宋佳欣, 張寶林,2, 元雪嬌, 彭 健, 郭 佳

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

農(nóng)作物產(chǎn)量差距通常由所處地理位置的生長(zhǎng)環(huán)境差異造成,產(chǎn)量潛力在很大程度上受太陽(yáng)輻射、溫度的控制[1],這些自然稟賦對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大,且難以改變[2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,常用積溫、平均溫度和無(wú)霜期等指標(biāo)來(lái)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(zhǎng)發(fā)育、繁殖、產(chǎn)量與品質(zhì)[3],決定種植結(jié)構(gòu)和作物熟制,影響農(nóng)藝措施的選擇[4]。積溫是引起作物產(chǎn)量周期性波動(dòng)的重要原因[5]。波蘭、美國(guó)、智利、阿根廷及中國(guó)等地均開(kāi)展了熱量資源變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究[6-10]。在氣候變化背景下,農(nóng)業(yè)必須適應(yīng)氣候變化[11-12]。有效降低糧食生產(chǎn)中氣候資源變化影響的脆弱性,是糧食安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)[13]。內(nèi)蒙古自治區(qū)東部是中國(guó)重要商品糧生產(chǎn)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響受到廣泛關(guān)注[14-15]。研究熱量資源的空間格局及其變化,對(duì)于熱量資源的合理利用、適宜農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)閾值的確定和作物種植區(qū)劃具有指導(dǎo)意義[10],對(duì)提出適應(yīng)性政策以提高農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化的能力具有重要價(jià)值。

在中國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)中,內(nèi)蒙古自治區(qū)屬于低糧食產(chǎn)能-高生態(tài)足跡指數(shù)聚集區(qū),糧食產(chǎn)能顯著低于鄰近省份。生態(tài)環(huán)境優(yōu)越,糧食生產(chǎn)潛力大[16],但農(nóng)業(yè)生態(tài)效率呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)[17],農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的食物生產(chǎn)服務(wù)功能、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)率及生態(tài)單位產(chǎn)出效能偏低[18]。生產(chǎn)能力優(yōu)勢(shì)顯示內(nèi)蒙古自治區(qū)是玉米主產(chǎn)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(chǎn)潛力、縮小產(chǎn)量差異,最大限度地利用環(huán)境資源至關(guān)重要[21],挖掘氣候資源是突破產(chǎn)量瓶頸的重要途徑[22]。內(nèi)蒙古自治區(qū)東部是農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)基地,農(nóng)業(yè)資源保護(hù)核心區(qū)域[23]。目前,已開(kāi)展了基于氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)熱量資源變化、利用潛力及對(duì)策研究[22],但對(duì)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(nèi)蒙古自治區(qū)東部2017-2018年農(nóng)業(yè)熱量資源的空間分異,但未開(kāi)展基于長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的空間格局及其變化趨勢(shì)研究,難以用來(lái)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)對(duì)可能的氣候變化。本研究在內(nèi)蒙古自治區(qū)東部四盟市及其周邊35個(gè)氣象站近47年(1973-2019年)日均溫?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,基于溫度≥10 ℃積溫及相關(guān)指標(biāo)分析了農(nóng)業(yè)熱量資源的空間格局及其變化,為探索東部糧食主產(chǎn)區(qū)熱量資源的高效利用,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化、優(yōu)質(zhì)增產(chǎn)增效提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)光熱條件優(yōu)良,糧食生產(chǎn)潛力有較大的提升空間[22],是中國(guó)商品糧調(diào)出地之一。生產(chǎn)能力優(yōu)勢(shì)顯示內(nèi)蒙古自治區(qū)是玉米主產(chǎn)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(shù)據(jù)獲取與處理

研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源于全球地表日數(shù)據(jù)集(global surface summary of the day,GSOD)(1973-2019年)。10 ℃是喜溫作物生長(zhǎng)的生物學(xué)下限溫度,是喜溫作物春季開(kāi)始播種與生長(zhǎng)的溫度。積溫反映不同作物對(duì)熱量資源需求的差異,可以用來(lái)評(píng)價(jià)某一地區(qū)的熱量條件是否滿足某作物生長(zhǎng)發(fā)育的要求。玉米是喜溫作物,整個(gè)生育過(guò)程中要求較高的溫度,生育期間生物學(xué)下限溫度為10 ℃。本研究選用日平均溫度≥10 ℃活動(dòng)積溫來(lái)表示作物生長(zhǎng)期熱量狀況,采用五日滑動(dòng)平均法(five-day moving average,MA)確定其起始日、終止日和積溫[27]。

中國(guó)北方春玉米一般在日均溫≥10 ℃時(shí)活躍生長(zhǎng),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(diǎn)日平均溫度采用下式計(jì)算T10:

(1)

其中:T10為某時(shí)段內(nèi)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(jì)算時(shí)段內(nèi)的日數(shù)。

積溫的變化趨勢(shì)依據(jù)T10傾向率進(jìn)行分析。T10傾向率以回歸系數(shù)b來(lái)表示,采用一元線性回歸模型進(jìn)行模擬:

T10=a+bt,

(2)

其中:a為截距,b為回歸系數(shù),a和b用最小二乘法進(jìn)行估計(jì);t為時(shí)間。當(dāng)b為正數(shù)時(shí),表示增加趨勢(shì);反之,表示降低趨勢(shì)。

依據(jù)1973-2019年溫度≥10 ℃起始日、終止日、持續(xù)日數(shù)、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(jìn)行空間插值,并基于研究區(qū)域矢量數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)與2018-2019年赤峰市未參與空間插值的11個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)MA法計(jì)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(duì)誤差分別為-0.48%和-2.82%。

表1 內(nèi)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(nèi)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(yàn)證Fig.1 Validation of T10 spatial interpolation in 2018-2019

2 結(jié)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(xiàn)最早,由東南向西北推進(jìn);在呼倫貝爾市出現(xiàn)最晚,沿大興安嶺向兩側(cè)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(xiàn)的最早,并沿大興安嶺向兩側(cè)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(shù)的空間分異

1973-2019年間,東部四盟市溫度≥10 ℃平均持續(xù)日數(shù)由東南向西北減少(圖4),在呼倫貝爾市沿大興安嶺向兩側(cè)增加。持續(xù)日數(shù)基本表現(xiàn)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(shù)基本表現(xiàn)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(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗)溫度≥10 ℃持續(xù)日數(shù)為120～130d,東南端部分地區(qū)可達(dá)130d以上。

圖4 溫度≥10 ℃持續(xù)日數(shù)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(dòng)積溫在赤峰市、通遼市和興安盟地區(qū)呈現(xiàn)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(cè)增加,整體趨勢(shì)與持續(xù)日數(shù)基本一致。在通遼市和赤峰市的玉米主產(chǎn)區(qū)溫度≥10 ℃積溫大于3 100 ℃·d。

2.5 溫度≥10 ℃積溫變化趨勢(shì)的空間分異

1973-2019年間,東部四盟市溫度≥10 ℃積溫呈增加趨勢(shì)(圖6),大部分地區(qū)積溫增長(zhǎng)的線性趨勢(shì)為(2.0～10.0)℃/a,積溫線向北推進(jìn),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(shù)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(zhǎng)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(zhǎng)速度>10.0 ℃/a;通遼市和興安盟全境增長(zhǎng)趨勢(shì)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(xiàn)較強(qiáng)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(nèi)蒙古自治區(qū)東部熱量資源的空間格局及其對(duì)作物的影響

1973-2019年,內(nèi)蒙古自治區(qū)東部糧食主產(chǎn)區(qū)熱量資源顯著增長(zhǎng),積溫線北移。為應(yīng)對(duì)氣候變化,熱量資源空間格局及其變化可作為科學(xué)決策的依據(jù)。赤峰市北部和呼倫貝爾市大興安嶺兩側(cè)積溫增加較快,其次為興安盟、通遼市。在研究區(qū)域內(nèi),積溫線向北推進(jìn),與劉實(shí)等[29]和張戈麗等[25]研究結(jié)論一致,而王志春等[24]研究認(rèn)為積溫線向西北方向推進(jìn)。本研究中東部溫度≥10 ℃積溫的增長(zhǎng)趨勢(shì)與赤峰市[30]、通遼市[31]、興安盟和呼倫貝爾市[32]開(kāi)展的分區(qū)研究結(jié)論一致。例如,1961-2019年赤峰市溫度≥10 ℃活動(dòng)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(guò)10 ℃/a[31],近50年呼倫貝爾市莫力達(dá)瓦達(dá)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(shù)呈波動(dòng)增加[30,32-33]。赤峰西部、北部熱量資源相對(duì)缺乏,但熱量資源增長(zhǎng)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(yīng)采取農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)藝措施優(yōu)化等措施。熱量資源與作物地域分布密切相關(guān)[35],陳瑞佶等[36]認(rèn)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(xiàn)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(shù)增加[29-30,32-33],使物候期延長(zhǎng),影響作物品種熟性,有利于喜溫作物的增產(chǎn)和種植面積的增加[33,37-38]。由于玉米生育期積溫與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[39-41],積溫增加100 ℃·d,最大葉面積指數(shù)增加10%,產(chǎn)量增加8%～10%[37,42]。

3.2 內(nèi)蒙古自治區(qū)東部農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力、資源利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性,內(nèi)蒙古自治區(qū)東部農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力可能增加[13,43-44]。通過(guò)品種選擇、播期調(diào)整和肥料管理,資源利用率可提高15%[22],從而提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量。目前,研究多側(cè)重于熱量資源的變化分析,應(yīng)加強(qiáng)熱量資源利用的精細(xì)區(qū)劃及自然資源高效利用對(duì)策研究。張寶林等[22]分析了氣溫升高對(duì)玉米生產(chǎn)力的影響,但未深入探討農(nóng)業(yè)熱量資源挖掘途徑。首先,為了適應(yīng)氣候變化,須調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)[45]。熱量資源增加使物候期延長(zhǎng)、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(shí),水熱匹配格局隨之改變,需要關(guān)聯(lián)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(lái)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(chǎn)量增加[13,22],因?yàn)樵搮^(qū)域玉米產(chǎn)量高低主要受生長(zhǎng)期熱量限制[49]。由于玉米種植的技術(shù)配套和機(jī)械化程度高、產(chǎn)量高、農(nóng)事操作簡(jiǎn)單等原因,興安盟等生長(zhǎng)季積溫占比高的溫涼區(qū)玉米種植面積可能增加,但應(yīng)防止由于越區(qū)種植可能遭受的氣象災(zāi)害[22,50]。其次,由于生長(zhǎng)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(nèi)蒙古自治區(qū)玉米的物候期延長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn),選擇適宜播種期十分重要。根據(jù)不同生態(tài)區(qū)的溫度適時(shí)播種,保證整個(gè)生育期溫度和日照充足、降水量適中,提高作物生態(tài)適應(yīng)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(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和品質(zhì)[52]。隨著氣候變化,生長(zhǎng)季(5-9月)積溫占比下降,如果按照傳統(tǒng)農(nóng)事安排,部分地區(qū)超過(guò)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(shí),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(chǎn)區(qū)水熱匹配格局發(fā)生改變[53],配套相應(yīng)農(nóng)業(yè)措施,才能高效利用農(nóng)業(yè)熱量資源,實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[54-55]。采用地膜覆蓋技術(shù)可選擇較常規(guī)播種品種生育期長(zhǎng)15d、積溫多200 ℃·d左右的偏晚熟玉米品種[52];選擇生育期較長(zhǎng)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(shí),可提高氣候資源利用率[56],高產(chǎn)高效的管理模式可提高作物光、溫資源生產(chǎn)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(yùn)用套種技術(shù)提高氣候資源利用率[56],在東部糧食主產(chǎn)區(qū)有一定的應(yīng)用空間。

4 結(jié)論

(1)內(nèi)蒙古自治區(qū)東部糧食主產(chǎn)區(qū)熱量資源呈現(xiàn)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(shù)在赤峰市、通遼市和興安盟地區(qū)呈現(xiàn)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(cè)增加。溫度≥10 ℃起始日和終止日的變化也呈現(xiàn)與緯度和海拔密切相關(guān)的空間格局。熱量資源作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),應(yīng)依據(jù)其空間格局指導(dǎo)現(xiàn)階段作物布局、農(nóng)事安排、農(nóng)業(yè)種植制度的調(diào)整與優(yōu)化。

(2)1973-2019年,內(nèi)蒙古自治區(qū)東部糧食主產(chǎn)區(qū)熱量資源呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì),積溫線北移。大部分地區(qū)積溫增長(zhǎng)的線性趨勢(shì)為(2.0～10.0)℃/a,農(nóng)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(cè)增加較快。作為應(yīng)對(duì)氣候變化的科學(xué)依據(jù),熱量資源空間格局變化可作為該區(qū)域應(yīng)對(duì)氣候變化決策的科學(xué)基礎(chǔ)。

(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(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)藝措施優(yōu)化等措施。應(yīng)基于3S技術(shù)開(kāi)展區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源利用研究,評(píng)估現(xiàn)階段農(nóng)戶及新型經(jīng)營(yíng)主體農(nóng)業(yè)氣候資源利用狀況,在熱量資源變化的背景下,加強(qiáng)氣候變化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,優(yōu)化農(nóng)藝措施,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效。