新疆氣象災害對主要作物產量影響的灰色關聯分析

吾米提·居馬太，瓦力江·瓦黑提，黃 娟

（1.伊犁州氣象局，新疆 伊寧835000；2.廣東省氣象臺，廣東 廣州510000；3.新疆農業氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

新疆地處亞歐大陸腹地，是典型的干旱半干旱地區，受氣候和地理環境的影響，生態環境脆弱，各種自然災害頻繁發生。20世紀90年代以來，全球變暖的氣候背景下，極端天氣氣候事件增多，氣象災害直接影響了作物產量，帶來嚴重的經濟損失。目前，國內外有許多圍繞農業氣象災害展開的研究[1-2]，史培軍等[3]分析了自然災害對我國糧食生產的影響，得出1980—1994年水旱災害是影響最大的因素。龍方等[4]采用灰色關聯法對中國1950—2008年稻谷單產與氣象災害數據進行分析，結果自然因素占48%~56%。即使地域不同、研究方法不同，得到的結果都證實氣象災害對糧食生產有不利影響。關于新疆氣象災害影響特別是對農業生產的影響主要集中在受災范圍對糧食單產的影響方面[5-7]。然而不同氣象災害對農業的危害程度不同，往往多種氣象災害并發或交替發生，不僅需要對單一災種進行評價，更有必要對多種災害進行綜合評價。

本文選取洪澇、干旱、風雹和低溫冷凍對新疆農業影響較大的氣象災害，嘗試運用線性趨勢分析和灰色關聯法將4種災害對農業的影響程度進行定性定量分析，以期為農業生產及防災減災工作的綜合決策提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

新疆維吾爾自治區農作物總播種面積，旱災、洪澇、風雹和冷凍氣象災害成災受災面積和作物生產產量資料來源于《新疆維吾爾自治區統計年鑒》，時間序列為1978—2014年。為便于比較分析不同階段氣象災害對糧食生產的影響，根據糧食產量變動趨勢劃分為3個階段：1978—1994年，1994—2002年，2002—2014年。1994年新疆實行了糧食購銷體制改革，糧食走向多樣化，極大提高了糧食生產的積極性，產量持續增長。2002年起農機經歷了國家、集體統一經營向多種形式并存的發展歷程，農業生產資料和勞動者緊密結合，為農業機械化的發展奠定了基礎。

1.2 分析方法

受災率為農作物受災面積與總播種面積的比值，分析比較災害造成的相對損失量，將因災害使農作物產量減產10%~30%的面積稱為受災面積，因災減產30%以上的面積稱為成災面積。災害強度指數為成災面積與受災面積的百分比，客觀地反映不同災害對作物產量造成的影響[8]。農業氣象災害災情的變化趨勢采用線性趨勢分析[9]，關聯分析采用灰色關聯分析法[10-13]。

灰色關聯分析法的一般步驟：設參考序列X0={x0（1），x0（2），…，x0（k），…，x0（n）}，比較序列Xi={xi（1），xi（2），…，xi（k），…，xi（n）}，其中參考序列為系統行為特征因子的時間序列；比較序列為影響系統行為特征因子的時間序列。

（1）數據處理一般將參考序列和比較序列進行初始化處理，使之無量綱化、歸一化，采用初值化法。

（2）根據 Δ0（ik）=，k=1，2，…，n，求絕對差。

（3）求關聯系數，分辨率系數ρ=0.5，公式為：

（4）計算關聯度，關聯度公式為：

其中ri為第i項比較序列與參考序列各時刻關聯系數均值。

（5）根據關聯度的大小進行排序，確定比較序列對參考序列的相關程度大小。ri的值越大，說明關聯的程度越大；反之關聯度小。根據關聯度ri得到第i個影響因子的權重wi[14-16]。

2 結果與分析

2.1 新疆作物產量變化特征

1978—2014年，新疆主要農作物單產和總產呈增加的趨勢。其中第一階段（1978—1994年），新疆作物單產和總產均有波動上升趨勢；第二階段（1994—2002年），新疆糧食單產呈波動上升趨勢，總產；第三階段（2002—2014年）單產量相對波動小，2007年達到6287 kg·hm-2，總產呈上升趨勢。

1978—2014年新疆作物總產量為28 268萬t，平均為764萬t，最小值為375萬t，至 2013年達到最大值，產量值為1 377萬t，總體呈增長趨勢（圖1）。其中第一階段是1978—1994年，呈現增長趨勢，總增長量為269萬t，平均增長量為35萬t。第二階段是1995—2002年，也呈現增長趨勢，總增長量為192萬t，平均增長量為27萬t。第三階段是2003—2014年，呈明顯增長，總增長量為578萬t，平均增長量為53萬t。新疆的作物單產一直呈顯著上升趨勢，1978年新疆的單產量1 606 kg·hm-2到2014年增長達6 270 kg·hm-2，增加了2.9倍。1978—2002年呈不斷增長趨勢，其中1978—1995年顯著提高，2002—2014年，單產量相對波動小，到2007年達到了最高值 6287 kg·hm-2。

圖1 新疆1978—2014年作物單產和總產的年際變化

圖2 新疆1978—2014年受災率和災害強度指數的年際變化

2.2 新疆氣象災害變化特征

由新疆1978—2014年受災率和災害強度指數的年際變化（圖2）可知，在研究期間氣象災害對新疆的作物生產影響較大，新疆平均受災率和災害強度指數分別為28%和51%。3個階段中，受災率高于研究期平均值的年份占29.4%、62.5%、58.3%，災害強度高于研究期平均值的年份占29.4%、50%、91.6%，說明研究期間內氣象災害的受災范圍呈現先上升后下降趨勢，而災害強度不斷增大。

2.3 作物產量和氣象災害的關聯分析

2.3.1 作物單產與受災范圍

由表1可知，第一階段洪澇、旱災、風雹災及冷凍4種農業氣象災害受災率與作物單產的關聯性表現為：作物單產與風雹災呈強關聯，其次為旱災和冷凍災。說明從受災范圍看，風雹災是該階段的關鍵氣象災害。所有作物單產與洪澇災的關聯最弱，即危害最小。

表1 新疆1978—1994年4種農業氣象災害受災率與主要作物單產的關聯分析

由表2可知，第二階段4種農業氣象災害受災率與作物單產的關聯性表現與第一階段相比得出：稻谷、小麥和甜菜單產與第一階段關聯性表現一致，與風雹災呈強關聯，其次是旱災和冷凍災，最后是洪澇災，說明從受災范圍看，在此階段旱災對棉花單產的危害程度顯著上升，風雹災有所下降，與旱災呈強關聯關系。旱災對棉花單產上升與氣候變化有關系，主要氣候因素是氣溫和降水，待進一步研究。

表2 新疆1995—2002年4種農業氣象災害受災率與主要作物單產的關聯分析

由表3可知，第三階段與第二階段相比，4種農業氣象災害與作物單產的關聯性表現為：旱災成為最強關聯，對作物單產影響最大；對于稻谷洪澇災影響上升，風雹災下降，成為影響稻谷單產的第2位；說明從受災范圍看，對小麥、玉米、棉花和甜菜而言，該階段的關鍵氣象災害為旱災，其次是風雹和洪澇災，冷凍災的危害最小。結合災害數據，可知風雹災發生的頻率較高，而洪澇災發生的頻率低。

表3 新疆2003—2014年4種農業氣象災害受災率與主要作物單產的關聯分析

綜上所述，對某一特定作物，不同災害受災范圍的影響不同，但對于不同作物，特定災害受災范圍的影響程度，具有相對一致性；受災范圍對作物單產的影響在不斷地發生變化，第一階段的關聯度最大，第二階段略下降，第三階段上升，說明災害受災范圍對作物生產的危害下降后開始上升；總體上，前兩階段風雹災為關鍵氣象災害，第三階段為旱災。

風雹災一般發生在初春或雨季，大風災使農作物吹倒，致使其長勢降低；冰雹持續時間短，影響范圍小，但出現次數多，對作物造成沖擊，尤其是在作物抽穗和成熟階段，直接影響產量。新疆是典型的內陸干旱半干旱區，降水量和蒸發量相差懸殊，且降水量分布不均勻，北疆多于南疆，山區多于平原，西部多于東部。干旱災害多發生于初春夏末，正值冬小麥生長盛期，同時是春播時期，農業生產需大量水，所以水的供應直接影響農業生產產量。

2.3.2 作物單產與災害強度

從表4可知，第一階段4種農業氣象災害強度指數與作物單產的關聯性表現為：風雹災呈現強關聯，對于稻谷和玉米單產而言其次為冷凍，而對于其余3種作物單產而言，其次為旱災，最后為洪澇災害；作物生產受風雹災的危害較大，洪澇災害的危害較小。

表4 新疆1978—1994年4種農業氣象災害強度指數與主要作物單產的關聯分析

第二階段與第一階段相比（表5）得出：洪澇災的強度指數顯著上升至強關聯，其次是風雹災和冷凍災，最后為旱災，說明從災害強度出發，作物單產在此階段受洪澇災害的危害較大。

表5 新疆1995—2002年4種農業氣象災害強度指數與主要作物單產的關聯分析

第三階段（表6）與第二階段相比較得出：風雹災害強度指數與作物單產的關聯度上升為第一位，為強關聯。對于稻谷、小麥和玉米而言，旱災為第二位，而對于棉花和甜菜，則為冷凍災害。冷凍災害強度指數對稻谷單產的關聯度居第三位，洪澇災害強度指數對小麥和玉米單產的關聯度居第三位，旱災災害強度指數對棉花和甜菜單產的關聯度居第三位。

對于不同作物，災害強度的影響不同，從表4可知旱災強度指數與小麥和棉花關聯度高于與稻谷和玉米關聯度，而冷凍災強度指數對稻谷和玉米關聯度高。

表6 新疆2003—2014年4種農業氣象災害強度指數與主要作物單產的關聯分析

綜上所述，對于特定作物，4種不同災害強度的影響程度是不同的，而對于5種作物，特定災害強度的影響程度，與其他災害也不一致。3個階段內，災害強度對作物單產的影響在不斷發生變化，第一階段的災害強度指數最大，旱災災害強度指數先減小后增大，其余不斷減小。對于作物單產，特定災害受災范圍的影響程度是相對一致的，而災害強度的影響程度存在差異，說明作物單產受不同災害強度的影響比受災范圍更敏感。

3 結論

本文運用新疆農作物總播種面積，旱災、洪澇、風雹和冷凍氣象災害成災受災面積和作物產量資料，運用灰色關聯分析法，從災害受災率和受災強度兩種不同角度出發，綜合分析1978—2014年以及其中1978—1994年，1995—2002年，2003—2014年 3個不同階段的變化規律，評估了糧食產量分別受氣象災害的影響程度，主要結論如下：

（1）1978—2014年新疆作物平均受災率和災害強度指數分別為28%和51%。而1978—1994年，1995—2002年，2003—2014年3個時期，新疆作物受災率分別為29.4%、62.5%、58.3%，作物受災強度分別為29.4%、50%、91.6%。這表明20世紀90年代以前新疆糧食作物的受災率和受災強度，明顯低于90年代中期以后。

（2）在1978—2014年中的3個研究時期，不同作物受不同災害的影響范圍不同，但同種災害對某一種特定作物的影響基本保持不變；受災范圍對作物單產的影響在存在階段性波動，20世紀90年代中期以前的關聯度最大，90年代中期以后關聯度略下降之后上升；另外，不同災害造成的受災范圍存在差別，2002年以前風雹災害為關鍵氣象災害，2002年以后關鍵災害變為旱災。

（3）對新疆作物受氣象災害影響強度分析結果顯示，風雹災和洪澇災對作物單產有更明顯影響。對于特定作物，4種不同災害強度的影響程度不同，而對于不同作物特定災害強度的影響程度與其他災害也各不相同。1978—2014年3個階段內，災害強度對作物單產的影響在20世紀90年代中期以前災害強度指數先減小后增大，90年代中期以后受災強度不斷減小；災害強度對作物單產的影響程度存在差異，表明作物單產變化受不同災害強度的影響更敏感。

隨著氣候變暖，近年來新疆干旱、洪澇、風雹和冷凍災害發生頻繁，氣象災害對新疆糧食生產具有明顯的不利影響，應提高氣象災害監測預警能力，健全預警監測、發布系統，提高應急處理能力。對于受災范圍的階段性變化，針對性地采取防災減災措施，降低受災范圍至關重要。旱災的危害逐漸增大，所以應當重視，加強對農業自然災害的認識，做好防御工作，建立健全完善的自然災害預測體系。因為風雹災和洪澇災對作物單產有更明顯的影響，因此加強暴雨及風雹預報研究、興建水利等減少災害強度顯得尤為重要，而旱災災害強度指數先減小后增大，其余的災種不斷減小，也應加強對旱災的重視。對于應對氣象災害總體措施而言，在應對氣象災害時，應針對不同作物制定不同的防災減災措施，重點防范對不同作物生長關鍵期危害較大的氣象災害。干旱發生在春節播種期，土壤缺乏水分影響種子發芽和出苗，洪澇災對作物苗期階段影響明顯，農業氣象服務應考慮各類作物發育階段特征及農業氣象災害發生特點，及時采取相應的防御措施[17]。

此外，本文運用灰色關聯分析法，從災害受災率和受災強度兩種不同角度出發，對新疆氣象災害對作物生產產生的影響進行分析，結果表明灰色關聯分析法能識別不同階段的關鍵災害及受影響最大的作物，可以為針對性采取防災減災措施提供科學依據。然而，目前研究仍舊存在一些不足，由于新疆地域廣袤，下墊面復雜多變，所以未來還特別需要針對不同下墊面條件進行更細化的研究。此外，灰色關聯分析法主要缺點在于需要對各項指標的最優值進行現行確定，主觀性過強，同時無量綱化處理不具備保序效應，不能體現因素之間的內在聯系及負相關特性，故上述氣象災害的影響具有一定的局限性。今后研究中，可嘗試確定各項指標，進一步構建數學模型，從而制定更科學完善的定量評價標準。