2010—2020年阴山南北麓主要农作物的光温生产潜力时空变化特征分析

呼日瓦 范嘉琦 周瑞平 乌英嘎

内蒙古师范大学地理科学学院土地利用与整治重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010010

0 引言

光、热等资源是植物生长不可缺少的因子［1］。当外部条件（土壤养分、二氧化碳等）满足作物生长的最适条件时，作物充分利用光、热等资源获得的单位面积最高生物学产量或农业产量即为光温生产潜力［2］。计算光温生产潜力不仅可为当地实际生产提供指导，而且可评估当地光、热等资源利用情况。目前，光温生产潜力的计算模型主要有两类。一类是经验模型，其是以试验数据为基础建立的一种统计模型，如被中国广泛应用的逐级订正模型［3］（已应用于黑龙江省大豆［4］、河南省夏玉米［5］、湖南省春玉米［6］、云南省苹果［7］、内蒙古自治区马铃薯［10］等农作物的光温生产潜力计算），以及AEZ 模型（已用广西壮族自治区甘蔗［11］、云南省马铃薯［12］、吉林省春玉米［13］等农作物光温生产潜力计算）。另一类是机理模型，其是应用数学方法模拟作物生长发育的各个阶段，解释作物生理过程的一种方法［14］，如谭红等［15］人用美国的CERES 和CROPGRO 模型集成起来的DSSAT模型计算了新疆维吾尔自治区石河子市的棉花光温生产潜力，张泽民等［16］人利用荷兰的WOFOST模型计算了青藏高原的春小麦光温生产潜力。

相对于机理模型来说，经验模型需要的数据少，且不需要参数校正，适合小范围多种作物的光温生产潜力计算。2009 年，Lobell 等［17］把产量差定义为特定时空下潜在产量与实际产量的差值。2010 年，Fischer等［18］提出可开发产量差，增加了可获得产量概念。杨晓光等［19］针对实际产量、潜在产量、产量差、相对产量差等分析了中外学者对产量差的定义。2016 年，黄少辉等［20］人提出养分效率差概念，并将产量差和养分效率差进行了对比。增加农作物高产潜力和缩减产量差是提高粮食总产量的两大重要举措［21］。计算产量差可以测算粮食生产开发程度并分析区域差异，还能指导农户科学生产，为农业高质量发展提供参考［22-24］。

逐级订正模型是对经验模型的进一步优化，可在光合生产潜力的基础上，逐级进行温度和水分订正而得到最终的作物生产潜力值。该模型使计算不同地区作物生产潜力成为可能。因此，笔者应用逐级订正模型逐日计算阴山南北麓2010—2020 年主要农作物玉米、小麦的光温生产潜力，并计算其潜力差，对今后当地合理利用光温资源，指导农业生产，充分发挥该区域内光温生产潜力，提高区域生产力，缓解局部粮食安全问题提供一些参考依据。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

阴山南北麓地处内蒙古自治区中部，包括包头市、呼和浩特市、乌兰察布市、锡林郭勒盟等25个旗县。北麓年日照时间1 677～3 100 h，年降水量206～386 mm，年蒸发量1 748～2 300 mm，无霜期102～121 d；阴山北麓主要农作物种植面积约100 万hm2，占阴山北麓总面积的10.51%。南麓年日照时间2 549～3 203 h，年降水量270～409 mm，年蒸发量1 750～3 577 mm，无霜期112～140 d。阴山南北麓属温带半干旱大陆性季风气候区，素有“十年九旱”之称，降水主要集中在6—9 月（占全年降水量的65%以上），干旱是该地区最严重的自然灾害。研究区域农作物一年一熟，粮食作物以玉米、马铃薯、小麦为主，杂粮作物以莜麦为主，油料以油菜、胡麻为主。

1.2 数据来源

笔者选取阴山南北麓25 个气象站2010—2020 年逐日气象观测数据，包括作物生长期日平均气温和日平均太阳辐射量等，玉米、小麦的生育期数据来源于25 个气象站测量结果。2010—2020 年阴山南北麓玉米、小麦单产资料来源于实地调查与历年《内蒙古统计年鉴》。

2 研究方法

笔者采用传统的环境因子逐步订正法计算光温生产潜力，即先计算出光合生产潜力，再进行温度影响的订正，获得作物的光温生产潜力。

2.1 光合生产潜力

光合生产潜力的计算公式为

式（1）中：YQ为光合生产潜力，kg/hm2；C为单位换算系数；∑Qi为作物生长季各月的太阳辐射总量，MJ/m2；其他参数物理意义和取值详见表1［25-27］。

表1 农田各作物光合生产力各参数意义及取值

2.2 光温生产潜力

光温生产潜力的计算公式为［28］

式（2）（3）中：f（t）为温度订正系数；t为月平均温度，tmin、ts、tmax为作物生育期三基点温度，分别为下限温度、最适温度和上限温度（见表2）［29］。

表2 农作物不同育期的下限、上限和最适温度

2.3 数据分析

研究数据用Excel 进行统计分析，采用线性倾向率、slope 趋势分析进行变化趋势分析；空间分布图通过GIS的反距离权重法得到。

3 结果与分析

3.1 农田光温生产潜力特征分析

由于光温生产潜力是由光温条件决定的产量水平［30］，因此，此次研究仅对太阳总辐射量和温度变化特征进行了分析。阴山南北麓25 个观测站2010—2020 年作物生长期（5—9 月）太阳总辐射量最低值出现在2020年（3 180.260 MJ/m2），最高值出现在2017年（3 311.586 MJ/m2），2010—2020 年作物生长期太阳总辐射量浮动较大，总体呈上升趋势。2010—2020年阴山南北麓作物生长期平均太阳总辐射量为3 232.201 MJ/m2，呈现由东北向西南递增的趋势，东西两端区域太阳总辐射量差异超过200 MJ/m2。研究期内，阴山南北麓作物生长期（5—9 月）平均气温最低出现 在2015 年（17.12 ℃），最高出现在2017年（18.81 ℃），呈上升趋势，这与全球气候变暖趋势相似。2010—2020 年阴山南北麓作物生长期（5—9 月）平均气温为17.87 ℃，呈现由东北向西南递增的趋势，东西两端区域平均气温差超过5 ℃。这是主要是因为内蒙古自治区东部比西部云雨偏多，且日照时间较短。阴山南麓平均温度相对阴山北麓平均温度高4 ℃。其中，包头市、呼和浩特市平均气温最高，为20.3 ℃；锡林郭勒盟市多伦县、正蓝旗平均气温最低，为15.8 ℃。

经测算，2010—2020年阴山南北麓25个气象观测站区域光温生产潜力年际平均变化如图1所示，2010—2020年阴山南北麓光温生产潜力为11 640～15 738 kg/hm2，总体呈上升趋势。阴山南北麓光温生产潜力呈现由东北向西南递增趋势，且整体呈现增加趋势。研究区域光温生产潜力较高的是包头市及土默特左旗、托克托县、清水河县和林格尔县，为16 000 kg/hm2。锡林郭勒盟和阴山南北麓光温生产潜力增加趋势最明显，年增加量为91～279 kg/hm2，其主要原因为阴山南北麓气温增加明显，作物光合生产潜力增加迅速，而锡林郭勒盟的太阳总辐射量及气温虽然比其他地方稍低，但整体还是呈现迅速增加的趋势。其他地区变化趋势不明显，年增加与减少量在-90～90 kg/hm2浮动，无光温生产潜力明显减少地区。

图1 阴山南北麓光温生产潜力

3.2 实际产量特征分析

经查询，2010—2020年阴山南北麓25个观测站区域主要农作物实际产量年际变化如图2 所示，实际产量最低的是2015年，为4 798 kg/hm2，实际产量最高的是2010年，为5 721 kg/hm2。阴山南北麓作物产量整体呈现由东北向西南递增趋势。阴山南北麓主要农作物2010—2020年实际产量平均值较高，都高于8 000 kg/hm2，而锡林郭勒盟及乌兰察布市大多数旗县主要农作物2010—2020 年实际单产平均值都低于5 000 kg/hm2，其主要原因是锡林郭勒盟和乌兰察布市属于资源型与工程型缺水并存的地区，水资源严重缺乏，其主要农作物多种植在旱地，所以农作物产量偏低。

图2 2010—2020年阴山南北麓农田实际单产

3.3 产量差特征分析

2010—2020 年阴山南北麓主要农作物光温生产潜力与实际产量的产量差年际变化如图3 所示，产量差最小的是2012 年，为6 600 kg/hm2，产量差最大的是2017 年，为1 0571 kg/hm2。阴山南北麓主要农作物光温产量差只有呼和浩特市站、托克托县站和林格尔县站呈减少趋势，原因是其实际产量增加趋势比光温生产潜力增加趋势快。

图3 2010—2020年阴山南北麓光温产量差

通常光温生产潜力与现实生产力差距较大，原因是光温生产潜力是理想状态下作物的生产力，而现实中作物实际产量受到多种因素的影响，除去自然环境因素和不确定性自然灾害外，还受复种指数、种植结构、耕地面积、人为管理、氮肥利用率及提前播种等因素影响。

4 结论与讨论

2010—2020 年，阴山南北麓作物生长期太阳总辐射量在时间上呈上升趋势，空间上表现为由西向东递减，气温在时间上呈上升趋势，空间分布上表现为阴山南麓普遍高于阴山北麓。这主要是因为内蒙古自治区东部比西部云雨偏多、日照时间较短，所以作物生长期太阳总辐射量相对较少。2010—2020 年阴山南北麓主要农作物光温生产潜力在时间上呈上升趋势，在空间分布上由西南向东北逐渐递减，全区域光温生产潜力普遍呈增加趋势，这是由于光温生产潜力受太阳总辐射量与气温的影响，与其呈正相关性，随着太阳总辐射量和气温的上升，光温生产潜力也会随之上升。由于所调查的年份只有2010—2020 年的，所以计算出来的趋势只是一段时间的趋势，不能说明整体的趋势，因此笔者今后将做进一步调查。

2010—2020 年阴山南北麓东部农田实际单产较低，时间上呈递减趋势，空间分布上西高东低，与其部分区域地理环境与人文因素有关，从而降低了整体生产水平。阴山南北麓光温生产差时间上呈上升趋势，空间分布上由东向西递减，阴山南北麓光温生产潜力和实际产量的产量差较大，具有很大的提升空间。这与刘志娟等［29］在东北三省春玉米潜在产量与农户实际产量之间的产量差（总产量差）呈明显的经向和纬向分布，即由南向北递减、由西向东递减的研究结果一致。因此，要想达到增产目的，农户须从影响农作物的内部因素和外部环境两个方面着手。其中，内部因素主要考虑作物品种，外部环境主要指改善生产条件一方面是解决水分、土壤等因素的限制问题，另一方面是改进栽培方式和技术，最大限度降低各种不利因素带来的影响，从而提高作物产量。