黑龍江省作物氣候生產潛力估算

楊重一，龐士力，孫彥坤

（1.遼寧省桓仁縣林業局，遼寧 桓仁 117200；2.遼寧省桓仁縣環保局，遼寧 桓仁 117200；3.東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030）

近年來，隨著人口劇增、耕地銳減和環境退化，糧食生產顯得日益迫切，成為農業可持續發展的重要因素。在諸多影響作物產量的因子中，氣候對農業產生巨大的影響，氣候變化如極端氣候事件頻率的變化，使農業面臨嚴峻的挑戰。因此建立農作物和氣候因子相聯系的模型和方法估算農作物產量對于探討氣候變化對農業的影響，尤其是對主要農作物產量的影響顯得尤為重要[1-4]。

黑龍江省處于我國最北部。其土地資源豐富，具有發展農業生產的良好自然條件，世界僅存三大黑土帶之一位于其中，土質肥沃，水源充足，耕地連片，地勢平坦，適合機械化作業，并且是全國耕地最多的省份，是我國重要的商品糧基地。

黑龍江省目前種植面積最多的有玉米、大豆和水稻。但由于全省南北跨越10個緯度，熱量條件差別很大，各類型的品種存在明顯的北界和垂直分布界限。

1 材料與方法

眾多學者已從不同層次，不同角度對農業氣候生產潛力進行了研究，總結出大量有價值的估算方法，其中機制法（潛力遞減法）由于其物理意義清晰，因果關系明確，目前應用最為廣泛[5]。

式中，YW-氣候生產潛力（kg·hm-2）；Q-5～9月太陽總輻射（MJ·m-2）；f（Q）-光合有效系數；YQ-光合生產潛力（kg·hm-2）；f（T）-溫度有效系數；YT-光溫生產潛力（kg·hm-2）；f（W）-水分有效系數。

1.1 光合生產潛力

式中，C-單位換算系數；YQ-單位面積光合生產潛力（kg·hm-2），∑Qi-生長季各月總輻射量（MJ·m-2），其他參數的意義和取值參照馬樹慶等[6]。結果見表1。

表1 計算光合生產潛力各參數的意義及取值Table 1 Meaning and value of photosynthesis productivity potential

1.2 光溫生產潛力

式中，B=（T2-T0）/（T0-T1），T-5～9月各月的平均氣溫，作物生育期三基點溫度：T1-下限溫度（℃），T2-上限溫度（℃），T0-最適溫度（℃）。

1.3 氣候生產潛力

式中，ΔWj=Rj-Wj，Wj=Ej·αj，Rj-5～9月各月平均降水量（mm）；Wj-某時期、某作物的需水量（mm）；k-經驗參數，當ΔWj≥2 mm時，農田水分過多，k=Wj/Rj；ΔWj＜2 mm時，降水適中或偏少，k=1；Ej-蒸發勢月合計值（mm），計算公式采用國內學者進行風速修正后的簡便算法[7]。

T-平均氣溫（℃）；f-相對濕度（%）；u-風速（m·s-1）；αj-作物不同時期的作物系數。

因水田以水利灌溉為前提，故這項分析只考慮旱田作物玉米和大豆，但灌溉用水也受到降水的影響，水田供水也很難達到100%滿足水稻要求。一般認為，在目前的生產條件下，水田供水滿足程度約為92%[8]。

1.4 氣候生產潛力相對變率指標

1.5 氣候生產潛力變異系數指標

資料為黑龍江省所屬75個縣市氣象站點自建站至2006年5～9月月平均輻射量、月平均溫度、月平均降水、月平均相對濕度和風速。

2 結果與分析

由于太陽輻射的逐年變化并不明顯，故本文分析只考慮溫度和降水對氣候生產潛力的影響。

2.1 光溫生產潛力空間分布

根據公式（1）～（4），計算得到三種作物（玉米、水稻、大豆）的光溫生產潛力，圖1為在GIS支持下作出的玉米光溫生產潛力分布圖。從溫度訂正系數及圖中光溫生產潛力分布可以看出黑龍江省的光溫生產潛力主要與溫度的空間分布有關，自南向北逐漸降低并呈帶狀分布。泰來、杜蒙、肇源、齊齊哈爾、肇州是光溫生產潛力較高的地區，漠河、塔河、伊春、黑河、孫吳、呼瑪是光溫生產潛力較低的地區，與平均溫度的高值區和低值區的分布大致相同。玉米、水稻和大豆的光溫生產潛力最高值分別為25 973、22 155和7 357 kg·hm-2，最低值分別為 3 780、306 和 1 298 kg·hm-2。

2.2 氣候生產潛力空間分布

由于本文將水稻的水分有效系數定為0.92，因此水稻的氣候生產潛力分布與光溫潛力分布空間形式一致，只是數量有所衰減。根據公式（5）～（7），得出玉米和大豆的氣候生產潛力值，并在GIS支持下作圖2。如圖所示，玉米氣候生產潛力較高的地區為泰來、呼蘭、賓縣、肇源、阿城、和肇洲等。較低的地區為漠河、塔河、孫吳、五大連池、伊春、和綏芬河等。大豆氣候生產潛力較高的地區也為泰來、呼蘭、五常、雙城、阿城、賓縣等。較低的地區為漠河、塔河、杜蒙、五大連池、孫吳、伊春和嫩江。杜蒙、龍江、齊齊哈爾雖然是光溫生產潛力較高的地區，但由于作物生長季降水量較少，水分有效系數較小，導致氣候生產潛力下降較多，成為氣候生產潛力較低的地區，這說明了水分是限制黑龍江省作物生產潛力發揮的重要因素。

圖1 玉米光溫生產潛力分布Fig.1 Space distribution of maize photosynthesistemperature potential productivities

圖2 玉米氣候生產潛力分布Fig.2 Space distribution of maize climatic potential productivities

由于黑龍江省地域廣大，各地溫度條件差異很大，生育期溫度對作物氣候生產潛力的影響有較大差異，因此，光溫潛力在各地的差異很大。玉米、水稻，大豆光溫潛力的標準差分別為3 565、3 514和969 kg·hm-2，甚至水稻最高值是最低值的72.43倍。由于降水條件的影響，黑龍江省作物氣候生產潛力的地域差異也很大。三種作物中大豆的地域差異是最小的，其次為玉米，水稻的光溫生產潛力地域差異最大，對溫度反映最為敏感，但由于將水分有效系數定為0.92，所以氣候生產潛力的地域變化與光溫生產潛力保持一致。

2.3 氣候生產潛力動態變化指標

2.3.1 氣候生產潛力變率

根據公式（8）得出三種作物的氣候生產潛力變率，其分布的大致特點是氣候生產潛力越大的地方，變率越小；氣候生產潛力越小的地方，變率越大。玉米氣候生產潛力變率的低值區為海林（11.76%）、呼蘭（12.22%）、林口（12.79%）、雙城（12.86%），穆棱（12.95%）；水稻氣候生產潛力變率的低值區為杜蒙（4.90%）、泰來（4.95%）、肇州（5.31%）、安達（5.70%）和肇東；大豆的低值區為海林（10.93%）、林口（11.58%）、寧安（12.17%）、呼蘭（12.22%）和穆棱（12.48%）。這些地區作物氣候生產潛力年季變化小，出現高產年或低產年的可能性小。三種作物氣候生產潛力變率高值區分別為玉米：克山（20.33%）、呼嗎（20.97%）、孫吳（21.12%）；水稻：孫吳（25.16%）、綏濱（33.62%）、肇源（60.05%）；大豆：孫吳（20.23%）、克山（20.45%）、杜蒙（20.70%）。這些地區作物氣候生產潛力年季變化大，出現高產年或低產年的可能性大。

2.3.2 氣候生產潛力變異系數

根據公式（9）得出三種作物的氣候生產潛力變異系數。溫度和降水量的不穩定是引起氣候生產潛力不穩定的重要因素，在黑龍江省包括哈爾濱所屬各縣市，綏化中部和東南部地區熱量資源豐富，又為半濕潤地區，水熱條件配合較好，為穩定區；西南部地區熱量資源很好，水分卻嚴重不足，所以雖然產量低但穩定性也很高；包括牡丹江及綏化西部和南部地區由于降水，其穩定性稍低；而包括整個大，小興安嶺的北部地區雖然水分條件好，但熱量資源的不豐富使得此地氣候生產潛力穩定性很差。

低值區為玉米：海林（0.15）、雞西（0.16）、樺川（0.16）、呼蘭（0.16）、穆棱（0.16）；水稻：泰來（0.06）、杜蒙（0.06）、肇州（0.07）、安達（0.08）、東寧（0.08）；大豆：海林（0.14）、林口（0.15）、穆棱（0.15）、呼蘭（0.16）、樺川（0.16）。這些地區作物氣候生產潛力穩定性好。高值區為玉米：綏芬河（0.26）、孫吳（0.27）、克山（0.28）；水稻：孫吳（0.33）、綏濱（0.37）、肇源（0.62）；大豆：孫吳（0.26）、杜蒙（0.26）、克山（0.29）。這些地區的作物氣候生產潛力的穩定性差。

3 討論與結論

a.由于黑龍江省由于南北跨度大，各地光溫潛力差異較大，且從北到南呈增加趨勢。玉米、水稻和大豆的光溫生產潛力最高值分別為25 973、22 155和7 357 kg·hm-2，最低值分別為3 780、306和1 298 kg·hm-2；光溫潛力的地區差異大豆＜玉米＜水稻。

b.對于玉米和大豆而言，由于各地作物生育期內降水的地帶性分布，使得各地氣候生產潛力也具有較大差異，玉米和大豆的氣候生產潛力最高值分別為14 893和4 115 kg·hm-2，最低值分別為2 267和779 kg·hm-2；水稻由于灌溉，氣候生產潛力分布一般與光溫生產潛力分布一致。

c.氣候生產潛力越大的地方，變率越小；氣候生產潛力越小的地方，變率越大。溫度和降水量的不穩定是引起氣候生產潛力不穩定的重要因素，哈爾濱所屬各縣市，綏化中部和東南部地區水熱條件配合較好，為穩定區；西南部地區熱量資源很好，水分卻嚴重不足，所以雖然潛力較低但穩定性也很高；牡丹江及綏化西部和南部地區由于降水變率大，其穩定性稍低；而整個大、小興安嶺的北部地區雖然水分條件好，但熱量資源的不豐富使得氣候生產潛力穩定性很差。

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