我國(guó)馬鈴薯自然適宜區(qū)的時(shí)空變化初探

摘 要：為了解我國(guó)馬鈴薯發(fā)展?jié)摿?，采用統(tǒng)計(jì)與分析的方法，初步研究了我國(guó)馬鈴薯自然適宜區(qū)的影響因素（氣溫、降水、光照、土壤）和時(shí)空變化情況，總結(jié)了各省馬鈴薯適宜期，并據(jù)此為我國(guó)馬鈴薯主糧化工作的推進(jìn)提出了建議。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；自然適宜區(qū)；氣溫；降水

中圖分類號(hào)：S181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2018）09-0016-05

Preliminary Study of Temporal and Spatial Changes of Potato Natural Suitable Areas in China

WEN Yu-long，GUAN Xin，LI Qiao-yun

（1. College of Bioscience and Biotechnology， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC； 2. College of Resources and Environment， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract： In order to understand the development potential of potato in China， the paper uses statistical and analytical methods to do a preliminary study on the temporal and spatial changes of natural suitable areas of potato in China. Moreover， summarizes the suitable period of potato in each province， and proposes suggestions for advancement of the strategy to promote potato as a staple food in China.

Key words： potato； ecological risk； food security； temperature； precipitation

糧食包括谷物、豆類和薯類等農(nóng)作物。其中主糧主要是指水稻、小麥、玉米等谷物，我國(guó)不同地區(qū)還有青稞、粟、高粱作為雜糧[3]。豆類與薯類往往作為副食，被視為谷物糧食的補(bǔ)充。近年來(lái)，中國(guó)推動(dòng)馬鈴薯主糧化[1]，并將馬鈴薯作為主糧產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)[2]。農(nóng)業(yè)部門(mén)提出2020年將我國(guó)馬鈴薯種植面積提高到667萬(wàn)hm2[2]。因此，了解馬鈴薯自然適宜區(qū)及適宜區(qū)的時(shí)空變化特征，研究馬鈴薯在我國(guó)的發(fā)展?jié)摿哂兄匾饬x。

在現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中，馬鈴薯的適宜區(qū)劃分相當(dāng)簡(jiǎn)略，主要分為北方一季地區(qū)、西南一二季混作區(qū)、中原兩季區(qū)和南方二作區(qū)[4-5]，這種劃分不利于研究我國(guó)馬鈴薯的生產(chǎn)潛力。在查閱了大量與馬鈴薯生產(chǎn)資料的基礎(chǔ)上，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)、國(guó)家地質(zhì)資料數(shù)據(jù)中心搜集了大量氣象與地理數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件進(jìn)行建庫(kù)與分析，以期精確描述馬鈴薯自然適宜區(qū)的時(shí)空變化趨勢(shì)，為我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展服務(wù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理方法

影響馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育的自然因素主要有水分、溫度、光照與土壤[5-6]。病毒、昆蟲(chóng)等生物因素對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響變動(dòng)大，難以分析，且可以通過(guò)育種、施藥等方式進(jìn)行人工控制，故在文中不進(jìn)行討論。

研究使用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于科技部國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)中心運(yùn)營(yíng)的中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，數(shù)據(jù)精確到縣級(jí)行政單位。原始數(shù)據(jù)包含中國(guó)基本、基準(zhǔn)和一般地面氣象觀測(cè)站1981～2010年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。所有的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Excel整理后，取平均值。由于氣象站的覆蓋范圍和行政區(qū)劃的調(diào)整，個(gè)別縣級(jí)行政單位的氣象數(shù)據(jù)沒(méi)有收錄，這部分縣級(jí)行政單位的氣象數(shù)據(jù)由相鄰?fù)?jí)行政單位的數(shù)據(jù)取平均值推算。研究所使用的地理數(shù)據(jù)主要來(lái)自地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)、國(guó)家地質(zhì)資料數(shù)據(jù)中心的公開(kāi)數(shù)字地圖資料。

所有氣象與地理數(shù)據(jù)，在Excel軟件里進(jìn)行了分類匯總，整理后得到的全國(guó)各縣級(jí)行政單位每個(gè)月平均氣溫、平均降水、土地面積等信息。整理得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中進(jìn)行數(shù)據(jù)建庫(kù)、定義查詢和數(shù)據(jù)分析，形成可視化的地圖。在通過(guò)ArcGIS提取馬鈴薯自然適宜區(qū)時(shí)，主要選擇平均氣溫與平均降水能滿足馬鈴薯正常發(fā)育周期的自然適宜區(qū)，不考慮溫室大棚和灌溉補(bǔ)水等人工干預(yù)手段。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響馬鈴薯自然適宜區(qū)的因素

2.1.1 氣溫因素 根據(jù)有關(guān)農(nóng)業(yè)資料和科研成果，馬鈴薯在日均氣溫高于4℃后開(kāi)始萌發(fā)，日均氣溫高于8℃后正常生長(zhǎng)，最適宜溫度區(qū)間為8～21℃。當(dāng)氣溫高于21℃后馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育緩慢，當(dāng)氣溫超過(guò)25℃馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育即停止。因此，可對(duì)馬鈴薯的氣溫適宜性進(jìn)行劃分：<4℃氣溫低不適宜，4～8℃氣溫偏低較適宜，8～21℃氣溫最適宜，21～25℃氣溫偏高較適宜，≥25℃氣溫高不適宜，馬鈴薯溫度自然適宜區(qū)按月變化情況（圖1）。

由馬鈴薯的氣溫自然適宜區(qū)可知，我國(guó)馬鈴薯自然適宜區(qū)在春夏階段自東南向西北發(fā)展，在5月達(dá)到一個(gè)高峰，此時(shí)我國(guó)馬鈴薯的最自然適宜區(qū)面積約為64 247.45萬(wàn)hm2，約占全國(guó)土地總面積的66%以上；較自然適宜區(qū)較自然適宜區(qū)面積約為22 144.93萬(wàn)hm2，約占國(guó)土總面積的23%。其后由于南方月均氣溫超過(guò)馬鈴薯的耐受范圍，馬鈴薯自然適宜區(qū)面積減少，于7月達(dá)到一個(gè)低谷。此時(shí)馬鈴薯的自然適宜區(qū)主要集中在青藏高原。由夏入秋期間我國(guó)馬鈴薯自然適宜區(qū)自西北向東南發(fā)展，9月自然適宜區(qū)達(dá)到第二個(gè)高峰，此時(shí)自然適宜區(qū)面積約為66 239.31萬(wàn)hm2，占全國(guó)總國(guó)土面積68%以上；較自然適宜區(qū)面積23 607.64萬(wàn)hm2，約占國(guó)土總面積的24%。10～12月期間，馬鈴薯自然適宜區(qū)由西北向東南退縮。至12月到第二年1月，自然適宜區(qū)面積最少，面積約在7 934.74萬(wàn)hm2左右，約占國(guó)土總面積的8%。

2.1.2 降水因素 降水方面，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，馬鈴薯從播種到收割的整個(gè)生長(zhǎng)周期耗水量為300～500 m3/667m2。按照最低需水300 m3計(jì)算，在不考慮外源補(bǔ)水的情況下，即土地累積需要降水不少于450 mm/m2，才能滿足馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的全部需求。其中，出苗萌發(fā)期的需水量占總需水量的10%，植株發(fā)育期需水量占總需水量的30%，塊莖膨大期需水量占總需水量50%，成熟結(jié)薯期的需水量占總需水量的10%。

將馬鈴薯的需水量限制條件代入后，會(huì)發(fā)現(xiàn)有大量氣溫適宜的區(qū)域因?yàn)榻邓蛔阋詽M足馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育，而不再適宜種植馬鈴薯（圖2）。此時(shí)馬鈴薯的自然適宜區(qū)在8月達(dá)到最高值，最自然適宜區(qū)總面積約為35 680.84萬(wàn)hm2，較自然適宜區(qū)面積約為14 112.35萬(wàn)hm2，分別占全國(guó)土地總面積的37%和14%。

即有近一半的氣溫自然適宜區(qū)和氣溫較自然適宜區(qū)由于降水少而不能滿足馬鈴薯生長(zhǎng)需求，在這部分降水不足的區(qū)域種植馬鈴薯時(shí)，需要使用農(nóng)田水利設(shè)施來(lái)為馬鈴薯提供充足的水分。新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)及青海省的西北部地區(qū)處于我國(guó)西部干旱半干旱氣候區(qū)，降水一直稀缺。若無(wú)人工水利設(shè)施灌溉補(bǔ)充水分，不適合馬鈴薯的生長(zhǎng)。由此可見(jiàn)我國(guó)降水與氣溫在時(shí)間上的不同步，是制約我國(guó)馬鈴薯農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)發(fā)展的重要因素。

2.1.3 光照因素 根據(jù)馬鈴薯與光照強(qiáng)度關(guān)系的相關(guān)研究結(jié)果，馬鈴薯適宜的日均光照時(shí)長(zhǎng)區(qū)間在8～14 h/d[7]。國(guó)家氣象局氣象科學(xué)研究院的吳其劻在對(duì)我國(guó)14個(gè)日射站每日逐時(shí)的自然光照與太陽(yáng)輻射同步觀測(cè)資料進(jìn)行計(jì)算后，得出了我國(guó)全年平均散射照度日總量分布圖[8]。將我國(guó)全年平均散射照度日總量分布和月均日總量分布與按氣溫劃分的馬鈴薯自然適宜區(qū)時(shí)空變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)照后發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的全年平均散射照度日總量能滿足馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的需要，且按月散射照度的時(shí)空變化趨勢(shì)，與馬鈴薯的水、溫自然適宜區(qū)的變化趨勢(shì)基本一致。即當(dāng)氣溫滿足馬鈴薯生長(zhǎng)需求的時(shí)候，同期的光照時(shí)長(zhǎng)能夠滿足馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)光照時(shí)長(zhǎng)的需求。

2.1.4 土壤因素 參照中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)資料（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，黑龍江省、吉林省、遼寧省、江西省、廣東省、海南省、西藏自治區(qū)和新疆自治區(qū)的馬鈴薯產(chǎn)量顯著高于其他省份和全國(guó)的平均產(chǎn)量。尤其是新疆、西藏和東三省，由馬鈴薯氣溫自然適宜區(qū)可知屬一年能種植一季馬鈴薯的地區(qū)。這一特征說(shuō)明這些地區(qū)的適合馬鈴薯生長(zhǎng)的土壤較多。

根據(jù)相關(guān)栽培資料（表1），馬鈴薯適宜pH值在5.5～6.5的弱酸性、中性土壤，在pH值4.8～7.1的范圍內(nèi)均可正常生長(zhǎng)。馬鈴薯適宜土層深厚、質(zhì)地疏松、排水良好、富含有機(jī)質(zhì)的沙壤土和輕質(zhì)沙壤土、較適宜沙性大的土壤，不適宜未經(jīng)摻沙改良處理的黏重土壤，不適宜石灰質(zhì)土壤和含鹽、堿性土壤。

其他主糧作物中，小麥適宜pH值在6.8～7.0的中性土壤，在pH值6.0～8.5的范圍內(nèi)均可正常生長(zhǎng)。小麥適宜質(zhì)地黏重的土壤，不適宜偏砂的土壤。玉米對(duì)土壤要求不嚴(yán)格，適宜的pH值范圍為5.0～8.0，最適宜6.5～7.0的土壤。玉米適宜砂質(zhì)土壤水稻適宜pH值在6.0～7.0的土壤。水稻土的土壤性質(zhì)則介于砂土與粘土之間，其耕性和肥力較好。

可見(jiàn)適宜種植馬鈴薯的耕地與適宜種植其他主糧作物的耕地有著顯著的土壤性質(zhì)差異。適宜種植馬鈴薯的土壤不適合再種植小麥和水稻。如為了種植馬鈴薯而對(duì)耕地進(jìn)行土壤改良，則可能破壞耕地的土壤質(zhì)量，造成耕地質(zhì)量下降，影響到其他主糧作物的耕作。

土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的載體，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然演化與人為改良，即使在同一縣級(jí)區(qū)域里，各種質(zhì)量與類型的土壤往往混雜分布在一起。且由于我國(guó)地形復(fù)雜，海拔落差大，在進(jìn)行討論較為困難，擬另文詳述。

2.2 馬鈴薯的自然適宜區(qū)劃分

在對(duì)自然適宜區(qū)的各影響因素進(jìn)行考察后，本文著重以氣溫與降水因素來(lái)劃分馬鈴薯的自然適宜區(qū)（圖4）。以氣溫和降水為條件提取的自然適宜區(qū)及其時(shí)空變化，其結(jié)果與我國(guó)傳統(tǒng)的馬鈴薯栽培區(qū)劃分為北方一季作區(qū)、西南一二季混作區(qū)、中原兩季作區(qū)和南方二作區(qū)是比較符合的。

根據(jù)適宜區(qū)的按月變化情況對(duì)各省馬鈴薯適宜期進(jìn)行了總結(jié)。海南省位于熱帶，適宜于11、12月播種，翌年3月前收獲，最適宜期90 d，宜選育早熟性、較耐高溫的馬鈴薯品種，以提高產(chǎn)量。廣東省、廣西壯族自治區(qū)適宜于11月開(kāi)始播種馬鈴薯，至3月最適宜的氣溫與降水結(jié)束前，約有151 d。福建省適宜于10月后開(kāi)始播種，至翌年4月結(jié)束，適宜期212 d。江西省南部適宜期為2～4月89 d，10～12月92 d，總計(jì)181 d。湖南省、湖北省、浙江省、貴州省及江西北部地區(qū)在10～11月、3～6月月前各有約61 d適宜期。重慶市、四川省、云南省是地形較為特殊的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。這一區(qū)域位于云貴高原，境內(nèi)多高山，海拔落差大；其中位于四川盆地的川東地區(qū)和位于橫斷山脈以南的云南省南部地區(qū)，2～4月、10～12月共計(jì)181 d是適宜種植馬鈴薯的時(shí)期。川西地區(qū)宜在3～9月期間有214 d左右的適宜期；而云南北部的適宜期從3月前后一直延續(xù)至11月。江蘇省、江西省、安徽省、河南省和上海市可以3月前后開(kāi)始達(dá)到馬鈴薯適宜期，5月開(kāi)始收獲，適宜期持續(xù)60～90 d左右；當(dāng)年10～11月為第2個(gè)適宜期，持續(xù)約61 d左右。山西省、陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)位于黃土高原、內(nèi)蒙古高原上，屬于我國(guó)地形“三級(jí)階梯”中，第二級(jí)階梯的一部分。這一區(qū)域在傳統(tǒng)馬鈴薯自然適宜區(qū)劃上被歸于北方夏作區(qū)，4月中下旬到5月上旬播種，8月下旬至10月上旬收獲。新疆維吾爾自治區(qū)位于我國(guó)西北部。境內(nèi)阿爾泰山脈、天山山脈、昆侖山脈與準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地構(gòu)成“三山夾兩盆”的特殊地形。南疆地區(qū)能為馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育提供足夠溫度的時(shí)間段分別是3～5月、9～10月。北疆地區(qū)能為馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育提供足夠溫度的時(shí)間段分別是4～5月、9月。北京市、天津市、河北省、遼寧省、吉林省、黑龍江省是傳統(tǒng)馬鈴薯自然適宜區(qū)劃上的北方夏作區(qū)，4月中下旬到5月上旬播種，8月下旬至10月上旬收獲。青海省、西藏自治區(qū)是位于青藏高原上的馬鈴薯種植區(qū)域，馬鈴薯宜在4月前后耕種，以利用5～9月長(zhǎng)達(dá)153 d的適宜期。

對(duì)市面上主要馬鈴薯品種的熟性進(jìn)行梳理。馬鈴薯按照用途可以分為宜鮮食型、宜加工型和兼顧型。不同類型馬鈴薯干物質(zhì)積累的時(shí)間長(zhǎng)度也不同。按照從播種到收獲的時(shí)長(zhǎng)，可以分為60～70 d早熟品種、70～90 d的中早熟性品種、90～100 d的中等熟性品種、100～110 d中晚熟性品種，超過(guò)110 d的晚熟品種。各地可以根據(jù)自然條件和自然適宜區(qū)變化情況，選擇合適的馬鈴薯品種。

3 結(jié)論與討論

研究得出，以氣溫和降水為條件提取的自然適宜區(qū)及其時(shí)空變化與我國(guó)傳統(tǒng)的馬鈴薯栽培區(qū)劃分法是比較符合的。

當(dāng)前我國(guó)城市擴(kuò)張迅速，城市建設(shè)用地占用耕地面積多，而通過(guò)復(fù)墾等手段補(bǔ)充的耕地質(zhì)量較差。雖然馬鈴薯可以種植在土壤質(zhì)量較差的復(fù)墾耕地上，但如沒(méi)有采取足夠的生態(tài)防護(hù)措施，仍可能存在水土流失等生態(tài)問(wèn)題。而開(kāi)墾的水域和自然保留地，也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，降低生態(tài)承載力，引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)野生生物的生物種類、種群數(shù)量發(fā)生改變，引發(fā)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

與20世紀(jì)相比，目前我國(guó)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化上已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成就，但我國(guó)農(nóng)業(yè)也存在技術(shù)向市場(chǎng)轉(zhuǎn)化率低、高新農(nóng)業(yè)技術(shù)生產(chǎn)成本高等問(wèn)題?？梢钥紤]加大農(nóng)業(yè)科技投入，提高馬鈴薯種植生產(chǎn)的工業(yè)化程度，降低測(cè)土施肥、無(wú)土栽培等農(nóng)業(yè)技術(shù)的運(yùn)營(yíng)成本，減少降水、氣溫、光照和土壤對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育的限制，生產(chǎn)出足夠產(chǎn)量的高品質(zhì)馬鈴薯供應(yīng)市場(chǎng)，以減輕我國(guó)糧食安全所承受的壓力。

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（責(zé)任編輯：夏亞男）