吳國周，張 超

（內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

氣候環(huán)境是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，農(nóng)業(yè)氣候不僅包括農(nóng)業(yè)氣候條件、農(nóng)業(yè)氣候資源，還包括農(nóng)業(yè)氣候災害。農(nóng)業(yè)氣候資源在一定的適度范圍內(nèi)，量值過大、過小則成為災害[1]。農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候的研究不僅要反映每個氣候要素的綜合影響，而且要體現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候系統(tǒng)的動態(tài)特征。氣候環(huán)境對生物系統(tǒng)的適宜度及其時間變化可以作為生態(tài)氣候的量度指標和評價標準。

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度研究進展

1.1 理論提出階段

20世紀80年代農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度理論在我國提出，顧恒岳、艾南山、陳國楨等學者從系統(tǒng)科學的角度，探求農(nóng)業(yè)與氣候兩大系統(tǒng)的相互關系。根據(jù)田間作物的生態(tài)學實驗[2-4]，顧恒岳[5]擬定出氣溫在從作物停止生長到最適宜生長的取值范圍內(nèi)的適宜度模糊子集，稱為溫度的適宜度曲線；根據(jù)Zadeh有關資料[6]，陳國禎[7]建立了濕度和日照時數(shù)的適宜度曲線。適宜度模型被理解為時間t上的Fuzzy子集[8]，表示了氣候適宜度隨時間的變化過程，動態(tài)的概括了氣候?qū)r(nóng)作物的影響。

用氣溫 T（℃）、相對濕度 R（%）、日照時數(shù) I（h/d）分別代表農(nóng)業(yè)氣候三要素隨時間的變化，建立資源模型S～c1、效能模型S～c2、 結構模型S～c3，這就是農(nóng)業(yè)氣候簡單的量化模型，即農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型；運用多年平均的氣象觀測資料，可以計算農(nóng)業(yè)氣候的資源指數(shù)Cr、效能指數(shù)Ce、利用系數(shù)K；從統(tǒng)計分析、概率預測和動態(tài)規(guī)劃3個方面將模型應用于動態(tài)預測[9]。

其中，結構模型中的 α1、α2、α3為權重，均大于0，且α1+α2+α3=1。資源指數(shù)表示光溫水條件的組合對農(nóng)作物生長可能提供的氣候資源，效能指數(shù)表示各氣象要素的配合程度，利用系數(shù)表示農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源在天然條件下作物的實際利用效率。

顧恒岳、艾南山提出了農(nóng)業(yè)氣候過程和生態(tài)氣候過程的概念，認為氣候?qū)ψ魑锷L的適宜程度及其時間變化是進行分類、區(qū)劃和評價農(nóng)業(yè)氣候的基礎，農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型可用于農(nóng)業(yè)氣候的分類與區(qū)劃，也可作為自然地理區(qū)劃的基礎。兩位學者根據(jù)年內(nèi)或生長期內(nèi)的農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度模型，在寧夏、甘肅-地區(qū)進行農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候分類、農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候區(qū)劃的研究，建立了基于農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候指數(shù)的產(chǎn)量預測模型，建立了針對不同作物在不同生長期的作物生態(tài)氣候譜和典型年最佳作物組合，研究成果有效地揭示了區(qū)域分異規(guī)律，得到一組反映不同農(nóng)業(yè)經(jīng)濟結構特色的農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候模型。

總之，20世紀80年代是農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度理論提出和討論應用價值的階段，農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候模型的提出和應用為農(nóng)業(yè)氣候資源的客觀評價、定量分析以及分類評價奠定了基礎[10]。

1.2 理論完善階段

20世紀90年代，農(nóng)業(yè)氣候資源理論不斷完善，李繼由[11]系統(tǒng)闡述了農(nóng)業(yè)氣候資源的理論和在時間、空間和強度上充分利用農(nóng)業(yè)氣候資源的方法。晏路明、徐紅、黃璜較早地開展了不同研究區(qū)域、不同側重點的模型應用研究。

晏路明[12]深入研究了適宜度模型的建立方法和指標權重的分配方法。首先利用相關分析法，選擇8個涉及熱量、水分、光照三方面的農(nóng)業(yè)氣候指標。根據(jù)主要作物生長發(fā)育受氣候因子影響的變化模式，建立了各氣候指標的戒下型隸屬函數(shù)[13]，具有植物生長指示意義或指標空間分異意義。例如：≥10℃積溫的適宜函數(shù)如下所示，當μ（x3）分別為0.8、0.5、0.2時，對應的≥10℃積溫分別為7000，6000，5500℃，指示福建作物生長發(fā)育的3個重要積溫分界點。

用主成分分析方法建立評價權重結構，建立農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型，計算出三類有意義的農(nóng)業(yè)氣候指數(shù)，客觀的揭示了農(nóng)業(yè)氣候系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)同配合，以及系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮程度。

徐紅[14]通過生態(tài)學的實驗方法，以有機體的增長作為氣候因子對有機體的適宜度指標，擬定熱、水、光三要素的適宜曲線，建立隨時間變化的3個農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候指數(shù)模型，詳細的分析農(nóng)業(yè)氣候在時間序列上的演變。雖然文中并未給出具體的適宜度函數(shù)和模型建立中各要素的權重，但在分析山東省農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源特點方面是相當深入的，證明了指數(shù)模型在該地區(qū)具有時空指示意義，具有應用價值。

黃璜[15]根據(jù)中國紅黃壤地區(qū)地理特點、種植季節(jié)、植物類型，對主要作物生育期進行劃分，分別建立溫度、日照、降水隸屬度函數(shù)，并給出了詳細的參數(shù)值，對1963—1992年不同作物的隸屬函數(shù)值進行評價。

根據(jù)不同作物不同生育時段的溫度三基點[16]，建立溫度隸屬度函數(shù)，T表示實際的溫度值，TL表示生長的最低溫度，TH表示生長的最高溫度，Tm1、Tm2表示最適溫度的上、下限，b是常數(shù)。

以日照時數(shù)達可照時數(shù)70%為臨界點，建立日照隸屬度函數(shù)，S為實際日照時數(shù)，S0為日照百分率為70%的日照時數(shù)，b為常數(shù)。

降水隸屬度函數(shù)又分為水稻R1和旱地R2作物兩類，a、b、Am1、Am2、b1、b2 均為常數(shù)。A 為實際干燥度，AL表示生長的最低干燥度，AH表示生長的最高干燥度，Am1、Am2表示最適干燥度的上、下限。

總之，20世紀90年代的研究重點是在20世紀80年代理論的基礎上研究適宜度隸屬函數(shù)的建立和農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型優(yōu)化的方法，并且在不同尺度區(qū)域進行模型的應用研究，為之后不同區(qū)域、不同作物的應用研究打開了思路、奠定了基礎。

1.3 應用研究階段

2000年后，大量學者開始對農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源系統(tǒng)進行分析與研究，農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度理論進入廣泛應用階段。

初期，甘肅[17-18]、寧夏[19]、青海[20-21]等西北地區(qū)[22]以及山西大同[23]都開展了區(qū)域的農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源研究，及西北地區(qū)整體進行了定量分析、分類評價、潛力比較與利用探討。普遍采用多年逐月平均效能指數(shù)模糊動態(tài)聚類的方法，將農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源劃分類型并進行相應的評價。

隨后，針對具體作物也有大量研究深入開展，如：冬小麥[24-26]、棉花[27-29]、水稻[30]、玉米[31-32]、油菜[33]、高山反季蔬菜[34]、河西走廊釀酒葡萄[35]等，學者們根據(jù)作物生理特征建立溫度、光照、降水適宜度函數(shù)，并對適宜度年際變化進行分析[36]，再選用不同的權重系數(shù)確定方法，建立農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型，計算農(nóng)業(yè)氣候指數(shù)。

1.3.1 適宜度函數(shù)建立方法 溫度適宜度函數(shù)的建立方法普遍根據(jù)作物生長發(fā)育三基點溫度。千懷遂、魏瑞江等學者根據(jù)馬樹慶[37]的研究建立公式12；羅懷良、許可根據(jù)用模糊數(shù)學中模糊子集的升半嶺形分布與降半形分布對應取交建立公式13。式中，T是某一時段的平均氣溫，T1、T2、T0分別是冬小麥在該時段內(nèi)生長發(fā)育的下限溫度、上限溫度和最適溫度，Ts1、Ts2為最適溫度的上下限。

降水適宜度函數(shù)的建立普遍是根據(jù)降水量（R）與作物需水量（R0）的關系。河南、安徽根據(jù)蔣定生[38]的研究建立公式14，作物需水量采用朱自璽的需水量經(jīng)驗值。河北、黑龍江根據(jù)輕旱、輕澇標準定義需水量的上下限建立降水適宜度函數(shù)。河北?。ü?5）定義需水量的0.6倍和1.5倍分別為適宜降水量的上限（rl）和下限（rh）；黑龍江（公式16）僅以需水量0.7倍為下限建立降水適宜度模型。

四川根據(jù)可供蒸散量ET與農(nóng)田最大蒸散量ETm的對比關系作為水分訂正系數(shù)，建立降水適宜度函數(shù)。式中，p 為各月降水量，c、kc、α、bw 均為常數(shù)，EP為小型蒸發(fā)皿的實測蒸發(fā)量。

日照適宜度函數(shù)普遍采用黃璜建立的日照隸屬度函數(shù)，如公式9所示。

1.3.2 權重確定方法 權重系數(shù)的分配，直接反映了光溫水要素在農(nóng)業(yè)氣候適宜度模型中的重要性，對正確反映光溫水條件的潛力、配合程度以及利用效率有重要作用，使模型具有較好的區(qū)劃效果。目前，常用的方法包括：專家咨詢法、相關系數(shù)法、因子分析法、對數(shù)加權法、幾何平均法、一元積分回歸法等。通過對全生育期的光溫水適宜度進行分析，客觀的反映不同時期生態(tài)因子對作物的影響強度。

2 農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度研究展望

2.1 擴大應用研究區(qū)域

目前，針對不同大田作物的溫度、降水、光照適宜度函數(shù)已經(jīng)相對成熟，研究區(qū)域主要集中在西北、東北和華北部分地區(qū)，然而各主要作物的產(chǎn)糧大省并未全面開展這方面的研究，這不利于全面、深入開展我國農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候分類、農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候區(qū)劃的研究工作。因此，在未來的研究中，應加大研究空白區(qū)域的適宜度研究，摸清各地區(qū)農(nóng)業(yè)與氣候的匹配情況。

內(nèi)蒙古不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差異較大，自20世紀50年代以來，內(nèi)蒙古地區(qū)溫度、降水、日照等觀測資料齊全，根據(jù)現(xiàn)有適宜度函數(shù)可以開展農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度的研究，同時結合歷年的春玉米、春小麥、大豆、馬鈴薯的品種特點，建立基于本地區(qū)主要作物的適宜度函數(shù)，有助于指導作物種植結構的調(diào)整，更好地為主要糧食作物穩(wěn)產(chǎn)提供氣象保障。

2.2 建立設施農(nóng)作物的隸屬函數(shù)

農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度的研究已經(jīng)逐漸從區(qū)域整體研究角度轉(zhuǎn)換到作物方向，鑒于氣象觀測資料的來源與方法，學者們目前建立的都是大田作物的適宜性函數(shù)和模型，如：冬小麥、水稻、玉米等。設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展可以有效地解決北方冬季蔬菜供應的問題[39]，并且在增加農(nóng)民收入、促進農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整等方面有重要意義[40]。內(nèi)蒙古地區(qū)以俄羅斯遠東市場及蒙古市場為目標建立了東部設施蔬菜外向型基地；以北京、天津、唐山及江蘇、浙江、山東市場為目標的中東部環(huán)京設施蔬菜基地；以滿足城市居民消費為主的中西部環(huán)城設施蔬菜基地；以銀川市、蘭州市為目標的西部出口設施蔬菜基地。內(nèi)蒙古設施農(nóng)業(yè)栽培作物主要以蔬菜為主，有韭菜、黃瓜、番茄、茄子、青椒等20多個大眾類100多個品種，其他作物有瓜類、食用菌類和花卉等。隨著設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，各種經(jīng)濟作物的氣象服務要求不斷提高，需要通過生態(tài)學的實驗方法，參考大田作物隸屬函數(shù)建立的思路，針對棚內(nèi)作物生理特征，建立相應的適宜度函數(shù)和模型，動態(tài)、定量的評價氣象適宜程度。

2.3 與WOFOST模型相結合

WOFOST模型引進中國后，人們對作物生長過程的理解更為透徹。學者根據(jù)多種手段進行模型參數(shù)的調(diào)整和驗證，證明了WOFOST模型在各地區(qū)的適宜性，并建立起了針對不同作物的不同地區(qū)的WOFOST模型，廣泛地應用于華北平原[41]、東北三省以及江浙地區(qū)的冬小麥[42-43]、水稻[44-45]、玉米[46-47]、大豆、馬鈴薯[48]、甜菜[49]等多種作物的多方面研究中。農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度研究可以與WOFOST作物模型相結合，應用WOFOST模型模擬玉米生物量[50]，采用優(yōu)化方法確定基于模擬生物量的玉米不同發(fā)育階段氣象適宜程度診斷指標，為農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候適宜度研究開辟了新方法，更好的實現(xiàn)動態(tài)、定量評價各生育階段的氣象適宜程度。

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