近40年氣候變化對寧夏馬鈴薯生產潛力的影響研究

中圖分類號：S532 文獻標識碼：A 文章編號：0488-5368（2025）06-0079-08

Abstract：Potato （Solanum tuberosum L.） is a cool - season crop that is sensitive to high temperatures. Global warming poses serious challenges to its cultivation. Therefore，assesing the effect of climate change on the climatic potential productivity（CPP）of potato provides guidance for optimizing industrial layout and enhancing yield and quality.In this study，phenological dataof potatoand daily meteorological data from eight weather stations in Ningxia from 1981 to 2O2O were analyzed using a stepwise correction method.The spatial distribution and temporal trends of potato CPP were examined，along with the effcts of the key climatic factors such as temperature，precipitation，and solar radiation.The results indicated thatfrom 1981 to 2O2O，potato CPP in Ningxia exhibiteda spatial pattern of higher productivity in thesouth and lower inthe north.In contrast，the distribution of photosynthetic potential productivityand light-temperature productivity showed anopposite trend.Over the past 4O years，the overall CPP of potato in Ningxia increased，with a climatic trend rate of 321.4kg/hm²?10a Declines insolar radiation generally had a negative effct on potato CPP，except in southern Ningxia where a slight positive efect was observed.Rising average temperatures exerted a predominantly positive effect，with negative effects limited to the counties of Yanchi and Tongxin in Wuzhong City.Increased precipitation generally had a positive efect across major potato -producing areas，again with the exception of Tongxin County. Overall，climate change has had a positive effect on potato CPP across most of Ningxia.Although reduced solar radiation remainsa limiting factor，warming and increased humidity havebeen favorable for potato yield in the region.To further enhance yield stability and resource use efficiency，it is recommended to introduce cold -and drought - tolerant，high-photosynthetic-effciency potato varieties，maintain a planting densityof approximately30，000 plants per hectare，and adjust sowing dates accordingly.

Key words：Climate change；Potato；Potential productivity；Ningxia

IPCC第六次評估報告指出，近50年的增暖趨勢在過去2000多年來史無前例。2001至2020年全球地表溫度比1950至1990上升了 0.99^qC ，而2011至2020年全球地表溫度比1950至1990上升1.09^°C 。馬鈴薯作為特殊的喜陰作物，對溫度和水分變化十分敏感，過去幾十年溫度、輻射和降雨的變化嚴重影響了馬鈴薯的生長發育過程。固原是我國馬鈴薯的主產區之一，氣候變化對提升馬鈴薯產量提出了新的挑戰。鑒于此，迫切需要理清氣候變化對固原馬鈴薯生產潛力的影響，為馬鈴薯種植結構的時空布局提供理論支撐。

總體而言，目前對作物生產潛力的估算大多數集中在對大宗作物，對氣候變暖背景下土豆等喜陰作物的生產潛力的研究較少。鑒于此，本研究氣候生產潛力是評價作物綜合生產能力和農業氣候資源的重要指標，其大小取決于溫、光和水資源稟賦以及配合協調程度[5.6]。近年來，國內外學者對氣候生產潛力的研究取得豐富的成果。氣候生產潛力（ClimatePotentialProductivity）是指當作物生長發育所需要的水分、土壤、溫度和養分等條件達到最佳狀態時，單位面積土地上可獲得的最高產量。目前估算氣候生產潛力的方法主要有：常用的氣候生產潛力估算模型主要有Miami 模型[7.8]、WO-FOST模型、Thornthwaite Memorial模型[9]、AEZ模型[10]和逐級訂正模型[1]等。逐級訂正模型是目前應用較為廣泛的作物生產潛力模型之一，能較好的反映熱、水、光等資源的匹配狀況，其物理意義清晰，因果關系明確[12，13]

過去，許多學者對中國不同地區作物生產潛力影響因子開展過很多研究，利用種植玉米新品種提高了東北地區作物氣溫生產潛力[14]。分析出近50年遼寧省光溫資源分布特征及變化趨勢[15] 。

用不同統計方法估算黃淮海地區近61年氣候生產潛力與糧食產量的關系及變化周期[16]。利用異常度模型分析出西南地區單季稻不同年型降水生產潛力[17.18]。利用作物生產潛力逐級訂正模型和指數化處理方法得出甘肅省不同地區氣候生產潛力變化趨勢，并提出應對措施[19，20]。這些研究多是分析降水、氣溫等要素與生產潛力的相關性，或假定氣象要素增減單位量后引起生產潛力的變化。但考慮氣候變化對作物氣候生產潛力的影響研究還不多，尤其是在寧夏南部山區的相關研究較少。寧夏地處中國西北干旱區和東部季風區的過渡地帶，氣候變率大，馬鈴薯是當地的主要旱作糧食作物，對氣候變化的響應更敏感，氣象災害發生頻繁。鑒于此，本研究采用對光合生產潛力進行溫度、降水逐級訂正的方法，分析氣候變化背景下寧夏馬鈴薯氣候生產潛力的分布特征，并探討氣候因子及氣候變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響，為合理利用氣候資源、發揮農業氣候生產潛力、提高農業生產水平等提供依據。

1研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

寧夏馬鈴薯主要種植于中南部地區，包括固原市大部、吳忠市的東部和南部、中衛市的南部，該區域地勢南高北低，是典型的大陸性、半干旱、干旱氣候，均有冬季寒冷且長、夏季短以及氣候干燥等特點。

1.2 研究數據

氣象資料選用1981-2020年寧夏馬鈴薯主產區的西吉縣、涇源縣、隆德縣、原州區、彭陽縣、同心縣、鹽池縣、海原縣8個氣象臺站的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、平均風速和相對濕度資料。馬鈴薯生育期觀測數據來自西吉縣、隆德縣、原州區觀測站。研究區域及氣象臺站的分布如圖1所示。

1.3 研究方法

1.3.1作物生產潛力及其逐級修訂作物氣候生產潛力是其他條件處于最適宜狀況，充分且合理利用光、水和熱等氣候資源時單位面積的耕地上取得的最高生物學產量。本研究中作物氣候生產潛力[23，24]的計算是對光合生產潛力進行逐級訂正后的結果，公式為：

Y_ν=Y_r×f（w）

式中： Y_W 表示氣候生產潛力（ kg/hm² ）， Y_r 表示光溫生產潛力（ kg/hm² ） I（w） 表示水分的訂正系數。水分訂正系數的公式為：

式中： ET_c 表示作物的需水量（mm）， P 表示作物生育期內的降水量（ Π_mm） 。 ET_c 采用參考作物蒸散量與作物系數的乘積，作物系數與參考作物蒸散量分

別采用FAO推薦的分段單值平均法與Penman-Monteith公式計算獲取[7]

Y_r=Y_Q×f（t）

式中： Y_r 表示光溫生產潛力（ kg/hm² ）； Y_Q 表示光合生產潛力 （kg/hm²）;f（t） 表示溫度的訂正系數。溫度訂正系數的公式為：

式中： Ξ_t 表示作物生育期內平均氣溫 （C） t_min?t_op ）t_max 分別表示作物生長的下限溫度（ C ）最適溫度（ C ）與上限溫度 （Φ^°C） 。馬鈴薯生育期內的三基點溫度[25，26]見表1。

光合生產潛力的計算采用侯光良法[27]，公式為：

（1-ρ）×（1-γ）×（1-ω）×（1-η）^-1×

式中： Y_Q 表示光合生產潛力 （kg/hm² ）； k 表示換算函數； Q_i 表示太陽總輻射量（ MJ/m² ）；其他參數的物理意義與取值[19，28＼～29]見表2。

太陽總輻射量 ΔQ_i 的公式為：

式中： s 表示日照百分率 （%） ； 表示天文的輻射量（ MJ/m² ）； ?_m 與 n 表示經驗系數，分別取值0.53和0.23[30] O

1.3.2變化趨勢分析采用傾向率表示某一氣候因子的趨勢變化，建立 Y_j 與 x_j 間的一元線性回歸方程[21]，如式（8）所示。

Y_j=c+dx_j（j=1，2，…，m）

式中， Y_j 為氣候因子， x_j 為 Y_j 對應的時間變化， m 為樣本量， c 和 d 為回歸系數。以 d 的10倍表示變量的傾向率。

1.3.3影響關系分析各個氣候要素變化及整體氣候資源變化對氣候生產潛力影響的公式[1]為：

Y_r=（Y_Q/Y₁）×Y₃

Y_t=（Y_T/Y₂-Y_Q/Y₁）×Y₃

Y_p=（Y_?/Y_?3-Y_?T/Y_?2）×Y_?3

Y_c=Y_w

式中： Y_r，Y_t，Y_p，Y_c 分別表示太陽輻射、熱量、降水資源及整個氣候資源對作物氣候生產潛力的影響 （kg/hm²?a） ; Y_Q，Y_T，Y_w 分別表示作物光合、光溫和氣候生產潛力的年變化率 （kg/hm²?a） ：Y₁，Y₂，Y₃ 分別表示1981-2020年作物光合、光溫和氣候生產潛力的40年的平均值 （kg/hm² ）。

2 結果與分析

2.1 氣候因子的時空變化

2.1.1太陽輻射寧夏是中國太陽輻射資源最豐富的地區之一，呈現北部大于南部，平原大于山地，中北部地區最豐富等分布特征。從圖2a可知，近40年寧夏馬鈴薯生育期內太陽輻射以－12.54MJ²/10a 速率總體呈波動性減少，變率不大，多年平均值為 2939MJ/m² ，最高值為 3 111MJ/m² ，出現在2000年，最低值為 2 663MJ/m² ，出現在2019年?？臻g分布上總體呈北高南低的特點。從變化趨勢看，太陽輻射量整體呈減少趨勢，氣候傾向率為 -12.5MJ/m²?10a ，空間分布上呈南部增加北部減小的趨勢。

2.1.2平均氣溫由圖2b可知，1981-2020年寧夏馬鈴薯生育期內多年平均氣溫為 16.8°C ，最大值為 17.9‰ ，出現在2005年，最小值為15.6C ，出現在1993年，由圖3b可知，空間分布上呈現南低北高的分布特點。由圖4b可知，從變化趨勢來看，馬鈴薯生育期內平均氣溫呈波動式上升的趨勢，其氣候傾向率為 0.39^°C/10a ，呈中部升溫速率快、南北慢的空間分布特征。

2.1.3降水量如圖2c所示，近40年寧夏馬鈴薯生育期內降水量以 10.55mm/10a 速率總體呈波動性增加，降水量變率較大，多年平均降水量為325.3mm ，最高值出現在2018年，達到 486.0mm ，最低值出現在1982年，為 182.1mm 。如圖3c所示，從空間變化趨勢看，馬鈴薯主產區中部干旱帶降水量在 207～280mm 之間，南部山區中部降水量在 281～350mm 之間，南部山區中南部在 351～ 420mm 之間，南部山區南部 421～493mm 之間。如圖4c所示，從空間分布氣候傾看，中部干旱帶同心縣西北部以 -3.67mm/10a 速率減少，西吉縣、鹽池縣、同心大部份地區以 10mm/10a 速率增加，海原縣、原州區、彭陽縣、隆德縣以 10～20mm/10a 速率增加，涇源縣以 20.1～28.5mm/10a 速率增加。近40年寧夏馬鈴薯生育期內降水量總體呈波動性增加，降水量變率較大，從空間分布看，呈南多北少的空間分布特征，氣候向率看呈增加趨勢，氣候傾向率為 10.55mm/10a 。

2.2 氣候潛力的年際變化特征分析

2.2.1光合生產潛力年際變化1981-2020年，研究區域馬鈴薯全生育期光合生產潛力總體呈波動性較少的趨勢，其傾向率為 （未通過顯著性檢驗水平），減少速率較慢，生產潛力平均值為 26551kg/hm² ，最大值為 28575kg/hm² ，出現在2008年，最小值為 24060kg/hm² ，出現在2019年。1981-1993年以 -124.42kg/hm²?10a 的速率呈快速下降趨勢（通過顯著性檢驗水平），1994-2008年以 189.09.42kg/hm²?10a 的速率呈快速上升趨勢， 2009-2020 年以 -171.92kg/hm²?10a 的速率呈快速下降趨勢（圖5）。

2008-2020光合生產潛力 ·線性（2008-2020年光合生產潛力）線性（1995-2009年光合生產潛力 線性（2010-2020年光合生產潛力）線性（1981-2020年光合生產潛力）28500（2/ 28000 27500 y=12-7x-2322832700026500 =-7.9114x+487825500 R2=0.00625000 y=-156=3x+337454 y 9.58x+50912R2 0.290824000 L L 1 L L L L 1 L 1 L L 1[86[ ￡861 s861 L861 686 1661 ￡661 S66 L661 6661 1000 002 2005 2007 6000 107 3100 2205 207 6107

2.2.2光溫生產潛力年際變化1981-2020年，研究區域馬鈴薯全生育期光溫生產潛力總體呈波動性較少的趨勢，其傾向率為 -324.11kg/hm²?10a （通過顯著性檢驗水平），減少速率較快，生產潛力平均值為 23776kg/hm² ，最大值為 26 073kg/hm² 出現在2008年，最小值為 22237kg/hm² ，出現在2002年。1981－2002年以 -1030.30kg/hm²?10a 的速率呈快速下降趨勢（通過顯著性檢驗水平），

2003-2008年以 3330.10kg/hm²?10a 的速率呈快速上升趨勢，2009－2020年以－2419.00kg/hm²?10a 的速率呈快速下降趨勢（圖6）。

27000 線性（1981-2020光溫生產潛力）線性（1981-2002年）26500 一線性（2003-2008）26000 y=333.01x-643381

/y 25500 -32.411x+88614R2=0.265525000 R2=0.1256*

中限 24500240002350023000 y=-103.03x+22899922500 R2=0.5196 y=-241.9x+51067922000 R2=0.58212150021000 0000 23 4 567 8 1 200 0 20 0 80 0 0 0 0 02年份

2.2.3氣候生產潛力年際變化 1981-2020 年，研究區域馬鈴薯氣候生產潛力總體呈波動性減少的趨勢，其氣候傾向率為 -516.9kg/hm²?10a （未通過顯著性檢驗水平）。氣候生產潛力平均值為

9 218kg/hm² ，有22年氣候生產潛力高于平均值，18 年低于平均值，最大值為 18924kg/hm² ，出現在1985 年，最小值為 4840kg/hm² ，出現在2000 年（圖7）。

20000（t y=-51.688x+11262015000 R2=0.04215000候生產 海 7 線性（氣候生產潛力）06 7 8 9 2020 0 20 02 22年份

2.3氣候資源變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響2.3.1氣候因子變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響如圖8a所示，太陽輻射變化對寧夏馬鈴薯氣候生產潛力的影響范圍在 -17.0～18.7kg/hm²?a 之間，平均值為 -5.0kg/hm²?a ，總體上呈南北高中部低的分布規律，研究區除固原市隆德縣外均呈降低的趨勢。就地域分布而言，太陽輻射變化對馬鈴薯氣候生產潛力影響與太陽輻射變化大體一致，且太陽輻射變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響，大部分地區為負效應。

從圖8b看出，平均氣溫變化對寧夏馬鈴薯氣候生產潛力的影響范圍在 -9.0～50.8kg/hm²?a 之間，平均值為 19.0kg/hm²?a. ，總體呈現南高北低的分布特點，研究區域內除吳中市外均呈升高趨勢。在空間分布上，平均溫度變化對馬鈴薯氣候生產潛力影響與平均溫度變化的分布特征大體一致，前者以正效應為主。

由圖8c中可知，降水量變化對寧夏馬鈴薯氣候生產潛力的影響范圍在 -27.9～74.3kg/hm²?a 間，平均值為 18.1kg/hm²?a ，研究區域內除吳忠市同心外均呈升高的變化趨勢，高值區集中在吳忠市鹽池縣。從降水量變化對作物氣候生產潛力影響的空間分布特征來看，與降水量變化基本類似，降水量變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響，大部分地區為正效應。

2.3.2氣候變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響氣候變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響在吳忠市同心縣為負效應，其余大部分地區為正效應，變化率為 -39.4～78.8kg/hm² ·a（圖9），與降水資源變化對氣候生產潛力的影響特征大體一致，除吳忠市同心外均呈升高的趨勢。

3 結論與討論

氣候生產潛力是評估農作物綜合生產潛力的重要指標。本研究采用逐級訂正法，利用1981-2020年馬鈴薯發育期觀測資料和8個氣象站點的逐日氣象資料，分析馬鈴薯生產潛力及影響馬鈴薯生產潛力的氣候因子時空變化特征，量化氣候變化對馬鈴薯生產潛力影響因子的影響，并進一步量化氣候因子的變化對馬鈴薯生產潛力的影響，以期為氣候變化條件下馬鈴薯的種植結構調整提供理論參考依據。

氣候變化導致影響馬鈴薯氣候生產潛力的主要氣候因子發生了顯著了變化，也改變了馬鈴薯的氣候生產潛力。本研究表明：近40寧夏馬鈴薯生育期內太陽輻射量總體上呈減少趨勢，而平均氣溫和降水量趨于上升，氣候生產潛力呈增加趨勢，光合和光溫生產潛力則表現出南部升高、北部降低的變化趨勢。氣溫升高和降水量增加有利于馬鈴薯的增產，而太陽輻射量減小對馬鈴薯生長不利，總體來看氣候變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響是正效應。

氣候因子對馬鈴薯生產潛力的影響呈現出不同的空間格局，以溫度為例近40年平均氣溫的升高對寧夏馬鈴薯氣候生產潛力的影響在大部分區域為正效應，僅在吳忠市的鹽池縣和同心縣為負效應，主要原因是在馬鈴薯不同發育期，除了中部干旱帶氣溫偏高，涇源縣氣溫偏低，其他地區氣溫在最適溫度范圍內，氣候變暖對馬鈴薯增產有利[3，34]。有研究表明[34.35]在開花期，氣溫較高不利于結薯，只有莖桿線性增長。在塊莖膨大期，氣溫較高，塊莖停正膨大，只在原有塊莖的芽眼上長出小塊莖，最終影響馬鈴薯產量和品質。

總體而言，馬鈴薯的氣候生產潛力主要受溫度升高不明顯，而降水增加有利于馬鈴薯產量形成。降水量變化是影響寧夏馬鈴薯氣候生產潛力變化出現空間差異的主要因素。這與賀付偉[36]的研究結果一致，北方一作區縮小產量差的主要限制因子是水分，增加灌溉量后產量有較大的提升。在全球氣候變化背景下，作為喜陰作物的馬鈴薯的種植面臨重大挑戰，寧夏馬鈴薯的種植中心應該向溫度較低的南部山區移動，以應對氣候變化對馬鈴薯生產能力的影響[37]

首先，本研究中采用的一階差分法一定程度上可以去除品種、管理措施等緩慢變化要素對產量的影響，但要完全分離出非氣候要素對產量的影響，目前還較難達到。如果連續幾年的作物產量比較相近時，一階差分法可能使氣候變化對產量的影響效應減弱。希望找到更合理、更優化的產量分離方法，以提升研究結果的準確性。其次，本研究僅以馬鈴薯全生育期為研究對象，沒有考慮不同生育期內氣象要素變化對馬鈴薯產量的影響，不同生育期作物的關鍵氣象要素并非完全相同，有研究表明馬鈴薯苗期需水量較少，氣溫是產量形成的關鍵因子，但花序形成到開花期水分則是關鍵因子。其次，本研究未考慮馬鈴薯品種，而通過選育耐熱、耐旱的品種則在一定程度上可以減緩氣候變暖對馬鈴薯生長造成的不利影響。因此，未來研究中應考慮不同品種作物產量對氣候變化的響應。

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