2000-2019年河南省小麥播種面積與產量變化趨勢分析

王 寧程 威

（1.河南省農業遙感監測中心 鄭州450002；2.中國科學院精密測量科學與技術創新研究院 湖北武漢430071）

小麥是世界上最重要的農作物之一，世界上超過35%的人口以小麥作為主食。中國是世界上小麥種植面積最大的國家，小麥是北方地區冬季的主要農作物，小麥生產的穩定性關系到社會經濟的可持續發展和國家的糧食安全。作為農業大省，河南省是中國重要的小麥主產區之一，河南省總的耕地面積占全國總耕地面積的1/16，其中小麥的種植面積占全國的1/5，河南小麥的總產量占全國總產量的1/4。作為全國小麥生產大省的河南，其小麥的穩步發展對于促進全國糧食安全起到舉足輕重的作用。

河南小麥產區以冬小麥為主，屬于黃淮冬小麥區，河南省大部分耕地以沖積平原為主，地勢平坦，土壤墑情適宜，土質黏重、肥沃。河南屬于暖溫帶和亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫從南向北為10.5～16.7℃，氣候適宜，適宜小麥生產，冬季相對溫和的氣候有利于麥苗安全過冬。雖然河南整體降雨量偏少，但灌溉設施齊全，能緩解降雨少造成的干旱情況，夏季光照充足，陰天少，有利于小麥蛋白和面筋的形成。

截止到2019年，河南省各類農作物總的播種面積為1 467.64萬hm2，其中小麥播種面積達570.67萬hm2，總產量3 741.77萬t，小麥播種面積占總的播種面積的39%（圖1）。河南省的小麥播種面積和產量均位居全國第一[1-2]。當前河南省正大力推進農業供給側改革，優化小麥種植結構，提升小麥品質，彌補強筋小麥、弱筋小麥種植面積少的短板[3]。奇異譜分析方法（Singular Spectrum Analysis,SSA）是一種廣泛使用的數據分析方法，通過對分析的時間序列進行主成分提取和重構，可以對時間序列進行可靠的預測。本文作者利用河南省近20年的小麥播種面積和小麥總產量數據對小麥播種面積的變化趨勢進行分析，并使用奇異譜分析方法對河南省未來兩年的播種面積進行預測，為相關部門的決策提供數據支撐。

圖1 2019年河南省主要農作物播種面積占比

1 數據和方法

使用的數據來源于河南省農業統計年鑒，這些數據包含了河南省2000－2019共20年的小麥播種面積及小麥產量數據，數據可以通過河南省統計局網站獲得。使用奇異譜分析方法對小麥播種面積的趨勢進行預測，奇異譜分析是一個強大的非參數化的時間序列分析工具，奇異譜分析具有廣泛的適應性，對信號的結構特征沒有要求，無論是線性的還是非線性的時間序列，是否服從高斯分布，均可使用奇異譜分析方法分析。奇異譜分析方法的基本功能是提取時間序列的趨勢項、周期項及對時間序列進行濾波。奇異譜分析方法在數學、物理、地學、氣象、海洋、財經、農業等領域均取得了成功的應用。基礎的奇異譜分析方法原理簡單，主要分為兩個步驟：信號分解和重構。

（1）設長度為T的時間序列YT=（y1……yT），設置窗寬，并設置K=T-L+1，將時間序列轉化為如下形式的二維軌跡矩陣XL×K，矩陣X i=（yi……yi+L-1）′?RL，將嵌入矩陣，窗寬表示矩陣的行數，通常2≤L≤T/2，矩陣的形式：

軌跡矩陣XL×K是一個Hankel矩陣，即矩陣中對角的四個元素系數i+j相等。

（2）計算軌跡矩陣的協方差陣SL×K=XXT，使用特征值和特征向量對X進行分解，設S的特征值為λ1、λ2、KλL－1、λL，對應的特征向量為U1、U2KUL－1、UL，若特征值正值的個數為d個，則軌跡矩陣分解為：

（3）對角平均。將步驟二中矩陣Ei轉化為線性時間序列，轉化規則：假定Ei的形式為Z L×K，該矩陣的元素為Z i,j，令L*=min（L，K）、K*＝max（L，K）、N＝L＋K－1，當則矩陣Ei對應的時間序列｝的表達式為：

則原時間序列可被重構如下形式：

式中，r表示所用主成分的個數，當r=L時原時間序列被完全恢復。

3 結果和討論

圖2和圖3分別顯示了近20年河南省小麥播種面積、農作物總的播種面積、小麥產量及占比的變化趨勢。河南省農作物總的播種面積從2000年的1 313.69萬hm2上升至2019年的1 467.64萬hm2，20年間增長了11.7%。而小麥的播種面積從2000年的492.23萬hm2增長至2019年的570.66萬hm2，20年間增長了15.9%，小麥的播種面積增速稍快。在比重方面，小麥播種面積占比在35%～40%之間，并有逐年增加的趨勢。

圖2 小麥播種面積和產量及農作物總的播種面積變化趨勢

圖3 小麥播種面積占比變化

2000年，河南省小麥產量為2 235.95萬t，2019年小麥產量為3 741.77萬t，20年間小麥播種面積和小麥產量的增幅分別為15.93%和67.35%。可以看到在播種面積增幅僅為15.93%的情況下，小麥的產量增加了67.35%。小麥產量的大幅度增加得益于小麥良種繁育和栽培技術的進步及農業機械化程度的提升，據2019年農業農村部小麥生產機械化發展報告，我國小麥的耕種和收獲的機械率均超過90%[4]。同時，小麥病蟲害防治技術、土壤保水保肥能力的提升也對小麥產量起到不可忽視的作用。農業農村部門大力提倡的保護性耕作、秸稈還田等不僅降低傳統焚燒方法造成的大氣污染更提高了土地的耕層能力。2004－2005年間，河南省小麥播種面積和小麥產量增幅不大，處于緩慢增加的階段。2005年后，得益于河南省經濟總量的迅速發展，河南省的小麥播種面積和小麥的產量進入快速增長階段，以2005年為基點，之后十多年，小麥播種面積和小麥的產量一直呈現高速增長。2018年河南省小麥的產量首次出現了相對于前一年下降的趨勢，但降幅很小，這是由于當年河南多地遭遇了晚霜凍害導致小麥穗粒減少，加之小麥收獲前期，陰雨天氣增加，小麥灌漿不足。2019年，河南小麥的播種面積出現了首次下降，但產量相對于前一年卻呈現增加的趨勢，這意味著小麥單產的增加，這是由于河南省對農業的科技投入在持續增加，優良的品種及先進的栽培技術導致畝產增加，雖然小麥的播種面積相對于前一年下降，但小麥的產量在增加。

將河南省小麥播種面積和小麥產量的時間序列進行SSA分解，設置主成分的個數為8個，選用前4個主成分分量對河南省未來2年的小麥播種面積和小麥產量的變化趨勢進行預測，結果見圖4。從圖4中可以看到，在未來的2年中，全省小麥的播種面積和產量將繼續增加，預計到2021年，河南省的小麥播種面積將達到590.6萬hm2，而小麥的產量將達到3 872萬t。河南小麥的播種面積將實現逐步穩定增加的趨勢，“穩面積、提質量、轉方式”是河南省小麥生產的基本要求，提高糧食產量是一個永恒的話題，在小麥播種面積和小麥產量增加的同時，過度使用農藥和化肥將對生態環境造成不良影響，未來還需要在提高單產上下功夫，培育優良的品種，提高小麥栽培技術，對小麥的種植結構進行改革，大力增加強筋小麥、弱筋小麥的種植面積，提高小麥的生產品質，增加小麥的市場競爭力[5-6]。

圖4 SSA方法對小麥播種面積和小麥產量的預測結果