宁夏马铃薯主要种植区农业气候资源变化特征分析

吴志岐，陈超，张连花，庞艳梅

（1中国旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002；2宁夏回族自治区西吉县气象局，宁夏固原 756202；3中国气象局成都高原气象研究所，成都 610072；4南方丘陵区节水农业研究四川省重点实验室，成都 610066）

0 引言

农业生产受农业气候资源数量及配置的直接影响，农业气候资源主要包括光资源、热量资源和水分资源，为农业生产提供必需的物质和能量。气候变化对农业气候资源的影响，使农业气候资源在数量和配置上发生了变化，从而影响农业种植品种以及生长发育和产量形成。因此，研究分析气候变化背景下农业气候资源变化趋势及分布格局，对合理利用农业气候资源和调整农业种植品种具有重要意义。研究表明：1961—2007 年，华南地区年平均温度呈上升趋势，大于等于10℃的积温表现出由南向北逐渐减少的特征[1]。西北干旱地区年平均气温和喜凉作物生长期内大于等于0℃的积温由北向南呈上升趋势，喜温作物生长期内大于等于10℃的积温呈纬向分布[2]。与1961—1980 年相比，1981—2007 年中国年平均气温增加了0.6℃，喜凉作物生长期内大于等于0℃积温和喜温作物生长期内大于等于10℃积温分别平均增加123.3℃·d 和125.9℃·d；1961—2007 年年平均气温增幅最大的区域是东北地区，喜温作物生长期内大于等于10℃积温增幅最大的是华南地区[3]。西北地区小于0℃的负积温、大于0℃的积温和大于10℃的积温均从1986 年开始增加，在1995 年后呈更加明显的上升趋势[4]。未来中国气温变化趋势较一致，大部分地区农耕期大于等于0℃的初日提前和终日延迟，无霜期延长，大于等于0℃积温呈增加趋势[5]。近百年来中国降水量年际波动较大，区域性明显，大部分地区年降水量呈增加趋势，但华北、西北东部等地区年降水量呈下降趋势；1956—2000 年，中国日照时间、水面蒸发量和总云量等呈减少趋势，最大积雪深度有所增加[6]。加拿大CCCma模式预测中国未来地面温度不断升高、降水量处于不断增加变化趋势，降水量在青海西藏一带有显著增加[7]。中国大于等于10℃积温反映出种植制度发生显著变化，植带界限北移，气温不断升高，作物蒸散量增加，降水量增加使西北地区作物生长期延长[8]。1961—1980 年，长江中下游地区年日照时数下降最多，华北地区和华南地区的喜凉和喜温作物生长期内日照时数减幅最大[9]。由此可见，气候变化背景下，中国农业气候资源总体表现为热量资源、降水资源显著增加，辐射资源减少，区域差异明显。就气候资源而言，国内外许多学者对水稻、玉米、小麦等大宗粮食作物进行了大量研究[10-13]，作为全国第四大主粮的马铃薯，气候资源对其影响研究较少，本研究系统分析了气候变化背景下宁夏马铃薯主要种植区农业气候资源的演变趋势及空间分布格局，成果可为旱区农业应对气候变化、合理开发并利用气候资源，以及调整农业结构和种植制度等提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究所用气象数据来自宁夏气象局信息中心，宁夏马铃薯种植区8个气象观测站1981—2020年的平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数、平均相对湿度和平均风速的逐日数据；马铃薯生育期的数据来自宁夏回族自治区8 个马铃薯农业气象观测站2008—2020年的观测资料。

1.2 研究区域

宁夏马铃薯种植区主要集中在宁南山区，包括西吉县、隆德县、泾源县、彭阳县、原州区，其次是中部干旱带包括海原县、盐池县、同心县。这些地区属于雨养农业区，该区域土壤疏松、土层深厚，气候凉爽、昼夜温差大，为喜凉喜光、耐寒耐旱的马铃薯生长提供了很好的环境，其品质在国内属最好档次。利用宁夏马铃薯农业气象生育期观测资料，同时结合大田生产调查结果，统计出各县马铃薯全发育期时段、天数，具体见表1。

表1 宁夏马铃薯种植区全发育期时段和天数

1.3 方法

1.3.1 总辐射量总辐射量计算公式如式(1)～(5)所示。

式中，Rs为总辐射量[MJ/(m2·d)]，as为阴天的Ra余额[MJ/(m2·d)]，一般取as≈0.25；bs为比例因子，bs≈0.5，n为日照时数(h)，N为可照时数(h)。

其中，dr为日地距离系数(km)，ωs为太阳时角(rad)，δ为太阳赤纬(rad)，φ为测点纬度(rad)。J为年内日序，1月1日J=1[14-15]。

1.3.2 参考作物蒸散量参考作物蒸散量ET0(mm/d)可由彭曼公式计算，如式(6)所示。

式中，Rn为作物表面净辐射[MJ/(m2·d)]，G为土壤热通量密度[MJ/(m2·d)]，T为日平均气温(℃)，U2为2 m处平均风速(m/s)，VPD为水气压差(KPa)，Δ 为饱和水气压曲线斜率(Kpa/℃)，γ为干湿表常数。利用常规气象观测资料可计算每年逐日ET0[16-17]。

1.3.3 作物需水量作物需水量包括植物蒸散量和植物光合作用需水量，光合作用需水量所占比例很小，可忽略不计[17]。作物某段生育期第i日的需水量ETmi如式(7)所示。

其中ET0i为某段发育期第i日作物参考蒸散量；Kci为第i日作物系数，不同作物和不同生育阶段Kci不同。一般需采用试验确定，FAO根据世界上不同地区的大量试验，确定了马铃薯的Kc值，见表2。Kci可由表2线性内插，如Kc始、Kc中、Kc末分别是马铃薯前期、中期和后期的Kc值，与马铃薯分枝、花序形成—开花、可收期相对应，以出苗—分枝、分枝—开花、开花—可收前10 d、可收前10 d—收获分别定为0～0.4、0.4～1.15、1.15～0.75的Kc值，其余生长逐日Kci内插确定[18-20]。

表2 马铃薯Kc值（引自FAO）

1.3.4 气候倾向率采用倾向率表示某一气候因子的趋势变化，建立Xi与ti间的一元线性回归方程[21]，如式(8)所示。

式中，Xi为气候因子，ti为Xi对应的时间变化，n为样本量，a和b为回归系数。以b的10 倍表示变量的倾向率。

2 结果与分析

2.1 马铃薯生育期热量资源的时空分布

2.1.1 平均气温1981—2020年，宁夏马铃薯全生育期平均气温为14.9～20.5℃，平均值为16.8℃，总体呈南低北高的分布特点，最高值出现在、同心县、盐池县北部，最低值出现在泾源县、隆德县及及西吉县，其他县介于最高值与最低值之间（图1）。

图1 宁夏马铃薯全生育期平均气温空间分布

1981—2020年，马铃薯全生育期平均气温的变化趋势在0.20～0.49℃/10 a之间，平均值为0.39℃/10 a；宁夏马铃薯种植区全生育期平均气温均呈升高的趋势，原州区升温速率最快，盐池县全境、泾源县南部升温速率最慢，其他县介于两者之间（图2）。

图2 宁夏马铃薯全生育期平均气温变化趋势空间分布

2.1.2 平均最高气温1981—2020年，宁夏马铃薯全生育期平均最高气温为20.5～27.4℃，平均值为23.4℃，总体呈南低北高的分布特点（图3），与平均气温的分布特点类似。

图3 宁夏马铃薯全生育期平均最高气温空间分布

1981—2020 年，马铃薯全生育期平均最高气温的变化趋势在0.21～0.42℃/10 a之间，平均值为0.32℃/10 a；研究区域马铃薯全生育期平均最高气温均呈上升趋势。上升最快的地区是西吉县全境、隆德县全境、海原县南部，升温次快地区是海原县大部分地区、原州区大部分地区、彭阳县全境、泾源县大部分地区，升温最慢的区域是盐池北部（图4）。

图4 宁夏马铃薯全生育期平均最高气温变化趋势空间分布

2.1.3 平均最低气温1981—2020年，宁夏马铃薯全生育期平均最低气温为9.4～14.4℃，平均11.6℃，总体呈南低北高的分布特点（图5）。

图5 宁夏马铃薯全生育期平均最低气温空间分布

1981—2020年，来马铃薯全生育期平均最低气温的变化趋势在0.07～0.83℃/10 a之间，平均值为0.44℃/10 a；宁夏马铃薯种植区全生育期平均最低气温均呈升高的变化趋势，升温最快的地区是原州区大部分、彭阳县西部，升温最慢的地区是盐池北部（图6）。

图6 宁夏马铃薯全生育期平均最低气温变化趋势空间分布

2.1.4 气温日较差1981—2020年，宁夏马铃薯全生育期平均气温日较差为10.3～13.1℃，平均11.8℃，总体呈南低、北高的分布特点（图7）。

图7 宁夏马铃薯全生育期平均气温日较差空间分布

1981—2020年，来马铃薯全生育期平均气温日较差的变化趋势在-0.52～0.13℃/10 a 之间，平均值为-0.12℃/10 a；宁夏马铃薯全生育期平均气温日较差的变化趋势空间差异较大，呈下降趋势的地区主要集中在中部干旱带（图8）。

图8 宁夏马铃薯全生育期日较差变化趋势空间分布

2.2 马铃薯生育期光资源的时空分布

1981—2020，年宁夏马铃薯全生育期年平均总辐射量呈南低北高的变化趋势，全区马铃薯全生育期年均总辐射量为1921～2209 MJ/m2，平均2059.2 MJ/m2（图9）。

图9 宁夏马铃薯全生育期平均总辐射量空间分布图

1981—2020年，来马铃薯全生育期年总辐射量的气候倾向率为-26.5～21.1 MJ/(m2·10 a)，全区平均值为-10.2 MJ/(m2·10 a)，研究区域内大部分地区全生育期总辐射量呈下降趋势，正值主要分布在南部山区（图10）。

图10 宁夏马铃薯全生育期总辐射量变化趋势空间分布图

2.3 马铃薯生育期水资源的时空分布

2.3.1 降水量1981—2020，年宁夏马铃薯种植区，全生育期总降水量平均值在207～493 mm 之间，平均值为424.5 mm，呈现南多北少梯度分布，其中泾源县中南部最多，海原县北部、同心县、盐池县最少，其他各地介于两者之间（图11）。

图11 宁夏马铃薯全生育期平均降水量空间分布

1981—2020年，来马铃薯全生育期总降水量气候倾向率在-3.7～28.5 mm/10 a 之间，平均值为10.6 mm/10 a，大部区域呈现增多趋势，只有同心县西北部呈现减少趋势，其中增加较多地区是泾源县南部（图12）。

图12 宁夏马铃薯全生育期平均降水量变化趋势空间分布

2.3.2 需水量1981—2020，年宁夏马铃薯全生育期年平均需水量呈北部高、中部次高、南部低的分布特点，全生育期年需水量为295～458 mm，平均值为444.8 mm，需水量最少的地区为西吉县、隆德县、泾源县、彭阳县南部，最多地区是同心西北部、海原县东北部（图13）。

图13 宁夏马铃薯全生育期平均需水量空间分布图

1981—2020年，马铃薯全生育期年需水量的气候倾向率为-9.2～11.3 mm/10 a，全区平均值1.31 mm/10 a，盐池县、海原县呈下降的趋势，其余地区呈升高的趋势（图14）。

图14 宁夏马铃薯全生育期平均需水量变化趋势空间分布图

2.3.3 参考作物蒸散量1981—2020，年在宁夏马铃薯种植区，马铃薯全生育期年平均参考作物蒸散量呈北高南低、梯度依次递减的分布特点；种植区全生育期年均参考作物蒸散量为365～563 mm，平均值为541 mm，最高值出现在海原县北部、同心县西北部，所占面积较小；最小值分布在西吉县全境、隆德县全境、泾源县全境、彭阳县南部（图15）。

图15 宁夏马铃薯全生育期平均参考作物蒸散量空间分布

1981—2020年，马铃薯全生育期年参考作物蒸散量的气候倾向率为-12.4～13.3 mm/10 a，全区平均值为0.47 mm/10 a，西吉县东南部、隆德县全境、泾源县、彭阳县、原州区、海原县东部、同心县呈升高的趋势；盐池县、海原县西部、西吉县西北部全生育期年参考作物蒸散量呈减少趋势；其中盐池县减少速率最快（图16）。

图16 宁夏马铃薯全生育期平均参考作物蒸散量变化趋势空间分布

3 讨论与结论

（1）1981—2020年，在宁夏马铃薯主产区，气温依次从南到北梯度分布，且北高南低，这与宁夏地形地貌及下垫面有关；北部属于宁夏黄河灌溉区与南部山区过渡带，海拔高度低，土壤含沙量高，全生育期平均气温在17.7～20.5℃之间，平均最高气温23.5～27.4℃之间，平均最低气温为11.9～14.4℃之间，气温日较差在11.7～13.1℃；南部为海拔及植被覆盖度较高山区，全生育期平均气温在14.9～17.7℃之间，平均最高气温20.5～23.5℃之间，平均最低气温为9.4～11.9℃之间，温差在10.3～11.7℃之间，与实际情况相符合。

在马铃薯块茎膨大期，这个时期对温度要求比较严格，平均气温为15～19℃时对块茎的形成和增长最为有利，气温超过25℃时，马铃薯生长就会受到抑制[22]。从马铃薯喜温凉、怕高温霜冻生物学角度看，北部地区马铃薯发生霜冻概率较低，在开花期遇到高温会对马铃薯产量有负面影响，同时温差较大对马铃薯淀粉积累不利；南部山区发生早晚霜冻概率较高，在开花期一般不会遇到高温，产量相对稳定[23]，温差相对较小，有利于淀粉积累，品质上成；温度变化为上升趋势，南部山区温度增速高于北部干旱带，将来高温干旱会进一步影响马铃薯生长发育，同时遭遇霜冻危害会降低，建议种植中晚熟及抗霜冻品种。

（2）1981—2020 年，在宁夏马铃薯主产区的中部干旱带，太阳辐射在2060～2209 MJ/m2之间，变化趋势在-26.5～0.0 MJ/(m2·10 a)；南部山区太阳辐射在1921～2060 MJ/m2之间，变化趋势在0.0～21.1 MJ/(m2·10 a)之间，基本能满马铃薯生产的光照条件，光照变化对马铃薯生产影响不明显。

（3）1981—2020年，在宁夏马铃薯主产区，降水量依次从南到北梯度分布，且南高北低，需水量、参考作物蒸散量分布与降水量相反。南部山区受六盘山地形云影响，属于半干旱半湿润气候，降水量在208～493 mm 之间，需水量在295～375 mm 之间，参考作物蒸散量365～460 mm 之间，降水量气候倾向率在0.0～28.5 mm/10 a之间，降水量变化为增多趋势，无论是现阶段或将来，基本能满足马铃薯生长需要；北部属于宁夏中部干旱带，高温少雨，土壤沙化，蒸发量大，降水量在207～280 mm 之间，需水量在375～458 mm 之间，参考作物蒸散量460～565 mm 之间，降水量气候倾向率在-3.7～0.0 mm/10 a之间，变化为减少趋势。马铃薯属于高耗水作物，全生育期降水量以350～400 mm 最适宜[24]，随着气候变暖，宁夏中南部马铃薯生育期需水量增大，干旱状况更加严重，对水分的需求大[25]，不能满足马铃薯生长需要，只能人工补水，建议种植抗旱品种。