气候变化对甘肃农牧交错带主要粮食作物生产潜力的影响

刘 强，李 广，闫丽娟，王 钧，聂志刚

(1.甘肃农业大学信息科学技术院，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070; 3.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070)

全球气候变化是21世纪人类面临较为严重的环境问题之一，其主要表现为温度上升、降水格局改变及极端气候事件增加等，导致农业气候带、种植制度、作物生长发育和产量等方面发生不同程度的变化，进而对粮食生产过程和生产安全产生重要的影响。农业气候生产潜力作为评价粮食作物综合生产能力的重要指标之一，由光、温、水的数量及其相互协调程度共同决定。目前，国内外关于作物气候生产潜力的研究主要采用模型模拟，这些模型包括作物生长模型和经验模型。作物生长模型需要输入大量的模型参数，其模拟精度与区域尺度有关且受其限制；而经验模型虽计算简单，但对作物生长发育机理考虑不足，影响了模拟效果。逐级订正模型作为一种能够反映不同粮食作物生育期内气候生产潜力的统计模型，具有物理意义清晰、基础数据易于获取的优点，目前被广泛应用于粮食生产潜力的研究。近些年，有关我国粮食生产潜力时空变化特征的研究主要集中在我国主要粮食生产地区，且不同区域、不同粮食作物品种间的研究结果也存在着一定的差异，同时气候变化对气候生产潜力的影响也存在着显著的区域性差异。目前，针对气候变化背景下甘肃农牧交错带不同粮食作物气候生产潜力的相关研究较少，还有待深入。甘肃农牧交错带气候多变、土质结构疏松，同时由于自然资源的过度开发利用，影响了该地区农业生态系统的可持续发展。本研究利用历史数据开展了气候变化对甘肃省农牧交错带不同粮食作物生产潜力的影响分析，以期为全球气候变化背景下甘肃农牧交错带气候资源的合理利用、粮食生产水平提高和农业可持续发展提供科学的指导依据。

1 材料与方法

1.1 研究区和数据来源

甘肃农牧交错带地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原三大高原的交汇地带，是中国北方农牧交错带的重要组成部分之一，同时也是甘肃省主要的粮食生产地区。研究区域内地形变化复杂，平均海拔高度为960～3 045 m，年平均气温0.4～10.4 ℃，年平均降水量190～621 mm，研究区降水主要集中在夏秋季节的7-9月，占全年总降水量的60%～80%，年平均日照时数2 049～ 2 718 h。小麦和玉米为该地区主要粮食作物。

气象数据来自于甘肃省气象局气象中心，包括1971-2020年甘肃农牧交错带45个气象站的逐日平均气温、最高温、最低温、降水量、日照时数和蒸发量等气象资料(图1)。作物品种选取了该地区的主要粮食作物春小麦、冬小麦和春玉米。3种粮食作物的主要生育期资料来自中国农业气象观测站及全国县级农户调查结果，各地区粮食作物生育期为2012-2014年生育期平均值。

图1 研究区域及站点

1.2 研究方法

1.2.1 作物气候生产潜力计算模型

作物气候生产潜力指在合理利用光、热和水等气候资源的同时，当土壤、养分和二氧化碳等达到最佳状况时粮食作物的最高产量。本研究依据光合影响下的粮食作物生产潜力，逐级对温度系数和降水系数进行订正，计算方法如下：

=×()

(1)

式中，为作物气候生产潜力(kg·hm)；为光温生产潜力(kg·hm) ；()为水分订正系数，计算公式如下：

(2)

式中，为作物生长发育过程中的总降雨量(mm)；为缺水敏感系数，ET为作物生长发育过程中的总需水量，计算公式如下：

ET=×ET

(3)

式中，为作物系数，FAO-56推荐的春小麦、冬小麦和春玉米作物系数在生长发育初期分别为0.35、0.39和0.30，生长发育中期分别为 1.21、1.17和1.20，生长发育后期分别为0.45、0.40和0.60。本研究根据研究区不同气候条件利用式(4)对作物系数进行进一步修正。ET为参考作物蒸散量，本研究利用FAO提供的Penman-Monteith公式进行计算。

(4)

式中，为修正后作物系数；为修正前作物系数；为作物生长发育过程中的平均株高(m)；为作物生长发育过程中高度为2 m处的日平均风速(m·s)；RH为作物生长发育过程中日最低相对湿度平均值(%)。

光温生产潜力是指当水分、土壤及耕作措施等条件均处于作物生长最适宜环境下，由光合和温度来决定的作物最高产量,其计算公式如下：

=×()

(5)

式中，为作物光合生产潜力(kg·hm)；()为温度修订系数，和()的计算公式如下：

(6)

=(+)′

(7)

表1 作物生产潜力模型参数及取值Table 1 Values of each parameter for photosynthetic potential productivity of crops

(8)

(9)

式中，为作物生长发育阶段的平均气温(℃);为作物生长发育上限温度(℃)，春小麦、冬小麦和春玉米分别取33、30和 34 ℃;为作物生长发育的最适宜温度(℃)，春小麦、冬小麦和春玉米分别取22、20和 24 ℃;为作物生长发育下限温度(℃)，春小麦、冬小麦和春玉米分别取3、3和11 ℃。

1.2.2 气候变化对作物气候生产潜力影响的计算模型

气候生产潜力是粮食作物生产潜力对多种气候资源变化的综合反映，热量资源、降水资源以及辐射资源改变对甘肃农牧交错带粮食作物生产潜力的影响计算公式如下：

=(/)×

(10)

=(/-/) ×

(11)

=(/-/) ×

(12)

=

(13)

式中，、、和为甘肃农业交错带辐射资源、热量资源、降水资源和综合气候资源变化对该区域气候生产潜力产生的影响(kg·hm·a);、和为该区域粮食作物光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力的平均年际变化率(kg·hm·a)；、和分别为研究区1971-2020年粮食作物的平均光合生产潜力、平均光温生产潜力和平均气候生产潜力 (kg·hm)。

2 结果与分析

2.1 甘肃农牧交错带粮食作物生育期内气候因子变化的时空特征

2.1.1 甘肃农牧交错带粮食作物生育期内平均气温的变化趋势

1971-2020年甘肃农牧交错带春小麦、冬小麦和春玉米3种粮食作物生育期内平均气温均呈波动上升趋势，3种粮食作物生育期内平均气温的年际变化率分别为0.41、0.34和0.32 ℃·10 a(图2)。从甘肃农牧交错带春小麦生育期 ≥3 ℃、冬小麦生育期≥3 ℃和春玉米生育期≥10 ℃积温的空间分布特征来看，春小麦、冬小麦和春玉米的生育期积温变化范围分别为 650.63～ 2 502.74、1 570.71～2 849.56和1 045.25～3 018.50℃。春小麦生育期内积温从北向南逐渐降低，最高值出现在兰州和白银等地区，最低值出现在天祝和甘南地区，由于这两个地区积温过低不适宜春小麦的生长发育；冬小麦生育期内积温最高值出现在天水北部地区，最低值出现在通渭、静宁、张家川等地区；春玉米生育期内积温从东向西逐渐降低，最高值分布在庆阳、平凉以及白银等地区，而天祝和甘南地区春玉米生育期内积温相对较低，不适宜春玉米的生长发育(图3)。

图2 甘肃农牧交错带粮食作物生育期平均温度变化趋势

图3 甘肃农牧交错带粮食作物生育期积温空间分布

2.1.2 甘肃农牧交错带粮食作物生长季的太阳辐射变化趋势

1971-2020年甘肃农牧交错带春小麦、冬小麦和春玉米3种粮食作物生育期内的太阳辐射量均呈下降趋势，3种粮食作物生育期内太阳辐射的年际变化率分别为-7.07、-20.25和-20.80 MJ·m·10 a(图4)。3种粮食作物生育期内太阳辐射量变化范围分别为1 378.40～ 3 086.21、3 329.78～4 695.47和2 829.07～ 3 233.14 MJ·m。从空间分布看，春小麦生育期内太阳辐射量从北向南逐渐降低，最高值分布在白银地区，最低值分布在甘南、岷县和漳县地区；冬小麦生育期内太阳辐射量从东北向西南逐渐降低，最高值分布在环县和庆城地区，最低值主要分布在天水北部、通渭、静宁和庄浪地区；春玉米生育期内太阳辐射量从北向南逐渐降低，最高值主要集中在白银和兰州等地区，最低值主要集中于该区域的南部地区(图5)。

图4 甘肃农牧交错带粮食作物生育期太阳辐射变化趋势

图5 甘肃农牧交错带粮食作物生育期太阳辐射空间分布

2.1.3 甘肃农牧交错带粮食作物生长季的降水量变化趋势

1971-2020年甘肃农牧交错带春小麦、冬小麦和春玉米3种粮食作物生育期内降水量均呈上升趋势，3种粮食作物生育期内降水量的年际变化率分别为4.98、12.82和2.37 mm·10 a(图6)。3种粮食作物生育期内降水量变化范围分别为28.92～544.75、99.80～634.58和154.92～461.89 mm。从空间分布特征看，春小麦生育期内降水量从北向南逐渐增加，最高值分布在甘南和岷县地区，最低值分布在白银和兰州地区；冬小麦生育期内降水量从西北向东南逐渐增加，最高值分布在正宁、灵台等地区，最低值分布在通渭和环县地区；春玉米生育期内降水量最高值分布在该地区的南部地区，主要集中在甘南、临夏、天水和平凉等地区，最低值主要集中于白银、兰州等地区(图7)。

2.2 甘肃农牧交错带粮食作物生产潜力分布特征

2.2.1 光合生产潜力

1971-2020年，甘肃农牧交错带冬小麦、春玉米和春小麦平均光合生产潜力分别为 35 815.83、30 916.96 和25 679.65 kg·hm。

图6 甘肃农牧交错带粮食作物生育期降水量变化趋势

图7 甘肃农牧交错带粮食作物生育期降水量空间分布

春小麦光合生产潜力从北向南逐渐降低，最高值(27 187.78 kg·hm)分布在景泰和靖远地区，最低值(23 941.78 kg·hm)分布在甘南以及岷县和漳县地区；冬小麦光合生产潜力从东北向西南逐渐降低，最高值(37 569.84 kg·hm)分布在环县和庆城地区，最低值(34 035.73 kg·hm)分布在天水北部、静宁、庄浪和通渭等地区；春玉米光合生产潜力从北向南逐渐降低，最高值(33 078.79 kg·hm)分布在景泰和靖远等地区，最低值(29 132.66 kg·hm)分布在甘南和天水北部地区(图8)。

2.2.2 光温生产潜力

1971-2020年，甘肃农牧交错带春玉米、春小麦和冬小麦的平均光温生产潜力分别为 16 802.15、12 797.04和7 691.16 kg·hm。春小麦光温生产潜力从北向南逐渐降低，最高值 (19 411.56 kg·hm)分布在白银和兰州地区，最低值(3 081.10 kg·hm)分布在天祝和甘南地区；冬小麦光温生产潜力最高值(11 014.55 kg·hm)分布在甘谷和秦安地区，最低值 (3 193.98 kg·hm)分布在通渭、静宁、庄浪、张家川和华亭地区；春玉米光温生产潜力从东北向西南逐渐降低，最高值(23 860.03 kg·hm)分布在白银、兰州、庆阳和平凉地区，最低值 (1 037.44 kg·hm)分布在天祝和甘南地区(图9)。

图8 甘肃农牧交错带粮食作物生育期 内光合生产潜力空间分布

2.2.3 气候生产潜力

1971-2020年，甘肃农牧交错带春玉米、春小麦和冬小麦平均气候生产潜力分别为 12 113.63、7 224.81和5 547.48 kg·hm。春小麦气候生产潜力从北向南逐渐增加，最高值 (10 057.56 kg·hm)分布在临夏和临洮地区，最低值(2 334.82 kg·hm)分布在天祝和白银地区；春小麦气候生产潜力从北向南逐渐增加，最高值(7 492.48 kg·hm)分布在天水北部地区，最低值(1 999.24 kg·hm)分布在通渭和静宁地区；春玉米气候生产潜力从东向西逐渐降低，最高值(18 691.65 kg·hm)分布在庆阳和平凉东部地区，最低值(959.60 kg·hm)分布在天祝、白银和甘南地区(图10)。

图9 甘肃农牧交错带粮食作物生育期 内光温生产潜力空间分布

2.3 气候资源变化对甘肃农牧交错带气候生产潜力的影响

2.3.1 热量变化对甘肃农牧交错带气候生产潜力的影响

1971-2020年，甘肃农牧交错带粮食作物生育期内平均温度总体呈上升趋势。热量变化对3种作物气候生产潜力均产生正效应(图11)，春玉米、冬小麦和春小麦气候生产潜力的平均增速分别为48.35、48.11和32.17 kg·hm·a。春小麦气候生产潜力在会宁和临夏地区受影响最大，平均增速为59.56 kg·hm·a；白银和兰州地区受影响最小，平均增速为 12.20 kg·hm·a。冬小麦气候生产潜力在庆阳南部、灵台和秦安地区受影响最大，平均增速为 86.00 kg·hm·a；在庆阳北部、崇信和夏河地区受影响最小，平均增速为26.55 kg·hm·a。春玉米气候生产潜力在天水北部、会宁和灵台地区受影响最大，平均增速110.23 kg·hm·a；在白银、兰州以及庆阳北部地区受影响最小，平均增速为10.72 kg·hm·a。

图10 甘肃农牧交错带粮食作物生育期内 气候生产潜力空间分布

2.3.2 降水变化对甘肃农牧交错带气候生产潜力的影响

1971-2020年，受生育期内降水变化影响，甘肃农牧交错带春小麦、冬小麦和春玉米气候生产潜力的平均增速分别为5.10、-0.12和7.16 kg·hm·a。从图12可以看出，降水变化对该区域大部分地区春小麦气候生产潜力具有正效应。春小麦气候生产潜力在白银和兰州大部分地区受影响最大，气候生产潜力最大增速为31.35 kg·hm·a；降水变化对临夏和定西部分地区春小麦气候生产潜力产生负效应，气候生产潜力最大降速为18.92 kg·hm·a。降水变化对冬小麦气候生产潜力在天水北部、宁县、庆城、镇原、灵台和泾川地区产生呈负效应，气候生产潜力最大降速为28.73 kg·hm·a；对其他地区表现为正效应，气候生产潜力最大增速为 11.37 kg·hm·a。降水变化对西部及东部的灵台和华池地区春玉米气候生产潜力产生负效应，气候生产潜力最大降速为60.77 kg·hm·a；在其他地区表现为正效应，气候生产潜力最大增速为81.49 kg·hm·a。

图11 热量资源变化对甘肃农牧交错带气候 生产潜力影响空间分布

图12 降水资源变化对甘肃农牧交错带 气候生产潜力影响空间分布

2.3.3 辐射资源变化对甘肃农牧交错带气候生产潜力的影响

1971-2020年，甘肃农牧交错带粮食作物生育期内太阳辐射变化对春小麦、冬小麦和春玉米气候生产潜力总体表现出负效应，气候生产潜力的平均降速分别为1.81、2.35和8.66 kg·hm·a。从地区分布(图13)看，太阳辐射变化对天祝、白银、定西和甘南部分地区春小麦气候生产潜力产生正效应，气候生产潜力最大增速为7.74 kg·hm·a；对其他地区多产生负效应，气候生产潜力最大降速为10.84 kg·hm·a。太阳辐射变化对清水和庆阳大部分地区冬小麦气候生产潜力具有正效应，气候生产潜力最大增速为4.17 kg·hm·a；在其他地区多表现为负效应，气候生产潜力最大降速为6.57 kg·hm·a。太阳辐射变化对景泰、靖远、临洮、东乡和庆阳北部等地区春玉米气候生产潜力表现出正效应，气候生产潜力最大增速为7.41 kg·hm·a；对该区域其他地区多呈现出负效应，气候生产潜力最大降速为37.27 kg·hm·a。

图13 辐射资源变化对甘肃农牧交错带 气候生产潜力影响空间分布

2.3.4 气候变化对甘肃农牧交错带气候生产潜力的影响

1971-2020年，由于甘肃农牧交错带作物生育期内气候的变化，春小麦、冬小麦和春玉米气候生产潜力总体上均呈增加趋势，平均增速分别为38.79、45.64和47.36 kg·hm·a。从不同地区表现(图14)看，气候变化对该区域不同地区春小麦气候生产潜力均表现为正效应，其中对兰州地区影响最大(平均增速55.89 kg·hm·a)，而对临夏、定西地区影响最小(平均增速14.79 kg·hm·a)。气候变化对不同地区冬小麦气候生产潜力也均产生正效应，其中对西峰和正宁地区的影响最大(平均增速91.77 kg·hm·a)，而对平凉东部地区影响最小(平均增速14.24 kg·hm·a)；气候变化对该区域大部分地区春玉米气候生产潜力表现为正效应，其中对天水北部以及平凉地区影响最大(平均增速107.33 kg·hm·a)，而对临洮、渭源、灵台和靖远春玉米气候生产潜力产生负效应(最大降速8.04 kg·hm·a)。

图14 气候资源变化对甘肃农牧交错带 气候生产潜力影响空间分布

3 讨 论

本研究以甘肃农牧交错带主要粮食作物春小麦、冬小麦和春玉米为研究对象，基于研究区45个气象站1971-2020年逐日气象数据和3种粮食作物的生育期资料，利用逐级订正法计算甘肃农牧交错带3种主要粮食作物的生产潜力，该方法已在国内得到了广泛的应用。前人的研究多基于粮食作物的自然生育期进行计算，但由于甘肃农牧交错带地域覆盖范围广、海拔和纬度差异大，甘肃农牧交错带不同地区的降水资源、热量资源、以及辐射资源差异明显，造成不同地区粮食作物的生育期差异显著，自然生育期和实际生育期有一定的偏差。因此本研究利用研究区春小麦和春玉米的实际生育期计算了甘肃农业交错带3种粮食作物的气候生产潜力，与前人研究相比具有更高的可靠性。本研究所选用的逐级修订法虽具有生物学和物理学意义明确等优点，但计算结果易受参数选取的影响，未来粮食作物品种的改变可能导致生产潜力计算结果的偏差。因此，今后的研究因进一步利用田间试验数据修订相关参数，提高研究结果的准确性。

甘肃农牧交错带春小麦、冬小麦和春玉米生育期内平均温度呈波动向上的变化趋势，平均每10年分别增温0.41、0.34和0.32 ℃；平均太阳辐射量均呈下降的变化趋势，平均每10年下降7.07、20.25和20.80 MJ·m；平均降水量呈波动上升的变化趋势，平均每10年增加4.98、 12.82和2.37 mm。不同气候资源变化对甘肃农牧交错带春小麦、冬小麦和春玉米气候生产潜力的影响程度各不相同，由于春小麦、冬小麦和春玉米生育期内的平均温度适宜于3种粮食作物的生长发育，研究区的适当增温有利于3种粮食作物产量的增加。因此，热量资源的变化对该地区春小麦、冬小麦和春玉米气候生产潜力均产生正效应，且对春玉米的影响最大，其余依次为冬小麦和春小麦。降水是制约甘肃农业交错带粮食产量提高的最主要因素，但随着该地区3种粮食作物生育期内降水量的逐渐增加，降水资源的改变对甘肃农牧交错带大部分地区的春小麦和春玉米气候生产潜力产生正效应，有利于提高该地区的春小麦和春玉米产量。甘肃农牧交错带春小麦、冬小麦和春玉米生育期内的平均辐射量均呈下降的变化趋势，造成该区域大部分地区3种粮食作物的光合生产潜力下降，辐射资源变化对甘肃农牧交错带大部分地区粮食作物气候生产潜力产生负效应，且对春玉米的影响最大，其余依次为冬小麦和春小麦。总体来看，由于温度升高、降水量增加弥补了甘肃农牧交错带辐射资源下降造成的负面效应，气候资源变化对甘肃农牧交错带大部分地区春小麦、冬小麦和春玉米气候生产潜力总体上产生正效应，而受降水量和太阳辐射下降的影响，该地区定西临洮、平凉灵台和白银靖远春玉米的气候生产潜力呈下降趋势。对于辐射资源变化导致粮食作物生产潜力下降的地区，应合理设置种植密度、选用光能利用效率更高的粮食作物品种和加强田间管理；对于降水量资源变化导致粮食作物生产潜力下降的地区，应培育和选用新品种，采用蓄水保墒的耕作措施，从而提高该地区的粮食生产潜力。

本研究通过对甘肃农牧交错带春小麦、冬小麦和春玉米生产潜力的分析，探讨气候变化背景下该地区主要粮食作物能够达到的最高产量，分析了热量资源、辐射资源和降水资源变化对该地区粮食生产所造成的影响。研究结果可以为甘肃农牧交错带不同地区、不同粮食作物制定合理耕作措施和田间管理技术提供科学依据，以应对气候变化对该地区春小麦、冬小麦和春玉米生产产生的影响，实现甘肃农牧交错带农业生产的可持续发展。