內(nèi)蒙古春玉米氣候適宜度變化特征及評價指標(biāo)

越 昆，武榮盛，桑 婧, 姜少杰

(內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

近些年氣溫逐步升高，不僅影響了作物產(chǎn)量[1]，還改變了氣象災(zāi)害發(fā)生頻率。發(fā)展中國家應(yīng)對災(zāi)害能力偏弱，研究表明2006—2016年發(fā)展中國家的農(nóng)業(yè)氣候災(zāi)害所造成的損失約占災(zāi)害總量的26%[2]，所以了解氣候變化背景下氣候因子的變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的影響有著至關(guān)重要的意義。氣候適宜度是用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)的方法把氣溫、降水和日照等氣候因子數(shù)量化，用于評價作物生長發(fā)育氣候適宜程度。從20世紀(jì)80年代初氣候適宜度的概念開始起步發(fā)展[3]到現(xiàn)如今進(jìn)入應(yīng)用階段，不僅在模型算法上有許多改進(jìn)[4-8]，研究對象也逐漸擴展[9-11]。氣候適宜度的研究成果主要應(yīng)用于作物產(chǎn)量預(yù)報[12-14]、氣候風(fēng)險評估[15]、作物發(fā)育期預(yù)報[16-17]等方面，也有研究使用區(qū)域氣候模型輸出的未來情景模式數(shù)據(jù)分析氣候變化背景下作物適應(yīng)能力及品種布局[18-19]。

玉米作為我國第一大糧食作物，是生產(chǎn)和增產(chǎn)潛力最大的糧食作物，也是生產(chǎn)成本下降空間和消費需求空間最大的大宗作物[20]。根據(jù)2019年國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，玉米是內(nèi)蒙古第一大糧食產(chǎn)物，總產(chǎn)量約占全國玉米總產(chǎn)量的10%，所以研究內(nèi)蒙古玉米種植生產(chǎn)的主要氣候限制因子及影響程度有助于保障糧食安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)定量評價。目前，對于內(nèi)蒙古玉米氣候適宜度的研究多局限于部分地區(qū)，或因研究時間較短不足以評價其氣候特性，本文在以往研究和實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上計算1981—2018年內(nèi)蒙古玉米氣候適宜度，分析其時空變化特征并劃定評價指標(biāo)，為玉米生產(chǎn)管理、定量評價和決策部署提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 氣候適宜度

1.1.1 溫度適宜度 玉米溫度適宜度是指玉米各生長發(fā)育階段內(nèi)的氣溫對玉米生長適宜程度的度量，其值在0～1之間。

(1)

式中，F(xiàn)(T)為春玉米的氣溫適宜度，T為實際溫度，T0為玉米生長最適氣溫，Tb為玉米生長最低氣溫下限，Tm為玉米生長最高氣溫上限，當(dāng)發(fā)育期不同時，最適溫度、最低溫度和最高溫度的指標(biāo)也有相應(yīng)的變化。B為常數(shù)，由各生育期三基點溫度計算得出。

本文通過2012—2013年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的分期播種試驗得出不同生育期三基點指標(biāo)體系(表1)。

表1 春玉米各生育期溫度指標(biāo)界限值

1.1.2 降水適宜度 玉米的降水適宜是指玉米各生長發(fā)育階段內(nèi)的降水對玉米適宜程度的度量，其值在0～1之間。

(2)

式中，F(xiàn)(R)為玉米的降水適宜度，R為實際累計降水量，Rb為輕旱降水量指標(biāo)，Rm為輕澇降水量指標(biāo)。

Rb=0.7×R0
Rm=1.3×R0

(3)

其中，R0為春玉米需水量，本研究總需水量選取480 mm[21]，通過降水模系數(shù)分配到各個生育期[22](表2)。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)和西遼河灌區(qū)灌溉條件較好，本文在降水適宜度計算時，將其降水適宜度設(shè)置為1，進(jìn)行綜合適宜度計算時上述地區(qū)降水適宜度權(quán)重有所降低。

表2 春玉米各生育期需水量

1.1.3 日照適宜度 玉米的日照適宜度是指玉米各生長發(fā)育階段內(nèi)的日照時數(shù)對玉米生長適宜程度的度量，其值在0～1之間。

(4)

式中，F(xiàn)(S)為玉米的日照適宜度，S為實際日照時數(shù)，S0為適宜日照時數(shù)，b為常數(shù)，S0和b同樣是根據(jù)2012—2013年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的分期播種試驗得出，二者隨發(fā)育期變化而變化(表3)。

表3 春玉米各生育期適宜日照時數(shù)下限值和常數(shù)

1.1.4 春玉米氣候綜合適宜度

F(C)i=b(T)iF(T)i+b(R)iF(R)i+b(S)iF(S)i

(5)

式中，F(xiàn)(C)i、F(T)i、F(R)i和F(S)i分別為第i生育期的氣候適宜度、溫度適宜度、降水適宜度和日照適宜度，i=1、2、3、4、5，分別對應(yīng)播種～出苗期、出苗～拔節(jié)期、拔節(jié)～抽雄期、抽雄～乳熟期和乳熟～成熟期。b(T)i、b(R)i和b(S)i分別為第i生育期的氣溫適宜度權(quán)重系數(shù)、降水適宜度權(quán)重系數(shù)和日照適宜度權(quán)重系數(shù)(表4)，權(quán)重系數(shù)采用通徑分析法進(jìn)行確定[23]。

(6)

式中，F(xiàn)(C)為整個生育期的綜合適宜度，F(xiàn)(C)i為第i生育期的氣候適宜度，由(5)式計算得出，b(j)i為第i生育期對整個生育期的貢獻(xiàn)度，即權(quán)重系數(shù)(表4)。

表4 春玉米各生育期權(quán)重系數(shù)

1.2 氣候適宜度變異率

氣候適宜度變異率是表示氣候適宜度穩(wěn)定程度的物理量，變異率越大，說明所選時段或地區(qū)的氣候適宜度變化大，反之氣候適宜度變化小。

對參加“2018年江蘇省定向錦標(biāo)賽暨江蘇定向邀請賽”中的帶隊教練和教師進(jìn)行本課題相關(guān)的專題訪談，為研究的內(nèi)容分析和邏輯論證提供理論支持。

1.3 綜合適宜度評價指標(biāo)

本文的氣候適宜度指標(biāo)劃分采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法，選取與氣候統(tǒng)計相同的30 a，即1981—2010年的年氣候綜合適宜度，并對其值大小按升序進(jìn)行排序，將排序中的前20%定為不適宜值，后20%為適宜值，中間的60%為較適宜值[24]。將全區(qū)根據(jù)生態(tài)區(qū)域劃分為8個不同的區(qū)域：大興安嶺南麓區(qū)、大興安嶺北麓區(qū)、西遼河灌區(qū)、燕山丘陵區(qū)、陰山南麓區(qū)、陰山北麓區(qū)、河套灌區(qū)和非典型農(nóng)區(qū)，最終得出不同區(qū)域的評價指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣溫、降水、光照和綜合適宜度空間分布特征

從圖1中的氣溫適宜度區(qū)域分布來看，內(nèi)蒙古西部和東南部地區(qū)氣候適宜度均大于0.8，高于全區(qū)0.76的平均水平；東北部、興安盟阿爾山地區(qū)和烏蘭察布市中部部分地區(qū)適宜度小于0.5，遠(yuǎn)低于平均水平，為氣溫適宜度較差區(qū)域。除去灌區(qū)，其余地區(qū)降水適宜度均不高于0.65，中西部非典型農(nóng)區(qū)(阿拉善盟、烏海市、巴彥淖爾市北部部分地區(qū)、鄂爾多斯市西北部部分地區(qū)、包頭市北部和錫林郭勒盟西北部)的降水適宜度均低于全區(qū)0.55的均值，中部偏南和東部大部地區(qū)降水適宜度在0.5～0.6之間，呼倫貝爾市東北部地區(qū)在0.6～0.65之間。全區(qū)日照適宜度在0.7～0.98之間，由東北向西遞增，全區(qū)均值為0.89，從全生育期角度來看日照不是內(nèi)蒙古地區(qū)玉米生長的限制因子。綜合適宜度較高的區(qū)域為河套灌區(qū)和西遼河灌區(qū)，由于該地區(qū)光溫適宜且灌溉條件良好，所以綜合適宜度在0.92～0.96之間，阿拉善盟西北部、呼倫貝爾市北部和興安盟阿爾山地區(qū)綜合適宜度低于0.6，其中阿拉善盟西北部是因為降水適宜度較低，呼倫貝爾市北部和興安盟阿爾山地區(qū)是因為氣溫適宜度偏低。其余地區(qū)的綜合氣候適宜度在0.61～0.76之間。

2.2 氣候適宜度指數(shù)年際變化

圖2為1981—2018年氣溫、降水、日照和綜合氣候適宜度的年際變化，其中日照適宜度最高，年際波動范圍在0.84～0.95之間，無明顯趨勢變化。降水適宜度最低，數(shù)值在0.45～0.63之間波動且幅度較大。氣溫適宜度波動范圍在0.67～0.86之間，隨氣候變暖，作為喜溫作物的玉米氣溫適宜度明顯呈上升趨勢。綜合氣候適宜度呈緩慢上升趨勢，范圍在0.67～0.76之間。

2.3 氣候適宜度相對變異率

氣候適宜度的變異率可表征氣候適宜度的穩(wěn)定程度，數(shù)值由大到小表示該地區(qū)適宜度更趨近于穩(wěn)定，即年際變化較小。由圖3可見，日照變異率相對穩(wěn)定，全區(qū)大部分地區(qū)低于10%，中西部大部地區(qū)低于6%，東部區(qū)東南部、東北部部分地區(qū)及興安盟阿爾山地區(qū)在10%～15%之間，年際浮動相比其他區(qū)域略高。降水適宜度的變異率的浮動范圍最大，除灌區(qū)較為穩(wěn)定外，非典型農(nóng)區(qū)在20%～54%之間，其余大部分地區(qū)在10%～20%之間。氣溫適宜度變異率在中部偏中南部部分地區(qū)、東北部地區(qū)和興安盟阿爾山地區(qū)數(shù)值大于14%，較為不穩(wěn)定。綜合氣候適宜的變異率大部地區(qū)低于6%，年際變化較小。

2.4 氣候適宜度氣候傾向率

圖4為內(nèi)蒙古春玉米全生育期氣候適宜度氣候傾向率分布圖，表示綜合、氣溫、降水和日照適宜度近40 a的趨勢變化。綜合適宜度中東部大部地區(qū)為增長趨勢，西部西南部和中東部局部地區(qū)為降低趨勢，結(jié)合氣溫、降水和日照適宜度來看，西部西南部綜合適宜度的降低是因為該地區(qū)氣溫適宜度的降低(夏季高溫脅迫)，中部部分地區(qū)和東部東南部是由日照適宜度降低導(dǎo)致，東部南部部分地區(qū)是因降水適宜度降低影響，而中東大部地區(qū)的增長是因為氣溫適宜度增加(氣候變暖)。除偏西部地區(qū)外，全區(qū)大部分地區(qū)氣溫適宜度向好發(fā)展，陰山北麓偏東和大興安嶺北麓地區(qū)增加0.05·10a-1以上。降水適宜度東部大部分地區(qū)都呈現(xiàn)減少趨勢，其中呼倫貝爾市西部和南部以及興安盟北部下降程度大于0.02·10a-1。日照適宜度西部大部地區(qū)呈減少趨勢，東部大部呈增長趨勢，其中呼和浩特市、包頭市南部、鄂爾多斯市東部和通遼市南部地區(qū)減少量大于0.02·10a-1。

2.5 不同發(fā)育階段綜合適宜度空間分布特征

內(nèi)蒙古玉米播種時間由西到東從5月上旬持續(xù)到5月下旬，根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象觀測站春玉米發(fā)育期觀測數(shù)據(jù)對發(fā)育期進(jìn)行劃定，結(jié)果如表5所示。通過玉米不同發(fā)育期氣候適宜度來看(圖5)，限制因子也有所不同，在播種～出苗期呼倫貝爾市北部、興安盟西北部和中西部部分地區(qū)綜合氣候適宜度小于0.6，其中呼倫貝爾市北部和興安盟西北部主要是因為氣溫適宜度偏低(氣溫偏低)，中西部偏低地區(qū)是因為降水適宜度偏低(降水偏少)，所以在播種～出苗期東北部地區(qū)主要需要預(yù)防低溫及霜凍，中西部地區(qū)偏低值區(qū)域則需要補水灌溉以保證出苗率。出苗～拔節(jié)期綜合氣候適宜度小于0.6的地區(qū)主要出現(xiàn)在西部區(qū)，降水量偏少仍舊是導(dǎo)致該地區(qū)綜合適宜度偏小的原因。進(jìn)入到拔節(jié)～抽雄期，玉米的需水量有所增大，中部偏中北部地區(qū)因為降水不足，綜合氣候適宜度隨之下降。進(jìn)入到抽雄～乳熟期，東北部偏北地區(qū)熱量條件不足導(dǎo)致綜合適宜度下降至0.6以下；中部大部地區(qū)因降水量不足，綜合適宜度下降0.1左右。到乳熟～成熟期，東部大部地區(qū)和中部的東南部地區(qū)綜合氣候適宜度在0.6以下，主要也是受到氣溫偏低的影響。由此可見，東部偏北地區(qū)的主要制約因素是氣溫因素，而中西部區(qū)主要受降水因素的影響。

表5 內(nèi)蒙古不同區(qū)域春玉米發(fā)育期時間

2.6 不同生態(tài)區(qū)的氣候適宜度評價指標(biāo)

內(nèi)蒙古地形狹長，區(qū)域氣候條件相差較大，生態(tài)類型從東部林海到西部荒漠各不相同，所以本文根據(jù)生態(tài)類型將內(nèi)蒙古玉米種植區(qū)域分為7個區(qū)域進(jìn)行指標(biāo)劃定，分別為：大興安嶺北麓、大興安嶺南麓、西遼河灌區(qū)、燕山丘陵區(qū)、陰山北麓、陰山南麓和河套灌區(qū)，其他未劃分區(qū)域為荒漠草原和荒漠，為非典型農(nóng)區(qū)(圖6)。劃定指標(biāo)的方法是采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對30 a(1981—2010年)的綜合適宜度進(jìn)行計算，將數(shù)值從大到小排序，將排序中的第6位

(前20%的臨界值)定為適宜的下限值，將第25位(后20%的臨界值)定為不適宜的上限值，由此將綜合氣候適宜度評價指標(biāo)劃分為適宜、較適宜和不適宜。氣溫、降水和日照適宜度的劃分方法同上，結(jié)果見表6。

表6 不同生態(tài)區(qū)氣候適宜度評價指標(biāo)

利用近10 a(2008—2017年)內(nèi)蒙古各區(qū)縣的春玉米單產(chǎn)數(shù)據(jù)(來源于內(nèi)蒙古統(tǒng)計局農(nóng)業(yè)調(diào)查總隊)對綜合適宜度評價指標(biāo)進(jìn)行檢驗(圖7)，可見在7個生態(tài)分區(qū)中，基本趨勢是綜合氣候適宜度為不適宜時產(chǎn)量偏低，綜合氣候適宜度為適宜時產(chǎn)量偏高。大興安嶺北麓的近10 a的綜合氣候適宜度沒有不適宜的，主要原因是該地區(qū)的綜合氣候適宜度的限制因子是溫度適宜度，氣候變暖使得溫度適宜度上升，綜合適宜度得到提升。但可以看到，同一個區(qū)域內(nèi)相同的產(chǎn)量可能有多個等級的對應(yīng)，例如在大興安嶺南麓產(chǎn)量在6 000 kg·hm-2左右時，有的區(qū)縣氣候適宜度劃分為不適宜，有些卻劃分為適宜，導(dǎo)致這個的原因可能有以下幾個方面：(1)雖然將全區(qū)分為7個區(qū)域，但是每個區(qū)域的范圍仍舊較大，區(qū)域內(nèi)部的氣候條件依然有所不同。(2)農(nóng)業(yè)種植技術(shù)和種植品種各區(qū)域會有一定不同，且在時間跨度上種植技術(shù)在不斷改進(jìn)，種植品種也在變化。(3)非灌區(qū)的一些地區(qū)如果有井灌條件的，如遇玉米生長關(guān)鍵期缺水也會進(jìn)行灌溉。

3 結(jié) 論

本文通過計算1981—2018年內(nèi)蒙古玉米氣溫、降水、日照和綜合氣候適宜度，分析時空演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其不同區(qū)域和不同生育期玉米生長的主要限制因子，并為不同生態(tài)區(qū)域劃定適宜度等級，得出如下結(jié)論：

(1)內(nèi)蒙古東北部地區(qū)限制玉米種植的主要因素是氣溫，其余地區(qū)主要是降水，所以灌溉條件良好的河套灌區(qū)和西遼河灌區(qū)是內(nèi)蒙古玉米種植的最優(yōu)地區(qū)。從變異率角度來看，日照適宜度最穩(wěn)定，大部地區(qū)低于10%，降水適宜度最不穩(wěn)定，除去灌區(qū)大部分農(nóng)區(qū)變異率高于10%。大興安嶺北麓地區(qū)綜合適宜度變異率偏高，該地區(qū)氣溫、降水和日照適宜度年際變化都相對較大，不利于玉米穩(wěn)產(chǎn)。

(2)從近40 a玉米氣候適宜度的變化趨勢來看，內(nèi)蒙古中東部大部地區(qū)因氣溫升高使適宜度向好發(fā)展，氣溫適宜度增加0.01·10a-1以上。但同時也看到中東部大部地區(qū)降水適宜度都呈現(xiàn)減少趨勢，呼倫貝爾市南部和興安盟北部降水適宜度下降程度更為明顯，每10 a下降程度大于0.02。作為內(nèi)蒙古玉米主要產(chǎn)區(qū)之一，合理的農(nóng)業(yè)水資源管理是該地區(qū)玉米種植的關(guān)鍵。

(3)從不同發(fā)育階段來看，不同生育期各地區(qū)綜合適宜度偏低的原因也有所不同，中西部各發(fā)育期適宜度偏低的地區(qū)都是由于降水偏少導(dǎo)致，而東部偏北地區(qū)主要是播種～出苗期和抽雄～成熟期的熱量條件不足導(dǎo)致。

(4)本文考慮了內(nèi)蒙古實際生態(tài)環(huán)境，運用數(shù)理統(tǒng)計方法建立了7個生態(tài)區(qū)域的綜合適宜度評價指標(biāo)，并使用近十年玉米區(qū)縣單產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果表明綜合氣候適宜度為不適宜時產(chǎn)量偏低，綜合氣候適宜度為適宜時產(chǎn)量偏高，但由于區(qū)域氣候條件、生產(chǎn)技術(shù)、種植品種等條件不同的限制，少量站點有所偏差，還需要在后續(xù)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用中根據(jù)實際情況對指標(biāo)進(jìn)行微調(diào)。