東北三省農業氣候生產潛力及氣候資源滿足率的研究

王 銘，李秀軍，劉興土，閆敏華，王國棟

(1. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林長春130012;2. 中國科學院研究生院，北京100049)

東北三省總土地面積78.89 萬km2，其中耕地面積25.60 萬km2，區域內包括松嫩平原、三江平原等國家主要糧食產區，糧食商品率達40%左右，是我國重要的商品糧基地［1－2］。由于東北地區地理環境復雜，氣候、土壤等自然資源條件的地理差異較大，各地農業生產發展仍很不平衡，農業生產潛力尚未充分發揮，農業實際生產力水平與生產潛力相比仍有不小的差距［3－4］。氣候資源生產潛力是氣候資源蘊藏的物質和能量所具有的潛在生產能力，通常可用氣候資源估算植被的生產潛力和作物的生產潛力。作物氣候生產潛力是評價農業氣候資源的判據之一，取決于光、溫、水三要素的數量及其相互配合協調的程度［5］。對一個地區氣候生產潛力進行估算，其結果不僅可以直接反映該地區的氣候生產力水平和農業資源協調的程度及其地區差異，而且從不同階段潛力值所反映出來的各影響要素對生產力衰減程度的差異中，可以分析出不同影響要素對生產力影響的大小，從而發現一個地區農業生產中的主導限制因素［6］。此外，氣候資源的滿足率表示某種氣候資源對作物生長的滿足程度，對該地區的氣候資源對氣候生產潛力的滿足率進行計算，可以更好的反映當地氣候條件對氣候生產潛力的影響程度。

1 資料與方法

應用地理信息系統(GIS)的空間分析功能與數據庫管理系統技術，對黑龍江、吉林、遼寧三省所屬縣市87 個氣象站點自1951－2006 年的月平均氣象數據進行處理，采用逐級修訂的方法計算東北三省主要糧食作物玉米、大豆和水稻的氣候生產潛力，氣象站點分布情況如圖1 所示。

依據作物能量轉化及產量形成過程，逐步“衰減”計算農業氣候生產潛力，其函數式為:

式中:YW—氣候生產潛力，Q—生育期太陽總輻射，f (Q)—光合有效系數，YQ—光合生產潛力，f (T)—溫度有效系數，YT—光溫生產潛力，f (W)—水分有效系數。采用符合研究區域特點的各級有效系數，分作物、分生育期計算氣候生產潛力［8］。

1.1 光合生產潛力研究方法

作物光合生產潛力是指在溫度、水分、品種、土壤以及其它農業技術條件都適宜的條件下，僅由自然輻射決定的單產水平。以月均太陽總輻射值為基本數據，并分生育期對各月數據進行訂正(針對研究區的實際情況，所選作物生育期為5－9 月份)。計算公式為:

其中:C—單位換算系數，統一取666.7;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如表1 所示。

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 each parameter for photosynthesis potential productivity

1.2 溫度修正系數

光溫生產潛力應用的計算公式為:

其中:YT—光溫生產潛力;f (T)—溫度修正系數;f (n)—有效生育日數修訂函數。溫度衰減過程的訂正是利用月平均溫度分段進行訂正的，采用針對東北地區實際情況的溫度修正函數;

式中:T—5－9 月各月的平均氣溫，T0、T1、T2—作物生產的三基點溫度，分別指不同作物在該時段內生長發育的最適溫度、下限溫度和上限溫度。主要作物不同時期的T0、T1、T2值如表2 所示。

表2 主要作物高產條件下的三基點溫度Table 2 There fundamental points temperatures of main crops with high yield℃

1.3 作物有效期生育系數及降水修訂系數

f (n)也是由溫度條件決定的作物有效生育日數修訂函數。東北春、秋氣溫較低，日平均氣溫多在≥10℃附近，約1.7 d 的溫度累積才相當于1 d 的溫度。作物產量與有效生育日數的關系是線性的，故

式中:n—有效生育日數(≥10℃的日數，n≤165);n0—5－9 月份的日數。

應用農田水分評價模式來定量評價各生長期水分資源對農作物生長發育的滿足程度，表達式為:

式中:Rj—5－9 月各月平均大氣降水;Wj—某時期、某作物的需水量，mm;Ej—草地蒸發力;k—經驗參數，當△Wj≥2mm 時，農田水分過多，k ＜1;△Wj＜2mm 時，降水適中或偏少，k =1。aj—作物不同時期的作物系數，研究所采用的作物系數值如下:

2 氣候生產潛力分析

2.1 光合生產潛力

根據東北三省各地5－9 月太陽總輻射量［7］和公式(2)計算得出光合生產潛力分布圖，見圖2。

圖2 東北三省玉米、大豆、水稻光合生產潛力分布Fig.2 Spatial distribution of photosynthesis potential productivity of main crops in Northeastern China

可以看出東北三省光合生產潛力主要與太陽輻射的空間分布有很大關系。黑龍江省的齊齊哈爾地區，吉林省的洮南、白城、通榆以及遼寧省的建平、朝陽、凌源、綏中等地是光合生產潛力最高的地區，而黑龍江省的塔河、鶴崗以及吉林省的長白地區則屬于光合生產潛力最低的地區。盡管3 種作物的光合生產潛力的空間分布趨勢一致，但是不同作物的光合生產潛力存在差異，玉米、大豆和水稻的光合生產潛力最高值分別為25 363 kg·hm－2、7 060 kg·hm－2和21 570 kg·hm－2;最低值分別為21 953 kg·hm－2、6 110 kg·hm－2和18 562 kg·hm－2;最高值和最低值的差值分別為3 410 kg·hm－2、950kg·hm－2和3 008 kg·hm－2。

2.2 光溫生產潛力

根據公式(3)對作物的光合生產潛力進行溫度修訂，得出東三省的玉米、大豆、水稻光溫生產潛力分布。作物的光溫生產潛力與光合潛力高值區與低值區分布基本一致。但是，由于在生長季內各地的溫度不同，見圖3，以至于其滿足作物生長所需溫度的程度不同，也出現不同于光合生產潛力分布的區域，見圖4。光溫生產潛力最高地區為遼寧省的朝陽、鞍山和綏中地區，其玉米、大豆和水稻的最大光溫生產潛力分別為25 856 kg·hm－2、7 478 kg·hm－2和21 152 kg·hm－2，吉林省的通榆和雙遼地區也是玉米光溫生產潛力較大的地區;由于溫度較低，大興安嶺地區的漠河、新林以及塔河均為光溫生產潛力較低地區，玉米、大豆、水稻的最低值分別為2 980 kg·hm－2、1 064 kg·hm－2和547 kg·hm－2;由此可見，溫度是制約大興安嶺地區農業發展的主要限制因素。

圖3 東北三省5－9 月平均溫度分布Fig.3 Distribution of average monthly temperature from May to September in Northeastern China

圖4 東北三省玉米、大豆、水稻光溫生產潛力分布Fig.4 Spatial distribution of photosynthesis temperature potential productivity of main crops in Northeastern China

2.3 氣候生產潛力

根據公式(1)計算得到玉米、大豆、水稻的氣候產量分布圖，圖5 為東北三省5－9 月的月降水量分布。

玉米、大豆和水稻的氣候潛力均呈現出由西北向東南逐漸增加的趨勢，這與降水逐漸增加的地帶性規律相似，見圖6。氣候生產潛力的最高值均出現在吉林省的永吉、樺甸、梅河口地區。與前文中分析結果相比較可知，吉林西部的洮南、通榆和雙遼以及遼寧省的彰武、建平、朝陽等地盡管光溫生產潛力最高，但由于作物生長季降水較少，水分系數較小，導致氣候生產潛力下降較多，成為氣候生產潛力最低的地區。這也證明了在吉林省以及遼寧省的西部地區，水分是限制作物生產潛力發揮的重要影響因素。黑龍江省的大興安嶺地區雖然不是降水量最低的地區，但由于溫度原因仍然是氣候生產潛力較低的地區。黑龍江省的中東部地區和吉林省的東南部地區由于水熱條件較好，均是氣候生產潛力較高地區。

圖5 東北三省5－9 月的月降水量分布Fig.5 Distribution of average monthly precipitation from May to September in Northeastern China

圖6 東北三省玉米、大豆、水稻氣候生產潛力分布Fig.6 Spatial distribution of climate potential productivity of main crops in Northeastern China

2.4 東北三省氣候生產潛力分析

東北三省光合生產潛力、光溫生產潛力及氣候生產潛力最高值、最低值、平均值計算結果如表4。

表4 東北三省農業生產潛力計算結果Table 4 Calculated results of potential productivity in Northeastern Chinakg·hm －2

由表中可以看出，盡管東北三省地域較廣，但各地光合生產潛力差異不明顯，玉米、大豆水稻的光合生產潛力的標準差分別為1 347 kg·hm－2、375 kg·hm－2和1 144 kg·hm－2，其最高值與最低值之比均為1.16 倍。由于東北三省由南向北跨越緯度較大，各地溫差較大，生育期溫度對作物適宜性也有較大差異;因此，各地的光溫生產潛力的差異非常大，由表4 可看出，各地光溫生產潛力的標準差幾乎是光合生產潛力標準差的3～4 倍。大豆光溫生產潛力的各地差異相對較小，但最高值仍然達到最低值的7 倍。水稻的光溫生產潛力差異最大，最高值與最低值之比達到38.67。大豆和玉米的光溫生產潛力的最大值高于其光合生產潛力最大值，這主要是由于部分地區溫度修正系數f (T)較大時(0.9 以上)，且當有效生育日數大于5－9 月份總日數時，通常f (n)≥1，使得該地區的光溫生產潛力并沒有消減反而提升了。由于各地降水條件差異較大，月均降水量范圍在83 mm～489 mm 之間，使得作物的氣候生產潛力有較大差異。水稻作為一種對水分有較高要求的作物，其氣候潛力空間分布差異較大，最高值與最低值的比值達14.54。

3 溫度和水分的滿足率

3.1 溫度滿足率

東北三省光能資源比較豐富，所以光并不是農業生產的主要限制因素。溫度、降水等因素分布的不均勻性，是影響農業生產的最主要因素。通過分析溫度滿足率TCR 和水分滿足率WCR 可以揭示溫度和水分對生產潛力的影響程度，即溫度和降水滿足作物需求的程度。溫度滿足率一般采用光溫生產潛力與光合生產潛力之比來表示，即TCR=YT/ YQ。東北三省的玉米、大豆、水稻的生產潛力溫度滿足率如圖7 所示。

圖7 東北三省玉米、大豆、水稻生產潛力溫度滿足率分布Fig.7 The temperature requirement rate of main crops in Northeastern China

由圖7 可知，遼寧省生產潛力的溫度滿足率明顯高于吉林省和黑龍江省。東北三省玉米、大豆、水稻生產潛力溫度滿足率最高地區都為遼寧省的鞍山、朝陽、新民、錦州等地，且其溫度滿足率均達到或接近于1，可見當地的溫度可以完全滿足作物生長的需要。溫度滿足率最低的地區主要是在大興安嶺地區的漠河、塔河、新民等地，其中漠河的水稻的溫度滿足率最低，僅為0.028，玉米的最低溫度滿足率為0.13，大豆的最低溫度滿足率為0.167。

3.2 水分滿足率

在自然降水條件下，水分滿足率可以用氣候生產潛力與光溫生產潛力的比值來表示，WCR =YW/ YT。東北三省的玉米、大豆、水稻生產潛力水分滿足率見圖8。

由圖8 可以看出，3 種作物的水分滿足率與溫度滿足率存在較大差異，遼寧省的鞍山、朝陽、新民一帶是東北三省溫度滿足率最高的地區，卻是水分滿足率最低的地區，該地區玉米的最低水分滿足率為0.115，大豆為0.11，水稻為0.09。水分滿足率最高的地區為吉林省的汪清、敦化、蛟河一帶，以及黑龍江省的綏芬河、伊春地區，玉米的最高水分滿足率為0.90，大豆為0.88，水稻為0.75。黑龍江省的大興安嶺地區是溫度滿足率最低的地區，但是其降水量較為豐富，是水分滿足率較高的地區。

圖8 東北三省玉米、大豆、水稻生產潛力水分滿足率分布Fig.8 The precipitation requirement rate of main crops in Northeastern China

4 結論

綜合以上分析，可以看出東北地區的北部溫度滿足率和西部水分滿足率均較低，若要發展農業，這些地方主要要通過農業基礎設施解決保溫和補水問題。東北三省的中部、南部、東部均是生產潛力較高的地區。目前，東北三省在溫度、水分條件適宜的年份，通過實施高產栽培技術體系創造的作物高產紀錄為玉米18 000 kg·hm－2、大豆4 400 kg·hm－2、水稻13 500 kg·hm－2，分別相當于光合生產潛力最高值的70.9%、62.3%、62.6%，平均值的76.0%、66.8%、67.3%。目前東北三省主要作物的平均單產，玉米6 150 kg·hm－2、大豆1 875 kg·hm－2、水稻7 560 kg·hm－2，僅分別相當于氣候生產潛力最高值的41.4%、42.1%和80.5%。表明在各地的氣候背景下糧食增產仍有較大潛力。

［1］劉興土，佟連軍. 東北地區糧食生產潛力的分析與預測［J］. 地理科學，1998，18 (6):501－509.

［2］馬樹慶，袁福香，郭春明. 東北區主要糧豆作物氣候生產潛力實現率及其提高途徑［J］. 農業系統科學與綜合研究，1999，15(3):203－208.

［3］劉興土，何 巖，鄧 偉，等. 東北區域農業綜合發展研究［M］. 北京:科學出版社，2002.

［4］馬樹慶. 東北區農業氣候土壤資源潛力及其開發利用研［J］. 地理科學，1995，15 (3):243－252.

［5］Schulze R. Transcending scales of space and time in impace studies of climate and climate change on agrohydrological response ［J］. Agriculture，Ecosystems and Environment，2000，82:185－212.

［6］江愛良. 農業氣象和農業發展的戰略研究［J］. 中國農業氣象，1990，11 (1):1－4.

［7］劉紹民，李銀芳. 新疆月太陽總輻射氣候學計算方法的研究［J］. 干旱區地理，1997 (03):75－80.

［8］馬樹慶. 吉林省農業氣候研究［M］. 北京:氣象出版社，1996.

［9］楊恒山，王 芳，張冬梅，等. 哲里木盟4 種主要農作物氣候生產潛力變化及對比分析［J］. 哲里木盟畜牧學院學報，1999，9(2):19－24.

［10］王宗明，張 柏，張樹清，等. 松嫩平原農業氣候生產潛力及自然資源利用率研究［J］. 中國農業氣象，2005，26 (1):1－6.

［11］李春云，戴玉杰，姜秀萍. 蒸發勢的一種計算方法［J］. 內蒙古氣象，2000 (01):27－29.