内蒙古春玉米气候适宜度变化特征及评价指标

越 昆，武荣盛，桑 婧, 姜少杰

(内蒙古自治区生态与农业气象中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

近些年气温逐步升高，不仅影响了作物产量[1]，还改变了气象灾害发生频率。发展中国家应对灾害能力偏弱，研究表明2006—2016年发展中国家的农业气候灾害所造成的损失约占灾害总量的26%[2]，所以了解气候变化背景下气候因子的变化对农业生产带来的影响有着至关重要的意义。气候适宜度是用模糊数学中隶属函数的方法把气温、降水和日照等气候因子数量化，用于评价作物生长发育气候适宜程度。从20世纪80年代初气候适宜度的概念开始起步发展[3]到现如今进入应用阶段，不仅在模型算法上有许多改进[4-8]，研究对象也逐渐扩展[9-11]。气候适宜度的研究成果主要应用于作物产量预报[12-14]、气候风险评估[15]、作物发育期预报[16-17]等方面，也有研究使用区域气候模型输出的未来情景模式数据分析气候变化背景下作物适应能力及品种布局[18-19]。

玉米作为我国第一大粮食作物，是生产和增产潜力最大的粮食作物，也是生产成本下降空间和消费需求空间最大的大宗作物[20]。根据2019年国家统计局统计数据显示，玉米是内蒙古第一大粮食产物，总产量约占全国玉米总产量的10%，所以研究内蒙古玉米种植生产的主要气候限制因子及影响程度有助于保障粮食安全和农业生产定量评价。目前，对于内蒙古玉米气候适宜度的研究多局限于部分地区，或因研究时间较短不足以评价其气候特性，本文在以往研究和实际应用的基础上计算1981—2018年内蒙古玉米气候适宜度，分析其时空变化特征并划定评价指标，为玉米生产管理、定量评价和决策部署提供依据。

1 材料与方法

1.1 气候适宜度

1.1.1 温度适宜度 玉米温度适宜度是指玉米各生长发育阶段内的气温对玉米生长适宜程度的度量，其值在0～1之间。

(1)

式中，F(T)为春玉米的气温适宜度，T为实际温度，T0为玉米生长最适气温，Tb为玉米生长最低气温下限，Tm为玉米生长最高气温上限，当发育期不同时，最适温度、最低温度和最高温度的指标也有相应的变化。B为常数，由各生育期三基点温度计算得出。

本文通过2012—2013年在内蒙古河套灌区的分期播种试验得出不同生育期三基点指标体系(表1)。

表1 春玉米各生育期温度指标界限值

1.1.2 降水适宜度 玉米的降水适宜是指玉米各生长发育阶段内的降水对玉米适宜程度的度量，其值在0～1之间。

(2)

式中，F(R)为玉米的降水适宜度，R为实际累计降水量，Rb为轻旱降水量指标，Rm为轻涝降水量指标。

Rb=0.7×R0
Rm=1.3×R0

(3)

其中，R0为春玉米需水量，本研究总需水量选取480 mm[21]，通过降水模系数分配到各个生育期[22](表2)。内蒙古河套灌区和西辽河灌区灌溉条件较好，本文在降水适宜度计算时，将其降水适宜度设置为1，进行综合适宜度计算时上述地区降水适宜度权重有所降低。

表2 春玉米各生育期需水量

1.1.3 日照适宜度 玉米的日照适宜度是指玉米各生长发育阶段内的日照时数对玉米生长适宜程度的度量，其值在0～1之间。

(4)

式中，F(S)为玉米的日照适宜度，S为实际日照时数，S0为适宜日照时数，b为常数，S0和b同样是根据2012—2013年在内蒙古河套灌区的分期播种试验得出，二者随发育期变化而变化(表3)。

表3 春玉米各生育期适宜日照时数下限值和常数

1.1.4 春玉米气候综合适宜度

F(C)i=b(T)iF(T)i+b(R)iF(R)i+b(S)iF(S)i

(5)

式中，F(C)i、F(T)i、F(R)i和F(S)i分别为第i生育期的气候适宜度、温度适宜度、降水适宜度和日照适宜度，i=1、2、3、4、5，分别对应播种～出苗期、出苗～拔节期、拔节～抽雄期、抽雄～乳熟期和乳熟～成熟期。b(T)i、b(R)i和b(S)i分别为第i生育期的气温适宜度权重系数、降水适宜度权重系数和日照适宜度权重系数(表4)，权重系数采用通径分析法进行确定[23]。

(6)

式中，F(C)为整个生育期的综合适宜度，F(C)i为第i生育期的气候适宜度，由(5)式计算得出，b(j)i为第i生育期对整个生育期的贡献度，即权重系数(表4)。

表4 春玉米各生育期权重系数

1.2 气候适宜度变异率

气候适宜度变异率是表示气候适宜度稳定程度的物理量，变异率越大，说明所选时段或地区的气候适宜度变化大，反之气候适宜度变化小。

对参加“2018年江苏省定向锦标赛暨江苏定向邀请赛”中的带队教练和教师进行本课题相关的专题访谈，为研究的内容分析和逻辑论证提供理论支持。

1.3 综合适宜度评价指标

本文的气候适宜度指标划分采用数学统计的方法，选取与气候统计相同的30 a，即1981—2010年的年气候综合适宜度，并对其值大小按升序进行排序，将排序中的前20%定为不适宜值，后20%为适宜值，中间的60%为较适宜值[24]。将全区根据生态区域划分为8个不同的区域：大兴安岭南麓区、大兴安岭北麓区、西辽河灌区、燕山丘陵区、阴山南麓区、阴山北麓区、河套灌区和非典型农区，最终得出不同区域的评价指标。

2 结果与讨论

2.1 气温、降水、光照和综合适宜度空间分布特征

从图1中的气温适宜度区域分布来看，内蒙古西部和东南部地区气候适宜度均大于0.8，高于全区0.76的平均水平；东北部、兴安盟阿尔山地区和乌兰察布市中部部分地区适宜度小于0.5，远低于平均水平，为气温适宜度较差区域。除去灌区，其余地区降水适宜度均不高于0.65，中西部非典型农区(阿拉善盟、乌海市、巴彦淖尔市北部部分地区、鄂尔多斯市西北部部分地区、包头市北部和锡林郭勒盟西北部)的降水适宜度均低于全区0.55的均值，中部偏南和东部大部地区降水适宜度在0.5～0.6之间，呼伦贝尔市东北部地区在0.6～0.65之间。全区日照适宜度在0.7～0.98之间，由东北向西递增，全区均值为0.89，从全生育期角度来看日照不是内蒙古地区玉米生长的限制因子。综合适宜度较高的区域为河套灌区和西辽河灌区，由于该地区光温适宜且灌溉条件良好，所以综合适宜度在0.92～0.96之间，阿拉善盟西北部、呼伦贝尔市北部和兴安盟阿尔山地区综合适宜度低于0.6，其中阿拉善盟西北部是因为降水适宜度较低，呼伦贝尔市北部和兴安盟阿尔山地区是因为气温适宜度偏低。其余地区的综合气候适宜度在0.61～0.76之间。

2.2 气候适宜度指数年际变化

图2为1981—2018年气温、降水、日照和综合气候适宜度的年际变化，其中日照适宜度最高，年际波动范围在0.84～0.95之间，无明显趋势变化。降水适宜度最低，数值在0.45～0.63之间波动且幅度较大。气温适宜度波动范围在0.67～0.86之间，随气候变暖，作为喜温作物的玉米气温适宜度明显呈上升趋势。综合气候适宜度呈缓慢上升趋势，范围在0.67～0.76之间。

2.3 气候适宜度相对变异率

气候适宜度的变异率可表征气候适宜度的稳定程度，数值由大到小表示该地区适宜度更趋近于稳定，即年际变化较小。由图3可见，日照变异率相对稳定，全区大部分地区低于10%，中西部大部地区低于6%，东部区东南部、东北部部分地区及兴安盟阿尔山地区在10%～15%之间，年际浮动相比其他区域略高。降水适宜度的变异率的浮动范围最大，除灌区较为稳定外，非典型农区在20%～54%之间，其余大部分地区在10%～20%之间。气温适宜度变异率在中部偏中南部部分地区、东北部地区和兴安盟阿尔山地区数值大于14%，较为不稳定。综合气候适宜的变异率大部地区低于6%，年际变化较小。

2.4 气候适宜度气候倾向率

图4为内蒙古春玉米全生育期气候适宜度气候倾向率分布图，表示综合、气温、降水和日照适宜度近40 a的趋势变化。综合适宜度中东部大部地区为增长趋势，西部西南部和中东部局部地区为降低趋势，结合气温、降水和日照适宜度来看，西部西南部综合适宜度的降低是因为该地区气温适宜度的降低(夏季高温胁迫)，中部部分地区和东部东南部是由日照适宜度降低导致，东部南部部分地区是因降水适宜度降低影响，而中东大部地区的增长是因为气温适宜度增加(气候变暖)。除偏西部地区外，全区大部分地区气温适宜度向好发展，阴山北麓偏东和大兴安岭北麓地区增加0.05·10a-1以上。降水适宜度东部大部分地区都呈现减少趋势，其中呼伦贝尔市西部和南部以及兴安盟北部下降程度大于0.02·10a-1。日照适宜度西部大部地区呈减少趋势，东部大部呈增长趋势，其中呼和浩特市、包头市南部、鄂尔多斯市东部和通辽市南部地区减少量大于0.02·10a-1。

2.5 不同发育阶段综合适宜度空间分布特征

内蒙古玉米播种时间由西到东从5月上旬持续到5月下旬，根据农业气象观测站春玉米发育期观测数据对发育期进行划定，结果如表5所示。通过玉米不同发育期气候适宜度来看(图5)，限制因子也有所不同，在播种～出苗期呼伦贝尔市北部、兴安盟西北部和中西部部分地区综合气候适宜度小于0.6，其中呼伦贝尔市北部和兴安盟西北部主要是因为气温适宜度偏低(气温偏低)，中西部偏低地区是因为降水适宜度偏低(降水偏少)，所以在播种～出苗期东北部地区主要需要预防低温及霜冻，中西部地区偏低值区域则需要补水灌溉以保证出苗率。出苗～拔节期综合气候适宜度小于0.6的地区主要出现在西部区，降水量偏少仍旧是导致该地区综合适宜度偏小的原因。进入到拔节～抽雄期，玉米的需水量有所增大，中部偏中北部地区因为降水不足，综合气候适宜度随之下降。进入到抽雄～乳熟期，东北部偏北地区热量条件不足导致综合适宜度下降至0.6以下；中部大部地区因降水量不足，综合适宜度下降0.1左右。到乳熟～成熟期，东部大部地区和中部的东南部地区综合气候适宜度在0.6以下，主要也是受到气温偏低的影响。由此可见，东部偏北地区的主要制约因素是气温因素，而中西部区主要受降水因素的影响。

表5 内蒙古不同区域春玉米发育期时间

2.6 不同生态区的气候适宜度评价指标

内蒙古地形狭长，区域气候条件相差较大，生态类型从东部林海到西部荒漠各不相同，所以本文根据生态类型将内蒙古玉米种植区域分为7个区域进行指标划定，分别为：大兴安岭北麓、大兴安岭南麓、西辽河灌区、燕山丘陵区、阴山北麓、阴山南麓和河套灌区，其他未划分区域为荒漠草原和荒漠，为非典型农区(图6)。划定指标的方法是采用数理统计的方法对30 a(1981—2010年)的综合适宜度进行计算，将数值从大到小排序，将排序中的第6位

(前20%的临界值)定为适宜的下限值，将第25位(后20%的临界值)定为不适宜的上限值，由此将综合气候适宜度评价指标划分为适宜、较适宜和不适宜。气温、降水和日照适宜度的划分方法同上，结果见表6。

表6 不同生态区气候适宜度评价指标

利用近10 a(2008—2017年)内蒙古各区县的春玉米单产数据(来源于内蒙古统计局农业调查总队)对综合适宜度评价指标进行检验(图7)，可见在7个生态分区中，基本趋势是综合气候适宜度为不适宜时产量偏低，综合气候适宜度为适宜时产量偏高。大兴安岭北麓的近10 a的综合气候适宜度没有不适宜的，主要原因是该地区的综合气候适宜度的限制因子是温度适宜度，气候变暖使得温度适宜度上升，综合适宜度得到提升。但可以看到，同一个区域内相同的产量可能有多个等级的对应，例如在大兴安岭南麓产量在6 000 kg·hm-2左右时，有的区县气候适宜度划分为不适宜，有些却划分为适宜，导致这个的原因可能有以下几个方面：(1)虽然将全区分为7个区域，但是每个区域的范围仍旧较大，区域内部的气候条件依然有所不同。(2)农业种植技术和种植品种各区域会有一定不同，且在时间跨度上种植技术在不断改进，种植品种也在变化。(3)非灌区的一些地区如果有井灌条件的，如遇玉米生长关键期缺水也会进行灌溉。

3 结 论

本文通过计算1981—2018年内蒙古玉米气温、降水、日照和综合气候适宜度，分析时空演变规律，发现其不同区域和不同生育期玉米生长的主要限制因子，并为不同生态区域划定适宜度等级，得出如下结论：

(1)内蒙古东北部地区限制玉米种植的主要因素是气温，其余地区主要是降水，所以灌溉条件良好的河套灌区和西辽河灌区是内蒙古玉米种植的最优地区。从变异率角度来看，日照适宜度最稳定，大部地区低于10%，降水适宜度最不稳定，除去灌区大部分农区变异率高于10%。大兴安岭北麓地区综合适宜度变异率偏高，该地区气温、降水和日照适宜度年际变化都相对较大，不利于玉米稳产。

(2)从近40 a玉米气候适宜度的变化趋势来看，内蒙古中东部大部地区因气温升高使适宜度向好发展，气温适宜度增加0.01·10a-1以上。但同时也看到中东部大部地区降水适宜度都呈现减少趋势，呼伦贝尔市南部和兴安盟北部降水适宜度下降程度更为明显，每10 a下降程度大于0.02。作为内蒙古玉米主要产区之一，合理的农业水资源管理是该地区玉米种植的关键。

(3)从不同发育阶段来看，不同生育期各地区综合适宜度偏低的原因也有所不同，中西部各发育期适宜度偏低的地区都是由于降水偏少导致，而东部偏北地区主要是播种～出苗期和抽雄～成熟期的热量条件不足导致。

(4)本文考虑了内蒙古实际生态环境，运用数理统计方法建立了7个生态区域的综合适宜度评价指标，并使用近十年玉米区县单产数据进行检验，检验结果表明综合气候适宜度为不适宜时产量偏低，综合气候适宜度为适宜时产量偏高，但由于区域气候条件、生产技术、种植品种等条件不同的限制，少量站点有所偏差，还需要在后续研究和业务应用中根据实际情况对指标进行微调。