东北三省农业气候生产潜力及气候资源满足率的研究

王 铭，李秀军，刘兴土，闫敏华，王国栋

(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130012;2. 中国科学院研究生院，北京100049)

东北三省总土地面积78.89 万km2，其中耕地面积25.60 万km2，区域内包括松嫩平原、三江平原等国家主要粮食产区，粮食商品率达40%左右，是我国重要的商品粮基地［1－2］。由于东北地区地理环境复杂，气候、土壤等自然资源条件的地理差异较大，各地农业生产发展仍很不平衡，农业生产潜力尚未充分发挥，农业实际生产力水平与生产潜力相比仍有不小的差距［3－4］。气候资源生产潜力是气候资源蕴藏的物质和能量所具有的潜在生产能力，通常可用气候资源估算植被的生产潜力和作物的生产潜力。作物气候生产潜力是评价农业气候资源的判据之一，取决于光、温、水三要素的数量及其相互配合协调的程度［5］。对一个地区气候生产潜力进行估算，其结果不仅可以直接反映该地区的气候生产力水平和农业资源协调的程度及其地区差异，而且从不同阶段潜力值所反映出来的各影响要素对生产力衰减程度的差异中，可以分析出不同影响要素对生产力影响的大小，从而发现一个地区农业生产中的主导限制因素［6］。此外，气候资源的满足率表示某种气候资源对作物生长的满足程度，对该地区的气候资源对气候生产潜力的满足率进行计算，可以更好的反映当地气候条件对气候生产潜力的影响程度。

1 资料与方法

应用地理信息系统(GIS)的空间分析功能与数据库管理系统技术，对黑龙江、吉林、辽宁三省所属县市87 个气象站点自1951－2006 年的月平均气象数据进行处理，采用逐级修订的方法计算东北三省主要粮食作物玉米、大豆和水稻的气候生产潜力，气象站点分布情况如图1 所示。

依据作物能量转化及产量形成过程，逐步“衰减”计算农业气候生产潜力，其函数式为:

式中:YW—气候生产潜力，Q—生育期太阳总辐射，f (Q)—光合有效系数，YQ—光合生产潜力，f (T)—温度有效系数，YT—光温生产潜力，f (W)—水分有效系数。采用符合研究区域特点的各级有效系数，分作物、分生育期计算气候生产潜力［8］。

1.1 光合生产潜力研究方法

作物光合生产潜力是指在温度、水分、品种、土壤以及其它农业技术条件都适宜的条件下，仅由自然辐射决定的单产水平。以月均太阳总辐射值为基本数据，并分生育期对各月数据进行订正(针对研究区的实际情况，所选作物生育期为5－9 月份)。计算公式为:

其中:C—单位换算系数，统一取666.7;YQ—单位面积光合生产潜力，kg·hm－2;Qi—生长季各月总辐射量，MJ·m－2;其他参数的意义和取值如表1 所示。

表1 计算光合生产潜力各参数的意义及取值Table 1 Meaning and value of each parameter for photosynthesis potential productivity

1.2 温度修正系数

光温生产潜力应用的计算公式为:

其中:YT—光温生产潜力;f (T)—温度修正系数;f (n)—有效生育日数修订函数。温度衰减过程的订正是利用月平均温度分段进行订正的，采用针对东北地区实际情况的温度修正函数;

式中:T—5－9 月各月的平均气温，T0、T1、T2—作物生产的三基点温度，分别指不同作物在该时段内生长发育的最适温度、下限温度和上限温度。主要作物不同时期的T0、T1、T2值如表2 所示。

表2 主要作物高产条件下的三基点温度Table 2 There fundamental points temperatures of main crops with high yield℃

1.3 作物有效期生育系数及降水修订系数

f (n)也是由温度条件决定的作物有效生育日数修订函数。东北春、秋气温较低，日平均气温多在≥10℃附近，约1.7 d 的温度累积才相当于1 d 的温度。作物产量与有效生育日数的关系是线性的，故

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

应用农田水分评价模式来定量评价各生长期水分资源对农作物生长发育的满足程度，表达式为:

式中:Rj—5－9 月各月平均大气降水;Wj—某时期、某作物的需水量，mm;Ej—草地蒸发力;k—经验参数，当△Wj≥2mm 时，农田水分过多，k ＜1;△Wj＜2mm 时，降水适中或偏少，k =1。aj—作物不同时期的作物系数，研究所采用的作物系数值如下:

2 气候生产潜力分析

2.1 光合生产潜力

根据东北三省各地5－9 月太阳总辐射量［7］和公式(2)计算得出光合生产潜力分布图，见图2。

图2 东北三省玉米、大豆、水稻光合生产潜力分布Fig.2 Spatial distribution of photosynthesis potential productivity of main crops in Northeastern China

可以看出东北三省光合生产潜力主要与太阳辐射的空间分布有很大关系。黑龙江省的齐齐哈尔地区，吉林省的洮南、白城、通榆以及辽宁省的建平、朝阳、凌源、绥中等地是光合生产潜力最高的地区，而黑龙江省的塔河、鹤岗以及吉林省的长白地区则属于光合生产潜力最低的地区。尽管3 种作物的光合生产潜力的空间分布趋势一致，但是不同作物的光合生产潜力存在差异，玉米、大豆和水稻的光合生产潜力最高值分别为25 363 kg·hm－2、7 060 kg·hm－2和21 570 kg·hm－2;最低值分别为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别为3 410 kg·hm－2、950kg·hm－2和3 008 kg·hm－2。

2.2 光温生产潜力

根据公式(3)对作物的光合生产潜力进行温度修订，得出东三省的玉米、大豆、水稻光温生产潜力分布。作物的光温生产潜力与光合潜力高值区与低值区分布基本一致。但是，由于在生长季内各地的温度不同，见图3，以至于其满足作物生长所需温度的程度不同，也出现不同于光合生产潜力分布的区域，见图4。光温生产潜力最高地区为辽宁省的朝阳、鞍山和绥中地区，其玉米、大豆和水稻的最大光温生产潜力分别为25 856 kg·hm－2、7 478 kg·hm－2和21 152 kg·hm－2，吉林省的通榆和双辽地区也是玉米光温生产潜力较大的地区;由于温度较低，大兴安岭地区的漠河、新林以及塔河均为光温生产潜力较低地区，玉米、大豆、水稻的最低值分别为2 980 kg·hm－2、1 064 kg·hm－2和547 kg·hm－2;由此可见，温度是制约大兴安岭地区农业发展的主要限制因素。

图3 东北三省5－9 月平均温度分布Fig.3 Distribution of average monthly temperature from May to September in Northeastern China

图4 东北三省玉米、大豆、水稻光温生产潜力分布Fig.4 Spatial distribution of photosynthesis temperature potential productivity of main crops in Northeastern China

2.3 气候生产潜力

根据公式(1)计算得到玉米、大豆、水稻的气候产量分布图，图5 为东北三省5－9 月的月降水量分布。

玉米、大豆和水稻的气候潜力均呈现出由西北向东南逐渐增加的趋势，这与降水逐渐增加的地带性规律相似，见图6。气候生产潜力的最高值均出现在吉林省的永吉、桦甸、梅河口地区。与前文中分析结果相比较可知，吉林西部的洮南、通榆和双辽以及辽宁省的彰武、建平、朝阳等地尽管光温生产潜力最高，但由于作物生长季降水较少，水分系数较小，导致气候生产潜力下降较多，成为气候生产潜力最低的地区。这也证明了在吉林省以及辽宁省的西部地区，水分是限制作物生产潜力发挥的重要影响因素。黑龙江省的大兴安岭地区虽然不是降水量最低的地区，但由于温度原因仍然是气候生产潜力较低的地区。黑龙江省的中东部地区和吉林省的东南部地区由于水热条件较好，均是气候生产潜力较高地区。

图5 东北三省5－9 月的月降水量分布Fig.5 Distribution of average monthly precipitation from May to September in Northeastern China

图6 东北三省玉米、大豆、水稻气候生产潜力分布Fig.6 Spatial distribution of climate potential productivity of main crops in Northeastern China

2.4 东北三省气候生产潜力分析

东北三省光合生产潜力、光温生产潜力及气候生产潜力最高值、最低值、平均值计算结果如表4。

表4 东北三省农业生产潜力计算结果Table 4 Calculated results of potential productivity in Northeastern Chinakg·hm －2

由表中可以看出，尽管东北三省地域较广，但各地光合生产潜力差异不明显，玉米、大豆水稻的光合生产潜力的标准差分别为1 347 kg·hm－2、375 kg·hm－2和1 144 kg·hm－2，其最高值与最低值之比均为1.16 倍。由于东北三省由南向北跨越纬度较大，各地温差较大，生育期温度对作物适宜性也有较大差异;因此，各地的光温生产潜力的差异非常大，由表4 可看出，各地光温生产潜力的标准差几乎是光合生产潜力标准差的3～4 倍。大豆光温生产潜力的各地差异相对较小，但最高值仍然达到最低值的7 倍。水稻的光温生产潜力差异最大，最高值与最低值之比达到38.67。大豆和玉米的光温生产潜力的最大值高于其光合生产潜力最大值，这主要是由于部分地区温度修正系数f (T)较大时(0.9 以上)，且当有效生育日数大于5－9 月份总日数时，通常f (n)≥1，使得该地区的光温生产潜力并没有消减反而提升了。由于各地降水条件差异较大，月均降水量范围在83 mm～489 mm 之间，使得作物的气候生产潜力有较大差异。水稻作为一种对水分有较高要求的作物，其气候潜力空间分布差异较大，最高值与最低值的比值达14.54。

3 温度和水分的满足率

3.1 温度满足率

东北三省光能资源比较丰富，所以光并不是农业生产的主要限制因素。温度、降水等因素分布的不均匀性，是影响农业生产的最主要因素。通过分析温度满足率TCR 和水分满足率WCR 可以揭示温度和水分对生产潜力的影响程度，即温度和降水满足作物需求的程度。温度满足率一般采用光温生产潜力与光合生产潜力之比来表示，即TCR=YT/ YQ。东北三省的玉米、大豆、水稻的生产潜力温度满足率如图7 所示。

图7 东北三省玉米、大豆、水稻生产潜力温度满足率分布Fig.7 The temperature requirement rate of main crops in Northeastern China

由图7 可知，辽宁省生产潜力的温度满足率明显高于吉林省和黑龙江省。东北三省玉米、大豆、水稻生产潜力温度满足率最高地区都为辽宁省的鞍山、朝阳、新民、锦州等地，且其温度满足率均达到或接近于1，可见当地的温度可以完全满足作物生长的需要。温度满足率最低的地区主要是在大兴安岭地区的漠河、塔河、新民等地，其中漠河的水稻的温度满足率最低，仅为0.028，玉米的最低温度满足率为0.13，大豆的最低温度满足率为0.167。

3.2 水分满足率

在自然降水条件下，水分满足率可以用气候生产潜力与光温生产潜力的比值来表示，WCR =YW/ YT。东北三省的玉米、大豆、水稻生产潜力水分满足率见图8。

由图8 可以看出，3 种作物的水分满足率与温度满足率存在较大差异，辽宁省的鞍山、朝阳、新民一带是东北三省温度满足率最高的地区，却是水分满足率最低的地区，该地区玉米的最低水分满足率为0.115，大豆为0.11，水稻为0.09。水分满足率最高的地区为吉林省的汪清、敦化、蛟河一带，以及黑龙江省的绥芬河、伊春地区，玉米的最高水分满足率为0.90，大豆为0.88，水稻为0.75。黑龙江省的大兴安岭地区是温度满足率最低的地区，但是其降水量较为丰富，是水分满足率较高的地区。

图8 东北三省玉米、大豆、水稻生产潜力水分满足率分布Fig.8 The precipitation requirement rate of main crops in Northeastern China

4 结论

综合以上分析，可以看出东北地区的北部温度满足率和西部水分满足率均较低，若要发展农业，这些地方主要要通过农业基础设施解决保温和补水问题。东北三省的中部、南部、东部均是生产潜力较高的地区。目前，东北三省在温度、水分条件适宜的年份，通过实施高产栽培技术体系创造的作物高产纪录为玉米18 000 kg·hm－2、大豆4 400 kg·hm－2、水稻13 500 kg·hm－2，分别相当于光合生产潜力最高值的70.9%、62.3%、62.6%，平均值的76.0%、66.8%、67.3%。目前东北三省主要作物的平均单产，玉米6 150 kg·hm－2、大豆1 875 kg·hm－2、水稻7 560 kg·hm－2，仅分别相当于气候生产潜力最高值的41.4%、42.1%和80.5%。表明在各地的气候背景下粮食增产仍有较大潜力。

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