1978～2014年中國玉米生產的時空特征變化研究*

賈正雷，程家昌，李艷梅，劉 玉

(1.廣東友元國土信息工程有限公司，廣州 510640； 2.深圳市坪山區規劃國土事務中心，深圳 518118； 3.北京市農林科學院植物營養與資源研究所，北京 100097； 4.北京農業信息技術研究中心，北京 100097)

0 引言

農作物生產的時空變化信息是農業地理和農業可持續發展的重要研究內容[1]。作為食品原料、畜禽飼料和工業原料三位一體的基礎性作物，玉米在中國農業生產乃至國民經濟中占有重要地位[2]。玉米播種面積和產量大規模擴張，并向北方與中部優勢地區集中[3-4]，東北和黃淮海區的玉米生產優勢進一步凸顯[5-6]。與此同時，玉米產量年際間的波動加劇，且波動的周期性規律明顯[7-8]。在生產政策、農場管理、氣候變異、技術創新與應用等綜合影響下，糧食單產在多種尺度下波動疊加，表現出年際間復雜的變化[9-10]。在主要糧食作物中，玉米的短期波動率高于小麥和水稻[11-12]，玉米產量的大幅度波動不僅會影響玉米價格的穩定，還會傳導給關聯的下游產業，不利于社會經濟的平穩發展[13-14]。

我國玉米種植具有極強的地域差異性[15]，厘清中國玉米生產的時空變化特征，有助于保障玉米的持續、穩定供應。國內學者圍繞玉米生產特征開展了一些研究[16-17]。從現有文獻看，國內研究區域集中在吉林等玉米主產區，全國及省域尺度玉米的生產格局演化及其地區差異的系統研究尚未展開； 多采用剩余法、趨勢百分比法等傳統的數理統計方法[18-19]，尚未足夠重視玉米生產變化的復雜性。1998年，N.E.Huang等[20]提出了經驗模態分解方法(Empirical mode decomposition，EMD)，在處理非平穩、非線性信號方面具有明顯優勢[21]。EMD方法能夠獲得玉米生產的固有模態函數及趨勢量，在揭示玉米生產波動性規律方面具有明顯優勢。鑒于此，文章基于玉米總產、播種面積及單產3個指標，從全國和省域兩個尺度系統分析中國1978～2014年間玉米生產的時空特征，旨在為中國玉米總產量的持續穩定供應提供依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 經驗模態分解模型(EMD)

EMD方法具有直觀、直接、基于經驗和自適應等特征，能夠將時間序列數據分解成一系列固有模態函數(Intrinsic mode function，IMF)，每個IMF分量具有特征：(1)從全局特性看，極值點數必須和過零點數一致或者至多相差1個； (2)在某一個局部點，極大值包絡和極小值包絡在該點的值的算術平均和等于零。EMD分解實質是通過求包絡線對數據不斷進行移動平均的迭代過程[22]。該文采用鏡像對稱延伸方法[23]較好地解決了邊界對于EMD分解過程中的上沖和下沖現象； 采用EMD法剔除玉米產量(播種面積、單產)的長期變動趨勢，構建波動量與波動指數模型[24]。

(1)

(2)

式(1)(2)中，Git表示i地區在t年時的玉米產量(播種面積、單產)；ΔGit表示i地區在t年時的玉米產量(播種面積、單產)波動量；rit表示i地區EMD分解趨勢量R在t年的趨勢值；IMFikt表示i地區第k個IMF分量在t年時的波動量；n表示IMF分量的個數；FIit表示i地區在t年時的玉米產量(播種面積、單產)波動指數，FIit越大則波動越劇烈，反之則表示波動越弱。

1.2 數據來源預處理

該研究運用1978～2014年全國及各省域(不包括香港、臺灣和澳門)的玉米產量數據、播種面積數據開展研究。1978～2008年的玉米產量數據和播種面積數據來源于《新中國農業六十年統計資料》， 2009～2014年的數據來自于相應年份的《中國統計年鑒》。為了保持數據的連貫性，在分省域計算分析時，將海南省并入到廣東省，將重慶市并入到四川省。

2 結果與分析

2.1 全國玉米生產的時序特征

2.1.1 玉米總產量變化的時序特征

中國玉米產量總體呈現增長趨勢， 1978年為5 600萬t， 2014年為2.16億t， 37年增加了1.60億 t，占全國同期糧食總增加量的52.84%，玉米產量占糧食總產量的比重也相應地由1978年的18.36%提升到2014年的35.53%。由圖1和圖2可知，(1)趨勢分量R表明, 1978年以來中國玉米總產量一直以較高的速度增長，尤其是2003年以后呈現快速增長。(2)研究期間,玉米波動量介于-1 357.33萬～1 412.56萬t之間，平均值為55.30萬t； 20個年份的波動量為正值， 1996年和1998年的玉米波動量在1 000萬t以上； 17個年份的波動量為負值， 1997年和2000年的玉米波動量在-1000萬t以下。(3)中國玉米產量波動指數介于-11.51%～11.88%之間，平均值為0.53%，波動指數介于-5%～5%、-2%～2%的年份分別為22年和13年。(4)總體而言，中國玉米產量的波動量呈現先增大后減小的趨勢； 波動指數的變化幅度不大，基本上維持在-5%～5%之間。

2.1.2 玉米播種面積變化的時序特征

1978～2014年，玉米播種面積呈現波動上升趨勢，由1978年的1 996萬hm2增加到2014年的3 712萬hm2，其中11個年份在減少，合計-826萬hm2； 25個年份在增加，合計2 542萬hm2。研究期間玉米播種面積共增加了1 716萬hm2，玉米播種面積占農作物播種面積的比重也相應地由13.30%增長到2014年的22.44%。特別是2003年以來，玉米播種面積一直呈現快速增長趨勢， 2003～2014年增長了1 306萬hm2，占改革開放以來玉米播種面積總增長量的76.07%。由圖3和圖4可知，(1)趨勢分量R表明1978年以來中國玉米播種面積一直以較高的速度增長，其變化趨勢與玉米總產量的變化趨勢基本一致。(2)研究期間玉米播種面積波動量介于-167.510萬～177.240萬hm2之間，平均值為-4.370萬hm2； 19個年份的波動量為正值， 18個年份的波動量為負值。(3)中國玉米播種面積波動指數介于-7.43%～7.34%之間，平均值為0.23%，波動指數介于-5%～5%、-2%～2%的年份分別為30年和20年。(4)總體而言，中國玉米播種面積的波動量呈現先增大后下降的趨勢； 波動指數的變化幅度不大，基本上維持在-5%～5%之間，波動幅度與玉米總產量的波動幅度基本一致。

圖1 1978～2014年中國玉米總產量及其比重和玉米總產量趨勢量

圖2 1978～2014年中國玉米總產量的波動量和波動指數

圖3 1978～2014年中國玉米播種面積及其比重和玉米播種面積趨勢量

圖4 1978～2014年中國玉米播種面積的波動量和波動指數

圖5 1978～2014年中國玉米單產及其趨勢量

圖6 1978～2014年中國玉米單產的波動量和波動指數

2.1.3 玉米單產變化的時序特征

全國玉米單產呈現波動式增長趨勢，代表豐產年的波峰和代表歉產年的波谷交替出現。整體上，玉米單產從1978年的2 802.7kg/hm2增至2014年的5 809.1kg/hm2，增加了3 006.4kg/hm2，高于全國同期糧食單產的平均增幅。由圖5～6可知，(1)趨勢分量R表明1978年以來中國玉米單產一直以較高的速度增長，其變化趨勢與糧食總產量的變化趨勢基本一致。(2)研究期間玉米單產波動量介于-450.2～455.7kg/hm2之間，平均值為-12.8kg/hm2； 16個年份的波動量為正值， 21個年份的波動量為負值。(3)中國玉米單產波動指數介于-11.71%～11.39%之間，平均值為-0.62%，波動指數介于-5%～5%、-2%～2%的年份分別為29年和10年。(4)總體而言，中國玉米單產的波動量呈現先增大后下降的趨勢； 波動指數基本上維持在-5%～5%之間，但總體幅度大于玉米總產量和玉米播種面積的波動幅度。

2.2 省域玉米生產的時空特征變化

2.2.1 省域玉米生產的時空特征

1978～2014年間，除北京和上海外其余省域的玉米產量都在增加，黑龍江、內蒙古、吉林、山東、河南和河北增加最為明顯，共計增加了1.083 46億t，占研究期間玉米增加量的67.84%； 14個省域的玉米增加量介于100萬～1 000萬t之間，增加也比較明顯； 浙江、西藏、江西、青海、福建、天津和廣東的玉米增加量較小，增加量低于100萬t?？傮w而言， 37年間中國玉米增加量呈現出“北高南低”的特征，華北區和東北區的玉米生產優勢進一步凸顯，中國玉米生產重心進一步北移。研究期間，玉米產量趨勢量的方差貢獻率在85%以上的省域有20個，特別是福建、寧夏、內蒙古、新疆、青海、黑龍江、云南、廣西、西藏等9個省域的趨勢量方差貢獻率在95%以上，趨勢增長非常明顯； 浙江、遼寧、上海、江西和江蘇等5個省域玉米趨勢量的方差貢獻率低于70%，玉米產量的波動性較大?？傮w上看，研究期間省域玉米總產量以趨勢增長為主，黑龍江、內蒙古、河北、山西、云南等省域的玉米總產量大且趨勢增長明顯，對我國玉米產量穩定增長起到了重要作用； 吉林、山東和河南的玉米產量比重也較大，但波動幅度較大； 播種面積和單產的變動促使遼寧的玉米產量呈現增長趨勢，但增長速度慢于全國平均水平，在全國玉米總產量中的比重由1978年的10.78%下降到2014年的5.43%，且趨勢增長的方差貢獻率僅為63.92%，相關原因有待深入分析。

2.2.2 省域玉米播種面積的時空特征

1978～2014年間， 24個省域的玉米播種面積都在增加，黑龍江、內蒙古、吉林和河南的增加最明顯，共計增加了1.017 5億hm2，占研究期間玉米播種面積增加量的59.28%； 山東、河北、山西、遼寧、甘肅、安徽、云南等省域的玉米播種面積增加量也比較大，介于500萬～1 000萬hm2之間； 13個省域玉米播種面積的增加量較小，增加量低于300萬hm2； 北京、浙江、廣西、江蘇和上海等5個省域的玉米播種面積呈現下降趨勢?？傮w而言， 37年間中國玉米播種面積增加量呈現出“北高南低”“西高東低”的特征，在氣候變暖背景下的玉米種植范圍北移[25]以及雨熱同期、經濟利益驅動等促使東北區和黃淮海區的玉米播種面積進一步擴大，在全國玉米生產中的優勢地位進一步凸顯，中國南方各省的玉米生產優勢呈現下降趨勢。方差貢獻率表明，研究期間省域玉米播種面積以趨勢增長為主，但趨勢增長性總體上弱于玉米總產量增長的趨勢性。趨勢量的方差貢獻率在85%以上的省域有16個，特別是青海、內蒙古、寧夏、山西、河南、河北、云南、吉林、安徽等9個省域的趨勢量方差貢獻率在95%以上，趨勢增長非常明顯； 天津、廣西、江蘇、陜西、浙江、四川、江西、上海等8個省域玉米播種面積趨勢量的方差貢獻率低于70%，玉米播種面積的波動性較大?？傮w上看，研究期間省域玉米播種面積以趨勢增長為主，黑龍江、山東、吉林、河北、河南、山西等省域的玉米播種面積大且趨勢增長明顯，對我國玉米產量穩定增長起到重要作用； 遼寧的玉米播種面積比重也較大，但波動幅度較大； 四川、陜西的玉米播種面積在全國占有較大比重，但趨勢增長的方差貢獻率僅為61.50%和51.83%。

2.2.3 省域玉米單產的時空特征

1978～2014年間，玉米品種的改良疊加上農業生產資料投入的增加和栽培管理技術的提升，使得所有省域的玉米單產均有所提高。其中， 14個省域的玉米單產增加量高于全國平均水平(3 006kg/hm2)，青海、西藏、新疆、寧夏、吉林和福建的增加最為明顯，增加量在4 000kg/hm2以上；15個省域玉米單產增加量低于全國平均水平，遼寧、上海、貴州、陜西等地的玉米單產增幅較小。總體而言， 37年間中國玉米單產增加量呈現出“西高東低”“北高南低”的特征。研究期間，玉米單產趨勢量的方差貢獻率在85%以上的省域有13個，特別是廣東、新疆、湖南、福建、寧夏等5個省域的趨勢量方差貢獻率在95%以上，趨勢增長非常明顯； 在干旱為主的不利氣候因素和玉米病、蟲、草、鼠害等生物逆境因素的綜合影響下[26]，青海、山西、遼寧、黑龍江、上海、吉林、天津、安徽、河南等9個省域玉米單產趨勢量的方差貢獻率低于70%，玉米單產的波動性較大。總體上看，研究期間省域單產以趨勢增長為主，但年際間的波動較劇烈，高產穩產品種多亂雜、氣象條件影響、施肥方法不科學、耕作栽培管理粗放等限制了玉米單產的提升[27]，玉米單產的波動性總體上大于玉米播種面積和玉米產量的波動性。

表1 1978～2014年分省域玉米生產特征

地區玉米產量玉米播種面積玉米單產197820141978201419782014產量(萬t)比重(%)產量(萬t)比重(%)R2面積(100萬hm2)比重(%)面積(100萬hm2)比重(%)R2單產(kg/hm2)單產(kg/hm2)R2北京60 501 0850 000 2384 74169 500 8588 601 0878 713569 325643 3471 43天津31 500 56101 400 4783 81180 600 90202 800 5639 291744 195000 0060 31河北516 509 231670 707 7593 422236 2011 203170 909 2396 052309 725268 8587 32山西271 004 84938 104 3594 98793 103 971676 504 8496 903416 975595 5927 57內蒙古19 000 342186 1010 1498 6155 700 283372 200 3498 283411 136482 7174 85遼寧603 0010 781170 505 4363 921485 607 442330 1010 7882 524058 975023 3939 35吉林581 0010 392733 5012 6888 431882 209 433696 6010 3995 633086 817394 6356 13黑龍江622 0011 123343 4015 5097 701996 4010 005440 2011 1294 623115 616145 7347 11上海5 500 102 600 0164 3710 100 054 000 1067 635445 546500 0051 12江蘇123 002 20239 001 1170 76445 002 23436 102 2051 832764 045480 3970 82浙江28 000 5030 100 1439 71120 800 6166 500 5058 662317 884526 3281 38安徽38 000 68465 502 1689 69232 901 17852 400 6895 471631 605461 0565 18福建—0 0020 300 0999 162 600 0149 500 0089 660 004101 0196 76江西1 000 0212 300 0670 1410 400 0529 900 0264 25961 544113 7192 90山東612 0010 941988 309 2289 552134 6010 693126 5010 9490 992867 056359 5186 71河南469 008 381732 108 0385 101684 008 443283 908 3896 502785 045274 5268 07湖北103 001 84293 701 3693 27403 102 02642 401 8487 752555 204571 9291 88湖南22 000 39188 600 8791 93145 700 73345 700 3980 301509 955455 6097 52廣東6 000 1176 900 3691 9948 700 24177 200 1189 231232 034339 7399 05廣西103 001 84266 401 2495 31632 603 17584 001 8451 201628 204561 6493 07四川438 507 841007 904 6783 961566 707 851849 107 8461 502798 885450 7687 32貴州174 003 11313 801 4685 05677 903 40787 503 1178 902566 753984 7681 78云南233 004 16743 303 4595 971024 005 131525 704 1695 732275 394871 8691 84西藏—0 002 400 0195 14—0 004 200 0083 720 005714 2987 05陜西292 005 22539 602 5080 491083 805 431153 705 2254 792694 224677 1376 56甘肅101 501 81564 502 6294 41299 81 501000 91 8182 493385 595639 9278 55青?！? 0018 700 0997 95—0 00270 0098 350 006925 9325 25寧夏6 000 11224 101 0498 8817 90 09288 80 1197 923351 967759 7095 98新疆134 502 40641 102 9798 14621 43 11910 82 4088 142164 477038 8798 74全國5594 501 0021564 901 0098 4719961 301 0037123 701 0098 142802 675808 9393 82

3 結論與討論

該研究基于EMD模型，從全國和省域兩個尺度系統分析了1978～2014年中國玉米生產的時空特征變化，為制定差別化的玉米生產策略提供了數據支撐。

研究期間，玉米產量增加了1.60億t，玉米產量占糧食總產量的比重也由1978年的18.36%提升到2014年的35.53%，其波動量呈現先增大后減小的趨勢，波動指數的變化幅度不大； 玉米播種面積增加了1 716萬hm2，其變化趨勢與玉米總產量的變化趨勢基本一致； 玉米單產由1978年的2 802.7kg/hm2增至2014年的5 809.1kg/hm2，波動指數基本上維持在-5%～5%之間，但總體波動幅度大于玉米總產量和玉米播種面積的波動幅度。

研究期間，除北京和上海外其余27個省域的玉米產量都在增加，省域玉米增加量呈現出“北高南低”的特征，黑龍江、內蒙古、吉林、山東、河南和河北等省域的玉米生產優勢進一步凸顯； 省域玉米播種面積增加量呈現出“北高南低”“西高東低”的特征，黑龍江、內蒙古、吉林和河南等省域的玉米播種面積進一步擴大，中國南方各省的玉米生產優勢減弱； 省域玉米單產增加量呈現出“西高東低”“北高南低”的特征，省域玉米單產以趨勢增長為主，但年際間的波動較劇烈。

總體上看，在玉米單產和玉米播種面積的綜合驅動下，我國玉米產量明顯增加且省域差異顯著。作為典型的旱作農業區和畜牧業發展優勢區，“鐮刀灣”*根據《農業部關于“鐮刀彎”地區玉米結構調整的指導意見》，“鐮刀彎”地區包括東北冷涼區、北方農牧交錯區、西北風沙干旱區、太行山沿線區及西南石漠化區，是玉米結構調整的重點地區地區生態環境脆弱，玉米單產低而不穩。在玉米供大于求、庫存持續攀升、玉米種植效益降低的背景下，加快玉米供給側結構性改革，以“鐮刀灣”地區為重點，適時推進玉米種植結構調整和布局優化，是“十三五”期間乃至今后一段時間我國玉米生產的重要任務。

該研究從玉米播種面積、玉米單產和玉米總產3個方面分析了玉米生產的變化特征及波動特征。受篇幅限制，該研究尚未深入分析玉米生產格局變化的驅動因素。實際上，土地資源稟賦、氣候變化、科技進步、政策因素和種植制度變遷等驅動著玉米生產格局變化，但各因素的影響方向及影響程度還需深入探討； 此外，在玉米供大于求、玉米種植效益降低的背景下，積極推進玉米供給側結構性改革，根據玉米供求關系和玉米生產比較優勢制定差異化的玉米生產策略，是亟待研究的重要方向。

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