我國北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)分布特征

孫 爽 王春乙* 宋艷玲 楊曉光

1)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081) 2)(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 北京 100193)

引 言

馬鈴薯是僅次于小麥、水稻和玉米的世界第四大糧食作物，我國馬鈴薯種植面積和總產(chǎn)量均為世界第一[1]。近60年我國馬鈴薯總產(chǎn)量及種植面積占世界總量的比例增加趨勢顯著，2018年我國馬鈴薯種植面積和總產(chǎn)量分別約占世界總量的27%和25%[1]，對世界馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定乃至世界糧食安全具有重要作用。盡管我國馬鈴薯種植面積和總產(chǎn)量均居世界第一，單產(chǎn)卻遠(yuǎn)低于美國、德國、荷蘭等國家[1-2]，實(shí)際生產(chǎn)中仍受許多因子限制，如栽培管理措施不當(dāng)、種薯質(zhì)量差、病蟲害多發(fā)等問題[2-5]。

基于馬鈴薯種植區(qū)氣候條件、生產(chǎn)栽培方式等可將我國劃分為4個(gè)主產(chǎn)區(qū)，分別為北方一作區(qū)、中原二作區(qū)、西南混作區(qū)和南方冬作區(qū)[5-7]，其中北方一作區(qū)馬鈴薯種植面積和總產(chǎn)量均高于其他產(chǎn)區(qū)，直接影響我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展[3]。北方一作區(qū)生態(tài)脆弱，受亞洲季風(fēng)和西風(fēng)帶的綜合影響，疊加其高原地形，使該區(qū)域?qū)夂蜃兓^為敏感[8-9]。有關(guān)該區(qū)域馬鈴薯適宜種植區(qū)劃已有很多研究[10-12]，大多基于農(nóng)業(yè)氣候要素指標(biāo)法[13-17]，即選取最能體現(xiàn)農(nóng)業(yè)特點(diǎn)、指示農(nóng)業(yè)氣候區(qū)域分異的一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)，結(jié)合GIS技術(shù)、作物模型等進(jìn)行適宜性區(qū)劃研究[18-19]。如王連喜等[11]通過對氣候因子與氣象產(chǎn)量進(jìn)行積溫回歸的方法構(gòu)建寧夏馬鈴薯種植氣候分區(qū)指標(biāo)，明確有灌溉條件和無灌溉條件下寧夏馬鈴薯適宜種植區(qū)分布；徐玲玲等[12]通過相關(guān)分析篩選得到影響馬鈴薯產(chǎn)量形成的關(guān)鍵氣候因子，并以此作為氣候區(qū)劃指標(biāo)結(jié)合GIS技術(shù)，采用專家打分法明確山西省馬鈴薯種植氣候區(qū)劃分布。已有研究大多關(guān)注單一省份的馬鈴薯優(yōu)勢種植分區(qū)研究，但針對北方一作區(qū)馬鈴薯的適宜種植區(qū)劃研究鮮見報(bào)道。產(chǎn)量是作物生長環(huán)境要素滿足程度和栽培管理措施的綜合反映[20-21]，目前綜合考慮高產(chǎn)性和產(chǎn)量多年變化穩(wěn)產(chǎn)性兩個(gè)方面，對于不同生產(chǎn)水平下、不同氣候資源限制條件下的馬鈴薯優(yōu)勢種植分區(qū)研究還缺乏系統(tǒng)性，近年我國北方一作區(qū)馬鈴薯總產(chǎn)量顯著上升，播種面積顯著下降，平均單產(chǎn)水平較高，但產(chǎn)量年際波動較大且不同省份間存在明顯差異[8]?；诖耍晕覈狈揭蛔鲄^(qū)馬鈴薯為研究對象，結(jié)合調(diào)整參數(shù)并驗(yàn)證后的APSIM-Potato模型，明確潛在生產(chǎn)水平下(光溫資源限制)、雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下(光溫水資源限制)和氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下(光溫水土資源限制)我國北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)的空間分布和時(shí)間變化，綜合考慮高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性，分析不同生產(chǎn)水平下我國北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)的空間分布特征，探討降水和土壤對馬鈴薯高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的影響，為區(qū)域馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、合理布局、防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

騰宗璠等[6]將我國馬鈴薯生產(chǎn)栽培劃分為4個(gè)區(qū)域，本文以我國北方一作區(qū)馬鈴薯為研究對象，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省北部、河北省北部、山西省北部、陜西省北部、寧夏回族自治區(qū)、甘肅省大部分地區(qū)、青海省大部分地區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)及西藏自治區(qū)東北部少部分地區(qū)，氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。北方一作區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量和種植面積均高于其他產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量占全國馬鈴薯總產(chǎn)量的49.1%，種植面積占全國總種植面積的53.8%[3]。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Location of the weather stations in the study area

1.2 數(shù) 據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象局，涵蓋研究區(qū)域內(nèi)1981—2019年234個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù)，包括日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等。

馬鈴薯生育期數(shù)據(jù)來自中國氣象局，包括播種期、出苗期、分枝期、開花期等。

土壤數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院南京土壤研究所，為10 km×10 km格點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括0～150 cm土壤分層土壤容重(BD)、田間持水量(DUL)、調(diào)萎系數(shù)(LL15)、土壤全氮含量(N)、pH值和土壤有機(jī)碳(SOC)等。

1.3 APSIM-Potato模型及產(chǎn)量潛力模擬

Agricultural Production Systems sIMulator(APSIM)是澳大利亞系列作物模型的總稱，由澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)小組(APARU)聯(lián)合開發(fā)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)模擬模型[22-23]。該模型已在世界范圍內(nèi)110多個(gè)國家廣泛應(yīng)用，包含的作物包括小麥、玉米、油菜、棉花、苜蓿、豆類及雜草等。APSIM模型以天氣、作物、管理措施等引起土壤特征連續(xù)變化為核心，主要包括氣象模塊、土壤模塊、作物模塊和管理模塊[22]。研究中使用的APSIM-Potato模型將馬鈴薯發(fā)育進(jìn)程分為8個(gè)發(fā)育期7個(gè)發(fā)育階段，包括播種、發(fā)芽、出苗、花芽分化、塊莖形成、開花、衰老和成熟。除發(fā)芽到出苗階段主要由播種深度、芽伸長速率和土壤溫度決定外，其他各發(fā)育階段長度都由熱時(shí)數(shù)控制。模型中生物量累積根據(jù)每日截獲的太陽輻射量和光能利用效率計(jì)算，并綜合考慮水分和氮素脅迫對生物量累積的影響，基于模型內(nèi)部的分配系數(shù)進(jìn)行產(chǎn)量模擬。已有研究表明，APSIM-Potato模型可以有效模擬我國北方馬鈴薯生長發(fā)育進(jìn)程及產(chǎn)量形成[4,24]。基于前人研究結(jié)果，本文選用區(qū)域主栽品種克新一號模擬我國北方一作區(qū)不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯的產(chǎn)量潛力，具體品種參數(shù)及參數(shù)化過程見文獻(xiàn)[4]，驗(yàn)證后的模型對馬鈴薯發(fā)育階段日數(shù)模擬的均方根誤差小于3 d，可以反映馬鈴薯生物量80%～90%的變異[4,24]。不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯產(chǎn)量潛力的定義及影響因素見表1。

研究選用APSIM-Potato 7.6開展模擬，基于不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯產(chǎn)量潛力的定義，模擬情景設(shè)置如表2所示。播期設(shè)置基于農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站數(shù)據(jù)，利用ArcGIS中反距離插值工具并結(jié)合物候定律[25-26]插值到234個(gè)氣象站點(diǎn)中。播種密度設(shè)置為10 株·m-2，行距為50 cm，播種深度為12 cm。在光溫產(chǎn)量潛力模擬過程中，充分施肥和灌溉，土壤設(shè)置為適宜土壤。某站點(diǎn)適宜土壤的確定過程如下：將各站點(diǎn)土壤數(shù)據(jù)集分別輸入調(diào)整參數(shù)并驗(yàn)證后的APSIM-Potato模型，模擬該站點(diǎn)在不同土壤環(huán)境下的光溫產(chǎn)量潛力，以模型輸出的光溫產(chǎn)量潛力最高為原則，將該產(chǎn)量最高情景下的土壤參數(shù)確定為站點(diǎn)的適宜土壤[27]；在氣候產(chǎn)量潛力模擬過程中，水分模塊設(shè)置為雨養(yǎng)(無灌溉)，播期、施肥、播深、行距等措施及土壤模塊的設(shè)置與光溫產(chǎn)量潛力一致；在氣候-土壤產(chǎn)量潛力模擬過程中，品種設(shè)置、水分模塊設(shè)置及播期施肥等管理模塊設(shè)置與氣候產(chǎn)量潛力模擬時(shí)一致，土壤模塊輸入實(shí)際土壤數(shù)據(jù)。

表1 不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯產(chǎn)量潛力意義及影響因素Table 1 The definition of yield potentials and influencing factors under different production levels

表2 不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯產(chǎn)量潛力模擬情景設(shè)置Table 2 Scenarios to simulate the yield potentials under different production levels in the APSIM-Potato

1.4 高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)研究

1.4.1 劃分指標(biāo)及區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)

產(chǎn)量是反映作物種植環(huán)境與其生長所需環(huán)境條件符合程度的綜合指標(biāo)[20-21]。綜合考慮產(chǎn)量的高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性，高產(chǎn)區(qū)劃分以1981—2019年各站點(diǎn)馬鈴薯產(chǎn)量平均值作為區(qū)劃指標(biāo)，研究時(shí)段內(nèi)某站點(diǎn)產(chǎn)量平均值越高，表明該站點(diǎn)的產(chǎn)量水平越高，高產(chǎn)性越好；穩(wěn)產(chǎn)區(qū)劃分以馬鈴薯產(chǎn)量變異系數(shù)為區(qū)劃指標(biāo)，變異系數(shù)定義為產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，用于反映要素相對于其平均值的整體離散程度，變異系數(shù)越大，表明波動程度越大，越不穩(wěn)定[28]。

采用累積概率法對不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯產(chǎn)量潛力平均值及變異系數(shù)進(jìn)行等級劃分。累積概率指變量大于某下限值出現(xiàn)的次數(shù)與總次數(shù)的比值[29]。分別以馬鈴薯產(chǎn)量平均值和產(chǎn)量變異系數(shù)累積概率50%為劃分標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)域劃分為高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)、高產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)、低產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)和低產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)4個(gè)亞區(qū)。

1.4.2 高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)的變化趨勢

基于高產(chǎn)區(qū)的評價(jià)指標(biāo)和劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到1981—2019年高產(chǎn)站點(diǎn)和低產(chǎn)站點(diǎn)占總站點(diǎn)比例隨時(shí)間的變化趨勢；基于穩(wěn)產(chǎn)區(qū)的評價(jià)指標(biāo)，選取長度為15年的時(shí)間窗口[30]進(jìn)行計(jì)算，得到25個(gè)時(shí)間序列的變異系數(shù)，結(jié)合穩(wěn)產(chǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，可得到高穩(wěn)站點(diǎn)比例和低穩(wěn)站點(diǎn)比例隨時(shí)間的變化趨勢。

1.4.3 降水和土壤對高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)影響

基于不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯產(chǎn)量潛力定義及影響因素，分別比較馬鈴薯產(chǎn)量潛力平均值和變異系數(shù)，可確定不同因素對馬鈴薯高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的影響程度。通過對比分析光溫產(chǎn)量潛力與氣候產(chǎn)量潛力的平均值和變異系數(shù)差異，得到降水對馬鈴薯產(chǎn)量高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的影響；通過對比分析氣候產(chǎn)量潛力與氣候-土壤產(chǎn)量潛力的平均值和變異系數(shù)差異，得到土壤對馬鈴薯高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的影響。

2 結(jié)果分析

2.1 不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)時(shí)空變化特征

以不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯產(chǎn)量潛力平均值為高產(chǎn)性評價(jià)指標(biāo)，以產(chǎn)量變異系數(shù)為穩(wěn)產(chǎn)性評價(jià)指標(biāo)，計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)馬鈴薯光溫產(chǎn)量潛力、氣候產(chǎn)量潛力和氣候-土壤產(chǎn)量潛力累積概率(如圖2所示)。以累積概率達(dá)50%為高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到潛在生產(chǎn)水平下，高產(chǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為35124 kg·hm-2，穩(wěn)產(chǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為9.5%；雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下，高產(chǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為17783 kg·hm-2，穩(wěn)產(chǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為45.1%；氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下，高產(chǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為10329 kg·hm-2，穩(wěn)產(chǎn)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為37.2%。由圖2可以看到，與氣候產(chǎn)量潛力和氣候-土壤產(chǎn)量潛力相比，光溫產(chǎn)量潛力年際間差異較小，分布較為集中。

圖2 不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯產(chǎn)量潛力平均值(a)和變異系數(shù)(b)的累積概率分布Fig.2 Distributions of the cumulative probability for the average yield potentials(a) and coefficients of variation(b) for potato under different production levels

基于高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)區(qū)劃指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，得到不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)空間分布特征(圖3)。由圖3可以看到，潛在生產(chǎn)水平下北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和高穩(wěn)區(qū)主要分布在新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、青海省西北部、甘肅省西北部及寧夏回族自治區(qū)北部，分別占研究區(qū)域總面積的67%(3.31×106km2)和62%(3.10×106km2)(表3)；雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和高穩(wěn)區(qū)主要分布在黑龍江省、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、遼寧省北部、河北省北部、山西省北部、甘肅省南部及青海省東南部，分別占研究區(qū)域總面積的34%(1.70 ×106km2)和29%(1.43×106km2)；氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)主要分布在黑龍江省、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部、甘肅省南部及青海省南部地區(qū)，占研究區(qū)域總面積的31%(1.53×106km2)，高穩(wěn)區(qū)主要分布在黑龍江省、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部及甘肅省西北部，占研究區(qū)域總面積的25%(1.27×106km2)。

不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)時(shí)間演變趨勢如圖4所示。由圖4可以看到，各生產(chǎn)水平下北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)站點(diǎn)比例均呈下降趨勢，潛在生產(chǎn)水平、雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平和氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下高產(chǎn)站點(diǎn)比例分別以每10年1.4%，1.2% 和0.4%的速率下降；潛在生產(chǎn)水平和氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下高穩(wěn)站點(diǎn)比例分別以每10年5.8%和0.9%的速率升高，且潛在生產(chǎn)水平下高穩(wěn)站點(diǎn)比例變化趨勢達(dá)到0.001顯著性水平，雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下高穩(wěn)站點(diǎn)比例以每10年2.6%的速率下降(達(dá)到0.05顯著性水平)。

圖3 不同生產(chǎn)水平下北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)分布Fig.3 Distributions of yield level zones and yield stability zones under different production levels for potato in the single-cropping region in northern China

表3 不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)面積及比例Table 3 Cropping areas and proportions of yield level zones and yield stability zones under different production levels

由以上分析可知，隨著限制因素的增加，馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和高穩(wěn)區(qū)面積比例逐漸降低，潛在生產(chǎn)水平下高產(chǎn)區(qū)和高穩(wěn)區(qū)面積比例均高于60%，雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平和氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下高產(chǎn)區(qū)和高穩(wěn)區(qū)比例均低于35%；不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)比例均呈下降趨勢，馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)區(qū)比例除雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下呈下降趨勢外，潛在生產(chǎn)水平和氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下均呈上升趨勢。

圖4 不同生產(chǎn)水平下北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)時(shí)間變化Fig.4 Temporal trends of the station percentage for the high-yield levels,the low-yield levels,the high-yield stability and low-yield stability for potato in the single-cropping region in northern China

2.2 不同層次下馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)分布

基于高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)區(qū)劃指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)域劃分為高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)，高產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)、低產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)和低產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)4個(gè)亞區(qū)，空間分布及各亞區(qū)面積比例見圖5和表4。由圖5可以看到，潛在生產(chǎn)水平下北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)主要分布在新疆維吾爾自治區(qū)北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、甘肅省西北部、寧夏回族自治區(qū)北部及青海省中部，占研究區(qū)域總面積的40%(1.99×106km2)；氣候潛在生產(chǎn)水平下北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)主要分布在黑龍江省、吉林省、遼寧省北部及內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，占研究區(qū)域總面積的25%(1.26×106km2)；氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)主要分布在黑龍江省、吉林省及內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，占研究區(qū)域總面積的13%(0.65×106km2)。

高產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)是潛在的高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)，及時(shí)采取有效措施可提升產(chǎn)量潛力穩(wěn)產(chǎn)性。潛在生產(chǎn)水平下，高產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)主要分布在新疆維吾爾自治區(qū)皮山—阿拉爾—塔中一帶、青海省茫崖—大柴旦一帶和興?！_(dá)日一帶、內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特—化德—西烏珠穆沁旗一帶，占研究區(qū)域總面積的24%(1.21×106km2)；雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下，高產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特—集寧—巴林左旗—赤峰一帶及青海省玉樹—達(dá)日一帶，占研究區(qū)域總面積的8%(0.42×106km2)；氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下，高產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)圖里河—海拉爾一帶、那仁寶力格—錫林浩特一帶、四子王旗—呼和浩特-集寧一帶和青海省玉樹—達(dá)日一帶，占研究區(qū)域總面積的14%(0.71×106km2)。

圖5 不同生產(chǎn)水平下我國北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)分布 Fig.5 Distributions of the high-stable zones for potato under different production levels in the single-cropping region in northern China

表4 不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)面積及比例Table 4 Cropping areas and proportions of high-stable zones for potato under different production levels in the study region

綜上所述，隨著限制因素增加，馬鈴薯高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)面積比例逐漸降低，氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下面積比例僅占研究區(qū)域總面積的13%；高產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)是潛在的高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)，潛在生產(chǎn)水平下比例最高(24%)，雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下比例最低(8%)；低產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)面積比例在氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下最高(33%)；低產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)面積比例在雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下最高(59%)，潛在生產(chǎn)水平下比例最低(22%)。

2.3 降水和土壤因素對馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)影響

基于上述高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)劃分，通過分別對比潛在生產(chǎn)水平與雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下、雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平與氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)的差異，即可得到由降水和土壤影響導(dǎo)致的高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性下降的區(qū)域及影響程度(圖6)。由圖6高產(chǎn)性降低的區(qū)域分布可知，降水條件限制導(dǎo)致的馬鈴薯高產(chǎn)性降低的區(qū)域主要分布在新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、青海省北部、甘肅省北部及寧夏回族自治區(qū)北部，馬鈴薯產(chǎn)量降低18425 kg·hm-2；土壤條件限制導(dǎo)致馬鈴薯高產(chǎn)性降低的區(qū)域主要分布

圖6 北方一作區(qū)馬鈴薯降水和土壤限制下高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性降低的區(qū)域Fig.6 Distributions of negative changes in yield level and yield stability zones due to precipitation and soil for potato in the single-cropping region in northern China

在內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、遼寧省西北部、河北省北部及陜西省東部，馬鈴薯產(chǎn)量降低9211 kg·hm-2。

由圖6穩(wěn)產(chǎn)性降低的區(qū)域分布可知，降水條件限制導(dǎo)致的馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)性降低的區(qū)域主要分布在新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、青海省北部、甘肅省北部及寧夏回族自治區(qū)北部，馬鈴薯產(chǎn)量變異系數(shù)增加53.9%，產(chǎn)量穩(wěn)定性下降；土壤條件限制導(dǎo)致的馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)性降低的區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、黑龍江省西南部、吉林省西部、遼寧省西北部、河北省北部、山西省西北部、甘肅省南部及青海省東南部，馬鈴薯產(chǎn)量變異系數(shù)增加23.7%，產(chǎn)量穩(wěn)定性下降。

綜上所述，降水對馬鈴薯高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的限制區(qū)域主要分布在研究區(qū)域的西部，包括新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、甘肅省北部、青海省北部和寧夏回族自治區(qū)北部，土壤對馬鈴薯高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的限制區(qū)域主要分布在內(nèi)蒙古東部、遼寧省西北部和河北省北部地區(qū)，且降水對馬鈴薯高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的影響大于土壤。

3 結(jié)論與討論

以我國北方一作區(qū)馬鈴薯為研究對象，利用1981—2019年逐日氣象數(shù)據(jù)、作物數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)，基于APSIM-Potato模型，研究不同生產(chǎn)水平下我國北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)分布特征，得到如下結(jié)論：

1) 隨著限制因素增加，馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)和高穩(wěn)區(qū)面積比例逐漸降低，潛在生產(chǎn)水平下高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)站點(diǎn)比例均高于60%，雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平和氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下高產(chǎn)區(qū)和穩(wěn)產(chǎn)區(qū)比例均低于35%；不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯高產(chǎn)區(qū)比例呈下降趨勢，馬鈴薯穩(wěn)產(chǎn)區(qū)比例除雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下呈下降趨勢外，潛在生產(chǎn)水平和氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下均呈上升趨勢。

2) 隨著限制因素增加，馬鈴薯高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)面積比例逐漸降低，氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)面積比例僅占研究區(qū)域總面積的13%；高產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)是潛在的高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)，潛在生產(chǎn)水平下比例最高(24%)，雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下比例最低(8%)；低產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)面積比例在氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下最高(33%)；低產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)面積比例在雨養(yǎng)潛在生產(chǎn)水平下最高(59%)，潛在生產(chǎn)水平下比例最低(22%)。

3) 降水對馬鈴薯高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的影響主要分布在研究區(qū)域的西部，包括新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)西部、甘肅省北部、青海省北部和寧夏回族自治區(qū)北部，土壤對馬鈴薯高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的影響主要分布在內(nèi)蒙古東部、遼寧省西北部及河北省北部地區(qū)，且降水對馬鈴薯高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性的影響大于土壤。

本研究基于APSIM-Potato模型，以馬鈴薯產(chǎn)量潛力為研究指標(biāo)分析我國北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)變化。產(chǎn)量潛力模擬時(shí)未考慮品種更替對馬鈴薯產(chǎn)量的提升作用，選用區(qū)域內(nèi)主栽品種反映作物長期對區(qū)域環(huán)境的適應(yīng)性，避免品種更替帶來的年代間產(chǎn)量的突變。模擬選用內(nèi)蒙古武川試驗(yàn)站的馬鈴薯克新一號品種參數(shù)數(shù)據(jù)，利用參數(shù)本土化后的APSIM-Potato模型進(jìn)行模擬[4]。模擬不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯產(chǎn)量潛力時(shí)，模型內(nèi)播期的確定是基于農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站數(shù)據(jù)平均值，利用反距離插值法并結(jié)合物候定律[25-26]插值到各氣象站點(diǎn)，未考慮不同年型下馬鈴薯適宜播期的變化[31]。此外，模擬產(chǎn)量潛力時(shí)未考慮CO2的肥效作用和栽培技術(shù)措施及耕作措施對馬鈴薯產(chǎn)量的影響，如我國華北和西北馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)多為干旱半干旱地區(qū)，地膜覆蓋[32-33]、免耕覆蓋[34]等栽培模式廣泛應(yīng)用，以上均需后續(xù)進(jìn)一步修正與完善。

研究的區(qū)劃結(jié)果綜合考慮產(chǎn)量的高產(chǎn)性和波動性，研究指標(biāo)與方法已應(yīng)用于小麥、玉米等作物的區(qū)劃研究[27,35]。本研究從農(nóng)業(yè)資源角度，明確不同資源限制條件下我國北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)的空間分布特征，以期為各級政府和有關(guān)部門對馬鈴薯生產(chǎn)的宏觀合理布局提供參考。從氣候-土壤潛在生產(chǎn)水平下的北方一作區(qū)馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)區(qū)劃結(jié)果與我國馬鈴薯優(yōu)勢區(qū)劃布局規(guī)劃[36]對比可以看到，東北馬鈴薯優(yōu)勢區(qū)大部分與本研究結(jié)果的高產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)吻合(圖5)，華北馬鈴薯和西北的馬鈴薯部分優(yōu)勢區(qū)為本文的高產(chǎn)低穩(wěn)區(qū)和低產(chǎn)高穩(wěn)區(qū)(圖5)。造成區(qū)劃結(jié)果差異的原因主要是布局規(guī)劃考慮了各區(qū)域內(nèi)自然資源條件、種植規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)及產(chǎn)業(yè)比較優(yōu)勢等條件，而本研究區(qū)劃僅考慮農(nóng)業(yè)氣候資源及土壤資源，未考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策等因素的影響。在今后的研究中將進(jìn)一步收集馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、成本收益、土地利用狀況等方面數(shù)據(jù)，根據(jù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素明確不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)分區(qū)，解析各因素對馬鈴薯生產(chǎn)的影響。

此外，在分析不同生產(chǎn)水平下馬鈴薯高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)面積時(shí)，本文僅考慮了土地面積的變化，未疊加土地利用數(shù)據(jù)綜合分析區(qū)域內(nèi)耕地面積及旱地面積，今后將收集相關(guān)數(shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。