我国北方一作区马铃薯高产稳产区分布特征

孙 爽 王春乙* 宋艳玲 杨晓光

1)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室， 北京 100081) 2)(中国农业大学资源与环境学院， 北京 100193)

引 言

马铃薯是仅次于小麦、水稻和玉米的世界第四大粮食作物，我国马铃薯种植面积和总产量均为世界第一[1]。近60年我国马铃薯总产量及种植面积占世界总量的比例增加趋势显著，2018年我国马铃薯种植面积和总产量分别约占世界总量的27%和25%[1]，对世界马铃薯产业的稳定乃至世界粮食安全具有重要作用。尽管我国马铃薯种植面积和总产量均居世界第一，单产却远低于美国、德国、荷兰等国家[1-2]，实际生产中仍受许多因子限制，如栽培管理措施不当、种薯质量差、病虫害多发等问题[2-5]。

基于马铃薯种植区气候条件、生产栽培方式等可将我国划分为4个主产区，分别为北方一作区、中原二作区、西南混作区和南方冬作区[5-7]，其中北方一作区马铃薯种植面积和总产量均高于其他产区，直接影响我国马铃薯产业发展[3]。北方一作区生态脆弱，受亚洲季风和西风带的综合影响，叠加其高原地形，使该区域对气候变化较为敏感[8-9]。有关该区域马铃薯适宜种植区划已有很多研究[10-12]，大多基于农业气候要素指标法[13-17]，即选取最能体现农业特点、指示农业气候区域分异的一个或多个指标，结合GIS技术、作物模型等进行适宜性区划研究[18-19]。如王连喜等[11]通过对气候因子与气象产量进行积温回归的方法构建宁夏马铃薯种植气候分区指标，明确有灌溉条件和无灌溉条件下宁夏马铃薯适宜种植区分布；徐玲玲等[12]通过相关分析筛选得到影响马铃薯产量形成的关键气候因子，并以此作为气候区划指标结合GIS技术，采用专家打分法明确山西省马铃薯种植气候区划分布。已有研究大多关注单一省份的马铃薯优势种植分区研究，但针对北方一作区马铃薯的适宜种植区划研究鲜见报道。产量是作物生长环境要素满足程度和栽培管理措施的综合反映[20-21]，目前综合考虑高产性和产量多年变化稳产性两个方面，对于不同生产水平下、不同气候资源限制条件下的马铃薯优势种植分区研究还缺乏系统性，近年我国北方一作区马铃薯总产量显著上升，播种面积显著下降，平均单产水平较高，但产量年际波动较大且不同省份间存在明显差异[8]。基于此，以我国北方一作区马铃薯为研究对象，结合调整参数并验证后的APSIM-Potato模型，明确潜在生产水平下(光温资源限制)、雨养潜在生产水平下(光温水资源限制)和气候-土壤潜在生产水平下(光温水土资源限制)我国北方一作区马铃薯高产区和稳产区的空间分布和时间变化，综合考虑高产性和稳产性，分析不同生产水平下我国北方一作区马铃薯高产高稳区的空间分布特征，探讨降水和土壤对马铃薯高产性和稳产性的影响，为区域马铃薯高产稳产、合理布局、防灾减灾提供科学参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域

腾宗璠等[6]将我国马铃薯生产栽培划分为4个区域，本文以我国北方一作区马铃薯为研究对象，包括黑龙江省、吉林省、辽宁省北部、河北省北部、山西省北部、陕西省北部、宁夏回族自治区、甘肃省大部分地区、青海省大部分地区、新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区及西藏自治区东北部少部分地区，气象站点分布如图1所示。北方一作区马铃薯产量和种植面积均高于其他产区，产量占全国马铃薯总产量的49.1%，种植面积占全国总种植面积的53.8%[3]。

图1 研究区域内气象站点分布Fig.1 Location of the weather stations in the study area

1.2 数 据

气象数据来自中国气象局，涵盖研究区域内1981—2019年234个气象站点的逐日气象数据，包括日最高气温、日最低气温、日平均气温、降水量、日照时数等。

马铃薯生育期数据来自中国气象局，包括播种期、出苗期、分枝期、开花期等。

土壤数据来自中国科学院南京土壤研究所，为10 km×10 km格点数据，包括0～150 cm土壤分层土壤容重(BD)、田间持水量(DUL)、调萎系数(LL15)、土壤全氮含量(N)、pH值和土壤有机碳(SOC)等。

1.3 APSIM-Potato模型及产量潜力模拟

Agricultural Production Systems sIMulator(APSIM)是澳大利亚系列作物模型的总称，由澳大利亚联邦科工组织和昆士兰州政府的农业生产系统小组(APARU)联合开发的农业系统模拟模型[22-23]。该模型已在世界范围内110多个国家广泛应用，包含的作物包括小麦、玉米、油菜、棉花、苜蓿、豆类及杂草等。APSIM模型以天气、作物、管理措施等引起土壤特征连续变化为核心，主要包括气象模块、土壤模块、作物模块和管理模块[22]。研究中使用的APSIM-Potato模型将马铃薯发育进程分为8个发育期7个发育阶段，包括播种、发芽、出苗、花芽分化、块茎形成、开花、衰老和成熟。除发芽到出苗阶段主要由播种深度、芽伸长速率和土壤温度决定外，其他各发育阶段长度都由热时数控制。模型中生物量累积根据每日截获的太阳辐射量和光能利用效率计算，并综合考虑水分和氮素胁迫对生物量累积的影响，基于模型内部的分配系数进行产量模拟。已有研究表明，APSIM-Potato模型可以有效模拟我国北方马铃薯生长发育进程及产量形成[4,24]。基于前人研究结果，本文选用区域主栽品种克新一号模拟我国北方一作区不同生产水平下马铃薯的产量潜力，具体品种参数及参数化过程见文献[4]，验证后的模型对马铃薯发育阶段日数模拟的均方根误差小于3 d，可以反映马铃薯生物量80%～90%的变异[4,24]。不同生产水平下马铃薯产量潜力的定义及影响因素见表1。

研究选用APSIM-Potato 7.6开展模拟，基于不同生产水平下马铃薯产量潜力的定义，模拟情景设置如表2所示。播期设置基于农业气象试验站数据，利用ArcGIS中反距离插值工具并结合物候定律[25-26]插值到234个气象站点中。播种密度设置为10 株·m-2，行距为50 cm，播种深度为12 cm。在光温产量潜力模拟过程中，充分施肥和灌溉，土壤设置为适宜土壤。某站点适宜土壤的确定过程如下：将各站点土壤数据集分别输入调整参数并验证后的APSIM-Potato模型，模拟该站点在不同土壤环境下的光温产量潜力，以模型输出的光温产量潜力最高为原则，将该产量最高情景下的土壤参数确定为站点的适宜土壤[27]；在气候产量潜力模拟过程中，水分模块设置为雨养(无灌溉)，播期、施肥、播深、行距等措施及土壤模块的设置与光温产量潜力一致；在气候-土壤产量潜力模拟过程中，品种设置、水分模块设置及播期施肥等管理模块设置与气候产量潜力模拟时一致，土壤模块输入实际土壤数据。

表1 不同生产水平下马铃薯产量潜力意义及影响因素Table 1 The definition of yield potentials and influencing factors under different production levels

表2 不同生产水平下马铃薯产量潜力模拟情景设置Table 2 Scenarios to simulate the yield potentials under different production levels in the APSIM-Potato

1.4 高产稳产区研究

1.4.1 划分指标及区划标准

产量是反映作物种植环境与其生长所需环境条件符合程度的综合指标[20-21]。综合考虑产量的高产性和稳产性，高产区划分以1981—2019年各站点马铃薯产量平均值作为区划指标，研究时段内某站点产量平均值越高，表明该站点的产量水平越高，高产性越好；稳产区划分以马铃薯产量变异系数为区划指标，变异系数定义为产量标准差与平均值的比值，用于反映要素相对于其平均值的整体离散程度，变异系数越大，表明波动程度越大，越不稳定[28]。

采用累积概率法对不同生产水平下马铃薯产量潜力平均值及变异系数进行等级划分。累积概率指变量大于某下限值出现的次数与总次数的比值[29]。分别以马铃薯产量平均值和产量变异系数累积概率50%为划分标准，将研究区域划分为高产高稳区、高产低稳区、低产高稳区和低产低稳区4个亚区。

1.4.2 高产区和稳产区的变化趋势

基于高产区的评价指标和划分标准，得到1981—2019年高产站点和低产站点占总站点比例随时间的变化趋势；基于稳产区的评价指标，选取长度为15年的时间窗口[30]进行计算，得到25个时间序列的变异系数，结合稳产区划分标准，可得到高稳站点比例和低稳站点比例随时间的变化趋势。

1.4.3 降水和土壤对高产区和稳产区影响

基于不同生产水平下马铃薯产量潜力定义及影响因素，分别比较马铃薯产量潜力平均值和变异系数，可确定不同因素对马铃薯高产性和稳产性的影响程度。通过对比分析光温产量潜力与气候产量潜力的平均值和变异系数差异，得到降水对马铃薯产量高产性和稳产性的影响；通过对比分析气候产量潜力与气候-土壤产量潜力的平均值和变异系数差异，得到土壤对马铃薯高产性和稳产性的影响。

2 结果分析

2.1 不同生产水平下马铃薯高产区和稳产区时空变化特征

以不同生产水平下马铃薯产量潜力平均值为高产性评价指标，以产量变异系数为稳产性评价指标，计算研究区域内马铃薯光温产量潜力、气候产量潜力和气候-土壤产量潜力累积概率(如图2所示)。以累积概率达50%为高产区和稳产区划分标准，得到潜在生产水平下，高产区划分标准为35124 kg·hm-2，稳产区划分标准为9.5%；雨养潜在生产水平下，高产区划分标准为17783 kg·hm-2，稳产区划分标准为45.1%；气候-土壤潜在生产水平下，高产区划分标准为10329 kg·hm-2，稳产区划分标准为37.2%。由图2可以看到，与气候产量潜力和气候-土壤产量潜力相比，光温产量潜力年际间差异较小，分布较为集中。

图2 不同生产水平下马铃薯产量潜力平均值(a)和变异系数(b)的累积概率分布Fig.2 Distributions of the cumulative probability for the average yield potentials(a) and coefficients of variation(b) for potato under different production levels

基于高产区和稳产区区划指标和标准，得到不同生产水平下马铃薯高产区和稳产区空间分布特征(图3)。由图3可以看到，潜在生产水平下北方一作区马铃薯高产区和高稳区主要分布在新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区西部、青海省西北部、甘肃省西北部及宁夏回族自治区北部，分别占研究区域总面积的67%(3.31×106km2)和62%(3.10×106km2)(表3)；雨养潜在生产水平下北方一作区马铃薯高产区和高稳区主要分布在黑龙江省、吉林省、内蒙古自治区东部、辽宁省北部、河北省北部、山西省北部、甘肃省南部及青海省东南部，分别占研究区域总面积的34%(1.70 ×106km2)和29%(1.43×106km2)；气候-土壤潜在生产水平下北方一作区马铃薯高产区主要分布在黑龙江省、吉林省、内蒙古自治区东北部、甘肃省南部及青海省南部地区，占研究区域总面积的31%(1.53×106km2)，高稳区主要分布在黑龙江省、吉林省、内蒙古自治区东北部及甘肃省西北部，占研究区域总面积的25%(1.27×106km2)。

不同生产水平下马铃薯高产区和稳产区时间演变趋势如图4所示。由图4可以看到，各生产水平下北方一作区马铃薯高产站点比例均呈下降趋势，潜在生产水平、雨养潜在生产水平和气候-土壤潜在生产水平下高产站点比例分别以每10年1.4%，1.2% 和0.4%的速率下降；潜在生产水平和气候-土壤潜在生产水平下高稳站点比例分别以每10年5.8%和0.9%的速率升高，且潜在生产水平下高稳站点比例变化趋势达到0.001显著性水平，雨养潜在生产水平下高稳站点比例以每10年2.6%的速率下降(达到0.05显著性水平)。

图3 不同生产水平下北方一作区马铃薯高产区和稳产区分布Fig.3 Distributions of yield level zones and yield stability zones under different production levels for potato in the single-cropping region in northern China

表3 不同生产水平下马铃薯高产区和稳产区面积及比例Table 3 Cropping areas and proportions of yield level zones and yield stability zones under different production levels

由以上分析可知，随着限制因素的增加，马铃薯高产区和高稳区面积比例逐渐降低，潜在生产水平下高产区和高稳区面积比例均高于60%，雨养潜在生产水平和气候-土壤潜在生产水平下高产区和高稳区比例均低于35%；不同生产水平下马铃薯高产区比例均呈下降趋势，马铃薯稳产区比例除雨养潜在生产水平下呈下降趋势外，潜在生产水平和气候-土壤潜在生产水平下均呈上升趋势。

图4 不同生产水平下北方一作区马铃薯高产区和稳产区时间变化Fig.4 Temporal trends of the station percentage for the high-yield levels,the low-yield levels,the high-yield stability and low-yield stability for potato in the single-cropping region in northern China

2.2 不同层次下马铃薯高产稳产区分布

基于高产区和稳产区区划指标和标准，将研究区域划分为高产高稳区，高产低稳区、低产高稳区和低产低稳区4个亚区，空间分布及各亚区面积比例见图5和表4。由图5可以看到，潜在生产水平下北方一作区马铃薯高产高稳区主要分布在新疆维吾尔自治区北部、内蒙古自治区西部、甘肃省西北部、宁夏回族自治区北部及青海省中部，占研究区域总面积的40%(1.99×106km2)；气候潜在生产水平下北方一作区马铃薯高产高稳区主要分布在黑龙江省、吉林省、辽宁省北部及内蒙古自治区东北部，占研究区域总面积的25%(1.26×106km2)；气候-土壤潜在生产水平下北方一作区马铃薯高产高稳区主要分布在黑龙江省、吉林省及内蒙古自治区东北部，占研究区域总面积的13%(0.65×106km2)。

高产低稳区是潜在的高产高稳区，及时采取有效措施可提升产量潜力稳产性。潜在生产水平下，高产低稳区主要分布在新疆维吾尔自治区皮山—阿拉尔—塔中一带、青海省茫崖—大柴旦一带和兴海—达日一带、内蒙古自治区呼和浩特—化德—西乌珠穆沁旗一带，占研究区域总面积的24%(1.21×106km2)；雨养潜在生产水平下，高产低稳区主要分布在内蒙古自治区呼和浩特—集宁—巴林左旗—赤峰一带及青海省玉树—达日一带，占研究区域总面积的8%(0.42×106km2)；气候-土壤潜在生产水平下，高产低稳区主要分布在内蒙古自治区图里河—海拉尔一带、那仁宝力格—锡林浩特一带、四子王旗—呼和浩特-集宁一带和青海省玉树—达日一带，占研究区域总面积的14%(0.71×106km2)。

图5 不同生产水平下我国北方一作区马铃薯高产稳产区分布 Fig.5 Distributions of the high-stable zones for potato under different production levels in the single-cropping region in northern China

表4 不同生产水平下马铃薯高产稳产区面积及比例Table 4 Cropping areas and proportions of high-stable zones for potato under different production levels in the study region

综上所述，随着限制因素增加，马铃薯高产高稳区面积比例逐渐降低，气候-土壤潜在生产水平下面积比例仅占研究区域总面积的13%；高产低稳区是潜在的高产高稳区，潜在生产水平下比例最高(24%)，雨养潜在生产水平下比例最低(8%)；低产高稳区面积比例在气候-土壤潜在生产水平下最高(33%)；低产低稳区面积比例在雨养潜在生产水平下最高(59%)，潜在生产水平下比例最低(22%)。

2.3 降水和土壤因素对马铃薯高产区和稳产区影响

基于上述高产稳产区划分，通过分别对比潜在生产水平与雨养潜在生产水平下、雨养潜在生产水平与气候-土壤潜在生产水平下马铃薯高产区和稳产区的差异，即可得到由降水和土壤影响导致的高产性和稳产性下降的区域及影响程度(图6)。由图6高产性降低的区域分布可知，降水条件限制导致的马铃薯高产性降低的区域主要分布在新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区西部、青海省北部、甘肃省北部及宁夏回族自治区北部，马铃薯产量降低18425 kg·hm-2；土壤条件限制导致马铃薯高产性降低的区域主要分布

图6 北方一作区马铃薯降水和土壤限制下高产性和稳产性降低的区域Fig.6 Distributions of negative changes in yield level and yield stability zones due to precipitation and soil for potato in the single-cropping region in northern China

在内蒙古自治区中部、辽宁省西北部、河北省北部及陕西省东部，马铃薯产量降低9211 kg·hm-2。

由图6稳产性降低的区域分布可知，降水条件限制导致的马铃薯稳产性降低的区域主要分布在新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区西部、青海省北部、甘肃省北部及宁夏回族自治区北部，马铃薯产量变异系数增加53.9%，产量稳定性下降；土壤条件限制导致的马铃薯稳产性降低的区域主要分布在内蒙古自治区东部、黑龙江省西南部、吉林省西部、辽宁省西北部、河北省北部、山西省西北部、甘肃省南部及青海省东南部，马铃薯产量变异系数增加23.7%，产量稳定性下降。

综上所述，降水对马铃薯高产性和稳产性的限制区域主要分布在研究区域的西部，包括新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区西部、甘肃省北部、青海省北部和宁夏回族自治区北部，土壤对马铃薯高产性和稳产性的限制区域主要分布在内蒙古东部、辽宁省西北部和河北省北部地区，且降水对马铃薯高产性和稳产性的影响大于土壤。

3 结论与讨论

以我国北方一作区马铃薯为研究对象，利用1981—2019年逐日气象数据、作物数据和土壤数据，基于APSIM-Potato模型，研究不同生产水平下我国北方一作区马铃薯高产稳产区分布特征，得到如下结论：

1) 随着限制因素增加，马铃薯高产区和高稳区面积比例逐渐降低，潜在生产水平下高产区和稳产区站点比例均高于60%，雨养潜在生产水平和气候-土壤潜在生产水平下高产区和稳产区比例均低于35%；不同生产水平下马铃薯高产区比例呈下降趋势，马铃薯稳产区比例除雨养潜在生产水平下呈下降趋势外，潜在生产水平和气候-土壤潜在生产水平下均呈上升趋势。

2) 随着限制因素增加，马铃薯高产高稳区面积比例逐渐降低，气候-土壤潜在生产水平下高产高稳区面积比例仅占研究区域总面积的13%；高产低稳区是潜在的高产高稳区，潜在生产水平下比例最高(24%)，雨养潜在生产水平下比例最低(8%)；低产高稳区面积比例在气候-土壤潜在生产水平下最高(33%)；低产低稳区面积比例在雨养潜在生产水平下最高(59%)，潜在生产水平下比例最低(22%)。

3) 降水对马铃薯高产性和稳产性的影响主要分布在研究区域的西部，包括新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区西部、甘肃省北部、青海省北部和宁夏回族自治区北部，土壤对马铃薯高产性和稳产性的影响主要分布在内蒙古东部、辽宁省西北部及河北省北部地区，且降水对马铃薯高产性和稳产性的影响大于土壤。

本研究基于APSIM-Potato模型，以马铃薯产量潜力为研究指标分析我国北方一作区马铃薯高产稳产区变化。产量潜力模拟时未考虑品种更替对马铃薯产量的提升作用，选用区域内主栽品种反映作物长期对区域环境的适应性，避免品种更替带来的年代间产量的突变。模拟选用内蒙古武川试验站的马铃薯克新一号品种参数数据，利用参数本土化后的APSIM-Potato模型进行模拟[4]。模拟不同生产水平下马铃薯产量潜力时，模型内播期的确定是基于农业气象试验站数据平均值，利用反距离插值法并结合物候定律[25-26]插值到各气象站点，未考虑不同年型下马铃薯适宜播期的变化[31]。此外，模拟产量潜力时未考虑CO2的肥效作用和栽培技术措施及耕作措施对马铃薯产量的影响，如我国华北和西北马铃薯主产区多为干旱半干旱地区，地膜覆盖[32-33]、免耕覆盖[34]等栽培模式广泛应用，以上均需后续进一步修正与完善。

研究的区划结果综合考虑产量的高产性和波动性，研究指标与方法已应用于小麦、玉米等作物的区划研究[27,35]。本研究从农业资源角度，明确不同资源限制条件下我国北方一作区马铃薯高产稳产区的空间分布特征，以期为各级政府和有关部门对马铃薯生产的宏观合理布局提供参考。从气候-土壤潜在生产水平下的北方一作区马铃薯高产稳产区区划结果与我国马铃薯优势区划布局规划[36]对比可以看到，东北马铃薯优势区大部分与本研究结果的高产高稳区吻合(图5)，华北马铃薯和西北的马铃薯部分优势区为本文的高产低稳区和低产高稳区(图5)。造成区划结果差异的原因主要是布局规划考虑了各区域内自然资源条件、种植规模、产业化基础及产业比较优势等条件，而本研究区划仅考虑农业气候资源及土壤资源，未考虑技术、经济、政策等因素的影响。在今后的研究中将进一步收集马铃薯产业技术体系、成本收益、土地利用状况等方面数据，根据技术、经济等因素明确不同生产水平下马铃薯的高产稳产分区，解析各因素对马铃薯生产的影响。

此外，在分析不同生产水平下马铃薯高产稳产区面积时，本文仅考虑了土地面积的变化，未叠加土地利用数据综合分析区域内耕地面积及旱地面积，今后将收集相关数据，为农业生产提供参考。