氣候變化對我國糧食產(chǎn)量的影響

氣候變化對我國糧食產(chǎn)量的影響

一、氣候變化對糧食產(chǎn)量的影響不可否認，世界氣候的變化是不可否認的。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化委員會（ipcc）的最新研究，在過去100年（1906年至2005年），全球變化趨勢為0.74，這與該組織的第三次評估報告（hough頓等人，2001）中指出的密切相關。全球平均溫度從1861年的0.6%增加到了高達高等教育機構。過去50年全球變暖趨勢是每10年升高0.13℃,幾乎是過去100年來的兩倍。僅將2001~2005年與1850~1899年相比,溫度就升高了0.76℃。近100年來,中國地表年平均溫度顯著升高,升溫幅度約為0.5℃~0.8℃,比同期全球地表年平均溫度升高的平均幅度(0.6℃±0.2℃)稍高。升溫較明顯的兩個階段分別是20世紀50年代和20世紀末,且增溫情況主要發(fā)生在冬季和春季。近半個世紀以來中國平均地表溫度上升1.1℃,升溫幅度為0.22℃/10年,明顯高于北半球同期增溫速度。本文研究利用氣候變化線性趨勢分析的相關公式(1)對中國近34年(1975~2008年)的氣候變化線性趨勢做了詳細分析,并利用地理信息系統(tǒng)(GIS)輸出中國各省(區(qū)、市)的氣溫、光照和降水因子的變化趨勢圖(2)。從該趨勢圖可以看出,34年來中國北方地區(qū)普遍升溫,西南地區(qū)和長江中下游部分地區(qū)則出現(xiàn)降溫現(xiàn)象,丁一匯(2006)研究認為,中國青藏高原在過去近100年內升溫顯著。氣溫升高帶來了作物生長期的普遍延長,尤其是中國北方地區(qū)作物生長期延長更加明顯。近百年來,中國年均降水量波動幅度增加。從20世紀60年代開始,全國降水逐漸呈增加趨勢,自1990年以來,多數(shù)年份降水量的變化幅度高于往年。從全國年均降水趨勢圖可以看出,34年來全國降水量存在著明顯的區(qū)域性變化特征,新疆、吉林、四川和廣西是降水增加最顯著的地區(qū),而華北地區(qū)和長江中下游部分地區(qū)降水則存在明顯減少的趨勢。日照時數(shù)變化趨勢與降水變化趨勢大致相同,但變化幅度稍大,全國年均日照時數(shù)減少5%左右,但各地區(qū)變化情況不同:減少最明顯的地區(qū)是華東地區(qū)和西南地區(qū),例如山東、江蘇、江西、四川、云南、貴州和重慶,此外,青海平均日照時數(shù)也有明顯減少的趨勢。農(nóng)業(yè)是國家的基礎性產(chǎn)業(yè),在國家經(jīng)濟發(fā)展中起著不可替代的作用,然而,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對自然資源的依賴性使得農(nóng)業(yè)尤其是糧食生產(chǎn)不可避免地要受到氣候變化的重要影響,氣候變化正通過影響土壤中含水量和養(yǎng)分的變化,影響著作物生長期內的生態(tài)變化,最終影響其產(chǎn)量。全球氣候變化對糧食作物的影響究竟是利大還是弊大一直是研究的熱點問題。在自然科學領域,一些學者使用GCM(generalcirculationmodel)研究了氣候變化對中國糧食作物產(chǎn)量的影響程度,得出氣候變化對糧食作物產(chǎn)量具有負面影響的主要結論(例如金之慶,1991;林而達等,1997);而高素華等(1991)則得出全球氣候變暖對中國糧食產(chǎn)量的影響以正面為主的結論;有些學者利用CERES(cropenvironmentresourcesynthesis)模型模擬氣候變化對中國糧食作物產(chǎn)量的影響,得出氣候變化對于糧食作物產(chǎn)量同時具有上升和下降兩種影響的結論:熊偉(2009)在不考慮CO2肥效的作用下發(fā)現(xiàn),溫度升高將導致中國三大糧食作物單產(chǎn)水平持續(xù)下降;而許吟隆(1999)在考慮CO2肥效的作用下發(fā)現(xiàn),溫度升高將可能使中國主要糧食作物產(chǎn)量不同程度地增加。目前,從社會科學尤其是經(jīng)濟學資源配置的角度研究氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的主要方法之一是使用生產(chǎn)函數(shù)模型,采用歷史數(shù)據(jù)對已經(jīng)發(fā)生的現(xiàn)象進行經(jīng)濟學分析。Youetal.(2005)使用面板數(shù)據(jù)研究了1979~2000年間中國小麥產(chǎn)量與氣候變化之間的線性關系,得出氣溫每升高1℃,中國小麥總產(chǎn)量將減少1.5%~5.4%的結論。Linetal.(2011)使用了農(nóng)戶數(shù)據(jù),運用非線性生產(chǎn)函數(shù)模型分別研究了氣候變化對中國主要糧食作物產(chǎn)量的影響,他們的研究表明:溫度、降水和平均日照時數(shù)變化對小麥產(chǎn)量變化的彈性分別為-0.76、0.66和-0.38,對水稻產(chǎn)量變化的彈性分別為-2.61、-1.72和0.59,對玉米產(chǎn)量變化的彈性分別為3.14、1.64和-0.60。上述自然科學領域和社會科學領域的研究充分運用了其學科知識特點對氣候變化問題進行了深入探討,但仍然存在繼續(xù)拓展的空間。一方面,從自然科學的角度研究氣候變化問題始終無法脫離實驗研究控制了許多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中必然生產(chǎn)條件(例如氣候變化中農(nóng)戶的適應性行為)的影響這一特點,從而往往高估氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響;另一方面,從社會科學的角度研究氣候變化的影響雖然將實驗室搬到現(xiàn)實生產(chǎn)過程中克服了實驗方法脫離現(xiàn)實的問題,但是,在實證研究過程中筆者發(fā)現(xiàn):作物生長期內的氣候變化情況較年均和四季的氣候變化情況對作物單產(chǎn)的影響更為明顯,而且氣候變化對作物單產(chǎn)的影響也并非是線性的。因此,區(qū)分不同作物品種生長期內的氣候變化,以及使用非線性形式的生產(chǎn)函數(shù)模型研究氣候變化與作物產(chǎn)量的關系,將對得到相對準確的結果起到重要作用。為探究作物生長期內氣候變化對中國主要糧食作物產(chǎn)量影響的具體情況,本文試圖結合自然科學領域的已有研究結果,從經(jīng)濟學的角度考察作物生長期氣候變化對糧食單產(chǎn)的影響方式。本文對研究做如下假定:在市場條件充分的情況下,長期內(1)氣候變化改變了作物生長的條件,使得農(nóng)民生產(chǎn)成本發(fā)生變化,農(nóng)民將對各種生產(chǎn)要素進行有效配置,通過改變勞動、土地和資本的投入來實現(xiàn)利潤最大化。本文將作物生長期內氣候變化引入超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)模型,在考慮到農(nóng)民應對氣候變化的適應性行為的基礎上,客觀評價作物生長期內氣候變化對中國不同地區(qū)主要糧食作物單產(chǎn)的影響程度。二、超過對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)模型和數(shù)據(jù)的集合(一)定義與變量的定義Cobb-Douglas生產(chǎn)函數(shù)模型自20世紀30年代問世以來,對于描述生產(chǎn)要素和產(chǎn)量之間的關系起到重要作用。作物生長過程是光、溫、水、氣等因素相互作用的結果。氣候因素與勞動、資本、土地不同,這些因素不是生產(chǎn)要素,卻會影響生產(chǎn)要素的使用效率。本文將氣候因素作為外生變量引入超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)模型,用以估計各種氣候因素對糧食作物產(chǎn)量的影響程度。模型形式如(1)式所示:(1)式中,Q代表作物產(chǎn)量,A代表種植面積,L代表勞動投入,K代表資本投入,Z代表其他因素。本文研究假定種植面積對產(chǎn)量影響的規(guī)模報酬不變,對C-D函數(shù)適當變形,使用單位面積上的作物產(chǎn)量作為被解釋變量,其形式如(2)式所示:對數(shù)線性函數(shù)形式如(3)式所示,這一形式是一個非線性形式的C-D生產(chǎn)函數(shù),(2)式和(3)式中,C代表氣候因素,q、l、k分別代表單位面積上的作物產(chǎn)量、勞動投入和資本投入:根據(jù)生長期氣候因素與主要糧食作物單產(chǎn)之間的二次函數(shù)關系,本文在C-D生產(chǎn)函數(shù)的基礎上運用超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)得到(4)式:首先,本文假定作物單產(chǎn)是各種物質投入要素、技術、管理、土地質量和氣候因素的函數(shù),其中,氣候因素不是生產(chǎn)要素,但是,它影響生產(chǎn)要素投入的數(shù)量。這個單產(chǎn)方程最初的解釋變量包括土地、勞動(1)、種子、化肥、農(nóng)藥、機械、灌溉等物質投入要素(2);其次,模型包括時間趨勢變量,這一變量用來測量技術進步的程度;最后,本文研究的重點——氣候因素則包括作物生長期內的月平均氣溫、降水和日照時數(shù)。對于眾多物質投入要素,為簡化模型形式,本文認為,氣候因素會影響物質投入要素的數(shù)量和質量,因此,本文將物質投入要素以單位土地面積上的金額形式年消除通貨膨脹因素后代入模型。由于資料限制,本文將種子、機械、灌溉、農(nóng)膜等金額合并后記為“其他物質投入要素”代入模型。此外,本文認為,地區(qū)的地理特征和氣候因素對作物單產(chǎn)具有交互影響。一般而言,一個地區(qū)的土壤條件、灌溉條件和氣候條件好,對當?shù)刈魑飭萎a(chǎn)具有正向影響;同時,如果土壤條件和灌溉條件好,那么,氣候因素對單產(chǎn)的影響就更大。因此,本文以地區(qū)虛擬變量作為土壤和灌溉條件等的替代變量,并用氣候因素與其逐個相乘形成交叉變量,將它們作為一組解釋變量代入模型。本文根據(jù)自然科學領域關于氣候因素對糧食作物單產(chǎn)的已有研究結果(1)建立氣候—單產(chǎn)模型,如(5)式所示:(5)式中,F、OM相當于(4)式中的k;TEM、PRE、SUN是(3)式中C的分解項;T是時間趨勢變量;Dj是該種糧食作物的分布地區(qū)虛擬變量,下標j代表地區(qū),該模型將全國分為四個地區(qū),分別為華中地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)和華南地區(qū)(2),參照系根據(jù)各地區(qū)種植糧食作物的情況有所不同。使用面板數(shù)據(jù)的優(yōu)點之一在于方便控制個體的異質性,本文利用Hausman檢驗來判斷該模型更適用于固定效應模型還是隨機效應模型。本文根據(jù)上文提出的非線性超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)模型,分析氣候變化對糧食作物單產(chǎn)的邊際效應。基于以上模型,本文推導出氣候因素每偏離其平均值一個單位(即ΔC)對單產(chǎn)的邊際影響(記為c):(6)式中,下標i代表氣候因素。(二)數(shù)據(jù)的選取和處理本文選取1975~2008年間中國29個省(區(qū)、市)(3)不同農(nóng)作物生長期內的月平均氣溫、降水和日照時數(shù)作為影響作物產(chǎn)量的氣候因素,這些數(shù)據(jù)來源于中國國家氣象局地面國際交換站的氣候標準值(4)。溫度、降水和光照氣候因素的標準值計量單位分別為℃/月,毫米/月,小時/月。其中,水稻主要指包括中稻和粳稻在內的一季稻,生長期在4月到10月之間。小麥分為冬小麥和春小麥,其中,冬小麥的生長期為前一年9月到當年6月,春小麥的生長期為當年3月到8月。玉米分為南玉米和北玉米,其中,南玉米的生長期為2月到8月,北玉米的生長期為4月到10月。同時,為盡量減少由于統(tǒng)計口徑不一致對結果造成的偏差,本文選取的數(shù)據(jù)以1975~2008年《全國主要農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》中主要糧食作物的相關數(shù)據(jù)為主,分別選取分省份的一季稻(包括中稻和粳稻)、小麥和玉米的每畝產(chǎn)量、每畝用工量,每畝化肥用量、每畝種子用量和每畝灌溉用水量并折算成金額作為投入要素,以上數(shù)據(jù)均已消除通貨膨脹因素。本文使用的氣候因素數(shù)據(jù)來源于國家氣象局206個氣象站點的逐月數(shù)據(jù),并利用GIS軟件對數(shù)據(jù)進行分省份處理。同時,為了減少氣象因素與種子、化肥和降水等投入之間的相關性,并符合氣象學對氣候變化程度的測度方法(1),本文按照(7)式對數(shù)據(jù)進行標準化處理:三、生產(chǎn)期氣候變化對主要作物產(chǎn)量的影響的估計結果表明(一)模型是否應被加入的問題首先,本文通過引入時間趨勢變量來檢驗技術進步對糧食單產(chǎn)的影響;其次,通過對每種糧食作物單產(chǎn)引入地區(qū)虛擬變量以及地區(qū)虛擬變量與氣候因素的交叉項來檢驗不同地區(qū)之間氣候因子對糧食作物單產(chǎn)影響的差異,通過Hausman檢驗確定選擇隨機效應模型還是固定效應模型,本文最終得出固定效應模型優(yōu)于隨機效應模型的結論。是否遺漏重要解釋變量是本文考察的另一個問題,即影響作物單產(chǎn)的因素中一些與氣候相關的變量(例如病蟲害、土壤侵蝕程度等)可能被遺漏在模型之外。本文采用Ramsey(1969)的RESET檢驗方法對回歸模型設定形式進行誤差檢驗,檢驗結果表明:誤差項和異常值的正態(tài)分布假設以及線性假設通過了檢驗(p>0.20),因此,本文可以認為在該模型中沒有遺漏重要解釋變量。當然,本文使用超越對數(shù)生產(chǎn)函數(shù)模型并非能夠圓滿地解釋氣候變化對糧食作物單產(chǎn)的影響,不得不承認該模型的回歸結果還存在許多有待改進的地方,比如,從結果看,氣候因素并非對南玉米的單產(chǎn)有顯著影響,這可能與樣本數(shù)量和數(shù)據(jù)質量有很大關系。固定效應模型的回歸結果如表2所示,根據(jù)回歸結果得出生長期內各種氣候變化距平對不同糧食作物單產(chǎn)的影響,如表2所示,春小麥生長期氣候—單產(chǎn)模型中解釋變量對其單產(chǎn)變化的解釋力度最高,達到74.8%,其他模型中解釋變量對糧食單產(chǎn)變化的解釋力度也均在55.1%以上。(二)從氣候變化看數(shù)據(jù)分析從表2的估計結果可以得出以下結論:從氣溫變化來看,首先,作物生長期氣溫升高對所有糧食作物單產(chǎn)均具有負向影響,且對北玉米單產(chǎn)影響的顯著性水平達到1%。其次,氣溫變化二次項對春小麥、北玉米和一季稻單產(chǎn)均具有顯著負向影響,這說明,氣溫變化對這幾種糧食作物單產(chǎn)影響具有最大值,影響形式為“倒U型”曲線,這與人們通常認識的情況相符。此外,在地區(qū)層面可以看出,氣溫變化對華中地區(qū)、西北地區(qū)和東北地區(qū)春小麥單產(chǎn)具有顯著的正向影響,同時,氣溫變化對華中地區(qū)北玉米單產(chǎn)和西北地區(qū)的一季稻單產(chǎn)具有顯著的正向影響。從降水變化來看,首先,作物生長期降水量增加對冬小麥、北玉米單產(chǎn)具有顯著的正向影響,其中,對北玉米單產(chǎn)影響最大;相反,降水增加對春小麥單產(chǎn)則具有顯著的負向影響。其次,考察降水變化二次項對各種糧食作物單產(chǎn)的影響程度,本文發(fā)現(xiàn),降水變化二次項對北玉米單產(chǎn)具有顯著的負向影響。此外,從地區(qū)層面看,降水增加對西北地區(qū)春小麥單產(chǎn)具有顯著的正向影響,而對華南地區(qū)冬小麥單產(chǎn)具有顯著的負向影響。從日照變化來看,作物生長期內平均日照時數(shù)變化的二次項對糧食作物產(chǎn)量具有負向影響,且對北玉米和一季稻單產(chǎn)影響顯著。此外,從平均日照時數(shù)變化與各地區(qū)的交叉項可見,平均日照時數(shù)增加對東北地區(qū)春小麥單產(chǎn)具有顯著的負向影響,而對華南地區(qū)冬小麥單產(chǎn)具有顯著的正向影響。(三)春、冬小麥生產(chǎn)內變化對其聯(lián)產(chǎn)的影響本文使用1975~2008年面板數(shù)據(jù)和作物生長期氣候因素標準差計算出氣候變化對各地區(qū)不同作物單產(chǎn)的邊際影響(如表3所示)。過去34年中,在其他因素不變的情況下,生長期氣候變化對糧食作物單產(chǎn)的影響主要有以下三個方面:第一,一季稻生長期內氣溫升高導致其單產(chǎn)在全國各地區(qū)普遍減少。從地區(qū)層面上看,月平均氣溫每升高1℃,華中地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)和華南地區(qū)一季稻單產(chǎn)分別減少0.14%~0.26%不等。春小麥生長期內氣溫升高導致其單產(chǎn)略微增加。從地區(qū)層面上看,月平均氣溫每升高1℃,華中地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)和華南地區(qū)春小麥單產(chǎn)分別增加大約0.04%。而冬小麥生長期內氣溫升高導致其單產(chǎn)下降。從地區(qū)層面上看,月平均氣溫每升高1℃,華中地區(qū)、西北地區(qū)和華南地區(qū)冬小麥單產(chǎn)下降0.2%。北玉米生長期內氣溫升高導致其單產(chǎn)下降。從地區(qū)層面上看,月平均氣溫每升高1℃,華中地區(qū)、西北地區(qū)北玉米單產(chǎn)下降0.2%左右,東北地區(qū)北玉米單產(chǎn)下降0.1%左右。第二,春小麥生長期內降水量增加導致其單產(chǎn)微弱減少。從地區(qū)層面上看,月平均降水量每增加10毫米,華中地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)和華南地區(qū)春小麥單產(chǎn)普遍減少0.01%~0.02%。冬小麥生長期內降水量增加導致其單產(chǎn)增加。從地區(qū)層面上看,月平均降水量每增加10毫米,華中地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)和華南地區(qū)冬小麥單產(chǎn)普遍增加0.05%左右。北玉米生長期內降水量增加導致其單產(chǎn)減少。從地區(qū)層面上看,月平均降水量每增加10毫米,華中地區(qū)、東北地區(qū)和西北地區(qū)玉米單產(chǎn)普遍減少0.04%左右。第三,一季稻生長期內日照增加對其單產(chǎn)的影響在不同地區(qū)有所不同。具體而言,月平均日照時數(shù)每增加10小時,華中地區(qū)一季稻單產(chǎn)下降0.003%,而西北地區(qū)、東北地區(qū)和華南地區(qū)單產(chǎn)分別上升0.0030%~0.0047%不等。冬小麥生長期內日照增加對其單產(chǎn)的影響在不同地區(qū)也有所不同。具體而言,月平均日照時數(shù)每增加10小時,華南地區(qū)冬小麥單產(chǎn)上升0.03%,而華中地區(qū)和西北地區(qū)冬小麥單產(chǎn)則分別下降0.09%和0.03%左右。玉米生長期內日照增加對其單產(chǎn)的影響在不同地區(qū)同樣有所不同。具體而言,月平均日照時數(shù)每增加10小時,華中地區(qū)、西北地區(qū)和東北地區(qū)北玉米單產(chǎn)普遍上升0.03%左右,而華南地區(qū)南玉米單產(chǎn)則下降0.01%。四、氣候變化對糧食聯(lián)產(chǎn)的邊際影響本文運用日照、氣溫、降水等方面的氣候變化數(shù)據(jù)研究了作物生長期內氣候變化因素對中國主要糧食作物水稻、小麥和玉米單產(chǎn)的影響情況,并在此基礎之上,從地區(qū)層面更加細致地分析了各個地區(qū)氣候變化對糧食作物單產(chǎn)的影響程度。本文得出的主要結論有以下三點:第一,總體來看,作物生長期內氣溫升高對糧食作物單產(chǎn)的影響呈現(xiàn)“倒U型”曲線形式。氣溫升高使北玉米單產(chǎn)下降,同時,也使華中地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)春小麥和華中地區(qū)北玉米單產(chǎn)上升。此外,氣溫升高對不同品種糧食單產(chǎn)的邊際影響不同。氣溫升高對春小麥單產(chǎn)的邊際影響為正,對一季稻、冬小麥和北玉米單產(chǎn)的邊際影響卻為負。第二,總體來看,作物生長期內降水量對不同地區(qū)、不同作物而言并非越多越好。降水量增加對冬小麥和北玉米單