1978～2014年中国玉米生产的时空特征变化研究*

贾正雷，程家昌，李艳梅，刘 玉

(1.广东友元国土信息工程有限公司，广州 510640； 2.深圳市坪山区规划国土事务中心，深圳 518118； 3.北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097； 4.北京农业信息技术研究中心，北京 100097)

0 引言

农作物生产的时空变化信息是农业地理和农业可持续发展的重要研究内容[1]。作为食品原料、畜禽饲料和工业原料三位一体的基础性作物，玉米在中国农业生产乃至国民经济中占有重要地位[2]。玉米播种面积和产量大规模扩张，并向北方与中部优势地区集中[3-4]，东北和黄淮海区的玉米生产优势进一步凸显[5-6]。与此同时，玉米产量年际间的波动加剧，且波动的周期性规律明显[7-8]。在生产政策、农场管理、气候变异、技术创新与应用等综合影响下，粮食单产在多种尺度下波动叠加，表现出年际间复杂的变化[9-10]。在主要粮食作物中，玉米的短期波动率高于小麦和水稻[11-12]，玉米产量的大幅度波动不仅会影响玉米价格的稳定，还会传导给关联的下游产业，不利于社会经济的平稳发展[13-14]。

我国玉米种植具有极强的地域差异性[15]，厘清中国玉米生产的时空变化特征，有助于保障玉米的持续、稳定供应。国内学者围绕玉米生产特征开展了一些研究[16-17]。从现有文献看，国内研究区域集中在吉林等玉米主产区，全国及省域尺度玉米的生产格局演化及其地区差异的系统研究尚未展开； 多采用剩余法、趋势百分比法等传统的数理统计方法[18-19]，尚未足够重视玉米生产变化的复杂性。1998年，N.E.Huang等[20]提出了经验模态分解方法(Empirical mode decomposition，EMD)，在处理非平稳、非线性信号方面具有明显优势[21]。EMD方法能够获得玉米生产的固有模态函数及趋势量，在揭示玉米生产波动性规律方面具有明显优势。鉴于此，文章基于玉米总产、播种面积及单产3个指标，从全国和省域两个尺度系统分析中国1978～2014年间玉米生产的时空特征，旨在为中国玉米总产量的持续稳定供应提供依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 经验模态分解模型(EMD)

EMD方法具有直观、直接、基于经验和自适应等特征，能够将时间序列数据分解成一系列固有模态函数(Intrinsic mode function，IMF)，每个IMF分量具有特征：(1)从全局特性看，极值点数必须和过零点数一致或者至多相差1个； (2)在某一个局部点，极大值包络和极小值包络在该点的值的算术平均和等于零。EMD分解实质是通过求包络线对数据不断进行移动平均的迭代过程[22]。该文采用镜像对称延伸方法[23]较好地解决了边界对于EMD分解过程中的上冲和下冲现象； 采用EMD法剔除玉米产量(播种面积、单产)的长期变动趋势，构建波动量与波动指数模型[24]。

(1)

(2)

式(1)(2)中，Git表示i地区在t年时的玉米产量(播种面积、单产)；ΔGit表示i地区在t年时的玉米产量(播种面积、单产)波动量；rit表示i地区EMD分解趋势量R在t年的趋势值；IMFikt表示i地区第k个IMF分量在t年时的波动量；n表示IMF分量的个数；FIit表示i地区在t年时的玉米产量(播种面积、单产)波动指数，FIit越大则波动越剧烈，反之则表示波动越弱。

1.2 数据来源预处理

该研究运用1978～2014年全国及各省域(不包括香港、台湾和澳门)的玉米产量数据、播种面积数据开展研究。1978～2008年的玉米产量数据和播种面积数据来源于《新中国农业六十年统计资料》， 2009～2014年的数据来自于相应年份的《中国统计年鉴》。为了保持数据的连贯性，在分省域计算分析时，将海南省并入到广东省，将重庆市并入到四川省。

2 结果与分析

2.1 全国玉米生产的时序特征

2.1.1 玉米总产量变化的时序特征

中国玉米产量总体呈现增长趋势， 1978年为5 600万t， 2014年为2.16亿t， 37年增加了1.60亿 t，占全国同期粮食总增加量的52.84%，玉米产量占粮食总产量的比重也相应地由1978年的18.36%提升到2014年的35.53%。由图1和图2可知，(1)趋势分量R表明, 1978年以来中国玉米总产量一直以较高的速度增长，尤其是2003年以后呈现快速增长。(2)研究期间,玉米波动量介于-1 357.33万～1 412.56万t之间，平均值为55.30万t； 20个年份的波动量为正值， 1996年和1998年的玉米波动量在1 000万t以上； 17个年份的波动量为负值， 1997年和2000年的玉米波动量在-1000万t以下。(3)中国玉米产量波动指数介于-11.51%～11.88%之间，平均值为0.53%，波动指数介于-5%～5%、-2%～2%的年份分别为22年和13年。(4)总体而言，中国玉米产量的波动量呈现先增大后减小的趋势； 波动指数的变化幅度不大，基本上维持在-5%～5%之间。

2.1.2 玉米播种面积变化的时序特征

1978～2014年，玉米播种面积呈现波动上升趋势，由1978年的1 996万hm2增加到2014年的3 712万hm2，其中11个年份在减少，合计-826万hm2； 25个年份在增加，合计2 542万hm2。研究期间玉米播种面积共增加了1 716万hm2，玉米播种面积占农作物播种面积的比重也相应地由13.30%增长到2014年的22.44%。特别是2003年以来，玉米播种面积一直呈现快速增长趋势， 2003～2014年增长了1 306万hm2，占改革开放以来玉米播种面积总增长量的76.07%。由图3和图4可知，(1)趋势分量R表明1978年以来中国玉米播种面积一直以较高的速度增长，其变化趋势与玉米总产量的变化趋势基本一致。(2)研究期间玉米播种面积波动量介于-167.510万～177.240万hm2之间，平均值为-4.370万hm2； 19个年份的波动量为正值， 18个年份的波动量为负值。(3)中国玉米播种面积波动指数介于-7.43%～7.34%之间，平均值为0.23%，波动指数介于-5%～5%、-2%～2%的年份分别为30年和20年。(4)总体而言，中国玉米播种面积的波动量呈现先增大后下降的趋势； 波动指数的变化幅度不大，基本上维持在-5%～5%之间，波动幅度与玉米总产量的波动幅度基本一致。

图1 1978～2014年中国玉米总产量及其比重和玉米总产量趋势量

图2 1978～2014年中国玉米总产量的波动量和波动指数

图3 1978～2014年中国玉米播种面积及其比重和玉米播种面积趋势量

图4 1978～2014年中国玉米播种面积的波动量和波动指数

图5 1978～2014年中国玉米单产及其趋势量

图6 1978～2014年中国玉米单产的波动量和波动指数

2.1.3 玉米单产变化的时序特征

全国玉米单产呈现波动式增长趋势，代表丰产年的波峰和代表歉产年的波谷交替出现。整体上，玉米单产从1978年的2 802.7kg/hm2增至2014年的5 809.1kg/hm2，增加了3 006.4kg/hm2，高于全国同期粮食单产的平均增幅。由图5～6可知，(1)趋势分量R表明1978年以来中国玉米单产一直以较高的速度增长，其变化趋势与粮食总产量的变化趋势基本一致。(2)研究期间玉米单产波动量介于-450.2～455.7kg/hm2之间，平均值为-12.8kg/hm2； 16个年份的波动量为正值， 21个年份的波动量为负值。(3)中国玉米单产波动指数介于-11.71%～11.39%之间，平均值为-0.62%，波动指数介于-5%～5%、-2%～2%的年份分别为29年和10年。(4)总体而言，中国玉米单产的波动量呈现先增大后下降的趋势； 波动指数基本上维持在-5%～5%之间，但总体幅度大于玉米总产量和玉米播种面积的波动幅度。

2.2 省域玉米生产的时空特征变化

2.2.1 省域玉米生产的时空特征

1978～2014年间，除北京和上海外其余省域的玉米产量都在增加，黑龙江、内蒙古、吉林、山东、河南和河北增加最为明显，共计增加了1.083 46亿t，占研究期间玉米增加量的67.84%； 14个省域的玉米增加量介于100万～1 000万t之间，增加也比较明显； 浙江、西藏、江西、青海、福建、天津和广东的玉米增加量较小，增加量低于100万t。总体而言， 37年间中国玉米增加量呈现出“北高南低”的特征，华北区和东北区的玉米生产优势进一步凸显，中国玉米生产重心进一步北移。研究期间，玉米产量趋势量的方差贡献率在85%以上的省域有20个，特别是福建、宁夏、内蒙古、新疆、青海、黑龙江、云南、广西、西藏等9个省域的趋势量方差贡献率在95%以上，趋势增长非常明显； 浙江、辽宁、上海、江西和江苏等5个省域玉米趋势量的方差贡献率低于70%，玉米产量的波动性较大。总体上看，研究期间省域玉米总产量以趋势增长为主，黑龙江、内蒙古、河北、山西、云南等省域的玉米总产量大且趋势增长明显，对我国玉米产量稳定增长起到了重要作用； 吉林、山东和河南的玉米产量比重也较大，但波动幅度较大； 播种面积和单产的变动促使辽宁的玉米产量呈现增长趋势，但增长速度慢于全国平均水平，在全国玉米总产量中的比重由1978年的10.78%下降到2014年的5.43%，且趋势增长的方差贡献率仅为63.92%，相关原因有待深入分析。

2.2.2 省域玉米播种面积的时空特征

1978～2014年间， 24个省域的玉米播种面积都在增加，黑龙江、内蒙古、吉林和河南的增加最明显，共计增加了1.017 5亿hm2，占研究期间玉米播种面积增加量的59.28%； 山东、河北、山西、辽宁、甘肃、安徽、云南等省域的玉米播种面积增加量也比较大，介于500万～1 000万hm2之间； 13个省域玉米播种面积的增加量较小，增加量低于300万hm2； 北京、浙江、广西、江苏和上海等5个省域的玉米播种面积呈现下降趋势。总体而言， 37年间中国玉米播种面积增加量呈现出“北高南低”“西高东低”的特征，在气候变暖背景下的玉米种植范围北移[25]以及雨热同期、经济利益驱动等促使东北区和黄淮海区的玉米播种面积进一步扩大，在全国玉米生产中的优势地位进一步凸显，中国南方各省的玉米生产优势呈现下降趋势。方差贡献率表明，研究期间省域玉米播种面积以趋势增长为主，但趋势增长性总体上弱于玉米总产量增长的趋势性。趋势量的方差贡献率在85%以上的省域有16个，特别是青海、内蒙古、宁夏、山西、河南、河北、云南、吉林、安徽等9个省域的趋势量方差贡献率在95%以上，趋势增长非常明显； 天津、广西、江苏、陕西、浙江、四川、江西、上海等8个省域玉米播种面积趋势量的方差贡献率低于70%，玉米播种面积的波动性较大。总体上看，研究期间省域玉米播种面积以趋势增长为主，黑龙江、山东、吉林、河北、河南、山西等省域的玉米播种面积大且趋势增长明显，对我国玉米产量稳定增长起到重要作用； 辽宁的玉米播种面积比重也较大，但波动幅度较大； 四川、陕西的玉米播种面积在全国占有较大比重，但趋势增长的方差贡献率仅为61.50%和51.83%。

2.2.3 省域玉米单产的时空特征

1978～2014年间，玉米品种的改良叠加上农业生产资料投入的增加和栽培管理技术的提升，使得所有省域的玉米单产均有所提高。其中， 14个省域的玉米单产增加量高于全国平均水平(3 006kg/hm2)，青海、西藏、新疆、宁夏、吉林和福建的增加最为明显，增加量在4 000kg/hm2以上；15个省域玉米单产增加量低于全国平均水平，辽宁、上海、贵州、陕西等地的玉米单产增幅较小。总体而言， 37年间中国玉米单产增加量呈现出“西高东低”“北高南低”的特征。研究期间，玉米单产趋势量的方差贡献率在85%以上的省域有13个，特别是广东、新疆、湖南、福建、宁夏等5个省域的趋势量方差贡献率在95%以上，趋势增长非常明显； 在干旱为主的不利气候因素和玉米病、虫、草、鼠害等生物逆境因素的综合影响下[26]，青海、山西、辽宁、黑龙江、上海、吉林、天津、安徽、河南等9个省域玉米单产趋势量的方差贡献率低于70%，玉米单产的波动性较大。总体上看，研究期间省域单产以趋势增长为主，但年际间的波动较剧烈，高产稳产品种多乱杂、气象条件影响、施肥方法不科学、耕作栽培管理粗放等限制了玉米单产的提升[27]，玉米单产的波动性总体上大于玉米播种面积和玉米产量的波动性。

表1 1978～2014年分省域玉米生产特征

地区玉米产量玉米播种面积玉米单产197820141978201419782014产量(万t)比重(%)产量(万t)比重(%)R2面积(100万hm2)比重(%)面积(100万hm2)比重(%)R2单产(kg/hm2)单产(kg/hm2)R2北京60 501 0850 000 2384 74169 500 8588 601 0878 713569 325643 3471 43天津31 500 56101 400 4783 81180 600 90202 800 5639 291744 195000 0060 31河北516 509 231670 707 7593 422236 2011 203170 909 2396 052309 725268 8587 32山西271 004 84938 104 3594 98793 103 971676 504 8496 903416 975595 5927 57内蒙古19 000 342186 1010 1498 6155 700 283372 200 3498 283411 136482 7174 85辽宁603 0010 781170 505 4363 921485 607 442330 1010 7882 524058 975023 3939 35吉林581 0010 392733 5012 6888 431882 209 433696 6010 3995 633086 817394 6356 13黑龙江622 0011 123343 4015 5097 701996 4010 005440 2011 1294 623115 616145 7347 11上海5 500 102 600 0164 3710 100 054 000 1067 635445 546500 0051 12江苏123 002 20239 001 1170 76445 002 23436 102 2051 832764 045480 3970 82浙江28 000 5030 100 1439 71120 800 6166 500 5058 662317 884526 3281 38安徽38 000 68465 502 1689 69232 901 17852 400 6895 471631 605461 0565 18福建—0 0020 300 0999 162 600 0149 500 0089 660 004101 0196 76江西1 000 0212 300 0670 1410 400 0529 900 0264 25961 544113 7192 90山东612 0010 941988 309 2289 552134 6010 693126 5010 9490 992867 056359 5186 71河南469 008 381732 108 0385 101684 008 443283 908 3896 502785 045274 5268 07湖北103 001 84293 701 3693 27403 102 02642 401 8487 752555 204571 9291 88湖南22 000 39188 600 8791 93145 700 73345 700 3980 301509 955455 6097 52广东6 000 1176 900 3691 9948 700 24177 200 1189 231232 034339 7399 05广西103 001 84266 401 2495 31632 603 17584 001 8451 201628 204561 6493 07四川438 507 841007 904 6783 961566 707 851849 107 8461 502798 885450 7687 32贵州174 003 11313 801 4685 05677 903 40787 503 1178 902566 753984 7681 78云南233 004 16743 303 4595 971024 005 131525 704 1695 732275 394871 8691 84西藏—0 002 400 0195 14—0 004 200 0083 720 005714 2987 05陕西292 005 22539 602 5080 491083 805 431153 705 2254 792694 224677 1376 56甘肃101 501 81564 502 6294 41299 81 501000 91 8182 493385 595639 9278 55青海—0 0018 700 0997 95—0 00270 0098 350 006925 9325 25宁夏6 000 11224 101 0498 8817 90 09288 80 1197 923351 967759 7095 98新疆134 502 40641 102 9798 14621 43 11910 82 4088 142164 477038 8798 74全国5594 501 0021564 901 0098 4719961 301 0037123 701 0098 142802 675808 9393 82

3 结论与讨论

该研究基于EMD模型，从全国和省域两个尺度系统分析了1978～2014年中国玉米生产的时空特征变化，为制定差别化的玉米生产策略提供了数据支撑。

研究期间，玉米产量增加了1.60亿t，玉米产量占粮食总产量的比重也由1978年的18.36%提升到2014年的35.53%，其波动量呈现先增大后减小的趋势，波动指数的变化幅度不大； 玉米播种面积增加了1 716万hm2，其变化趋势与玉米总产量的变化趋势基本一致； 玉米单产由1978年的2 802.7kg/hm2增至2014年的5 809.1kg/hm2，波动指数基本上维持在-5%～5%之间，但总体波动幅度大于玉米总产量和玉米播种面积的波动幅度。

研究期间，除北京和上海外其余27个省域的玉米产量都在增加，省域玉米增加量呈现出“北高南低”的特征，黑龙江、内蒙古、吉林、山东、河南和河北等省域的玉米生产优势进一步凸显； 省域玉米播种面积增加量呈现出“北高南低”“西高东低”的特征，黑龙江、内蒙古、吉林和河南等省域的玉米播种面积进一步扩大，中国南方各省的玉米生产优势减弱； 省域玉米单产增加量呈现出“西高东低”“北高南低”的特征，省域玉米单产以趋势增长为主，但年际间的波动较剧烈。

总体上看，在玉米单产和玉米播种面积的综合驱动下，我国玉米产量明显增加且省域差异显著。作为典型的旱作农业区和畜牧业发展优势区，“镰刀湾”*根据《农业部关于“镰刀弯”地区玉米结构调整的指导意见》，“镰刀弯”地区包括东北冷凉区、北方农牧交错区、西北风沙干旱区、太行山沿线区及西南石漠化区，是玉米结构调整的重点地区地区生态环境脆弱，玉米单产低而不稳。在玉米供大于求、库存持续攀升、玉米种植效益降低的背景下，加快玉米供给侧结构性改革，以“镰刀湾”地区为重点，适时推进玉米种植结构调整和布局优化，是“十三五”期间乃至今后一段时间我国玉米生产的重要任务。

该研究从玉米播种面积、玉米单产和玉米总产3个方面分析了玉米生产的变化特征及波动特征。受篇幅限制，该研究尚未深入分析玉米生产格局变化的驱动因素。实际上，土地资源禀赋、气候变化、科技进步、政策因素和种植制度变迁等驱动着玉米生产格局变化，但各因素的影响方向及影响程度还需深入探讨； 此外，在玉米供大于求、玉米种植效益降低的背景下，积极推进玉米供给侧结构性改革，根据玉米供求关系和玉米生产比较优势制定差异化的玉米生产策略，是亟待研究的重要方向。

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