粮食产量的自然与人为影响因素定量分析
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摘要：选取济南市1978-2008年共31年的粮食产量及同时期的20个自然与社会经济因子，利用主成分分析对自然与人为要素作用强度进行了量化分析。结果表明，在济南市粮食产量变化过程中，人为因素的贡献率为58.18%，自然因素的贡献率为32.23%，自然与人为因素共同作用的贡献率为6.47%。对济南市粮食产量影响最大的自然因素主要有年均气温、积温、年降水量、年日照时数；人为因素主要有耕地面积、农用机械总动力、化肥施用总量、每公顷耕地化肥施用量、农村劳动力数量、总人口数量。自然因素的贡献率随时间推移逐渐降低，人为因素的贡献率逐渐升高。结合相关因子的历年变化情况分析表明，在自然因素较为稳定的情况下，人为因素愈加重要，并直接决定粮食的单位面积产量和总产量，即农业技术进步对提高粮食作物单产起了决定性作用。
关键词：粮食产量；影响因素；主成分分析；济南市
中图分类号：F326.11 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3821-04
DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2015.15.061
Abstract： In order to study the intensity of natural and human activity in grain production process， the grain yield of Ji’nan city was analyzed from 1978 to 2008. Twenty factors were chosen and the principal component analysis method was used to measure the intensity of nature and human activity factors. The results showed that in the change process of grain production， 58.18% was caused by anthropogenic activity， 32.23% was caused by nature factors， and 6.47% was caused by anthropogenic activity combined with nature factors in Ji’nan city. The main nature factors were annual mean temperature， cumulative？temperature， annual precipitation and annual sunshine duration. The main anthropogenic factors included cultivated area， total power of agricultural machinery， fertilizer， rural labor force and total population. The contribution of nature factors decreased gradually， while the contribution of anthropogenic factors increased from 1978 to 2008.
Key words：grain yield； influence factor； principal component analysis （PCA）； Ji’nan city
粮食是关系国计民生和国家经济安全的重要战略物资，也是人民群众最基本的生活资料[1，2]。粮食安全与社会的和谐、政治的稳定、经济的持续发展息息相关。日益严峻的气候危机成为粮食安全面临的最大挑战[3，4]。作为粮食生产大国和人口大国，中国的粮食安全问题同样处于这一危机的阴影之下，中国的粮食安全问题已成为国内外学者十分关注的话题[5，6]。相关研究初步预测了不同气候变化情景对中国粮食产量造成的负面影响，若气温升高2.7℃、降水增加5%，中国2050年的粮食产量将因气候变化而损失高达14.9%（5000万t以上）[7]。因此，稳定和提高粮食产量关系到人类的生存、经济的发展和社会的长期稳定，也是当前和今后一段时期内我国面临的主要问题，开展粮食产量影响因素的研究将有利于揭示粮食增产的规律，对指导粮食增产有重要的意义。目前，粮食产量的影响因素研究多采用相关系数、灰色关联、线性回归等方法，讨论气温、降水、农机动力、劳动力、施肥量等因素对粮食产量影响的单因子分析[8-11]。然而，粮食生产是一个同时受气候变化、社会经济和生产技术等多因素影响的复杂、非线性系统。因此，在分析粮食产量影响因素过程中，应同时考虑气候变化、粮食播种面积、农业机械动力、化肥施用量、农业人口等因素对其产生的综合影响。
1 研究区概况
济南市地处中纬度地带（36°40′N，117°00′E），属于暖温带大陆性季风气候。年均气温13.6 ℃，年降水量614 mm，气候适宜；全市总面积为577 500 hm2，是山东省的高产综合型农业区。同时，济南市是黄河中下游和环渤海经济带南翼的重要战略城市。近些年，随着工业化、城市化和现代化建设的发展，人口不断增加，耕地不断减少，人地矛盾进一步突出，使粮食安全生产受到一定程度的威胁[8]。因此，本文拟通过综合分析气温、降水、耕地面积、农用机械总动力、化肥施用总量、农业人口等多方面的自然和社会经济因素，进而区分影响粮食产量的主次因素，为今后粮食生产及粮食安全政策的制定提供理论依据，为管理部门制定短、中、长期的粮食政策提供科学的依据。
2 研究方法
本研究采用主成分分析法（Principal components analysis，PCA）[12]定量研究自然与人为要素对粮食产量的作用强度。选取影响因素变量共20个，自然因素包括：年均气温（P1）、积温（P2）、年最高气温（P3）、年最低气温（P4）、年降水量（P5）、年日照时数（P6）、年平均风速（P7）、年平均湿度（P8）；人为因素包括：耕地面积（P9）、农用机械总动力（P10）、化肥施用总量（P11）、每公顷耕地化肥施用量（P12）、农村劳动力数量（P13）、农业人口数量（P14）、总人口数量（P15）、城市化率（P16）、国内生产总值（P17）、第一产业产值（P18）、第二产业产值（P19）、第三产业产值（P20）。以济南市1978-2008年的统计数据为分析样本。
3 结果与分析
3.1 济南市粮食产量变化
济南市粮食总产量在1978-2008年间总体呈波动增长趋势（图1），由1978年的115.38万t增长至2008年的281.50万t，平均每年增5.44万t（趋势线斜率）；粮食单位面积产量也呈现出波动增长趋势（图2），由1978年的3.09 t/hm2增长至2008年的8.76 t/hm2，平均每年增产0.19 t/ hm2（趋势线斜率）。图1与图2对比分析显示，济南市粮食总产量与单位面积产量变化趋势相近，粮食总产量与单位面积产量的相关性极强（r=0.998>0.554=α0.001（31），显著水平在0.001以上）。表明粮食单位面积产量直接决定粮食总产量。
3.2 主成分分析结果
利用SPSS13.0统计软件的PCA模块对1978-2008年的影响因素数据进行分析，结果（表1）表明，PC1～PC4的累积贡献率达85.9%（已达主成分因子选取原则累积贡献率大于85%），但为进一步明确自然和人为因素对粮食产量的贡献率，特选定累积贡献率大于95%，即选择PC1～PC7作进一步分析。
从各因素在主成分中的载荷量来看（表2），第一主分量的影响因素主要有耕地面积（P9）、农用机械总动力（P10）、化肥施用总量（P11）、每公顷耕地化肥施用量（P12）、农村劳动力数量（P13）、农业人口数量（P14）、总人口数量（P15）、城市化率（P16）、国内生产总值（P17）、第一产业产值（P18）、第二产业产值（P19）、第三产业产值（P20），载荷量绝对值变化在0.76～0.98之间，这些因素全为人为要素，因此该主成分因子可以看作是人为因素因子。第二主分量的影响因素主要有年均气温（P1）、积温（P2）、年最高气温（P3）、年最低气温（P4），载荷量绝对值变化在0.47-0.87，各因子均为自然要素，故该主成分因子可以作为自然因素因子。第三主分量的影响因素主要有年最高气温（P3）、年降水量（P5）、年平均风速（P7）、年平均湿度（P8），载荷量绝对值变化在0.41-0.63，各因子均为自然要素，故该主成分因子作为自然因素因子。第四主分量的影响因素主要有年平均风速（P7）和农业人口数量（P14），载荷量分别为0.59和0.53，且分别属于自然因子和人为因子，所以第四主分量为自然与人为因子综合作用。第五主分量的影响因素主要有年最低气温（P4）和年平均湿度（P8），载荷量分别为-0.68和0.44，且均为自然要素，故该主成分因子为自然因素因子。第六主分量的影响因素主要有年降水量（P5）和年平均风速（P7），载荷量分别为0.59和0.43，均为自然要素，故该主成分因子为自然因素因子。第七主分量的影响因素主要有年最高气温（P3），载荷量为0.47，为自然要素，故该主成分因子为自然因素因子。
从主成分因子的贡献率来看（表1），PC1～PC7的贡献率分别为58.18%、12.71%、8.55%、6.47%、4.67%、3.79%、2.53%，贡献率逐渐降低。根据以上分析，第一主成分因子为人为因素因子，第二、第三、第五、第六、第七主成分因子为自然因素因子，第四主成分因子为自然与人为因子综合作用。因此，在济南市粮食产量变化过程中，人为因素的贡献率为58.18%，自然因素的贡献率为32.23%，自然与人为因素共同作用的贡献率为6.47%。
4 讨论
4.1 自然因素与济南市粮食产量变化
根据表2的载荷量及综合得分排序结果，对济南市粮食产量影响最大的自然因素主要有年均气温（P1）、积温（P2）、年降水量（P5）、年日照时数（P6）。从图3可见，济南市年平均气温和积温均呈现波动性变化，增减趋势不明显，二者变差系数[13]分别为0.034和0.031，平均气温为14.85 ℃，平均积温为5 071.04 ℃，表明济南市气温和积温在年际尺度上变化平稳，对粮食产量提供了稳定的气温基础。年降水量变化在347～1 090 mm之间（图4），变化趋势不明显，降水变差系数为0.267，略高于长江中下游地区和我国北方东部其它区域的降水变差系数[14，15]；2000年之后的变化幅度高于2000年之前。年日照时数变化在1 819.8～2 398.3 h之间，呈下降趋势，这主要是大气污染（气候湿润化）造成的，主要表现为轻雾和霾增加[16]。熊伟等[6]研究表明，气候变化将影响未来三大作物（小麦、玉米和水稻）的单产，特别是雨养作物的单产将会受到更大冲击。
4.2 人为因素与济南市粮食产量变化
人为因素的载荷量及综合得分排序显示（表2），影响济南市粮食产量的主要人为因素有耕地面积（P9）、农用机械总动力（P10）、化肥施用总量（P11）、每公顷耕地化肥施用量（P12）、农村劳动力数量（P13）、总人口数量（P15），与郭淑敏等[17]的分析结果一致。济南市耕地面积在1978-2008年间持续减少（图5），由1978年的37.32万hm2减少到2008年的32.13万hm2，共减少5.19万hm2，表明粮食产量的增加主要是由于单位面积产量增加所致。耕地减少、粮食单位面积产量和总产量增加的趋势与全国和各粮食主产区的总趋势一致[17]，由于工业和城镇建设加快及农业结构调整等原因，耕地数量下降已呈不可逆转之势，但由于科技进步亦使粮食总产量上升。济南市农用机械总动力由1978年的69.7万kW上升到2008年的446.6万kW，机械动力增加5.4倍（图6）；化肥施用总量和每公顷耕地化肥施用量均呈现上升趋势，分别由1978年的2.22万 t和59.6 kg/hm2增至2008年的22.37万t和696.0 kg/hm2，分别增加了9.1倍和10.7倍，机械动力与化肥施用量的增加促使粮食单位面积产量及总产量增长。同时，我国主要农作物品种一般10年左右更新换代一次，每次换代使作物增产幅度达到10%左右[18]，因此，品种选育技术的不断提高也是促使粮食产量提高的积极因素。
4.3 不同年代粮食产量的影响因素贡献率
为进一步明确不同时段自然与人为因素对粮食产量的贡献率，采用主成分分析分别对不同年代（1978-1989年、1990-1999年和2000-2008年）的数据进行了分析，并根据累积贡献率大于95%对自然和人为因素的贡献率进行了合并（表3）。自然因素的贡献率随时间推移逐渐降低，由33.94%下降到27.01%，下降了6.93%；人为因素的贡献率逐渐升高，由60.87%升到65.10%，上升了4.33%。由此表明，在自然因素较为稳定的情况下，人为因素直接决定粮食的单位面积产量和总产量，即农业技术进步对提高粮食作物单产起了决定性作用[19]，目前技术进步、水资源和土地利用已被公认为影响粮食生产最重要的三大驱动因素[6]，它们对我国未来粮食生产的影响也是不可忽视的。
5 结论
本文采用主成分分析定量分析了济南市自然与人为要素对粮食产量的作用强度。在济南市粮食产量变化过程中，人为因素的贡献率为58.18%，自然因素的贡献率为32.23%，自然与人为因素共同作用的贡献率为6.47%。对济南市粮食产量影响最大的自然因素主要有年均气温、积温、年降水量、年日照时数。人为因素主要有耕地面积、农用机械总动力、化肥施用总量、单位耕地化肥施用量、农村劳动力数量、总人口数量。
自然因素对粮食生产的贡献率随时间推移逐渐降低，人为因素的贡献率逐渐升高。在自然因素较为稳定的情况下，人为因素直接决定粮食的单位面积产量和总产量，即农业技术进步对提高粮食作物单产起了决定性作用。
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