不同生長階段降水對(duì)夏玉米產(chǎn)出的影響

陳文婷，周曙東

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 210095)

一、引言

保障國家糧食安全是一個(gè)永恒課題[1]，氣候變化給糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2-3]。然而，全球和國家尺度上糧食作物產(chǎn)量對(duì)氣候變化的響應(yīng)仍然存在不確定性[4]。《中國氣候變化藍(lán)皮書(2021)》指出，“中國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)”，“1951—2020年，中國地表年均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，升溫速率為0.26 ℃/10年”，“平均年降水量呈增加趨勢(shì)，平均每10年增加5.1毫米，但降水變化區(qū)域間差異明顯，其中東北南部、華北東南部、黃淮大部、西南地區(qū)東部和南部、西北地區(qū)東南部呈減少趨勢(shì)”[5]。夏玉米是中國主要的糧食作物，屬于喜溫且需水較多的作物，主要分布在黃淮海地區(qū)，多為旱作地區(qū)，降水是夏玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的主要限制因素[6]。氣候變化背景下高溫、降水減少以及降水不均等現(xiàn)象加劇了夏玉米產(chǎn)出的不確定性。因此亟需厘清氣候變化下降水等氣候因素對(duì)夏玉米產(chǎn)出的影響，以期對(duì)未來采取緩解和適應(yīng)氣候變化的措施提供實(shí)證依據(jù)。

學(xué)者們?cè)诜治鰵夂蜃兓瘜?duì)農(nóng)作物產(chǎn)出的影響及其作用機(jī)制方面有豐富的研究成果。當(dāng)前，農(nóng)作物生長模擬模型和計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型是分析氣候變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)出的主要研究方法。前者多被自然科學(xué)領(lǐng)域所采用，通過控制性生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)農(nóng)作物生長要素的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，探析氣候因素變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的影響[7]。這種方法對(duì)于模擬估計(jì)特定地理區(qū)位的農(nóng)作物對(duì)氣候變化的響應(yīng)相較于后者更為精確，但需要大量的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，模擬的估計(jì)結(jié)果易受參數(shù)設(shè)定偏差的影響，空間代表性有限[8]；后者多被社會(huì)科學(xué)尤其是經(jīng)濟(jì)學(xué)科所采用，克服了前者未能充分考慮現(xiàn)實(shí)中農(nóng)戶適應(yīng)氣候變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。該方法基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)將社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素納入到氣候因素對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量或利潤影響的計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型中，在模型設(shè)定正確的情況下具有較高的解釋力和有效性[9-10]。此外，單產(chǎn)模型相較于利潤函數(shù)模型而言能較大程度的避免由價(jià)格等帶來的潛在內(nèi)生性問題[11-12]。

氣候變化對(duì)中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的影響在農(nóng)作物種類和地區(qū)上存在巨大差異[13]，這是實(shí)證研究結(jié)果尚未達(dá)成一致的原因之一。此外，研究模型的設(shè)定、氣候變量的測(cè)度等因素也會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果出現(xiàn)差異。就氣候變化對(duì)玉米單產(chǎn)的影響而言，國家和省份尺度上玉米單產(chǎn)對(duì)氣候變化下年均氣溫與降水的響應(yīng)仍存在較大不確定性，具有代表性的文獻(xiàn)顯示：升溫對(duì)玉米單產(chǎn)被實(shí)證存在負(fù)向影響[14]，但也有研究認(rèn)為由于氣候變化適應(yīng)性措施的實(shí)施以及玉米喜溫耐熱的特性，升溫對(duì)玉米單產(chǎn)有正向影響[15]或影響不顯著[16]；關(guān)于氣候變化下的降水影響，部分研究認(rèn)為降水減少對(duì)玉米單產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生顯著不利影響[10]，相反，有的研究認(rèn)為由于灌溉的存在，降水對(duì)玉米單產(chǎn)的影響很小[14]。造成上述研究結(jié)果的差異，除了歸因于樣本所處省份的差異外，省份內(nèi)部的作物種類差異被忽視[13]，如山西省南部多為夏玉米，而北部多為春玉米，生育期存在差異。為此，學(xué)者們進(jìn)一步收集縣域面板數(shù)據(jù)，由年均氣溫和降水轉(zhuǎn)變?yōu)樽魑锷趦?nèi)的氣溫和降水均值，考察氣溫和降水變化對(duì)玉米單產(chǎn)的影響，以控制玉米不同類別造成的估計(jì)偏差。Chen等[17]發(fā)現(xiàn)氣溫和降水對(duì)玉米單產(chǎn)呈倒U型的非線性效應(yīng)，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末，升溫與降水的增加將導(dǎo)致玉米減產(chǎn)。此外，部分學(xué)者注意到農(nóng)作物生育期內(nèi)不同時(shí)期在評(píng)估氣候變化效應(yīng)的異質(zhì)性，他們應(yīng)用省級(jí)面板數(shù)據(jù)，分析了不同季節(jié)[18]和不同月份[19]的氣溫和降水變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)出的影響，但他們的分析只反映了兩者之間的線性擬合關(guān)系，且與農(nóng)作物生長階段的對(duì)應(yīng)關(guān)系尚不夠清晰。

現(xiàn)有文獻(xiàn)已取得相當(dāng)成果，這些研究為本文提供了相關(guān)的理論與實(shí)證支撐，已有借助計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型評(píng)估的氣候變化產(chǎn)出效應(yīng)多為平均意義上的結(jié)果，但對(duì)于結(jié)合農(nóng)作物生長習(xí)性，區(qū)分其不同生長階段氣候變化產(chǎn)出效應(yīng)的異質(zhì)性鮮有研究，仍存在進(jìn)一步拓展的空間。有鑒于此，本文在前人的研究基礎(chǔ)上，以河南夏玉米為例，結(jié)合夏玉米生長習(xí)性，基于1993—2020年河南夏玉米主產(chǎn)縣域的平衡面板數(shù)據(jù)，采用可行廣義最小二乘法(FGLS)雙向固定效應(yīng)模型，探索識(shí)別氣候變化背景下不同生長階段的降水等氣候因素對(duì)夏玉米產(chǎn)出的影響。本文從農(nóng)作物生長習(xí)性為切入點(diǎn)的研究視角可以為經(jīng)濟(jì)學(xué)實(shí)證分析氣候變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)出的估計(jì)及其作用機(jī)制提供新的研究視角，同時(shí)，其研究結(jié)果為旱作地區(qū)政府和玉米種植戶應(yīng)對(duì)氣候變化的策略提供了實(shí)證基礎(chǔ)。

二、理論框架與實(shí)證模型

(一)分析框架

經(jīng)濟(jì)再生產(chǎn)與自然再生產(chǎn)過程的有機(jī)交織是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最根本特征，因此，區(qū)別于其他部門生產(chǎn)要素的產(chǎn)出率基本上取決于技術(shù)及其應(yīng)用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要素產(chǎn)出率不僅取決于技術(shù)及其應(yīng)用，還取決于氣候等自然條件。由于氣候的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在不同年度之間表現(xiàn)出一種不確定性。

夏玉米喜暖濕氣候，是生育期需水較多的作物。對(duì)于夏玉米而言，降水不足，降水分布與夏玉米需水規(guī)律的不吻合，是制約夏玉米生產(chǎn)的首要自然因素，暖干的氣候變化趨勢(shì)會(huì)加劇這一問題[20]。由于夏玉米不同生長階段的生育特點(diǎn)，其在不同生長階段的需水規(guī)律存在階段性差異，因此夏玉米不同生長階段的降水變化會(huì)對(duì)其產(chǎn)出增長帶來不確定性。

水是玉米植株進(jìn)行光合作用與生化反應(yīng)的介質(zhì)，氣候變化通過影響土壤水分和養(yǎng)分的變化，進(jìn)而影響玉米的生態(tài)變化，最終影響其產(chǎn)量。參照玉米作物栽培的研究[21]2-6，本文將夏玉米的生育期劃分為苗期(播種至拔節(jié))、拔節(jié)期(拔節(jié)至開花)、抽穗期(抽雄穗至灌漿)、灌漿期(灌漿至成熟)四個(gè)生長階段。根據(jù)夏玉米不同生長階段的生長發(fā)育特點(diǎn)，夏玉米中期吸收水分最多，前期和后期對(duì)水分的需求量較低[21-22]。具體來看，夏玉米苗期是以營養(yǎng)器官生長為主，首先要保證種子發(fā)芽出苗，土壤濕度適宜，不僅關(guān)系到濕度因子的作用，而且影響到土壤通氣條件，過干或過濕均不利于種子發(fā)芽、出苗。一般河南夏玉米在收獲冬小麥后播種，耕層土壤含水率很低，若沒有降水，必須灌底墑水才能確保玉米播種與出苗、壯苗。只要灌好播前水，之后可適當(dāng)控水蹲苗，促進(jìn)根系向縱深發(fā)展；而拔節(jié)期是夏玉米農(nóng)田水利管理的關(guān)鍵階段，該時(shí)期夏玉米由單純的營養(yǎng)生長進(jìn)入營養(yǎng)生長與生殖生長并行的時(shí)期，玉米生殖器官發(fā)育對(duì)水分反應(yīng)比營養(yǎng)器官更敏感，旺盛的營養(yǎng)體生長需要有充足的水分供給，是夏玉米的需水敏感期。土壤水分虧損或濕度過大均會(huì)導(dǎo)致營養(yǎng)體的削弱，進(jìn)而影響雌、雄穗的發(fā)育，穗抽出時(shí)間推遲等問題；之后，夏玉米開始完全的生殖生長時(shí)期，抽穗期雖然天數(shù)最短，但因該期干物質(zhì)積累最快，生物產(chǎn)量最高，因而對(duì)水分最敏感，需水強(qiáng)度最高，是夏玉米需水臨界期。抽穗期水分充足不僅對(duì)開花授粉有益，增多穗粒數(shù)，有益粒重的提高，而水分不足，會(huì)使抽穗開花持續(xù)時(shí)間短，影響抽雄、雌穗分化，也影響植株上部葉片的抽出與展開，對(duì)后期籽粒灌漿有嚴(yán)重影響；進(jìn)入灌漿期以后夏玉米生長活動(dòng)逐漸緩慢，對(duì)水分的需求不斷減少，該時(shí)期正值雨季，一般情況下不需要灌水即可滿足需水要求，但該時(shí)期缺水會(huì)造成上部的籽粒發(fā)育不良、穗粒數(shù)減少等問題。適宜的水分供給不僅有利于營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸、積累，而且有保持葉片功能期長，避免過早衰老枯黃等功效。通過基于上述夏玉米不同生長階段的土壤水分情況對(duì)其產(chǎn)出影響的作用機(jī)制，本文提出一個(gè)待驗(yàn)證的假說：在考慮氣候變化適應(yīng)措施以及其他條件不變的情形下，降水對(duì)夏玉米呈現(xiàn)先增后降的非線性關(guān)系，且不同生長階段降水狀況對(duì)夏玉米單產(chǎn)的影響存在差異。

(二)實(shí)證模型與估計(jì)方法

基于以上分析框架并借鑒吸納相關(guān)文獻(xiàn)的變量設(shè)定，本文在C-D生產(chǎn)函數(shù)中納入氣候因素，構(gòu)建如下實(shí)證模型：

LnYit=β0+β1Pit+β2Tit+β3Hit+β4Dit+β5Ait+β6Xit+μi+λt+εit

(1)

(1)式中，下標(biāo)i和t分別表示樣本地區(qū)和年；Yit向量表示夏玉米單產(chǎn)；Pit向量表示夏玉米生育期的降水及其二次項(xiàng)；Tit向量表示夏玉米生育期的溫度及其二次項(xiàng)；Hit向量表示夏玉米生育期內(nèi)超過35 ℃的累計(jì)天數(shù)；Dit向量表示干旱的發(fā)生情況；Ait向量表示農(nóng)田水利狀況；Xit向量表示傳統(tǒng)的生產(chǎn)要素投入，包括單位面積的勞動(dòng)力投入、農(nóng)業(yè)機(jī)械的施用和化肥的投入，且以對(duì)數(shù)形式納入模型；模型采用納入地區(qū)和年份控制的雙向固定效應(yīng)，其中，地區(qū)固定效應(yīng)μi控制了土壤、地理特征等不隨時(shí)間變化的因素；時(shí)間固定效應(yīng)λt控制了樣本地區(qū)在t年的農(nóng)業(yè)政策沖擊以及技術(shù)進(jìn)步等不隨地區(qū)改變的因素；εit是隨機(jī)誤差項(xiàng)。β0為常數(shù)項(xiàng)，β1～β6為變量的估計(jì)系數(shù)。

進(jìn)一步地，本文通過農(nóng)田水利與干旱的交互項(xiàng)來考察灌溉措施在應(yīng)對(duì)干旱發(fā)生時(shí)的調(diào)節(jié)作用，具體表現(xiàn)為(2)式中的待估系數(shù)β7，(2)式中變量含義與式(1)一致。

LnYit=β0+β1Pit+β2Tit+β3Hit+β4Dit+β5Ait+β6Xit+β7AitDit+μi+λt+εit

(2)

考慮到樣本地區(qū)夏玉米不同生長階段對(duì)降水的敏感性差異，在上述理論分析的基礎(chǔ)上，本文按照夏玉米四個(gè)關(guān)鍵生長階段進(jìn)行劃分，以分析不同夏玉米生長階段的降水以及干旱對(duì)其單產(chǎn)的影響程度差異?？紤]不同夏玉米生長階段的方程為：

(3)

(4)

考慮到上述長面板數(shù)據(jù)模型可能存在異方差的問題，需使用Greene Wald檢驗(yàn)、Wooldrige Wald檢驗(yàn)以及Breusch-Pagan LM檢驗(yàn)[23-24]分別對(duì)組間異方差、組內(nèi)自相關(guān)和組間同期相關(guān)等問題進(jìn)行檢驗(yàn)，然后采用相應(yīng)的可行廣義最小二乘法(FGLS)等方法進(jìn)行估計(jì)。

三、數(shù)據(jù)來源與變量構(gòu)建

(一)數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來源于1993—2020年間河南省鄭州、洛陽、平頂山、安陽、新鄉(xiāng)、許昌、南陽、商丘、周口、駐馬店共10個(gè)夏玉米主產(chǎn)區(qū)的氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的平衡面板數(shù)據(jù)。其中，氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)，包括日均溫度、日最高溫度和日最低溫度，以及日降水量。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的數(shù)據(jù)來源于2006年至2021年的《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》以及1994年至2005年的《河南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。具體來看，1998年及之前的農(nóng)業(yè)從業(yè)人數(shù)來源于《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》和《河南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》，1998年之后的農(nóng)林牧漁從業(yè)人員、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值以及農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值數(shù)據(jù)來源于《河南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》；玉米單位面積產(chǎn)量、玉米播種面積以及農(nóng)作物總播種面積、耕地面積以及耕地有效灌溉面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、化肥折噸施用量數(shù)據(jù)來源于《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》和《河南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。

(二)變量設(shè)置及其描述性統(tǒng)計(jì)

1.夏玉米的單產(chǎn)。本文直接使用統(tǒng)計(jì)年鑒中各樣本地區(qū)夏玉米的單位面積產(chǎn)量作為因變量，單位為千克/公頃，以其對(duì)數(shù)的形式納入實(shí)證模型。

2.氣候因素。在降水方面，本文使用夏玉米生育期內(nèi)的日均降水及其二次項(xiàng)納入夏玉米生育期單產(chǎn)模型。進(jìn)一步地，為了探析不同生長階段內(nèi)的降水變化對(duì)夏玉米單產(chǎn)的影響，本文使用夏玉米不同生長階段內(nèi)的降水均值及其二次項(xiàng)納入其單產(chǎn)模型。

在溫度方面，本文同樣地考慮了夏玉米不分生長階段和分生長階段兩種情形，對(duì)夏玉米生育期內(nèi)的溫度均值以及不同生長階段的溫度均值予以控制。此外，本文還構(gòu)建了高溫變量以控制高溫?zé)岷?duì)夏玉米單產(chǎn)的影響?？紤]到夏玉米屬于高溫耐旱作物，且其生長在高溫季節(jié)，根據(jù)夏玉米的生理特性，參考董宛麟等[25]的研究，本文把夏玉米生育期內(nèi)日最高溫度超過35 ℃的累計(jì)天數(shù)作為高溫的代理變量。

在干旱方面，本文按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級(jí)(GB/T 20481-2017)》，利用夏玉米生育期以及各個(gè)生長階段的降水?dāng)?shù)據(jù)，利用降水量距平百分率年尺度劃分的干旱等級(jí)來判斷樣本地區(qū)的干旱發(fā)生情況，具體計(jì)算方法可參見上述國家標(biāo)準(zhǔn)，表1給出了降水量距平百分率干旱等級(jí)。據(jù)此，本文構(gòu)建樣本地區(qū)夏玉米整個(gè)生育期與各個(gè)生長階段的干旱發(fā)生虛擬變量，如果降水量距平百分率大于-15%，則為干旱未發(fā)生，賦值為0；否則，賦值為1。

表1 年尺度下降水距平百分率干旱等級(jí)劃分

3.農(nóng)田水利。部分學(xué)者采用有效灌溉面積除以農(nóng)作物的播種面積來代理基礎(chǔ)灌溉條件，但這樣會(huì)低估實(shí)際的灌溉比例，因?yàn)榘凑战y(tǒng)計(jì)年鑒中的指標(biāo)解釋，有效灌溉面積不是當(dāng)年的實(shí)際灌溉面積，而是具備灌溉條件，能正常灌溉的耕地面積。此外，根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，目前無法得到某一類作物實(shí)際的灌溉面積。因此，借鑒Deschênes 和Greenstone[26]以及陳帥等[27]的研究，本文利用耕地有效灌溉面積占比作為農(nóng)田水利的代理變量，即歷年統(tǒng)計(jì)年鑒中的有效灌溉面積除以耕地面積，該變量能夠客觀地表示樣本地區(qū)水利條件的狀況，一定程度上能夠刻畫人們應(yīng)對(duì)氣候條件的行為措施。

4.要素投入。根據(jù)本文討論的主題，本文將樣本地區(qū)玉米生產(chǎn)過程中單位面積的勞動(dòng)力投入、機(jī)械采用、化肥施用作為影響夏玉米單產(chǎn)的控制變量。在統(tǒng)計(jì)年鑒中，沒有上述樣本地區(qū)玉米各個(gè)要素投入的原有數(shù)據(jù)，需要根據(jù)現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建。本文參照周曙東和朱紅根[28]的方式對(duì)上述生產(chǎn)要素投入進(jìn)行處理，具體來看，關(guān)于勞動(dòng)力投入，把樣本地區(qū)玉米生產(chǎn)過程中的勞動(dòng)力投入由當(dāng)年農(nóng)業(yè)從業(yè)人員數(shù)乘以玉米播種面積占農(nóng)作物總播種面積比例，其中，由于1998年以前以及2017年至2020年沒有農(nóng)業(yè)從業(yè)人員這項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，因此，對(duì)于上述年份玉米生產(chǎn)過程中的勞動(dòng)投入設(shè)置為當(dāng)年農(nóng)林牧漁從業(yè)人員乘以農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值的比例和玉米播種面積占比；關(guān)于機(jī)械采用，通過農(nóng)業(yè)機(jī)械化總動(dòng)力乘以玉米播種面積占比來構(gòu)建；關(guān)于化肥投入，則通過化肥投入總量乘以玉米播種面積占比來構(gòu)建。為了得到單位面積的勞動(dòng)力、農(nóng)業(yè)機(jī)械和化肥三要素的投入，需分別對(duì)上述當(dāng)年玉米要素總投入除以玉米播種面積。在實(shí)證分析中，這三類傳統(tǒng)生產(chǎn)要素以對(duì)數(shù)的形式納入模型。

表2給出了1993年至2020年河南夏玉米生產(chǎn)排名前十位的主要縣市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣候條件變量的描述性統(tǒng)計(jì)。一公頃單位耕地面積上，平均而言，樣本地區(qū)投入1.957勞動(dòng)力，5.922千瓦農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力和0.408噸化肥可生產(chǎn)5249.613千克夏玉米。在氣候條件方面，平均而言，樣本地區(qū)夏玉米生育周期內(nèi)的日均溫度為26.12°C，日均降水量為0.429厘米，整個(gè)生育期內(nèi)平均有13天暴露在日最高溫超過35°C的環(huán)境下，氣象干旱發(fā)生率為0.371。

表2 變量描述性統(tǒng)計(jì)分析

圖1顯示了在1993年至2020年期間，各個(gè)樣本地區(qū)的夏玉米單產(chǎn)隨著時(shí)間呈逐漸上升趨勢(shì)，但各個(gè)地區(qū)的增長率存在差異，其中，商丘、周口、駐馬店增長較快。

圖1 樣本地區(qū)夏玉米單產(chǎn)的變動(dòng)趨勢(shì)

圖2展示了1993年至2020年樣本地區(qū)夏玉米生育周期內(nèi)溫度的變動(dòng)趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)除了安陽、許昌、商丘、駐馬店四地外，其余樣本地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)溫度均值均呈上升趨勢(shì)，但溫度上升的速率存在地區(qū)差異。

圖2 樣本地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)溫度的變動(dòng)趨勢(shì)

根據(jù)圖3顯示，總體上除了商丘之外，各個(gè)樣本地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)的降水均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但通過該圖同時(shí)發(fā)現(xiàn)，降水在各個(gè)地區(qū)以及不同年份之間存在明顯的差異，相較于樣本地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)溫度的波動(dòng)，降水的波動(dòng)幅度更大。因此，上述特征為本文研究降水變化及干旱對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響提供了較好的樣本。

圖3 樣本地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)降水的變動(dòng)趨勢(shì)

表3給出了樣本地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)不同生長階段干旱的發(fā)生率，依據(jù)樣本地區(qū)夏玉米生長階段的干旱分布來看，抽穗期相較于其他各期氣象干旱發(fā)生較頻繁。樣本地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)各生長階段干旱的發(fā)生概率在10%～16%。

表3 分生長階段河南夏玉米主產(chǎn)區(qū)干旱發(fā)生率

四、估計(jì)結(jié)果與分析

(一)降水變化及干旱對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響

1.基準(zhǔn)回歸結(jié)果及分析

由于本文的實(shí)證分析是基于1993年至2020年的各市樣本地區(qū)平衡面板數(shù)據(jù)，需要對(duì)長面板數(shù)據(jù)模型的隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)可能存在的異方差問題進(jìn)行檢驗(yàn)，否則會(huì)導(dǎo)致參數(shù)估計(jì)不再有效。通過Greene Wald檢驗(yàn)、Wooldrige Wald檢驗(yàn)以及Breusch-Pagan LM檢驗(yàn)分別對(duì)組間異方差、組內(nèi)自相關(guān)、組間同期相關(guān)進(jìn)行檢驗(yàn)，表4中所有模型存在組間異方差和組間同期相關(guān)造成的異方差問題，檢驗(yàn)結(jié)果均在1%統(tǒng)計(jì)水平上拒絕原假設(shè)，但無法拒絕不存在組內(nèi)相關(guān)的原假設(shè)。因此，本節(jié)使用同時(shí)解決組間異方差和同期相關(guān)問題的可行廣義最小二乘法(FGLS)對(duì)模型進(jìn)行估計(jì)。

表4給出了降水變化及干旱對(duì)樣本地區(qū)夏玉米單產(chǎn)影響的估計(jì)結(jié)果。表4中，模型1只包含了降水以及溫度及它們的二次項(xiàng)，模型2進(jìn)一步納入了高溫和干旱的極端氣象條件，模型3是納入了所有氣候變量、要素投入以及農(nóng)田水利的估計(jì)結(jié)果。結(jié)果顯示，不論是否控制其他氣候條件以及適應(yīng)措施，降水的一次項(xiàng)及其二次項(xiàng)均在1%統(tǒng)計(jì)水平上顯著，降水與夏玉米單產(chǎn)之間存在先增后減的非線性關(guān)系，呈倒U型，該結(jié)果與Chen等[17]、何為等[16]分別基于全國縣級(jí)面板數(shù)據(jù)與省級(jí)面板數(shù)據(jù)的結(jié)果一致。

表4 降水變化及干旱對(duì)河南夏玉米產(chǎn)量的影響

在溫度方面，模型2和模型3中的估計(jì)結(jié)果顯示，日最高溫度超過35 ℃以上的累計(jì)天數(shù)均在1%統(tǒng)計(jì)水平上顯著，而溫度二次項(xiàng)僅在模型2中通過了10%統(tǒng)計(jì)水平的檢驗(yàn)。由表2關(guān)于樣本地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)日均溫度的描述性統(tǒng)計(jì)可知，樣本地區(qū)夏玉米生育期內(nèi)的日均溫度在23.97 ℃～28.73 ℃，夏玉米屬于喜溫耐旱作物，對(duì)溫度敏感度不高，適當(dāng)?shù)纳郎乜梢蕴岣呦挠衩椎膯萎a(chǎn)，但極端高溫會(huì)對(duì)夏玉米的生產(chǎn)產(chǎn)生顯著的負(fù)向影響。

對(duì)于夏玉米而言，其生育期內(nèi)降水不足引起的干旱是影響夏玉米產(chǎn)量的重要?dú)庀笠蛩?。由模?和模型3對(duì)干旱以及農(nóng)田水利的估計(jì)結(jié)果可知，在考察降水不足引起的干旱對(duì)夏玉米實(shí)際產(chǎn)生的影響時(shí)，需要考慮適應(yīng)性措施行為所起的調(diào)節(jié)作用。模型3中干旱與農(nóng)田水利的估計(jì)系數(shù)均為正數(shù)，但沒有通過統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)，這說明適應(yīng)措施一定程度上緩解了干旱對(duì)夏玉米單產(chǎn)的負(fù)面影響，需要對(duì)兩者進(jìn)行交互以進(jìn)一步考察干旱發(fā)生對(duì)夏玉米單產(chǎn)的實(shí)際影響。

2.農(nóng)田水利對(duì)氣象干旱的作用效果

圖4 樣本地區(qū)氣象干旱對(duì)夏玉米單產(chǎn)的邊際效應(yīng)注：圖中的圓點(diǎn)為氣象干旱的平均邊際效應(yīng)，豎線為其95%的置信區(qū)間。

為了進(jìn)一步考察農(nóng)田水利的作用效果以及干旱對(duì)夏玉米實(shí)際產(chǎn)量造成的影響，表4中模型4的估計(jì)結(jié)果給出了農(nóng)田水利在緩解干旱對(duì)產(chǎn)量造成的不利影響中發(fā)揮的作用。具體來看，降水、溫度及高溫等氣象條件的估計(jì)系數(shù)與沒有考慮交互情形的模型3的自變量的顯著性及估計(jì)系數(shù)相近，互為穩(wěn)健性檢驗(yàn)。結(jié)合模型3的估計(jì)結(jié)果，模型4的估計(jì)結(jié)果表明，干旱對(duì)樣本地區(qū)夏玉米的單產(chǎn)造成顯著的負(fù)向影響，在1%的統(tǒng)計(jì)水平上顯著，而農(nóng)田水利作為適應(yīng)降水嚴(yán)重不足的措施顯著緩解了降水不足及干旱對(duì)夏玉米單產(chǎn)的負(fù)面影響，且在1%的統(tǒng)計(jì)水平上顯著。具體來說，干旱發(fā)生時(shí)，耕地有效灌溉比例增加一單位，將使得夏玉米單產(chǎn)增加3.4%。相較于未發(fā)生干旱情形，隨著灌溉比例的增加，干旱對(duì)單產(chǎn)的邊際效應(yīng)逐漸增大；當(dāng)耕地有效灌溉比例大于等于0.662時(shí)，干旱情形下的夏玉米單產(chǎn)預(yù)測(cè)邊際值比非干旱情形下的高。圖4顯示了不同耕地有效灌溉比例下干旱發(fā)生對(duì)樣本地區(qū)夏玉米單產(chǎn)的邊際效應(yīng)。

(二)不同生長階段降水變化及干旱對(duì)夏玉米產(chǎn)量的影響差異性

上述估計(jì)結(jié)果是夏玉米整個(gè)生育期內(nèi)的氣象條件及其適應(yīng)行為對(duì)其單產(chǎn)影響的平均意義上的結(jié)果。進(jìn)一步地，本節(jié)基于生命周期視角，區(qū)分夏玉米生長中的關(guān)鍵生長階段，分析不同生長階段內(nèi)的降水變化及干旱情況對(duì)夏玉米單產(chǎn)的異質(zhì)性效應(yīng)，并探究農(nóng)田水利設(shè)施在各個(gè)時(shí)期對(duì)于降水不足造成的干旱的減災(zāi)作用。

表5中，模型5和模型6的區(qū)別在于后者考慮了農(nóng)田水利為代理的適應(yīng)性行為對(duì)各個(gè)生長階段干旱發(fā)生的調(diào)節(jié)作用。經(jīng)過組間異方差、組內(nèi)自相關(guān)、組間同期相關(guān)的檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模型5和模型6僅存在組間異方差和組間同期相關(guān)引起的異方差問題，且檢驗(yàn)結(jié)果均在1%統(tǒng)計(jì)水平上拒絕原假設(shè)。因此，模型5和模型6均使用同時(shí)解決組間異方差和同期相關(guān)問題的FGLS估計(jì)法對(duì)模型進(jìn)行估計(jì)。模型5和模型6中，降水、溫度以及高溫的顯著性及估計(jì)系數(shù)相近，互為穩(wěn)健性檢驗(yàn)。結(jié)合表4的估計(jì)結(jié)果，表5揭示了如下關(guān)鍵結(jié)果：

表5 不同生長階段的降水變化及干旱對(duì)河南夏玉米主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量的影響

首先，降水對(duì)夏玉米單產(chǎn)存在先增后減的非線性關(guān)系，但各個(gè)生長階段的效應(yīng)存在差異。模型5和模型6的估計(jì)結(jié)果均顯示，夏玉米在抽穗期的降水與其單產(chǎn)存在“倒U型”非線性關(guān)系，且在5%統(tǒng)計(jì)水平上顯著；而苗期、拔節(jié)期降水增加有利于夏玉米單產(chǎn)，灌漿期降水增加則對(duì)夏玉米的單產(chǎn)有負(fù)向影響，但沒有通過統(tǒng)計(jì)性檢驗(yàn)。其中，樣本地區(qū)夏玉米抽穗期生長所需的最優(yōu)日均降水量為0.94 cm～0.97 cm，超過該范圍的降水則會(huì)對(duì)夏玉米的生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。因?yàn)橄挠衩资巧趦?nèi)需水較多但又忌水過多的旱作作物，在夏玉米的整個(gè)生長期中，中期抽穗期吸收水分最多，前期播種至出苗階段以及后期灌漿至成熟收獲階段對(duì)水分的需求量較低，進(jìn)入灌漿期以后玉米生長活動(dòng)變?nèi)?，?duì)水分的需求也不斷減少，由于灌漿期正值雨季，一般情況下，不需要灌水就可以滿足土壤水分要求。

其次，極端高溫會(huì)顯著地導(dǎo)致夏玉米減產(chǎn)。模型5和模型6的估計(jì)結(jié)果均顯示高溫會(huì)對(duì)夏玉米的單產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響，其中，拔節(jié)期和灌漿期日最高溫度超過35 ℃累計(jì)天數(shù)越久，對(duì)夏玉米單產(chǎn)的減產(chǎn)效應(yīng)就越大，均在1%統(tǒng)計(jì)水平上顯著。此外，除了抽穗期，其它生長階段的日均溫度及其二次項(xiàng)對(duì)夏玉米單產(chǎn)的影響并不顯著，結(jié)果顯示當(dāng)降水與灌溉條件能與之匹配的情況下，抽穗期適當(dāng)?shù)臏囟壬哂兄谙挠衩讍萎a(chǎn)的增加。

最后，應(yīng)對(duì)降水變化的適應(yīng)性措施減緩了干旱對(duì)夏玉米單產(chǎn)的影響。通過對(duì)比模型5和模型6中各個(gè)生長階段干旱與農(nóng)田水利及其交互項(xiàng)的估計(jì)結(jié)果可知，農(nóng)田水利設(shè)施緩解了干旱發(fā)生時(shí)對(duì)夏玉米單產(chǎn)的不利影響，其中，苗期、抽穗期、灌漿期發(fā)生干旱時(shí)，農(nóng)田水利起到了顯著的緩解作用，且分別在1%、5%與10%統(tǒng)計(jì)水平上顯著。在采取應(yīng)對(duì)降水不足的措施下，苗期、拔節(jié)期和灌漿期干旱的發(fā)生對(duì)夏玉米單產(chǎn)造成了顯著的負(fù)向影響。具體來看，由于河南夏玉米是在收獲冬小麥后播種的，農(nóng)田土壤水分經(jīng)過一個(gè)麥季已消耗殆盡，苗期干旱的發(fā)生會(huì)影響夏玉米的出苗、壯苗，進(jìn)而影響其產(chǎn)出，而在無降水的情況下及時(shí)灌溉可以保證土壤有較好的底墑，有利于苗全、苗壯；抽穗期則是夏玉米需水最敏感的時(shí)期，該期干旱會(huì)影響抽雄、雌穗分化等進(jìn)程，造成后期籽粒灌漿受到嚴(yán)重影響，模型的結(jié)果也印證了農(nóng)諺“春旱不算旱，秋旱減一半”的說法；灌漿期伏旱發(fā)生會(huì)導(dǎo)致籽粒發(fā)育不良、穗粒數(shù)減少等問題，進(jìn)而影響夏玉米的產(chǎn)出。

此外，根據(jù)表4和5中各模型所控制的傳統(tǒng)生產(chǎn)要素的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)于夏玉米單產(chǎn)的提升具有顯著的正向作用，且估計(jì)結(jié)果十分穩(wěn)健。

(三)內(nèi)生性討論與穩(wěn)健性檢驗(yàn)

1.內(nèi)生性的討論

現(xiàn)有關(guān)于氣候變化以及極端氣象情形對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的經(jīng)濟(jì)學(xué)研究中，學(xué)術(shù)界對(duì)于農(nóng)作物單產(chǎn)決定模型中是否應(yīng)該包含經(jīng)濟(jì)信號(hào)和氣候適應(yīng)性行為變量仍存在爭議[27]。部分學(xué)者認(rèn)為，適應(yīng)性行為及經(jīng)濟(jì)信號(hào)反映了農(nóng)戶對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)未來收益的預(yù)期，并且與氣候要素高度相關(guān)，符合遺漏變量定義[17,29]，但持相反意見的學(xué)者認(rèn)為，適應(yīng)性行為以及經(jīng)濟(jì)信號(hào)本身都是經(jīng)濟(jì)主體對(duì)氣候要素的反應(yīng)，它們本身也源于氣候變量的影響，額外控制它們只是分走了氣候變量的部分影響[30]。此外，考慮到應(yīng)對(duì)降水不足的措施可能與夏玉米單產(chǎn)之間存在雙向因果關(guān)系，即農(nóng)田水利的施用能夠促進(jìn)夏玉米單產(chǎn)的提升，而夏玉米單產(chǎn)的提升會(huì)促使所在地區(qū)加強(qiáng)農(nóng)田水利的建設(shè)。為此，本文參照Chen等[17]、Roberts和Schlenker[31]以及陳宏偉和穆月英[32]關(guān)于經(jīng)濟(jì)因素以及灌溉的工具變量設(shè)置，采用滯后一期的降水、溫度以及灌溉作為適應(yīng)性措施的工具變量，認(rèn)為過去的氣候因素以及適應(yīng)性措施與當(dāng)期的適應(yīng)性措施相關(guān)，但不直接影響當(dāng)期的夏玉米單產(chǎn)。

通過對(duì)工具變量有效性的檢驗(yàn)，本文發(fā)現(xiàn)，無論考慮農(nóng)田水利與干旱交互與否，滯后一期的降水、溫度以及耕地有效灌溉面積占比作為當(dāng)期適應(yīng)性措施的工具變量均是有效的。具體來看，不可識(shí)別檢驗(yàn)的原假設(shè)以及弱工具變量的原假設(shè)均在1%統(tǒng)計(jì)水平上顯著拒絕原假設(shè)，表明工具變量與內(nèi)生變量相關(guān)；而無法拒絕過度識(shí)別檢驗(yàn)的原假設(shè)“所有工具變量都是外生的”，證實(shí)了本文所采用工具變量的合理性。使用面板工具變量法的前提是存在內(nèi)生解釋變量，在工具變量為有效的情況下，考慮隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)異方差的情形，采用自助法修正的豪斯曼檢驗(yàn)分別對(duì)表4中的模型3和模型4以及表5中的模型5和模型6進(jìn)行內(nèi)生性檢驗(yàn)，均發(fā)現(xiàn)無法拒絕“所有解釋變量均為外生變量”的原假設(shè)，因此，本文上述模型的估計(jì)結(jié)果是一致的。

2.穩(wěn)健性檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)上述估計(jì)結(jié)果的穩(wěn)健性，下面主要從核心自變量的替換以及更換估計(jì)方法兩方面進(jìn)行檢驗(yàn)。

(1)穩(wěn)健性檢驗(yàn)一：替換關(guān)鍵解釋變量。考慮到夏玉米實(shí)際蒸發(fā)蒸騰需要的降水情況，本文借鑒農(nóng)業(yè)學(xué)者的研究，使用有效降水來替代上述模型的降水變量，相應(yīng)地，構(gòu)建農(nóng)業(yè)干旱虛擬變量替代上述模型中的氣象干旱。這里，判斷是否發(fā)生干旱的依據(jù)是由夏玉米生育期以及各個(gè)生長階段實(shí)際的有效降水累計(jì)量與其所處的對(duì)應(yīng)時(shí)期作物需水量之間差決定，如果所處生育期的實(shí)際降水量大于夏玉米所處生育期內(nèi)的最低作物需水量，則認(rèn)為沒有干旱發(fā)生，賦值為0，否則認(rèn)為干旱發(fā)生，賦值為1。參見劉戰(zhàn)東等[33]、王春堂[34]62以及楊森等[35]的研究，本文使用有效利用系數(shù)法計(jì)算夏玉米生育期有效降水量，具體公式如下：

Pe=a×P

(5)

(5)式中，Pe為有效降水(cm)；P為降水量，也稱次降水量(cm)，a是降水有效利用系數(shù)(采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值范圍如下：若P<0.5 cm，則a=1；若0.5 cm≤P<5 cm，則a=0.8；若5 cm≤P<15 cm，則a=0.75；若15 cm≤P，則a=0.7)。

本文使用的樣本地區(qū)夏玉米生育期及其各個(gè)階段的需水量數(shù)據(jù)來源于肖俊夫等[21]從河南各縣市灌溉所以及河南省水利科學(xué)研究院收集的夏玉米需水量。自然科學(xué)領(lǐng)域的研究表明，夏玉米的需水量品種之間差異不大，主要是與栽培方法和管理方式有關(guān)。通過與表5中自變量的顯著性與估計(jì)系數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，關(guān)于降水等方面的估計(jì)結(jié)果是穩(wěn)健的，具體來看，在降水方面，研究證實(shí)了抽穗期的降水情況與夏玉米單產(chǎn)之間呈現(xiàn)“倒U型”的非線性關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了抽穗期的降水狀況對(duì)夏玉米單產(chǎn)至關(guān)重要，表明基準(zhǔn)回歸的估計(jì)結(jié)果是穩(wěn)健的。在溫度方面，與基準(zhǔn)回歸的估計(jì)結(jié)果一樣，極端高溫，尤其在拔節(jié)期與灌漿期的高溫會(huì)導(dǎo)致夏玉米單產(chǎn)的顯著減少，但抽穗期內(nèi)適當(dāng)?shù)臏囟忍嵘兄谙挠衩讍萎a(chǎn)的增加。此外，在控制了適應(yīng)性措施的基礎(chǔ)上，苗期和抽穗期內(nèi)降水不足導(dǎo)致的干旱對(duì)夏玉米單產(chǎn)造成了顯著的負(fù)面影響，而灌溉等農(nóng)田水利設(shè)施則顯著地緩解了苗期、抽穗期和灌漿期干旱發(fā)生造成的不利影響，這與從省級(jí)層面以及國家層面觀察到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，受災(zāi)雖然在上升，但成災(zāi)率在下降。

(2)穩(wěn)健性檢驗(yàn)二：更換估計(jì)方法。由于表5中模型5和模型6僅存在組間異方差和組間同期相關(guān)引起的異方差問題，相較于采用FGLS估計(jì)法，面板校正標(biāo)準(zhǔn)誤差(PCSE)估計(jì)法更為穩(wěn)健，而FGLS估計(jì)法比PCSE估計(jì)法更為有效。采用PCSE估計(jì)法作為上述估計(jì)結(jié)果穩(wěn)健性的檢驗(yàn)，估計(jì)結(jié)果表明，各個(gè)生長階段的降水對(duì)夏玉米單產(chǎn)的影響與基準(zhǔn)回歸一致，表明抽穗期降水與夏玉米單產(chǎn)“倒U型”的非線性估計(jì)結(jié)果是穩(wěn)健。夏玉米喜溫耐旱，對(duì)溫度敏感度不高，抽穗期溫度的適當(dāng)升高有助于夏玉米單產(chǎn)的增加，但極端高溫，尤其是發(fā)生在拔節(jié)期和抽穗期的高溫情況會(huì)顯著地減少夏玉米單產(chǎn)，這與基準(zhǔn)回歸估計(jì)的結(jié)論也是一致的?，F(xiàn)有農(nóng)田水利狀況顯著地緩解了干旱對(duì)夏玉米不利的影響，尤其是在夏玉米容易發(fā)生“卡脖旱”的生長階段，緩解了干旱對(duì)夏玉米單產(chǎn)的負(fù)向影響。

五、研究結(jié)論與啟示

本文結(jié)合夏玉米生長習(xí)性分析了氣候變化下降水對(duì)其產(chǎn)量的影響，以夏玉米主產(chǎn)省河南的10個(gè)主產(chǎn)區(qū)為樣本，通過細(xì)分夏玉米生長階段，建立起不同生長階段的降水等氣候因素與夏玉米單產(chǎn)之間的關(guān)系。得出結(jié)論如下：

第一，降水與夏玉米單產(chǎn)之間呈現(xiàn)先增后減的“倒U型”非線性關(guān)系，這種非線性關(guān)系主要體現(xiàn)在夏玉米抽穗期這一夏玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期。第二，由于降水不足造成的干旱會(huì)對(duì)夏玉米單產(chǎn)造成不利影響，但由于農(nóng)田水利的實(shí)施，干旱對(duì)夏玉米單產(chǎn)實(shí)際造成的成災(zāi)概率較小，農(nóng)田水利設(shè)施水平的提升顯著地緩解了夏玉米苗期、抽穗期和灌漿期干旱災(zāi)害造成的不利影響。第三，夏玉米對(duì)近年來溫度的升高并不敏感，在降水及灌溉保證的情況下，適當(dāng)?shù)臏囟忍嵘兄谙挠衩讍萎a(chǎn)，但極端高溫會(huì)造成夏玉米單產(chǎn)顯著地減少。此外，在傳統(tǒng)要素的投入方面，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的投入顯著地提升了夏玉米單產(chǎn)，這一結(jié)果在各個(gè)模型的估計(jì)中是一致并穩(wěn)健的。

根據(jù)上述結(jié)論，可以得到兩點(diǎn)啟示：一是研究視角層面，未來運(yùn)用計(jì)量經(jīng)濟(jì)模型分析和評(píng)估氣候變化對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)的影響時(shí)，應(yīng)該結(jié)合農(nóng)作物生長習(xí)性，細(xì)分到農(nóng)作物不同生長階段的氣候影響，以此更準(zhǔn)確地反映氣候變化下不同氣候應(yīng)對(duì)模式對(duì)農(nóng)作物的影響。該研究視角還可應(yīng)用于其他農(nóng)作物，從而提升對(duì)種植業(yè)氣候變化影響的認(rèn)識(shí)。二是政策制定層面，要結(jié)合農(nóng)作物生長規(guī)律，因地制宜制定氣候變化響應(yīng)戰(zhàn)略。以夏玉米為例，華北平原玉米產(chǎn)地多為旱作地區(qū)，是中國玉米三大產(chǎn)區(qū)之一，在未來升溫和降水減少的趨勢(shì)下，應(yīng)考慮地區(qū)稟賦條件和作物品種與種植特性，注重農(nóng)田水利的建設(shè)，以及高溫、極端干旱等情形的預(yù)警機(jī)制建設(shè)，以此保證生產(chǎn)決策的支撐體系足夠完善，保障國家的糧食安全。