基于DEA模型的河南省玉米氣象效率研究

朱曉宵，李炳軍

(河南農(nóng)業(yè)大學 信息與管理科學學院, 河南 鄭州 450002)

1 引言

玉米作為飼料、食物及重要的化工原料，也是河南省重要的糧食作物，玉米生產(chǎn)對人們的生活有嚴重影響，保障玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)是保障國家糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。氣象因素(氣溫、日照、平均相對濕度等)作為影響玉米產(chǎn)量的重要因素，嚴重威脅糧食安全。

近年來，受全球氣候變化的影響，河南省秋冬的氣溫也在逐漸增加[1～2]。此外，日照時數(shù)逐漸減少、降水逐漸增多，旱災、洪澇等自然災害發(fā)生頻繁，玉米的產(chǎn)量波動較大。氣象因素對玉米生產(chǎn)造成的影響，現(xiàn)在越來越引起人們的關注。

近年來，諸多學者將玉米產(chǎn)量進行分解，分別研究玉米的趨勢產(chǎn)量及氣象產(chǎn)量。其中對氣象產(chǎn)量的研究越來越多。兩季光溫資源分配合理，同作物的生長發(fā)育高度匹配，此外，水肥等資源充足供應造就黃淮海地區(qū)冬小麥-夏玉米的生產(chǎn)模式及其高產(chǎn)產(chǎn)量[3]。學者們的大多數(shù)研究停留在玉米用水及用肥效率，而較少探究氣象因素對玉米生產(chǎn)的影響，學者們大多選用部分氣象因素進行分析，相對而言不夠全面。氣象資源的變化致使氣候資源配置不合理，從而使作物的品種、播期、生育期等與水、溫、光等資源的變化不匹配，進一步影響玉米的生長發(fā)育[4～5]。周寶元[6]采用定量分析的方法探究冬小麥-夏玉米模式高產(chǎn)形成同季節(jié)間光溫水資源分配間的關系。王玉寶等[7]利用CERES-Maize模型來模擬作物生產(chǎn)水足跡,同時分析不同氣候情景下旱作玉米產(chǎn)量的變化。闞飛等[8]利用隴中半干旱區(qū)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),采用渦度系統(tǒng)的碳水通量數(shù)據(jù),分別從生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率(WUE)、固有水分利用效率(IWUE)三個方面探討不同氣象條件對半干旱區(qū)玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率的影響。

此外，諸多學者對玉米的生產(chǎn)效率進行研究，其中：楊印生等[9]采用DEA-SBM模型,結合實地調(diào)研數(shù)據(jù)，探究吉林省市場份額前21位玉米品種在2014-2016年的生產(chǎn)效率。孫煒等[10]、趙貴玉等[11]、楊春等[12]則采用不同的DEA模型研究中國各地的玉米生產(chǎn)效率。

從現(xiàn)有研究來看，學者們研究多集中于分析玉米的生產(chǎn)效率，對氣象效率的研究較少。氣象因素作為影響玉米生產(chǎn)的關鍵因素，其投入的多少在一定程度上影響玉米的單產(chǎn)，研究氣象因素對作物生長的影響具有重要意義。氣象作為不可控的外界因素，人們無法阻止其變化，但可以采取措施減小其變化造成的損失。對氣象的調(diào)控主要體現(xiàn)在通過提高各地市的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，進而增強其對氣象變化的抵御能力，從而提高玉米產(chǎn)量。玉米生長所跨時期較長，玉米不同生長階段氣象因素呈現(xiàn)出灰數(shù)的特征，因而，筆者采用灰色模型對數(shù)據(jù)進行處理。筆者在對玉米的氣象效率進行分析時，選取一個產(chǎn)出指標及多個投入指標，而DEA方法在處理多輸入問題方面具有絕對優(yōu)勢，因而筆者選用DEA模型對玉米氣象效率進行評價。最后，依據(jù)氣象效率分析結果，為保障玉米穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提出政策建議。

2 方法介紹

2.1 DEA模型

數(shù)據(jù)包絡分析法(DEA)，在1978年由美國A.Charnes和W.W.Cooper[13]等人首先提出來，DEA模型分為CCR模型和BCC模型，以“相對效率”概念為基礎，根據(jù)多指標投入和多指標產(chǎn)出來對相同類型的單位(部門)進行相對有效性或效益評價的一種系統(tǒng)分析方法，在應用DEA方法建立模型前無須對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。

考慮到農(nóng)業(yè)氣象效率研究的實際需要，選擇以產(chǎn)出為導向的BCC模型。假設有個決策單元，其投入數(shù)據(jù)和產(chǎn)出數(shù)據(jù)分別為[14]:xij>0,yrj>0,j=1,2,…,n;i=1,2,…,n;r=1,2,…,s.其中m為單個決策單元中投入變量的個數(shù)，s為單個決策單元產(chǎn)出變量個數(shù)，標準的BCC模型為：

(1)

S.t.

(2)

2.2 HP濾波法

考慮到環(huán)境和作物本身及所采用的種植方式對玉米產(chǎn)量的影響，玉米產(chǎn)量分為趨勢產(chǎn)量及氣象產(chǎn)量。筆者分析氣象產(chǎn)量，采用HP濾波求得趨勢產(chǎn)量，進而求得氣象產(chǎn)量。HP濾波法將玉米產(chǎn)量序列{yt}分為趨勢產(chǎn)量gt與波動產(chǎn)量ct， 即yt分解為：yt=gt+ct

其中gt的計算方法常被定義為以下最小化公式的解，即：

(3)

式中，λ為HP濾波參數(shù)，當λ=0時，函數(shù)最小化的解為{yt}序列，隨著λ值的增加，最小化解估計的趨勢越光滑，一般經(jīng)驗下的λ如下：

(4)

2.3 灰色GM(1,1)模型

灰色GM(1,1)模型所需要的數(shù)據(jù)少、可檢驗、進行短期預測時精度較高,該模型比傳統(tǒng)的預測方法具有更大的優(yōu)越性, GM(1,1)模型[15]預測越來越廣泛.灰色GM(1,1)模型的建模過程如下：

對X(1)建立一階線性微分方程模型

(5)

式(5)稱為GM(1,1)模型均值形式的白化微分方程。

其中Y,B分別為

微分方程(5)的解為

(6)

對(6)式進行累減還原

(7)

則原序列的灰色預測模型為

k=1,2,…,n

(8)

3 數(shù)據(jù)的收集與選取

綜合變量指標選取的科學性、全面性及數(shù)據(jù)的可獲得性，同時結合相關學者[16]的研究，筆者選取1個產(chǎn)出指標，10個投入指標，構建玉米氣象效率投入產(chǎn)出模型指標體系如表1所示：

產(chǎn)量數(shù)據(jù)從河南省統(tǒng)計局[17]獲得，各氣象數(shù)據(jù)從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[18]獲得，采用灰色模型對數(shù)據(jù)進行處理，對氣象產(chǎn)量進行歸一化處理，2009年河南省玉米氣象產(chǎn)量及相關氣象因素數(shù)據(jù)見表2，其余各年氣象產(chǎn)量及相關氣象數(shù)據(jù)均以此方法表示。

4 綜合效率分析

運用DEAP2.1軟件運算VRS模型，求得2009-2018年河南省13市玉米氣象效率如表3所示。

表1 玉米氣象效率投入產(chǎn)出指標

表2 2009年河南省13市玉米氣象產(chǎn)量及相關氣象因素

表3 2009-2018年河南省13市玉米氣象效率

筆者主要以綜合生產(chǎn)效率進行分析，從橫向角度而言,近10 a周口、駐馬店有6個年份綜合生產(chǎn)效率值達到1，洛陽則有5個年份綜合生產(chǎn)效率值達到1，安陽、三門峽、鄭州則有4個年份綜合生產(chǎn)效率值達到1，新鄉(xiāng)、開封、南陽、平頂山、信陽、商丘則有3個年份綜合生產(chǎn)效率值達到1，而許昌只有2個年份綜合生產(chǎn)效率值為1。綜合效率值達到1，表明該年份玉米生產(chǎn)的氣象資源配置效率達到最佳，即氣象資源得到充分利用，不存在氣象資源投入過剩的情況，也沒有氣象資源投入與產(chǎn)出結構配置不恰當?shù)那闆r。各地區(qū)其它年份玉米生產(chǎn)的氣象效率為非效率最佳。

從縱向角度而言，2018年玉米的綜合生產(chǎn)效率值中僅有一個地區(qū)未達到1，表明2018年玉米生產(chǎn)整體氣象效率較高。河南省玉米生產(chǎn)氣象效率整體呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢。此外，安陽、新鄉(xiāng)、許昌、開封、商丘這些地區(qū)10 a中有一半年份玉米生產(chǎn)氣象效率低于平均水平，這些地區(qū)玉米氣象資源配置較不合理，而鄭州市僅有一年玉米氣象效率低于平均水平，其整體氣象效率較高，氣象資源配置較為合理，資源利用充分。

分區(qū)域分析。將河南省分為豫東、豫西、豫中、豫南、豫北，分區(qū)域后，河南省各區(qū)域玉米氣象效率整理如表4所示。

以表格中數(shù)據(jù)為依據(jù)，構造河南省各區(qū)域氣象效率變化折線圖，通過圖1可觀察近10 a河南省各個區(qū)域玉米氣象效率變化情況。

表4 2009-2018年河南省各區(qū)域玉米氣象效率

圖1 2009-2018年河南省各區(qū)域玉米氣象效率

豫西地區(qū)玉米平均氣象效率最高，主要由于洛陽、三門峽兩個地市的氣象效率較高；豫中的許昌、平頂山、鄭州整體氣象效率較高；而豫南的南陽、駐馬店、信陽及豫北的新鄉(xiāng)及安陽整體氣象效率相差不大；豫東地區(qū)整體氣象效率最低且氣象效率波動最大，主要由于商丘氣象效率波動較大，2016年商丘的氣象效率為0.313，達到10 a內(nèi)的最低值。2016年商丘氣象要素投入較多，而氣象產(chǎn)量僅為0.16萬t，存在較大程度的投入冗余，進而導致2016年商丘玉米氣象效率達到該地區(qū)近十年的最低值。整體來看，豫南地區(qū)氣象效率波動較為平穩(wěn)，效率值在平均效率附近波動，整體波動不大。

從資源分布角度來看，河南省各地太陽輻射分布表現(xiàn)為豫北、豫東地區(qū)較多,豫西、豫南地區(qū)較少，而實際上，豫北、豫東地區(qū)玉米氣象效率不及豫南、豫西地區(qū)，這主要由于氣象效率的高低除了考慮光照外，還包括其他因素。此外，太陽輻射過多易導致光照投入冗余，且易出現(xiàn)干旱，因而豫北、豫東地區(qū)的氣象效率比豫西、豫南地區(qū)要低。河南省玉米整體的氣象效率由東北向西南呈現(xiàn)遞增的趨勢，豫西南的大部分玉米種植區(qū)位于南陽盆地內(nèi), 其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較好，整體效率較高。

氣象效率由氣象因素影響，而氣象因素對玉米生產(chǎn)的影響除其自身的影響外，還受該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的制約。一個地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平越高，其農(nóng)業(yè)資源配置越充分，抵抗氣象變化的能力越強，此時，氣象因素對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響就越小。

5 政策建議

氣象資源的利用效率還受科技水平、市場、勞動力、交通和政府政策等因素的影響[19]。在分析氣象資源對玉米生產(chǎn)影響的基礎上，配以合理的政策建議，可以更好的促進資源的合理配置，以彌補氣象因素對玉米生產(chǎn)的影響，保障玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。結合河南省玉米氣象效率分析結果，提出如下政策建議：

(1)耐性品種的培育。氣象因素主要有溫度、相對濕度、光照、風速等，氣象因素投入量過大，即產(chǎn)生氣象異常，從而造成玉米減產(chǎn)，降低氣象資源利用效率。為提高玉米單產(chǎn)，可從根源入手，通過培育耐旱、耐澇、抗高溫、抗倒伏的品種，從而減輕氣象因素的影響，提高玉米產(chǎn)量。

(2)農(nóng)業(yè)資源配置的完善。政府通過合理調(diào)配各地區(qū)的農(nóng)業(yè)資源，完善農(nóng)業(yè)資源配置，減輕氣象異常對玉米生產(chǎn)的影響。例如，通過配備充足的灌溉設施，在缺水干旱時，及時進行灌溉，避免玉米遭受干旱影響產(chǎn)量。

(3)合理密植。玉米的產(chǎn)量與種植密度呈正相關，而種植密度過高則會影響玉米品質(zhì)。可通過設定合理的種植密度，提高玉米抗倒伏及抗倒折能力，進而提高玉米產(chǎn)量。

(4)玉米與其他作物間作種植。由于單一作物的長期大面積種植以及化肥農(nóng)藥過量超標使用，使得農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)變得越來越脆弱，導致其對自然災害的抵御能力下降。將玉米與其他作物間作種植，可以提高作物對光照及溫度的利用效率，同時可以降低病害的發(fā)病率，從而提高玉米產(chǎn)量。