2010—2020年陰山南北麓主要農作物的光溫生產潛力時空變化特征分析

呼日瓦 范嘉琦 周瑞平 烏英嘎

內蒙古師范大學地理科學學院土地利用與整治重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010010

0 引言

光、熱等資源是植物生長不可缺少的因子［1］。當外部條件（土壤養分、二氧化碳等）滿足作物生長的最適條件時，作物充分利用光、熱等資源獲得的單位面積最高生物學產量或農業產量即為光溫生產潛力［2］。計算光溫生產潛力不僅可為當地實際生產提供指導，而且可評估當地光、熱等資源利用情況。目前，光溫生產潛力的計算模型主要有兩類。一類是經驗模型，其是以試驗數據為基礎建立的一種統計模型，如被中國廣泛應用的逐級訂正模型［3］（已應用于黑龍江省大豆［4］、河南省夏玉米［5］、湖南省春玉米［6］、云南省蘋果［7］、內蒙古自治區馬鈴薯［10］等農作物的光溫生產潛力計算），以及AEZ 模型（已用廣西壯族自治區甘蔗［11］、云南省馬鈴薯［12］、吉林省春玉米［13］等農作物光溫生產潛力計算）。另一類是機理模型，其是應用數學方法模擬作物生長發育的各個階段，解釋作物生理過程的一種方法［14］，如譚紅等［15］人用美國的CERES 和CROPGRO 模型集成起來的DSSAT模型計算了新疆維吾爾自治區石河子市的棉花光溫生產潛力，張澤民等［16］人利用荷蘭的WOFOST模型計算了青藏高原的春小麥光溫生產潛力。

相對于機理模型來說，經驗模型需要的數據少，且不需要參數校正，適合小范圍多種作物的光溫生產潛力計算。2009 年，Lobell 等［17］把產量差定義為特定時空下潛在產量與實際產量的差值。2010 年，Fischer等［18］提出可開發產量差，增加了可獲得產量概念。楊曉光等［19］針對實際產量、潛在產量、產量差、相對產量差等分析了中外學者對產量差的定義。2016 年，黃少輝等［20］人提出養分效率差概念，并將產量差和養分效率差進行了對比。增加農作物高產潛力和縮減產量差是提高糧食總產量的兩大重要舉措［21］。計算產量差可以測算糧食生產開發程度并分析區域差異，還能指導農戶科學生產，為農業高質量發展提供參考［22-24］。

逐級訂正模型是對經驗模型的進一步優化，可在光合生產潛力的基礎上，逐級進行溫度和水分訂正而得到最終的作物生產潛力值。該模型使計算不同地區作物生產潛力成為可能。因此，筆者應用逐級訂正模型逐日計算陰山南北麓2010—2020 年主要農作物玉米、小麥的光溫生產潛力，并計算其潛力差，對今后當地合理利用光溫資源，指導農業生產，充分發揮該區域內光溫生產潛力，提高區域生產力，緩解局部糧食安全問題提供一些參考依據。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

陰山南北麓地處內蒙古自治區中部，包括包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟等25個旗縣。北麓年日照時間1 677～3 100 h，年降水量206～386 mm，年蒸發量1 748～2 300 mm，無霜期102～121 d；陰山北麓主要農作物種植面積約100 萬hm2，占陰山北麓總面積的10.51%。南麓年日照時間2 549～3 203 h，年降水量270～409 mm，年蒸發量1 750～3 577 mm，無霜期112～140 d。陰山南北麓屬溫帶半干旱大陸性季風氣候區，素有“十年九旱”之稱，降水主要集中在6—9 月（占全年降水量的65%以上），干旱是該地區最嚴重的自然災害。研究區域農作物一年一熟，糧食作物以玉米、馬鈴薯、小麥為主，雜糧作物以莜麥為主，油料以油菜、胡麻為主。

1.2 數據來源

筆者選取陰山南北麓25 個氣象站2010—2020 年逐日氣象觀測數據，包括作物生長期日平均氣溫和日平均太陽輻射量等，玉米、小麥的生育期數據來源于25 個氣象站測量結果。2010—2020 年陰山南北麓玉米、小麥單產資料來源于實地調查與歷年《內蒙古統計年鑒》。

2 研究方法

筆者采用傳統的環境因子逐步訂正法計算光溫生產潛力，即先計算出光合生產潛力，再進行溫度影響的訂正，獲得作物的光溫生產潛力。

2.1 光合生產潛力

光合生產潛力的計算公式為

式（1）中：YQ為光合生產潛力，kg/hm2；C為單位換算系數；∑Qi為作物生長季各月的太陽輻射總量，MJ/m2；其他參數物理意義和取值詳見表1［25-27］。

表1 農田各作物光合生產力各參數意義及取值

2.2 光溫生產潛力

光溫生產潛力的計算公式為［28］

式（2）（3）中：f（t）為溫度訂正系數；t為月平均溫度，tmin、ts、tmax為作物生育期三基點溫度，分別為下限溫度、最適溫度和上限溫度（見表2）［29］。

表2 農作物不同育期的下限、上限和最適溫度

2.3 數據分析

研究數據用Excel 進行統計分析，采用線性傾向率、slope 趨勢分析進行變化趨勢分析；空間分布圖通過GIS的反距離權重法得到。

3 結果與分析

3.1 農田光溫生產潛力特征分析

由于光溫生產潛力是由光溫條件決定的產量水平［30］，因此，此次研究僅對太陽總輻射量和溫度變化特征進行了分析。陰山南北麓25 個觀測站2010—2020 年作物生長期（5—9 月）太陽總輻射量最低值出現在2020年（3 180.260 MJ/m2），最高值出現在2017年（3 311.586 MJ/m2），2010—2020 年作物生長期太陽總輻射量浮動較大，總體呈上升趨勢。2010—2020年陰山南北麓作物生長期平均太陽總輻射量為3 232.201 MJ/m2，呈現由東北向西南遞增的趨勢，東西兩端區域太陽總輻射量差異超過200 MJ/m2。研究期內，陰山南北麓作物生長期（5—9 月）平均氣溫最低出現 在2015 年（17.12 ℃），最高出現在2017年（18.81 ℃），呈上升趨勢，這與全球氣候變暖趨勢相似。2010—2020 年陰山南北麓作物生長期（5—9 月）平均氣溫為17.87 ℃，呈現由東北向西南遞增的趨勢，東西兩端區域平均氣溫差超過5 ℃。這是主要是因為內蒙古自治區東部比西部云雨偏多，且日照時間較短。陰山南麓平均溫度相對陰山北麓平均溫度高4 ℃。其中，包頭市、呼和浩特市平均氣溫最高，為20.3 ℃；錫林郭勒盟市多倫縣、正藍旗平均氣溫最低，為15.8 ℃。

經測算，2010—2020年陰山南北麓25個氣象觀測站區域光溫生產潛力年際平均變化如圖1所示，2010—2020年陰山南北麓光溫生產潛力為11 640～15 738 kg/hm2，總體呈上升趨勢。陰山南北麓光溫生產潛力呈現由東北向西南遞增趨勢，且整體呈現增加趨勢。研究區域光溫生產潛力較高的是包頭市及土默特左旗、托克托縣、清水河縣和林格爾縣，為16 000 kg/hm2。錫林郭勒盟和陰山南北麓光溫生產潛力增加趨勢最明顯，年增加量為91～279 kg/hm2，其主要原因為陰山南北麓氣溫增加明顯，作物光合生產潛力增加迅速，而錫林郭勒盟的太陽總輻射量及氣溫雖然比其他地方稍低，但整體還是呈現迅速增加的趨勢。其他地區變化趨勢不明顯，年增加與減少量在-90～90 kg/hm2浮動，無光溫生產潛力明顯減少地區。

圖1 陰山南北麓光溫生產潛力

3.2 實際產量特征分析

經查詢，2010—2020年陰山南北麓25個觀測站區域主要農作物實際產量年際變化如圖2 所示，實際產量最低的是2015年，為4 798 kg/hm2，實際產量最高的是2010年，為5 721 kg/hm2。陰山南北麓作物產量整體呈現由東北向西南遞增趨勢。陰山南北麓主要農作物2010—2020年實際產量平均值較高，都高于8 000 kg/hm2，而錫林郭勒盟及烏蘭察布市大多數旗縣主要農作物2010—2020 年實際單產平均值都低于5 000 kg/hm2，其主要原因是錫林郭勒盟和烏蘭察布市屬于資源型與工程型缺水并存的地區，水資源嚴重缺乏，其主要農作物多種植在旱地，所以農作物產量偏低。

圖2 2010—2020年陰山南北麓農田實際單產

3.3 產量差特征分析

2010—2020 年陰山南北麓主要農作物光溫生產潛力與實際產量的產量差年際變化如圖3 所示，產量差最小的是2012 年，為6 600 kg/hm2，產量差最大的是2017 年，為1 0571 kg/hm2。陰山南北麓主要農作物光溫產量差只有呼和浩特市站、托克托縣站和林格爾縣站呈減少趨勢，原因是其實際產量增加趨勢比光溫生產潛力增加趨勢快。

圖3 2010—2020年陰山南北麓光溫產量差

通常光溫生產潛力與現實生產力差距較大，原因是光溫生產潛力是理想狀態下作物的生產力，而現實中作物實際產量受到多種因素的影響，除去自然環境因素和不確定性自然災害外，還受復種指數、種植結構、耕地面積、人為管理、氮肥利用率及提前播種等因素影響。

4 結論與討論

2010—2020 年，陰山南北麓作物生長期太陽總輻射量在時間上呈上升趨勢，空間上表現為由西向東遞減，氣溫在時間上呈上升趨勢，空間分布上表現為陰山南麓普遍高于陰山北麓。這主要是因為內蒙古自治區東部比西部云雨偏多、日照時間較短，所以作物生長期太陽總輻射量相對較少。2010—2020 年陰山南北麓主要農作物光溫生產潛力在時間上呈上升趨勢，在空間分布上由西南向東北逐漸遞減，全區域光溫生產潛力普遍呈增加趨勢，這是由于光溫生產潛力受太陽總輻射量與氣溫的影響，與其呈正相關性，隨著太陽總輻射量和氣溫的上升，光溫生產潛力也會隨之上升。由于所調查的年份只有2010—2020 年的，所以計算出來的趨勢只是一段時間的趨勢，不能說明整體的趨勢，因此筆者今后將做進一步調查。

2010—2020 年陰山南北麓東部農田實際單產較低，時間上呈遞減趨勢，空間分布上西高東低，與其部分區域地理環境與人文因素有關，從而降低了整體生產水平。陰山南北麓光溫生產差時間上呈上升趨勢，空間分布上由東向西遞減，陰山南北麓光溫生產潛力和實際產量的產量差較大，具有很大的提升空間。這與劉志娟等［29］在東北三省春玉米潛在產量與農戶實際產量之間的產量差（總產量差）呈明顯的經向和緯向分布，即由南向北遞減、由西向東遞減的研究結果一致。因此，要想達到增產目的，農戶須從影響農作物的內部因素和外部環境兩個方面著手。其中，內部因素主要考慮作物品種，外部環境主要指改善生產條件一方面是解決水分、土壤等因素的限制問題，另一方面是改進栽培方式和技術，最大限度降低各種不利因素帶來的影響，從而提高作物產量。