中国农业气象(C h i n e s e J o u r n a l o f A g r o m e t e o r o l o g y ) 2007, 28(3) :275-280
＊
黑龙江省马铃薯气候生产力特征及区划
高永刚, 那济海, 顾 红, 温秀卿, 于英楠, 刘 丹
(黑龙江省气象科学研究所, 哈尔滨 150030)
摘要:利用黑龙江省81个气象站1975-2004年30a 的逐日气象资料及相应插值的网格同期逐日气象资料, 采用WO F O S T 作物生长模型, 模拟并分析了马铃薯气候生产力的空间分布特征, 同时分析了各地气候生产力影响因素及分布特征; 利用气候生产力的距平百分率、变异系数及与气候生产力密切相关的有关生育期的4个气候因子(平均气温、气温日较差、日平均日照时数、降水量) , 采用动态聚类分析方法, 将黑龙江省马铃薯可能种植区初步划分为9类气候栽培区, 为充分利用当地气候资源发展马铃薯生产提供参考。关键词:马铃薯; WO F O S T 模型; 气候生产力; 特征; 变异系数; 区划
C h a r a c t e r i s t i c s a n dC o m p a r t m e n t o f P o t e n t i a l C l i m a t i c P r o d u c t i v i t y o f P o t a t o (S o l a n u mt u b e r o s u m L . )i nH e i l o n g j i a n g P r o v i n c e
G A O Y o n g -g a n g , N AJ i -h a i , G UH o n g , WE NX i u -q i n g , Y UY i n g -n a n , L I UD a n
(I n s t i t u t e o f M e t e o r o l o g i c a l S c i e n c e o f H e i l o n g j i a n g P r o v i n c e , H a e r b i n 150030, C h i n a )
A b s t r a c t :Ba s e d o n t h e o b s e r v a t i o n a l d a i l y m e t e o r o l o g i c a l d a t a o f 81s t a t i o n s f r o m 1975t o 2004a n d i t s i n t e r p o l a t e d d a i l y m e t e o r o l o g i c a l g r i d s d a -t a a t t h e s a m e t i m e i nH e i l o n g j i a n g P r o v i n c e , t h e s p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p o t e n t i a l c l i m a t i cp r o d u c t i v i t y o f p o t a t o (S o l a n u m t u b e r o s u m L . ) w a s s i m u l a t e db y u s i n g WO F O S Tc r o pg r o w t hm o d e l .T h e c l i m a t ef a c t o r s w h i c ha f f e c t e dt h ep o t e n t i a l c l i m a t i cp r o d u c t i v i t yo f p o t a t ow e r e a n a -l y z e d .A c c o r d i n gt o t h e v a r i a t i o n r a t e a n dc o e f f i c i e n t o f t h e p o t e n t i a l c l i m a t i c p r o d u c t i v i t y , a n d f o u r c l i m a t i c f a c t o r s s u c ha s a v e r a g e t e m p e r a t u r e , d a i l y t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n m a x i m u ma n d m i n i m u m , d a i l y a v e r a g e s u n s h i n e h o u r s a n d p r e c i p i t a t i o n , t h e p o s s i b l e p l a n t i n g a r e a s o f p o t a t o w e r ep r i m a r i l y d i v i d e d i n t o n i n e z o n e s .
K e yw o r d s :P o t a t o (S o l a n u mt u b e r o s u mL . ) ; WO F O S Tm o d e l ;P o t e n t i a l c l i m a t i c p r o d u c t i v i t y ;C h a r a c t e r i s t i c ;V a r i a t i o n c o e f f i c i e n t ; C o m p a r t -m e n t
马铃薯(S o l a n u mt u b e r o s u m L . ) 原产于南美州的秘鲁和玻利维亚的安第斯山区, 属低纬度高山高产作物。
长期引种适应的结果形成马铃薯喜冷凉、短日照和温差大的生长习性
[1]
研究所利用同期81个气象站30a 逐日气象资料插值的网格(50k m×50k m ) 逐日气象资料, 具体包括平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水量、相对湿度、日照时数、平均风速, 采用S u p i t 公式
[9]
, 目前马铃薯已成为世界5大粮食作物计算的地面日辐射
之一。黑龙江省地处中高纬度, 是全国热量资源最少的
省份之一。但黑龙江省作物生长季气候温凉、日较差较大, 是马铃薯适宜生长且不易退化的较理想栽培区域。一些相关研究从气候统计
[4-8]
[1-3]
量; 以计算的各网格点30a 上述气象资料的逐日平均值
作为近30a 各网格点的平均气候资料。
马铃薯产量(单产) 资料来源于黑龙江省统计局整编的1975-2004年30a 各县的单产资料, 马铃薯生育期资料来源于黑龙江省克山、克东、嫩江、拜泉、铁力和宁安等县1985-2004年观测资料。
和栽培管理及繁育技
术等角度讨论了马铃薯产量及生产状况, 对黑龙江省马铃薯的生产起到了借鉴及指导作用。本文利用马铃薯气候生产力数值模拟方法, 并结合主要气候影响因素指标及气候生产力变异系数, 进行黑龙江省马铃薯适宜种植区域划分, 为充分利用黑龙江省气候资源优势, 发展马铃薯生产提供参考。
2 研究方法
2. 1 气候生产力的计算
W O F O S T 模型起源于世界粮食研究中心(C W F S ) 组织的多学科综合的世界粮食潜在产量的研究项目, 由荷兰瓦赫宁根大学开发, 它是一个根据气象和土壤条件模
1 数据来源
黑龙江省的面积为45. 6万k m , 包括81个气象观测站点。气象数据为黑龙江省气象局整编81个气象站1975-2004年30a 的逐日气象资料、黑龙江省气象科学
＊收稿日期:2006-09-10
2
拟作物根、茎、叶、穗生物量及土壤水分动态的模型, 该模型可对多种粮食作物的生长过程和气候生产力进行模拟。一些相关研究
[10-13]
对W O F O S T 模型对主要粮食
基金项目:黑龙江省气象局项目“黑龙江省生态与农业气象监测预警评估服务系统”(2006 09) 作者简介:高永刚(1967-) , 黑龙江汤原人, 副研究员, 硕士, 主要从事农业和林业气象研究工作。E -m a i l :g a o y g 200210y a h o o . c o m . c n
作物的区域适用性进行了成功探索, 这些研究为W O F O S T 模型在区域的进一步应用奠定了基础。
马铃薯气候生产力的计算采用W O F O S T 模型进行。由于黑龙江省面积较大、地形复杂, 各地气候资源差异较大, 各地马铃薯栽培熟型具有差异。其中大兴安岭地区和黑河地区北部边缘是冷凉区域, 为早熟品种分布区; 松嫩平原和三江平原地区热量资源丰富, 为晚熟品种分布区; 其它地区为中熟或中晚熟品种分布区, 各地
[14]
马铃薯熟型分布见图1a 。根据叶修祺等人的研究, 马铃薯种薯通过休眠后, 当日平均气温稳定通过5～7℃,为马铃薯适播期, 土壤温度6～7℃时即可发芽。因
此, 本文采用日平均气温稳定通过6℃的日期为马铃薯
的适播期, 各地适播期如图1b 所示。根据克山、克东、嫩江、拜泉、铁力和宁安等县1985-2004年马铃薯的生育期资料和同期逐日气象资料, 对W O F O S T 模型中马铃薯主要生育阶段(播种-出苗、出苗-开花、开花-成熟) 的有效积温进行统计, 并计算黑龙江省马铃薯三个熟型分布区三个主要生育阶段的有效积温参数平均值见表1, 其它生物学参数(光合作用、呼吸作用、干物质
[15]
积累和转化等) 仍采用W O F O S T 模型中的原参数。利用各网格点近30a 气象资料的逐日平均值模拟各网格点马铃薯的平均气候生产力
。
(a ) 马铃薯熟型分布区(b ) 马铃薯适播期分布(日/月)
图1 黑龙江省马铃薯熟型和适播期的空间分布
表1 WOF O S T 模型中马铃薯不同熟型三个主
要生育阶段的有效积温平均值(℃·d )
参 数
T S U M E M 早
定 义
早熟品种播种-出苗的有效积温
取值170. 0200. 0230. 0150. 0180. 0210. 01450. 01650. 01850. 0
生物学参数随相应品种的变化, 而马铃薯年际间的品种及模式中相应各品种生物学参数不易获得, 因而以1975-2004年黑龙江省各县马铃薯的实际产量数据代替年际气候生产力数据, 并剔除由于科技进步而引起的趋势产量变化, 马铃薯气候生产力的变异系数公式
[16]
T S U M E M 出苗的有效积温中或中晚中熟或中晚熟品种播种-T S U M E M 晚T S U M 1早T S U M 1中或中晚T S U M 1晚T S U M 2早T S U M 2中或中晚T S U M 2晚
晚熟品种播种-出苗的有效积温早熟品种出苗-开花的有效积温
中熟或中晚熟品种出苗-开花的有效积温晚熟品种出苗-开花的有效积温早熟品种开花-成熟的有效积温
中熟或中晚熟品种开花-成熟的有效积温晚熟品种开花-成熟的有效积温
为:
n
2
i =1
i
n
2
i =1
i
C V n [y
y -y ) -∑(y ′-y ) ) ×∑(
1/2
]×100%n -1
式中, C V y n 为气候产量变异系数; i 为每年的实际产量; y 为历年平均产量; y ′为由科技进步影响每年的趋势产
量。各地趋势产量可利用实际产量时间序列数据、采用最小二乘法拟合线性方程计算。
2. 2 气候生产力变异系数的计算
气候生产力变异系数在一定程度上反映所研究区域作物生产力随年际气候条件的波动而出现的变化状况
[16]
3 结果与分析
3. 1 气候生产力的空间分布特征
黑龙江省马铃薯模拟气候生产力的平均值为11580
-2
k g h m , 该平均值与报道的多年平均产量(11960k g h m ) 相近。气候生产力距平百分率是指某地气候生产力的距平值(某地气候生产力与全省平均气候生产
-2
[17]
。计算各地马铃薯气候生产力的变异系数, 目的
是分析各地马铃薯年际气候生产力波动状况, 评价各地马铃薯生产的风险程度。由于模拟各地各年马铃薯的气候生产力必须考虑年际间的品种差异及模式中作物
力之差) 与全省平均气候生产力比值的百分数, 以评价
某地气候生产力水平的高低。黑龙江省马铃薯气候生产力距平百分率的空间分布见图2。由图2可见, 黑龙江省马铃薯气候生产力的总体趋势为:在黑龙江省西部和中部, 气候生产力由东北向西南递减; 在黑龙江东部, 气候生产力由北向南递增。其中北部地区和南部的牡丹江地区气候生产力较高, 东部的三江平原及邻近地区气候生产力次之, 西部的松嫩平原及平原临近地区气候生产力较低。马铃薯气候生产力的正距平区主要分布于北部的大兴安岭地区、黑河地区、伊春地区和南部的牡丹江地区; 其它地区为负距平分布区
。
生产力较高值区域。
在负距平分布区中, 松嫩平原西部的齐齐哈尔市和大庆地区是马铃薯气候生产力的低值区域; 齐齐哈尔地区的东北部、大庆地区的东部、绥化地区南部、哈尔宾市和三江平原的中北部是马铃薯气候生产力的次低值区域; 三江平原的东部和南部、鹤岗地区、佳木斯地区、双鸭山地区、七台河地区、鸡西地区、齐齐哈尔地区与黑河地区交界区域、绥化地区东部和北部, 这些区域是马铃薯气候生产力的较低值区域。3. 2 影响气候生产力的气候特征分析
马铃薯的主要生育时段为秧苗营养生长期(6月上旬-7月上旬) 、结薯期(7月下旬-8月上旬) 和淀粉积累期(8月中旬-9月上旬) 。在气候生产力的气候影响分析中, 利用285个网格点马铃薯气候生产力距平百分率分别与各主要生育期的平均气温T 、平均最高气温T 平均最低气温T 、气温日较差T m a x 、m i n d 、降水量和日平均日照时数S 等气候要素进行线性相关统计, 统计结果见表2。由表2可见, 气候生产力距平百分率与三个生育期气温因子和日照时数均呈极显著负相关关系, 与气温日较差为极显著正相关关系, 这与马铃薯喜冷凉、短日照和温差大的生长习性
[1]
相一致。气候生产力距平
百分率与秧苗营养生长期和淀粉积累期降水量呈极显著正相关关系, 说明营养生长期降水量适当增加可使秧苗生长茂盛, 光合能力增强, 对后期产量形成有利; 淀粉积累期降水量的适当增加有利于提高植株的光合能力、
图2 马铃薯气候生产力距平百分率的空间分布
干物质的输送和薯块的淀粉积累。
以平均气温和气温日较差在三个主要生育期的平均值为气温特征值, 以与气候生产力关系密切的秧苗营养生长期与淀粉积累期降水量之和为降水量特征值, 以三个主要生育期日照时数的日平均值为日照时数特征值, 得到影响马铃薯气候生产力的气候要素特征值空间分布(图3) 。
在正距平分布区中, 马铃薯气候生产力高值区域主要分布于大兴安岭地区南部和伊春地区北部的局部区
域; 大兴安岭地区北部、黑河地区中部、伊春地区中南部、牡丹江地区中部和南部为马铃薯气候生产力次高值区域; 大兴安岭地区东部、黑河地区北部和南部、绥化地区东部局部区域和牡丹江北部局部区域为马铃薯气候
表2 气候生产力距平百分率与生育期气象要素线性相关统计表(n=285)
生育期
秧苗营养生长期结薯期淀粉积累期
平均气温
＊
-0. 9331＊＊-0. 8929＊＊-0. 8387＊
最高气温-0. 9166＊＊-0. 9137＊＊-0. 8560＊＊
最低气温
＊
-0. 8932＊＊-0. 8631＊＊-0. 8151＊
气温日较差0. 6488＊＊0. 7076＊＊0. 6639＊＊
降水量
＊
0. 4378＊
日照时数-0. 4386＊＊-0. 5298＊＊-0. 7305＊＊
0. 0947
＊0. 2700＊
＊＊表示通过a 注:=0. 01的极显著检验。
黑龙江省最北部大兴安岭地区是马铃薯早熟品种
较重要栽培区。由图3可见, 该区马铃薯全生育期的平均气温低, 气温日较差大, 日平均日照时数相对较低, 营养生长期和淀粉积累期的降水量相对较低, 但该区7月上旬-8月中旬平均气温(17. 8℃)、气温日较差(13. 2℃)和降水量(163. 6m m ) 条件满足早熟型马铃薯
结薯与淀粉积累的需要, 该区的气候条件对早熟马铃薯
生长较为有利。
中熟或中晚熟品种分布区是马铃薯重要栽培区, 该区主要包括黑河地区、伊春地区、鹤岗地区、绥化地区、哈尔滨地区东部和齐齐哈尔地区北部。由图1a 和图3可见, 在中熟或中晚熟品种分布区中, 生育期的平均气温由
图3 影响马铃薯气候生产力的气候要素特征值空间分布
东北向西南呈带状递增, 气温日较差由东北向西南呈带状递减。日照时数也基本由东北向西南呈带状递增, 但西北部的日照时数高于东部。该区中秧苗营养生长期与淀粉积累期降水量的分布趋势由北向南、由东向西递减。
晚熟品种区主要分布于松嫩平原西南部的齐齐哈尔市和大庆地区、黑龙江东部的三江平原地区、佳木斯、双鸭山、七台河、鸡西、牡丹江地区。松嫩平原西南部的齐齐哈尔市和大庆地区全生育期的平均气温基本处于20. 0～22. 0℃;东部晚熟区生育期的平均气温趋势由北向南递减, 三江平原地区和佳木斯生育期的平均气温为20. 0～21. 0℃,但七台河、鸡西和牡丹江地区平均气温为18. 0～20. 0℃,是平均气温适宜马铃薯生长的区域。气温日较差以三江平原地区、佳木斯、双鸭山、七台河和齐齐哈尔南部的局部为最小, 仅8. 8～10. 4℃;齐齐哈尔大部、鸡西和牡丹江地区气温日较差相对较高。日平均日照时数以齐齐哈尔市和大庆地区最高, 三江平原地区、佳木斯、双鸭山、七台河、鸡西和牡丹江地区日照时
数较低。秧苗营养生长期与淀粉积累期降水量的分布,
以齐齐哈尔市和大庆地区最少, 三江平原地区、佳木斯、双鸭山、七台河和鸡西地区降水量较少, 牡丹江地区降水量较多。在晚熟品种分布区中, 以牡丹江地区的气候条件对马铃薯的生长较为有利。
3. 3 气候生产力变异系数的空间分布特征
马铃薯气候生产力的变异系数可初步分为:稳产区(C V . 0%)、较稳产区(20. 0%分布特征见图4。由图可见, 黑龙江省南部的哈尔滨地区、牡丹江地区和鸡西地区是马铃薯气候生产力的稳产区域; 松嫩平原的齐齐哈尔地区、大庆地区、绥化地区、黑河地区和鹤岗地区是马铃薯气候生产力的较稳产区域; 大兴安岭地区、伊春地区、佳木斯地区、双鸭山地区、七台河地区和三江平原地区是马铃薯气候生产力的非稳产区域。3. 4 马铃薯栽培的气候区划
以马铃薯气候生产力的距平百分率(X 、气候生产1)
力的变异系数(X 、生育期的平均气温(X 和气温日2) 3)
较差(X 、生育期的日平均日照时数(X 、秧苗营养生4) 5) 长期与淀粉积累期降水量(X 6个变量为聚类分析因6) 子, 利用D P S 软件分析工具, 采用动态聚类分析方法, 对
黑龙江省285个网格点的6个变量因子进行聚类, 初步
将黑龙江省马铃薯可能种植区划分为9类气候栽培区, 9类气候栽培区的空间分布见图5, 9类气候栽培区分类因子的平均值见表3
。
图4 马铃薯气候生产力变异系数的空间分布
图5 马铃薯9类气候栽培区的空间分布
表3 9类气候栽培区分类因子的平均值
类别123456789
气候栽培区高产非稳产区较高产非稳产区较高产较稳产区较高产稳产区中产较稳产区中产稳产区较低产非稳产区较低产较稳产区低产较稳产区
X %)1(12. 27. 47. 39. 6-0. 9-0. 2-6. 3-7. 8-13. 2
X %)2(39. 337. 528. 015. 727. 116. 034. 126. 623. 6
X ℃)3(14. 816. 817. 418. 519. 019. 920. 320. 421. 4
X ℃)4(13. 913. 112. 511. 111. 310. 89. 710. 910. 7
-1
X h ·d ) 5(
X m m ) 6(218. 9224. 8239. 1225. 5222. 1231. 7213. 7210. 9187. 2
7. 17. 27. 77. 27. 67. 57. 28. 18. 4
(1) 马铃薯高产非稳产区。此区包括大兴安岭地区所属各市县, 处于寒冷农业气候带, 以种植早熟品种为宜。马铃薯生育期平均气温、日照时数和降水量低, 但气温日较差大, 光温条件能满足马铃薯早熟品种的需要, 特别是气温日较差较大对马铃薯薯块膨大和淀粉积累十分有利, 故此区马铃薯气候生产力很高, 气候生产力距平百分率在12. 2%左右。但此区由于马铃薯生长期极端最低气温很低, 可能遭受冻害或冷害的影响, 气候生产力变异系数在39. 3%左右, 很不稳定。
(2) 马铃薯较高产非稳产区。此区包括小兴安岭伊春市所属各市县、鹤岗市的北部和黑河地区的逊克县东南部, 气候冷凉、湿润, 气候条件以种植中熟品种为宜。该区平均气温和日照时数较低, 但气温日较差和降水量较大, 有利于马铃薯的生长, 气候生产力距平百分率在
7. 4%左右, 气候生产力较高。但该区气候生产力的变异系数在37. 5%左右, 很不稳定。
(3) 马铃薯较高产较稳产区。此区包括黑河地区北部。气候冷凉、湿润, 气候条件以种植中熟品种为宜。气候生产力较高, 距平百分率在7. 3%左右; 变异系数在28. 0%左右, 气候生产力较稳定。
(4) 马铃薯较高产稳产区。此区包括牡丹江地区和鸡西地区东南部, 气候条件以种植晚熟品种为宜。此区气温适宜、湿润, 平均气温在18. 5℃左右, 气温日较差较大, 降水量和日照时数较好, 气候条件适宜马铃薯晚熟品种的生长, 气候生产力距平百分率在9. 6%左右, 气候生产力较高; 气候生产力变异系数在15. 7%左右, 稳定。
(5) 马铃薯中产较稳产区。此区包括黑河地区南部、鸡西地区东部及黑河地区北部的沿黑龙江边缘地
带, 气候条件以种植中熟和中晚熟品种为宜。此区气候条件较适宜马铃薯的生长, 气候生产力距平百分率在-0. 9%左右, 气候生产力居中; 气候生产力变异系数在27. 1%左右, 比较稳定。(6) 马铃薯中产稳产区。此区包括哈尔滨地区东部和绥化地区东部, 气候条件以种植中熟和中晚熟品种为宜。此区气温较高、气温日较差较小, 不利于薯块膨大和淀粉积累, 但马铃薯生育期降水量和日照条件较好, 气候生产力距平百分率在-0. 2%左右, 气候生产力居中; 气候生产力变异系数在16. 0%左右, 稳定。(7) 马铃薯较低产非稳产区。此区包括三江平原地
区、佳木斯地区、双鸭山地区和七台河地区, 气候条件以种植晚熟品种为宜。此区虽气候较湿润, 但气温较高、气温日较差小, 不利于薯块膨大和淀粉积累, 气候生产力距平百分率在-6. 3%左右, 气候生产力较低; 气候生产力变异系数较大, 在34. 1%左右, 不稳定。
(8) 马铃薯较低产稳产区。此区包括齐齐哈尔地区北部和绥化地区(绥化地区东部除外) , 气候条件以种植中熟和中晚熟品种为宜。此区气温较高、气温日较差较小、降水量较少, 不利于马铃薯气候生产力的形成, 气候生产力距平百分率在-7. 8%左右, 气候生产力较低; 气候生产力变异系数为26. 6%左右, 比较稳定。
(9) 马铃薯低产较稳产区。此区包括齐齐哈尔地区南部和大庆地区, 气候条件以种植晚熟品种为宜。气温高、气温日较差小、降水量少, 气候较干旱, 气候生产力距平百分率在-13. 2%左右, 是马铃薯气候生产力最低的区域; 气候生产力变异系数为23. 6%左右, 比较稳定。
吸作用、干物质积累和转化等参数) 均采用原模型中的
参数, 这可能为气候生产力的模拟精度带来一些误差, 但在马铃薯气候生产力特征分析及适宜气候栽培区域划分的应用上, 与黑龙江省实际情况基本相符。因此, 进一步的研究应从同一熟型区域不同栽培品种不同参数的精准化角度模拟马铃薯气候生产力的状况并进行适宜气候栽培区域划分, 为马铃薯栽培的精准化气候应用水平提供精准的依据。参考文献:
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[13]李秀芬, 王育光, 季生态, 等. 作物长势监测系统(C G M S ) 在
黑龙江省的应用[J ]. 中国农业气象, 2005, 26(3) :155-157. [14]叶修祺, 罗继春. 马铃薯玉米立体种植的小气候效应[J ]. 中
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[15]v a nD i e p e nC A . D e l i v e r yC G M Sv e r s i o n 5. 1[M ]. M a t t h e c k :
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社, 2000:76-79.
[17]中国作物学会马铃薯专业委员会主办. 中国马铃薯统计
[E B /OL ]. (2001-11-15) [2006-08-04]h t t p ://ww w . c a a s . n e t . c n /ca s t /SI N O P O T A T O /st a t i s t i c s /2001. h t m
4 结论与讨论
1) 在黑龙江省西部和中部, 马铃薯气候生产力趋势为由东北向西南递减, 在黑龙江东部, 气候生产力趋势为由北向南递增; 气候主要影响因素的分布对马铃薯气
候生产力的分布具有重要影响; 马铃薯气候生产力变异系数可划分为稳产区域、较稳产区域和非稳产区域; 马铃薯的种植区域可初步划分为9类气候栽培区。2) 采用数值模拟方法模拟马铃薯气候生产力, 不仅
[1-3]
是对前人采用气候统计等研究方法的重要补充, 而且也为马铃薯的产量预测方法提供了借鉴作用。3) 利用马铃薯气候生产力和变异系数分布特征, 并结合主要气候影响因素指标, 提出了马铃薯各熟型品种的适宜气候栽培区域, 既丰富了马铃薯区划方法, 又对黑龙江省马铃薯的生产、规划和决策提供了科学的论据和参考。
4) 在利用WO F O S T 模型模拟马铃薯气候生产力上, 除三个熟型品种三个主要生育阶段有效积温参数为实际统计数据外, 模型中其它生物学参数(光合作用、呼
中国农业气象(C h i n e s e J o u r n a l o f A g r o m e t e o r o l o g y ) 2007, 28(3) :275-280
＊
黑龙江省马铃薯气候生产力特征及区划
高永刚, 那济海, 顾 红, 温秀卿, 于英楠, 刘 丹
(黑龙江省气象科学研究所, 哈尔滨 150030)
摘要:利用黑龙江省81个气象站1975-2004年30a 的逐日气象资料及相应插值的网格同期逐日气象资料, 采用WO F O S T 作物生长模型, 模拟并分析了马铃薯气候生产力的空间分布特征, 同时分析了各地气候生产力影响因素及分布特征; 利用气候生产力的距平百分率、变异系数及与气候生产力密切相关的有关生育期的4个气候因子(平均气温、气温日较差、日平均日照时数、降水量) , 采用动态聚类分析方法, 将黑龙江省马铃薯可能种植区初步划分为9类气候栽培区, 为充分利用当地气候资源发展马铃薯生产提供参考。关键词:马铃薯; WO F O S T 模型; 气候生产力; 特征; 变异系数; 区划
C h a r a c t e r i s t i c s a n dC o m p a r t m e n t o f P o t e n t i a l C l i m a t i c P r o d u c t i v i t y o f P o t a t o (S o l a n u mt u b e r o s u m L . )i nH e i l o n g j i a n g P r o v i n c e
G A O Y o n g -g a n g , N AJ i -h a i , G UH o n g , WE NX i u -q i n g , Y UY i n g -n a n , L I UD a n
(I n s t i t u t e o f M e t e o r o l o g i c a l S c i e n c e o f H e i l o n g j i a n g P r o v i n c e , H a e r b i n 150030, C h i n a )
A b s t r a c t :Ba s e d o n t h e o b s e r v a t i o n a l d a i l y m e t e o r o l o g i c a l d a t a o f 81s t a t i o n s f r o m 1975t o 2004a n d i t s i n t e r p o l a t e d d a i l y m e t e o r o l o g i c a l g r i d s d a -t a a t t h e s a m e t i m e i nH e i l o n g j i a n g P r o v i n c e , t h e s p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p o t e n t i a l c l i m a t i cp r o d u c t i v i t y o f p o t a t o (S o l a n u m t u b e r o s u m L . ) w a s s i m u l a t e db y u s i n g WO F O S Tc r o pg r o w t hm o d e l .T h e c l i m a t ef a c t o r s w h i c ha f f e c t e dt h ep o t e n t i a l c l i m a t i cp r o d u c t i v i t yo f p o t a t ow e r e a n a -l y z e d .A c c o r d i n gt o t h e v a r i a t i o n r a t e a n dc o e f f i c i e n t o f t h e p o t e n t i a l c l i m a t i c p r o d u c t i v i t y , a n d f o u r c l i m a t i c f a c t o r s s u c ha s a v e r a g e t e m p e r a t u r e , d a i l y t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n m a x i m u ma n d m i n i m u m , d a i l y a v e r a g e s u n s h i n e h o u r s a n d p r e c i p i t a t i o n , t h e p o s s i b l e p l a n t i n g a r e a s o f p o t a t o w e r ep r i m a r i l y d i v i d e d i n t o n i n e z o n e s .
K e yw o r d s :P o t a t o (S o l a n u mt u b e r o s u mL . ) ; WO F O S Tm o d e l ;P o t e n t i a l c l i m a t i c p r o d u c t i v i t y ;C h a r a c t e r i s t i c ;V a r i a t i o n c o e f f i c i e n t ; C o m p a r t -m e n t
马铃薯(S o l a n u mt u b e r o s u m L . ) 原产于南美州的秘鲁和玻利维亚的安第斯山区, 属低纬度高山高产作物。
长期引种适应的结果形成马铃薯喜冷凉、短日照和温差大的生长习性
[1]
研究所利用同期81个气象站30a 逐日气象资料插值的网格(50k m×50k m ) 逐日气象资料, 具体包括平均气温、平均最高气温、平均最低气温、降水量、相对湿度、日照时数、平均风速, 采用S u p i t 公式
[9]
, 目前马铃薯已成为世界5大粮食作物计算的地面日辐射
之一。黑龙江省地处中高纬度, 是全国热量资源最少的
省份之一。但黑龙江省作物生长季气候温凉、日较差较大, 是马铃薯适宜生长且不易退化的较理想栽培区域。一些相关研究从气候统计
[4-8]
[1-3]
量; 以计算的各网格点30a 上述气象资料的逐日平均值
作为近30a 各网格点的平均气候资料。
马铃薯产量(单产) 资料来源于黑龙江省统计局整编的1975-2004年30a 各县的单产资料, 马铃薯生育期资料来源于黑龙江省克山、克东、嫩江、拜泉、铁力和宁安等县1985-2004年观测资料。
和栽培管理及繁育技
术等角度讨论了马铃薯产量及生产状况, 对黑龙江省马铃薯的生产起到了借鉴及指导作用。本文利用马铃薯气候生产力数值模拟方法, 并结合主要气候影响因素指标及气候生产力变异系数, 进行黑龙江省马铃薯适宜种植区域划分, 为充分利用黑龙江省气候资源优势, 发展马铃薯生产提供参考。
2 研究方法
2. 1 气候生产力的计算
W O F O S T 模型起源于世界粮食研究中心(C W F S ) 组织的多学科综合的世界粮食潜在产量的研究项目, 由荷兰瓦赫宁根大学开发, 它是一个根据气象和土壤条件模
1 数据来源
黑龙江省的面积为45. 6万k m , 包括81个气象观测站点。气象数据为黑龙江省气象局整编81个气象站1975-2004年30a 的逐日气象资料、黑龙江省气象科学
＊收稿日期:2006-09-10
2
拟作物根、茎、叶、穗生物量及土壤水分动态的模型, 该模型可对多种粮食作物的生长过程和气候生产力进行模拟。一些相关研究
[10-13]
对W O F O S T 模型对主要粮食
基金项目:黑龙江省气象局项目“黑龙江省生态与农业气象监测预警评估服务系统”(2006 09) 作者简介:高永刚(1967-) , 黑龙江汤原人, 副研究员, 硕士, 主要从事农业和林业气象研究工作。E -m a i l :g a o y g 200210y a h o o . c o m . c n
作物的区域适用性进行了成功探索, 这些研究为W O F O S T 模型在区域的进一步应用奠定了基础。
马铃薯气候生产力的计算采用W O F O S T 模型进行。由于黑龙江省面积较大、地形复杂, 各地气候资源差异较大, 各地马铃薯栽培熟型具有差异。其中大兴安岭地区和黑河地区北部边缘是冷凉区域, 为早熟品种分布区; 松嫩平原和三江平原地区热量资源丰富, 为晚熟品种分布区; 其它地区为中熟或中晚熟品种分布区, 各地
[14]
马铃薯熟型分布见图1a 。根据叶修祺等人的研究, 马铃薯种薯通过休眠后, 当日平均气温稳定通过5～7℃,为马铃薯适播期, 土壤温度6～7℃时即可发芽。因
此, 本文采用日平均气温稳定通过6℃的日期为马铃薯
的适播期, 各地适播期如图1b 所示。根据克山、克东、嫩江、拜泉、铁力和宁安等县1985-2004年马铃薯的生育期资料和同期逐日气象资料, 对W O F O S T 模型中马铃薯主要生育阶段(播种-出苗、出苗-开花、开花-成熟) 的有效积温进行统计, 并计算黑龙江省马铃薯三个熟型分布区三个主要生育阶段的有效积温参数平均值见表1, 其它生物学参数(光合作用、呼吸作用、干物质
[15]
积累和转化等) 仍采用W O F O S T 模型中的原参数。利用各网格点近30a 气象资料的逐日平均值模拟各网格点马铃薯的平均气候生产力
。
(a ) 马铃薯熟型分布区(b ) 马铃薯适播期分布(日/月)
图1 黑龙江省马铃薯熟型和适播期的空间分布
表1 WOF O S T 模型中马铃薯不同熟型三个主
要生育阶段的有效积温平均值(℃·d )
参 数
T S U M E M 早
定 义
早熟品种播种-出苗的有效积温
取值170. 0200. 0230. 0150. 0180. 0210. 01450. 01650. 01850. 0
生物学参数随相应品种的变化, 而马铃薯年际间的品种及模式中相应各品种生物学参数不易获得, 因而以1975-2004年黑龙江省各县马铃薯的实际产量数据代替年际气候生产力数据, 并剔除由于科技进步而引起的趋势产量变化, 马铃薯气候生产力的变异系数公式
[16]
T S U M E M 出苗的有效积温中或中晚中熟或中晚熟品种播种-T S U M E M 晚T S U M 1早T S U M 1中或中晚T S U M 1晚T S U M 2早T S U M 2中或中晚T S U M 2晚
晚熟品种播种-出苗的有效积温早熟品种出苗-开花的有效积温
中熟或中晚熟品种出苗-开花的有效积温晚熟品种出苗-开花的有效积温早熟品种开花-成熟的有效积温
中熟或中晚熟品种开花-成熟的有效积温晚熟品种开花-成熟的有效积温
为:
n
2
i =1
i
n
2
i =1
i
C V n [y
y -y ) -∑(y ′-y ) ) ×∑(
1/2
]×100%n -1
式中, C V y n 为气候产量变异系数; i 为每年的实际产量; y 为历年平均产量; y ′为由科技进步影响每年的趋势产
量。各地趋势产量可利用实际产量时间序列数据、采用最小二乘法拟合线性方程计算。
2. 2 气候生产力变异系数的计算
气候生产力变异系数在一定程度上反映所研究区域作物生产力随年际气候条件的波动而出现的变化状况
[16]
3 结果与分析
3. 1 气候生产力的空间分布特征
黑龙江省马铃薯模拟气候生产力的平均值为11580
-2
k g h m , 该平均值与报道的多年平均产量(11960k g h m ) 相近。气候生产力距平百分率是指某地气候生产力的距平值(某地气候生产力与全省平均气候生产
-2
[17]
。计算各地马铃薯气候生产力的变异系数, 目的
是分析各地马铃薯年际气候生产力波动状况, 评价各地马铃薯生产的风险程度。由于模拟各地各年马铃薯的气候生产力必须考虑年际间的品种差异及模式中作物
力之差) 与全省平均气候生产力比值的百分数, 以评价
某地气候生产力水平的高低。黑龙江省马铃薯气候生产力距平百分率的空间分布见图2。由图2可见, 黑龙江省马铃薯气候生产力的总体趋势为:在黑龙江省西部和中部, 气候生产力由东北向西南递减; 在黑龙江东部, 气候生产力由北向南递增。其中北部地区和南部的牡丹江地区气候生产力较高, 东部的三江平原及邻近地区气候生产力次之, 西部的松嫩平原及平原临近地区气候生产力较低。马铃薯气候生产力的正距平区主要分布于北部的大兴安岭地区、黑河地区、伊春地区和南部的牡丹江地区; 其它地区为负距平分布区
。
生产力较高值区域。
在负距平分布区中, 松嫩平原西部的齐齐哈尔市和大庆地区是马铃薯气候生产力的低值区域; 齐齐哈尔地区的东北部、大庆地区的东部、绥化地区南部、哈尔宾市和三江平原的中北部是马铃薯气候生产力的次低值区域; 三江平原的东部和南部、鹤岗地区、佳木斯地区、双鸭山地区、七台河地区、鸡西地区、齐齐哈尔地区与黑河地区交界区域、绥化地区东部和北部, 这些区域是马铃薯气候生产力的较低值区域。3. 2 影响气候生产力的气候特征分析
马铃薯的主要生育时段为秧苗营养生长期(6月上旬-7月上旬) 、结薯期(7月下旬-8月上旬) 和淀粉积累期(8月中旬-9月上旬) 。在气候生产力的气候影响分析中, 利用285个网格点马铃薯气候生产力距平百分率分别与各主要生育期的平均气温T 、平均最高气温T 平均最低气温T 、气温日较差T m a x 、m i n d 、降水量和日平均日照时数S 等气候要素进行线性相关统计, 统计结果见表2。由表2可见, 气候生产力距平百分率与三个生育期气温因子和日照时数均呈极显著负相关关系, 与气温日较差为极显著正相关关系, 这与马铃薯喜冷凉、短日照和温差大的生长习性
[1]
相一致。气候生产力距平
百分率与秧苗营养生长期和淀粉积累期降水量呈极显著正相关关系, 说明营养生长期降水量适当增加可使秧苗生长茂盛, 光合能力增强, 对后期产量形成有利; 淀粉积累期降水量的适当增加有利于提高植株的光合能力、
图2 马铃薯气候生产力距平百分率的空间分布
干物质的输送和薯块的淀粉积累。
以平均气温和气温日较差在三个主要生育期的平均值为气温特征值, 以与气候生产力关系密切的秧苗营养生长期与淀粉积累期降水量之和为降水量特征值, 以三个主要生育期日照时数的日平均值为日照时数特征值, 得到影响马铃薯气候生产力的气候要素特征值空间分布(图3) 。
在正距平分布区中, 马铃薯气候生产力高值区域主要分布于大兴安岭地区南部和伊春地区北部的局部区
域; 大兴安岭地区北部、黑河地区中部、伊春地区中南部、牡丹江地区中部和南部为马铃薯气候生产力次高值区域; 大兴安岭地区东部、黑河地区北部和南部、绥化地区东部局部区域和牡丹江北部局部区域为马铃薯气候
表2 气候生产力距平百分率与生育期气象要素线性相关统计表(n=285)
生育期
秧苗营养生长期结薯期淀粉积累期
平均气温
＊
-0. 9331＊＊-0. 8929＊＊-0. 8387＊
最高气温-0. 9166＊＊-0. 9137＊＊-0. 8560＊＊
最低气温
＊
-0. 8932＊＊-0. 8631＊＊-0. 8151＊
气温日较差0. 6488＊＊0. 7076＊＊0. 6639＊＊
降水量
＊
0. 4378＊
日照时数-0. 4386＊＊-0. 5298＊＊-0. 7305＊＊
0. 0947
＊0. 2700＊
＊＊表示通过a 注:=0. 01的极显著检验。
黑龙江省最北部大兴安岭地区是马铃薯早熟品种
较重要栽培区。由图3可见, 该区马铃薯全生育期的平均气温低, 气温日较差大, 日平均日照时数相对较低, 营养生长期和淀粉积累期的降水量相对较低, 但该区7月上旬-8月中旬平均气温(17. 8℃)、气温日较差(13. 2℃)和降水量(163. 6m m ) 条件满足早熟型马铃薯
结薯与淀粉积累的需要, 该区的气候条件对早熟马铃薯
生长较为有利。
中熟或中晚熟品种分布区是马铃薯重要栽培区, 该区主要包括黑河地区、伊春地区、鹤岗地区、绥化地区、哈尔滨地区东部和齐齐哈尔地区北部。由图1a 和图3可见, 在中熟或中晚熟品种分布区中, 生育期的平均气温由
图3 影响马铃薯气候生产力的气候要素特征值空间分布
东北向西南呈带状递增, 气温日较差由东北向西南呈带状递减。日照时数也基本由东北向西南呈带状递增, 但西北部的日照时数高于东部。该区中秧苗营养生长期与淀粉积累期降水量的分布趋势由北向南、由东向西递减。
晚熟品种区主要分布于松嫩平原西南部的齐齐哈尔市和大庆地区、黑龙江东部的三江平原地区、佳木斯、双鸭山、七台河、鸡西、牡丹江地区。松嫩平原西南部的齐齐哈尔市和大庆地区全生育期的平均气温基本处于20. 0～22. 0℃;东部晚熟区生育期的平均气温趋势由北向南递减, 三江平原地区和佳木斯生育期的平均气温为20. 0～21. 0℃,但七台河、鸡西和牡丹江地区平均气温为18. 0～20. 0℃,是平均气温适宜马铃薯生长的区域。气温日较差以三江平原地区、佳木斯、双鸭山、七台河和齐齐哈尔南部的局部为最小, 仅8. 8～10. 4℃;齐齐哈尔大部、鸡西和牡丹江地区气温日较差相对较高。日平均日照时数以齐齐哈尔市和大庆地区最高, 三江平原地区、佳木斯、双鸭山、七台河、鸡西和牡丹江地区日照时
数较低。秧苗营养生长期与淀粉积累期降水量的分布,
以齐齐哈尔市和大庆地区最少, 三江平原地区、佳木斯、双鸭山、七台河和鸡西地区降水量较少, 牡丹江地区降水量较多。在晚熟品种分布区中, 以牡丹江地区的气候条件对马铃薯的生长较为有利。
3. 3 气候生产力变异系数的空间分布特征
马铃薯气候生产力的变异系数可初步分为:稳产区(C V . 0%)、较稳产区(20. 0%分布特征见图4。由图可见, 黑龙江省南部的哈尔滨地区、牡丹江地区和鸡西地区是马铃薯气候生产力的稳产区域; 松嫩平原的齐齐哈尔地区、大庆地区、绥化地区、黑河地区和鹤岗地区是马铃薯气候生产力的较稳产区域; 大兴安岭地区、伊春地区、佳木斯地区、双鸭山地区、七台河地区和三江平原地区是马铃薯气候生产力的非稳产区域。3. 4 马铃薯栽培的气候区划
以马铃薯气候生产力的距平百分率(X 、气候生产1)
力的变异系数(X 、生育期的平均气温(X 和气温日2) 3)
较差(X 、生育期的日平均日照时数(X 、秧苗营养生4) 5) 长期与淀粉积累期降水量(X 6个变量为聚类分析因6) 子, 利用D P S 软件分析工具, 采用动态聚类分析方法, 对
黑龙江省285个网格点的6个变量因子进行聚类, 初步
将黑龙江省马铃薯可能种植区划分为9类气候栽培区, 9类气候栽培区的空间分布见图5, 9类气候栽培区分类因子的平均值见表3
。
图4 马铃薯气候生产力变异系数的空间分布
图5 马铃薯9类气候栽培区的空间分布
表3 9类气候栽培区分类因子的平均值
类别123456789
气候栽培区高产非稳产区较高产非稳产区较高产较稳产区较高产稳产区中产较稳产区中产稳产区较低产非稳产区较低产较稳产区低产较稳产区
X %)1(12. 27. 47. 39. 6-0. 9-0. 2-6. 3-7. 8-13. 2
X %)2(39. 337. 528. 015. 727. 116. 034. 126. 623. 6
X ℃)3(14. 816. 817. 418. 519. 019. 920. 320. 421. 4
X ℃)4(13. 913. 112. 511. 111. 310. 89. 710. 910. 7
-1
X h ·d ) 5(
X m m ) 6(218. 9224. 8239. 1225. 5222. 1231. 7213. 7210. 9187. 2
7. 17. 27. 77. 27. 67. 57. 28. 18. 4
(1) 马铃薯高产非稳产区。此区包括大兴安岭地区所属各市县, 处于寒冷农业气候带, 以种植早熟品种为宜。马铃薯生育期平均气温、日照时数和降水量低, 但气温日较差大, 光温条件能满足马铃薯早熟品种的需要, 特别是气温日较差较大对马铃薯薯块膨大和淀粉积累十分有利, 故此区马铃薯气候生产力很高, 气候生产力距平百分率在12. 2%左右。但此区由于马铃薯生长期极端最低气温很低, 可能遭受冻害或冷害的影响, 气候生产力变异系数在39. 3%左右, 很不稳定。
(2) 马铃薯较高产非稳产区。此区包括小兴安岭伊春市所属各市县、鹤岗市的北部和黑河地区的逊克县东南部, 气候冷凉、湿润, 气候条件以种植中熟品种为宜。该区平均气温和日照时数较低, 但气温日较差和降水量较大, 有利于马铃薯的生长, 气候生产力距平百分率在
7. 4%左右, 气候生产力较高。但该区气候生产力的变异系数在37. 5%左右, 很不稳定。
(3) 马铃薯较高产较稳产区。此区包括黑河地区北部。气候冷凉、湿润, 气候条件以种植中熟品种为宜。气候生产力较高, 距平百分率在7. 3%左右; 变异系数在28. 0%左右, 气候生产力较稳定。
(4) 马铃薯较高产稳产区。此区包括牡丹江地区和鸡西地区东南部, 气候条件以种植晚熟品种为宜。此区气温适宜、湿润, 平均气温在18. 5℃左右, 气温日较差较大, 降水量和日照时数较好, 气候条件适宜马铃薯晚熟品种的生长, 气候生产力距平百分率在9. 6%左右, 气候生产力较高; 气候生产力变异系数在15. 7%左右, 稳定。
(5) 马铃薯中产较稳产区。此区包括黑河地区南部、鸡西地区东部及黑河地区北部的沿黑龙江边缘地
带, 气候条件以种植中熟和中晚熟品种为宜。此区气候条件较适宜马铃薯的生长, 气候生产力距平百分率在-0. 9%左右, 气候生产力居中; 气候生产力变异系数在27. 1%左右, 比较稳定。(6) 马铃薯中产稳产区。此区包括哈尔滨地区东部和绥化地区东部, 气候条件以种植中熟和中晚熟品种为宜。此区气温较高、气温日较差较小, 不利于薯块膨大和淀粉积累, 但马铃薯生育期降水量和日照条件较好, 气候生产力距平百分率在-0. 2%左右, 气候生产力居中; 气候生产力变异系数在16. 0%左右, 稳定。(7) 马铃薯较低产非稳产区。此区包括三江平原地
区、佳木斯地区、双鸭山地区和七台河地区, 气候条件以种植晚熟品种为宜。此区虽气候较湿润, 但气温较高、气温日较差小, 不利于薯块膨大和淀粉积累, 气候生产力距平百分率在-6. 3%左右, 气候生产力较低; 气候生产力变异系数较大, 在34. 1%左右, 不稳定。
(8) 马铃薯较低产稳产区。此区包括齐齐哈尔地区北部和绥化地区(绥化地区东部除外) , 气候条件以种植中熟和中晚熟品种为宜。此区气温较高、气温日较差较小、降水量较少, 不利于马铃薯气候生产力的形成, 气候生产力距平百分率在-7. 8%左右, 气候生产力较低; 气候生产力变异系数为26. 6%左右, 比较稳定。
(9) 马铃薯低产较稳产区。此区包括齐齐哈尔地区南部和大庆地区, 气候条件以种植晚熟品种为宜。气温高、气温日较差小、降水量少, 气候较干旱, 气候生产力距平百分率在-13. 2%左右, 是马铃薯气候生产力最低的区域; 气候生产力变异系数为23. 6%左右, 比较稳定。
吸作用、干物质积累和转化等参数) 均采用原模型中的
参数, 这可能为气候生产力的模拟精度带来一些误差, 但在马铃薯气候生产力特征分析及适宜气候栽培区域划分的应用上, 与黑龙江省实际情况基本相符。因此, 进一步的研究应从同一熟型区域不同栽培品种不同参数的精准化角度模拟马铃薯气候生产力的状况并进行适宜气候栽培区域划分, 为马铃薯栽培的精准化气候应用水平提供精准的依据。参考文献:
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4 结论与讨论
1) 在黑龙江省西部和中部, 马铃薯气候生产力趋势为由东北向西南递减, 在黑龙江东部, 气候生产力趋势为由北向南递增; 气候主要影响因素的分布对马铃薯气
候生产力的分布具有重要影响; 马铃薯气候生产力变异系数可划分为稳产区域、较稳产区域和非稳产区域; 马铃薯的种植区域可初步划分为9类气候栽培区。2) 采用数值模拟方法模拟马铃薯气候生产力, 不仅
[1-3]
是对前人采用气候统计等研究方法的重要补充, 而且也为马铃薯的产量预测方法提供了借鉴作用。3) 利用马铃薯气候生产力和变异系数分布特征, 并结合主要气候影响因素指标, 提出了马铃薯各熟型品种的适宜气候栽培区域, 既丰富了马铃薯区划方法, 又对黑龙江省马铃薯的生产、规划和决策提供了科学的论据和参考。
4) 在利用WO F O S T 模型模拟马铃薯气候生产力上, 除三个熟型品种三个主要生育阶段有效积温参数为实际统计数据外, 模型中其它生物学参数(光合作用、呼