气候变化对中国不同区域马铃薯产量差的影响

贺付伟

（商丘市气象局，河南 商丘 476000）

气候变化引起的农业生产条件改变，不仅直接影响作物的生长发育和产量形成，对品种布局、种植制度以及生产潜力都会产生重要影响，对中国保障粮食安全也形成了挑战［1］。随着全球粮食安全问题日益突出，稳定并提高作物单产，缩小潜在产量和实际产量之间的差距成为解决这一问题的重要途径，产量差研究也逐渐深入，研究作物产量差对粮食产量的提升，保障粮食安全具有重要意义［2，3］。产量差是指作物上限和实际产量之间的差距，由于研究目的和研究尺度不同，不同学者对上限产量的认识和划分也不尽相同［4，5］。已有研究中，常用的上限产量主要有光温生产潜力、气候生产潜力、试验站产量、农户最高产量、产量由低到高排序后第90%或95%序位的产量等，其中，光温生产潜力和气候生产潜力可通过经验公式或作物模型模拟得到［6］。灌溉农业一般以光温生产潜力作为上限产量，而雨养农业多以气候生产潜力作为上限产量。

马铃薯是重要的粮菜兼用和工业原料作物，具有营养全面、耐旱、耐寒、耐贫瘠的特点，适应范围广，增产空间大，且与小麦、水稻等粮食作物相比水肥等资源利用率更高。利用部分旱地和冬闲田种植马铃薯避免了与传统粮食作物争地的矛盾，并且冬闲田马铃薯不仅延长了马铃薯的供应周期，也提高了土地利用率和农民收入。当前，国家统计数据显示，3/4 的马铃薯产自国家级贫困县区，马铃薯生产已成为贫困地区农民脱贫致富奔小康的一条主要途径，马铃薯产业也已成为促进贫困地区农民增收和农村经济发展的重要支柱性产业之一。近年来，立足中国资源禀赋和粮食供求形势，顺应居民消费升级的新趋势，国家不断强化政策支持，积极推进马铃薯产业发展，当前中国马铃薯播种面积超过533.33万hm2，年产量约为9 000万t，已成为世界马铃薯第一生产大国，种植面积和产量均居世界首位，且均占世界的1/4［7］。因此，本研究利用1981—2010 年中国马铃薯主要种植区4 个典型站点，采用逐级订正法分析气候变化对中国马铃薯生产潜力及产量差的影响。

当前作物产量差主要集中在小麦、玉米、水稻。根据刘保花等［3］对三大粮食作物产量差的文献统计结果，共有26 篇文献、51 组数据。小麦的10 组数据主要分布在亚州、欧洲和大洋洲；有关玉米的13 篇文献的22 组数据主要分布在亚洲和北美洲以及欧洲和非洲的部分地区；有关水稻的11 篇文献20 组数据主要分布在亚洲。李克南［8］以华北地区冬小麦-夏玉米作物生产体系为研究对象，利用APSIM 模型得出华北地区冬小麦和夏玉米产量差的时空分布特征；Lu 等［9］利用EPIC 模型得出华北平原小麦产量差时空分布特征。Meng 等［10］利用Hybrid-Maize 模型评估和分析4 个玉米种植区的产量差；Liu 等［11］利用APSIM-Maize 分析了东北地区玉米的产量差。Minas 等［12］分析了亚太地区水稻产量差；薛昌颖等［13］利用ORYZA 2000 模型分析了北京市旱稻产量差。而国内有关马铃薯产量差的研究较少。

为了揭示气候变化背景下不同区域马铃薯产量限制因素，为马铃薯产量的提升提供理论依据，需要定量解析气候变化对中国不同区域马铃薯生产潜力和产量差的影响。在中国马铃薯不同种植区分别选取一个站点，采用逐步订正法，分析气候变化对光温生产潜力、气候生产潜力的影响；通过定义光温-气候、气候-实际2 种产量差，进而分析气候变化对2种产量差的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区域和数据来源

根据气候状况和种植制度，中国马铃薯种植分为4 个区（图1）。①北方一作区，一年一季，4 月或5月上旬播种，9 月或10 月收获。②中原二作区（Ⅱ，一年两季，第一季在2 月下旬或3 月下旬播种，5 月下旬至6 月中下旬收获；第二季于8 月播种，11 月收获。③西南混作区，在1 000 m 以上，2 000 m 以下的低山江边河谷地带，可行春秋两作，类似于中原二作区。④南方二作区，秋播在10 月下旬，12 月末至1月初收获；冬播在1 月中旬，4 月上中旬收获［14］。不同种植区域分别选取一个典型站点，分别是内蒙古武川（北方一作区）、江西樟树（中原二作区）、贵州毕节（西南混作区）、广东信宜（南方二作区）。

图1 中国马铃薯主要种植区

本研究所用的气象数据来自中国气象观测站点1981—2010年的逐日资料，主要包括平均风速（m/s）、日照时数（h）、平均本站气压（hPa）、平均气温（℃）、日最高气温（℃）、日最低气温（℃）、平均水汽压（kPa）、平均相对湿度、降雨量（mm）。

马铃薯实际产量数据来自农业部（现农业农村部）种植业管理司农作物查询县级资料，时间序列为1981—2010 年。

1.2 方法

1.2.1 马铃薯生产潜力计算方法 作物生产潜力是在一定外界环境条件下、一定时期内单位土地面积上可能获得的最高产量。从农业气候资源角度分析，通常计算光能生产潜力（YQ），然后通过温度订正得到光温生产潜力（YT），再进行水分订正得到气候生产潜力（YW），具体计算方法如下。

式中，YQ为光能生产潜力（103kg/hm2）；0.219 为黄秉维系数；C=0.87，为经济系数；RS为作物生长季内太阳总辐射（kJ/cm2）；YT为光温生产潜力（103kg/hm2）；f（T）为温度有效系数；YW为气候生产潜力（103kg/hm2）；f（W）为水分有效系数。

总辐射根据日照时数计算，具体计算方法如下。

式中，RS为短波辐射［MJ/（m2·d）］；n为实际日照时数（h）；N为最大可能日照时数（h）；n/N为相对日照；RA为地球外辐射［MJ/（m2·d）］；aS为回归常数，在阴天（n=0）时，表示到达地球表面的地球外辐射的透过系数；在晴天（n=N）时，aS+bS表示到达地球表面的地球外辐射透过率。aS和bS随大气状况（湿度、尘埃）和太阳倾角（纬度和月份）而变化。当没有实际的太阳辐射资料和经验参数可以利用时，推荐使用aS=0.25，bS=0.50［15］。

温度有效系数f（T）计算公式如下。

式中，T为某一时段的平均气温（℃），TO、TB、TC分别为马铃薯生育期的最适温度（℃）、生长发育下限温度（℃）和生长发育上限温度（℃），马铃薯不同生育阶段生长三基点温度如表1 所示。

表1 马铃薯生长三基点温度 （单位：℃）

水分有效系数f（W）的计算公式如下。

式中，ETC为作物需水量（mm）；P为作物生育期内的降水（mm）；KC为作物需水系数，就本研究而言，马铃薯不同生育阶段需水系数分别为始期0.45、中期0.80、后期1.10、末期0.80；ETO为作物参考蒸散量，由Penman—Monteith 公式计算所得［16］；各个站点马铃薯不同生育阶段的生长期如表2 所示。

表2 不同站点马铃薯不同生育阶段的生长期（单位：d）

1.2.2 马铃薯产量差计算方法 本研究定义2 种类型的产量差，一是光温生产潜力与气候生产潜力之间的差值，反映水分对马铃薯生产的限制程度；二是气候生产潜力与实际产量之间的差值，反映了管理措施对马铃薯生产的限制。

式中，ΔYT表示光温生产潜力与气候生产潜力之间的产量差；ΔYW表示气候生产潜力与实际产量之间的产量差；YT是马铃薯光温生产潜力；YW是气候生产潜力；YA是实际产量。

1.2.3 数据分析 生产潜力及产量差的时间变化采取最小二乘法计算线性倾向率。利用数据序列（生产潜力或产量差）与时间序列（年份）的相关系数进行显著性检验，通过α=0.05 显著性检验，表示变化趋势显著；通过α=0.01 显著性检验，表示变化趋势极显著［15］。

2 结果与分析

2.1 气候变化对光温生产潜力的影响

北方一作区马铃薯1981—2010 年光温生产潜力为30 000～44 000 kg/hm2，呈下降趋势，平均每10年下降536.0 kg/hm2；中原二作区马铃薯光温生产潜力为22 000～30 000 kg/hm2，平均每10 年下降178.7 kg/hm2，但趋势不显著；西南混作区马铃薯光温生产潜力为21 000～33 000 kg/hm2，呈显著上升趋势，平均每10 年增加1 153.6 kg/hm2。南方二作区马铃薯生产潜力为14 000～19 000 kg/hm2，呈上升趋势，平均每10 年增加396.6 kg/hm2（图2）。

图2 不同种植区马铃薯光温生产潜力

2.2 气候变化对气候生产潜力的影响

北方一作区马铃薯1981—2010 年气候生产潜力为5 000～12 000 kg/hm2，呈极显著下降趋势，平均每10 年下降877.8 kg/hm2；中原二作区马铃薯气候生产潜力为4 000～10 000 kg/hm2，平均每10 年下降567.5 kg/hm2，呈显著下降趋势；西南混作区马铃薯气候生产潜力为5 000～11 000 kg/hm2，呈极显著下降趋势，平均每10 年下降733.5 kg/hm2。南方二作区马铃薯气候生产潜力为1 200～4 300 kg/hm2，呈显著下降趋势，平均每10 年下降298.6 kg/hm2（图3）。

图3 不同种植区马铃薯气候生产潜力

2.3 气候变化对马铃薯产量差的影响

2.3.1 光温-气候产量差 北方一作区马铃薯1981—2010年光温-气候产量差为26 000～37 000 kg/hm2，呈上升趋势，平均每10 年增加341.9 kg/hm2；中原二作区马铃薯光温-气候产量差为15 000～23 000 kg/hm2，平均每10年增加388.8 kg/hm2，但趋势不显著；西南混作区马铃薯光温-气候产量差为11 000～27 000 kg/hm2，呈极显著上升趋势，平均每10年增加1 887.1 kg/hm2。南方二作区马铃薯光温-气候产量差为11 000～18 000 kg/hm2，呈显著上升趋势，平均每10 年增加695.2 kg/hm2（图4）。

图4 不同种植区马铃薯光温-气候产量差

2.3.2 气候潜力-实际产量差值 北方一作区马铃薯1981—2010 年气候生产潜力-实际产量差值为2 300～9 000 kg/hm2，呈极显著下降趋势，平均每10年下降1 175.2 kg/hm2；中原二作区马铃薯气候生产潜力-实际产量差值为-2 700～5 000 kg/hm2，平均每10 年下降675.0 kg/hm2，呈显著下降趋势；西南混作区马铃薯气候生产潜力-实际产量差值为2 000～10 000 kg/hm2，呈极显著下降趋势，平均每10 年下降1 233.6 kg/hm2。南方二作区马铃薯气候生产潜力-实际产量差值为-3 700～1 400 kg/hm2，呈极显著下降趋势，平均每10 年下降1 105.4 kg/hm2（图5）。

3 小结

3.1 不同区域马铃薯光温生产潜力变化趋势

北方一作区光温生产潜力最高，其次是中原二作区和西南混作区光温生产潜力接近，南方二作区光温生产潜力最低。北方一作区和中原二作区光温生产潜力呈不显著下降趋势，西南混作区呈显著上升趋势，南方二作区呈不显著上升趋势。

3.2 不同区域马铃薯气候生产潜力变化趋势

北方一作区、中原二作区和西南混作区气候生产潜力较为接近，为4 000～12 000 kg/hm2，南方二作区则较小，仅为1 200～4 300 kg/hm2。4 个区域都达到了显著下降趋势。

3.3 不同区域马铃薯产量差的变化趋势及限制因子对马铃薯生产的限制程度

马铃薯北方一作区光温-气候产量差最大，为2 300～9 000 kg/hm2；其次是中原二作区和西南混作区，为11 000～27 000 kg/hm2；最小是南方二作区，仅为11 000～18 000 kg/hm2。通过光温-气候产量差可以得出水分限制对北方一作区产量差的影响最大，产量通过提高灌溉措施可提升的空间较大，其他区域也有很大提升的空间。

马铃薯气候潜力-实际产量差值北方一作区和西南混作区较为接近，为2 000～10 000 kg/hm2，其次是中原二作区，南方二作区最小。由气候潜力-实际产量差值可以得出北方一作区和西南混作区还没有达到气候生产潜力的上限，在雨养农业地区还可通过除灌溉外的其他管理措施提高产量，降低产量差。中原二作区和南方二作区出现了气候-实际产量差值小于0 的情况，说明这2 个区域实际产量已经达到甚至超过了气候生产潜力（雨养产量）上限，在雨养农业地区除灌溉外的其他管理措施产量提升空间不大。

4 讨论

4.1 逐级订正法的应用

逐级订正法又称机制法，以作物生长动态统计模型为基础，综合考虑光、温、水等影响作物生长的自然生态因子，对光合产量潜力逐步进行温度订正和水分订正来计算作物各级产量潜力。该方法物理意义清晰，机理以及因果关系明确，是应用广泛的产量潜力研究方法。廉丽姝等［17］、王晓煜等［18］曾使用该模型研究东北三省的主要粮食作物的产量潜力，余卫东等［19］曾使用该模型研究河南省夏玉米生产潜力及产量差时空变化特征，使用该方法研究马铃薯也是可行的。本研究采用逐级订正法计算气候生产潜力时未考虑实际灌溉对气候生产潜力的影响，仅考虑实际降水的数据，所以计算的气候生产潜力实际是雨养产量，通过计算气候-光温产量差得出灌溉对马铃薯增产的影响。计算气候潜力-实际产量差值可以得出马铃薯的实际产量与其雨养产量的大小关系，探讨在雨养农业地区马铃薯增产空间。

4.2 不同区域生产潜力和生产潜力产量差变化趋势的差别及原因

马铃薯的光温生长潜力受生育期内的太阳辐射量和平均温度的影响，气候生产潜力主要受生长季内光、温、降水的影响，而实际产量的影响除了受以上因素的影响外，还受栽培措施、土壤、灌溉、种源的影响。光温-气候产量差4 个区域都呈上升趋势，其中西南混作区呈极显著上升趋势，南方二作区呈显著上升趋势，得出水分因素对马铃薯增产起着越来越重要的作用；气候潜力-实际产量差值4 个区域都达到了显著下降水平，说明马铃薯已经逐渐达到甚至超过马铃薯的气候生产潜力（雨养产量），这些地区在雨养条件下除了灌溉以外，其他管理措施对于产量的提升作用不大。

4.3 对比分析

蔡承智［20］基于AEZ 模型认为中国马铃薯产量的最高产量潜力大约是目前产量的2～3 倍，这与本研究马铃薯产量还存在很大增产空间的论点一致。周磊等［21］认为在北方地区的大部分省份，降水是这些地区马铃薯产量的关键因素，这与本研究北方一作区光温-气候产量差较大，水分限制对北方一作区产量差影响最大一致。