山東省農(nóng)業(yè)氣象災害與主要農(nóng)作物產(chǎn)量的灰色關聯(lián)分析*

于小兵，陳 虹，吉中會，李陳靚

(1. 南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044；2. 南京信息工程大學 管理工程學院，江蘇 南京210044)

作為產(chǎn)糧大省，農(nóng)業(yè)在山東經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位。據(jù)統(tǒng)計，2016年山東省發(fā)生了包括低溫冷凍、風雹、洪澇、干旱在內(nèi)的多種自然災害。其中，農(nóng)作物受災面積達552.24 khm2，成災面積為300.13 khm2，絕收面積達到62.12 khm2。直接經(jīng)濟損失70.39億元，農(nóng)業(yè)損失63.68億元，占比超過90%?？梢姡芯可綎|省農(nóng)業(yè)氣象災害對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響具有重要現(xiàn)實意義。

國外學者針對氣象災害對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響開展了大量研究[1-3]。國內(nèi)學者也對此進行了研究[4-7]。余會康等[8]分析了不同階段氣象變化對福建省糧食產(chǎn)量的影響。楊月鋒等[9]發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化投入水平狀況、生產(chǎn)資料及糧食價格政策是福建省糧食產(chǎn)量變化的主要驅動因素。部分學者利用灰色關聯(lián)法對農(nóng)業(yè)氣象災害評估進行研究[10-13]。溫丹蘋等[14]構建了一種基于灰色關聯(lián)分析法的數(shù)理模型用以分析大豆產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)氣象災害變化特征。馬建勇等[15]采用灰色關聯(lián)法對東北地區(qū)1971-2009年間農(nóng)業(yè)氣象災害的變化趨勢及其對糧食產(chǎn)量的影響開展了研究。

目前，已有大量關于農(nóng)業(yè)氣象災害和糧食產(chǎn)量方面的研究，但主要集中討論全國或省(市、自治區(qū))氣象災害的歷史變化趨勢及其對糧食總產(chǎn)量的影響，鮮有學者以相對災損量指標為切入點對農(nóng)業(yè)氣象災害與作物產(chǎn)量關系進行研究。本研究依據(jù)中國種植業(yè)管理司1950-2016年的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用灰色關聯(lián)分析法對農(nóng)作物總產(chǎn)量與氣象災害受災范圍及其單產(chǎn)與農(nóng)業(yè)氣象災害強度之間的關系進行深入研究。

1 資料與研究方法

1.1 資料來源

本研究選取山東省農(nóng)作物的單產(chǎn)資料，旱災、水災、風雹、低溫、臺風的受災面積、成災面積和絕收面積。統(tǒng)計資料來源于《中國統(tǒng)計年鑒》及《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料》和農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司災情數(shù)據(jù)庫，一共采用了67年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(1950-2016年)。

1.2 研究方法

1.2.1 受災比率及相對災損量

受災比率是農(nóng)作物受災面積占該種農(nóng)作物播種面積的百分比，表示受氣象災害影響的農(nóng)作物受災范圍的大小; 災損量是農(nóng)業(yè)氣象災害致使作物的減產(chǎn)量，表示農(nóng)業(yè)氣象災害對作物產(chǎn)量影響的強弱。因此，可采用受災比率和災損量來表征氣象災害對某種農(nóng)作物受災范圍和災害強度的影響。受災面積、成災面積和絕收面積是災情統(tǒng)計中最常用的指標。其中，因災害致使減產(chǎn)10% 以上的種植面積為受災面積; 因災害致使減產(chǎn) 30% 以上的種植面積為成災面積; 因災害致使減產(chǎn)80% 以上的種植面積為絕收面積。減產(chǎn)分成法可對各類農(nóng)業(yè)氣象災害造成的糧食減產(chǎn)量進行估算，故采用減產(chǎn)分成法對各類農(nóng)業(yè)氣象災害造成的農(nóng)作物災損量進行估計[14]，以1950-2016年發(fā)生的農(nóng)業(yè)氣象災害為例，則災損量可表達為：

Yij=(0.1×Aij+0.2×Bij+0.5×Cij)×Dj,i=1,2,3,4,5;j=1,2,…,67。

(1)

式中:i=1,2,3,4,5分別表示洪澇災、干旱災、風雹災、低溫災和臺風災。j表示所研究的種植周期，j=1表示1950年；Yij為第i類農(nóng)業(yè)氣象災害在第j年的造成的農(nóng)作物災損量(kg / hm2)。Aij，Bij和Cij分別表示第i類農(nóng)業(yè)氣象災害在第j年某種農(nóng)作物的受災面積、成災面積和絕收面積(hm2)。Dj表示第j年某種農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量(kg/ hm2)。

相對災損量 表示不同年份不同農(nóng)業(yè)氣象災害造成農(nóng)作物減產(chǎn)的相對損失程度，它避免了時空分布特征對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，具有可比較性。 表示第i類農(nóng)業(yè)氣象災害在第j年的農(nóng)作物災損量與該年農(nóng)作物總減產(chǎn)量的比值，即：

(2)

1.2.2 灰色關聯(lián)分析

灰色關聯(lián)分析是衡量因素之間關聯(lián)程度強弱的多因素統(tǒng)計分析方法。在系統(tǒng)發(fā)展過程中，關聯(lián)度越強，說明因素間關系越緊密; 反之，則越不緊密?；貧w分析、方差分析和主成分分析等方法要求樣本具有某類典型概率分布特征，而灰色關聯(lián)分析則不需要。鑒于本文所需數(shù)據(jù)不滿足典型概率分布特征，故在此運用灰色關聯(lián)法進行分析，具體步驟如下:

(1) 確定參考數(shù)列和比較數(shù)列。如以1950-2016年某種農(nóng)作物單產(chǎn)的時間序列數(shù)據(jù)為參考數(shù)列，以1950-2016年5類農(nóng)業(yè)氣象災害相對災損量的時間序列數(shù)據(jù)為比較數(shù)列。由于農(nóng)業(yè)氣象災害相對災損量與農(nóng)作物單產(chǎn)之間存在負相關關系，故將其相對災損量數(shù)據(jù)倒數(shù)化后進行計算。假設原始數(shù)據(jù)為Xu=(Xu(1),Xu(2),…Xu(n))(u=0,1,2,3,4,5；n=1,2,…,15)。其中，參考數(shù)列為X0某種農(nóng)作物單產(chǎn)，比較數(shù)列分別為X1洪澇災相對災損量的倒數(shù)化，X2旱災相對災損量的倒數(shù)化，X3風雹災相對災損量的倒數(shù)化，X4低溫災相對災損量的倒數(shù)化和X5臺風災相對災損量的倒數(shù)化。

(2) 處理原始數(shù)據(jù)Xu。為消除原始數(shù)據(jù)在量綱和數(shù)量級上的差異，采用均值化方法處理原始數(shù)據(jù)，即：

(3)

(4)

(4) 計算關聯(lián)系數(shù)ρ0u。Δ(min)和Δ(max)分別為全部u個比較數(shù)列在各期絕對差值中的最小者和最大者。ρ0u為比較數(shù)列與參考數(shù)列在t時期的關聯(lián)系數(shù)。

(5)

式中：ε為分辨系數(shù)，用以削弱Δ(max)過大而致使關聯(lián)系數(shù)失真的影響，文中ε= 0.2。

(5) 關聯(lián)度ρ0u的計算與比較。

(6)

式中：ρ0u表示比較數(shù)列u與參考數(shù)列的關聯(lián)度。關聯(lián)度越大，兩者關系越緊密。根據(jù)關聯(lián)度的大小進行排序，確定比較數(shù)列對參考數(shù)列的相關程度。

2 山東省主要農(nóng)作物與農(nóng)業(yè)氣象災害分析

2.1 山東省小麥產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)氣象災害分析

1950-2016年，山東省小麥單產(chǎn)和小麥總產(chǎn)整體均呈現(xiàn)上升的趨勢(圖1)。其中: 第1階段(1950-1959年) ，山東省小麥單產(chǎn)和總產(chǎn)均較為平穩(wěn)；第2階段(1960-1969年) ，山東省小麥單產(chǎn)和總產(chǎn)均呈先減少后增加的趨勢，并在1969年達到歷史最低，小麥單產(chǎn)為25.81 kg/hm2，總產(chǎn)為131.5萬t；第3階段(1970-1979年)、第4階段(1980-1989年)、第5階段(1990-1999年)和第6階段(2000-2009年) 四個階段均呈現(xiàn)波動上升趨勢。第7階段(2010-2016年)，小麥單產(chǎn)和總產(chǎn)均為平穩(wěn)上升趨勢，均在2015年達到歷史最高。

圖1 山東省1950-2016年小麥單產(chǎn)及總產(chǎn)量變化

在受災范圍的關聯(lián)分析中，以1950-2016年山東省小麥總產(chǎn)量為參考數(shù)列，以 1950-2016年山東省小麥5類農(nóng)業(yè)氣象災害受災比率為比較數(shù)列，計算山東省小麥總產(chǎn)量和5類農(nóng)業(yè)氣象災害受災比率的關聯(lián)度(表1)。

結果表明，第1、2、3階段的臺風受災范圍與山東省小麥總產(chǎn)量的關聯(lián)度最高，其次是風雹，臺風是山東省1950-1979年影響小麥總產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。第4階段各類氣象災害的受災范圍與小麥總產(chǎn)的關聯(lián)度由高到低排序為:旱災、洪澇、風雹、低溫和臺風，旱災是山東省1980-1989年影響小麥總產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。第5、6階段洪澇、旱災、風雹、低溫和臺風的受災范圍與山東省小麥總產(chǎn)的關聯(lián)度由高到低排序均為: 風雹、洪澇、旱災、低溫和臺風。第7階段中，洪澇是山東2010-2016年影響小麥總產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。

總體而言，風雹、旱災和洪澇對山東省小麥產(chǎn)量危害較大。風雹在7個階段中的關聯(lián)度均位列前茅，是影響山東省小麥總產(chǎn)的關鍵農(nóng)業(yè)氣象災害。在研究周期內(nèi)，風雹、旱災、洪澇三者的關聯(lián)度分別為0.907、0.882和0.878，故從受災范圍角度看，風雹、旱災和洪澇對山東省小麥生產(chǎn)具有較大影響。

在災害強度分析中，以山東省小麥5類農(nóng)業(yè)氣象災害的相對災損量為比較數(shù)列。以1950-2016年山東省小麥單產(chǎn)為參考數(shù)列，計算山東省小麥單產(chǎn)與5類農(nóng)業(yè)氣象災害的關聯(lián)度(表2)。

結果表明，第1階段洪澇災、旱災、風雹、低溫和臺風的災害強度與山東省小麥單產(chǎn)的關聯(lián)度由高到低為: 低溫、臺風、洪澇、旱災和風雹; 第2階段5類農(nóng)業(yè)氣象災害強度與小麥單產(chǎn)關聯(lián)度由高到低為: 洪澇、臺風、低溫、旱災和風雹；第3、4、5、6、7階段5類農(nóng)業(yè)氣象災害強度與山東省小麥單產(chǎn)的關聯(lián)度排序中，關聯(lián)度最高的均為旱災。在總的研究周期內(nèi)，旱災對山東省小麥單產(chǎn)的影響程度最大，是第三階段至第七階段的關鍵農(nóng)業(yè)氣象災害，洪澇和風雹次之，而臺風和低溫在該階段對小麥單產(chǎn)影響較小。

表1 小麥總產(chǎn)與受災比率的灰色關聯(lián)度分析

表2 小麥單產(chǎn)與相對災損量的灰色關聯(lián)度分析

表3 玉米總產(chǎn)與受災比率的灰色關聯(lián)分析

表4 玉米單產(chǎn)與相對災損量的灰色關聯(lián)分析

2.2 山東省玉米產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)氣象災害分析

1950-2016年，山東省玉米單產(chǎn)和玉米總產(chǎn)整體上均呈現(xiàn)增加的趨勢(圖2)。第1階段，玉米單產(chǎn)和總產(chǎn)均較為平穩(wěn)，無明顯波動。第2階段的山東省玉米單產(chǎn)和總產(chǎn)在1960年達到歷史最低，玉米單產(chǎn)52.43 kg/hm2，玉米總產(chǎn)為74.9萬t。第3階段至第6階段這四個階段均呈現(xiàn)波動上升，其中第5階段和第6階段波動較為劇烈。第7階段，山東省玉米單產(chǎn)在2012年達到歷史最高440.57 kg/hm2，而總產(chǎn)呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，在2016年達到歷史最高2 064.95萬t。1960年山東省玉米單產(chǎn)約為研究期內(nèi)玉米單產(chǎn)峰值的11.9%，而1960年山東省玉米總產(chǎn)量約為研究期內(nèi)玉米總產(chǎn)量峰值的3.63%。

圖2 1950-2016年玉米單產(chǎn)及總產(chǎn)量變化

在受災范圍的關聯(lián)分析中，以1950-2016年山東省玉米總產(chǎn)量為參考數(shù)列，以 1950-2016年山東省玉米5類農(nóng)業(yè)氣象災害受災比率為比較數(shù)列，計算山東省玉米總產(chǎn)量和5類農(nóng)業(yè)氣象災害受災比率的關聯(lián)度(表3)。結果表明，第1、2階段臺風災害與山東省玉米總產(chǎn)的關聯(lián)度最高，其次是風雹。臺風是山東省1950-1979年影響玉米總產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。第3、4階段受災范圍與山東省玉米總產(chǎn)的關聯(lián)度最高分別為洪澇和旱災。第5、6階段風雹災的受災范圍與山東省玉米總產(chǎn)的關聯(lián)度最高，風雹是山東省1990-2009年影響玉米總產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。第7階段關聯(lián)度由高到低排序為：低溫、洪澇、風雹、旱災和臺風。從受災范圍看，在研究周期內(nèi)，風雹是關鍵農(nóng)業(yè)氣象災害，低溫和旱災次之，三者關聯(lián)度分別為0.881、0.864和0.864。

在災害強度分析中，以山東省玉米5類農(nóng)業(yè)氣象災害的相對災損量為比較數(shù)列。以1950-2016年山東省玉米單產(chǎn)為參考數(shù)列，計算山東省玉米單產(chǎn)與5類農(nóng)業(yè)氣象災害的關聯(lián)度(表4)。

結果表明，第1階段洪澇、旱災、風雹、低溫和臺風的災害強度與山東省玉米單產(chǎn)的關聯(lián)度由高到低排序為: 低溫、臺風、洪澇、旱災和風雹; 第2階段5類農(nóng)業(yè)氣象災害強度與山東省玉米單產(chǎn)的關聯(lián)度由高到低排序為: 洪澇、臺風、低溫、旱災和風雹；第3～7階段5類農(nóng)業(yè)氣象災害強度與山東省玉米單產(chǎn)的關聯(lián)度排序中，旱災均為關聯(lián)度最高者，洪澇和風雹次之。在研究周期內(nèi)，5類農(nóng)業(yè)氣象災害強度與山東省玉米單產(chǎn)的關聯(lián)度排序由高到低為: 旱災、洪澇、風雹、臺風和低溫。從災害強度看，總體來說，旱災對山東省玉米單產(chǎn)的危害最大，洪澇和風雹次之，而臺風和低溫對山東省玉米單產(chǎn)影響較小。

2.3 山東省棉花產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)氣象災害分析

1950-2016年，山東省棉花單產(chǎn)和棉花總產(chǎn)整體上均呈現(xiàn)上升的趨勢(圖3)。其中: 第1階段、第2階段和第3階段，山東省棉花單產(chǎn)和總產(chǎn)均較為平穩(wěn)。第4階段和第5階段均先劇烈上升后劇烈下降，且棉花總產(chǎn)量在1984年達到歷史最高172.5萬t后開始劇烈下降，棉花單產(chǎn)在劇烈下降后有所上升；第6階段和第7階段，山東省棉花單產(chǎn)呈波動上升趨勢，在2016年達歷史最高78.57 kg/hm2，而棉花總產(chǎn)則先上升后下降。1961年山東省棉花單產(chǎn)約為研究期內(nèi)棉花單產(chǎn)峰值的6.75%，而1961年山東省棉花總產(chǎn)量約為研究期內(nèi)棉花總產(chǎn)量峰值的1.86% 。

圖3 1950-2016年棉花單產(chǎn)和總產(chǎn)量的變化

表6 棉花單產(chǎn)與相對災損量的灰色關聯(lián)分析

在受災范圍的關聯(lián)分析中，以1950-2016年山東省棉花總產(chǎn)量為參考數(shù)列，以1950-2016年山東省棉花5類農(nóng)業(yè)氣象災害受災比率為比較數(shù)列，計算山東省棉花總產(chǎn)量和5類農(nóng)業(yè)氣象災害受災比率的關聯(lián)度(表5)。結果表明，第1、2、3階段臺風的受災范圍與山東省棉花總產(chǎn)的關聯(lián)度最高，臺風是山東省1950-1979年影響棉花總產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。第4階段農(nóng)業(yè)氣象災害的受災范圍與棉花總產(chǎn)的關聯(lián)度由高到低排序為:旱災、風雹、洪澇、低溫和臺風，旱災是山東省1980-1989年影響棉花總產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。第5～7階段的關聯(lián)度由高到低排序均為: 風雹、洪澇、旱災、低溫和臺風，風雹是山東省1990-2016年影響棉花總產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。但總體來看，風雹、旱災和洪澇是影響山東棉花作物總產(chǎn)的關鍵農(nóng)業(yè)氣象災害。

從受災范圍看，風雹、旱災和洪澇對山東省棉花產(chǎn)量危害較大。風雹是關鍵農(nóng)業(yè)氣象災害，旱災和洪澇次之，三者關聯(lián)度分別為0.900、0.875和0.869。在災害強度分析中，以山東省棉花5類農(nóng)業(yè)氣象災害的相對災損量為比較數(shù)列。以1950-2016年山東省棉花單產(chǎn)為參考數(shù)列，計算山東省棉花單產(chǎn)與5類農(nóng)業(yè)氣象災害的關聯(lián)度(表6)。結果表明，第1階段洪澇、旱災、風雹、低溫和臺風的災害強度與山東省棉花單產(chǎn)的關聯(lián)度由高到低排序為: 低溫、洪澇、臺風、旱災和風雹; 第2階段的關聯(lián)度由高到低排序為: 洪澇、臺風、低溫、旱災和風雹；第3～6階段5類農(nóng)業(yè)氣象災害強度與山東省棉花單產(chǎn)的關聯(lián)度排序中，旱災均為關聯(lián)度最高者，洪澇和風雹次之。在研究周期內(nèi)，5類農(nóng)業(yè)氣象災害強度與山東省棉花單產(chǎn)的關聯(lián)度排序由高到低為: 旱災、洪澇災、風雹災、臺風災和低溫災。

3 結論

本文采用灰色關聯(lián)法對山東省主要農(nóng)作物產(chǎn)量與氣象災害受災范圍及災害強度間的關系進行研究。從整個研究周期來看，在受災范圍方面，風雹、旱災是影響山東省三種農(nóng)作物總產(chǎn)量的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。從受災強度看，農(nóng)作物單產(chǎn)主要受到旱災和洪澇的影響。旱災無論從受災范圍還是災害強度上對農(nóng)作物的生產(chǎn)影響都較大。低溫和臺風則無論從受災范圍還是受災強度方面，對農(nóng)作物的生產(chǎn)影響都較小。因此，種植具有耐干旱特質(zhì)的農(nóng)作物品種對山東省農(nóng)戶而言是一個較好的選擇。