氣候變化對糧食產(chǎn)出與技術(shù)效率的影響

摘要：通過構(gòu)建氣候變化的標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI）和隨機生產(chǎn)前沿模型，使用1993—2018年河北省11個市的氣象和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，探究了氣候變化對河北省玉米產(chǎn)出和技術(shù)效率的影響。研究表明：在研究期間內(nèi)，河北省氣候干旱化趨勢明顯，全省氣候干旱化頻率顯著高于氣候濕潤化頻率。河北省干旱頻率高值區(qū)集中在北部和中部地區(qū)，濕潤頻率高值區(qū)集中在東部和中部地區(qū)。河北省整體玉米生產(chǎn)技術(shù)效率相對較低，且各個市玉米生產(chǎn)平均技術(shù)效率差異較大。衡水市玉米生產(chǎn)的技術(shù)效率最高。氣候變化與玉米產(chǎn)出和技術(shù)效率存在非線性關(guān)系，在一定范圍內(nèi)氣候變化的干旱化趨勢會給河北省玉米生產(chǎn)帶來負向影響。

關(guān)鍵詞：氣候變化；SPEI；技術(shù)效率；玉米生產(chǎn)

中圖分類號：S162 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20240505

基金項目：國家社科基金青年項目（23CJY058）；河南省高校人文社會科學研究一般項目（2024-ZZJH-145）；河南省軟科學研究計劃項目（242400411160）。

Effects of climate change on grain output and technical efficiency： evidence from maize in Hebei Province

Chen Jie1， Gao Shan2

（ 1.School of Economics and Trade， Henan University of Technology， Zhengzhou， Henan 410005； 2. School of Economics and Management， Nanjing Agricultural University， Nanjing， Jiangsu 210095 ）

Abstract： By constructed the standardized precipitation evapotranspiration index（SPEl） of climate change and the stochastic production frontier model， and used the meteorological and production data of 11 cities in Hebei Province from 1993 to 2018， the impact of climate change on maize yield and technical efficiency in Hebei Province was explored. The results showed that during the study period， the climate aridification trend in Hebei was obvious， and the frequency of climate aridification in Hebei was significantly higher than that of climate humidification. The high drought frequency areas were concentrated in the northern and central regions， and the humid frequency high value areas were concentrated in the eastern and central regions. The overall technical efficiency of maize production in Hebei was relatively low， and the average technical efficiency of maize production varies greatly among different cities. Hengshui had the highest technical efficiency in corn production. There is a nonlinear relationship between climate change and maize production， and the trend of climate change will have a negative impact on maize production and technical efficiency in Hebei within a certain range.

Key words： climate change； SPEI； technical efficiency； maize production

全球氣候變化對各國的經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了嚴重的影響，是世界各國都十分關(guān)注的問題。糧食生產(chǎn)對氣候變化極為敏感，氣候的任何變化都可能對糧食生產(chǎn)造成重大的影響[1-3]。氣候變化引起的干旱和洪澇災(zāi)害等極端氣候事件極有可能對農(nóng)作物的產(chǎn)量造成負面影響，糧食在氣候變化的影響中首當其沖[4]。為了保障糧食生產(chǎn)安全，氣候變化和糧食生產(chǎn)之間的關(guān)系以及如何應(yīng)對氣候變化對糧食生產(chǎn)帶來的不利影響成為目前相關(guān)研究的重點。

已有研究文獻重點分析了氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量和生產(chǎn)效率的影響[5-7]。很多研究發(fā)現(xiàn)，在過去十年氣候變化導(dǎo)致全球的農(nóng)業(yè)全要素生產(chǎn)率呈下降趨勢[6-9]。平均降水和平均溫度的增加都顯著降低了糧食生產(chǎn)效率，氣溫變化1 ℃就會使全要素生產(chǎn)率增長率降低1.1% ～ 1.8%[10]。根據(jù)世界糧食計劃署的數(shù)據(jù)，由于氣溫上升和資源枯竭，大多數(shù)非洲和亞洲國家將面臨高度的糧食不安全。為了應(yīng)對氣候變化對糧食生產(chǎn)的不利影響，最重要的是采取改良作物品種、采用新技術(shù)和調(diào)整種植結(jié)構(gòu)等措施適應(yīng)氣候變化[9-12]。然而已有研究在兩個方面仍有待拓展：一方面，在研究內(nèi)容上，提高技術(shù)效率是適應(yīng)氣候變化的重要措施，但是目前只有極少數(shù)文獻關(guān)注了技術(shù)效率會受到氣候變化怎樣的影響。另一方面，在研究方法上，氣候變量的指標主要是氣溫、光溫比、積溫、高溫熱害、降水和日照等單氣候因子，氣候信息較為單一，造成現(xiàn)有研究結(jié)論說服力不足。

由于玉米生長對氣候變化反應(yīng)敏感，而玉米是河北省的主要糧食作物，因此本文有別于現(xiàn)有研究方法和內(nèi)容，選取河北省玉米生產(chǎn)為研究主體，以標準化在標準化降水蒸散指數(shù)（SPEI）作為綜合氣候指標，構(gòu)建隨機前沿生產(chǎn)函數(shù)，進而分析氣候變化對糧食生產(chǎn)技術(shù)效率的影響。這將更加深入的探究出氣候變化和糧食生產(chǎn)技術(shù)效率之間的關(guān)系，同時綜合氣候指標的應(yīng)用也將帶來比以往文獻更加具有說服力的研究結(jié)論。本文的研究將為國家制定應(yīng)對氣候變化的措施提供主要參考依據(jù)，對于保障中國的糧食生產(chǎn)穩(wěn)定具有重要意義。

1 研究方法和數(shù)據(jù)

1.1 研究方法

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的定義，氣候變化是指氣候隨時間的任何變化。玉米生產(chǎn)技術(shù)效率是在相同生產(chǎn)要素投入下，實際產(chǎn)出與最大產(chǎn)出之間的比值。不同地區(qū)的氣候變化情況不同，對玉米生產(chǎn)技術(shù)效率也產(chǎn)生了不同的影響。本文的研究區(qū)域氣候變化主要表現(xiàn)為氣溫升高，降水量減少。氣候變化對玉米生產(chǎn)技術(shù)效率的影響主要通過以下三個方面：1）氣候變化會改變玉米生產(chǎn)中的要素投入。氣候變暖會導(dǎo)致病蟲害增多，農(nóng)藥施用量增加；氣溫上升也會導(dǎo)致化肥使用量增加；降水量減少時灌溉的投入也會增加。2）氣候變化會影響玉米的實際產(chǎn)出。氣候變化帶來干旱、澇災(zāi)等極端氣候事件的發(fā)生頻率增加，這會直接減少實際有效產(chǎn)出。3）氣候變化會影響技術(shù)采納。氣候發(fā)生明顯變化時，農(nóng)戶會主動響應(yīng)，技術(shù)應(yīng)用是最主要的應(yīng)對措施之一，這會影響到玉米生產(chǎn)的技術(shù)效率。

1.1.1 氣候變化的測算

本文對氣候變化的測算采用了SPEI法。SPEI是標準化降水蒸散指數(shù)，具有多時間尺度的特點。參考Pei等[13]對方法的應(yīng)用，考慮到河北夏玉米生長期從6月至9月，本文將計算4個月尺度的SPEI值。SPEI利用月降水量、月平均溫度和月最大日照時數(shù)數(shù)據(jù)，通過計算降水量與蒸散量差值，并將其序列正態(tài)標準化得到。表1綜合了GB/T 20481—2017《氣象干旱等級》劃分標準和國際上通用的基于SPEI指數(shù)劃分標準[13]。利用該標準和具體測算出的SPEI值，可以判斷某一地區(qū)在某時段氣候的干旱和濕潤程度。

1.1.2 技術(shù)效率的測算

t是時間，反映無效率項是否時變；DFit是1993—2018年旱澇保收率——旱澇保收面積/有效耕地面積，作為控制變量；Ci是根據(jù)SPEI對氣候干濕程度的判定的一組虛擬變量——C1輕中等干旱、C2極端干旱、C3輕中等濕潤、C4極端濕潤，用來考察氣候干濕程度對玉米技術(shù)效率的影響。

1.2 數(shù)據(jù)來源

限于數(shù)據(jù)可得性以及2019—2022年糧食生產(chǎn)處于非常規(guī)時期，因此本文數(shù)據(jù)窗口期選擇1993至2018年。為了更加精準地把握氣候變化情況，對河北省SPEI值測算和單獨分析時，拓展數(shù)據(jù)窗口期為1978—2018年。本文所用的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)為河北省11個市的玉米產(chǎn)量（億噸）、勞動投入（萬人）、農(nóng)用機械總動力（萬千瓦）、化肥使用量（萬噸），農(nóng)藥使用量（萬噸）、玉米播種面積（萬公頃），旱澇保收面積（萬公頃）、有效耕地面積（萬公頃）等，全部數(shù)據(jù)來源于1993—2018年《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》。計算河北省SPEI的133個站點的氣象數(shù)據(jù)（1978—2018年）來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，站點數(shù)量較多且在河北省內(nèi)分布比較均勻，因此能夠較好地表征河北省內(nèi)氣候變化。本文以玉米為研究對象，部分糧食相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)不能直接作為玉米生產(chǎn)的相關(guān)變量值，參考Key[15]使用的權(quán)重系數(shù)法，使用以下兩種權(quán)重系數(shù)進行糧食和玉米相關(guān)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)：A=（農(nóng)業(yè)產(chǎn)值/農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值）×（玉米播種面積/農(nóng)作物播種總面積）、B=玉米播種面積/農(nóng)作物播種總面積。農(nóng)林牧漁從業(yè)人員乘以系數(shù)A作為玉米生產(chǎn)的勞動投入變量值，農(nóng)業(yè)機械總動力等其他投入分別乘以系數(shù)B計算得到玉米生產(chǎn)的相應(yīng)變量值，主要變量的描述性統(tǒng)計特征見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省玉米生長期氣候特征分析

2.1.1 氣候特征的年際與空間變化

本文基于SPEI指數(shù)分析了河北省1978—2018年氣候的分布特征。從圖1中可看出，1978—1997年雖然干旱氣候偶有出現(xiàn)，但氣候總體偏濕潤正常。1997年以后氣候干旱化趨勢明顯增加，且主要以輕旱和中等干旱為主。2008年氣候干旱化趨勢減緩，氣候逐漸恢復(fù)濕潤正常。2014年開始氣候偏離正常狀態(tài)，氣候逐漸趨向干旱化。從圖1可以看出，1997年氣候最干旱年份偏離正常氣候的程度要大于1995年最濕潤年份偏離正常氣候狀態(tài)的程度，說明氣候干旱化的嚴重程度要大于濕潤化的程度。河北省是全球主要的水資源漏斗區(qū)之一，干旱化趨勢進一步加劇了當?shù)厮Y源短缺的危機，不利于糧食生產(chǎn)。

根據(jù)表1的SPEI干旱等級劃分標準，統(tǒng)計1978—2018年河北省133個站點的氣候干旱頻率和濕潤頻率的空間分布情況。從圖1可以看出，133個站點中干旱氣候發(fā)生頻率分布于0.561 0～ 0.731 7。各地區(qū)之間的干旱發(fā)生頻率存在地區(qū)差異。河北省南部和東部，北部和中部地區(qū)的干旱氣候發(fā)生頻率相對較高。從地市層面看，干旱頻率高值區(qū)集中在廊坊市、保定市、承德市以及張家口部分地區(qū)，平均發(fā)生頻率均在0.65以上。這表明這些地區(qū)的玉米生長期容易出現(xiàn)干旱災(zāi)害。干旱頻率低值區(qū)集中在衡水市、唐山市和秦皇島市。這表明這些地區(qū)的玉米生長期氣候干旱災(zāi)害發(fā)生頻率相對其他地區(qū)較低。

濕潤氣候發(fā)生頻率分布在0.195 1～0.487 8，表明總體上濕潤氣候發(fā)生頻率比干旱氣候發(fā)生頻率低，洪澇災(zāi)害的發(fā)生概率低于干旱災(zāi)害。地區(qū)之間濕潤氣候發(fā)生頻率的分布差異較大，河北省東部和中部地區(qū)的濕潤氣候發(fā)生頻率相較于南部和北部較高。從地市層面看，濕潤頻率高值區(qū)集中在保定市和唐山市，平均發(fā)生概率在0.38以上。這表明這些地區(qū)的氣候出現(xiàn)濕潤化的頻率較高。濕潤頻率低值區(qū)集中在石家莊市和邢臺市，平均發(fā)生頻率在0.34以下。這表明這些地區(qū)的氣候濕潤化趨勢略低于其他地區(qū)。

河北省的氣溫和降水在空間上分布不均，干旱和濕潤氣候的區(qū)域性特征明顯。保定市同時是干旱氣候和濕潤氣候發(fā)生頻率的高值區(qū)。這表明保定市的玉米生產(chǎn)更容易受到干旱和洪澇災(zāi)害的侵襲。衡水、邯鄲和石家莊市的干旱氣候和濕潤氣候發(fā)生頻率都處于低值區(qū)。這表明這些地區(qū)的玉米生產(chǎn)條件相對穩(wěn)定。

2.1.2 玉米平均技術(shù)效率分析

1993—2018年河北省各個地級市玉米生產(chǎn)的平均技術(shù)效率情況如表3所示。全省玉米生產(chǎn)的平均技術(shù)效率為0.890 7。從地區(qū)看，河北東部地區(qū)玉米生產(chǎn)技術(shù)效率值最高，為0.951 1。河北中部地區(qū)玉米生產(chǎn)技術(shù)效率值次高，為0.920 8。河北南部地區(qū)的玉米生產(chǎn)技術(shù)效率值較低，為0.897 1。河北北部的玉米生產(chǎn)技術(shù)效率值最低，為0.739 9。河北南部地區(qū)的氣候相對穩(wěn)定，干旱災(zāi)害和洪澇災(zāi)害的發(fā)生頻率相對其他地區(qū)較少。河北中部地區(qū)的氣候干旱頻率和濕潤頻率都較高。河北東部地區(qū)的氣候濕潤頻率最高，氣候干旱頻率較低。河北北部地區(qū)的氣候干旱頻率最高，濕潤概率較低。

從地市角度來看，張家口市、承德市、廊坊市和滄州市玉米生產(chǎn)的技術(shù)效率值低于全省平均水平，其他城市玉米生產(chǎn)的技術(shù)效率值均在平均水平之上。石家莊市、保定市、秦皇島市、邯鄲市、唐山市、邢臺市和衡水市玉米生產(chǎn)的技術(shù)效率值均在0.9以上。廊坊市和滄州市的技術(shù)效率值在0.85以上，張家口市和承德市的技術(shù)效率值在0.82以下，處于省內(nèi)較低水平。邯鄲市是河北省玉米生產(chǎn)技術(shù)效率值最高的地區(qū)，為0.954 8。這表明衡水市玉米種植在技術(shù)效率上具有明顯優(yōu)勢。原因可能是衡水市氣候狀況相對穩(wěn)定，干旱化和濕潤化的頻率都比較低。

2.2 氣候變化對糧食產(chǎn)出的影響

本文使用的數(shù)據(jù)是面板數(shù)據(jù)，時間序列長度為24年。時間序列可能存在單位根的情況。本文在模型估計之前對相關(guān)變量做了單位根檢驗，以確定使用數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性。本文主要采用LLC方法和IPS方法，兩種檢驗方法的原假設(shè)是含有單位根。各變量通過了顯著性檢驗，拒絕了原假設(shè)，表明面板數(shù)據(jù)平穩(wěn)。

本文得到的最終似然估計結(jié)果為表4所呈現(xiàn)的結(jié)果。模型總體估計效果良好，值為99%，且在1%的顯著性水平上通過檢驗，表明河北玉米生產(chǎn)存在顯著的技術(shù)效率損失且復(fù)合誤差中的變異主要是由于技術(shù)無效率引起的。結(jié)果中βjs 、θmn系數(shù)不全為0，且通過顯著檢驗，表明選擇超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)分析河北地區(qū)玉米生產(chǎn)技術(shù)效率合理。

從參數(shù)估計結(jié)果來看，時間變量的二次項系數(shù)為正值，且通過1%顯著性水平檢驗。這表明存在技術(shù)進步對糧食產(chǎn)出的影響，但是技術(shù)進步的作用很小。氣候變化指標SPEI在玉米生長期對產(chǎn)出影響的一次項系數(shù)顯著為正，二次項系數(shù)顯著為負。這表明在玉米生長期，氣候變化與玉米產(chǎn)量存在“倒U型”非線性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，氣候變化干旱頻率或濕潤頻率的增加對玉米生產(chǎn)有正向作用。超過一定范圍時，氣候變化對玉米生產(chǎn)起到負向影響。這符合生產(chǎn)經(jīng)驗。玉米是喜溫耐旱作物，生長期內(nèi)對溫度和降水量有一定要求。溫度過高或降水過多時，氣孔關(guān)閉，光合作用下降，對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。河北省水資源短缺嚴重。氣候變化的干旱趨勢會帶來溫度升高和降水量減少，整體不利于河北省玉米的生產(chǎn)穩(wěn)定。

勞動力的一次項系數(shù)顯著為正，表明勞動投入對玉米產(chǎn)出主要起正向影響。農(nóng)用機械動力的一次項、二次項系數(shù)都通過了1%顯著性水平檢驗，且符號為正。這表明農(nóng)用機械投入的增加有利于玉米增產(chǎn)。農(nóng)藥投入的估計系數(shù)未通過顯著性檢驗，表明農(nóng)藥對玉米產(chǎn)量的影響并不顯著。化肥投入的估計系數(shù)顯著為負，這表明化肥投入的逐漸增加引起玉米產(chǎn)量反向變動。化肥的一次項和二次項估計符號為負，且通過了顯著性水平檢驗，這表明化肥投入增加無益于玉米產(chǎn)量的增加。

2.3 氣候變化對玉米生產(chǎn)技術(shù)效率的影響

本文采用技術(shù)效率損失模型分析河北省玉米生長期氣候變化對玉米技術(shù)效率的影響。利用SPEI指數(shù)劃分標準，將玉米生長期的氣候劃分為：輕中度干旱、極端干旱、輕中度濕潤、極端濕潤。衡量以上四種氣候狀態(tài)對技術(shù)效率損失的影響。模型估計結(jié)果如表5所示。

δ1的系數(shù)為正，且通過了1%水平的顯著性檢驗，表示技術(shù)非效率項是有時變性的。隨著時間的推移，技術(shù)效率損失有所增加，技術(shù)效率無明顯改善跡象。本文設(shè)定的4個氣候虛擬變量均通過了1%水平的顯著性檢驗，其中，輕中度干旱和極端干旱氣候均對技術(shù)非效率項產(chǎn)生正向影響，極端干旱氣候?qū)夹g(shù)非效率項的影響最嚴重。輕中度濕潤氣候和極端濕潤氣候?qū)夹g(shù)非效率項產(chǎn)生負影響。這表明濕潤氣候?qū)τ衩咨a(chǎn)技術(shù)效率的提高具有正向影響。氣候越濕潤，河北省玉米生產(chǎn)技術(shù)效率的損失越小，技術(shù)效率越大。這表明氣候因素中，干旱是造成河北省玉米生產(chǎn)技術(shù)效率損失的主要原因。這與本文在彈性分析和技術(shù)效率區(qū)域分析時的結(jié)論相一致。

3 結(jié)論與啟示

本文利用1978—2018年河北省氣象數(shù)據(jù)構(gòu)建了SPEI指數(shù)作為綜合氣候指標，分析了河北省氣候干旱和濕潤頻率的變化特征。基于河北省1993—2018年玉米生產(chǎn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)模型測算了各市玉米生產(chǎn)的技術(shù)效率。同時，利用SPEI指數(shù)和技術(shù)效率損失模型實證分析了氣候因素對河北省玉米生產(chǎn)技術(shù)效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)：1）1997年以前河北氣候以濕潤正常為主，1998年以后氣候干旱趨勢明顯。河北省氣候整體趨向于干旱化。2）河北省干旱頻率高值區(qū)集中在北部和中部地區(qū)，濕潤頻率高值區(qū)集中在東部和中部地區(qū)。廊坊市、保定市、承德市和張家口市是干旱頻率較高的地區(qū)。保定市和唐山市是濕潤頻率較高的地區(qū)。各個市的氣候濕潤頻率低于干旱頻率。3）玉米生長期的氣候變化與玉米生產(chǎn)存在非線性關(guān)系。4）河北省玉米生產(chǎn)的平均技術(shù)效率存在地區(qū)差異。衡水市玉米生產(chǎn)的技術(shù)效率最高，張家口和承德市玉米生產(chǎn)的技術(shù)效率較低。5）河北省玉米生產(chǎn)技術(shù)效率損失的主要原因是干旱氣候。氣候變化帶來的濕潤頻率增加能夠緩解效率損失，對技術(shù)效率具有正向影響。

基于以上結(jié)論，得出啟示如下：第一，應(yīng)加強現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)，建立健全農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警機制，提高農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報能力。第二，應(yīng)適當減少化肥和農(nóng)藥施用量，制定規(guī)范有區(qū)別的施用方案，提高化肥農(nóng)藥的利用效率，達到減量增效的效果。第三，應(yīng)減少玉米非優(yōu)勢種植區(qū)玉米種植面積，張家口市和承德市玉米生產(chǎn)技術(shù)效率水平較低，可適當減少玉米種植面積。第四，應(yīng)繼續(xù)加強抗旱能力建設(shè)，干旱氣候是玉米生產(chǎn)技術(shù)效率損失的重要原因，應(yīng)持續(xù)推進旱澇保收的高標準農(nóng)田工程建設(shè)，減少旱情對玉米生產(chǎn)的影響。

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