玉米生長期干旱特征及其對產量的影響

許朗　王焱鏷　顧天竹

摘要：玉米是河南省種植面積僅次于小麥的重要糧食作物，在玉米生長期內極易發生干旱等自然災害，嚴重影響著玉米的穩定生產。基于1987—2015年河南省17個地市的玉米生產和氣象數據，利用標準化降水蒸散指數（SPEI）分析了玉米生長期的干旱時空特征，通過建立變截距和變系數模型研究干旱等氣候因素對河南省玉米產量的影響，并識別出受干旱影響較為嚴重的地區。研究表明，玉米生長期內干旱頻繁發生，平均每3年發生1次干旱且干旱程度有增強的趨勢;干旱導致了玉米產量的減少，相較于正常年份，干旱年份玉米總產量將平均減產6.75%;地區層面上，干旱對各地區玉米生產的影響差異較大，且受干旱負面影響最大的主要集中在西南部地區;干旱發生頻率和干旱強度是導致玉米減產的重要原因，但區域自然條件、經濟發展水平等同樣是不可忽視的因素。

關鍵詞：干旱;SPEI;玉米產量;面板數據;河南省;地區差異

中圖分類號： S423;S162.5+3文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0311-06

近年來，全球各地均有不同程度的干旱、洪澇等自然災害事件發生，與其他自然災害相比，旱災具有出現次數多、持續時間長、影響范圍廣等特點，因此被認為是造成農業經濟損失最大的自然災害類型之一。據統計，全球約有1/3的土地以及20%的人口長期遭受干旱災害的影響，農業上受干旱影響造成的損失高達260億美元/年，全球幾乎全部的農業用地都處于干旱災害極易發生的地區[1]。在氣候變暖的背景下，我國的干旱發生范圍和強度也呈現出明顯增強的趨勢，成為制約我國農業發展和糧食安全的主要因素[2]。

河南是我國重要的農業大省和糧食生產大省，玉米是河南省第二大糧食作物，其種植面積約占全國播種面積的 1/10，僅次于小麥。河南省玉米生產區位于黃淮海玉米主產區的心臟地帶，區位優勢明顯。得益于黃淮海地區豐富的光熱資源，該區十分適宜玉米的種植，但由于受季風型氣候以及干旱化趨勢的干擾，玉米生長期內極易發生干旱等自然災害。研究表明河南地區1971—2010年間的近30年中，對糧食生產影響最為嚴重的是干旱，其中發生頻率最高的干旱類型則是伏旱[3]。李樹巖等基于氣象干旱綜合指數（CI指數）的研究表明，河南省伏旱發生頻率高達63.6%，嚴重制約玉米的生產[4]，1997年7—8月河南全省一半播種面積以上的秋作物受旱減產，旱情最嚴重的洛陽受旱面積高達90%[5]，2014年河南省更是因旱災秋糧受災面積達到154萬hm2，是63年來最為嚴重的伏旱。鑒于干旱災害對河南省玉米生產造成的嚴重威脅，為保障玉米的穩定生產，科學應對干旱災害，加強與深化干旱評估以及與農業生產關系方面的研究工作十分有必要。

氣溫和降水是氣候的主要因素，也是干旱的直接表征量。Vicente-Serrano等提出的標準化降水蒸散指數（standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI），繼承了帕默爾干旱指數（PDSI）對于溫度靈敏性以及標準化降水指數（SPI）的多時空特點，同時考慮了降水和溫度對于干旱的影響，非常適合全球氣候變暖背景下的干旱特征分析[6-7]。因此，本研究選擇SPEI指數分析河南省玉米生長期的干旱情況。

干旱會導致作物缺水，影響作物的生長發育，最終導致減產。國內外學者就干旱對作物產量的影響機制及影響規律等展開了廣泛的研究。從研究方法上看，大致可以分為2類。第1類是基于作物生長動態模擬模型，模擬作物各生育階段不同等級干旱對作物產量的影響[8-10]。第2類是統計方法，借助氣象數據和產量數據，利用不同的干旱指標對干旱程度進行量化，進而通過相關性分析、簡單線性回歸、柯布-道格拉斯（Cobb-Douglas，簡稱C-D）生產函數及面板數據模型等數理統計方法，在控制了技術進步、經濟因素和人為行為影響的基礎上探討了干旱與作物產量之間的關系。陳玉萍等基于干旱虛擬變量固定效應模型利用湖北、廣西、浙江3個省份的降水和水稻生產歷史數據分析了水稻生產對降水量的彈性[11]，并得出了干旱造成的水稻生產的直接損失。許朗等以歷年的旱災成災面積作為衡量農業干旱的程度，利用面板固定效應模型實證分析了淮河流域干旱對于糧食、小麥以及水稻的影響[12]。何永坤等基于逐旬干濕指數建立了中國西南地區的玉米干旱累積指數，結合玉米產量資料，構建了氣候產量與干旱指數的線性回歸模型[13]。楊曉晨等利用農業干旱指標標準化降水蒸散指數（SPEI）從時間、空間2個維度分析中國東北春玉米區干旱特征，并利用回歸分析進行SPEI與玉米氣候產量的關系分析[14]。

在實際生產中，作物產量是由自然因素和經濟社會因素共同決定的。而農作物生長模擬模型的核心是試驗參數，并不考慮經濟因素和人類行為，因而對社會經濟影響的解釋能力有限。C-D生產函數模型是描述生產要素和產量之間關系的重要方法。丑潔明等研究認為如果在C-D生產函數中納入自然因素，對于農業投入與產出的反映將更為科學[15]。鑒于此，本研究將干旱等氣候因素作為外生變量以中性的方式引入到C-D生產函數中，通過建立變截距和變系數模型研究干旱等氣候因素對河南省玉米產量的影響，并識別出受干旱影響較為嚴重的地區，相關研究對防御氣象災害對玉米生產的影響具有重要的現實意義。

1研究方法

1.1SPEI的計算方法

SPEI的計算主要利用到月降水量和月平均溫度，通過計算降水量與蒸散量的差值并將其正態標準化得到。具體的計算步驟如下：

（1）計算降水量與蒸散量差值，即氣候水平衡：

Di=Pi-PETi。（1）

式中：Di為降水量與蒸散量的差值，mm;Pi為降水量，mm;PETi為潛在蒸散量，mm。

（2）建立不同時間尺度氣候學意義上的水分盈虧累積序列：

Dkn=∑k-1i=0（Pn-i-PETn-i），n≥k。（2）

式中：k為時間尺度，月;n為計算次數;

（3）采用3參數的Log-Logistic概率分布F（x）對D序列進行擬合，并對序列進行標準正態分布轉化，計算每個D對應的SPEI值：

SPEI=w-c0-c1w+c2w21+d1w+d2w2+d3w3，w=-2ln（P）。（3）

式中：P為超過特定D值的累積概率，當P>0.5時，SPEI值的符號被逆轉。常數項的值分別是c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI的計算可采用以月為單位的不同時間尺度，考慮到河南省玉米生長期集中在6—9月[16]，因此選擇4個月尺度的SPEI值研究玉米生長期的干旱特征。根據SPEI值可以劃分單站的干旱等級程度（表1）[17-18]。

1.2模型構建

C-D生產函數是描述生產要素和產出之間關系的經典模型。作物生長不僅受土地、勞動、化肥、灌溉等傳統投入要素的影響，與氣候因素同樣聯系密切，極端氣候事件（旱、澇等）對于農業產量的影響更為明顯，與傳統投入要素不同的是，氣候因素本身不是生產要素，而是通過影響生產要素的使用效率進而影響最終的產出[19]。因此，本研究參考相關文獻將氣候因素作為外生變量以中性的方式引入到模型中[19-20]，用以估計干旱等氣候因素對玉米產量的影響程度。具體形式如式（4）：

Q=α0AαLβKγeηC+μ。（4）

其對數函數形式為：

lnQ=α0+α0+αlnA+βlnL+γlnK+ηC+μ。（5）

式中：Q表示玉米產量;A表示玉米種植面積;L表示勞動投入;K表示資本投入;C表示氣候因素（包括干旱、降水和氣溫）;α0、α、β、γ、η是待估系數;μ是誤差項。

此外，模型還包括時間趨勢變量T，作為技術進步程度的測度，地區虛擬變量用以控制海拔、土壤等不隨時間變化的要素。本研究最終模型設定如下：

lnYit=α0+α1T+β1Zit+β2TEMit+β3PREit+η1ln（CAit）+η2ln（FTit）+η3ln（AMit）+η4ln（LBit）+∑16m=1ρmDm+μ。（6）

式中：i和t表示第i個地市的第t年份;Y表示玉米產量，萬t;T為時間趨勢變量（取值為1，2，…，29）;Z為氣候類型虛擬變量（Z=0表示正常年份，Z=1表示干旱年份），由每年的玉米生長期的SPEI指數進行劃分，SPEI≤-0.5的年份定義為干旱年;TEM表示玉米生長期間的月平均氣溫（℃）;PRE表示玉米生長期的月平均降水量（mm）;CA表示玉米種植面積（×103 hm2）;FT表示玉米生產的化肥投入量（萬t）;AM表示玉米生產的農業機械總動力（萬kW）;LB表示從事玉米生產的勞動力總數（萬人）;Dm為一組地區虛擬變量。Z、TEM和PRE是本研究關注的核心變量。

2數據來源

本研究使用的數據主要包括氣象數據和玉米投入產出數據2個部分。氣象數據為河南省45個氣象站1971—2015年45年的逐日降水量和平均氣溫，由中國科學院資源環境科學數據中心提供（http：//www.resdc.cn/），45個氣象站均勻分布在河南全省，具有較好的代表性;玉米的投入產出數據為河南17個市（由于濟源市在1996年前由焦作市代管，為前后統一，本研究將濟源市和焦作市投入產出數據合并，仍以焦作市命名）的玉米產量、勞動力投入、農業機械總動力、化肥投入等，主要來自河南省統計年鑒，時間序列為1987—2015年。由于研究對象為玉米，從年鑒中得到的化肥投入、農業機械總動力以及農村勞動力人數不能直接用于模型估計，參考周曙東等的研究方法[21-22]，以玉米播種面積占農作物播種面積的比例為權重，對變量進行變化處理。

3結果與分析

3.1玉米生長期干旱特征分析

3.1.1干旱的時間特征分析

河南省平均SPEI指數年際變化趨勢見圖1。全省年平均SPEI指數是45個氣象臺站SPEI（6—9月）的平均值，所有站臺均勻分布在全省各地區，具有很好的代表性。河南省玉米生長期干旱始于1986年前后，此后的15年間干旱頻繁發生，2005—2010年偏濕潤，2010年開始又出現干旱趨勢。干旱最嚴重的前3個年份分別是1997年、2013年和1986年，最濕潤的前3個年份分別是1984年、2000年和2003年，從SPEI的數值上來看，最干旱的年份偏離正常年份的程度略大于最濕潤年份的偏離程度。從1971—2015年的45年間，該地區玉米生長期平均SPEI指數以0.031/10年的速度下降，若只計算1986—2015年近30年的SPEI指數，這種下降速度達0.127/10年，說明玉米生長期的干旱趨勢明顯在增強。

3.1.2干旱的空間特征分析

根據標準化降水蒸散指數（SPEI）的計算結果，依據表1劃分的干旱標準統計河南省45個站點的干旱發生頻率（1971—2015年）。從全省平均看，1971—2015年的45年中，河南省玉米生長期干旱發生頻率為0.322 2（SPEI<-0.5），平均每3年發生1次干旱，其中一般干旱發生頻率為0.151 5（-1