內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度研究思考

吳國周，張 超

（內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

氣候環(huán)境是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，農(nóng)業(yè)氣候不僅包括農(nóng)業(yè)氣候條件、農(nóng)業(yè)氣候資源，還包括農(nóng)業(yè)氣候?yàn)?zāi)害。農(nóng)業(yè)氣候資源在一定的適度范圍內(nèi)，量值過大、過小則成為災(zāi)害[1]。農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候的研究不僅要反映每個(gè)氣候要素的綜合影響，而且要體現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。氣候環(huán)境對(duì)生物系統(tǒng)的適宜度及其時(shí)間變化可以作為生態(tài)氣候的量度指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度研究進(jìn)展

1.1 理論提出階段

20世紀(jì)80年代農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度理論在我國提出，顧恒岳、艾南山、陳國楨等學(xué)者從系統(tǒng)科學(xué)的角度，探求農(nóng)業(yè)與氣候兩大系統(tǒng)的相互關(guān)系。根據(jù)田間作物的生態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)[2-4]，顧恒岳[5]擬定出氣溫在從作物停止生長到最適宜生長的取值范圍內(nèi)的適宜度模糊子集，稱為溫度的適宜度曲線；根據(jù)Zadeh有關(guān)資料[6]，陳國禎[7]建立了濕度和日照時(shí)數(shù)的適宜度曲線。適宜度模型被理解為時(shí)間t上的Fuzzy子集[8]，表示了氣候適宜度隨時(shí)間的變化過程，動(dòng)態(tài)的概括了氣候?qū)r(nóng)作物的影響。

用氣溫 T（℃）、相對(duì)濕度 R（%）、日照時(shí)數(shù) I（h/d）分別代表農(nóng)業(yè)氣候三要素隨時(shí)間的變化，建立資源模型S～c1、效能模型S～c2、 結(jié)構(gòu)模型S～c3，這就是農(nóng)業(yè)氣候簡單的量化模型，即農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型；運(yùn)用多年平均的氣象觀測(cè)資料，可以計(jì)算農(nóng)業(yè)氣候的資源指數(shù)Cr、效能指數(shù)Ce、利用系數(shù)K；從統(tǒng)計(jì)分析、概率預(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)規(guī)劃3個(gè)方面將模型應(yīng)用于動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)[9]。

其中，結(jié)構(gòu)模型中的 α1、α2、α3為權(quán)重，均大于0，且α1+α2+α3=1。資源指數(shù)表示光溫水條件的組合對(duì)農(nóng)作物生長可能提供的氣候資源，效能指數(shù)表示各氣象要素的配合程度，利用系數(shù)表示農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源在天然條件下作物的實(shí)際利用效率。

顧恒岳、艾南山提出了農(nóng)業(yè)氣候過程和生態(tài)氣候過程的概念，認(rèn)為氣候?qū)ψ魑锷L的適宜程度及其時(shí)間變化是進(jìn)行分類、區(qū)劃和評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)氣候的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型可用于農(nóng)業(yè)氣候的分類與區(qū)劃，也可作為自然地理區(qū)劃的基礎(chǔ)。兩位學(xué)者根據(jù)年內(nèi)或生長期內(nèi)的農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度模型，在寧夏、甘肅-地區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候分類、農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候區(qū)劃的研究，建立了基于農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候指數(shù)的產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，建立了針對(duì)不同作物在不同生長期的作物生態(tài)氣候譜和典型年最佳作物組合，研究成果有效地揭示了區(qū)域分異規(guī)律，得到一組反映不同農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)特色的農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候模型。

總之，20世紀(jì)80年代是農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度理論提出和討論應(yīng)用價(jià)值的階段，農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候模型的提出和應(yīng)用為農(nóng)業(yè)氣候資源的客觀評(píng)價(jià)、定量分析以及分類評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)[10]。

1.2 理論完善階段

20世紀(jì)90年代，農(nóng)業(yè)氣候資源理論不斷完善，李繼由[11]系統(tǒng)闡述了農(nóng)業(yè)氣候資源的理論和在時(shí)間、空間和強(qiáng)度上充分利用農(nóng)業(yè)氣候資源的方法。晏路明、徐紅、黃璜較早地開展了不同研究區(qū)域、不同側(cè)重點(diǎn)的模型應(yīng)用研究。

晏路明[12]深入研究了適宜度模型的建立方法和指標(biāo)權(quán)重的分配方法。首先利用相關(guān)分析法，選擇8個(gè)涉及熱量、水分、光照三方面的農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)。根據(jù)主要作物生長發(fā)育受氣候因子影響的變化模式，建立了各氣候指標(biāo)的戒下型隸屬函數(shù)[13]，具有植物生長指示意義或指標(biāo)空間分異意義。例如：≥10℃積溫的適宜函數(shù)如下所示，當(dāng)μ（x3）分別為0.8、0.5、0.2時(shí)，對(duì)應(yīng)的≥10℃積溫分別為7000，6000，5500℃，指示福建作物生長發(fā)育的3個(gè)重要積溫分界點(diǎn)。

用主成分分析方法建立評(píng)價(jià)權(quán)重結(jié)構(gòu)，建立農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型，計(jì)算出三類有意義的農(nóng)業(yè)氣候指數(shù)，客觀的揭示了農(nóng)業(yè)氣候系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)同配合，以及系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮程度。

徐紅[14]通過生態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，以有機(jī)體的增長作為氣候因子對(duì)有機(jī)體的適宜度指標(biāo)，擬定熱、水、光三要素的適宜曲線，建立隨時(shí)間變化的3個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候指數(shù)模型，詳細(xì)的分析農(nóng)業(yè)氣候在時(shí)間序列上的演變。雖然文中并未給出具體的適宜度函數(shù)和模型建立中各要素的權(quán)重，但在分析山東省農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源特點(diǎn)方面是相當(dāng)深入的，證明了指數(shù)模型在該地區(qū)具有時(shí)空指示意義，具有應(yīng)用價(jià)值。

黃璜[15]根據(jù)中國紅黃壤地區(qū)地理特點(diǎn)、種植季節(jié)、植物類型，對(duì)主要作物生育期進(jìn)行劃分，分別建立溫度、日照、降水隸屬度函數(shù)，并給出了詳細(xì)的參數(shù)值，對(duì)1963—1992年不同作物的隸屬函數(shù)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)不同作物不同生育時(shí)段的溫度三基點(diǎn)[16]，建立溫度隸屬度函數(shù)，T表示實(shí)際的溫度值，TL表示生長的最低溫度，TH表示生長的最高溫度，Tm1、Tm2表示最適溫度的上、下限，b是常數(shù)。

以日照時(shí)數(shù)達(dá)可照時(shí)數(shù)70%為臨界點(diǎn)，建立日照隸屬度函數(shù)，S為實(shí)際日照時(shí)數(shù)，S0為日照百分率為70%的日照時(shí)數(shù)，b為常數(shù)。

降水隸屬度函數(shù)又分為水稻R1和旱地R2作物兩類，a、b、Am1、Am2、b1、b2 均為常數(shù)。A 為實(shí)際干燥度，AL表示生長的最低干燥度，AH表示生長的最高干燥度，Am1、Am2表示最適干燥度的上、下限。

總之，20世紀(jì)90年代的研究重點(diǎn)是在20世紀(jì)80年代理論的基礎(chǔ)上研究適宜度隸屬函數(shù)的建立和農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型優(yōu)化的方法，并且在不同尺度區(qū)域進(jìn)行模型的應(yīng)用研究，為之后不同區(qū)域、不同作物的應(yīng)用研究打開了思路、奠定了基礎(chǔ)。

1.3 應(yīng)用研究階段

2000年后，大量學(xué)者開始對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究，農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度理論進(jìn)入廣泛應(yīng)用階段。

初期，甘肅[17-18]、寧夏[19]、青海[20-21]等西北地區(qū)[22]以及山西大同[23]都開展了區(qū)域的農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源研究，及西北地區(qū)整體進(jìn)行了定量分析、分類評(píng)價(jià)、潛力比較與利用探討。普遍采用多年逐月平均效能指數(shù)模糊動(dòng)態(tài)聚類的方法，將農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源劃分類型并進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)。

隨后，針對(duì)具體作物也有大量研究深入開展，如：冬小麥[24-26]、棉花[27-29]、水稻[30]、玉米[31-32]、油菜[33]、高山反季蔬菜[34]、河西走廊釀酒葡萄[35]等，學(xué)者們根據(jù)作物生理特征建立溫度、光照、降水適宜度函數(shù)，并對(duì)適宜度年際變化進(jìn)行分析[36]，再選用不同的權(quán)重系數(shù)確定方法，建立農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型，計(jì)算農(nóng)業(yè)氣候指數(shù)。

1.3.1 適宜度函數(shù)建立方法 溫度適宜度函數(shù)的建立方法普遍根據(jù)作物生長發(fā)育三基點(diǎn)溫度。千懷遂、魏瑞江等學(xué)者根據(jù)馬樹慶[37]的研究建立公式12；羅懷良、許可根據(jù)用模糊數(shù)學(xué)中模糊子集的升半嶺形分布與降半形分布對(duì)應(yīng)取交建立公式13。式中，T是某一時(shí)段的平均氣溫，T1、T2、T0分別是冬小麥在該時(shí)段內(nèi)生長發(fā)育的下限溫度、上限溫度和最適溫度，Ts1、Ts2為最適溫度的上下限。

降水適宜度函數(shù)的建立普遍是根據(jù)降水量（R）與作物需水量（R0）的關(guān)系。河南、安徽根據(jù)蔣定生[38]的研究建立公式14，作物需水量采用朱自璽的需水量經(jīng)驗(yàn)值。河北、黑龍江根據(jù)輕旱、輕澇標(biāo)準(zhǔn)定義需水量的上下限建立降水適宜度函數(shù)。河北?。ü?5）定義需水量的0.6倍和1.5倍分別為適宜降水量的上限（rl）和下限（rh）；黑龍江（公式16）僅以需水量0.7倍為下限建立降水適宜度模型。

四川根據(jù)可供蒸散量ET與農(nóng)田最大蒸散量ETm的對(duì)比關(guān)系作為水分訂正系數(shù)，建立降水適宜度函數(shù)。式中，p 為各月降水量，c、kc、α、bw 均為常數(shù)，EP為小型蒸發(fā)皿的實(shí)測(cè)蒸發(fā)量。

日照適宜度函數(shù)普遍采用黃璜建立的日照隸屬度函數(shù)，如公式9所示。

1.3.2 權(quán)重確定方法 權(quán)重系數(shù)的分配，直接反映了光溫水要素在農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型中的重要性，對(duì)正確反映光溫水條件的潛力、配合程度以及利用效率有重要作用，使模型具有較好的區(qū)劃效果。目前，常用的方法包括：專家咨詢法、相關(guān)系數(shù)法、因子分析法、對(duì)數(shù)加權(quán)法、幾何平均法、一元積分回歸法等。通過對(duì)全生育期的光溫水適宜度進(jìn)行分析，客觀的反映不同時(shí)期生態(tài)因子對(duì)作物的影響強(qiáng)度。

2 農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度研究展望

2.1 擴(kuò)大應(yīng)用研究區(qū)域

目前，針對(duì)不同大田作物的溫度、降水、光照適宜度函數(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，研究區(qū)域主要集中在西北、東北和華北部分地區(qū)，然而各主要作物的產(chǎn)糧大省并未全面開展這方面的研究，這不利于全面、深入開展我國農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候分類、農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候區(qū)劃的研究工作。因此，在未來的研究中，應(yīng)加大研究空白區(qū)域的適宜度研究，摸清各地區(qū)農(nóng)業(yè)與氣候的匹配情況。

內(nèi)蒙古不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差異較大，自20世紀(jì)50年代以來，內(nèi)蒙古地區(qū)溫度、降水、日照等觀測(cè)資料齊全，根據(jù)現(xiàn)有適宜度函數(shù)可以開展農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度的研究，同時(shí)結(jié)合歷年的春玉米、春小麥、大豆、馬鈴薯的品種特點(diǎn)，建立基于本地區(qū)主要作物的適宜度函數(shù)，有助于指導(dǎo)作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，更好地為主要糧食作物穩(wěn)產(chǎn)提供氣象保障。

2.2 建立設(shè)施農(nóng)作物的隸屬函數(shù)

農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度的研究已經(jīng)逐漸從區(qū)域整體研究角度轉(zhuǎn)換到作物方向，鑒于氣象觀測(cè)資料的來源與方法，學(xué)者們目前建立的都是大田作物的適宜性函數(shù)和模型，如：冬小麥、水稻、玉米等。設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展可以有效地解決北方冬季蔬菜供應(yīng)的問題[39]，并且在增加農(nóng)民收入、促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等方面有重要意義[40]。內(nèi)蒙古地區(qū)以俄羅斯遠(yuǎn)東市場(chǎng)及蒙古市場(chǎng)為目標(biāo)建立了東部設(shè)施蔬菜外向型基地；以北京、天津、唐山及江蘇、浙江、山東市場(chǎng)為目標(biāo)的中東部環(huán)京設(shè)施蔬菜基地；以滿足城市居民消費(fèi)為主的中西部環(huán)城設(shè)施蔬菜基地；以銀川市、蘭州市為目標(biāo)的西部出口設(shè)施蔬菜基地。內(nèi)蒙古設(shè)施農(nóng)業(yè)栽培作物主要以蔬菜為主，有韭菜、黃瓜、番茄、茄子、青椒等20多個(gè)大眾類100多個(gè)品種，其他作物有瓜類、食用菌類和花卉等。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，各種經(jīng)濟(jì)作物的氣象服務(wù)要求不斷提高，需要通過生態(tài)學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，參考大田作物隸屬函數(shù)建立的思路，針對(duì)棚內(nèi)作物生理特征，建立相應(yīng)的適宜度函數(shù)和模型，動(dòng)態(tài)、定量的評(píng)價(jià)氣象適宜程度。

2.3 與WOFOST模型相結(jié)合

WOFOST模型引進(jìn)中國后，人們對(duì)作物生長過程的理解更為透徹。學(xué)者根據(jù)多種手段進(jìn)行模型參數(shù)的調(diào)整和驗(yàn)證，證明了WOFOST模型在各地區(qū)的適宜性，并建立起了針對(duì)不同作物的不同地區(qū)的WOFOST模型，廣泛地應(yīng)用于華北平原[41]、東北三省以及江浙地區(qū)的冬小麥[42-43]、水稻[44-45]、玉米[46-47]、大豆、馬鈴薯[48]、甜菜[49]等多種作物的多方面研究中。農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度研究可以與WOFOST作物模型相結(jié)合，應(yīng)用WOFOST模型模擬玉米生物量[50]，采用優(yōu)化方法確定基于模擬生物量的玉米不同發(fā)育階段氣象適宜程度診斷指標(biāo)，為農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度研究開辟了新方法，更好的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、定量評(píng)價(jià)各生育階段的氣象適宜程度。

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