花產量的影響，認為氣溫升高將不利于巴西棉花的種植[8]。氣候變化對不同地區棉花生產的影響存在顯著差異，李迎春等基于1961—2007年新疆北疆棉區氣象資料，采用氣候趨勢系數等方法分析發現，棉花生長季平均氣溫升高、降水增多、日照時數減少等氣候條件的變化對棉花生產的影響以有利為主[9]；而岳偉等利用1961—2010年的氣象數據，采用線性趨勢法和Mann-Kendall非參數檢驗法研究發現，氣候變化不利于安徽沿江地區棉花的增產[10]。

顯然，僅從氣候變化或要素投入、技術進步的視角來研究棉花生產有失偏頗。為了有效地揭示氣候變化對我國棉花產量的影響，在要素投入和技術進步的基礎上，本研究借鑒以往研究結果，利用我國9個棉花主產省份1988—2015年的面板數據，基于C-D-C模型(經濟-氣候新模型)，引入積溫、降水以及日照時間3個氣候變量，探究氣候變化及其3個維度對我國棉花產量的影響，并探討在不同區域氣候變化對該區域棉花產量的影響。

1 模型構建與數據說明

1.1 模型構建

棉花產量受諸多因素的綜合影響，它是自然條件、社會資本投入共同作用的過程，不僅受到氣候因素與要素投入的影響，還要受技術進步的影響。因此，為探究氣候變化對棉花產量的影響，理論模型設定如下：

Y=(X,C,TE)。

(1)

式中：Y表示棉花產量；X表示一系列的土地、化肥、機械等要素投入；C為積溫、降水量、日照時間等氣候變量；TE為反映技術進步的變量。

基于理論模型(1)，代入解釋變量積溫、降水量、日照時間、棉花種植面積、化肥投入、農業機械投入、技術進步及被解釋變量棉花產量，建立模型(2)，具體為

lnYit=α0+b1ln(ATit)+b2ln(RFit)+b3ln(ITit)+b4ln(ACit)+b5ln(FTit)+b6ln(AMit)+b7TE+λit。

(2)

式中：i和t代表第i省的第t年份；Yit表示棉花產量；ATit表示棉花生長期的積溫；RFit表示棉花生長期的降水總量；ITit表示棉花生長季節的日照時間總量；ACit表示棉花種植面積；FTit表示棉花生產的化肥投入；AMit表示棉花生產的農業機械投入；λit為隨機擾動項；α0為常數項；b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7為回歸系數。

由于不同區域氣候條件存在差異，氣候因素對不同區域棉花產量的影響程度也可能有所不同。因此在模型(2)的基礎上，將全國9個棉花主產省分為3個片區分別進行回歸，具體分為黃河中下游棉區、長江中下游棉區、西北內陸棉區。將研究整體按照地理方位劃分為三大棉區來探究氣候變化對不同區域棉花產量的影響有助于更細致地觀察氣候變化的區域影響效應。

1.2 數據來源及變量處理

1.2.1 數據來源 除青藏高原和黑龍江省受熱量條件限制不能植棉外，棉花在我國廣泛種植，全國有產量統計的省區達24個。按照種植區的形成現狀及地理、地貌類型，劃分為西北內陸、長江中下游以及黃河中下游三大棉區。本研究選擇新疆、山東、河北、湖北、安徽、江蘇、河南、江西、甘肅等9個棉花種植省份作為研究對象，引入氣候變化因素，考察氣候變化對我國棉花產量的影響。

本研究涉及的氣候數據來源于中國氣象數據網；棉花投入產出數據來源于國家統計局所編的《中國統計年鑒》、農業部所編的《中國農業年鑒》及各省所編的省級統計年鑒。

1.2.2 主要變量處理 參考部分學者的做法[11]，本研究對部分變量做如下處理：化肥投入(FT)以研究區域當年種植棉花所施用的化肥總量(×102t)表示，計算方法如下：FT=化肥施用量×(棉花播種面積/農作物播種面積)。農業機械投入(AM)以每個省棉花生產所用農業機械動力(×103kW·h)投入表示，計算公式為AM=農業機械總動力×(棉花播種面積/農作物播種面積)。積溫(AT)以每個棉花主產省的主要棉花生產區的棉花生長季(一般為4—10月)積溫(℃)表示，積溫計算公式為AT=∑max(0,Ti-Tb)，其中，Ti為第i天的日均氣溫，Tb為棉花的生物學下限溫度，本研究取 10 ℃。降水量(RF)以每個棉花主產省的主要棉花生產區的棉花生長季節降水總量(mm)表示。日照時間(IT)以每個棉花主產省主要棉花生產區棉花生長季日照時間(h)表示。技術進步(TE)是由棉花單產本期數與基期數的比值系數反映，以1988年為基期，計算公式為

(3)

式中：ti為第i個省t年。

2 實證模型分析結果

2.1 模型設定檢驗

本研究運用stata14.0軟件，對模型進行相關檢驗，結果如表1、表2顯示。Kao檢驗結果表明在1%顯著性水平下拒絕不存在協整性關系的原假設，說明模型各變量間存在協整關系，模型不存在偽回歸情況。Hausman檢驗結果表明，模型在1%顯著性水平下拒絕隨機效應模型，選擇固定效應模型。Wooldridge檢驗、Pesaran檢驗、Modified Wald檢驗結果表明，在1%顯著性水平下拒絕不存在組間相關性、組間異方差的原假設，接受不存在組內相關性的原假設，即模型存在組間相關性及組間異方差。最后，對面板數據模型進行內生性檢驗，為了克服可能存在的內生性問題造成的估計偏誤，使用工具變量(滯后1期和滯后2期的原變量)來對模型進行內生性檢驗。根據DHW檢驗結果顯示，在1%顯著性水平下拒絕了技術進步這一變量為外生變量的原假設，即技術進步存在內生性問題。

表1 模型設定檢驗結果

表2 模型內生性檢驗結果

2.2 實證結果分析

本研究選用省級面板數據，它的優勢在于面板數據能反映個體存在的異質性，即時間、空間上的抑制效應，顯著提高樣本自由度，使參數估計結果更為準確。綜合考慮面板模型相關檢驗結果，采用工具變量法2SLS(兩階段最小二乘法，two stage least square)進行估計，具體估計結果見表3。

由表3可知，模型結果總體上較好，擬合優度r2為 0.738 1，說明研究區域棉花產量影響因素方程的解釋能力為73.81%，即氣候變量與控制變量(棉花種植面積、農業機械投入、化肥投入、技術進步)能夠對棉花產量的73.81%做出解釋。氣候變量中，積溫的顯著性水平為1%，方向為正；降水量、日照時間的顯著性水平分別為1%、5%，且方向均為負。控制變量中，化肥投入、種植面積通過顯著性檢驗，顯著性水平分別為1%、5%，方向均為正；農業機械投入、技術進步未通過顯著性檢驗。

2.2.1 積溫對棉花產量的影響 從模型結果可以看出，棉花生長季積溫在1%水平上通過顯著性檢驗，方向為正表明積溫增加會引起我國棉花產量增加。一般來說，棉花全生長期均需要較高的溫度，積溫越高意味著棉花全生長期的溫度越高，越有利于棉花生產。然而，不同生長期對積溫的要求不同。棉花播種期、出苗期溫度越高越利于棉種的萌發和棉苗的生長，但是過高和過低的溫度會延緩棉種的萌發和影響根系生長，使出葉速度減緩，棉苗生長變慢。開花結鈴期最適溫度一般為25～30 ℃，過高、過低的溫度都不適宜棉株開花，溫度過低可能引起雌蕊異常，降低受精率，影響棉鈴正常發育；溫度過高易使雄蕊發育不正常，妨礙棉株正常光合作用，鈴質量下降；吐絮成熟期棉花生長逐漸衰弱，積溫過低、過高容易造成棉花的早衰、貪青、爛鈴等問題，不利于棉花增產。

2.2.2 降水量對棉花產量的影響 從模型結果可以看出，降水量在1%水平上通過顯著性檢驗且其系數為負，表明降水總量的增加不利于棉花增產。棉花全生長期最適需水量一般為450～620 mm，不同階段耗水量差異較大。隨著棉株的不斷增大，耗水量也逐漸增多，一般規律為早期耗水量少，中期耗水量多，后期隨著棉株生長活力的減退，耗水量又減少。降水量的多少及其分布直接影響棉花鈴數，并最終影響棉花產量。若降水過多導致棉田積水，土壤中氧氣不足，根系功能受阻，也會加重蕾鈴脫落，直接影響棉花產量。

表3 我國棉花產量影響因素模型回歸結果

2.2.3 日照時間對棉花產量的影響 日照時間通過5%水平的顯著性檢驗，且系數為負，表明日照時間的增加會負向影響棉花產量。棉花雖然是好光作物，但不同生長期對日照的需求也會不同。播種期、出苗期日照時間正向影響棉花產量，日照越充足越有利于棉株現蕾；蕾期日照時間會對棉花產量產生負效應，主要是因為苗期降水量較少，日照時間越多則容易導致水分缺失，不利于棉株的生長發育；花鈴期日照時間對棉花產量產生正效應；吐絮期日照時間負向影響棉花產量，主要是日照時間長導致水分相對減少，影響鈴質量，造成棉花早衰。因此，日照時間對棉花產量造成負向影響可能是因為在棉花生長的蕾期和吐絮期光照時間較多，而在其他生長階段光照時間較少。

2.2.4 控制變量對棉花產量的影響 從模型結果可知，化肥投入量、種植面積在1%和5%的顯著性水平下顯著且值為正，農業機械投入不顯著。具體來看，棉花種植面積每增加1%，我國棉花總產量將增加0.26%，由此說明我國棉花產量的增加在很大程度上依賴于耕地資源，然而，由于耕地資源的稀缺和其他經濟作物種植面積的增長，我國棉花種植面積呈持續減少的態勢。化肥投入增加1%，我國棉花產量將會增加0.54%，說明化肥投入仍然可以作為棉花增產的重要動力，但要同時考慮到環境保護和生態農業的可持續發展。

進一步分析三大棉花產區，結果表明長江中下游棉區、西北內陸棉區的積溫對棉花產量的增加產生消極作用，黃河中下游棉區積溫對棉花產量的增加產生積極作用，但回歸結果均未通過顯著性檢驗；長江中下游棉區、黃河中下游棉區降水量對棉花產量有負向影響，且分別在1%和5%的顯著性水平下顯著，說明降水量的增加將增加棉花產量，而西北內陸棉區降水量雖負向影響棉花產量但效果不顯著；長江中下游棉區日照時間顯著負向影響棉花產量，顯著性水平為5%；長江中下游、西北內陸棉區種植面積均在1%顯著性水平下正向影響棉花產量，在其他因素保持不變的情況下，種植面積每增加1%，棉花分別增產1.08%和0.99%；黃河中下游棉區、長江中下游棉區機械投入分別在10%、5%的顯著性水平下對棉花增產起到了促進作用，在其他因素保持不變的情況下，機械投入每增加1%，棉花產量分別增加0.33%、0.10%；黃河中下游棉區化肥投入在1%顯著性水平下對棉花產量產生正向影響，化肥投入每增加1%，棉花增產0.6%；三大棉區技術進步均在1%顯著性水平下正向影響棉花產量，即技術進步對棉花產量的邊際貢獻率分別為5.73%、69.91%和 35.25%(表4)。由此可見棉花產業在技術方面有很大的進步空間，科技仍然是保障我國棉花穩產、增產的持久動力。

3 結論與建議

通過以上實證分析表明，氣候變化能夠顯著影響我國棉花產量。3個氣候變量中，日照時間、降水量對我國棉花產量有顯著負向影響，積溫顯著正向影響我國棉花產量。以上結果存在區域性差異，其中積溫增加不利于西北內陸棉區和長江中下游棉區棉花增產，利于黃河中下游棉區棉花增產；降水量負向影響三大棉區棉花產量，長江中下游棉區通過顯著性檢驗；日照時間正向影響黃河中下游、西北內陸棉區棉花增產，顯著負向影響長江中下游棉區棉花產量。根據以上研究結論，提出我國棉花產區適應氣候變化的策略如下：

(1)完善氣候預報、預警、預防體系。加強氣候信息預報、預警、預防體系的建設，進一步暢通氣候預報信息傳輸渠道，把有關氣候預報信息及時傳輸到農戶層面，提高農戶對氣候變化的感知和認知意識，協助農戶及時采取相關適應性措施以減緩氣候變化的不利影響。

(2)加強棉田水利基礎設施建設。要進一步加強棉田水利基礎設施的建設，治理、維護水利工程，使庫、壩、堤、渠等設施充分發揮節水、保水、用水、集水協調一致的功效，以切實提高棉花生產過程中應對氣候變化的能力和減災能力。從各區域來看，黃河中下游棉區、長江中下游棉區要注意洪澇災害的發生，增加排澇設施和蓄水設施的投入，而西北內陸棉區由于水資源匱乏，水利設施相對落后，所以要注意增加水利灌溉設施的投資力度，保障農業水資源的供應，并大力推廣和采用節水灌溉及研發耐旱棉花新品種。

(3)合理調整棉花種植布局。氣候變化使棉花生長期的熱量資源和光能資源增加，如何充分使用充足的光能和熱能是能否應對氣候變化、促使棉花增產的關鍵所在。棉花的種植應適應氣候的變化，適宜的遷移棉田，選取更為優良的氣候環境種植棉花。調整棉花種植密度與種植時間，充分利用日益豐富的熱量資源發展減輕氣候變化的有效途徑。

表4 我國不同地區棉花產量影響因素回歸結果

(4)積極引進、培育棉花新品種。通過品種選育來降低氣候變化對棉花產量的不利影響，是未來棉花產業發展適應性氣候變化的必然趨勢。三大棉花產區有不同的區域優、劣勢，如西北內陸棉區高海拔、日照充足、光熱資源豐富、晝夜溫差大、空氣濕度小，但土壤匱乏且干旱缺水；而長江中下游棉區氣候濕潤、無霜期長、土壤肥沃，但光照不足、病蟲害嚴重；黃河中下游棉區熱量條件好、水資源充足、土壤肥沃，但初夏多旱、伏雨較集中。因此，依據三大棉花產區的區域特征，因地制宜地引進和培育棉花新品種，使各棉區種植更適宜該區域環境條件的棉花是適應氣候變化的又一重要舉措。

(5)提高要素使用效率。棉花種植應以提高要素生產效率為工作重點，通過科學的棉田管理，合理配置和使用資源，以實現棉花最優生產。具體措施包括推廣綠色棉花種植技術，將化肥與綠色有機肥配合施用，因地制定科學的施用數量、方法和養分配比；推進植棉全程機械化，實現農機與農藝的有機結合，以緩解農村勞動人口相對不足的壓力；提高勞動資源配置效率，調整農村勞動資源配置結構；提高土地使用效率，調整棉花生產布局。