內蒙古馬鈴薯生育期氣候生產潛力時空模擬分析

楊麗桃，王 勝，江像評

(1.內蒙古自治區氣象科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區人工影響天氣重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；3.內蒙古自治區氣候中心，內蒙古 呼和浩特 010051；4.安徽省氣候中心，安徽 合肥 230000； 5.呼和浩特職業學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

氣候生產潛力是指理想狀況下光、熱、水資源最佳匹配時的農業產量[1]，它是評價農業氣候資源的重要判據之一[2]。氣候生產潛力對氣候變化的響應，不同區域和作物存在顯著差異[3-5]。目前，作物生產潛力常用的計算模型主要有Miami模型[6-7]、Thornthwait Memory模型[8-9]、FAO農業生態區域模型(agro-ecological zoning, AEZ)[10-11]和逐級訂正模型[12-14]。其中，逐級訂正模型是一種計算不同作物生長季內氣候生產潛力的統計模型，能夠很好反映光、熱、水等氣候資源的匹配狀況，其物理意義清晰，因果關系明確，是目前應用最廣泛的糧食生產潛力研究方法之一[15-16]。

內蒙古地域遼闊，東西、南北跨度大，地形地貌復雜(高原、山地、丘陵、平原等)，特殊的地理位置和地形地貌，形成以溫帶大陸性季風氣候為主的復雜多樣的氣候，溫差大、雨熱同季、氣候冷涼，使得具有喜冷涼習性的馬鈴薯成為當地主要特色作物，內蒙古已成為我國最大的馬鈴薯生產基地[17]，特別是內蒙古中部的烏蘭察布和東部的呼倫貝爾已成為我國馬鈴薯種植的主要優勢區[18]。在全球氣候變化背景下，內蒙古馬鈴薯氣候生產潛力對氣候變化響應如何？為此，本文采用逐級訂正法，模擬歷年內蒙古自治區馬鈴薯生育期各級生產潛力，分析氣候變化背景下馬鈴薯氣候生產潛力的時空分布特征及其對氣候變化的響應，研究馬鈴薯氣候生產潛力與氣象產量的關系，探討氣候生產潛力的應用水平，以期為當地馬鈴薯生產及氣候資源的合理利用提供一定參考。

1 資料與方法

1.1 數 據

所用資料為1961—2018年內蒙古自治區119個氣象站逐日地面氣象觀測資料(包括日照時數、平均氣溫、降水量、相對濕度、平均風速、蒸散量)和1981—2018年內蒙古自治區11個農業氣象觀測站馬鈴薯生育期觀測資料。文中涉及的內蒙古及盟(市)行政邊界是基于內蒙古自治區標準地圖服務網站下載的審圖號為蒙S(2019)33的標準地圖制作，底圖無修改。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候生產潛力的計算

采用逐級訂正法，從作物光合作用入手，依據作物能量轉化及產量形成過程，逐步“衰減”估算農業氣候生產潛力，是在光合生產潛力基礎上用氣候要素函數逐級(光溫生產潛力、氣候生產潛力)訂正發展而來的模型，其公式如下：

(1)

式中：YCPP、YPPP、YTPP(kg·hm-2)分別為氣候生產潛力、光合生產潛力、光溫生產潛力；f(Tij)為溫度有效系數；f(Rij)為水分有效系數。

(1)馬鈴薯光合生產潛力

馬鈴薯光合生產潛力是指在假定溫度、水分、土壤肥力、作物群體、農業技術措施等處于最適宜條件下，以光照作為唯一參考因子，由當地太陽輻射唯一決定的馬鈴薯產量，是馬鈴薯產量的理論上限。馬鈴薯光合生產潛力模型采用產量形成時光能利用和損失狀況，以馬鈴薯各生育期太陽總輻射值為基本數據，并對其進行訂正，計算公式[3,19-20]如下：

YPPP=Cf(Q)

(2)

f(Q)=Ωεφ(1-α)(1-β)(1-ρ)×

(1-γ)(1-ω)(1-η)-1×

(1-ξ)sq-1f(L)∑Qi

(3)

式中：C為單位換算系數，取10 000；∑Qi(MJ·m-2)為生長季總輻射量；i為不同生育期；Ω為作物光合作用固定CO2能力的比例，取0.6；ε為光合輻射占總輻射的比例，取0.47；φ為光合作用量子效率，取 0.22；α為作物群體吸收率，取0.06；β為作物群體對太陽輻射漏射率，取0.1；ρ為非光合器官的無效吸收率，取0.1；γ為光飽和限制率，取0.01；ω為呼吸作用損耗率，取0.3；η為成熟谷物含水率，取0.14；ξ為作物無機灰分含量比例，取0.08；s為作物經濟系數，取0.75；q(MJ·kg-1)為形成單位干物質所需熱量，取18；f(L)為葉面積動態變化訂正值，取0.556。

(2)馬鈴薯光溫生產潛力

在馬鈴薯光合生產潛力基礎上，考慮溫度對植物光合作用的影響，通過溫度系數訂正，可得到馬鈴薯光溫生產潛力YTPP，即其他條件均處于最適宜條件下，由光照、溫度兩種因素共同決定的產量，是農業生產的最高理論產量，其公式[3,14,19]如下：

YTPP=YPPP×f(Tij)

(4)

(5)

(6)

式中：f(Tij)為j年i生育期的溫度訂正函數；Tij(℃)為j年i生育期的平均溫度；T1、T2、T0(℃)分別是內蒙古地區馬鈴薯各生育期生長下限溫度、上限溫度和最適溫度(表1)[21-22]。

表1 馬鈴薯各生育期三基點溫度Tab.1 Three cardinal points temperature in each growth period of potato 單位：℃

(3) 馬鈴薯氣候生產潛力

氣候生產潛力是輻射、溫度和降水共同影響下達到的產量上限。光溫生產潛力經過水分訂正函數訂正后可得到氣候生產潛力，其表達式如下[19]：

YCPP=YTPP×f(Rij)

(7)

(8)

式中：f(Rij)為j年i生育期水分訂正函數；Rij(mm)為j年i生育期的降水量；Ri0(mm)為i生育期的生理需水量。內蒙古地區馬鈴薯全生育期需水量約372.5 mm，其中播種-出苗期、出苗-分枝期、分枝-花序期、花序-開花期、開花-可收期的生理需水量分別為50、40、30、52.5、200 mm。

1.2.2 氣候變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響

馬鈴薯氣候生產潛力是各氣象要素對馬鈴薯生產綜合影響的反映，其中光合生產潛力直接對應光照影響，光溫生產潛力對應光、熱兩要素的綜合影響，氣候生產潛力則對應光、熱、水三要素的綜合影響。光、熱、水及綜合氣候條件變化對馬鈴薯生產潛力影響分別用Yr、Yt、Yp、Yc(kg·hm-2·a-1)表示，計算方法[3,23]如下：

(9)

(10)

(11)

Yc=ac

(12)

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯生產潛力年際及年代際變化特征

圖1是內蒙古馬鈴薯各級生產潛力的年際及年代際變化。從圖1(a)看出，近58 a內蒙古馬鈴薯各級生產潛力年際波動較大，整體均呈不顯著減少趨勢(未通過α=0.05的顯著性檢驗)，光合生產潛力、光溫生產潛力及氣候生產潛力分別以30、212、133 kg·hm-2·(10 a)-1的速率遞減；光合生產潛力與光溫生產潛力值比較接近，全區平均分別為32 095、30 829 kg·hm-2，而氣候生產潛力平均為18 889 kg·hm-2，明顯低于前兩級生產潛力；各級生產潛力的最值及其出現時間不同，光合生產潛力最高值在2001年(35 215 kg·hm-2)，光溫生產潛力最高值在1965年(33 255 kg·hm-2)，氣候生產潛力最高值在1987年(23 255 kg·hm-2)，而最低值依次在1998年(28 822 kg·hm-2)、2000年(26 738 kg·hm-2)及2007年(12 460 kg·hm-2)。

從年代際變化[圖1(b)]來看，各級生產潛力變化趨勢不盡一致。其中，光合、光溫生產潛力的年代際變化特征一致，呈“減-增-減”的變化，均在20世紀90年代最大，21世紀10年代最小，而氣候生產潛力則呈“增-減-增”的年代際變化特征，20世紀70年代最大，21世紀00年代最小，氣候生產潛力較前兩級表現出更大幅度的波動，其變化趨勢與降水量的年代際變化呈顯著正相關(P<0.01)，表明內蒙古馬鈴薯氣候生產潛力的主要限制因素是降水量，這與山西省馬鈴薯的研究結果[24]較為一致。

圖1 1961—2018年內蒙古馬鈴薯各級生產潛力年際(a)及年代際(b)變化Fig.1 The inter-annual (a) and inter-decadal (b) changes of production potential of potato with each grade in Inner Mongolia from 1961 to 2018

2.2 馬鈴薯生產潛力空間分布特征

2.2.1 光合生產潛力

內蒙古馬鈴薯光合生產潛力自西向東逐漸遞減，與太陽輻射及日照時數的空間分布相一致，高值區(34 000 kg·hm-2以上)在輻射最強、日照時數最多的西北部地區，其中阿拉善盟的額濟納旗光合生產潛力最大為38 338 kg·hm-2，低值區在呼倫貝爾市東北部地區，由于輻射弱、日照時數少導致東北部馬鈴薯光合生產潛力小，最小值在鄂倫春旗，為26 759 kg·hm-2[圖2(a)]。

圖2 內蒙古馬鈴薯光合(a)、光溫(b)生產潛力空間分布(單位：kg·hm-2)Fig.2 The spatial distribution of photosynthetic (a) and light-temperature (b) production potential of potato in Inner Mongolia (Unit: kg·hm-2)

2.2.2 光溫生產潛力

與光合生產潛力不同，內蒙古馬鈴薯光溫生產潛力呈現東西兩側低、中部高的空間分布特征[圖2(b)]，除中部錫林郭勒盟和赤峰市西北部外光溫生產潛力普遍低于光合生產潛力，高值區(29 000 kg·hm-2以上)主要出現在中部大部及東部偏西地區，其中包頭市白云站光溫生產潛力最大為33 950 kg·hm-2；中值區(24 001～29 000 kg·hm-2)主要在阿拉善盟東部、巴彥淖爾市、鄂爾多斯市、包頭市南部、呼和浩特市大部、赤峰市東南部、通遼市大部、興安盟大部及呼倫貝爾市大部地區；低值區(19 000 kg·hm-2以下)在阿拉善盟大部、烏海市和呼倫貝爾市中北部地區，最小值出現在拐子湖，為14 134 kg·hm-2，與氣溫空間分布相反，這是因為當地高溫日數較多，不利于喜涼作物馬鈴薯生長。

2.2.3 氣候生產潛力

內蒙古馬鈴薯氣候生產潛力自中南部向外圍遞減，且中西部的氣候生產潛力具有明顯的經度地帶性，高值區(17 000 kg·hm-2以上)在中部偏南地區，即呼和浩特市東北部、烏蘭察布市中東部、錫林郭勒盟南部、赤峰市西部以及呼倫貝爾市中部地區，這與馬鈴薯的優勢主產區分布較為一致。其中，馬鈴薯氣候生產潛力最高值在錫林郭勒盟正藍旗，為20 981 kg·hm-2；次高值(14 001～17 000 kg·hm-2)在鄂爾多斯市東部、包頭市大部、呼和浩特市大部、烏蘭察布市北部、錫林郭勒盟中北部及其以東大部地區；最低值在阿拉善盟的額濟納旗，僅為2104 kg·hm-2(圖3)，當地的高溫、少雨是導致馬鈴薯氣候生產潛力最低的主要原因。

圖3 內蒙古馬鈴薯氣候生產潛力空間分布(單位：kg·hm-2)Fig.3 The spatial distribution of climate production potential of potato in Inner Mongolia (Unit: kg·hm-2)

對比統計了代表站呼和浩特市武川縣馬鈴薯歷年氣象產量與氣候生產潛力，發現近57 a兩者的變化趨勢較為一致(圖4)，具有極顯著的正相關關系，相關系數為0.5131，通過α=0.001的顯著性檢驗，這表明基于逐級訂正法估算的馬鈴薯氣候生產潛力可以較好地反映馬鈴薯氣象產量的變化趨勢。

圖4 1961—2017年內蒙古武川縣馬鈴薯氣候生產潛力與氣象產量的關系Fig.4 The relationship between climate production potential and meteorological yield of potato in Wuchuan of Inner Mongolia from 1961 to 2017

武川縣馬鈴薯的年平均產量為2163 kg·hm-2，占同期最大氣候生產潛力的8.4%，最小氣候生產潛力的21.2%。可見，武川縣馬鈴薯氣候生產潛力的應用水平較低，僅為1～2成，低于寧夏西吉縣馬鈴薯氣候生產潛力應用水平[25]，其挖掘潛力巨大。

2.3 主要氣象要素變化的影響

2.3.1 輻射變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響

光、溫、水是氣候生產潛力的重要驅動因子[26-27]。近58 a內蒙古地區太陽總輻射整體以39.3 MJ·m-2·(10 a)-1的速率波動下降(未通過0.05的顯著性檢驗)[28]，但部分地區減少趨勢明顯(P<0.05)。馬鈴薯為喜光作物，輻射、光照減少對其生長不利。從圖5(a)可見，內蒙古大部地區輻射變化對馬鈴薯生育期氣候生產潛力的影響表現為負效應，表明輻射減少不利于馬鈴薯生育期氣候生產潛力的提高，負效應區主要分布在鄂爾多斯市中部及東北部、包頭市南部、呼和浩特市大部、烏蘭察布市中東部、錫林郭勒盟中南部、赤峰市東南部、通遼市大部、興安盟東南部、呼倫貝爾市東南部，其中以烏蘭察布市察右后旗和呼倫貝爾市阿榮旗地區影響幅度最大，為-55 kg·hm-2·a-1；正效應區相對稀少，主要分布在錫林郭勒盟西南部和東部、赤峰市南部和中東部、興安盟中北部和呼倫貝爾市西北部。然而，上述大部地區輻射變化對馬鈴薯生育期氣候生產潛力的影響不大，在-20～20 kg·hm-2·a-1之間。

圖5 內蒙古地區輻射(a)、熱量(b)及降水(c)變化對馬鈴薯生育期氣候生產潛力的影響(單位：kg·hm-2·a-1)Fig.5 Impact of radiation (a), heat (b) and precipitation (c) changes on climate production potential during the growing period of potato in Inner Mongolia (Unit: kg·hm-2·a-1)

2.3.2 熱量變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響

近58 a內蒙古馬鈴薯生長季平均氣溫整體呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.3 ℃·(10 a)-1，且大部地區增溫顯著(P<0.01)。馬鈴薯為喜冷涼作物，氣溫升高不利于馬鈴薯生長發育。從圖5(b)可見，氣溫變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響也多為負效應，表明內蒙古地區馬鈴薯生育期氣溫升高不利其氣候生產潛力提高，其中以內蒙古中西部大部和東南部地區負效應最為明顯，為-80～-20 kg·hm-2·a-1，主要分布在巴彥淖爾市南部和東部、鄂爾多斯市北部和中南部、包頭市南部、呼和浩特市中西部、錫林郭勒盟中西部、赤峰市中東部、通遼市大部、興安盟東部地區，最大負效應在巴彥淖爾市南部和東部、鄂爾多斯市北部和中南部、包頭市南部、呼和浩特市中西部；正效應僅集中在呼倫貝爾市中北部、興安盟西北部，影響幅度為20.1～40 kg·hm-2·a-1，其中呼倫貝爾市中北部影響幅度在30 kg·hm-2·a-1以上。

2.3.3 降水變化對馬鈴薯氣候生產潛力的影響

近58 a內蒙古地區馬鈴薯生長季降水量整體以1.2 mm·(10 a)-1的速率減少，且大部地區變化趨勢不顯著。從圖5(c)可見，內蒙古西部大部及呼和浩特市、赤峰市西部、興安盟東部降水變化對馬鈴薯生育期氣候生產潛力的影響為正效應，影響幅度為20.1～40 kg·hm-2·a-1，其中鄂爾多斯市中東部、包頭市大部地區的正效應較大，在30 kg·hm-2·a-1以上；中部和東部地區多為負效應，影響幅度為-80～-20 kg·hm-2·a-1，其中赤峰市東南部、通遼市西南部及呼倫貝爾市西北部負影響較大，在-50 kg·hm-2·a-1以下。

2.4 馬鈴薯氣候生產潛力變化特征

近58 a來，內蒙古中西部大部、東部偏西及東南部等地區馬鈴薯生育期氣候生產潛力呈減小趨勢，減幅為10～159 kg·hm-2·a-1，其中減幅在40 kg·hm-2·a-1以上的地區主要為巴彥淖爾市中東部、鄂爾多斯市西南部和偏北部、包頭市南部、呼和浩特市中部、烏蘭察布市西南部和東部、錫林郭勒盟中西部、赤峰市東南部、通遼市大部、興安盟西南部以及呼倫貝爾市偏西部和東南部地區；呼倫貝爾市中部、興安盟西部、通遼市西北部、錫林郭勒盟東北部、赤峰市西部、包頭市中西部和東南部、鄂爾多斯市東南部、巴彥淖爾市西北部地區呈增大趨勢，增幅為10～40 kg·hm-2·a-1，其中增幅在20 kg·hm-2·a-1以上的地區主要為呼倫貝爾市中北部、興安盟西部、通遼市西北部、赤峰市西部和錫林郭勒盟東北部；其余地區馬鈴薯生育期氣候生產潛力變化趨勢不明顯(圖6)。整體來看，內蒙古地區馬鈴薯生育期氣候生產潛力以減小趨勢為主，生育期氣溫升高、輻射減少、降水減少不利于氣候生產潛力的提升。

圖6 內蒙古馬鈴薯生育期氣候生產潛力變化趨勢(單位：kg·hm-2·a-1)Fig.6 The change trends of climate production potential during the growth period of potato in Inner Mongolia (Unit: kg·hm-2·a-1)

3 結論與討論

(1)內蒙古馬鈴薯生育期氣候生產潛力平均為18 889 kg·hm-2，明顯低于光合(32 095 kg·hm-2)和光溫(30 829 kg·hm-2)兩級生產潛力，且馬鈴薯光合生產潛力自西向東遞減，光溫生產潛力為東西兩側低、中部高，而氣候生產潛力自中南部向周圍遞減，其中西部地區具有明顯的經度地帶性。

(2)近58 a來，內蒙古馬鈴薯生育期氣候生產潛力整體呈微弱減小趨勢，中西部大部及東部偏南地區氣候生產潛力呈減小趨勢，特別是中部主產區的烏蘭察布市東部和錫林郭勒盟西南部減幅較大，需引起關注；東北部局地氣候生產潛力呈增大趨勢，這是顯著增溫的結果。

(3)武川縣馬鈴薯氣候生產潛力的應用水平僅為1～2成，具有較大挖掘潛力，馬鈴薯產量提升空間較大。

(4)內蒙古地區氣溫升高、輻射減少對馬鈴薯氣候生產潛力的影響負效應多于正效應。其中，中西部大部地區為負效應，東北部地區則為正效應，這主要是升溫對氣溫高的中西部地區馬鈴薯產量形成不利，而對氣溫低的東北部地區，增溫反而有利于馬鈴薯生長。內蒙古馬鈴薯氣候生產潛力與降水呈顯著正相關，雖然降水量是馬鈴薯氣候生產潛力的主要限制因子，但由于內蒙古地區降水減少趨勢不顯著，降水變化對馬鈴薯氣候生產潛力的負影響范圍明顯小于氣溫變化。

為適應當前氣候變化趨勢，需推廣農業節水灌溉技術和覆膜技術，提高水分利用效率。同時，調整馬鈴薯播期使產量形成關鍵期避開高溫，加強田間管理，提高光能利用率。另外，本文模擬結果反映了馬鈴薯的潛在產量，為內蒙古地區馬鈴薯生產種植提供一定參考，涉及的參數主要來自文獻，缺乏當地試驗數據支撐，其結論可能存在一定誤差，這是今后研究中需進一步開展的重點工作。