新疆气象灾害对主要作物产量影响的灰色关联分析

吾米提·居马太，瓦力江·瓦黑提，黄 娟

（1.伊犁州气象局，新疆 伊宁835000；2.广东省气象台，广东 广州510000；3.新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002）

新疆地处亚欧大陆腹地，是典型的干旱半干旱地区，受气候和地理环境的影响，生态环境脆弱，各种自然灾害频繁发生。20世纪90年代以来，全球变暖的气候背景下，极端天气气候事件增多，气象灾害直接影响了作物产量，带来严重的经济损失。目前，国内外有许多围绕农业气象灾害展开的研究[1-2]，史培军等[3]分析了自然灾害对我国粮食生产的影响，得出1980—1994年水旱灾害是影响最大的因素。龙方等[4]采用灰色关联法对中国1950—2008年稻谷单产与气象灾害数据进行分析，结果自然因素占48%~56%。即使地域不同、研究方法不同，得到的结果都证实气象灾害对粮食生产有不利影响。关于新疆气象灾害影响特别是对农业生产的影响主要集中在受灾范围对粮食单产的影响方面[5-7]。然而不同气象灾害对农业的危害程度不同，往往多种气象灾害并发或交替发生，不仅需要对单一灾种进行评价，更有必要对多种灾害进行综合评价。

本文选取洪涝、干旱、风雹和低温冷冻对新疆农业影响较大的气象灾害，尝试运用线性趋势分析和灰色关联法将4种灾害对农业的影响程度进行定性定量分析，以期为农业生产及防灾减灾工作的综合决策提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

新疆维吾尔自治区农作物总播种面积，旱灾、洪涝、风雹和冷冻气象灾害成灾受灾面积和作物生产产量资料来源于《新疆维吾尔自治区统计年鉴》，时间序列为1978—2014年。为便于比较分析不同阶段气象灾害对粮食生产的影响，根据粮食产量变动趋势划分为3个阶段：1978—1994年，1994—2002年，2002—2014年。1994年新疆实行了粮食购销体制改革，粮食走向多样化，极大提高了粮食生产的积极性，产量持续增长。2002年起农机经历了国家、集体统一经营向多种形式并存的发展历程，农业生产资料和劳动者紧密结合，为农业机械化的发展奠定了基础。

1.2 分析方法

受灾率为农作物受灾面积与总播种面积的比值，分析比较灾害造成的相对损失量，将因灾害使农作物产量减产10%~30%的面积称为受灾面积，因灾减产30%以上的面积称为成灾面积。灾害强度指数为成灾面积与受灾面积的百分比，客观地反映不同灾害对作物产量造成的影响[8]。农业气象灾害灾情的变化趋势采用线性趋势分析[9]，关联分析采用灰色关联分析法[10-13]。

灰色关联分析法的一般步骤：设参考序列X0={x0（1），x0（2），…，x0（k），…，x0（n）}，比较序列Xi={xi（1），xi（2），…，xi（k），…，xi（n）}，其中参考序列为系统行为特征因子的时间序列；比较序列为影响系统行为特征因子的时间序列。

（1）数据处理一般将参考序列和比较序列进行初始化处理，使之无量纲化、归一化，采用初值化法。

（2）根据 Δ0（ik）=，k=1，2，…，n，求绝对差。

（3）求关联系数，分辨率系数ρ=0.5，公式为：

（4）计算关联度，关联度公式为：

其中ri为第i项比较序列与参考序列各时刻关联系数均值。

（5）根据关联度的大小进行排序，确定比较序列对参考序列的相关程度大小。ri的值越大，说明关联的程度越大；反之关联度小。根据关联度ri得到第i个影响因子的权重wi[14-16]。

2 结果与分析

2.1 新疆作物产量变化特征

1978—2014年，新疆主要农作物单产和总产呈增加的趋势。其中第一阶段（1978—1994年），新疆作物单产和总产均有波动上升趋势；第二阶段（1994—2002年），新疆粮食单产呈波动上升趋势，总产；第三阶段（2002—2014年）单产量相对波动小，2007年达到6287 kg·hm-2，总产呈上升趋势。

1978—2014年新疆作物总产量为28 268万t，平均为764万t，最小值为375万t，至 2013年达到最大值，产量值为1 377万t，总体呈增长趋势（图1）。其中第一阶段是1978—1994年，呈现增长趋势，总增长量为269万t，平均增长量为35万t。第二阶段是1995—2002年，也呈现增长趋势，总增长量为192万t，平均增长量为27万t。第三阶段是2003—2014年，呈明显增长，总增长量为578万t，平均增长量为53万t。新疆的作物单产一直呈显著上升趋势，1978年新疆的单产量1 606 kg·hm-2到2014年增长达6 270 kg·hm-2，增加了2.9倍。1978—2002年呈不断增长趋势，其中1978—1995年显著提高，2002—2014年，单产量相对波动小，到2007年达到了最高值 6287 kg·hm-2。

图1 新疆1978—2014年作物单产和总产的年际变化

图2 新疆1978—2014年受灾率和灾害强度指数的年际变化

2.2 新疆气象灾害变化特征

由新疆1978—2014年受灾率和灾害强度指数的年际变化（图2）可知，在研究期间气象灾害对新疆的作物生产影响较大，新疆平均受灾率和灾害强度指数分别为28%和51%。3个阶段中，受灾率高于研究期平均值的年份占29.4%、62.5%、58.3%，灾害强度高于研究期平均值的年份占29.4%、50%、91.6%，说明研究期间内气象灾害的受灾范围呈现先上升后下降趋势，而灾害强度不断增大。

2.3 作物产量和气象灾害的关联分析

2.3.1 作物单产与受灾范围

由表1可知，第一阶段洪涝、旱灾、风雹灾及冷冻4种农业气象灾害受灾率与作物单产的关联性表现为：作物单产与风雹灾呈强关联，其次为旱灾和冷冻灾。说明从受灾范围看，风雹灾是该阶段的关键气象灾害。所有作物单产与洪涝灾的关联最弱，即危害最小。

表1 新疆1978—1994年4种农业气象灾害受灾率与主要作物单产的关联分析

由表2可知，第二阶段4种农业气象灾害受灾率与作物单产的关联性表现与第一阶段相比得出：稻谷、小麦和甜菜单产与第一阶段关联性表现一致，与风雹灾呈强关联，其次是旱灾和冷冻灾，最后是洪涝灾，说明从受灾范围看，在此阶段旱灾对棉花单产的危害程度显著上升，风雹灾有所下降，与旱灾呈强关联关系。旱灾对棉花单产上升与气候变化有关系，主要气候因素是气温和降水，待进一步研究。

表2 新疆1995—2002年4种农业气象灾害受灾率与主要作物单产的关联分析

由表3可知，第三阶段与第二阶段相比，4种农业气象灾害与作物单产的关联性表现为：旱灾成为最强关联，对作物单产影响最大；对于稻谷洪涝灾影响上升，风雹灾下降，成为影响稻谷单产的第2位；说明从受灾范围看，对小麦、玉米、棉花和甜菜而言，该阶段的关键气象灾害为旱灾，其次是风雹和洪涝灾，冷冻灾的危害最小。结合灾害数据，可知风雹灾发生的频率较高，而洪涝灾发生的频率低。

表3 新疆2003—2014年4种农业气象灾害受灾率与主要作物单产的关联分析

综上所述，对某一特定作物，不同灾害受灾范围的影响不同，但对于不同作物，特定灾害受灾范围的影响程度，具有相对一致性；受灾范围对作物单产的影响在不断地发生变化，第一阶段的关联度最大，第二阶段略下降，第三阶段上升，说明灾害受灾范围对作物生产的危害下降后开始上升；总体上，前两阶段风雹灾为关键气象灾害，第三阶段为旱灾。

风雹灾一般发生在初春或雨季，大风灾使农作物吹倒，致使其长势降低；冰雹持续时间短，影响范围小，但出现次数多，对作物造成冲击，尤其是在作物抽穗和成熟阶段，直接影响产量。新疆是典型的内陆干旱半干旱区，降水量和蒸发量相差悬殊，且降水量分布不均匀，北疆多于南疆，山区多于平原，西部多于东部。干旱灾害多发生于初春夏末，正值冬小麦生长盛期，同时是春播时期，农业生产需大量水，所以水的供应直接影响农业生产产量。

2.3.2 作物单产与灾害强度

从表4可知，第一阶段4种农业气象灾害强度指数与作物单产的关联性表现为：风雹灾呈现强关联，对于稻谷和玉米单产而言其次为冷冻，而对于其余3种作物单产而言，其次为旱灾，最后为洪涝灾害；作物生产受风雹灾的危害较大，洪涝灾害的危害较小。

表4 新疆1978—1994年4种农业气象灾害强度指数与主要作物单产的关联分析

第二阶段与第一阶段相比（表5）得出：洪涝灾的强度指数显著上升至强关联，其次是风雹灾和冷冻灾，最后为旱灾，说明从灾害强度出发，作物单产在此阶段受洪涝灾害的危害较大。

表5 新疆1995—2002年4种农业气象灾害强度指数与主要作物单产的关联分析

第三阶段（表6）与第二阶段相比较得出：风雹灾害强度指数与作物单产的关联度上升为第一位，为强关联。对于稻谷、小麦和玉米而言，旱灾为第二位，而对于棉花和甜菜，则为冷冻灾害。冷冻灾害强度指数对稻谷单产的关联度居第三位，洪涝灾害强度指数对小麦和玉米单产的关联度居第三位，旱灾灾害强度指数对棉花和甜菜单产的关联度居第三位。

对于不同作物，灾害强度的影响不同，从表4可知旱灾强度指数与小麦和棉花关联度高于与稻谷和玉米关联度，而冷冻灾强度指数对稻谷和玉米关联度高。

表6 新疆2003—2014年4种农业气象灾害强度指数与主要作物单产的关联分析

综上所述，对于特定作物，4种不同灾害强度的影响程度是不同的，而对于5种作物，特定灾害强度的影响程度，与其他灾害也不一致。3个阶段内，灾害强度对作物单产的影响在不断发生变化，第一阶段的灾害强度指数最大，旱灾灾害强度指数先减小后增大，其余不断减小。对于作物单产，特定灾害受灾范围的影响程度是相对一致的，而灾害强度的影响程度存在差异，说明作物单产受不同灾害强度的影响比受灾范围更敏感。

3 结论

本文运用新疆农作物总播种面积，旱灾、洪涝、风雹和冷冻气象灾害成灾受灾面积和作物产量资料，运用灰色关联分析法，从灾害受灾率和受灾强度两种不同角度出发，综合分析1978—2014年以及其中1978—1994年，1995—2002年，2003—2014年 3个不同阶段的变化规律，评估了粮食产量分别受气象灾害的影响程度，主要结论如下：

（1）1978—2014年新疆作物平均受灾率和灾害强度指数分别为28%和51%。而1978—1994年，1995—2002年，2003—2014年3个时期，新疆作物受灾率分别为29.4%、62.5%、58.3%，作物受灾强度分别为29.4%、50%、91.6%。这表明20世纪90年代以前新疆粮食作物的受灾率和受灾强度，明显低于90年代中期以后。

（2）在1978—2014年中的3个研究时期，不同作物受不同灾害的影响范围不同，但同种灾害对某一种特定作物的影响基本保持不变；受灾范围对作物单产的影响在存在阶段性波动，20世纪90年代中期以前的关联度最大，90年代中期以后关联度略下降之后上升；另外，不同灾害造成的受灾范围存在差别，2002年以前风雹灾害为关键气象灾害，2002年以后关键灾害变为旱灾。

（3）对新疆作物受气象灾害影响强度分析结果显示，风雹灾和洪涝灾对作物单产有更明显影响。对于特定作物，4种不同灾害强度的影响程度不同，而对于不同作物特定灾害强度的影响程度与其他灾害也各不相同。1978—2014年3个阶段内，灾害强度对作物单产的影响在20世纪90年代中期以前灾害强度指数先减小后增大，90年代中期以后受灾强度不断减小；灾害强度对作物单产的影响程度存在差异，表明作物单产变化受不同灾害强度的影响更敏感。

随着气候变暖，近年来新疆干旱、洪涝、风雹和冷冻灾害发生频繁，气象灾害对新疆粮食生产具有明显的不利影响，应提高气象灾害监测预警能力，健全预警监测、发布系统，提高应急处理能力。对于受灾范围的阶段性变化，针对性地采取防灾减灾措施，降低受灾范围至关重要。旱灾的危害逐渐增大，所以应当重视，加强对农业自然灾害的认识，做好防御工作，建立健全完善的自然灾害预测体系。因为风雹灾和洪涝灾对作物单产有更明显的影响，因此加强暴雨及风雹预报研究、兴建水利等减少灾害强度显得尤为重要，而旱灾灾害强度指数先减小后增大，其余的灾种不断减小，也应加强对旱灾的重视。对于应对气象灾害总体措施而言，在应对气象灾害时，应针对不同作物制定不同的防灾减灾措施，重点防范对不同作物生长关键期危害较大的气象灾害。干旱发生在春节播种期，土壤缺乏水分影响种子发芽和出苗，洪涝灾对作物苗期阶段影响明显，农业气象服务应考虑各类作物发育阶段特征及农业气象灾害发生特点，及时采取相应的防御措施[17]。

此外，本文运用灰色关联分析法，从灾害受灾率和受灾强度两种不同角度出发，对新疆气象灾害对作物生产产生的影响进行分析，结果表明灰色关联分析法能识别不同阶段的关键灾害及受影响最大的作物，可以为针对性采取防灾减灾措施提供科学依据。然而，目前研究仍旧存在一些不足，由于新疆地域广袤，下垫面复杂多变，所以未来还特别需要针对不同下垫面条件进行更细化的研究。此外，灰色关联分析法主要缺点在于需要对各项指标的最优值进行现行确定，主观性过强，同时无量纲化处理不具备保序效应，不能体现因素之间的内在联系及负相关特性，故上述气象灾害的影响具有一定的局限性。今后研究中，可尝试确定各项指标，进一步构建数学模型，从而制定更科学完善的定量评价标准。