黑龍江省作物氣候生產(chǎn)潛力估算

楊重一，龐士力，孫彥坤

（1.遼寧省桓仁縣林業(yè)局，遼寧 桓仁 117200；2.遼寧省桓仁縣環(huán)保局，遼寧 桓仁 117200；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

近年來(lái)，隨著人口劇增、耕地銳減和環(huán)境退化，糧食生產(chǎn)顯得日益迫切，成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在諸多影響作物產(chǎn)量的因子中，氣候?qū)r(nóng)業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，氣候變化如極端氣候事件頻率的變化，使農(nóng)業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此建立農(nóng)作物和氣候因子相聯(lián)系的模型和方法估算農(nóng)作物產(chǎn)量對(duì)于探討氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響，尤其是對(duì)主要農(nóng)作物產(chǎn)量的影響顯得尤為重要[1-4]。

黑龍江省處于我國(guó)最北部。其土地資源豐富，具有發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的良好自然條件，世界僅存三大黑土帶之一位于其中，土質(zhì)肥沃，水源充足，耕地連片，地勢(shì)平坦，適合機(jī)械化作業(yè)，并且是全國(guó)耕地最多的省份，是我國(guó)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(gè)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(xué)者已從不同層次，不同角度對(duì)農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行了研究，總結(jié)出大量有價(jià)值的估算方法，其中機(jī)制法（潛力遞減法）由于其物理意義清晰，因果關(guān)系明確，目前應(yīng)用最為廣泛[5]。

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

1.1 光合生產(chǎn)潛力

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

表1 計(jì)算光合生產(chǎn)潛力各參數(shù)的意義及取值Table 1 Meaning and value of photosynthesis productivity potential

1.2 光溫生產(chǎn)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(diǎn)溫度：T1-下限溫度（℃），T2-上限溫度（℃），T0-最適溫度（℃）。

1.3 氣候生產(chǎn)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(shí)期、某作物的需水量（mm）；k-經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，當(dāng)ΔWj≥2 mm時(shí)，農(nóng)田水分過(guò)多，k=Wj/Rj；ΔWj＜2 mm時(shí)，降水適中或偏少，k=1；Ej-蒸發(fā)勢(shì)月合計(jì)值（mm），計(jì)算公式采用國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行風(fēng)速修正后的簡(jiǎn)便算法[7]。

T-平均氣溫（℃）；f-相對(duì)濕度（%）；u-風(fēng)速（m·s-1）；αj-作物不同時(shí)期的作物系數(shù)。

因水田以水利灌溉為前提，故這項(xiàng)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(dá)到100%滿足水稻要求。一般認(rèn)為，在目前的生產(chǎn)條件下，水田供水滿足程度約為92%[8]。

1.4 氣候生產(chǎn)潛力相對(duì)變率指標(biāo)

1.5 氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)指標(biāo)

資料為黑龍江省所屬75個(gè)縣市氣象站點(diǎn)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(duì)濕度和風(fēng)速。

2 結(jié)果與分析

由于太陽(yáng)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(duì)氣候生產(chǎn)潛力的影響。

2.1 光溫生產(chǎn)潛力空間分布

根據(jù)公式（1）～（4），計(jì)算得到三種作物（玉米、水稻、大豆）的光溫生產(chǎn)潛力，圖1為在GIS支持下作出的玉米光溫生產(chǎn)潛力分布圖。從溫度訂正系數(shù)及圖中光溫生產(chǎn)潛力分布可以看出黑龍江省的光溫生產(chǎn)潛力主要與溫度的空間分布有關(guān)，自南向北逐漸降低并呈帶狀分布。泰來(lái)、杜蒙、肇源、齊齊哈爾、肇州是光溫生產(chǎn)潛力較高的地區(qū)，漠河、塔河、伊春、黑河、孫吳、呼瑪是光溫生產(chǎn)潛力較低的地區(qū)，與平均溫度的高值區(qū)和低值區(qū)的分布大致相同。玉米、水稻和大豆的光溫生產(chǎn)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(chǎn)潛力空間分布

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

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

圖2 玉米氣候生產(chǎn)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(duì)作物氣候生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(chǎn)潛力地域差異最大，對(duì)溫度反映最為敏感，但由于將水分有效系數(shù)定為0.92，所以氣候生產(chǎn)潛力的地域變化與光溫生產(chǎn)潛力保持一致。

2.3 氣候生產(chǎn)潛力動(dòng)態(tài)變化指標(biāo)

2.3.1 氣候生產(chǎn)潛力變率

根據(jù)公式（8）得出三種作物的氣候生產(chǎn)潛力變率，其分布的大致特點(diǎn)是氣候生產(chǎn)潛力越大的地方，變率越小；氣候生產(chǎn)潛力越小的地方，變率越大。玉米氣候生產(chǎn)潛力變率的低值區(qū)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(chǎn)潛力變率的低值區(qū)為杜蒙（4.90%）、泰來(lái)（4.95%）、肇州（5.31%）、安達(dá)（5.70%）和肇東；大豆的低值區(qū)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(qū)作物氣候生產(chǎn)潛力年季變化小，出現(xiàn)高產(chǎn)年或低產(chǎn)年的可能性小。三種作物氣候生產(chǎn)潛力變率高值區(qū)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(qū)作物氣候生產(chǎn)潛力年季變化大，出現(xiàn)高產(chǎn)年或低產(chǎn)年的可能性大。

2.3.2 氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)

根據(jù)公式（9）得出三種作物的氣候生產(chǎn)潛力變異系數(shù)。溫度和降水量的不穩(wěn)定是引起氣候生產(chǎn)潛力不穩(wěn)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(qū)熱量資源豐富，又為半濕潤(rùn)地區(qū)，水熱條件配合較好，為穩(wěn)定區(qū)；西南部地區(qū)熱量資源很好，水分卻嚴(yán)重不足，所以雖然產(chǎn)量低但穩(wěn)定性也很高；包括牡丹江及綏化西部和南部地區(qū)由于降水，其穩(wěn)定性稍低；而包括整個(gè)大，小興安嶺的北部地區(qū)雖然水分條件好，但熱量資源的不豐富使得此地氣候生產(chǎn)潛力穩(wěn)定性很差。

低值區(qū)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(lái)（0.06）、杜蒙（0.06）、肇州（0.07）、安達(dá)（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(qū)作物氣候生產(chǎn)潛力穩(wěn)定性好。高值區(qū)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(qū)的作物氣候生產(chǎn)潛力的穩(wěn)定性差。

3 討論與結(jié)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(shì)。玉米、水稻和大豆的光溫生產(chǎn)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(qū)差異大豆＜玉米＜水稻。

b.對(duì)于玉米和大豆而言，由于各地作物生育期內(nèi)降水的地帶性分布，使得各地氣候生產(chǎn)潛力也具有較大差異，玉米和大豆的氣候生產(chǎn)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(chǎn)潛力分布一般與光溫生產(chǎn)潛力分布一致。

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

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