基于ARIMA模型的世界水稻单产潜力分析蔡承智廖从健刘源侯来义王辉[摘要]水稻作为世界上重要的粮食作物，随着全球人口的持续上升和耕地面积的不断下降，其单产的提高越来越受到重视。所以，分析全球水稻单产演变规律及未来潜力，对指引我国及世界水稻生产具有积极的现实意义。然而，运用计量模型预测分析全球水稻单产潜力，迄今为止鲜见报道。为此，本文运用ARIMA（自回归单整移动平均）模型，基于1961—2018年统计数据预测分析2023年前世界水稻单产。结果表明，2019年、2020年、2021年、2022年和2023年世界水稻平均单产将分别达4800kg/hm2、4879kg/hm2、4958kg/hm2、5039kg/hm2和5121kg/hm2，同期世界水稻最高（国家）单产将分别为10499kg/hm2、10572kg/hm2、10660kg/hm2、10735kg/hm2和10823kg/hm2，前者分别是后者的42.7%、46.5%、45.1%、46.9%和45.1%。该结果意味着，就未来世界水稻生产而言，单产提高尚有可观空间，总产提高应主要保持高产国家优势，同时改良中低产国家耕地。[关键词]ARIMA模型;水稻;单产;产量潜力中图分類号：S511：ADOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202004水稻是我国主要的粮食作物，也是世界三大粮食作物之一，因此水稻单产潜力一直受到学术界及世界多国政府的高度重视，近年来学界在水稻单产（潜力）方面的研究成果整理如下。JiangP等[1]研究指出，水稻生物量差异主要源于温光变化导致的作物生长速率不同;尹朝静等[2]通过研究证明，气温升高对华东地区、华中地区、华南地区以及西南地区水稻单产的边际影响为负，而对东北地区的边际影响为正;GuoY等[3]研究指出，受温室效应影响，2011—2099年浙江省水稻单产预计将低于1981—2010年水平。对水稻单产（潜力）的预测（估算）研究方面有以下成果。BaiHZ等[4]运用APSIM（农业生产系统模拟）稻麦模型，估算出稻麦轮作制单产潜力与现实单产的差距达8101kg/hm2;WangXB等[5]运用EPIC（环境政策与气候）模型，测算了1996—2005年孟加拉国、印度和缅甸相邻地区（BIM）的季风稻生产潜力为2.2771亿t;ZhangH等[6]运用CERES作物模型测算，发现我国水稻主产区的现实单产与单产潜力之间的差距在不断缩小。提高水稻单产水平，最终需要通过提高光能利用率来实现，这方面的研究成果如下。沈陈华[7]通过研究证明水稻分蘖期和开花结实期日照时数、开花结实期昼夜温差，均与水稻单产的提高成正向关系;我国耐盐碱海水稻高光效品种区域试验种植基地平均单产突破6000kg/hm2[8]。以上可见，学界对于水稻单产（潜力）的关注，主要从自然科学视角、基于实验或试验方法、针对特定品种或一定区域范畴，在计量研究方面主要基于作物生长影响因子的综合作用构建（预测、测算）模型，而运用“时间序列”方法、从（全球）宏观（趋势）上进行研究的极少。因此，本文运用ARIMA（自回归单整移动平均）模型预测分析世界水稻单产潜力，旨在深刻认识稻谷产量的特征及演化规律，进而为掌握我国及世界米粮安全态势并制定相应对策提供支持信息。1材料与方法1.1材料本文基于世界水稻1961—2018年单产预测至2023年，分为平均单产和最高单产，数据来自联合国粮农组织（UN-FAO）。其中，最高单产以国家为单位，而不是一定面积的试验点或示范点上的高产典型。一是因为只有以国家为单位，才能代表现实中可能实现的水稻区域（地区）单产水平;二是因为与一定面积的试验点或示范点上的典型高产相比，来自UN-FAO的世界水稻最高单产是各国政府较为公认的数据。1.2方法本文采用的ARIMA预测模型，其完整形式为ARIMA（p，d，q）。其中：p、d和q分别为自回归项数、时间序列成为平稳序列时所做的差分次数和移动平均项数。ARIMA模型的数学表达式为：式中：L为滞后算子;（L）是平稳的自回归算子;θ（L）是可逆的移动平均算子;d∈z（目标变量）且d>0。运用ARIMA模型预测世界水稻单产，预测2019—2023年（时段越长、信度越低），因为作物生产（经济发展）常常表现为5年周期性（计划性）。具体逻辑步骤：首先，对变量的历史数值取对数以消除异方差，并进行“时间序列”平稳性检验，（不平稳时）通过“差分”建立“平稳序列”;其次，基于变量历史数值的“平稳序列”建立ARMA（1...