劉 強，李 廣，閆麗娟，王 鈞，聶志剛

(1.甘肅農業(yè)大學信息科學技術院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學林學院，甘肅蘭州 730070; 3.甘肅農業(yè)大學農學院，甘肅蘭州 730070)

全球氣候變化是21世紀人類面臨較為嚴重的環(huán)境問題之一，其主要表現(xiàn)為溫度上升、降水格局改變及極端氣候事件增加等，導致農業(yè)氣候帶、種植制度、作物生長發(fā)育和產量等方面發(fā)生不同程度的變化，進而對糧食生產過程和生產安全產生重要的影響。農業(yè)氣候生產潛力作為評價糧食作物綜合生產能力的重要指標之一，由光、溫、水的數(shù)量及其相互協(xié)調程度共同決定。目前，國內外關于作物氣候生產潛力的研究主要采用模型模擬，這些模型包括作物生長模型和經驗模型。作物生長模型需要輸入大量的模型參數(shù)，其模擬精度與區(qū)域尺度有關且受其限制；而經驗模型雖計算簡單，但對作物生長發(fā)育機理考慮不足，影響了模擬效果。逐級訂正模型作為一種能夠反映不同糧食作物生育期內氣候生產潛力的統(tǒng)計模型，具有物理意義清晰、基礎數(shù)據易于獲取的優(yōu)點，目前被廣泛應用于糧食生產潛力的研究。近些年，有關我國糧食生產潛力時空變化特征的研究主要集中在我國主要糧食生產地區(qū)，且不同區(qū)域、不同糧食作物品種間的研究結果也存在著一定的差異，同時氣候變化對氣候生產潛力的影響也存在著顯著的區(qū)域性差異。目前，針對氣候變化背景下甘肅農牧交錯帶不同糧食作物氣候生產潛力的相關研究較少，還有待深入。甘肅農牧交錯帶氣候多變、土質結構疏松，同時由于自然資源的過度開發(fā)利用，影響了該地區(qū)農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。本研究利用歷史數(shù)據開展了氣候變化對甘肅省農牧交錯帶不同糧食作物生產潛力的影響分析，以期為全球氣候變化背景下甘肅農牧交錯帶氣候資源的合理利用、糧食生產水平提高和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學的指導依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)和數(shù)據來源

甘肅農牧交錯帶地處黃土高原、青藏高原和內蒙古高原三大高原的交匯地帶，是中國北方農牧交錯帶的重要組成部分之一，同時也是甘肅省主要的糧食生產地區(qū)。研究區(qū)域內地形變化復雜，平均海拔高度為960～3 045 m，年平均氣溫0.4～10.4 ℃，年平均降水量190～621 mm，研究區(qū)降水主要集中在夏秋季節(jié)的7-9月，占全年總降水量的60%～80%，年平均日照時數(shù)2 049～ 2 718 h。小麥和玉米為該地區(qū)主要糧食作物。

氣象數(shù)據來自于甘肅省氣象局氣象中心，包括1971-2020年甘肅農牧交錯帶45個氣象站的逐日平均氣溫、最高溫、最低溫、降水量、日照時數(shù)和蒸發(fā)量等氣象資料(圖1)。作物品種選取了該地區(qū)的主要糧食作物春小麥、冬小麥和春玉米。3種糧食作物的主要生育期資料來自中國農業(yè)氣象觀測站及全國縣級農戶調查結果，各地區(qū)糧食作物生育期為2012-2014年生育期平均值。

圖1 研究區(qū)域及站點

1.2 研究方法

1.2.1 作物氣候生產潛力計算模型

作物氣候生產潛力指在合理利用光、熱和水等氣候資源的同時，當土壤、養(yǎng)分和二氧化碳等達到最佳狀況時糧食作物的最高產量。本研究依據光合影響下的糧食作物生產潛力，逐級對溫度系數(shù)和降水系數(shù)進行訂正，計算方法如下：

=×()

(1)

式中，為作物氣候生產潛力(kg·hm)；為光溫生產潛力(kg·hm) ；()為水分訂正系數(shù)，計算公式如下：

(2)

式中，為作物生長發(fā)育過程中的總降雨量(mm)；為缺水敏感系數(shù)，ET為作物生長發(fā)育過程中的總需水量，計算公式如下：

ET=×ET

(3)

式中，為作物系數(shù)，F(xiàn)AO-56推薦的春小麥、冬小麥和春玉米作物系數(shù)在生長發(fā)育初期分別為0.35、0.39和0.30，生長發(fā)育中期分別為 1.21、1.17和1.20，生長發(fā)育后期分別為0.45、0.40和0.60。本研究根據研究區(qū)不同氣候條件利用式(4)對作物系數(shù)進行進一步修正。ET為參考作物蒸散量，本研究利用FAO提供的Penman-Monteith公式進行計算。

(4)

式中，為修正后作物系數(shù)；為修正前作物系數(shù)；為作物生長發(fā)育過程中的平均株高(m)；為作物生長發(fā)育過程中高度為2 m處的日平均風速(m·s)；RH為作物生長發(fā)育過程中日最低相對濕度平均值(%)。

光溫生產潛力是指當水分、土壤及耕作措施等條件均處于作物生長最適宜環(huán)境下，由光合和溫度來決定的作物最高產量,其計算公式如下：

=×()

(5)

式中，為作物光合生產潛力(kg·hm)；()為溫度修訂系數(shù)，和()的計算公式如下：

(6)

=(+)′

(7)

表1 作物生產潛力模型參數(shù)及取值Table 1 Values of each parameter for photosynthetic potential productivity of crops

(8)

(9)

式中，為作物生長發(fā)育階段的平均氣溫(℃);為作物生長發(fā)育上限溫度(℃)，春小麥、冬小麥和春玉米分別取33、30和 34 ℃;為作物生長發(fā)育的最適宜溫度(℃)，春小麥、冬小麥和春玉米分別取22、20和 24 ℃;為作物生長發(fā)育下限溫度(℃)，春小麥、冬小麥和春玉米分別取3、3和11 ℃。

1.2.2 氣候變化對作物氣候生產潛力影響的計算模型

氣候生產潛力是糧食作物生產潛力對多種氣候資源變化的綜合反映，熱量資源、降水資源以及輻射資源改變對甘肅農牧交錯帶糧食作物生產潛力的影響計算公式如下：

=(/)×

(10)

=(/-/) ×

(11)

=(/-/) ×

(12)

=

(13)

式中，、、和為甘肅農業(yè)交錯帶輻射資源、熱量資源、降水資源和綜合氣候資源變化對該區(qū)域氣候生產潛力產生的影響(kg·hm·a);、和為該區(qū)域糧食作物光合生產潛力、光溫生產潛力和氣候生產潛力的平均年際變化率(kg·hm·a)；、和分別為研究區(qū)1971-2020年糧食作物的平均光合生產潛力、平均光溫生產潛力和平均氣候生產潛力 (kg·hm)。

2 結果與分析

2.1 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期內氣候因子變化的時空特征

2.1.1 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期內平均氣溫的變化趨勢

1971-2020年甘肅農牧交錯帶春小麥、冬小麥和春玉米3種糧食作物生育期內平均氣溫均呈波動上升趨勢，3種糧食作物生育期內平均氣溫的年際變化率分別為0.41、0.34和0.32 ℃·10 a(圖2)。從甘肅農牧交錯帶春小麥生育期 ≥3 ℃、冬小麥生育期≥3 ℃和春玉米生育期≥10 ℃積溫的空間分布特征來看，春小麥、冬小麥和春玉米的生育期積溫變化范圍分別為 650.63～ 2 502.74、1 570.71～2 849.56和1 045.25～3 018.50℃。春小麥生育期內積溫從北向南逐漸降低，最高值出現(xiàn)在蘭州和白銀等地區(qū)，最低值出現(xiàn)在天祝和甘南地區(qū)，由于這兩個地區(qū)積溫過低不適宜春小麥的生長發(fā)育；冬小麥生育期內積溫最高值出現(xiàn)在天水北部地區(qū)，最低值出現(xiàn)在通渭、靜寧、張家川等地區(qū)；春玉米生育期內積溫從東向西逐漸降低，最高值分布在慶陽、平涼以及白銀等地區(qū)，而天祝和甘南地區(qū)春玉米生育期內積溫相對較低，不適宜春玉米的生長發(fā)育(圖3)。

圖2 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期平均溫度變化趨勢

圖3 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期積溫空間分布

2.1.2 甘肅農牧交錯帶糧食作物生長季的太陽輻射變化趨勢

1971-2020年甘肅農牧交錯帶春小麥、冬小麥和春玉米3種糧食作物生育期內的太陽輻射量均呈下降趨勢，3種糧食作物生育期內太陽輻射的年際變化率分別為-7.07、-20.25和-20.80 MJ·m·10 a(圖4)。3種糧食作物生育期內太陽輻射量變化范圍分別為1 378.40～ 3 086.21、3 329.78～4 695.47和2 829.07～ 3 233.14 MJ·m。從空間分布看，春小麥生育期內太陽輻射量從北向南逐漸降低，最高值分布在白銀地區(qū)，最低值分布在甘南、岷縣和漳縣地區(qū)；冬小麥生育期內太陽輻射量從東北向西南逐漸降低，最高值分布在環(huán)縣和慶城地區(qū)，最低值主要分布在天水北部、通渭、靜寧和莊浪地區(qū)；春玉米生育期內太陽輻射量從北向南逐漸降低，最高值主要集中在白銀和蘭州等地區(qū)，最低值主要集中于該區(qū)域的南部地區(qū)(圖5)。

圖4 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期太陽輻射變化趨勢

圖5 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期太陽輻射空間分布

2.1.3 甘肅農牧交錯帶糧食作物生長季的降水量變化趨勢

1971-2020年甘肅農牧交錯帶春小麥、冬小麥和春玉米3種糧食作物生育期內降水量均呈上升趨勢，3種糧食作物生育期內降水量的年際變化率分別為4.98、12.82和2.37 mm·10 a(圖6)。3種糧食作物生育期內降水量變化范圍分別為28.92～544.75、99.80～634.58和154.92～461.89 mm。從空間分布特征看，春小麥生育期內降水量從北向南逐漸增加，最高值分布在甘南和岷縣地區(qū)，最低值分布在白銀和蘭州地區(qū)；冬小麥生育期內降水量從西北向東南逐漸增加，最高值分布在正寧、靈臺等地區(qū)，最低值分布在通渭和環(huán)縣地區(qū)；春玉米生育期內降水量最高值分布在該地區(qū)的南部地區(qū)，主要集中在甘南、臨夏、天水和平涼等地區(qū)，最低值主要集中于白銀、蘭州等地區(qū)(圖7)。

2.2 甘肅農牧交錯帶糧食作物生產潛力分布特征

2.2.1 光合生產潛力

1971-2020年，甘肅農牧交錯帶冬小麥、春玉米和春小麥平均光合生產潛力分別為 35 815.83、30 916.96 和25 679.65 kg·hm。

圖6 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期降水量變化趨勢

圖7 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期降水量空間分布

春小麥光合生產潛力從北向南逐漸降低，最高值(27 187.78 kg·hm)分布在景泰和靖遠地區(qū)，最低值(23 941.78 kg·hm)分布在甘南以及岷縣和漳縣地區(qū)；冬小麥光合生產潛力從東北向西南逐漸降低，最高值(37 569.84 kg·hm)分布在環(huán)縣和慶城地區(qū)，最低值(34 035.73 kg·hm)分布在天水北部、靜寧、莊浪和通渭等地區(qū)；春玉米光合生產潛力從北向南逐漸降低，最高值(33 078.79 kg·hm)分布在景泰和靖遠等地區(qū)，最低值(29 132.66 kg·hm)分布在甘南和天水北部地區(qū)(圖8)。

2.2.2 光溫生產潛力

1971-2020年，甘肅農牧交錯帶春玉米、春小麥和冬小麥的平均光溫生產潛力分別為 16 802.15、12 797.04和7 691.16 kg·hm。春小麥光溫生產潛力從北向南逐漸降低，最高值 (19 411.56 kg·hm)分布在白銀和蘭州地區(qū)，最低值(3 081.10 kg·hm)分布在天祝和甘南地區(qū)；冬小麥光溫生產潛力最高值(11 014.55 kg·hm)分布在甘谷和秦安地區(qū)，最低值 (3 193.98 kg·hm)分布在通渭、靜寧、莊浪、張家川和華亭地區(qū)；春玉米光溫生產潛力從東北向西南逐漸降低，最高值(23 860.03 kg·hm)分布在白銀、蘭州、慶陽和平涼地區(qū)，最低值 (1 037.44 kg·hm)分布在天祝和甘南地區(qū)(圖9)。

圖8 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期 內光合生產潛力空間分布

2.2.3 氣候生產潛力

1971-2020年，甘肅農牧交錯帶春玉米、春小麥和冬小麥平均氣候生產潛力分別為 12 113.63、7 224.81和5 547.48 kg·hm。春小麥氣候生產潛力從北向南逐漸增加，最高值 (10 057.56 kg·hm)分布在臨夏和臨洮地區(qū)，最低值(2 334.82 kg·hm)分布在天祝和白銀地區(qū)；春小麥氣候生產潛力從北向南逐漸增加，最高值(7 492.48 kg·hm)分布在天水北部地區(qū)，最低值(1 999.24 kg·hm)分布在通渭和靜寧地區(qū)；春玉米氣候生產潛力從東向西逐漸降低，最高值(18 691.65 kg·hm)分布在慶陽和平涼東部地區(qū)，最低值(959.60 kg·hm)分布在天祝、白銀和甘南地區(qū)(圖10)。

圖9 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期 內光溫生產潛力空間分布

2.3 氣候資源變化對甘肅農牧交錯帶氣候生產潛力的影響

2.3.1 熱量變化對甘肅農牧交錯帶氣候生產潛力的影響

1971-2020年，甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期內平均溫度總體呈上升趨勢。熱量變化對3種作物氣候生產潛力均產生正效應(圖11)，春玉米、冬小麥和春小麥氣候生產潛力的平均增速分別為48.35、48.11和32.17 kg·hm·a。春小麥氣候生產潛力在會寧和臨夏地區(qū)受影響最大，平均增速為59.56 kg·hm·a；白銀和蘭州地區(qū)受影響最小，平均增速為 12.20 kg·hm·a。冬小麥氣候生產潛力在慶陽南部、靈臺和秦安地區(qū)受影響最大，平均增速為 86.00 kg·hm·a；在慶陽北部、崇信和夏河地區(qū)受影響最小，平均增速為26.55 kg·hm·a。春玉米氣候生產潛力在天水北部、會寧和靈臺地區(qū)受影響最大，平均增速110.23 kg·hm·a；在白銀、蘭州以及慶陽北部地區(qū)受影響最小，平均增速為10.72 kg·hm·a。

圖10 甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期內 氣候生產潛力空間分布

2.3.2 降水變化對甘肅農牧交錯帶氣候生產潛力的影響

1971-2020年，受生育期內降水變化影響，甘肅農牧交錯帶春小麥、冬小麥和春玉米氣候生產潛力的平均增速分別為5.10、-0.12和7.16 kg·hm·a。從圖12可以看出，降水變化對該區(qū)域大部分地區(qū)春小麥氣候生產潛力具有正效應。春小麥氣候生產潛力在白銀和蘭州大部分地區(qū)受影響最大，氣候生產潛力最大增速為31.35 kg·hm·a；降水變化對臨夏和定西部分地區(qū)春小麥氣候生產潛力產生負效應，氣候生產潛力最大降速為18.92 kg·hm·a。降水變化對冬小麥氣候生產潛力在天水北部、寧縣、慶城、鎮(zhèn)原、靈臺和涇川地區(qū)產生呈負效應，氣候生產潛力最大降速為28.73 kg·hm·a；對其他地區(qū)表現(xiàn)為正效應，氣候生產潛力最大增速為 11.37 kg·hm·a。降水變化對西部及東部的靈臺和華池地區(qū)春玉米氣候生產潛力產生負效應，氣候生產潛力最大降速為60.77 kg·hm·a；在其他地區(qū)表現(xiàn)為正效應，氣候生產潛力最大增速為81.49 kg·hm·a。

圖11 熱量資源變化對甘肅農牧交錯帶氣候 生產潛力影響空間分布

圖12 降水資源變化對甘肅農牧交錯帶 氣候生產潛力影響空間分布

2.3.3 輻射資源變化對甘肅農牧交錯帶氣候生產潛力的影響

1971-2020年，甘肅農牧交錯帶糧食作物生育期內太陽輻射變化對春小麥、冬小麥和春玉米氣候生產潛力總體表現(xiàn)出負效應，氣候生產潛力的平均降速分別為1.81、2.35和8.66 kg·hm·a。從地區(qū)分布(圖13)看，太陽輻射變化對天祝、白銀、定西和甘南部分地區(qū)春小麥氣候生產潛力產生正效應，氣候生產潛力最大增速為7.74 kg·hm·a；對其他地區(qū)多產生負效應，氣候生產潛力最大降速為10.84 kg·hm·a。太陽輻射變化對清水和慶陽大部分地區(qū)冬小麥氣候生產潛力具有正效應，氣候生產潛力最大增速為4.17 kg·hm·a；在其他地區(qū)多表現(xiàn)為負效應，氣候生產潛力最大降速為6.57 kg·hm·a。太陽輻射變化對景泰、靖遠、臨洮、東鄉(xiāng)和慶陽北部等地區(qū)春玉米氣候生產潛力表現(xiàn)出正效應，氣候生產潛力最大增速為7.41 kg·hm·a；對該區(qū)域其他地區(qū)多呈現(xiàn)出負效應，氣候生產潛力最大降速為37.27 kg·hm·a。

圖13 輻射資源變化對甘肅農牧交錯帶 氣候生產潛力影響空間分布

2.3.4 氣候變化對甘肅農牧交錯帶氣候生產潛力的影響

1971-2020年，由于甘肅農牧交錯帶作物生育期內氣候的變化，春小麥、冬小麥和春玉米氣候生產潛力總體上均呈增加趨勢，平均增速分別為38.79、45.64和47.36 kg·hm·a。從不同地區(qū)表現(xiàn)(圖14)看，氣候變化對該區(qū)域不同地區(qū)春小麥氣候生產潛力均表現(xiàn)為正效應，其中對蘭州地區(qū)影響最大(平均增速55.89 kg·hm·a)，而對臨夏、定西地區(qū)影響最小(平均增速14.79 kg·hm·a)。氣候變化對不同地區(qū)冬小麥氣候生產潛力也均產生正效應，其中對西峰和正寧地區(qū)的影響最大(平均增速91.77 kg·hm·a)，而對平涼東部地區(qū)影響最小(平均增速14.24 kg·hm·a)；氣候變化對該區(qū)域大部分地區(qū)春玉米氣候生產潛力表現(xiàn)為正效應，其中對天水北部以及平涼地區(qū)影響最大(平均增速107.33 kg·hm·a)，而對臨洮、渭源、靈臺和靖遠春玉米氣候生產潛力產生負效應(最大降速8.04 kg·hm·a)。

圖14 氣候資源變化對甘肅農牧交錯帶 氣候生產潛力影響空間分布

3 討 論

本研究以甘肅農牧交錯帶主要糧食作物春小麥、冬小麥和春玉米為研究對象，基于研究區(qū)45個氣象站1971-2020年逐日氣象數(shù)據和3種糧食作物的生育期資料，利用逐級訂正法計算甘肅農牧交錯帶3種主要糧食作物的生產潛力，該方法已在國內得到了廣泛的應用。前人的研究多基于糧食作物的自然生育期進行計算，但由于甘肅農牧交錯帶地域覆蓋范圍廣、海拔和緯度差異大，甘肅農牧交錯帶不同地區(qū)的降水資源、熱量資源、以及輻射資源差異明顯，造成不同地區(qū)糧食作物的生育期差異顯著，自然生育期和實際生育期有一定的偏差。因此本研究利用研究區(qū)春小麥和春玉米的實際生育期計算了甘肅農業(yè)交錯帶3種糧食作物的氣候生產潛力，與前人研究相比具有更高的可靠性。本研究所選用的逐級修訂法雖具有生物學和物理學意義明確等優(yōu)點，但計算結果易受參數(shù)選取的影響，未來糧食作物品種的改變可能導致生產潛力計算結果的偏差。因此，今后的研究因進一步利用田間試驗數(shù)據修訂相關參數(shù)，提高研究結果的準確性。

甘肅農牧交錯帶春小麥、冬小麥和春玉米生育期內平均溫度呈波動向上的變化趨勢，平均每10年分別增溫0.41、0.34和0.32 ℃；平均太陽輻射量均呈下降的變化趨勢，平均每10年下降7.07、20.25和20.80 MJ·m；平均降水量呈波動上升的變化趨勢，平均每10年增加4.98、 12.82和2.37 mm。不同氣候資源變化對甘肅農牧交錯帶春小麥、冬小麥和春玉米氣候生產潛力的影響程度各不相同，由于春小麥、冬小麥和春玉米生育期內的平均溫度適宜于3種糧食作物的生長發(fā)育，研究區(qū)的適當增溫有利于3種糧食作物產量的增加。因此，熱量資源的變化對該地區(qū)春小麥、冬小麥和春玉米氣候生產潛力均產生正效應，且對春玉米的影響最大，其余依次為冬小麥和春小麥。降水是制約甘肅農業(yè)交錯帶糧食產量提高的最主要因素，但隨著該地區(qū)3種糧食作物生育期內降水量的逐漸增加，降水資源的改變對甘肅農牧交錯帶大部分地區(qū)的春小麥和春玉米氣候生產潛力產生正效應，有利于提高該地區(qū)的春小麥和春玉米產量。甘肅農牧交錯帶春小麥、冬小麥和春玉米生育期內的平均輻射量均呈下降的變化趨勢，造成該區(qū)域大部分地區(qū)3種糧食作物的光合生產潛力下降，輻射資源變化對甘肅農牧交錯帶大部分地區(qū)糧食作物氣候生產潛力產生負效應，且對春玉米的影響最大，其余依次為冬小麥和春小麥。總體來看，由于溫度升高、降水量增加彌補了甘肅農牧交錯帶輻射資源下降造成的負面效應，氣候資源變化對甘肅農牧交錯帶大部分地區(qū)春小麥、冬小麥和春玉米氣候生產潛力總體上產生正效應，而受降水量和太陽輻射下降的影響，該地區(qū)定西臨洮、平涼靈臺和白銀靖遠春玉米的氣候生產潛力呈下降趨勢。對于輻射資源變化導致糧食作物生產潛力下降的地區(qū)，應合理設置種植密度、選用光能利用效率更高的糧食作物品種和加強田間管理；對于降水量資源變化導致糧食作物生產潛力下降的地區(qū)，應培育和選用新品種，采用蓄水保墑的耕作措施，從而提高該地區(qū)的糧食生產潛力。

本研究通過對甘肅農牧交錯帶春小麥、冬小麥和春玉米生產潛力的分析，探討氣候變化背景下該地區(qū)主要糧食作物能夠達到的最高產量，分析了熱量資源、輻射資源和降水資源變化對該地區(qū)糧食生產所造成的影響。研究結果可以為甘肅農牧交錯帶不同地區(qū)、不同糧食作物制定合理耕作措施和田間管理技術提供科學依據，以應對氣候變化對該地區(qū)春小麥、冬小麥和春玉米生產產生的影響，實現(xiàn)甘肅農牧交錯帶農業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展。