基于经验模态分解和集对分析的粮食单产波动影响分析

第29卷2013年第4期2月农业工程学报

TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringVol.29No.4Feb.2013

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基于经验模态分解和集对分析的粮食单产波动影响分析

蒋尚明1，金菊良2,3※，许浒1，周玉良2,3，王友贞1

（1.安徽省水利部淮委水利科学研究院安徽省水利水资源重点实验室，蚌埠233000；2.合肥工业大学土木与水利工程学

院，合肥230009；3.合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所，合肥230009）

摘要：针对江淮分水岭易旱区粮食单产波动的复杂性与非平稳性问题，运用经验模态分解方法对粮食单产及其

影响因子进行多层次、多时间尺度分解，并采用集对分析理论分析粮食单产波动分量与其影响因子之间的相关性，从而定量化分析各影响因子对粮食单产波动的综合影响率，得出自然灾害受灾率对粮食单产波动的综合影响率为31.26%，在此基础上，通过分析旱灾和自然灾害对粮食生产的危害程度，求取旱灾对粮食单产波动的综合影响率为17.13%，该研究为该区旱灾综合治理与粮食生产决策提供科学依据。

关键词：干旱，粮食，数学模型，影响因素，经验模态分解法，集对分析，综合影响率doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.04.027中图分类号：S27文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-04-0213-09蒋尚明，金菊良，许浒，等.基于经验模态分解和集对分析的粮食单产波动影响分析[J].农业工程学报，2013，29(4)：213－221.

JiangShangming,JinJuliang,XuHu,etal.Fluctuationseffectanalysisofgrainyieldperhectarebasedonempiricalmodedecompositionandsetpairanalysis[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2013,29(4):213－221.(inChinesewithEnglishabstract)

0引言

粮食问题是关系国计民生和经济安全的重大战略性问题，国以民为本，民以食为天[1]。作为人口大国，中国的粮食生产与粮食安全不仅事关社会稳定和国家安全，也影响着世界粮食安全形势[2]。新中国成立以后，中国粮食生产取得了举世瞩目的成就，用全球7%的耕地解决了22%人口的吃饭问题[3]，但随着中国人口增长及人均耕地资源不断下降，能否保障国家粮食生产安全和维持社会稳定，引起众多专家学者的广泛关注[4-6]。自1952年以来，中国粮食总产的增加，基本可以完全归结为粮食单产的提高[7]，粮食单产水平及其波动状况直接影响粮食产量及其稳定性[8-10]。目前，众多学者在粮食单产波动性研究方面开展了大量研究工作[11-13]。但研究中多数关于粮食单产波动的变化规律、阶段特征、空间区域差异及单产潜力分析，涉及粮食单产

收稿日期：2012-07-19

修订日期：2013-01-05

基金项目：水利部公益性行业科研专项（编号200901077）；国家自然科学基金项目（71273081）；水利部重大基建前期项目“全国干旱区划及旱灾风险评估研究”

作者简介：蒋尚明（1983－），男，广西桂林人，工程师，从事农村水利系统工程研究。蚌埠

安徽省水利部淮委水利科学研究院安徽省水

利水资源重点实验室，233000。Email：jiangshangming@163.com※通信作者：金菊良（1966－），男，江苏吴江人，博士，教授，从事水资源系统工程研究。合肥

合肥工业大学土木与水利工程学院，

230009。Email：JINJL66@126.com

波动的影响因素分析的尚不多，进行波动性影响因

素分析研究的也仅是粮食单产对气候、自然灾害或者化肥施用量等的单因素分析，缺乏量化研究成果。粮食单产的波动是多因素共同作用的结果，波动呈非线性和非平稳性。HuangN.E.于1998年提出的经验模态分解法（empiricalmodedecomposition，EMD）[14]，能够对非线性、非平稳信号逐级进行线性化和平稳化处理，把不同尺度的波动分离出来，最后得到趋势分量，并在分解的过程中保留了数据本身的特征，不同尺度的波动定义为本征模态函数（intrinsicmodefunction，IMF），所分解出的IMF分量分别包含了原信号的不同时间尺度的局部特征信息。由于EMD分析是自适应的，在快速有效地分析出信号本身特征的同时，能真实地提取数据序列的趋势，相较传统的波动测定方法具有明显优势[15-18]。

江淮丘陵区界于长江淮河之间，西起大别山麓，东迄高邮湖畔，多年平均粮食产量为1200～1400万t，占安徽省粮食总产量的45%左右，是安徽省粮油的主产区。但由于地处特定的气候条件、地理环境、地域特征以及人类活动的影响，历史上干旱灾害频发。特别是江淮分水岭易旱区，地势高亢，骨干沟河较少，且远离大江、大河、湖泊及大中型水库，基本无引外水条件，灌溉保证率较低，饱受干旱灾害的侵扰，存在大量易旱耕地，属安徽省最旱地区之一。通过对易旱耕地的综合治