宋佳欣, 張寶林,2, 元雪嬌, 彭 健, 郭 佳

(1.內蒙古師范大學 化學與環(huán)境科學學院,內蒙古 呼和浩特 010022;2.內蒙古自治區(qū)環(huán)境化學重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010022)

農作物產量差距通常由所處地理位置的生長環(huán)境差異造成,產量潛力在很大程度上受太陽輻射、溫度的控制[1],這些自然稟賦對農業(yè)生產影響較大,且難以改變[2]。在農業(yè)生產中,常用積溫、平均溫度和無霜期等指標來衡量某一特定氣候條件下熱量資源的多寡。熱量資源影響作物的地理分布、生態(tài)型、生長發(fā)育、繁殖、產量與品質[3],決定種植結構和作物熟制,影響農藝措施的選擇[4]。積溫是引起作物產量周期性波動的重要原因[5]。波蘭、美國、智利、阿根廷及中國等地均開展了熱量資源變化對農業(yè)生產影響的研究[6-10]。在氣候變化背景下,農業(yè)必須適應氣候變化[11-12]。有效降低糧食生產中氣候資源變化影響的脆弱性,是糧食安全、經濟發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)[13]。內蒙古自治區(qū)東部是中國重要商品糧生產基地,在糧食安全中占有重要地位,該地區(qū)氣候變化及其對農業(yè)生產的影響受到廣泛關注[14-15]。研究熱量資源的空間格局及其變化,對于熱量資源的合理利用、適宜農業(yè)氣候指標閾值的確定和作物種植區(qū)劃具有指導意義[10],對提出適應性政策以提高農業(yè)應對氣候變化的能力具有重要價值。

在中國糧食主產區(qū)中,內蒙古自治區(qū)屬于低糧食產能-高生態(tài)足跡指數聚集區(qū),糧食產能顯著低于鄰近省份。生態(tài)環(huán)境優(yōu)越,糧食生產潛力大[16],但農業(yè)生態(tài)效率呈波動性下降趨勢[17],農田生態(tài)系統(tǒng)的食物生產服務功能、生態(tài)系統(tǒng)服務價值貢獻率及生態(tài)單位產出效能偏低[18]。生產能力優(yōu)勢顯示內蒙古自治區(qū)是玉米主產區(qū)[19],東部四盟市(赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市)是重要種植區(qū)[20]。為充分發(fā)揮作物生產潛力、縮小產量差異,最大限度地利用環(huán)境資源至關重要[21],挖掘氣候資源是突破產量瓶頸的重要途徑[22]。內蒙古自治區(qū)東部是農畜產品生產基地,農業(yè)資源保護核心區(qū)域[23]。目前,已開展了基于氣象站點數據的農業(yè)熱量資源變化、利用潛力及對策研究[22],但對東部熱量資源空間格局及其變化研究較少[24-26]。雖然郭佳等[26]分析了內蒙古自治區(qū)東部2017-2018年農業(yè)熱量資源的空間分異,但未開展基于長時間序列數據的空間格局及其變化趨勢研究,難以用來指導農業(yè)生產和應對可能的氣候變化。本研究在內蒙古自治區(qū)東部四盟市及其周邊35個氣象站近47年(1973-2019年)日均溫數據的基礎上,基于溫度≥10 ℃積溫及相關指標分析了農業(yè)熱量資源的空間格局及其變化,為探索東部糧食主產區(qū)熱量資源的高效利用,實現農業(yè)生產信息化、優(yōu)質增產增效提供理論基礎和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

內蒙古自治區(qū)光熱條件優(yōu)良,糧食生產潛力有較大的提升空間[22],是中國商品糧調出地之一。生產能力優(yōu)勢顯示內蒙古自治區(qū)是玉米主產區(qū)[19],其東部四盟市(赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市)是重要種植區(qū)[20]。

1.2 數據獲取與處理

研究所用數據來源于全球地表日數據集(global surface summary of the day,GSOD)(1973-2019年)。10 ℃是喜溫作物生長的生物學下限溫度,是喜溫作物春季開始播種與生長的溫度。積溫反映不同作物對熱量資源需求的差異,可以用來評價某一地區(qū)的熱量條件是否滿足某作物生長發(fā)育的要求。玉米是喜溫作物,整個生育過程中要求較高的溫度,生育期間生物學下限溫度為10 ℃。本研究選用日平均溫度≥10 ℃活動積溫來表示作物生長期熱量狀況,采用五日滑動平均法(five-day moving average,MA)確定其起始日、終止日和積溫[27]。

中國北方春玉米一般在日均溫≥10 ℃時活躍生長,溫度≥10 ℃積溫(T10)能夠很好地表征作物生育期間的熱量資源?；跉庀笳军c日平均溫度采用下式計算T10:

(1)

其中:T10為某時段內日平均氣溫≥10 ℃積溫(℃·d);ti為第i日的溫度≥10 ℃日平均氣溫(℃);n為計算時段內的日數。

積溫的變化趨勢依據T10傾向率進行分析。T10傾向率以回歸系數b來表示,采用一元線性回歸模型進行模擬:

T10=a+bt,

(2)

其中:a為截距,b為回歸系數,a和b用最小二乘法進行估計;t為時間。當b為正數時,表示增加趨勢;反之,表示降低趨勢。

依據1973-2019年溫度≥10 ℃起始日、終止日、持續(xù)日數、T10、T10傾向率及其顯著性概率(表1),利用ArcGIS克里金(Kriging)插值法進行空間插值,并基于研究區(qū)域矢量數據進行裁剪,研究了區(qū)域熱量資源空間格局及其變化。研究中,基于緯度、高程多元線性回歸修正了積溫的空間插值[28],通過與2018-2019年赤峰市未參與空間插值的11個氣象站點(圖1)MA法計算的溫度≥10 ℃積溫的比較,證明2年克里金插值法空間插值平均相對誤差分別為-0.48%和-2.82%。

表1 內蒙古自治區(qū)東部及其周邊地區(qū)熱量資源變化Tab.1 Changes of heat resources in eastern Inner Mongolia and its adjacent regions

續(xù)表1 內蒙古自治區(qū)東部及其周邊地區(qū)熱量資源變化Continued Tab.1 Changes of heat resources in eastern Inner Mongolia and its adjacent regions

圖1 2018-2019年T10空間插值的驗證Fig.1 Validation of T10 spatial interpolation in 2018-2019

2 結果分析

2.1 溫度≥10 ℃積溫起始日的空間分異

東部四盟市溫度≥10 ℃起始日的空間分異如圖2所示。1973-2019年間,在通遼市和赤峰市南部溫度≥10 ℃起始日出現最早,由東南向西北推進;在呼倫貝爾市出現最晚,沿大興安嶺向兩側提前。通遼市大部為4月中下旬,赤峰市為4月下旬至5月上旬,興安盟為5月上中旬,呼倫貝爾市為5月中下旬。

圖2 溫度≥10 ℃起始日的空間變化 圖3 溫度≥10 ℃終止日的空間變化Fig.2 The spatial variations of the initial dates Fig.3 The spatial variations of the terminal of temperature above 10 ℃ dates of temperature above 10 ℃

2.2 溫度≥10 ℃積溫終止日的空間分異

東部四盟市溫度≥10 ℃積溫終止日的空間變化如圖3所示。1973-2019年間,溫度≥10 ℃平均終止日在空間格局變化上基本與起始日相反,在赤峰市、通遼市和興安盟由西北向東南推遲,在呼倫貝爾市出現的最早,并沿大興安嶺向兩側推遲。通遼市大部分地區(qū)為10月上旬,赤峰市為9月下旬至10月上旬,興安盟為9月下旬,呼倫貝爾市為9月中旬。

2.3 溫度≥10 ℃持續(xù)日數的空間分異

1973-2019年間,東部四盟市溫度≥10 ℃平均持續(xù)日數由東南向西北減少(圖4),在呼倫貝爾市沿大興安嶺向兩側增加。持續(xù)日數基本表現為通遼市、赤峰市東南部>興安盟>呼倫貝爾市,通遼市、赤峰市、興安盟、呼倫貝爾市溫度≥10 ℃持續(xù)日數基本表現為>150d、>140d、>130d、>120d。呼倫貝爾市嶺東玉米種植區(qū)(扎蘭屯市、阿榮旗及莫力達瓦達斡爾族自治旗)溫度≥10 ℃持續(xù)日數為120～130d,東南端部分地區(qū)可達130d以上。

圖4 溫度≥10 ℃持續(xù)日數的空間變化 圖5 溫度≥10 ℃積溫的空間變化Fig.4 The spatial variations of the durations Fig.5 The spatial variations of T10of temperature above 10 ℃

2.4 溫度≥10 ℃積溫的空間分異

東部四盟市溫度≥10 ℃活動積溫在赤峰市、通遼市和興安盟地區(qū)呈現西北-東南方向傾斜的緯度地帶性(圖5),積溫由西北向東南增加;在呼倫貝爾市,積溫沿大興安嶺向兩側增加,整體趨勢與持續(xù)日數基本一致。在通遼市和赤峰市的玉米主產區(qū)溫度≥10 ℃積溫大于3 100 ℃·d。

2.5 溫度≥10 ℃積溫變化趨勢的空間分異

1973-2019年間,東部四盟市溫度≥10 ℃積溫呈增加趨勢(圖6),大部分地區(qū)積溫增長的線性趨勢為(2.0～10.0)℃/a,積溫線向北推進,空間變化格局與溫度≥10 ℃起始日、終止日、溫度≥10 ℃積溫及持續(xù)日數不同。赤峰市南部和呼倫貝爾市中部地區(qū)溫度≥10 ℃積溫增長較緩,赤峰市北部和呼倫貝爾市大興安嶺兩翼積溫增加較快,部分地區(qū)增長速度>10.0 ℃/a;通遼市和興安盟全境增長趨勢約為(6.0～9.0) ℃/a。

同期東部四盟市溫度≥10 ℃積溫傾向率顯著性水平空間分異與傾向率大小的空間變化相似(圖7),但不同于熱量資源的空間格局,并在赤峰市地區(qū)呈現較強的緯度地帶性。除赤峰市南部、通遼市西南部和呼倫貝爾市部分地區(qū)外,其余地區(qū)積溫增加顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 內蒙古自治區(qū)東部熱量資源的空間格局及其對作物的影響

1973-2019年,內蒙古自治區(qū)東部糧食主產區(qū)熱量資源顯著增長,積溫線北移。為應對氣候變化,熱量資源空間格局及其變化可作為科學決策的依據。赤峰市北部和呼倫貝爾市大興安嶺兩側積溫增加較快,其次為興安盟、通遼市。在研究區(qū)域內,積溫線向北推進,與劉實等[29]和張戈麗等[25]研究結論一致,而王志春等[24]研究認為積溫線向西北方向推進。本研究中東部溫度≥10 ℃積溫的增長趨勢與赤峰市[30]、通遼市[31]、興安盟和呼倫貝爾市[32]開展的分區(qū)研究結論一致。例如,1961-2019年赤峰市溫度≥10 ℃活動積溫上升速度約為3.83 ℃/a[30],1959-2010年通遼市溫度≥10 ℃積溫傾向率超過10 ℃/a[31],近50年呼倫貝爾市莫力達瓦達斡爾族自治旗溫度≥10 ℃積溫傾向率為9.03 ℃/a[32],與本研究的積溫增幅相近(圖6)。東部地區(qū)溫度≥10 ℃起始日提前,終止日延后,持續(xù)日數呈波動增加[30,32-33]。赤峰西部、北部熱量資源相對缺乏,但熱量資源增長幅度較大[34],與本研究熱量資源空間格局變化一致(圖2)。

圖6 溫度≥10 ℃積溫傾向率的空間變化 圖7 溫度≥10 ℃積溫傾向率顯著性概率的空間變化Fig.6 The spatial variation of T10 trends Fig.7 The spatial variations of the significance probability of T10 trend

伴隨著熱量資源格局的變化,水熱匹配格局也發(fā)生改變,作物適宜性發(fā)生改變,應采取農業(yè)種植結構調整、農藝措施優(yōu)化等措施。熱量資源與作物地域分布密切相關[35],陳瑞佶等[36]認為潛在生育期積溫和日平均氣溫是影響作物氣候適宜性的主要因子,貢獻率分別為55.5%和27.3%。由于溫度≥10 ℃起始日提前、終止日延后、持續(xù)日數增加[29-30,32-33],使物候期延長,影響作物品種熟性,有利于喜溫作物的增產和種植面積的增加[33,37-38]。由于玉米生育期積溫與產量呈顯著正相關關系[39-41],積溫增加100 ℃·d,最大葉面積指數增加10%,產量增加8%～10%[37,42]。

3.2 內蒙古自治區(qū)東部農業(yè)熱量資源的挖掘途徑

隨著溫度的升高,熱量資源增加,影響農業(yè)生產潛力、資源利用和農業(yè)生產穩(wěn)定性,內蒙古自治區(qū)東部農業(yè)生產潛力可能增加[13,43-44]。通過品種選擇、播期調整和肥料管理,資源利用率可提高15%[22],從而提高作物產量和質量。目前,研究多側重于熱量資源的變化分析,應加強熱量資源利用的精細區(qū)劃及自然資源高效利用對策研究。張寶林等[22]分析了氣溫升高對玉米生產力的影響,但未深入探討農業(yè)熱量資源挖掘途徑。首先,為了適應氣候變化,須調整作物種植結構[45]。熱量資源增加使物候期延長、播種提早而收獲延遲[46-47]、臨界積溫等值線北移[48]。與此同時,水熱匹配格局隨之改變,需要關聯氣候資源與作物品種、土壤、耕作等立地條件,充分有效地利用氣候資源,并降低氣候資源變化帶來的不利影響。氣候適宜性的改變可能引起東部喜溫作物種植區(qū)向東向北遷移,使氣候溫暖、溫涼區(qū)玉米適宜種植面積和產量增加[13,22],因為該區(qū)域玉米產量高低主要受生長期熱量限制[49]。由于玉米種植的技術配套和機械化程度高、產量高、農事操作簡單等原因,興安盟等生長季積溫占比高的溫涼區(qū)玉米種植面積可能增加,但應防止由于越區(qū)種植可能遭受的氣象災害[22,50]。其次,由于生長季積溫增加,在熱量充足地區(qū)選擇中晚熟品種。研究表明,1981-2010年內蒙古自治區(qū)玉米的物候期延長10～20d,中晚熟品種種植面積增加[38],中早熟型作物品種被中晚熟品種取代[33]。第三,要實現作物高產,選擇適宜播種期十分重要。根據不同生態(tài)區(qū)的溫度適時播種,保證整個生育期溫度和日照充足、降水量適中,提高作物生態(tài)適應性[51]。為避免熱量資源損失,可提前播種、延遲收獲[46],或采用覆膜增溫,合理利用熱量資源[22]。地膜覆蓋可使耕作層增溫3～5 ℃,防御冷害,并提高產量、經濟效益和品質[52]。隨著氣候變化,生長季(5-9月)積溫占比下降,如果按照傳統(tǒng)農事安排,部分地區(qū)超過15%的溫度≥10 ℃年積溫得不到充分利用[22],在確保安全的情況下,搶墑播種,在有效利用早春積溫的同時,提高干旱半干旱區(qū)水資源利用率。第四,氣候變化使東部糧食產區(qū)水熱匹配格局發(fā)生改變[53],配套相應農業(yè)措施,才能高效利用農業(yè)熱量資源,實現增產[54-55]。采用地膜覆蓋技術可選擇較常規(guī)播種品種生育期長15d、積溫多200 ℃·d左右的偏晚熟玉米品種[52];選擇生育期較長的中熟或晚熟品種后,要考慮可能增加的水肥需求。充分利用水肥耦合又互相制約的規(guī)律,改善水分制約的同時,可提高氣候資源利用率[56],高產高效的管理模式可提高作物光、溫資源生產效率14.74%和14.41%[57]。在溫度≥10 ℃積溫3 000 ℃·d左右的地區(qū),可運用套種技術提高氣候資源利用率[56],在東部糧食主產區(qū)有一定的應用空間。

4 結論

(1)內蒙古自治區(qū)東部糧食主產區(qū)熱量資源呈現西北-東南方向傾斜的緯度地帶性,并受海拔的影響。近47年溫度≥10 ℃平均積溫和平均持續(xù)日數在赤峰市、通遼市和興安盟地區(qū)呈現西北-東南方向傾斜,隨著緯度的升高,熱量資源減少;而在呼倫貝爾市沿大興安嶺向兩側增加。溫度≥10 ℃起始日和終止日的變化也呈現與緯度和海拔密切相關的空間格局。熱量資源作為農業(yè)產業(yè)的重要基礎數據,應依據其空間格局指導現階段作物布局、農事安排、農業(yè)種植制度的調整與優(yōu)化。

(2)1973-2019年,內蒙古自治區(qū)東部糧食主產區(qū)熱量資源呈顯著增長趨勢,積溫線北移。大部分地區(qū)積溫增長的線性趨勢為(2.0～10.0)℃/a,農業(yè)熱量資源的增加以赤峰市北部和呼倫貝爾市大興安嶺兩側增加較快。作為應對氣候變化的科學依據,熱量資源空間格局變化可作為該區(qū)域應對氣候變化決策的科學基礎。

(3)隨著熱量資源格局的變化,水熱匹配格局也可能發(fā)生變化,使作物適宜性發(fā)生改變,需采取農業(yè)種植結構調整、農藝措施優(yōu)化等措施。應基于3S技術開展區(qū)域農業(yè)氣候資源利用研究,評估現階段農戶及新型經營主體農業(yè)氣候資源利用狀況,在熱量資源變化的背景下,加強氣候變化風險評估,優(yōu)化農藝措施,實現農業(yè)生產的優(yōu)質、高產和高效。