賀付偉

（商丘市氣象局，河南 商丘 476000）

氣候變化引起的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件改變，不僅直接影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成，對品種布局、種植制度以及生產(chǎn)潛力都會產(chǎn)生重要影響，對中國保障糧食安全也形成了挑戰(zhàn)［1］。隨著全球糧食安全問題日益突出，穩(wěn)定并提高作物單產(chǎn)，縮小潛在產(chǎn)量和實際產(chǎn)量之間的差距成為解決這一問題的重要途徑，產(chǎn)量差研究也逐漸深入，研究作物產(chǎn)量差對糧食產(chǎn)量的提升，保障糧食安全具有重要意義［2，3］。產(chǎn)量差是指作物上限和實際產(chǎn)量之間的差距，由于研究目的和研究尺度不同，不同學者對上限產(chǎn)量的認識和劃分也不盡相同［4，5］。已有研究中，常用的上限產(chǎn)量主要有光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力、試驗站產(chǎn)量、農(nóng)戶最高產(chǎn)量、產(chǎn)量由低到高排序后第90%或95%序位的產(chǎn)量等，其中，光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力可通過經(jīng)驗公式或作物模型模擬得到［6］。灌溉農(nóng)業(yè)一般以光溫生產(chǎn)潛力作為上限產(chǎn)量，而雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)多以氣候生產(chǎn)潛力作為上限產(chǎn)量。

馬鈴薯是重要的糧菜兼用和工業(yè)原料作物，具有營養(yǎng)全面、耐旱、耐寒、耐貧瘠的特點，適應范圍廣，增產(chǎn)空間大，且與小麥、水稻等糧食作物相比水肥等資源利用率更高。利用部分旱地和冬閑田種植馬鈴薯避免了與傳統(tǒng)糧食作物爭地的矛盾，并且冬閑田馬鈴薯不僅延長了馬鈴薯的供應周期，也提高了土地利用率和農(nóng)民收入。當前，國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，3/4 的馬鈴薯產(chǎn)自國家級貧困縣區(qū)，馬鈴薯生產(chǎn)已成為貧困地區(qū)農(nóng)民脫貧致富奔小康的一條主要途徑，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)也已成為促進貧困地區(qū)農(nóng)民增收和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱性產(chǎn)業(yè)之一。近年來，立足中國資源稟賦和糧食供求形勢，順應居民消費升級的新趨勢，國家不斷強化政策支持，積極推進馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，當前中國馬鈴薯播種面積超過533.33萬hm2，年產(chǎn)量約為9 000萬t，已成為世界馬鈴薯第一生產(chǎn)大國，種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，且均占世界的1/4［7］。因此，本研究利用1981—2010 年中國馬鈴薯主要種植區(qū)4 個典型站點，采用逐級訂正法分析氣候變化對中國馬鈴薯生產(chǎn)潛力及產(chǎn)量差的影響。

當前作物產(chǎn)量差主要集中在小麥、玉米、水稻。根據(jù)劉?；ǖ龋?］對三大糧食作物產(chǎn)量差的文獻統(tǒng)計結果，共有26 篇文獻、51 組數(shù)據(jù)。小麥的10 組數(shù)據(jù)主要分布在亞州、歐洲和大洋洲；有關玉米的13 篇文獻的22 組數(shù)據(jù)主要分布在亞洲和北美洲以及歐洲和非洲的部分地區(qū)；有關水稻的11 篇文獻20 組數(shù)據(jù)主要分布在亞洲。李克南［8］以華北地區(qū)冬小麥-夏玉米作物生產(chǎn)體系為研究對象，利用APSIM 模型得出華北地區(qū)冬小麥和夏玉米產(chǎn)量差的時空分布特征；Lu 等［9］利用EPIC 模型得出華北平原小麥產(chǎn)量差時空分布特征。Meng 等［10］利用Hybrid-Maize 模型評估和分析4 個玉米種植區(qū)的產(chǎn)量差；Liu 等［11］利用APSIM-Maize 分析了東北地區(qū)玉米的產(chǎn)量差。Minas 等［12］分析了亞太地區(qū)水稻產(chǎn)量差；薛昌穎等［13］利用ORYZA 2000 模型分析了北京市旱稻產(chǎn)量差。而國內(nèi)有關馬鈴薯產(chǎn)量差的研究較少。

為了揭示氣候變化背景下不同區(qū)域馬鈴薯產(chǎn)量限制因素，為馬鈴薯產(chǎn)量的提升提供理論依據(jù)，需要定量解析氣候變化對中國不同區(qū)域馬鈴薯生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量差的影響。在中國馬鈴薯不同種植區(qū)分別選取一個站點，采用逐步訂正法，分析氣候變化對光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力的影響；通過定義光溫-氣候、氣候-實際2 種產(chǎn)量差，進而分析氣候變化對2種產(chǎn)量差的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

根據(jù)氣候狀況和種植制度，中國馬鈴薯種植分為4 個區(qū)（圖1）。①北方一作區(qū)，一年一季，4 月或5月上旬播種，9 月或10 月收獲。②中原二作區(qū)（Ⅱ，一年兩季，第一季在2 月下旬或3 月下旬播種，5 月下旬至6 月中下旬收獲；第二季于8 月播種，11 月收獲。③西南混作區(qū)，在1 000 m 以上，2 000 m 以下的低山江邊河谷地帶，可行春秋兩作，類似于中原二作區(qū)。④南方二作區(qū)，秋播在10 月下旬，12 月末至1月初收獲；冬播在1 月中旬，4 月上中旬收獲［14］。不同種植區(qū)域分別選取一個典型站點，分別是內(nèi)蒙古武川（北方一作區(qū)）、江西樟樹（中原二作區(qū)）、貴州畢節(jié)（西南混作區(qū)）、廣東信宜（南方二作區(qū)）。

圖1 中國馬鈴薯主要種植區(qū)

本研究所用的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象觀測站點1981—2010年的逐日資料，主要包括平均風速（m/s）、日照時數(shù)（h）、平均本站氣壓（hPa）、平均氣溫（℃）、日最高氣溫（℃）、日最低氣溫（℃）、平均水汽壓（kPa）、平均相對濕度、降雨量（mm）。

馬鈴薯實際產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自農(nóng)業(yè)部（現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部）種植業(yè)管理司農(nóng)作物查詢縣級資料，時間序列為1981—2010 年。

1.2 方法

1.2.1 馬鈴薯生產(chǎn)潛力計算方法 作物生產(chǎn)潛力是在一定外界環(huán)境條件下、一定時期內(nèi)單位土地面積上可能獲得的最高產(chǎn)量。從農(nóng)業(yè)氣候資源角度分析，通常計算光能生產(chǎn)潛力（YQ），然后通過溫度訂正得到光溫生產(chǎn)潛力（YT），再進行水分訂正得到氣候生產(chǎn)潛力（YW），具體計算方法如下。

式中，YQ為光能生產(chǎn)潛力（103kg/hm2）；0.219 為黃秉維系數(shù)；C=0.87，為經(jīng)濟系數(shù)；RS為作物生長季內(nèi)太陽總輻射（kJ/cm2）；YT為光溫生產(chǎn)潛力（103kg/hm2）；f（T）為溫度有效系數(shù)；YW為氣候生產(chǎn)潛力（103kg/hm2）；f（W）為水分有效系數(shù)。

總輻射根據(jù)日照時數(shù)計算，具體計算方法如下。

式中，RS為短波輻射［MJ/（m2·d）］；n為實際日照時數(shù)（h）；N為最大可能日照時數(shù)（h）；n/N為相對日照；RA為地球外輻射［MJ/（m2·d）］；aS為回歸常數(shù)，在陰天（n=0）時，表示到達地球表面的地球外輻射的透過系數(shù)；在晴天（n=N）時，aS+bS表示到達地球表面的地球外輻射透過率。aS和bS隨大氣狀況（濕度、塵埃）和太陽傾角（緯度和月份）而變化。當沒有實際的太陽輻射資料和經(jīng)驗參數(shù)可以利用時，推薦使用aS=0.25，bS=0.50［15］。

溫度有效系數(shù)f（T）計算公式如下。

式中，T為某一時段的平均氣溫（℃），TO、TB、TC分別為馬鈴薯生育期的最適溫度（℃）、生長發(fā)育下限溫度（℃）和生長發(fā)育上限溫度（℃），馬鈴薯不同生育階段生長三基點溫度如表1 所示。

表1 馬鈴薯生長三基點溫度 （單位：℃）

水分有效系數(shù)f（W）的計算公式如下。

式中，ETC為作物需水量（mm）；P為作物生育期內(nèi)的降水（mm）；KC為作物需水系數(shù)，就本研究而言，馬鈴薯不同生育階段需水系數(shù)分別為始期0.45、中期0.80、后期1.10、末期0.80；ETO為作物參考蒸散量，由Penman—Monteith 公式計算所得［16］；各個站點馬鈴薯不同生育階段的生長期如表2 所示。

表2 不同站點馬鈴薯不同生育階段的生長期（單位：d）

1.2.2 馬鈴薯產(chǎn)量差計算方法 本研究定義2 種類型的產(chǎn)量差，一是光溫生產(chǎn)潛力與氣候生產(chǎn)潛力之間的差值，反映水分對馬鈴薯生產(chǎn)的限制程度；二是氣候生產(chǎn)潛力與實際產(chǎn)量之間的差值，反映了管理措施對馬鈴薯生產(chǎn)的限制。

式中，ΔYT表示光溫生產(chǎn)潛力與氣候生產(chǎn)潛力之間的產(chǎn)量差；ΔYW表示氣候生產(chǎn)潛力與實際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差；YT是馬鈴薯光溫生產(chǎn)潛力；YW是氣候生產(chǎn)潛力；YA是實際產(chǎn)量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 生產(chǎn)潛力及產(chǎn)量差的時間變化采取最小二乘法計算線性傾向率。利用數(shù)據(jù)序列（生產(chǎn)潛力或產(chǎn)量差）與時間序列（年份）的相關系數(shù)進行顯著性檢驗，通過α=0.05 顯著性檢驗，表示變化趨勢顯著；通過α=0.01 顯著性檢驗，表示變化趨勢極顯著［15］。

2 結果與分析

2.1 氣候變化對光溫生產(chǎn)潛力的影響

北方一作區(qū)馬鈴薯1981—2010 年光溫生產(chǎn)潛力為30 000～44 000 kg/hm2，呈下降趨勢，平均每10年下降536.0 kg/hm2；中原二作區(qū)馬鈴薯光溫生產(chǎn)潛力為22 000～30 000 kg/hm2，平均每10 年下降178.7 kg/hm2，但趨勢不顯著；西南混作區(qū)馬鈴薯光溫生產(chǎn)潛力為21 000～33 000 kg/hm2，呈顯著上升趨勢，平均每10 年增加1 153.6 kg/hm2。南方二作區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)潛力為14 000～19 000 kg/hm2，呈上升趨勢，平均每10 年增加396.6 kg/hm2（圖2）。

圖2 不同種植區(qū)馬鈴薯光溫生產(chǎn)潛力

2.2 氣候變化對氣候生產(chǎn)潛力的影響

北方一作區(qū)馬鈴薯1981—2010 年氣候生產(chǎn)潛力為5 000～12 000 kg/hm2，呈極顯著下降趨勢，平均每10 年下降877.8 kg/hm2；中原二作區(qū)馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力為4 000～10 000 kg/hm2，平均每10 年下降567.5 kg/hm2，呈顯著下降趨勢；西南混作區(qū)馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力為5 000～11 000 kg/hm2，呈極顯著下降趨勢，平均每10 年下降733.5 kg/hm2。南方二作區(qū)馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力為1 200～4 300 kg/hm2，呈顯著下降趨勢，平均每10 年下降298.6 kg/hm2（圖3）。

圖3 不同種植區(qū)馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力

2.3 氣候變化對馬鈴薯產(chǎn)量差的影響

2.3.1 光溫-氣候產(chǎn)量差 北方一作區(qū)馬鈴薯1981—2010年光溫-氣候產(chǎn)量差為26 000～37 000 kg/hm2，呈上升趨勢，平均每10 年增加341.9 kg/hm2；中原二作區(qū)馬鈴薯光溫-氣候產(chǎn)量差為15 000～23 000 kg/hm2，平均每10年增加388.8 kg/hm2，但趨勢不顯著；西南混作區(qū)馬鈴薯光溫-氣候產(chǎn)量差為11 000～27 000 kg/hm2，呈極顯著上升趨勢，平均每10年增加1 887.1 kg/hm2。南方二作區(qū)馬鈴薯光溫-氣候產(chǎn)量差為11 000～18 000 kg/hm2，呈顯著上升趨勢，平均每10 年增加695.2 kg/hm2（圖4）。

圖4 不同種植區(qū)馬鈴薯光溫-氣候產(chǎn)量差

2.3.2 氣候潛力-實際產(chǎn)量差值 北方一作區(qū)馬鈴薯1981—2010 年氣候生產(chǎn)潛力-實際產(chǎn)量差值為2 300～9 000 kg/hm2，呈極顯著下降趨勢，平均每10年下降1 175.2 kg/hm2；中原二作區(qū)馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力-實際產(chǎn)量差值為-2 700～5 000 kg/hm2，平均每10 年下降675.0 kg/hm2，呈顯著下降趨勢；西南混作區(qū)馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力-實際產(chǎn)量差值為2 000～10 000 kg/hm2，呈極顯著下降趨勢，平均每10 年下降1 233.6 kg/hm2。南方二作區(qū)馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力-實際產(chǎn)量差值為-3 700～1 400 kg/hm2，呈極顯著下降趨勢，平均每10 年下降1 105.4 kg/hm2（圖5）。

3 小結

3.1 不同區(qū)域馬鈴薯光溫生產(chǎn)潛力變化趨勢

北方一作區(qū)光溫生產(chǎn)潛力最高，其次是中原二作區(qū)和西南混作區(qū)光溫生產(chǎn)潛力接近，南方二作區(qū)光溫生產(chǎn)潛力最低。北方一作區(qū)和中原二作區(qū)光溫生產(chǎn)潛力呈不顯著下降趨勢，西南混作區(qū)呈顯著上升趨勢，南方二作區(qū)呈不顯著上升趨勢。

3.2 不同區(qū)域馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力變化趨勢

北方一作區(qū)、中原二作區(qū)和西南混作區(qū)氣候生產(chǎn)潛力較為接近，為4 000～12 000 kg/hm2，南方二作區(qū)則較小，僅為1 200～4 300 kg/hm2。4 個區(qū)域都達到了顯著下降趨勢。

3.3 不同區(qū)域馬鈴薯產(chǎn)量差的變化趨勢及限制因子對馬鈴薯生產(chǎn)的限制程度

馬鈴薯北方一作區(qū)光溫-氣候產(chǎn)量差最大，為2 300～9 000 kg/hm2；其次是中原二作區(qū)和西南混作區(qū)，為11 000～27 000 kg/hm2；最小是南方二作區(qū)，僅為11 000～18 000 kg/hm2。通過光溫-氣候產(chǎn)量差可以得出水分限制對北方一作區(qū)產(chǎn)量差的影響最大，產(chǎn)量通過提高灌溉措施可提升的空間較大，其他區(qū)域也有很大提升的空間。

馬鈴薯氣候潛力-實際產(chǎn)量差值北方一作區(qū)和西南混作區(qū)較為接近，為2 000～10 000 kg/hm2，其次是中原二作區(qū)，南方二作區(qū)最小。由氣候潛力-實際產(chǎn)量差值可以得出北方一作區(qū)和西南混作區(qū)還沒有達到氣候生產(chǎn)潛力的上限，在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)還可通過除灌溉外的其他管理措施提高產(chǎn)量，降低產(chǎn)量差。中原二作區(qū)和南方二作區(qū)出現(xiàn)了氣候-實際產(chǎn)量差值小于0 的情況，說明這2 個區(qū)域?qū)嶋H產(chǎn)量已經(jīng)達到甚至超過了氣候生產(chǎn)潛力（雨養(yǎng)產(chǎn)量）上限，在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)除灌溉外的其他管理措施產(chǎn)量提升空間不大。

4 討論

4.1 逐級訂正法的應用

逐級訂正法又稱機制法，以作物生長動態(tài)統(tǒng)計模型為基礎，綜合考慮光、溫、水等影響作物生長的自然生態(tài)因子，對光合產(chǎn)量潛力逐步進行溫度訂正和水分訂正來計算作物各級產(chǎn)量潛力。該方法物理意義清晰，機理以及因果關系明確，是應用廣泛的產(chǎn)量潛力研究方法。廉麗姝等［17］、王曉煜等［18］曾使用該模型研究東北三省的主要糧食作物的產(chǎn)量潛力，余衛(wèi)東等［19］曾使用該模型研究河南省夏玉米生產(chǎn)潛力及產(chǎn)量差時空變化特征，使用該方法研究馬鈴薯也是可行的。本研究采用逐級訂正法計算氣候生產(chǎn)潛力時未考慮實際灌溉對氣候生產(chǎn)潛力的影響，僅考慮實際降水的數(shù)據(jù)，所以計算的氣候生產(chǎn)潛力實際是雨養(yǎng)產(chǎn)量，通過計算氣候-光溫產(chǎn)量差得出灌溉對馬鈴薯增產(chǎn)的影響。計算氣候潛力-實際產(chǎn)量差值可以得出馬鈴薯的實際產(chǎn)量與其雨養(yǎng)產(chǎn)量的大小關系，探討在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)馬鈴薯增產(chǎn)空間。

4.2 不同區(qū)域生產(chǎn)潛力和生產(chǎn)潛力產(chǎn)量差變化趨勢的差別及原因

馬鈴薯的光溫生長潛力受生育期內(nèi)的太陽輻射量和平均溫度的影響，氣候生產(chǎn)潛力主要受生長季內(nèi)光、溫、降水的影響，而實際產(chǎn)量的影響除了受以上因素的影響外，還受栽培措施、土壤、灌溉、種源的影響。光溫-氣候產(chǎn)量差4 個區(qū)域都呈上升趨勢，其中西南混作區(qū)呈極顯著上升趨勢，南方二作區(qū)呈顯著上升趨勢，得出水分因素對馬鈴薯增產(chǎn)起著越來越重要的作用；氣候潛力-實際產(chǎn)量差值4 個區(qū)域都達到了顯著下降水平，說明馬鈴薯已經(jīng)逐漸達到甚至超過馬鈴薯的氣候生產(chǎn)潛力（雨養(yǎng)產(chǎn)量），這些地區(qū)在雨養(yǎng)條件下除了灌溉以外，其他管理措施對于產(chǎn)量的提升作用不大。

4.3 對比分析

蔡承智［20］基于AEZ 模型認為中國馬鈴薯產(chǎn)量的最高產(chǎn)量潛力大約是目前產(chǎn)量的2～3 倍，這與本研究馬鈴薯產(chǎn)量還存在很大增產(chǎn)空間的論點一致。周磊等［21］認為在北方地區(qū)的大部分省份，降水是這些地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量的關鍵因素，這與本研究北方一作區(qū)光溫-氣候產(chǎn)量差較大，水分限制對北方一作區(qū)產(chǎn)量差影響最大一致。