糧食產(chǎn)量的自然與人為影響因素定量分析

魏興華　宋開輝　崔步禮

摘要：選取濟(jì)南市1978-2008年共31年的糧食產(chǎn)量及同時(shí)期的20個(gè)自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子，利用主成分分析對(duì)自然與人為要素作用強(qiáng)度進(jìn)行了量化分析。結(jié)果表明，在濟(jì)南市糧食產(chǎn)量變化過程中，人為因素的貢獻(xiàn)率為58.18%，自然因素的貢獻(xiàn)率為32.23%，自然與人為因素共同作用的貢獻(xiàn)率為6.47%。對(duì)濟(jì)南市糧食產(chǎn)量影響最大的自然因素主要有年均氣溫、積溫、年降水量、年日照時(shí)數(shù)；人為因素主要有耕地面積、農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力、化肥施用總量、每公頃耕地化肥施用量、農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量、總?cè)丝跀?shù)量。自然因素的貢獻(xiàn)率隨時(shí)間推移逐漸降低，人為因素的貢獻(xiàn)率逐漸升高。結(jié)合相關(guān)因子的歷年變化情況分析表明，在自然因素較為穩(wěn)定的情況下，人為因素愈加重要，并直接決定糧食的單位面積產(chǎn)量和總產(chǎn)量，即農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步對(duì)提高糧食作物單產(chǎn)起了決定性作用。

關(guān)鍵詞：糧食產(chǎn)量；影響因素；主成分分析；濟(jì)南市

中圖分類號(hào)：F326.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）15-3821-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.15.061

Abstract： In order to study the intensity of natural and human activity in grain production process， the grain yield of Jinan city was analyzed from 1978 to 2008. Twenty factors were chosen and the principal component analysis method was used to measure the intensity of nature and human activity factors. The results showed that in the change process of grain production， 58.18% was caused by anthropogenic activity， 32.23% was caused by nature factors， and 6.47% was caused by anthropogenic activity combined with nature factors in Jinan city. The main nature factors were annual mean temperature， cumulative？temperature， annual precipitation and annual sunshine duration. The main anthropogenic factors included cultivated area， total power of agricultural machinery， fertilizer， rural labor force and total population. The contribution of nature factors decreased gradually， while the contribution of anthropogenic factors increased from 1978 to 2008.

Key words：grain yield； influence factor； principal component analysis （PCA）； Jinan city

糧食是關(guān)系國計(jì)民生和國家經(jīng)濟(jì)安全的重要戰(zhàn)略物資，也是人民群眾最基本的生活資料[1，2]。糧食安全與社會(huì)的和諧、政治的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。日益嚴(yán)峻的氣候危機(jī)成為糧食安全面臨的最大挑戰(zhàn)[3，4]。作為糧食生產(chǎn)大國和人口大國，中國的糧食安全問題同樣處于這一危機(jī)的陰影之下，中國的糧食安全問題已成為國內(nèi)外學(xué)者十分關(guān)注的話題[5，6]。相關(guān)研究初步預(yù)測了不同氣候變化情景對(duì)中國糧食產(chǎn)量造成的負(fù)面影響，若氣溫升高2.7℃、降水增加5%，中國2050年的糧食產(chǎn)量將因氣候變化而損失高達(dá)14.9%（5000萬t以上）[7]。因此，穩(wěn)定和提高糧食產(chǎn)量關(guān)系到人類的生存、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的長期穩(wěn)定，也是當(dāng)前和今后一段時(shí)期內(nèi)我國面臨的主要問題，開展糧食產(chǎn)量影響因素的研究將有利于揭示糧食增產(chǎn)的規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)糧食增產(chǎn)有重要的意義。目前，糧食產(chǎn)量的影響因素研究多采用相關(guān)系數(shù)、灰色關(guān)聯(lián)、線性回歸等方法，討論氣溫、降水、農(nóng)機(jī)動(dòng)力、勞動(dòng)力、施肥量等因素對(duì)糧食產(chǎn)量影響的單因子分析[8-11]。然而，糧食生產(chǎn)是一個(gè)同時(shí)受氣候變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)技術(shù)等多因素影響的復(fù)雜、非線性系統(tǒng)。因此，在分析糧食產(chǎn)量影響因素過程中，應(yīng)同時(shí)考慮氣候變化、糧食播種面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力、化肥施用量、農(nóng)業(yè)人口等因素對(duì)其產(chǎn)生的綜合影響。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)南市地處中緯度地帶（36°40′N，117°00′E），屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫13.6 ℃，年降水量614 mm，氣候適宜；全市總面積為577 500 hm2，是山東省的高產(chǎn)綜合型農(nóng)業(yè)區(qū)。同時(shí)，濟(jì)南市是黃河中下游和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)帶南翼的重要戰(zhàn)略城市。近些年，隨著工業(yè)化、城市化和現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，人口不斷增加，耕地不斷減少，人地矛盾進(jìn)一步突出，使糧食安全生產(chǎn)受到一定程度的威脅[8]。因此，本文擬通過綜合分析氣溫、降水、耕地面積、農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力、化肥施用總量、農(nóng)業(yè)人口等多方面的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，進(jìn)而區(qū)分影響糧食產(chǎn)量的主次因素，為今后糧食生產(chǎn)及糧食安全政策的制定提供理論依據(jù)，為管理部門制定短、中、長期的糧食政策提供科學(xué)的依據(jù)。

2 研究方法

本研究采用主成分分析法（Principal components analysis，PCA）[12]定量研究自然與人為要素對(duì)糧食產(chǎn)量的作用強(qiáng)度。選取影響因素變量共20個(gè)，自然因素包括：年均氣溫（P1）、積溫（P2）、年最高氣溫（P3）、年最低氣溫（P4）、年降水量（P5）、年日照時(shí)數(shù)（P6）、年平均風(fēng)速（P7）、年平均濕度（P8）；人為因素包括：耕地面積（P9）、農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力（P10）、化肥施用總量（P11）、每公頃耕地化肥施用量（P12）、農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量（P13）、農(nóng)業(yè)人口數(shù)量（P14）、總?cè)丝跀?shù)量（P15）、城市化率（P16）、國內(nèi)生產(chǎn)總值（P17）、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（P18）、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（P19）、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（P20）。以濟(jì)南市1978-2008年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為分析樣本。

3 結(jié)果與分析

3.1 濟(jì)南市糧食產(chǎn)量變化

濟(jì)南市糧食總產(chǎn)量在1978-2008年間總體呈波動(dòng)增長趨勢（圖1），由1978年的115.38萬t增長至2008年的281.50萬t，平均每年增5.44萬t（趨勢線斜率）；糧食單位面積產(chǎn)量也呈現(xiàn)出波動(dòng)增長趨勢（圖2），由1978年的3.09 t/hm2增長至2008年的8.76 t/hm2，平均每年增產(chǎn)0.19 t/ hm2（趨勢線斜率）。圖1與圖2對(duì)比分析顯示，濟(jì)南市糧食總產(chǎn)量與單位面積產(chǎn)量變化趨勢相近，糧食總產(chǎn)量與單位面積產(chǎn)量的相關(guān)性極強(qiáng)（r=0.998>0.554=α0.001（31），顯著水平在0.001以上）。表明糧食單位面積產(chǎn)量直接決定糧食總產(chǎn)量。

3.2 主成分分析結(jié)果

利用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件的PCA模塊對(duì)1978-2008年的影響因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果（表1）表明，PC1～PC4的累積貢獻(xiàn)率達(dá)85.9%（已達(dá)主成分因子選取原則累積貢獻(xiàn)率大于85%），但為進(jìn)一步明確自然和人為因素對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，特選定累積貢獻(xiàn)率大于95%，即選擇PC1～PC7作進(jìn)一步分析。

從各因素在主成分中的載荷量來看（表2），第一主分量的影響因素主要有耕地面積（P9）、農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力（P10）、化肥施用總量（P11）、每公頃耕地化肥施用量（P12）、農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量（P13）、農(nóng)業(yè)人口數(shù)量（P14）、總?cè)丝跀?shù)量（P15）、城市化率（P16）、國內(nèi)生產(chǎn)總值（P17）、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（P18）、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（P19）、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（P20），載荷量絕對(duì)值變化在0.76～0.98之間，這些因素全為人為要素，因此該主成分因子可以看作是人為因素因子。第二主分量的影響因素主要有年均氣溫（P1）、積溫（P2）、年最高氣溫（P3）、年最低氣溫（P4），載荷量絕對(duì)值變化在0.47-0.87，各因子均為自然要素，故該主成分因子可以作為自然因素因子。第三主分量的影響因素主要有年最高氣溫（P3）、年降水量（P5）、年平均風(fēng)速（P7）、年平均濕度（P8），載荷量絕對(duì)值變化在0.41-0.63，各因子均為自然要素，故該主成分因子作為自然因素因子。第四主分量的影響因素主要有年平均風(fēng)速（P7）和農(nóng)業(yè)人口數(shù)量（P14），載荷量分別為0.59和0.53，且分別屬于自然因子和人為因子，所以第四主分量為自然與人為因子綜合作用。第五主分量的影響因素主要有年最低氣溫（P4）和年平均濕度（P8），載荷量分別為-0.68和0.44，且均為自然要素，故該主成分因子為自然因素因子。第六主分量的影響因素主要有年降水量（P5）和年平均風(fēng)速（P7），載荷量分別為0.59和0.43，均為自然要素，故該主成分因子為自然因素因子。第七主分量的影響因素主要有年最高氣溫（P3），載荷量為0.47，為自然要素，故該主成分因子為自然因素因子。

從主成分因子的貢獻(xiàn)率來看（表1），PC1～PC7的貢獻(xiàn)率分別為58.18%、12.71%、8.55%、6.47%、4.67%、3.79%、2.53%，貢獻(xiàn)率逐漸降低。根據(jù)以上分析，第一主成分因子為人為因素因子，第二、第三、第五、第六、第七主成分因子為自然因素因子，第四主成分因子為自然與人為因子綜合作用。因此，在濟(jì)南市糧食產(chǎn)量變化過程中，人為因素的貢獻(xiàn)率為58.18%，自然因素的貢獻(xiàn)率為32.23%，自然與人為因素共同作用的貢獻(xiàn)率為6.47%。

4 討論

4.1 自然因素與濟(jì)南市糧食產(chǎn)量變化

根據(jù)表2的載荷量及綜合得分排序結(jié)果，對(duì)濟(jì)南市糧食產(chǎn)量影響最大的自然因素主要有年均氣溫（P1）、積溫（P2）、年降水量（P5）、年日照時(shí)數(shù)（P6）。從圖3可見，濟(jì)南市年平均氣溫和積溫均呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，增減趨勢不明顯，二者變差系數(shù)[13]分別為0.034和0.031，平均氣溫為14.85 ℃，平均積溫為5 071.04 ℃，表明濟(jì)南市氣溫和積溫在年際尺度上變化平穩(wěn)，對(duì)糧食產(chǎn)量提供了穩(wěn)定的氣溫基礎(chǔ)。年降水量變化在347～1 090 mm之間（圖4），變化趨勢不明顯，降水變差系數(shù)為0.267，略高于長江中下游地區(qū)和我國北方東部其它區(qū)域的降水變差系數(shù)[14，15]；2000年之后的變化幅度高于2000年之前。年日照時(shí)數(shù)變化在1 819.8～2 398.3 h之間，呈下降趨勢，這主要是大氣污染（氣候濕潤化）造成的，主要表現(xiàn)為輕霧和霾增加[16]。熊偉等[6]研究表明，氣候變化將影響未來三大作物（小麥、玉米和水稻）的單產(chǎn)，特別是雨養(yǎng)作物的單產(chǎn)將會(huì)受到更大沖擊。

4.2 人為因素與濟(jì)南市糧食產(chǎn)量變化

人為因素的載荷量及綜合得分排序顯示（表2），影響濟(jì)南市糧食產(chǎn)量的主要人為因素有耕地面積（P9）、農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力（P10）、化肥施用總量（P11）、每公頃耕地化肥施用量（P12）、農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量（P13）、總?cè)丝跀?shù)量（P15），與郭淑敏等[17]的分析結(jié)果一致。濟(jì)南市耕地面積在1978-2008年間持續(xù)減少（圖5），由1978年的37.32萬hm2減少到2008年的32.13萬hm2，共減少5.19萬hm2，表明糧食產(chǎn)量的增加主要是由于單位面積產(chǎn)量增加所致。耕地減少、糧食單位面積產(chǎn)量和總產(chǎn)量增加的趨勢與全國和各糧食主產(chǎn)區(qū)的總趨勢一致[17]，由于工業(yè)和城鎮(zhèn)建設(shè)加快及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等原因，耕地?cái)?shù)量下降已呈不可逆轉(zhuǎn)之勢，但由于科技進(jìn)步亦使糧食總產(chǎn)量上升。濟(jì)南市農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力由1978年的69.7萬kW上升到2008年的446.6萬kW，機(jī)械動(dòng)力增加5.4倍（圖6）；化肥施用總量和每公頃耕地化肥施用量均呈現(xiàn)上升趨勢，分別由1978年的2.22萬 t和59.6 kg/hm2增至2008年的22.37萬t和696.0 kg/hm2，分別增加了9.1倍和10.7倍，機(jī)械動(dòng)力與化肥施用量的增加促使糧食單位面積產(chǎn)量及總產(chǎn)量增長。同時(shí)，我國主要農(nóng)作物品種一般10年左右更新?lián)Q代一次，每次換代使作物增產(chǎn)幅度達(dá)到10%左右[18]，因此，品種選育技術(shù)的不斷提高也是促使糧食產(chǎn)量提高的積極因素。

4.3 不同年代糧食產(chǎn)量的影響因素貢獻(xiàn)率

為進(jìn)一步明確不同時(shí)段自然與人為因素對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，采用主成分分析分別對(duì)不同年代（1978-1989年、1990-1999年和2000-2008年）的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并根據(jù)累積貢獻(xiàn)率大于95%對(duì)自然和人為因素的貢獻(xiàn)率進(jìn)行了合并（表3）。自然因素的貢獻(xiàn)率隨時(shí)間推移逐漸降低，由33.94%下降到27.01%，下降了6.93%；人為因素的貢獻(xiàn)率逐漸升高，由60.87%升到65.10%，上升了4.33%。由此表明，在自然因素較為穩(wěn)定的情況下，人為因素直接決定糧食的單位面積產(chǎn)量和總產(chǎn)量，即農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步對(duì)提高糧食作物單產(chǎn)起了決定性作用[19]，目前技術(shù)進(jìn)步、水資源和土地利用已被公認(rèn)為影響糧食生產(chǎn)最重要的三大驅(qū)動(dòng)因素[6]，它們對(duì)我國未來糧食生產(chǎn)的影響也是不可忽視的。

5 結(jié)論

本文采用主成分分析定量分析了濟(jì)南市自然與人為要素對(duì)糧食產(chǎn)量的作用強(qiáng)度。在濟(jì)南市糧食產(chǎn)量變化過程中，人為因素的貢獻(xiàn)率為58.18%，自然因素的貢獻(xiàn)率為32.23%，自然與人為因素共同作用的貢獻(xiàn)率為6.47%。對(duì)濟(jì)南市糧食產(chǎn)量影響最大的自然因素主要有年均氣溫、積溫、年降水量、年日照時(shí)數(shù)。人為因素主要有耕地面積、農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力、化肥施用總量、單位耕地化肥施用量、農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量、總?cè)丝跀?shù)量。

自然因素對(duì)糧食生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率隨時(shí)間推移逐漸降低，人為因素的貢獻(xiàn)率逐漸升高。在自然因素較為穩(wěn)定的情況下，人為因素直接決定糧食的單位面積產(chǎn)量和總產(chǎn)量，即農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步對(duì)提高糧食作物單產(chǎn)起了決定性作用。

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