西遼河流域玉米氣候生產潛力變化分析

李依，王秀芬，楊艷昭*，林裕梅

（1. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；2. 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049；3. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

聯合國政府間氣候變化專門委員會（The Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告指出[1]，相比1850—1900年，21世紀末全球表面溫度增幅都可能超過1.5 ℃，氣候變化要比原來認識到的更加嚴重。農業對氣候變化十分敏感，氣候變化導致自然條件發生變化，尤其是作物生育期內的光熱和水分的匹配狀況，從而影響區域的農業生產能力[2]。中國作為人口和農業大國，糧食需求量大，農業資源相對緊缺，研究氣候變化背景下的農業生產狀況是保證糧食安全和社會穩定的關鍵所在[3-4]，而農業生產潛力是重要的研究方法之一[5-6]。農業生產潛力，是指在太陽輻射、溫度和水分等基礎農業氣候條件與土壤資源的共同作用與最優管理條件下，某地區農作物可能達到的產量[7-8]，能較好地反映基礎氣候資源對區域農業潛在生產能力的綜合影響[9]。2012年玉米成為我國第一大糧食作物品種[10]，玉米生產對中國糧食生產貢獻顯著[11]。西遼河流域位于東北黃金玉米帶的高產地區，是我國主要糧食產區和重要商品糧基地[12]，但由于其地處我國北方農牧交錯帶，生態較為脆弱，且近年來西遼河流域氣候呈現“暖干化”的發展趨勢[13]。因此，估算西遼河流域玉米氣候生產潛力變化，既可以揭示氣候變化對流域玉米生產的影響，又是發展西遼河流域玉米生產的戰略需求所在[14]。

德國著名化學家李比希在1840年提出最小因子定律分析了環境因子對作物產量的影響，被視為農業生產潛力研究的開端[15]。此后眾多學者從不同層次、不同角度對農業生產潛力開展了大量研究工作[16-20]：荷蘭Wagenigen大學、聯合國糧農組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）等先后在光合作用機制的基礎上，綜合考慮溫度、降水、土壤等因素的影響來探討作物生產潛力，國內竺可楨先生、黃秉維先生等學者從氣候、植物光能利用效率等角度討論了我國作物生產潛力，開創了糧食生產能力研究的先河。目前，研究氣候變化對糧食生產影響的模型主要有邁阿密模型（Miami model）、瓦赫寧根法（Wageningen）和農業生態區法（Agro-ecological Zone，AEZ）等，FAO推薦的AEZ模型由于數據較易獲取，而且在模擬過程中，考慮了太陽輻射水平和溫度降水條件的氣候特征，在我國被廣泛用于評估作物生產潛力[21]；2010年FAO和國際應用系統分析研究所（International Institute of Applied System Analysis，IIASA）[22]推出了該模型的最新版本Global AEZ（GAEZ 3.0），與原來版本相比，新版本的GAEZ模型改進了氣候生產潛力的計算過程，而且綜合考慮了影響作物產量的氣象數據、地形、海拔、土壤和管理投入等要素。近年來，國內對作物生產潛力的研究取得了不少成果，其中以光溫水條件為基礎的氣候生產潛力評價取得了大量研究成果[23-25]，但在區域尺度上針對西遼河流域玉米氣候生產潛力變化空間差異、年代變化及其影響因子的研究較為薄弱。

由此，本文基于西遼河流域10個氣象站點1985—2015年30年的氣象資料，采用GAEZ 3.0模型，綜合考慮光照、溫度、降水等多方面因素，以玉米生育期為基本單元，計算了西遼河流域1985—2015年玉米光溫生產潛力和氣候生產潛力，刻畫了玉米氣候生產潛力的時空變化特征；運用局部靈敏度分析方法，評價了不同氣候因子對該區域玉米氣候生產潛力的影響程度，以明確影響玉米氣候生產潛力變化的主要氣候因子，以期為提高西遼河流域玉米的綜合生產能力，促進農業生產穩步發展提供量化依據和決策支持。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

西遼河流域位于內蒙古自治區的東南部，西北界是大興安嶺，北界是松遼分水嶺，西南界是七老圖山，南界是努魯兒虎山，東部和東北平原相接，流域范圍大致為 116°32′～124°30′ E，41°05′～45°13′ N，面積約1.37×105km2[26-27]。本文的研究區主要位于西遼河流域所轄2區3縣13旗。西遼河流域在氣候上屬于暖溫帶半濕潤氣候向中溫帶半干旱氣候的過渡帶，年平均氣溫6～7 ℃，積溫3 000～3 200 ℃，年降水量在350～550 mm之間。西遼河流域種植制度為一年一熟，玉米為其主要農作物。2005—2015年玉米種植面積穩定占流域糧食播種面積60%左右，并呈上升趨勢，玉米產量占糧食總產量的70%以上，2015年更是達到82.3%，玉米是西遼河流域最為重要的農作物。

1.2 數據來源與處理

采用的數據主要包括西遼河流域10個站點的地面氣象資料，包括地面資料和農氣資料，數據來源于國家氣象信息中心和內蒙古自治區氣象局。其中，地面資料包括氣象站點1985—2015年的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風速、日照時數和降水等資料；農氣資料包括站點作物名稱及其發育期日期等資料，主要用于確定研究區站點玉米的生育期（分為播種—三葉期、三葉—拔節期、拔節—抽雄期和抽雄—成熟期4個階段）。

本文以西遼河流域東北部的通遼站和南部的赤峰站作為平原和山區的典型性代表，對玉米生育期進行分析。受地理位置、氣候條件與種植習慣等影響，西遼河流域不同地區玉米播種時間上略有差異，西遼河流域東北部平原區玉米的生育期多在4月下旬至9月中旬（圖1），平均生育期天數為137天，中南部山區生育期一般為4月下旬至9月下旬，平均生育期為147天，山區玉米生育期較平原區更長，與山區海拔高度、生育期均溫、降水等因素有關，平原地區向山區過渡地區生育期平均為143天。

圖1 1995—2015年西遼河流域通遼站和赤峰站玉米生育期變化Fig. 1 Changes of corn growth period in Tongliao station and Chifeng station in the West Liao River Basin during 1995-2015

1.3 AEZ模型

AEZ模型是國內外開展作物生產潛力較為通用的模型，它全面考慮了影響作物生長發育的太陽輻射、溫度等氣候因素，并根據種植作物的特點考慮了生育期長度、不同生育階段的水分需求等。該方法的基礎資料較易取得，便于計算，其思路和方法框架被廣泛采用。2010年IIASA開展的全球農業生態區域評價（Global Agro-Ecological Zones Assessment，GAEZ）更新并完善了全球農業基礎數據庫，完成了包含大量技術細節的技術報告（GAEZ2000，GAEZ2002，GAEZ2008），進一步改進了AEZ模型[22]。基于此，本文采用最新版本GAEZ 3.0模型，以氣象數據為基礎，估算了西遼河流域玉米光溫生產潛力和氣候生產潛力。

1）光溫生產潛力（光溫潛力）。光溫潛力是指在保持水、肥等相關要素最適宜的狀態下，由光合有效輻射和溫度共同決定的產量，光溫潛力被認為是灌溉農業能達到的產量上限[28]。本文采用GAEZ 3.0模型對玉米的光溫潛力進行計算。

2）氣候生產潛力（氣候潛力）。氣候潛力是當土壤肥力和農業技術措施等都滿足時，農作物僅受光溫和降水等影響的產量[28]。氣候潛力與蒸騰蒸發和土壤水分狀況有關，本文的氣候潛力是基于對光溫潛力的修正獲得，自然降水條件下，當玉米需水量沒有得到滿足時，玉米產量會受到影響，修正系數f(w)主要反映降水不足對產量的影響。P＞E0時，f(w)=1-1.25·(1-P/E0)；P＜E0時，f(w)=1，式中P和E0分別為有效降水量和作物需水量。

1.4 檢驗與分析方法

Mann-Kendal法是一種非參數統計檢驗方法，最初由Mann和Kendall提出，用于檢測序列的變化趨勢[29-30]，后不斷發展并被廣泛用于氣溫、降水等要素的趨勢檢驗和突變分析[31-32]；Tomovi?第一次用系統綜合的形式分析了靈敏度的數學基礎[33]，通過靈敏度分析，可以發現模型對哪些參數敏感，進而確定各影響因子對模型模擬過程的影響程度[34]。局部靈敏度分析是針對一個參數，評價在該參數發生變化時模型結果的變化值。最后本文采用Mann-Kendal法和靈敏度分析進一步分析影響西遼河流域氣候潛力變化的限制因素。

1）Mann-Kendal法（M-K法）。采用M-K法對氣候要素進行趨勢檢驗，計算過程為：

假設具有n個樣本量的時間序列變量（x1，x2，…，xn）無趨勢。計算統計量S，計算方法為：

式中 ：xj、xi分別為j、i年相應的測量值，且j＞i。S為正態分布，均值為0，方差var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，

Z為正值表明有上升的趨勢，負值則有下降的趨勢。并且定義了顯著性水平，查表可得，當序列通過0.05顯著性水平檢驗時，Z=1.96；當序列通過0.01顯著性水平檢驗時，Z=2.58。

2）靈敏度分析法。通常采用靈敏度系數作為衡量參數靈敏度標準，可直接求導獲得：Si=dy/dxi，本文中Si是第i個參數的靈敏度，y代表氣候潛力，xi是第i個參數，參數有降水、日照時數、日均溫、2米高風速和平均相對濕度。

1.5 空間分析

基于上述方法，本文利用計算得到的西遼河流域10個站點1985—2015年的光溫潛力和氣候潛力結果，借助ArcGIS平臺，運用普通克里金方法插值得到1 km×1 km柵格數據，再運用區域分析功能統計西遼河流域氣候潛力的區域分布情況，最后進行地圖制圖與分析。

2 結果與分析

2.1 西遼河流域玉米生育期內氣候要素變化特征

表1表示了流域10個氣象站點各氣候要素進行M-K法趨勢檢驗的結果，1985—2015年10個氣象站點均呈增溫趨勢，其中通遼、扎魯特旗、巴林左旗、林西縣、開魯縣和多倫縣增溫明顯（P＜0.001）；各站點生育期降水均呈下降趨勢，其中通遼、林西縣和翁牛特旗較其他站點下降更加明顯（P＜0.05）；生育期內日照時數增加和減少站點各占一半，其中巴林左旗、赤峰和翁牛特旗表現為顯著增加趨勢，通遼為顯著減少趨勢（P＜0.005）；林西縣、錫林浩特和翁牛特旗的2米高風速呈顯著上升趨勢，其余各站點呈下降趨勢，其中通遼、開魯、多倫和寶國吐2米高風速明顯降低（P＜0.001）；30年來西遼河流域相對濕度呈下降趨勢，除赤峰、錫林浩特和寶國吐下降趨勢較微弱（P＞0.05），其余各站點下降趨勢顯著（P＜0.001）。

由此可以看出，1985年以來西遼河流域氣候總體呈現“暖干化”趨勢。

表1 西遼河流域1985—2015年各氣候要素M-K法趨勢檢驗結果Table 1 Results of M-K test in the West Liao River Basin during 1985-2015

2.2 西遼河流域玉米生產潛力分析

圖2 西遼河流域玉米光溫和氣候潛力變化趨勢Fig. 2 Trend of average annual potential yields of corn in the West Liao River Basin during 1985-2015

從光溫潛力和氣候潛力的時間變化趨勢可以看出（圖2），1985—2015年西遼河流域平均玉米光溫潛力為12.52～13.40 t/hm2，表現為輕微變化，其中2000年最高，2005年最低。氣候潛力經過降水有效系數修正后，表現為波動變化的趨勢，1985年西遼河流域平均氣候潛力為7.05 t/hm2，2000年減少至最低，為2.41 t/hm2，2005年以后有緩慢增加趨勢，2015年氣候潛力為6.02 t/hm2。1985—2015年西遼河流域氣候潛力為光溫潛力的18%～53%。

1985年西遼河流域玉米平均單位面積產量為4.68 t/hm2，分別為光溫潛力和氣候潛力的35.7%、66.4%；1995年玉米單產增加到5.65 t/hm2，分別為光溫潛力和氣候潛力的42.4%、122.4%，由于實際生產中增加了灌溉等措施提高產量，導致該年玉米單產超過氣候潛力；2005年以來西遼河流域玉米平均單產在6.41～8.14 t/hm2之間，2015年玉米實際單產分別為光溫潛力和氣候潛力的60.8%、135.2%。可見，西遼河流域玉米生產距光溫潛力尚有一定距離，但近年來西遼河流域灌溉水平的提高，即有效灌溉面積由1987年的63.8萬 hm2增加到2015年的105.7萬 hm2，已促使其現實生產力超越氣候潛力。

2.3 西遼河流域玉米生產潛力時空分布特征

西遼河流域1985—2015年玉米光溫潛力和氣候潛力的空間變化趨勢見圖3和圖4。從圖3可以看出，1985—2015年西遼河流域光溫潛力呈現由北向南逐漸增加的趨勢。其中，高值區位于西遼河流域南部的赤峰市市轄區、翁牛特旗和敖漢旗，最高值為16.30 t/hm2；而低值區位于西遼河流域北部的科爾沁右翼中旗、扎魯特旗和科爾沁左翼中旗，最低值為9.56 t/hm2。

氣候潛力在光溫潛力基礎上增加了水分條件，由于西遼河流域降水年際間變化較大，西遼河流域氣候潛力空間差異顯著（圖4）。1985年西遼河流域整體上是豐水年（玉米生育期平均降水量394 mm），氣候潛力均值為7.05 t/hm2，其中通遼市市轄區周邊旗縣降水較少，氣候潛力低于該區域均值（3.74 t/hm2）；1995年西遼河流域屬于偏枯年（玉米生育期平均降水量281 mm，部分地區降水不足150 mm），氣候潛力均值為4.62 t/hm2，南部的赤峰市市轄區、喀喇沁旗和寧城縣降水較多，成為區域氣候潛力的高值區（達7.00～8.08 t/hm2）；2005年西遼河流域屬于平水年（玉米生育期平均降水量302 mm），氣候潛力均值為5.30 t/hm2，氣候潛力高值區出現在通遼市市轄區以東地區（為6.61 t/hm2）；2015年西遼河流域屬于平水年（玉米生育期平均降水量312 mm），氣候潛力均值為6.02 t/hm2，北部和東北部是區域氣候潛力高值區，為7.00～8.90 t/hm2。1985年以來，北部通遼周邊地區氣候潛力增加幅度最大，每10年增加107～181 kg/hm2，而中部翁牛特旗和南部的赤峰一帶降低幅度最大，每10年減少38～278 kg/hm2。

圖3 西遼河流域1985—2015年玉米光溫潛力分布Fig. 3 Spatial distribution of light-temperature potential productivity of corn in the West Liao River Basin during 1985-2015

圖4 西遼河流域1985—2015年玉米氣候潛力分布Fig. 4 Spatial distribution of climatic potential productivity of corn in the West Liao River Basin during 1985-2015

2.4 玉米氣候潛力變化主要限制因素分析

西遼河流域玉米生育期氣候因子分析表明，相對濕度對玉米氣候潛力的影響較小，幾乎可以忽略不計，降水、日均溫、2米高風速和日照時數對其影響較大。具體而言，生育期降水和日均溫增加，西遼河流域玉米氣候潛力亦相應增加，當兩者分別增加1%時，區域玉米氣候潛力分別增加1.2%和0.1%；2米高風速變大和日照時數增加時，西遼河流域氣候潛力則降低，當兩者分別增加1%時，區域玉米氣候潛力分別減少0.6%和0.4%（圖5）。在眾多氣候因子中，降水對西遼河流域玉米氣候潛力產生的正效應最大，2米高風速對西遼河流域氣候潛力產生的負效應最大。

3 討論

基于GAEZ模型的西遼河流域玉米氣候潛力時空演變分析較直觀地反映了流域玉米光溫潛力和氣候潛力總體變化狀況與區域差異。對于西遼河流域玉米氣候潛力的研究較少，白美蘭等[35]和張寶林等[36]研究了內蒙古地區氣候生產潛力和內蒙古氣候變化對東部玉米主產區的影響，本文選用的GAEZ模型綜合考慮玉米生育期內光溫水等氣候因素對其生長發育和產量的動態影響，該結果較前人傳統方法研究結果在西遼河流域各級生產潛力時空分布特征有很大的進展。1985—2015年M-K法趨勢檢驗結果表明西遼河流域溫度的升高是明顯的，與全球變暖的趨勢相一致。張寶林等[36]研究發現進入21世紀后，內蒙古東部玉米主產區（包括西遼河流域）降水均有所減少，本文研究結果進一步確認了這一點，說明干旱已是區域性的問題，這對于西遼河流域的經濟發展、生態環境保護和糧食安全提出了挑戰。Lobell和Asner[37]指出溫度的變化可能導致玉米減產17%，而增溫會致使地表蒸發量加大、地下水位下降，旱情趨于嚴重[36]，但西遼河流域氣候潛力的變化與降水關系更為密切，說明降水是限制當地玉米生產的主要因素。處于農牧交錯帶的西遼河流域，玉米生產對于氣候變化具有較大的潛在脆弱性，氣候資源是挖掘西遼河流域玉米氣候潛力的主要限制性因素，是產量進一步提高需要突破的瓶頸。從改良玉米品種、配套栽培耕作措施、加大科技投入，及時采取適應性政策以有效降低氣候變化對玉米生產的影響，是未來西遼河流域玉米生產中增產穩產的重要方向。

圖5 西遼河流域玉米氣候潛力對不同氣候因子的敏感性Fig. 5 Sensitivity of climatic potential yields of corn to different climatic factors in the West Liao River Basin

1985—2015年西遼河流域玉米生育期內平均降水量為300～450 mm，部分年份降水少于200 mm，且降水集中在6—8月（降水量占生育期降水量的60%～80%）。豐水年西遼河流域（如1985年）降水量相對充沛，氣候潛力均值為7.05 t/hm2，但受1980年代農業灌溉水平較低的影響，實際產量低于氣候潛力，玉米實際單產為氣候潛力的66%；平水年西遼河流域（如2005、2015年）降水量在300 mm左右，氣候潛力均值約為5.30～6.02 t/hm2，受近年來灌溉水平提高的影響，當年實際單產高于氣候潛力，分別為氣候潛力的121%和135%；偏枯年西遼河流域（如1995年）平均降水量不足300 mm，氣候潛力均值為4.62 t/hm2，由于灌溉補充了天然降水的不足，導致該年玉米實際單產高于氣候潛力，為氣候潛力的122%。由此可見，灌溉對西遼河流域玉米單產的提升具有重要作用。然而，西遼河流域地處半干旱半濕潤交界帶，降水量相對不足，且近年來隨著生活和工業用水的增加，進一步壓縮了農業用水增加的潛力，因此發展節水農業對西遼河流域玉米生產意義重大。具體而言，通過更新改造現有水利設施、提升節水灌溉技術在玉米高產地區的覆蓋率等措施，提高農田灌溉水利用率，以實現西遼河流域玉米穩產、增產。對于玉米自身而言，加強抗旱型品種和高水分利用率品種的培育也是進一步挖掘玉米產量的關鍵。

參與農業生產的光、溫、水是估算農業生產潛力的基本氣候因子。在玉米生產中，日照和溫度的時空變化較大，且難以大規模改變，水在一定程度上可以通過灌溉進行調控。目前國內外采用的估算生產潛力的方法，是具有探索性的，并非唯一方法。本文采用的GAEZ模型是計算作物生產潛力的經典模型之一，數據較易獲取、綜合考慮不同氣候特征、準確率較高，對西遼河流域玉米種植結構的優化、合理布局可提供參考和依據。在進行靈敏度分析時，本文主要討論玉米生育期內單因素的變化對氣候潛力的影響，但在實際情況中，不同的溫濕度組合可能會產生多種效應，當溫度和降水同時變化時，玉米生育期內溫度升高、降水減少可能對玉米而言較為有利，溫度降低、降水增加反而較為不利，在未來的研究中需要結合更多因素以及玉米的生物學機制以深入探討氣候變化對玉米生產潛力的具體影響。本文在計算生產潛力時未考慮高溫熱害等極端氣候條件對玉米生長的影響，而近些年極端天氣氣候事件頻發，未來要加強全球變暖背景下極端氣候事件對玉米生產影響的研究。

4 結論

1985—2015年西遼河流域溫度呈上升趨勢，降水和相對濕度則呈下降趨勢，總體而言，多年來西遼河流域玉米生育期氣候呈現“暖干化”變化趨勢。

1985—2015年西遼河流域平均玉米光溫潛力、氣候潛力分別為12.52～13.40 t/hm2和2.41～7.05 t/hm2，前者表現為輕微變化，后者呈現波動變化的特征，該區域實際玉米單位產量低于光溫潛力，1995年以前低于氣候潛力，1995年以后實際產量超越氣候潛力，主要歸因于該區域有效灌溉面積擴大。從空間分布來看，1985—2015年西遼河流域光溫潛力整體呈現由北向南逐漸增加的趨勢，受降水波動較大的影響，西遼河流域氣候潛力的空間差異顯著。

西遼河流域玉米氣候潛力時空演變是各種氣候因子共同作用的結果。影響西遼河流域氣候潛力變化的首要因子是水分條件，氣候潛力主要因降水減少而下降，升溫對西遼河流域玉米氣候潛力變化的作用較小，2米高風速增加對該區域氣候潛力產生的負效應最大。

致謝：本文在研究方法學習、分析過程中得到中國科學院地理科學與資源研究所楊格格博士、孫通博士、肖池偉博士、梁玉斌碩士、呂佩憶碩士、龔穎華碩士等人的大力支持和幫助，在此表示由衷的感謝！

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