內蒙古東部農業熱量資源的空間分異及玉米資源利用率

郭 佳，張寶林，2，高聚林，王志剛，宋佳欣

(1.內蒙古師范大學 化學與環境科學學院，呼和浩特 010020; 2. 內蒙古自治區環境化學重點實驗室，呼和浩特 010020；3.內蒙古農業大學 農學院，呼和浩特 010019)

熱量資源是某一區域特定的氣候條件下熱量的多寡，影響著生物的地理分布、生態型、發育與繁衍等，也是決定農業結構和熟制的重要因素。農業生產中常用的熱量指標有平均溫度、積溫、無霜期等。積溫是作物完成某一發育階段或生命過程所需的熱量積累，是評價熱量資源的常用指標。在氣候變化背景下，世界廣泛開展了熱量資源的變化研究，在意大利[1]、波蘭[2]、美國[3]、智利[4]、阿根廷[5]及中國[6]開展的氣候變化對農業影響的研究較多，選取的熱量指標以平均氣溫、季節極端氣溫、無霜期及生長季節為主，結果均表明變暖趨勢明顯，嚴重影響農業生產。溫度升高使熱量資源時空分布發生改變[7- 8]，中國≥10 ℃時間由南到北、由東到西、由低海拔到高海拔呈減少趨勢[9]，華北[10]、華南[11]、華東[12]及東北地區[7]熱量資源也呈現相似變化趨勢。溫度升高引起的熱量資源變化，影響作物的生長發育與氣候適宜性[13]。在東北地區，玉米向晚熟方向發展，種植區域向東北擴大[14]，內蒙古東部的溫涼區具有成為玉米穩產區的潛力[15]。PRECIS A2模式預測未來中國大部分地區熱量資源將有不同程度的增加，合理調整農作物布局，可以提高糧食產量[16]。

氣候變化帶來的農業熱量資源改變，給農業生產帶來很大的不確定性。但是，自然稟賦是農業生產過程中最難改變、影響最大的因素[17]，應將其中的氣候資源納入影響糧食安全的要素之中[15, 18]，充分挖掘農業熱量資源利用率[19]，實現綠色增產。目前，農業熱量資源研究多限于基于氣象站點觀測數據的區域熱量資源分析，缺少空間分析和多點聯合試驗。糧食作物生產能力優勢分析表明內蒙古是玉米主產區[20]，其東部四盟市(赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市)是主要種植區[18]。本研究在內蒙古東部四盟市周邊35個氣象站2017—2018年日均溫的基礎上，分析農業熱量資源的時空分布，并利用7個不同熟性玉米品種開展區域聯合試驗，分析農業生產實踐中熱量資源的利用情況，為提高自然資源利用率、實現農業生產的優質增產增效、保障國家糧食安全提供理論基礎和技術支撐。

1 材料與方法

研究區域為內蒙古東部四盟市，包括赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市(圖1)，該區域以大陸性季風氣候為主，有山地、丘陵、平原和高原等多種地形地貌。

圖1 研究區域及氣象站點、試驗點的分布Fig.1 Area and distribution of meteorological and experimental stations

研究所用數據來源于全球地表日數據集(Global Surface Summary of the Day，GSOD)。10 ℃是喜溫作物(如玉米)生長的生物學下限溫度，是喜溫作物春季開始播種與生長的溫度。本研究選用日平均溫度≥10 ℃活動積溫來表示作物生長期熱量狀況，采用5日滑動平均法確定 ≥10 ℃初始日、終止日和積溫[21]。同時，基于研究區域及其周邊35個氣象站點(圖1)2017—2018年逐日氣溫數據，利用ArcGIS反距離空間插值法，研究熱量資源空間分異，包括≥10 ℃初始日、終止日、持續時間、≥10 ℃積溫和生長季積溫占比。生長季積溫占比(ATgs)是農作物從出苗到成熟收獲期間≥10 ℃積溫占全年≥10 ℃積溫的比例，本研究以生長季(5—9月)≥10 ℃積溫占全年積溫的百分比來表示。

為了研究內蒙古東部地區玉米的氣候資源利用情況，在2017-2018年開展區域聯合試驗，在呼倫貝爾市扎蘭屯市(Zhalantun)、興安盟扎賚特旗(Zhalaite)、通遼市科爾沁區(Tongliao)和赤峰市松山區(Chifeng)(圖1)4個地區，按傳統種植模式，種植 ‘德美亞1號’(DMY1，極早熟)、 ‘豐墾008’(FK008，早熟)、‘38P05’(38P05，中早熟)、‘九玉1034’(JY1034，中早熟)、‘先玉335’(XY335，中熟)、‘利禾1號’(LH1，中晚熟)和‘京科968’(JK968，晚熟)7個不同熟性玉米，實地觀測溫度變化，考察傳統種植方式下，不同熟性玉米的熱量資源利用情況。試驗小區為10行區，行距0.60 m，株距0.22 m，行長6 .00 m；收獲時，按中間8行折算單位面積產量。

2 結果與分析

2.1 內蒙古東部農業熱量資源的空間分異

2.1.1 ≥10 ℃積溫起始日的空間變化 ≥10 ℃起始日在赤峰市、通遼市和興安盟地區的空間變化表現為由東南向西北推遲，在呼倫貝爾市沿大興安嶺向兩側提前，2017年(圖2)和2018年(圖2)變化趨勢一致。≥10 ℃起始日在通遼市出現最早，其次是赤峰市和興安盟，在呼倫貝爾市出現最晚。2017—2018年，通遼市大部穩定通過10 ℃起始日為4月上中旬，赤峰市為4月中下旬，興安盟為4月下旬，呼倫貝爾市為5月上旬。

2.1.2 ≥10 ℃積溫終止日的空間變化 ≥10 ℃終止日在赤峰市、通遼市和興安盟地區的空間變化表現為由西北向東南推遲，在呼倫貝爾市沿大興安嶺向兩側推遲(圖3)。≥10 ℃終止日在通遼市出現最晚，其次是赤峰市和興安盟，呼倫貝爾市最早。在各玉米種植區，2017—2018年，通遼市大部≥10 ℃終止日為10月上旬，赤峰市大部為9月下旬—10月上旬，興安盟為9月下旬，呼倫貝爾市為9月中旬。

2.1.3 ≥10 ℃積溫持續時間的空間變化 內蒙古東部穩定通過≥10 ℃持續時間在赤峰市、通遼市和興安盟地區的空間變化表現為由東南向西北減少，在呼倫貝爾市沿大興安嶺向兩側增加，2017年(圖4)和2018年(圖4)變化趨勢一致。 ≥10 ℃持續時間基本表現為通遼市最長，其次是赤峰市和興安盟，呼倫貝爾市最短。在各玉米種植區，2017—2018年，通遼市大部≥10 ℃持續時間大于160 d，赤峰市大于150 d，興安盟大于 140 d；呼倫貝爾市大于120 d，其嶺東的玉米種植區扎蘭屯市、阿榮旗及莫力達瓦達斡爾族自治旗大部地區在120～130 d，東南端達130 d以上。

圖2 ≥10 ℃起始日的空間變化Fig.2 Spatial variations in initial days of temperature above 10 ℃

圖3 ≥10 ℃積溫終止日的空間變化Fig.3 Spatial variations in terminal days of temperature above 10 ℃

2.1.4 ≥10 ℃積溫的空間變化 ≥10 ℃活動積溫在赤峰市、通遼市和興安盟地區的空間變化表現為由西北向東南增加，即呈現西北-東南方向傾斜的緯度地帶性，隨著緯度的升高，積溫減少；在呼倫貝爾市沿大興安嶺向兩側增加，2017年(圖5)和2018年(圖5)變化趨勢一致；整體空間變化趨勢與≥10 ℃持續時間基本一致。在內蒙古東部玉米主產區，通遼市大部和赤峰市東南部2017年≥10 ℃積溫大于3 100 ℃·d，2018年大于3 400 ℃·d。

圖4 ≥10 ℃積溫持續時間的空間變化Fig.4 Spatial variations of temperature duration above 10 ℃

圖5 ≥10 ℃積溫的空間變化Fig.5 Spatial variations in accumulated temperature above 10 ℃

2.2 內蒙古東部農業熱量資源潛力的空間分異

內蒙古東部糧食作物的主要生長季節是5—9月，熱量資源利用率可用生長季積溫占比來表示。2017年(圖6)和2018年(圖6)內蒙古東部生長季積溫占比基本呈現西北高、東南低的特點，并沿大興安嶺向南北兩側降低(圖6)。根據生長季積溫占比可知，赤峰市和通遼市西北部、烏蘭浩特市、科爾沁右翼前旗以北地區生長季積溫占比在90%以上，尤其是烏蘭浩特市、科爾沁右翼前旗以北，生長季≥10 ℃積溫占全年積溫的絕大部分。通遼市、赤峰市的東南部生長季積溫占比向東南方向逐漸降低，甚至低于85%。因此，在內蒙古東部玉米主產區，在農業生產中，農事安排應該考慮熱量資源的時空匹配問題。

圖6 2017—2018年生長季≥10 ℃積溫占比的空間分異Fig.6 Spatial variations of ATgs from 2017-2018

2.3 基于聯合試驗的農業熱量資源利用分析

2.3.1 不同地區玉米物候的差異 根據2017—2018年區域聯合試驗，不同熟性玉米播種期(S)、出苗期(VE)、吐絲期(VT)和成熟期(R6)在不同地區出現的日期不同(表1)。在赤峰市和通遼市，不同熟性玉米品種收獲期可從8月下旬延至10月上旬，如在赤峰市松山區，2017年早熟品種‘德美亞1號’在8月28日成熟，而晚熟品種‘京科968’在10月2日成熟，說明在農業熱量資源豐富的地區，積溫可利用潛力較大；不同熟性玉米品種熱量資源利用率不同，播種中晚熟品種，可充分利用熱量資源，提高產量。

表1 內蒙古東部主要玉米物候期Table 1 Maize phenology in eastern Inner Mongolia

注：S.播種期；VE.出苗期；VT.吐絲期；R6.成熟期。

Note:S.Sowing;VE.Emergence;VT.Tasseling;R6.Maturity.

2.3.2 不同地區生長季內日均溫的變化分析 從玉米播種到收獲，各地區日均溫的變化呈單峰曲線，最高溫出現在7月中下旬。地區間溫度的差異，基本上表現為通遼市>赤峰市>扎賚特 旗>扎蘭屯市(圖7)。從氣溫波動情況來看，春末夏初(5—6月)和初秋(9—10月)氣溫波動較大，可能遭遇氣象災害，對農業生產不利；但是，如果能夠充分利用這些時段≥10 ℃積溫，可以實現綠色增產。此外，興安盟扎賚特旗溫度變異較小，尤其是2017年，如果采取合理的農藝措施，充分挖掘利用熱量資源，易于實現增產穩產。

2.3.3 不同地區玉米積溫利用分析 從出苗期-成熟期，不同熟性玉米品種在不同地區所利用的積溫(圖8)及產量(圖9-a)有所差異。以‘京科968’為例，在赤峰市松山區，生育期積溫達 2 900～3 000 ℃·d，在扎蘭屯市生育期積溫約 2 500 ℃·d，該品種充分利用了地區有效積溫，品種特性使其適合于在有效積溫較高地區種植；而‘德美亞1號’未充分利用有效積溫，適宜于有效積溫較低的地區種植。在積溫較少的地區，播種生育期較長的品種則不能完全成熟。例如，在熱量資源欠缺的扎蘭屯地區，播種中熟、中晚熟和晚熟品種易遭受霜凍害，2017年9月27日，扎蘭屯試驗地遭受霜凍，生育期較長的玉米品種葉片全部受害，未完全成熟：‘先玉335’(中熟品種)，蠟熟末期；‘利禾1號’(中晚熟品種)，蠟熟中期；‘科968’京(晚熟品種)，乳熟末期蠟熟初期。兩年試驗表明，赤峰地區玉米單位面積產量表現為‘利禾1號’>‘先玉335’>‘京科968’>‘九玉1034’>‘38P05’>‘豐墾008’>‘德美亞1號’(圖9-a)，除了‘京科968’以外，基本表現是隨著生育期的延長，由于充分利用了光熱資源，產量呈增加趨勢。玉米產量與生長季熱量為正相關關系，產量隨熱量資源的增加呈單峰曲線變化(圖9-b)，表明在一定生態區，熱量資源是玉米增產的重要因素。

圖7 2017—2018年試驗站玉米生長期內日均溫Fig.7 Average daily temperature in maize growing season at experimental stations from 2017-2018

圖8 2017—2018年試驗站不同熟性玉米≥10 ℃積溫Fig.8 Accumulated temperature in maize growing season at experimental stations from 2017-2018

圖9 2017—2018年赤峰不同熟性玉米產量(a)及其與積溫的關系(b)Fig.9 Maize yield (a) and its relationship with accumulated temperature (b) in 2017-2018 at Chifeng station

3 討 論

3.1 熱量資源空間插值結果的準確性探究

本研究旨在結合2017—2018年農業熱量資源利用區域聯合試驗，分析2017—2018年熱量資源及其空間變化，進而探究玉米生產中熱量資源的利用情況及其與產量提高的關系。本研究以研究區域為(赤峰、通遼、興安盟、呼倫貝爾)中心，選取了研究區域及其周邊內蒙古、黑龍江、吉林、遼寧和河北境內相鄰站點可獲得的、缺失較少的氣象數據進行了整理和分析，提高了熱量資源空間插值結果的準確性。由于氣象因素年際變異較大，區域熱量指標的空間變異需要采用多年平均數據進行分析才更客觀可靠，但是，近年相關研究報導很少。研究表明扎蘭屯市中和鎮≥10 ℃年均積溫為2 100～2 350 ℃·d[22]，本研究表明該地區2017、2018年積溫分別為2 200、2 376 ℃·d，結論較為一致。與2017年赤峰市不同地區4—9月≥10 ℃積溫[23]相比較，本研究2017年積溫空間插值的結果較之高出0.16～17.52%(圖10)。由于本研究利用五日滑動平均法確定10 ℃積溫界限的起始、終止日，持續時間部分地區延續到10月上旬，且與4—9月≥10 ℃積溫差距較大的地區主要分布在赤峰市南部熱量資源相對豐富的地區，所以，本研究的結論具有較高的準確性。

圖10 2017年赤峰年積溫與4-9月積溫的比較Fig.10 Comparison between annual and April-September accumulated temperatures in Chifeng in 2017

3.2 熱量資源的空間分異及對玉米生產的影響

內蒙古東部農業熱量資源呈現東南-西北方向傾斜的緯度地帶性，赤峰市、通遼市南部和興安盟東南部熱量資源較豐富，而興安盟西北部和呼倫貝爾市熱量積累相對不足，這一熱量資源的空間分異與在赤峰市[24]、通遼市[25]、興安盟[26]和呼倫貝爾市[27]開展的分區研究結果一致。通遼地區熱量資源的空間分異表明，除了扎魯特旗以北地區外，玉米種植可種植晚熟品種，這與前人研究結論一致[25,28]。由于受熱量資源的影響，赤峰市松山區中東部、翁牛特旗東部以及阿魯科爾沁旗中南部，適合種植晚熟玉米品種；阿魯科爾沁旗中北部、巴林左旗、巴林右旗、林西縣、克什克騰旗東部、松山區西部，適合種植早中熟和中熟玉米[24]。呼倫貝爾市玉米最適種植區為扎蘭屯東南部和成吉思汗鎮部分區域，適宜種植區以呼倫貝爾東南部為主，較適宜區包括呼倫貝爾東南部、新巴爾虎右旗北部及新巴爾虎左旗部分地區，可分區種植中熟、早熟、中早熟及極早熟玉米品種[27]。扎蘭屯市東部鄉鎮≥10 ℃積溫為2 300～2 500 ℃·d，適宜中熟、中晚熟玉米品種生長發育；北部鄉鎮≥10 ℃積溫為1 900～2 200 ℃·d，基本可以滿足早熟、中早熟玉米生長發育的需求[29]。興安盟玉米種植區主體位于大興安嶺中段東南坡，興安盟東南部，穩定≥10 ℃活動積溫在3 000 ℃·d以上，適合晚熟玉米品種；烏蘭浩特市、科右中旗中部、突泉縣東南部、科右前旗東南部和扎賚特旗東南部≥10 ℃活動積溫在2 500～3 000 ℃·d，以中熟、中晚熟為主；興安盟中部，熱量資源不足，≥10 ℃活動積溫在2 000～2 500 ℃·d，可種植早熟、中早熟玉米品種[26]。因此，農業熱量資源直接影響玉米種植區的分布、品種熟性選擇以及增產技術應用。從玉米成熟所需的熱量資源角度出發，為避免資源的不充分利用而減產，可采用覆膜增溫技術，適時播種，優化熱量資源配置，因地制宜地選擇耕種制度和作物品種。因此，充分利用自然資源潛力是當下糧食生產適應氣候變化的重要任務。

3.3 熱量資源利用率與玉米產量的關系

生長季積溫占比的空間變異表明為了充分利用農業熱量資源，興安盟、呼倫貝爾市等地區，應充分利用5—9月熱量資源，實現穩產增產；溫暖、溫熱區熱量資源利用率仍有挖掘潛力，種植晚熟品種或者復種，可以進一步提高糧食產量。氣候資源區域聯合試驗證明，‘京科968’‘利禾1號’和‘先玉335’3個玉米品種在熱量資源豐富地區，生育期積溫利用率高于其他品種，而‘德美亞1號’未充分利用有效積溫。因此，在內蒙古東部玉米主產區，傳統的5—9月農事安排可能存在熱量資源浪費現象。因為生長季熱量與玉米產量密切相關，生育期內氣候因子匹配不同，產量形成也不同[30]，這與本文結論一致。有研究表明，在特定區域內，太陽輻射和溫度是限制產量潛力的根本因素，決定作物產量的上限[31]。光溫資源充足是內蒙古糧食生產的一大優勢，但玉米光能利用效率還較低，僅為0.21%[32]。溫熱過剩造成玉米減產，光溫生產潛力有很大提升空間[33]。播期對玉米生育進程影響較大，隨播期的推遲，玉米生長發育期間積溫減少，生育期縮短，產量下降[34-35]。本研究表明內蒙古東部溫度≥10 ℃活動初始日差異大，采取適當技術，適時早播是關鍵。要提高資源利用率，需要將氣候資源與農作物品種、土壤耕作等立地條件相聯系，在不同種植區采取適宜的措施。

3.4 熱量資源增加對玉米生產的影響

內蒙古玉米主產區20世紀90年后溫度顯著上升[15]，年積溫和生長季積溫增加。1961—2017年赤峰地區升溫速度為0.023 ℃/a，≥10 ℃活動積溫上升速度約為3.83 ℃/a，增溫幅度為 218.31 ℃·d；由于生長季熱量資源的增加使得氣候條件適宜種植中晚熟作物品種，生育期延長，單產提高，品質提升[36]。通遼市1959—2010年≥10 ℃積溫增加338 ℃·d，后20年增加趨勢顯著，傾向率超過10 ℃·d/a[33,37]。烏蘭浩特等地區生長季積溫占比較高，玉米適宜種植面積和產量可能增加，與基于桑斯維特紀念模型的氣候生產力的研究結果一致[18]。呼倫貝爾市莫旗地區近50年≥10 ℃積溫及積溫日數呈增加趨勢，積溫傾向率為9.03 ℃·d/a，平均日數傾向率為 0.306 d/a，近20 年增加更為顯著[38]。呼倫貝爾市玉米產量高低主要受整個生長期的熱量限制，氣候變暖對作物產量提高有利[39]。總之，氣候變化使內蒙古作物物候期、種植結構發生改變，中晚熟品種種植面積增加[40]，播種提前而收獲延遲[41]，各生育時期延長[42]，適宜種植區東移，應對玉米的播期、品種等進行調整。但是，隨著全球氣候變化，內蒙古初、終霜日波動變大[43]，可能存在低溫冷害風險；同時，高產新品種往往對氣候條件要求和敏感性更高，需要加強對氣象災害的防范意識[44]。

4 結 論

內蒙古東部糧食主產區農業熱量資源具有明顯的地域差異，隨著緯度的升高，熱量資源減少，呈現東南-西北方向傾斜的緯度地帶性：穩定通過10 ℃初始日推遲、終止日提前、持續時間減少、 ≥10 ℃積溫降低。在不同地區，不同熟性玉米物候具有差異，對熱量資源的利用率不同，產量不同。在了解農業熱量資源時空分布的基礎上，合理安排作物布局，選擇適宜的品種熟性，并采用合理的栽培耕作技術挖掘春季積溫利用潛力，應對氣候變化對玉米適宜性的影響，避免越區種植、低溫冷害或積溫利用不足，可以實現農業生產的優質增產增效。研究結果對農業生產具有重要的指導價值，但亟需在長時間序列氣象數據的基礎上，開展區域農業熱量的空間變異及資源利用率提升技術研究，助力農業的綠色增產增效。