東北三省農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)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(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春130012;2. 中國科學(xué)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(qū)域內(nèi)包括松嫩平原、三江平原等國家主要糧食產(chǎn)區(qū)，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(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，氣候、土壤等自然資源條件的地理差異較大，各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展仍很不平衡，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力尚未充分發(fā)揮，農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)力水平與生產(chǎn)潛力相比仍有不小的差距［3－4］。氣候資源生產(chǎn)潛力是氣候資源蘊藏的物質(zhì)和能量所具有的潛在生產(chǎn)能力，通?？捎脷夂蛸Y源估算植被的生產(chǎn)潛力和作物的生產(chǎn)潛力。作物氣候生產(chǎn)潛力是評價農(nóng)業(yè)氣候資源的判據(jù)之一，取決于光、溫、水三要素的數(shù)量及其相互配合協(xié)調(diào)的程度［5］。對一個地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力進行估算，其結(jié)果不僅可以直接反映該地區(qū)的氣候生產(chǎn)力水平和農(nóng)業(yè)資源協(xié)調(diào)的程度及其地區(qū)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(chǎn)力衰減程度的差異中，可以分析出不同影響要素對生產(chǎn)力影響的大小，從而發(fā)現(xiàn)一個地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主導(dǎo)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(qū)的氣候資源對氣候生產(chǎn)潛力的滿足率進行計算，可以更好的反映當?shù)貧夂驐l件對氣候生產(chǎn)潛力的影響程度。

1 資料與方法

應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間分析功能與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)技術(shù)，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(shù)據(jù)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(chǎn)潛力，氣象站點分布情況如圖1 所示。

依據(jù)作物能量轉(zhuǎn)化及產(chǎn)量形成過程，逐步“衰減”計算農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力，其函數(shù)式為:

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

1.1 光合生產(chǎn)潛力研究方法

作物光合生產(chǎn)潛力是指在溫度、水分、品種、土壤以及其它農(nóng)業(yè)技術(shù)條件都適宜的條件下，僅由自然輻射決定的單產(chǎn)水平。以月均太陽總輻射值為基本數(shù)據(jù)，并分生育期對各月數(shù)據(jù)進行訂正(針對研究區(qū)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(shù)，統(tǒng)一取666.7;YQ—單位面積光合生產(chǎn)潛力，kg·hm－2;Qi—生長季各月總輻射量，MJ·m－2;其他參數(shù)的意義和取值如表1 所示。

表1 計算光合生產(chǎn)潛力各參數(shù)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(shù)

光溫生產(chǎn)潛力應(yīng)用的計算公式為:

其中:YT—光溫生產(chǎn)潛力;f (T)—溫度修正系數(shù);f (n)—有效生育日數(shù)修訂函數(shù)。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(qū)實際情況的溫度修正函數(shù);

式中:T—5－9 月各月的平均氣溫，T0、T1、T2—作物生產(chǎn)的三基點溫度，分別指不同作物在該時段內(nèi)生長發(fā)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(chǎn)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(shù)及降水修訂系數(shù)

f (n)也是由溫度條件決定的作物有效生育日數(shù)修訂函數(shù)。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(chǎn)量與有效生育日數(shù)的關(guān)系是線性的，故

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

應(yīng)用農(nóng)田水分評價模式來定量評價各生長期水分資源對農(nóng)作物生長發(fā)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(fā)力;k—經(jīng)驗參數(shù)，當△Wj≥2mm 時，農(nóng)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(shù)，研究所采用的作物系數(shù)值如下:

2 氣候生產(chǎn)潛力分析

2.1 光合生產(chǎn)潛力

根據(jù)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(chǎn)潛力分布圖，見圖2。

圖2 東北三省玉米、大豆、水稻光合生產(chǎn)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(chǎn)潛力主要與太陽輻射的空間分布有很大關(guān)系。黑龍江省的齊齊哈爾地區(qū)，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(chǎn)潛力最高的地區(qū)，而黑龍江省的塔河、鶴崗以及吉林省的長白地區(qū)則屬于光合生產(chǎn)潛力最低的地區(qū)。盡管3 種作物的光合生產(chǎn)潛力的空間分布趨勢一致，但是不同作物的光合生產(chǎn)潛力存在差異，玉米、大豆和水稻的光合生產(chǎn)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(chǎn)潛力

根據(jù)公式(3)對作物的光合生產(chǎn)潛力進行溫度修訂，得出東三省的玉米、大豆、水稻光溫生產(chǎn)潛力分布。作物的光溫生產(chǎn)潛力與光合潛力高值區(qū)與低值區(qū)分布基本一致。但是，由于在生長季內(nèi)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(xiàn)不同于光合生產(chǎn)潛力分布的區(qū)域，見圖4。光溫生產(chǎn)潛力最高地區(qū)為遼寧省的朝陽、鞍山和綏中地區(qū)，其玉米、大豆和水稻的最大光溫生產(chǎn)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(qū)也是玉米光溫生產(chǎn)潛力較大的地區(qū);由于溫度較低，大興安嶺地區(qū)的漠河、新林以及塔河均為光溫生產(chǎn)潛力較低地區(qū)，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(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)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(chǎn)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(chǎn)潛力

根據(jù)公式(1)計算得到玉米、大豆、水稻的氣候產(chǎn)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(xiàn)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(guī)律相似，見圖6。氣候生產(chǎn)潛力的最高值均出現(xiàn)在吉林省的永吉、樺甸、梅河口地區(qū)。與前文中分析結(jié)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(chǎn)潛力最高，但由于作物生長季降水較少，水分系數(shù)較小，導(dǎo)致氣候生產(chǎn)潛力下降較多，成為氣候生產(chǎn)潛力最低的地區(qū)。這也證明了在吉林省以及遼寧省的西部地區(qū)，水分是限制作物生產(chǎn)潛力發(fā)揮的重要影響因素。黑龍江省的大興安嶺地區(qū)雖然不是降水量最低的地區(qū)，但由于溫度原因仍然是氣候生產(chǎn)潛力較低的地區(qū)。黑龍江省的中東部地區(qū)和吉林省的東南部地區(qū)由于水熱條件較好，均是氣候生產(chǎn)潛力較高地區(qū)。

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(chǎn)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(chǎn)潛力分析

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

表4 東北三省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力計算結(jié)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(chǎn)潛力差異不明顯，玉米、大豆水稻的光合生產(chǎn)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(chǎn)潛力的差異非常大，由表4 可看出，各地光溫生產(chǎn)潛力的標準差幾乎是光合生產(chǎn)潛力標準差的3～4 倍。大豆光溫生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力的最大值高于其光合生產(chǎn)潛力最大值，這主要是由于部分地區(qū)溫度修正系數(shù)f (T)較大時(0.9 以上)，且當有效生育日數(shù)大于5－9 月份總?cè)諗?shù)時，通常f (n)≥1，使得該地區(qū)的光溫生產(chǎn)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(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力與光合生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力溫度滿足率最高地區(qū)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?shù)氐臏囟瓤梢酝耆珴M足作物生長的需要。溫度滿足率最低的地區(qū)主要是在大興安嶺地區(qū)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(chǎn)潛力與光溫生產(chǎn)潛力的比值來表示，WCR =YW/ YT。東北三省的玉米、大豆、水稻生產(chǎn)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(qū)，卻是水分滿足率最低的地區(qū)，該地區(qū)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(qū)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(qū)，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(qū)是溫度滿足率最低的地區(qū)，但是其降水量較為豐富，是水分滿足率較高的地區(qū)。

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

4 結(jié)論

綜合以上分析，可以看出東北地區(qū)的北部溫度滿足率和西部水分滿足率均較低，若要發(fā)展農(nóng)業(yè)，這些地方主要要通過農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)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(chǎn)潛力較高的地區(qū)。目前，東北三省在溫度、水分條件適宜的年份，通過實施高產(chǎn)栽培技術(shù)體系創(chuàng)造的作物高產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)，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(chǎn)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(chǎn)仍有較大潛力。

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