内蒙古马铃薯生育期气候生产潜力时空模拟分析

杨丽桃，王 胜，江像评

(1.内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区人工影响天气重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；3.内蒙古自治区气候中心，内蒙古 呼和浩特 010051；4.安徽省气候中心，安徽 合肥 230000； 5.呼和浩特职业学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

气候生产潜力是指理想状况下光、热、水资源最佳匹配时的农业产量[1]，它是评价农业气候资源的重要判据之一[2]。气候生产潜力对气候变化的响应，不同区域和作物存在显著差异[3-5]。目前，作物生产潜力常用的计算模型主要有Miami模型[6-7]、Thornthwait Memory模型[8-9]、FAO农业生态区域模型(agro-ecological zoning, AEZ)[10-11]和逐级订正模型[12-14]。其中，逐级订正模型是一种计算不同作物生长季内气候生产潜力的统计模型，能够很好反映光、热、水等气候资源的匹配状况，其物理意义清晰，因果关系明确，是目前应用最广泛的粮食生产潜力研究方法之一[15-16]。

内蒙古地域辽阔，东西、南北跨度大，地形地貌复杂(高原、山地、丘陵、平原等)，特殊的地理位置和地形地貌，形成以温带大陆性季风气候为主的复杂多样的气候，温差大、雨热同季、气候冷凉，使得具有喜冷凉习性的马铃薯成为当地主要特色作物，内蒙古已成为我国最大的马铃薯生产基地[17]，特别是内蒙古中部的乌兰察布和东部的呼伦贝尔已成为我国马铃薯种植的主要优势区[18]。在全球气候变化背景下，内蒙古马铃薯气候生产潜力对气候变化响应如何？为此，本文采用逐级订正法，模拟历年内蒙古自治区马铃薯生育期各级生产潜力，分析气候变化背景下马铃薯气候生产潜力的时空分布特征及其对气候变化的响应，研究马铃薯气候生产潜力与气象产量的关系，探讨气候生产潜力的应用水平，以期为当地马铃薯生产及气候资源的合理利用提供一定参考。

1 资料与方法

1.1 数 据

所用资料为1961—2018年内蒙古自治区119个气象站逐日地面气象观测资料(包括日照时数、平均气温、降水量、相对湿度、平均风速、蒸散量)和1981—2018年内蒙古自治区11个农业气象观测站马铃薯生育期观测资料。文中涉及的内蒙古及盟(市)行政边界是基于内蒙古自治区标准地图服务网站下载的审图号为蒙S(2019)33的标准地图制作，底图无修改。

1.2 研究方法

1.2.1 气候生产潜力的计算

采用逐级订正法，从作物光合作用入手，依据作物能量转化及产量形成过程，逐步“衰减”估算农业气候生产潜力，是在光合生产潜力基础上用气候要素函数逐级(光温生产潜力、气候生产潜力)订正发展而来的模型，其公式如下：

(1)

式中：YCPP、YPPP、YTPP(kg·hm-2)分别为气候生产潜力、光合生产潜力、光温生产潜力；f(Tij)为温度有效系数；f(Rij)为水分有效系数。

(1)马铃薯光合生产潜力

马铃薯光合生产潜力是指在假定温度、水分、土壤肥力、作物群体、农业技术措施等处于最适宜条件下，以光照作为唯一参考因子，由当地太阳辐射唯一决定的马铃薯产量，是马铃薯产量的理论上限。马铃薯光合生产潜力模型采用产量形成时光能利用和损失状况，以马铃薯各生育期太阳总辐射值为基本数据，并对其进行订正，计算公式[3,19-20]如下：

YPPP=Cf(Q)

(2)

f(Q)=Ωεφ(1-α)(1-β)(1-ρ)×

(1-γ)(1-ω)(1-η)-1×

(1-ξ)sq-1f(L)∑Qi

(3)

式中：C为单位换算系数，取10 000；∑Qi(MJ·m-2)为生长季总辐射量；i为不同生育期；Ω为作物光合作用固定CO2能力的比例，取0.6；ε为光合辐射占总辐射的比例，取0.47；φ为光合作用量子效率，取 0.22；α为作物群体吸收率，取0.06；β为作物群体对太阳辐射漏射率，取0.1；ρ为非光合器官的无效吸收率，取0.1；γ为光饱和限制率，取0.01；ω为呼吸作用损耗率，取0.3；η为成熟谷物含水率，取0.14；ξ为作物无机灰分含量比例，取0.08；s为作物经济系数，取0.75；q(MJ·kg-1)为形成单位干物质所需热量，取18；f(L)为叶面积动态变化订正值，取0.556。

(2)马铃薯光温生产潜力

在马铃薯光合生产潜力基础上，考虑温度对植物光合作用的影响，通过温度系数订正，可得到马铃薯光温生产潜力YTPP，即其他条件均处于最适宜条件下，由光照、温度两种因素共同决定的产量，是农业生产的最高理论产量，其公式[3,14,19]如下：

YTPP=YPPP×f(Tij)

(4)

(5)

(6)

式中：f(Tij)为j年i生育期的温度订正函数；Tij(℃)为j年i生育期的平均温度；T1、T2、T0(℃)分别是内蒙古地区马铃薯各生育期生长下限温度、上限温度和最适温度(表1)[21-22]。

表1 马铃薯各生育期三基点温度Tab.1 Three cardinal points temperature in each growth period of potato 单位：℃

(3) 马铃薯气候生产潜力

气候生产潜力是辐射、温度和降水共同影响下达到的产量上限。光温生产潜力经过水分订正函数订正后可得到气候生产潜力，其表达式如下[19]：

YCPP=YTPP×f(Rij)

(7)

(8)

式中：f(Rij)为j年i生育期水分订正函数；Rij(mm)为j年i生育期的降水量；Ri0(mm)为i生育期的生理需水量。内蒙古地区马铃薯全生育期需水量约372.5 mm，其中播种-出苗期、出苗-分枝期、分枝-花序期、花序-开花期、开花-可收期的生理需水量分别为50、40、30、52.5、200 mm。

1.2.2 气候变化对马铃薯气候生产潜力的影响

马铃薯气候生产潜力是各气象要素对马铃薯生产综合影响的反映，其中光合生产潜力直接对应光照影响，光温生产潜力对应光、热两要素的综合影响，气候生产潜力则对应光、热、水三要素的综合影响。光、热、水及综合气候条件变化对马铃薯生产潜力影响分别用Yr、Yt、Yp、Yc(kg·hm-2·a-1)表示，计算方法[3,23]如下：

(9)

(10)

(11)

Yc=ac

(12)

2 结果与分析

2.1 马铃薯生产潜力年际及年代际变化特征

图1是内蒙古马铃薯各级生产潜力的年际及年代际变化。从图1(a)看出，近58 a内蒙古马铃薯各级生产潜力年际波动较大，整体均呈不显著减少趋势(未通过α=0.05的显著性检验)，光合生产潜力、光温生产潜力及气候生产潜力分别以30、212、133 kg·hm-2·(10 a)-1的速率递减；光合生产潜力与光温生产潜力值比较接近，全区平均分别为32 095、30 829 kg·hm-2，而气候生产潜力平均为18 889 kg·hm-2，明显低于前两级生产潜力；各级生产潜力的最值及其出现时间不同，光合生产潜力最高值在2001年(35 215 kg·hm-2)，光温生产潜力最高值在1965年(33 255 kg·hm-2)，气候生产潜力最高值在1987年(23 255 kg·hm-2)，而最低值依次在1998年(28 822 kg·hm-2)、2000年(26 738 kg·hm-2)及2007年(12 460 kg·hm-2)。

从年代际变化[图1(b)]来看，各级生产潜力变化趋势不尽一致。其中，光合、光温生产潜力的年代际变化特征一致，呈“减-增-减”的变化，均在20世纪90年代最大，21世纪10年代最小，而气候生产潜力则呈“增-减-增”的年代际变化特征，20世纪70年代最大，21世纪00年代最小，气候生产潜力较前两级表现出更大幅度的波动，其变化趋势与降水量的年代际变化呈显著正相关(P<0.01)，表明内蒙古马铃薯气候生产潜力的主要限制因素是降水量，这与山西省马铃薯的研究结果[24]较为一致。

图1 1961—2018年内蒙古马铃薯各级生产潜力年际(a)及年代际(b)变化Fig.1 The inter-annual (a) and inter-decadal (b) changes of production potential of potato with each grade in Inner Mongolia from 1961 to 2018

2.2 马铃薯生产潜力空间分布特征

2.2.1 光合生产潜力

内蒙古马铃薯光合生产潜力自西向东逐渐递减，与太阳辐射及日照时数的空间分布相一致，高值区(34 000 kg·hm-2以上)在辐射最强、日照时数最多的西北部地区，其中阿拉善盟的额济纳旗光合生产潜力最大为38 338 kg·hm-2，低值区在呼伦贝尔市东北部地区，由于辐射弱、日照时数少导致东北部马铃薯光合生产潜力小，最小值在鄂伦春旗，为26 759 kg·hm-2[图2(a)]。

图2 内蒙古马铃薯光合(a)、光温(b)生产潜力空间分布(单位：kg·hm-2)Fig.2 The spatial distribution of photosynthetic (a) and light-temperature (b) production potential of potato in Inner Mongolia (Unit: kg·hm-2)

2.2.2 光温生产潜力

与光合生产潜力不同，内蒙古马铃薯光温生产潜力呈现东西两侧低、中部高的空间分布特征[图2(b)]，除中部锡林郭勒盟和赤峰市西北部外光温生产潜力普遍低于光合生产潜力，高值区(29 000 kg·hm-2以上)主要出现在中部大部及东部偏西地区，其中包头市白云站光温生产潜力最大为33 950 kg·hm-2；中值区(24 001～29 000 kg·hm-2)主要在阿拉善盟东部、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、包头市南部、呼和浩特市大部、赤峰市东南部、通辽市大部、兴安盟大部及呼伦贝尔市大部地区；低值区(19 000 kg·hm-2以下)在阿拉善盟大部、乌海市和呼伦贝尔市中北部地区，最小值出现在拐子湖，为14 134 kg·hm-2，与气温空间分布相反，这是因为当地高温日数较多，不利于喜凉作物马铃薯生长。

2.2.3 气候生产潜力

内蒙古马铃薯气候生产潜力自中南部向外围递减，且中西部的气候生产潜力具有明显的经度地带性，高值区(17 000 kg·hm-2以上)在中部偏南地区，即呼和浩特市东北部、乌兰察布市中东部、锡林郭勒盟南部、赤峰市西部以及呼伦贝尔市中部地区，这与马铃薯的优势主产区分布较为一致。其中，马铃薯气候生产潜力最高值在锡林郭勒盟正蓝旗，为20 981 kg·hm-2；次高值(14 001～17 000 kg·hm-2)在鄂尔多斯市东部、包头市大部、呼和浩特市大部、乌兰察布市北部、锡林郭勒盟中北部及其以东大部地区；最低值在阿拉善盟的额济纳旗，仅为2104 kg·hm-2(图3)，当地的高温、少雨是导致马铃薯气候生产潜力最低的主要原因。

图3 内蒙古马铃薯气候生产潜力空间分布(单位：kg·hm-2)Fig.3 The spatial distribution of climate production potential of potato in Inner Mongolia (Unit: kg·hm-2)

对比统计了代表站呼和浩特市武川县马铃薯历年气象产量与气候生产潜力，发现近57 a两者的变化趋势较为一致(图4)，具有极显著的正相关关系，相关系数为0.5131，通过α=0.001的显著性检验，这表明基于逐级订正法估算的马铃薯气候生产潜力可以较好地反映马铃薯气象产量的变化趋势。

图4 1961—2017年内蒙古武川县马铃薯气候生产潜力与气象产量的关系Fig.4 The relationship between climate production potential and meteorological yield of potato in Wuchuan of Inner Mongolia from 1961 to 2017

武川县马铃薯的年平均产量为2163 kg·hm-2，占同期最大气候生产潜力的8.4%，最小气候生产潜力的21.2%。可见，武川县马铃薯气候生产潜力的应用水平较低，仅为1～2成，低于宁夏西吉县马铃薯气候生产潜力应用水平[25]，其挖掘潜力巨大。

2.3 主要气象要素变化的影响

2.3.1 辐射变化对马铃薯气候生产潜力的影响

光、温、水是气候生产潜力的重要驱动因子[26-27]。近58 a内蒙古地区太阳总辐射整体以39.3 MJ·m-2·(10 a)-1的速率波动下降(未通过0.05的显著性检验)[28]，但部分地区减少趋势明显(P<0.05)。马铃薯为喜光作物，辐射、光照减少对其生长不利。从图5(a)可见，内蒙古大部地区辐射变化对马铃薯生育期气候生产潜力的影响表现为负效应，表明辐射减少不利于马铃薯生育期气候生产潜力的提高，负效应区主要分布在鄂尔多斯市中部及东北部、包头市南部、呼和浩特市大部、乌兰察布市中东部、锡林郭勒盟中南部、赤峰市东南部、通辽市大部、兴安盟东南部、呼伦贝尔市东南部，其中以乌兰察布市察右后旗和呼伦贝尔市阿荣旗地区影响幅度最大，为-55 kg·hm-2·a-1；正效应区相对稀少，主要分布在锡林郭勒盟西南部和东部、赤峰市南部和中东部、兴安盟中北部和呼伦贝尔市西北部。然而，上述大部地区辐射变化对马铃薯生育期气候生产潜力的影响不大，在-20～20 kg·hm-2·a-1之间。

图5 内蒙古地区辐射(a)、热量(b)及降水(c)变化对马铃薯生育期气候生产潜力的影响(单位：kg·hm-2·a-1)Fig.5 Impact of radiation (a), heat (b) and precipitation (c) changes on climate production potential during the growing period of potato in Inner Mongolia (Unit: kg·hm-2·a-1)

2.3.2 热量变化对马铃薯气候生产潜力的影响

近58 a内蒙古马铃薯生长季平均气温整体呈显著上升趋势，气候倾向率为0.3 ℃·(10 a)-1，且大部地区增温显著(P<0.01)。马铃薯为喜冷凉作物，气温升高不利于马铃薯生长发育。从图5(b)可见，气温变化对马铃薯气候生产潜力的影响也多为负效应，表明内蒙古地区马铃薯生育期气温升高不利其气候生产潜力提高，其中以内蒙古中西部大部和东南部地区负效应最为明显，为-80～-20 kg·hm-2·a-1，主要分布在巴彦淖尔市南部和东部、鄂尔多斯市北部和中南部、包头市南部、呼和浩特市中西部、锡林郭勒盟中西部、赤峰市中东部、通辽市大部、兴安盟东部地区，最大负效应在巴彦淖尔市南部和东部、鄂尔多斯市北部和中南部、包头市南部、呼和浩特市中西部；正效应仅集中在呼伦贝尔市中北部、兴安盟西北部，影响幅度为20.1～40 kg·hm-2·a-1，其中呼伦贝尔市中北部影响幅度在30 kg·hm-2·a-1以上。

2.3.3 降水变化对马铃薯气候生产潜力的影响

近58 a内蒙古地区马铃薯生长季降水量整体以1.2 mm·(10 a)-1的速率减少，且大部地区变化趋势不显著。从图5(c)可见，内蒙古西部大部及呼和浩特市、赤峰市西部、兴安盟东部降水变化对马铃薯生育期气候生产潜力的影响为正效应，影响幅度为20.1～40 kg·hm-2·a-1，其中鄂尔多斯市中东部、包头市大部地区的正效应较大，在30 kg·hm-2·a-1以上；中部和东部地区多为负效应，影响幅度为-80～-20 kg·hm-2·a-1，其中赤峰市东南部、通辽市西南部及呼伦贝尔市西北部负影响较大，在-50 kg·hm-2·a-1以下。

2.4 马铃薯气候生产潜力变化特征

近58 a来，内蒙古中西部大部、东部偏西及东南部等地区马铃薯生育期气候生产潜力呈减小趋势，减幅为10～159 kg·hm-2·a-1，其中减幅在40 kg·hm-2·a-1以上的地区主要为巴彦淖尔市中东部、鄂尔多斯市西南部和偏北部、包头市南部、呼和浩特市中部、乌兰察布市西南部和东部、锡林郭勒盟中西部、赤峰市东南部、通辽市大部、兴安盟西南部以及呼伦贝尔市偏西部和东南部地区；呼伦贝尔市中部、兴安盟西部、通辽市西北部、锡林郭勒盟东北部、赤峰市西部、包头市中西部和东南部、鄂尔多斯市东南部、巴彦淖尔市西北部地区呈增大趋势，增幅为10～40 kg·hm-2·a-1，其中增幅在20 kg·hm-2·a-1以上的地区主要为呼伦贝尔市中北部、兴安盟西部、通辽市西北部、赤峰市西部和锡林郭勒盟东北部；其余地区马铃薯生育期气候生产潜力变化趋势不明显(图6)。整体来看，内蒙古地区马铃薯生育期气候生产潜力以减小趋势为主，生育期气温升高、辐射减少、降水减少不利于气候生产潜力的提升。

图6 内蒙古马铃薯生育期气候生产潜力变化趋势(单位：kg·hm-2·a-1)Fig.6 The change trends of climate production potential during the growth period of potato in Inner Mongolia (Unit: kg·hm-2·a-1)

3 结论与讨论

(1)内蒙古马铃薯生育期气候生产潜力平均为18 889 kg·hm-2，明显低于光合(32 095 kg·hm-2)和光温(30 829 kg·hm-2)两级生产潜力，且马铃薯光合生产潜力自西向东递减，光温生产潜力为东西两侧低、中部高，而气候生产潜力自中南部向周围递减，其中西部地区具有明显的经度地带性。

(2)近58 a来，内蒙古马铃薯生育期气候生产潜力整体呈微弱减小趋势，中西部大部及东部偏南地区气候生产潜力呈减小趋势，特别是中部主产区的乌兰察布市东部和锡林郭勒盟西南部减幅较大，需引起关注；东北部局地气候生产潜力呈增大趋势，这是显著增温的结果。

(3)武川县马铃薯气候生产潜力的应用水平仅为1～2成，具有较大挖掘潜力，马铃薯产量提升空间较大。

(4)内蒙古地区气温升高、辐射减少对马铃薯气候生产潜力的影响负效应多于正效应。其中，中西部大部地区为负效应，东北部地区则为正效应，这主要是升温对气温高的中西部地区马铃薯产量形成不利，而对气温低的东北部地区，增温反而有利于马铃薯生长。内蒙古马铃薯气候生产潜力与降水呈显著正相关，虽然降水量是马铃薯气候生产潜力的主要限制因子，但由于内蒙古地区降水减少趋势不显著，降水变化对马铃薯气候生产潜力的负影响范围明显小于气温变化。

为适应当前气候变化趋势，需推广农业节水灌溉技术和覆膜技术，提高水分利用效率。同时，调整马铃薯播期使产量形成关键期避开高温，加强田间管理，提高光能利用率。另外，本文模拟结果反映了马铃薯的潜在产量，为内蒙古地区马铃薯生产种植提供一定参考，涉及的参数主要来自文献，缺乏当地试验数据支撑，其结论可能存在一定误差，这是今后研究中需进一步开展的重点工作。