石家庄市主要农作物单产变化分析

摘要 利用石家庄地区主要农作物1985—2010年历年单产数据，分析讨论了该地区主要农作物单产的变化、突变和周期。结果表明：从年代际变化情况看，大部分主要农作物单产均在1990年代波动最强，在1980年代波动最弱，其中蔬菜单产波动最为剧烈，稻谷波动最弱，大部分主要农作物呈现明显增产趋势，其中蔬菜、小麦和花生单产增产趋势最为明显；从年变化情况看，蔬菜单产波动最为剧烈，棉花波动最弱，大部分主要农作物呈现明显增产趋势，其中蔬菜、小麦和花生单产增产趋势最为明显；主要农作物均呈现增产趋势，增产趋势大多出现在1980年代后期和1990年代初期，玉米、棉花和大豆气候单产出现突变现象；全区主要农作物气候单产均存在准7年的低频振荡周期，其中棉花和稻谷气候单产低频振荡周期振幅最大。

关键词 单产；波动；趋势；气候单产；突变；周期；分析

中图分类号 S5 文献标识码 A 文章编号1007-5739（2012）20-0223-03

随着人口的不断增长，城市建设用地对耕地压力不断增大，使粮食总产量的增长步伐难以跟上人口增长的步伐，粮食安全日益成为国际社会焦点问题。气候变化及由此带来的气象灾害很大程度上增加了农业生产的不稳定性，河北科技工作者对此在全省范围内做了大量研究，结果表明，温度过低或过高都会使小麦减产，高温使小麦减产更严重，降水量和小麦气候产量呈显著正相关[1]；冬小麦日照隶属度较大，气候适宜度为下降趋势[2]；一般年份只有在灌溉的情况下才能满足小麦生长发育的需求[3]；通过研究日光温室中地面覆盖对黄瓜地温的影响，表明地面覆盖可提高黄瓜全生育期的土壤温度、降低黄瓜耗水量、提高土壤水分渗漏率和产量[4]；分别根据降水、气温、日照时数对棉花产量影响效应系数，把棉区各分为3个降水影响区、3个气温影响区和3个日照影响区[5]；干热风总日数与小麦千粒重具有负相关关系[6]；利用地理信息技术将全省玉米区划为干旱灾害高、中、低3种风险区，并探讨了各类风险区不同旱灾年景的平均减产率和防灾减灾措施[7]；气候变化的不确定性、冷暖交替突变、抗寒锻炼时间缩短和强度减弱是导致冬小麦冻害发生率回升的重要原因[8]等。但是针对石家庄区域气候变化及气象灾害对当地农业影响的研究还较少，石家庄是农业大市，地处河北省中南部，跨华北平原和太行山地两大地貌单元，具有良好的农业生产条件，当地农业经济在其产业结构中占有重要地位。因此，客观分析该区域主要农作物的单产变化显得尤为重要，对科学调整粮油生产布局，增强粮食安全，指导农业生产适应气候变化具有深远的理论和现实意义。

1 材料与方法

石家庄区域农业分为五大主产区，有北部砂土粮油区、东部平原粮棉区、西部山地杂粮区、中部城郊菜蔬区和南部滹沱河故道果林区，农业资源丰富，作物品种繁多。鉴于石家庄地区的农业区域特色，选取1985—2010年当地主要农作物（粮食、油料、棉花和蔬菜）历年单产数据来分析其变化，其中粮食作物中选取小麦、稻谷、玉米和大豆为例，油料作物中选取花生为例，蔬菜类别繁杂，比重相当，不再细分。

该文利用距平、变率和线性趋势分别描述年代际和年际主要农作物单产[9]的波动变化和变化趋势的区域性特征。变率选用均方差来描述主要农作物单产的波动变化；线性趋势利用每10年的气候倾向率来描述主要农作物单产的变化趋势，并对趋势系数进行了显著性检验。

该文选用Mann—Kendall突变检验法分析主要农作物气候单产的变化趋势和突变；采用小波母函数为Morlet小波[10]研究主要农作物气候单产的特征尺度和变化周期。

实际单产可分为趋势产量、气候产量和随机产量3部分，用公式可表示为：

Y=Yt+Yw+e

式中，Y表示实际单产，Yt表示趋势产量，Yw表示气候危害，e表示随机产量。Yt采用5年滑动平均方法模拟，结合实际产量可以分离出Yw，e可忽略不计，Yt主要为技术水平对产量的影响，Yw为气象因素对产量的影响。

2 主要农作物单产的变化特征

2.1 主要农作物单产的年代际变化

2.1.1 主要农作物单产的波动变化。表1给出了石家庄主要农作物单产的年代波动变化。可以看出，除棉花在2000年代波动最弱外，其他农作物均在1980年代波动最弱；除玉米在2000年代波动最强外，其他农作物均在1990年代波动最强。蔬菜单产波动最为剧烈，其次是小麦、花生、玉米和大豆；棉花和稻谷单产波动较弱，其中稻谷波动最弱。

2.1.2 主要农作物单产的变化趋势。表2给出了石家庄主要农作物单产的年代变化趋势。可以看出，除稻谷在1990年代出现增产趋势之后在2000年代出现减产趋势，棉花在1990年代出现减产趋势之后在2000年代出现增产趋势外，其他农作物均呈现持续增产趋势。除稻谷为明显减产趋势外，其他农作物呈现明显增产趋势，其中蔬菜、小麦和花生增产趋势最为明显，年平均单产分别增产了13 536、935、805 t/hm2，其次是玉米、大豆和棉花增产趋势也较明显。

2.2 主要农作物单产的年变化

2.2.1 主要农作物单产的波动变化。表3给出了石家庄主要农作物单产的年波动变化。可以看出，蔬菜单产波动最为剧烈，其次是小麦、花生、玉米和大豆；稻谷和棉花单产波动较弱，棉花波动最弱。

2.2.2 主要农作物单产的变化趋势。表4给出了石家庄主要农作物单产的年变化趋势。可以看出，除稻谷为弱的减产趋势外，其他农作物呈现明显增产趋势，其中蔬菜、小麦和花生增产趋势最为明显，年平均单产分别增产了1 467、105、88 t/hm2，其次是玉米、大豆和棉花增产趋势也较明显。

2.3 主要农作物气候单产突变

采用M-K方法对石家庄主要农作物单产进行突变检验，图1为绘出的UF和UB曲线图，UF为按时间序列顺序计算出的统计量序列，UB为按逆时间顺序计算出的统计量序列，若UF>0，则表明序列呈上升趋势，UF<0则表明序列呈下降趋势，当超过信度线时，表明上升或下降显著，通过0.05水平的显著性检验。超过信度线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UF和UB 2条曲线出现交点且交点在信度线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

由图可见，玉米、棉花和大豆气候单产均在1989年出现增产趋势，并分别在1993、2000、2005年出现明显增产趋势，UF和UB 2条曲线交点出现在信度线之间（突变点分别出现在1991、1999、2004年），表明玉米和棉花分别在1990年代初期和末期，大豆在2000年代中期明显增产为一突变现象。

蔬菜、小麦和花生气候单产均在1989年，稻谷气候单产在1992年出现增产趋势，并分别在1992、1995、1994、1994年出现显著增产趋势，但UF和UB 2条曲线交点出现在信度线之外，不具有突变性质，表明蔬菜、小麦、花生和稻谷在1990年代前中前期明显增产非一突变现象。

2.4 主要农作物气候单产周期

小波系数的变化趋势与农作物气候单产信号的起伏是基本一致的，等值线中心为增产、减产中心，中心值的大小可以反映出波动的振动强度，小波系数的零点可能对应于气候单产突变点。该文采用标准Morlet小波变换分析了全区主要农作物气候单产的多时间尺度特征（图2）。

从Morlet小波变换系数（实部）等值线图可以发现，全区主要农作物气候单产均存在准7年的低频振荡周期，振幅较大且周期振荡稳定，可分为2个减产时段和3个增产时段，减产时段为1990年代中后期、2000年代中前期，增产时段为1990年代前期、1990年代末到2000年代初和2000年代中后期；高频振荡周期变化不明显。可以看出，棉花和稻谷气候单产低频振荡周期振幅最大，目前该区主要农作物气候单产在2000年代末之后正处于减产阶段。

3 结论

（1）从年代际变化情况看，大部分主要农作物单产均在1990年代波动最强，在1980年代波动最弱，其中蔬菜单产波动最为剧烈，稻谷波动最弱；大部分主要农作物呈现明显增产趋势，其中蔬菜、小麦和花生单产增产趋势最为明显。

（2）从年变化情况看，蔬菜单产波动最为剧烈，棉花波动最弱；大部分主要农作物呈现明显增产趋势，其中蔬菜、小麦和花生单产增产趋势最为明显。

（3）全区主要农作物均呈现增产趋势，增产趋势大多出现在1980年代后期和1990年代初期；棉花增产趋势出现时间最晚（1999年之后），蔬菜出现时间最早（1987年之后）；玉米、棉花和大豆气候单产出现突变现象。

（4）全区主要农作物气候单产均显著存在准7年的低频振荡周期，其中棉花和稻谷气候单产低频振荡周期振幅最大。

4 参考文献

[1] 史印山，王玉珍，池俊成，等.河北平原气候变化对冬小麦产量的影响[J].中国生态农业学报，2008，16（6）：1444-1447.

[2] 魏瑞江，张文宗，康西言，等.河北省冬小麦气候适宜度动态模型的建立及应用[J].干旱地区农业研究，2007，25（6）：5-9，15.

[3] 姚树然，陈道红，王西平，等.河北省冬麦区土壤水分监测预测系统及其应用[J].气象科技，2006，34（2）：225-228.

[4] 李振东，王树忠，王倩.地面覆盖对日光温室黄瓜地温、耗水量和产量的影响[J].华北农学报，2009，24（增刊）：312-315.

[5] 姚树然，康西言，李二杰.河北棉区气候影响效应的时空变化[J].中国农业气象，2008，29（3）：325-328.

[6] 史印山，尤凤春，魏瑞江，等.河北省干热风对小麦千粒重影响分析[J].气象科技，2007，35（5）：699-702.

[7] 张文宗，王鑫，康西言，等.河北省玉米干旱风险评估及区划方法[J].华北农学报，2008，23（增刊）：367-372.

[8] 代立芹，李春强，姚树然，等.气候变暖背景下河北省冬小麦冻害变化分析[J].中国农业气象，2010，21（3）：467-471.

[9] 河北省人民政府办公厅，河北省统计局.河北农村统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2011.

[10] 谢云，刘继东.1949—1992年我国粮食单产的气候影响分析[J].自然资源学报，1997，12（4）：317-322.

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