黑龙江省作物气候生产潜力估算

杨重一，庞士力，孙彦坤

（1.辽宁省桓仁县林业局，辽宁 桓仁 117200；2.辽宁省桓仁县环保局，辽宁 桓仁 117200；3.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

近年来，随着人口剧增、耕地锐减和环境退化，粮食生产显得日益迫切，成为农业可持续发展的重要因素。在诸多影响作物产量的因子中，气候对农业产生巨大的影响，气候变化如极端气候事件频率的变化，使农业面临严峻的挑战。因此建立农作物和气候因子相联系的模型和方法估算农作物产量对于探讨气候变化对农业的影响，尤其是对主要农作物产量的影响显得尤为重要[1-4]。

黑龙江省处于我国最北部。其土地资源丰富，具有发展农业生产的良好自然条件，世界仅存三大黑土带之一位于其中，土质肥沃，水源充足，耕地连片，地势平坦，适合机械化作业，并且是全国耕地最多的省份，是我国重要的商品粮基地。

黑龙江省目前种植面积最多的有玉米、大豆和水稻。但由于全省南北跨越10个纬度，热量条件差别很大，各类型的品种存在明显的北界和垂直分布界限。

1 材料与方法

众多学者已从不同层次，不同角度对农业气候生产潜力进行了研究，总结出大量有价值的估算方法，其中机制法（潜力递减法）由于其物理意义清晰，因果关系明确，目前应用最为广泛[5]。

式中，YW-气候生产潜力（kg·hm-2）；Q-5～9月太阳总辐射（MJ·m-2）；f（Q）-光合有效系数；YQ-光合生产潜力（kg·hm-2）；f（T）-温度有效系数；YT-光温生产潜力（kg·hm-2）；f（W）-水分有效系数。

1.1 光合生产潜力

式中，C-单位换算系数；YQ-单位面积光合生产潜力（kg·hm-2），∑Qi-生长季各月总辐射量（MJ·m-2），其他参数的意义和取值参照马树庆等[6]。结果见表1。

表1 计算光合生产潜力各参数的意义及取值Table 1 Meaning and value of photosynthesis productivity potential

1.2 光温生产潜力

式中，B=（T2-T0）/（T0-T1），T-5～9月各月的平均气温，作物生育期三基点温度：T1-下限温度（℃），T2-上限温度（℃），T0-最适温度（℃）。

1.3 气候生产潜力

式中，ΔWj=Rj-Wj，Wj=Ej·αj，Rj-5～9月各月平均降水量（mm）；Wj-某时期、某作物的需水量（mm）；k-经验参数，当ΔWj≥2 mm时，农田水分过多，k=Wj/Rj；ΔWj＜2 mm时，降水适中或偏少，k=1；Ej-蒸发势月合计值（mm），计算公式采用国内学者进行风速修正后的简便算法[7]。

T-平均气温（℃）；f-相对湿度（%）；u-风速（m·s-1）；αj-作物不同时期的作物系数。

因水田以水利灌溉为前提，故这项分析只考虑旱田作物玉米和大豆，但灌溉用水也受到降水的影响，水田供水也很难达到100%满足水稻要求。一般认为，在目前的生产条件下，水田供水满足程度约为92%[8]。

1.4 气候生产潜力相对变率指标

1.5 气候生产潜力变异系数指标

资料为黑龙江省所属75个县市气象站点自建站至2006年5～9月月平均辐射量、月平均温度、月平均降水、月平均相对湿度和风速。

2 结果与分析

由于太阳辐射的逐年变化并不明显，故本文分析只考虑温度和降水对气候生产潜力的影响。

2.1 光温生产潜力空间分布

根据公式（1）～（4），计算得到三种作物（玉米、水稻、大豆）的光温生产潜力，图1为在GIS支持下作出的玉米光温生产潜力分布图。从温度订正系数及图中光温生产潜力分布可以看出黑龙江省的光温生产潜力主要与温度的空间分布有关，自南向北逐渐降低并呈带状分布。泰来、杜蒙、肇源、齐齐哈尔、肇州是光温生产潜力较高的地区，漠河、塔河、伊春、黑河、孙吴、呼玛是光温生产潜力较低的地区，与平均温度的高值区和低值区的分布大致相同。玉米、水稻和大豆的光温生产潜力最高值分别为25 973、22 155和7 357 kg·hm-2，最低值分别为 3 780、306 和 1 298 kg·hm-2。

2.2 气候生产潜力空间分布

由于本文将水稻的水分有效系数定为0.92，因此水稻的气候生产潜力分布与光温潜力分布空间形式一致，只是数量有所衰减。根据公式（5）～（7），得出玉米和大豆的气候生产潜力值，并在GIS支持下作图2。如图所示，玉米气候生产潜力较高的地区为泰来、呼兰、宾县、肇源、阿城、和肇洲等。较低的地区为漠河、塔河、孙吴、五大连池、伊春、和绥芬河等。大豆气候生产潜力较高的地区也为泰来、呼兰、五常、双城、阿城、宾县等。较低的地区为漠河、塔河、杜蒙、五大连池、孙吴、伊春和嫩江。杜蒙、龙江、齐齐哈尔虽然是光温生产潜力较高的地区，但由于作物生长季降水量较少，水分有效系数较小，导致气候生产潜力下降较多，成为气候生产潜力较低的地区，这说明了水分是限制黑龙江省作物生产潜力发挥的重要因素。

图1 玉米光温生产潜力分布Fig.1 Space distribution of maize photosynthesistemperature potential productivities

图2 玉米气候生产潜力分布Fig.2 Space distribution of maize climatic potential productivities

由于黑龙江省地域广大，各地温度条件差异很大，生育期温度对作物气候生产潜力的影响有较大差异，因此，光温潜力在各地的差异很大。玉米、水稻，大豆光温潜力的标准差分别为3 565、3 514和969 kg·hm-2，甚至水稻最高值是最低值的72.43倍。由于降水条件的影响，黑龙江省作物气候生产潜力的地域差异也很大。三种作物中大豆的地域差异是最小的，其次为玉米，水稻的光温生产潜力地域差异最大，对温度反映最为敏感，但由于将水分有效系数定为0.92，所以气候生产潜力的地域变化与光温生产潜力保持一致。

2.3 气候生产潜力动态变化指标

2.3.1 气候生产潜力变率

根据公式（8）得出三种作物的气候生产潜力变率，其分布的大致特点是气候生产潜力越大的地方，变率越小；气候生产潜力越小的地方，变率越大。玉米气候生产潜力变率的低值区为海林（11.76%）、呼兰（12.22%）、林口（12.79%）、双城（12.86%），穆棱（12.95%）；水稻气候生产潜力变率的低值区为杜蒙（4.90%）、泰来（4.95%）、肇州（5.31%）、安达（5.70%）和肇东；大豆的低值区为海林（10.93%）、林口（11.58%）、宁安（12.17%）、呼兰（12.22%）和穆棱（12.48%）。这些地区作物气候生产潜力年季变化小，出现高产年或低产年的可能性小。三种作物气候生产潜力变率高值区分别为玉米：克山（20.33%）、呼吗（20.97%）、孙吴（21.12%）；水稻：孙吴（25.16%）、绥滨（33.62%）、肇源（60.05%）；大豆：孙吴（20.23%）、克山（20.45%）、杜蒙（20.70%）。这些地区作物气候生产潜力年季变化大，出现高产年或低产年的可能性大。

2.3.2 气候生产潜力变异系数

根据公式（9）得出三种作物的气候生产潜力变异系数。温度和降水量的不稳定是引起气候生产潜力不稳定的重要因素，在黑龙江省包括哈尔滨所属各县市，绥化中部和东南部地区热量资源丰富，又为半湿润地区，水热条件配合较好，为稳定区；西南部地区热量资源很好，水分却严重不足，所以虽然产量低但稳定性也很高；包括牡丹江及绥化西部和南部地区由于降水，其稳定性稍低；而包括整个大，小兴安岭的北部地区虽然水分条件好，但热量资源的不丰富使得此地气候生产潜力稳定性很差。

低值区为玉米：海林（0.15）、鸡西（0.16）、桦川（0.16）、呼兰（0.16）、穆棱（0.16）；水稻：泰来（0.06）、杜蒙（0.06）、肇州（0.07）、安达（0.08）、东宁（0.08）；大豆：海林（0.14）、林口（0.15）、穆棱（0.15）、呼兰（0.16）、桦川（0.16）。这些地区作物气候生产潜力稳定性好。高值区为玉米：绥芬河（0.26）、孙吴（0.27）、克山（0.28）；水稻：孙吴（0.33）、绥滨（0.37）、肇源（0.62）；大豆：孙吴（0.26）、杜蒙（0.26）、克山（0.29）。这些地区的作物气候生产潜力的稳定性差。

3 讨论与结论

a.由于黑龙江省由于南北跨度大，各地光温潜力差异较大，且从北到南呈增加趋势。玉米、水稻和大豆的光温生产潜力最高值分别为25 973、22 155和7 357 kg·hm-2，最低值分别为3 780、306和1 298 kg·hm-2；光温潜力的地区差异大豆＜玉米＜水稻。

b.对于玉米和大豆而言，由于各地作物生育期内降水的地带性分布，使得各地气候生产潜力也具有较大差异，玉米和大豆的气候生产潜力最高值分别为14 893和4 115 kg·hm-2，最低值分别为2 267和779 kg·hm-2；水稻由于灌溉，气候生产潜力分布一般与光温生产潜力分布一致。

c.气候生产潜力越大的地方，变率越小；气候生产潜力越小的地方，变率越大。温度和降水量的不稳定是引起气候生产潜力不稳定的重要因素，哈尔滨所属各县市，绥化中部和东南部地区水热条件配合较好，为稳定区；西南部地区热量资源很好，水分却严重不足，所以虽然潜力较低但稳定性也很高；牡丹江及绥化西部和南部地区由于降水变率大，其稳定性稍低；而整个大、小兴安岭的北部地区虽然水分条件好，但热量资源的不丰富使得气候生产潜力稳定性很差。

[1]党安荣,阎守邕,吴宏歧,等.基于GIS的中国土地生产潜力研究[J].生态学报,2000,20(6):910-915.

[2]黄秉维.自然条件与作物生产-光合潜力[M].北京:中国农业科学院情报所,1978.

[3]雷国平,韩伟.黑龙江区域农用地自然生产潜力趋势面分析[J].东北农业大学学报,2001,32(3):295-298.

[4]杨重一,庞士力,孙彦坤.作物生产潜力研究现状与趋势[J].东北农业大学学报,2008,39(7):140-144.

[5]李三爱,居辉,池宝亮.作物生产潜力研究进展[J].中国农业气象,2005,26(2):106-111.

[6]马树庆.吉林省农业气候研究[M].北京:北京气象出版社,1996.

[7]李春云,姜秀萍.蒸发势的一种计算方法[J].内蒙古气象,2000(1):27-29.

[8]王宗明,张柏,张树清,等.松嫩平原农业气候生产潜力及自然资源利用率研究[J].中国农业气象,2005,26(1):1-6.