呼日瓦 范嘉琦 周瑞平 烏英嘎

內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010

0 引言

光、熱等資源是植物生長(zhǎng)不可缺少的因子［1］。當(dāng)外部條件（土壤養(yǎng)分、二氧化碳等）滿足作物生長(zhǎng)的最適條件時(shí)，作物充分利用光、熱等資源獲得的單位面積最高生物學(xué)產(chǎn)量或農(nóng)業(yè)產(chǎn)量即為光溫生產(chǎn)潛力［2］。計(jì)算光溫生產(chǎn)潛力不僅可為當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)，而且可評(píng)估當(dāng)?shù)毓?、熱等資源利用情況。目前，光溫生產(chǎn)潛力的計(jì)算模型主要有兩類(lèi)。一類(lèi)是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其是以試?yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的一種統(tǒng)計(jì)模型，如被中國(guó)廣泛應(yīng)用的逐級(jí)訂正模型［3］（已應(yīng)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(píng)果［7］、內(nèi)蒙古自治區(qū)馬鈴薯［10］等農(nóng)作物的光溫生產(chǎn)潛力計(jì)算），以及AEZ 模型（已用廣西壯族自治區(qū)甘蔗［11］、云南省馬鈴薯［12］、吉林省春玉米［13］等農(nóng)作物光溫生產(chǎn)潛力計(jì)算）。另一類(lèi)是機(jī)理模型，其是應(yīng)用數(shù)學(xué)方法模擬作物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段，解釋作物生理過(guò)程的一種方法［14］，如譚紅等［15］人用美國(guó)的CERES 和CROPGRO 模型集成起來(lái)的DSSAT模型計(jì)算了新疆維吾爾自治區(qū)石河子市的棉花光溫生產(chǎn)潛力，張澤民等［16］人利用荷蘭的WOFOST模型計(jì)算了青藏高原的春小麥光溫生產(chǎn)潛力。

相對(duì)于機(jī)理模型來(lái)說(shuō)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰臄?shù)據(jù)少，且不需要參數(shù)校正，適合小范圍多種作物的光溫生產(chǎn)潛力計(jì)算。2009 年，Lobell 等［17］把產(chǎn)量差定義為特定時(shí)空下潛在產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量的差值。2010 年，F(xiàn)ischer等［18］提出可開(kāi)發(fā)產(chǎn)量差，增加了可獲得產(chǎn)量概念。楊曉光等［19］針對(duì)實(shí)際產(chǎn)量、潛在產(chǎn)量、產(chǎn)量差、相對(duì)產(chǎn)量差等分析了中外學(xué)者對(duì)產(chǎn)量差的定義。2016 年，黃少輝等［20］人提出養(yǎng)分效率差概念，并將產(chǎn)量差和養(yǎng)分效率差進(jìn)行了對(duì)比。增加農(nóng)作物高產(chǎn)潛力和縮減產(chǎn)量差是提高糧食總產(chǎn)量的兩大重要舉措［21］。計(jì)算產(chǎn)量差可以測(cè)算糧食生產(chǎn)開(kāi)發(fā)程度并分析區(qū)域差異，還能指導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考［22-24］。

逐級(jí)訂正模型是對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪M(jìn)一步優(yōu)化，可在光合生產(chǎn)潛力的基礎(chǔ)上，逐級(jí)進(jìn)行溫度和水分訂正而得到最終的作物生產(chǎn)潛力值。該模型使計(jì)算不同地區(qū)作物生產(chǎn)潛力成為可能。因此，筆者應(yīng)用逐級(jí)訂正模型逐日計(jì)算陰山南北麓2010—2020 年主要農(nóng)作物玉米、小麥的光溫生產(chǎn)潛力，并計(jì)算其潛力差，對(duì)今后當(dāng)?shù)睾侠砝霉鉁刭Y源，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，充分發(fā)揮該區(qū)域內(nèi)光溫生產(chǎn)潛力，提高區(qū)域生產(chǎn)力，緩解局部糧食安全問(wèn)題提供一些參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

陰山南北麓地處內(nèi)蒙古自治區(qū)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(gè)旗縣。北麓年日照時(shí)間1 677～3 100 h，年降水量206～386 mm，年蒸發(fā)量1 748～2 300 mm，無(wú)霜期102～121 d；陰山北麓主要農(nóng)作物種植面積約100 萬(wàn)hm2，占陰山北麓總面積的10.51%。南麓年日照時(shí)間2 549～3 203 h，年降水量270～409 mm，年蒸發(fā)量1 750～3 577 mm，無(wú)霜期112～140 d。陰山南北麓屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，素有“十年九旱”之稱(chēng)，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(qū)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。研究區(qū)域農(nóng)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(shù)據(jù)來(lái)源

筆者選取陰山南北麓25 個(gè)氣象站2010—2020 年逐日氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括作物生長(zhǎng)期日平均氣溫和日平均太陽(yáng)輻射量等，玉米、小麥的生育期數(shù)據(jù)來(lái)源于25 個(gè)氣象站測(cè)量結(jié)果。2010—2020 年陰山南北麓玉米、小麥單產(chǎn)資料來(lái)源于實(shí)地調(diào)查與歷年《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 研究方法

筆者采用傳統(tǒng)的環(huán)境因子逐步訂正法計(jì)算光溫生產(chǎn)潛力，即先計(jì)算出光合生產(chǎn)潛力，再進(jìn)行溫度影響的訂正，獲得作物的光溫生產(chǎn)潛力。

2.1 光合生產(chǎn)潛力

光合生產(chǎn)潛力的計(jì)算公式為

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

表1 農(nóng)田各作物光合生產(chǎn)力各參數(shù)意義及取值

2.2 光溫生產(chǎn)潛力

光溫生產(chǎn)潛力的計(jì)算公式為［28］

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

表2 農(nóng)作物不同育期的下限、上限和最適溫度

2.3 數(shù)據(jù)分析

研究數(shù)據(jù)用Excel 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用線性傾向率、slope 趨勢(shì)分析進(jìn)行變化趨勢(shì)分析；空間分布圖通過(guò)GIS的反距離權(quán)重法得到。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)田光溫生產(chǎn)潛力特征分析

由于光溫生產(chǎn)潛力是由光溫條件決定的產(chǎn)量水平［30］，因此，此次研究?jī)H對(duì)太陽(yáng)總輻射量和溫度變化特征進(jìn)行了分析。陰山南北麓25 個(gè)觀測(cè)站2010—2020 年作物生長(zhǎng)期（5—9 月）太陽(yáng)總輻射量最低值出現(xiàn)在2020年（3 180.260 MJ/m2），最高值出現(xiàn)在2017年（3 311.586 MJ/m2），2010—2020 年作物生長(zhǎng)期太陽(yáng)總輻射量浮動(dòng)較大，總體呈上升趨勢(shì)。2010—2020年陰山南北麓作物生長(zhǎng)期平均太陽(yáng)總輻射量為3 232.201 MJ/m2，呈現(xiàn)由東北向西南遞增的趨勢(shì)，東西兩端區(qū)域太陽(yáng)總輻射量差異超過(guò)200 MJ/m2。研究期內(nèi)，陰山南北麓作物生長(zhǎng)期（5—9 月）平均氣溫最低出現(xiàn) 在2015 年（17.12 ℃），最高出現(xiàn)在2017年（18.81 ℃），呈上升趨勢(shì)，這與全球氣候變暖趨勢(shì)相似。2010—2020 年陰山南北麓作物生長(zhǎng)期（5—9 月）平均氣溫為17.87 ℃，呈現(xiàn)由東北向西南遞增的趨勢(shì)，東西兩端區(qū)域平均氣溫差超過(guò)5 ℃。這是主要是因?yàn)閮?nèi)蒙古自治區(qū)東部比西部云雨偏多，且日照時(shí)間較短。陰山南麓平均溫度相對(duì)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(lán)旗平均氣溫最低，為15.8 ℃。

經(jīng)測(cè)算，2010—2020年陰山南北麓25個(gè)氣象觀測(cè)站區(qū)域光溫生產(chǎn)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(chǎn)潛力為11 640～15 738 kg/hm2，總體呈上升趨勢(shì)。陰山南北麓光溫生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)由東北向西南遞增趨勢(shì)，且整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。研究區(qū)域光溫生產(chǎn)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(chǎn)潛力增加趨勢(shì)最明顯，年增加量為91～279 kg/hm2，其主要原因?yàn)殛幧侥媳甭礆鉁卦黾用黠@，作物光合生產(chǎn)潛力增加迅速，而錫林郭勒盟的太陽(yáng)總輻射量及氣溫雖然比其他地方稍低，但整體還是呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì)。其他地區(qū)變化趨勢(shì)不明顯，年增加與減少量在-90～90 kg/hm2浮動(dòng)，無(wú)光溫生產(chǎn)潛力明顯減少地區(qū)。

圖1 陰山南北麓光溫生產(chǎn)潛力

3.2 實(shí)際產(chǎn)量特征分析

經(jīng)查詢，2010—2020年陰山南北麓25個(gè)觀測(cè)站區(qū)域主要農(nóng)作物實(shí)際產(chǎn)量年際變化如圖2 所示，實(shí)際產(chǎn)量最低的是2015年，為4 798 kg/hm2，實(shí)際產(chǎn)量最高的是2010年，為5 721 kg/hm2。陰山南北麓作物產(chǎn)量整體呈現(xiàn)由東北向西南遞增趨勢(shì)。陰山南北麓主要農(nóng)作物2010—2020年實(shí)際產(chǎn)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(shù)旗縣主要農(nóng)作物2010—2020 年實(shí)際單產(chǎn)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(qū)，水資源嚴(yán)重缺乏，其主要農(nóng)作物多種植在旱地，所以農(nóng)作物產(chǎn)量偏低。

圖2 2010—2020年陰山南北麓農(nóng)田實(shí)際單產(chǎn)

3.3 產(chǎn)量差特征分析

2010—2020 年陰山南北麓主要農(nóng)作物光溫生產(chǎn)潛力與實(shí)際產(chǎn)量的產(chǎn)量差年際變化如圖3 所示，產(chǎn)量差最小的是2012 年，為6 600 kg/hm2，產(chǎn)量差最大的是2017 年，為1 0571 kg/hm2。陰山南北麓主要農(nóng)作物光溫產(chǎn)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(shì)，原因是其實(shí)際產(chǎn)量增加趨勢(shì)比光溫生產(chǎn)潛力增加趨勢(shì)快。

圖3 2010—2020年陰山南北麓光溫產(chǎn)量差

通常光溫生產(chǎn)潛力與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力差距較大，原因是光溫生產(chǎn)潛力是理想狀態(tài)下作物的生產(chǎn)力，而現(xiàn)實(shí)中作物實(shí)際產(chǎn)量受到多種因素的影響，除去自然環(huán)境因素和不確定性自然災(zāi)害外，還受復(fù)種指數(shù)、種植結(jié)構(gòu)、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(jié)論與討論

2010—2020 年，陰山南北麓作物生長(zhǎng)期太陽(yáng)總輻射量在時(shí)間上呈上升趨勢(shì)，空間上表現(xiàn)為由西向東遞減，氣溫在時(shí)間上呈上升趨勢(shì)，空間分布上表現(xiàn)為陰山南麓普遍高于陰山北麓。這主要是因?yàn)閮?nèi)蒙古自治區(qū)東部比西部云雨偏多、日照時(shí)間較短，所以作物生長(zhǎng)期太陽(yáng)總輻射量相對(duì)較少。2010—2020 年陰山南北麓主要農(nóng)作物光溫生產(chǎn)潛力在時(shí)間上呈上升趨勢(shì)，在空間分布上由西南向東北逐漸遞減，全區(qū)域光溫生產(chǎn)潛力普遍呈增加趨勢(shì)，這是由于光溫生產(chǎn)潛力受太陽(yáng)總輻射量與氣溫的影響，與其呈正相關(guān)性，隨著太陽(yáng)總輻射量和氣溫的上升，光溫生產(chǎn)潛力也會(huì)隨之上升。由于所調(diào)查的年份只有2010—2020 年的，所以計(jì)算出來(lái)的趨勢(shì)只是一段時(shí)間的趨勢(shì)，不能說(shuō)明整體的趨勢(shì)，因此筆者今后將做進(jìn)一步調(diào)查。

2010—2020 年陰山南北麓東部農(nóng)田實(shí)際單產(chǎn)較低，時(shí)間上呈遞減趨勢(shì)，空間分布上西高東低，與其部分區(qū)域地理環(huán)境與人文因素有關(guān)，從而降低了整體生產(chǎn)水平。陰山南北麓光溫生產(chǎn)差時(shí)間上呈上升趨勢(shì)，空間分布上由東向西遞減，陰山南北麓光溫生產(chǎn)潛力和實(shí)際產(chǎn)量的產(chǎn)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(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（總產(chǎn)量差）呈明顯的經(jīng)向和緯向分布，即由南向北遞減、由西向東遞減的研究結(jié)果一致。因此，要想達(dá)到增產(chǎn)目的，農(nóng)戶須從影響農(nóng)作物的內(nèi)部因素和外部環(huán)境兩個(gè)方面著手。其中，內(nèi)部因素主要考慮作物品種，外部環(huán)境主要指改善生產(chǎn)條件一方面是解決水分、土壤等因素的限制問(wèn)題，另一方面是改進(jìn)栽培方式和技術(shù)，最大限度降低各種不利因素帶來(lái)的影響，從而提高作物產(chǎn)量。