寧夏馬鈴薯主要種植區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征分析

吳志岐，陳超，張連花，龐艷梅

（1中國旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002；2寧夏回族自治區(qū)西吉縣氣象局，寧夏固原 756202；3中國氣象局成都高原氣象研究所，成都 610072；4南方丘陵區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066）

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受農(nóng)業(yè)氣候資源數(shù)量及配置的直接影響，農(nóng)業(yè)氣候資源主要包括光資源、熱量資源和水分資源，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供必需的物質(zhì)和能量。氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源的影響，使農(nóng)業(yè)氣候資源在數(shù)量和配置上發(fā)生了變化，從而影響農(nóng)業(yè)種植品種以及生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。因此，研究分析氣候變化背景下農(nóng)業(yè)氣候資源變化趨勢(shì)及分布格局，對(duì)合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源和調(diào)整農(nóng)業(yè)種植品種具有重要意義。研究表明：1961—2007 年，華南地區(qū)年平均溫度呈上升趨勢(shì)，大于等于10℃的積溫表現(xiàn)出由南向北逐漸減少的特征[1]。西北干旱地區(qū)年平均氣溫和喜涼作物生長期內(nèi)大于等于0℃的積溫由北向南呈上升趨勢(shì)，喜溫作物生長期內(nèi)大于等于10℃的積溫呈緯向分布[2]。與1961—1980 年相比，1981—2007 年中國年平均氣溫增加了0.6℃，喜涼作物生長期內(nèi)大于等于0℃積溫和喜溫作物生長期內(nèi)大于等于10℃積溫分別平均增加123.3℃·d 和125.9℃·d；1961—2007 年年平均氣溫增幅最大的區(qū)域是東北地區(qū)，喜溫作物生長期內(nèi)大于等于10℃積溫增幅最大的是華南地區(qū)[3]。西北地區(qū)小于0℃的負(fù)積溫、大于0℃的積溫和大于10℃的積溫均從1986 年開始增加，在1995 年后呈更加明顯的上升趨勢(shì)[4]。未來中國氣溫變化趨勢(shì)較一致，大部分地區(qū)農(nóng)耕期大于等于0℃的初日提前和終日延遲，無霜期延長，大于等于0℃積溫呈增加趨勢(shì)[5]。近百年來中國降水量年際波動(dòng)較大，區(qū)域性明顯，大部分地區(qū)年降水量呈增加趨勢(shì)，但華北、西北東部等地區(qū)年降水量呈下降趨勢(shì)；1956—2000 年，中國日照時(shí)間、水面蒸發(fā)量和總云量等呈減少趨勢(shì)，最大積雪深度有所增加[6]。加拿大CCCma模式預(yù)測(cè)中國未來地面溫度不斷升高、降水量處于不斷增加變化趨勢(shì)，降水量在青海西藏一帶有顯著增加[7]。中國大于等于10℃積溫反映出種植制度發(fā)生顯著變化，植帶界限北移，氣溫不斷升高，作物蒸散量增加，降水量增加使西北地區(qū)作物生長期延長[8]。1961—1980 年，長江中下游地區(qū)年日照時(shí)數(shù)下降最多，華北地區(qū)和華南地區(qū)的喜涼和喜溫作物生長期內(nèi)日照時(shí)數(shù)減幅最大[9]。由此可見，氣候變化背景下，中國農(nóng)業(yè)氣候資源總體表現(xiàn)為熱量資源、降水資源顯著增加，輻射資源減少，區(qū)域差異明顯。就氣候資源而言，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)水稻、玉米、小麥等大宗糧食作物進(jìn)行了大量研究[10-13]，作為全國第四大主糧的馬鈴薯，氣候資源對(duì)其影響研究較少，本研究系統(tǒng)分析了氣候變化背景下寧夏馬鈴薯主要種植區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的演變趨勢(shì)及空間分布格局，成果可為旱區(qū)農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化、合理開發(fā)并利用氣候資源，以及調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和種植制度等提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用氣象數(shù)據(jù)來自寧夏氣象局信息中心，寧夏馬鈴薯種植區(qū)8個(gè)氣象觀測(cè)站1981—2020年的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度和平均風(fēng)速的逐日數(shù)據(jù)；馬鈴薯生育期的數(shù)據(jù)來自寧夏回族自治區(qū)8 個(gè)馬鈴薯農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2008—2020年的觀測(cè)資料。

1.2 研究區(qū)域

寧夏馬鈴薯種植區(qū)主要集中在寧南山區(qū)，包括西吉縣、隆德縣、涇源縣、彭陽縣、原州區(qū)，其次是中部干旱帶包括海原縣、鹽池縣、同心縣。這些地區(qū)屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，該區(qū)域土壤疏松、土層深厚，氣候涼爽、晝夜溫差大，為喜涼喜光、耐寒耐旱的馬鈴薯生長提供了很好的環(huán)境，其品質(zhì)在國內(nèi)屬最好檔次。利用寧夏馬鈴薯農(nóng)業(yè)氣象生育期觀測(cè)資料，同時(shí)結(jié)合大田生產(chǎn)調(diào)查結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出各縣馬鈴薯全發(fā)育期時(shí)段、天數(shù)，具體見表1。

表1 寧夏馬鈴薯種植區(qū)全發(fā)育期時(shí)段和天數(shù)

1.3 方法

1.3.1 總輻射量總輻射量計(jì)算公式如式(1)～(5)所示。

式中，Rs為總輻射量[MJ/(m2·d)]，as為陰天的Ra余額[MJ/(m2·d)]，一般取as≈0.25；bs為比例因子，bs≈0.5，n為日照時(shí)數(shù)(h)，N為可照時(shí)數(shù)(h)。

其中，dr為日地距離系數(shù)(km)，ωs為太陽時(shí)角(rad)，δ為太陽赤緯(rad)，φ為測(cè)點(diǎn)緯度(rad)。J為年內(nèi)日序，1月1日J(rèn)=1[14-15]。

1.3.2 參考作物蒸散量參考作物蒸散量ET0(mm/d)可由彭曼公式計(jì)算，如式(6)所示。

式中，Rn為作物表面凈輻射[MJ/(m2·d)]，G為土壤熱通量密度[MJ/(m2·d)]，T為日平均氣溫(℃)，U2為2 m處平均風(fēng)速(m/s)，VPD為水氣壓差(KPa)，Δ 為飽和水氣壓曲線斜率(Kpa/℃)，γ為干濕表常數(shù)。利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料可計(jì)算每年逐日ET0[16-17]。

1.3.3 作物需水量作物需水量包括植物蒸散量和植物光合作用需水量，光合作用需水量所占比例很小，可忽略不計(jì)[17]。作物某段生育期第i日的需水量ETmi如式(7)所示。

其中ET0i為某段發(fā)育期第i日作物參考蒸散量；Kci為第i日作物系數(shù)，不同作物和不同生育階段Kci不同。一般需采用試驗(yàn)確定，F(xiàn)AO根據(jù)世界上不同地區(qū)的大量試驗(yàn)，確定了馬鈴薯的Kc值，見表2。Kci可由表2線性內(nèi)插，如Kc始、Kc中、Kc末分別是馬鈴薯前期、中期和后期的Kc值，與馬鈴薯分枝、花序形成—開花、可收期相對(duì)應(yīng)，以出苗—分枝、分枝—開花、開花—可收前10 d、可收前10 d—收獲分別定為0～0.4、0.4～1.15、1.15～0.75的Kc值，其余生長逐日Kci內(nèi)插確定[18-20]。

表2 馬鈴薯Kc值（引自FAO）

1.3.4 氣候傾向率采用傾向率表示某一氣候因子的趨勢(shì)變化，建立Xi與ti間的一元線性回歸方程[21]，如式(8)所示。

式中，Xi為氣候因子，ti為Xi對(duì)應(yīng)的時(shí)間變化，n為樣本量，a和b為回歸系數(shù)。以b的10 倍表示變量的傾向率。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯生育期熱量資源的時(shí)空分布

2.1.1 平均氣溫1981—2020年，寧夏馬鈴薯全生育期平均氣溫為14.9～20.5℃，平均值為16.8℃，總體呈南低北高的分布特點(diǎn)，最高值出現(xiàn)在、同心縣、鹽池縣北部，最低值出現(xiàn)在涇源縣、隆德縣及及西吉縣，其他縣介于最高值與最低值之間（圖1）。

圖1 寧夏馬鈴薯全生育期平均氣溫空間分布

1981—2020年，馬鈴薯全生育期平均氣溫的變化趨勢(shì)在0.20～0.49℃/10 a之間，平均值為0.39℃/10 a；寧夏馬鈴薯種植區(qū)全生育期平均氣溫均呈升高的趨勢(shì)，原州區(qū)升溫速率最快，鹽池縣全境、涇源縣南部升溫速率最慢，其他縣介于兩者之間（圖2）。

圖2 寧夏馬鈴薯全生育期平均氣溫變化趨勢(shì)空間分布

2.1.2 平均最高氣溫1981—2020年，寧夏馬鈴薯全生育期平均最高氣溫為20.5～27.4℃，平均值為23.4℃，總體呈南低北高的分布特點(diǎn)（圖3），與平均氣溫的分布特點(diǎn)類似。

圖3 寧夏馬鈴薯全生育期平均最高氣溫空間分布

1981—2020 年，馬鈴薯全生育期平均最高氣溫的變化趨勢(shì)在0.21～0.42℃/10 a之間，平均值為0.32℃/10 a；研究區(qū)域馬鈴薯全生育期平均最高氣溫均呈上升趨勢(shì)。上升最快的地區(qū)是西吉縣全境、隆德縣全境、海原縣南部，升溫次快地區(qū)是海原縣大部分地區(qū)、原州區(qū)大部分地區(qū)、彭陽縣全境、涇源縣大部分地區(qū)，升溫最慢的區(qū)域是鹽池北部（圖4）。

圖4 寧夏馬鈴薯全生育期平均最高氣溫變化趨勢(shì)空間分布

2.1.3 平均最低氣溫1981—2020年，寧夏馬鈴薯全生育期平均最低氣溫為9.4～14.4℃，平均11.6℃，總體呈南低北高的分布特點(diǎn)（圖5）。

圖5 寧夏馬鈴薯全生育期平均最低氣溫空間分布

1981—2020年，來馬鈴薯全生育期平均最低氣溫的變化趨勢(shì)在0.07～0.83℃/10 a之間，平均值為0.44℃/10 a；寧夏馬鈴薯種植區(qū)全生育期平均最低氣溫均呈升高的變化趨勢(shì)，升溫最快的地區(qū)是原州區(qū)大部分、彭陽縣西部，升溫最慢的地區(qū)是鹽池北部（圖6）。

圖6 寧夏馬鈴薯全生育期平均最低氣溫變化趨勢(shì)空間分布

2.1.4 氣溫日較差1981—2020年，寧夏馬鈴薯全生育期平均氣溫日較差為10.3～13.1℃，平均11.8℃，總體呈南低、北高的分布特點(diǎn)（圖7）。

圖7 寧夏馬鈴薯全生育期平均氣溫日較差空間分布

1981—2020年，來馬鈴薯全生育期平均氣溫日較差的變化趨勢(shì)在-0.52～0.13℃/10 a 之間，平均值為-0.12℃/10 a；寧夏馬鈴薯全生育期平均氣溫日較差的變化趨勢(shì)空間差異較大，呈下降趨勢(shì)的地區(qū)主要集中在中部干旱帶（圖8）。

圖8 寧夏馬鈴薯全生育期日較差變化趨勢(shì)空間分布

2.2 馬鈴薯生育期光資源的時(shí)空分布

1981—2020，年寧夏馬鈴薯全生育期年平均總輻射量呈南低北高的變化趨勢(shì)，全區(qū)馬鈴薯全生育期年均總輻射量為1921～2209 MJ/m2，平均2059.2 MJ/m2（圖9）。

圖9 寧夏馬鈴薯全生育期平均總輻射量空間分布圖

1981—2020年，來馬鈴薯全生育期年總輻射量的氣候傾向率為-26.5～21.1 MJ/(m2·10 a)，全區(qū)平均值為-10.2 MJ/(m2·10 a)，研究區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)全生育期總輻射量呈下降趨勢(shì)，正值主要分布在南部山區(qū)（圖10）。

圖10 寧夏馬鈴薯全生育期總輻射量變化趨勢(shì)空間分布圖

2.3 馬鈴薯生育期水資源的時(shí)空分布

2.3.1 降水量1981—2020，年寧夏馬鈴薯種植區(qū)，全生育期總降水量平均值在207～493 mm 之間，平均值為424.5 mm，呈現(xiàn)南多北少梯度分布，其中涇源縣中南部最多，海原縣北部、同心縣、鹽池縣最少，其他各地介于兩者之間（圖11）。

圖11 寧夏馬鈴薯全生育期平均降水量空間分布

1981—2020年，來馬鈴薯全生育期總降水量氣候傾向率在-3.7～28.5 mm/10 a 之間，平均值為10.6 mm/10 a，大部區(qū)域呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，只有同心縣西北部呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中增加較多地區(qū)是涇源縣南部（圖12）。

圖12 寧夏馬鈴薯全生育期平均降水量變化趨勢(shì)空間分布

2.3.2 需水量1981—2020，年寧夏馬鈴薯全生育期年平均需水量呈北部高、中部次高、南部低的分布特點(diǎn)，全生育期年需水量為295～458 mm，平均值為444.8 mm，需水量最少的地區(qū)為西吉縣、隆德縣、涇源縣、彭陽縣南部，最多地區(qū)是同心西北部、海原縣東北部（圖13）。

圖13 寧夏馬鈴薯全生育期平均需水量空間分布圖

1981—2020年，馬鈴薯全生育期年需水量的氣候傾向率為-9.2～11.3 mm/10 a，全區(qū)平均值1.31 mm/10 a，鹽池縣、海原縣呈下降的趨勢(shì)，其余地區(qū)呈升高的趨勢(shì)（圖14）。

圖14 寧夏馬鈴薯全生育期平均需水量變化趨勢(shì)空間分布圖

2.3.3 參考作物蒸散量1981—2020，年在寧夏馬鈴薯種植區(qū)，馬鈴薯全生育期年平均參考作物蒸散量呈北高南低、梯度依次遞減的分布特點(diǎn)；種植區(qū)全生育期年均參考作物蒸散量為365～563 mm，平均值為541 mm，最高值出現(xiàn)在海原縣北部、同心縣西北部，所占面積較?。蛔钚≈捣植荚谖骷h全境、隆德縣全境、涇源縣全境、彭陽縣南部（圖15）。

圖15 寧夏馬鈴薯全生育期平均參考作物蒸散量空間分布

1981—2020年，馬鈴薯全生育期年參考作物蒸散量的氣候傾向率為-12.4～13.3 mm/10 a，全區(qū)平均值為0.47 mm/10 a，西吉縣東南部、隆德縣全境、涇源縣、彭陽縣、原州區(qū)、海原縣東部、同心縣呈升高的趨勢(shì)；鹽池縣、海原縣西部、西吉縣西北部全生育期年參考作物蒸散量呈減少趨勢(shì)；其中鹽池縣減少速率最快（圖16）。

圖16 寧夏馬鈴薯全生育期平均參考作物蒸散量變化趨勢(shì)空間分布

3 討論與結(jié)論

（1）1981—2020年，在寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，氣溫依次從南到北梯度分布，且北高南低，這與寧夏地形地貌及下墊面有關(guān)；北部屬于寧夏黃河灌溉區(qū)與南部山區(qū)過渡帶，海拔高度低，土壤含沙量高，全生育期平均氣溫在17.7～20.5℃之間，平均最高氣溫23.5～27.4℃之間，平均最低氣溫為11.9～14.4℃之間，氣溫日較差在11.7～13.1℃；南部為海拔及植被覆蓋度較高山區(qū)，全生育期平均氣溫在14.9～17.7℃之間，平均最高氣溫20.5～23.5℃之間，平均最低氣溫為9.4～11.9℃之間，溫差在10.3～11.7℃之間，與實(shí)際情況相符合。

在馬鈴薯塊莖膨大期，這個(gè)時(shí)期對(duì)溫度要求比較嚴(yán)格，平均氣溫為15～19℃時(shí)對(duì)塊莖的形成和增長最為有利，氣溫超過25℃時(shí)，馬鈴薯生長就會(huì)受到抑制[22]。從馬鈴薯喜溫涼、怕高溫霜凍生物學(xué)角度看，北部地區(qū)馬鈴薯發(fā)生霜凍概率較低，在開花期遇到高溫會(huì)對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量有負(fù)面影響，同時(shí)溫差較大對(duì)馬鈴薯淀粉積累不利；南部山區(qū)發(fā)生早晚霜凍概率較高，在開花期一般不會(huì)遇到高溫，產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定[23]，溫差相對(duì)較小，有利于淀粉積累，品質(zhì)上成；溫度變化為上升趨勢(shì)，南部山區(qū)溫度增速高于北部干旱帶，將來高溫干旱會(huì)進(jìn)一步影響馬鈴薯生長發(fā)育，同時(shí)遭遇霜凍危害會(huì)降低，建議種植中晚熟及抗霜凍品種。

（2）1981—2020 年，在寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的中部干旱帶，太陽輻射在2060～2209 MJ/m2之間，變化趨勢(shì)在-26.5～0.0 MJ/(m2·10 a)；南部山區(qū)太陽輻射在1921～2060 MJ/m2之間，變化趨勢(shì)在0.0～21.1 MJ/(m2·10 a)之間，基本能滿馬鈴薯生產(chǎn)的光照條件，光照變化對(duì)馬鈴薯生產(chǎn)影響不明顯。

（3）1981—2020年，在寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，降水量依次從南到北梯度分布，且南高北低，需水量、參考作物蒸散量分布與降水量相反。南部山區(qū)受六盤山地形云影響，屬于半干旱半濕潤氣候，降水量在208～493 mm 之間，需水量在295～375 mm 之間，參考作物蒸散量365～460 mm 之間，降水量氣候傾向率在0.0～28.5 mm/10 a之間，降水量變化為增多趨勢(shì)，無論是現(xiàn)階段或?qū)?，基本能滿足馬鈴薯生長需要；北部屬于寧夏中部干旱帶，高溫少雨，土壤沙化，蒸發(fā)量大，降水量在207～280 mm 之間，需水量在375～458 mm 之間，參考作物蒸散量460～565 mm 之間，降水量氣候傾向率在-3.7～0.0 mm/10 a之間，變化為減少趨勢(shì)。馬鈴薯屬于高耗水作物，全生育期降水量以350～400 mm 最適宜[24]，隨著氣候變暖，寧夏中南部馬鈴薯生育期需水量增大，干旱狀況更加嚴(yán)重，對(duì)水分的需求大[25]，不能滿足馬鈴薯生長需要，只能人工補(bǔ)水，建議種植抗旱品種。