1960年以來(lái)河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力估算與種植空間優(yōu)化

高軍波 楚冰洋 閆軍輝 趙國(guó)永

(1.信陽(yáng)師范學(xué)院精準(zhǔn)扶貧與鄉(xiāng)村振興軟科學(xué)研究基地， 信陽(yáng) 464000； 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京 100101)

0 引言

氣候變化是當(dāng)今人們面臨的重要課題之一，它將改變降水與氣溫等氣象因子的空間分布。近年來(lái)全球氣候變暖趨勢(shì)日益明顯，使全球范圍內(nèi)的地表溫度和氣溫都明顯高于以往同期水平，極端氣候事件的強(qiáng)度和頻率也有所加劇，給全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增加了不確定性?，F(xiàn)有成果顯示，隨著氣溫及降水等氣象因素的改變，近幾十年來(lái)全球范圍內(nèi)的玉米產(chǎn)量下降了3.8%，玉米種植邊界明顯北移[1]。氣候生產(chǎn)潛力是指某地區(qū)光照、熱量、水分等要素的質(zhì)量及其相互協(xié)調(diào)程度，當(dāng)作物充分并合理利用當(dāng)?shù)氐墓?、熱、水、氣候資源，且土壤養(yǎng)分等條件最適時(shí)，作物單位面積產(chǎn)量就會(huì)趨向最高值。農(nóng)作物生產(chǎn)潛力最早被發(fā)現(xiàn)與光能利用效率直接相關(guān)[2]，隨后是溫度與水分因素被引入作物生產(chǎn)潛力計(jì)算，農(nóng)作物生產(chǎn)潛力計(jì)算模型得以逐步修正和完善[3-4]。在國(guó)內(nèi)，黃秉維[5]最早于20世紀(jì)50年代就研究了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力與積溫、降水等氣候因素的關(guān)系，在光能生產(chǎn)潛力的計(jì)算上首次提出光合潛力的概念，并對(duì)LOOMIS和WILLIAMS所提出的光合潛力計(jì)算公式進(jìn)行修改，得出了更為簡(jiǎn)便的生產(chǎn)潛力計(jì)算式; 隨后陳明榮等[6]將溫度系數(shù)引入生產(chǎn)潛力估算，至此氣候生產(chǎn)潛力的研究思路基本形成，相關(guān)實(shí)證理論與方法研究也逐步展開[7-8]。逐步訂正法是利用輻射量估算出光合生產(chǎn)潛力，再由溫度、降水量數(shù)據(jù)對(duì)溫度與水分訂正系數(shù)進(jìn)行逐步訂正，從而得出光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的方法，是聯(lián)合國(guó)糧食和農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦使用的氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算方法。劉博等[9]基于逐步訂正法對(duì)東北地區(qū)主要糧食作物進(jìn)行了氣候生產(chǎn)潛力實(shí)證，發(fā)現(xiàn)逐步訂正法貼合氣候變化的全球化背景，能反映作物生產(chǎn)潛力隨輻射、溫度及降水條件變化趨勢(shì)，較具推廣潛力。

河南省是我國(guó)夏播玉米主要種植區(qū)，對(duì)我國(guó)糧食安全起到重要的保障作用，但研究表明，受全球氣候變化等影響，河南省在1970—2010年間，每年平均受災(zāi)面積和成災(zāi)面積分別為3.208 1×106hm2和1.460 7×106hm2，其中主要?dú)庀鬄?zāi)害有旱災(zāi)、澇災(zāi)、風(fēng)雹災(zāi)、低溫災(zāi)等[10]；尤其是2010年后，河南夏玉米產(chǎn)量主要受高溫災(zāi)害影響顯著[11-13]。為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，落實(shí)國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略，本研究擬以河南省為研究區(qū)域，以河南省第一大夏播作物——玉米為研究對(duì)象，采用逐步訂正法和克里金插值縣域氣象數(shù)據(jù)等方式，量化研究1960—2015年河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力時(shí)空演變，并引導(dǎo)玉米種植空間優(yōu)化，以期為河南省縣域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

河南省地處我國(guó)中部，屬暖溫帶-亞熱帶、濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，土壤肥沃，水熱同期，平原廣布，是我國(guó)重要糧食產(chǎn)區(qū)。河南省的玉米播種面積、產(chǎn)量在全國(guó)地位突出。如圖1所示，在播種面積上，近20年來(lái)河南省玉米種植面積持續(xù)增大，由1998年2.153×106hm2增加至2016年的3.344×106hm2。在總產(chǎn)量上，由于受到氣候變化影響，農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中災(zāi)害發(fā)生頻次呈增加趨勢(shì)。2003年由于玉米生長(zhǎng)期間出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)低溫寡照天氣，造成大量玉米發(fā)育不完全或畸形發(fā)育，平均單產(chǎn)下降到3 211 kg/hm2，隨后進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。但是，2011年和2012年河南西北部地區(qū)在玉米生長(zhǎng)期高溫風(fēng)險(xiǎn)突出[11]；2013年河南省平頂山市、信陽(yáng)市等地是高溫?zé)岷Φ闹貫?zāi)區(qū)，熱害強(qiáng)度達(dá)百年一遇，同時(shí)局部地區(qū)伴有玉米螟蟲害的發(fā)生[12]；2014年河南省部分地區(qū)夏玉米種植發(fā)生了極端干旱事件[13]，上述氣候?yàn)?zāi)害和突發(fā)性極端事件，都導(dǎo)致了玉米的嚴(yán)重減產(chǎn)，對(duì)玉米的單產(chǎn)和總產(chǎn)量造成了較為嚴(yán)重的沖擊。

圖1 1998—2016年河南省玉米總產(chǎn)量、種植面積和單產(chǎn)變化Fig.1 Changes of total corn yield, planting area and yields in Henan Province in 1998—2016

圖2 河南省玉米單產(chǎn)與中國(guó)玉米主產(chǎn)省份比較Fig.2 Comparison of maize yield in Henan Province with main production provinces in China

從全國(guó)來(lái)看，山東、河南及東北三省是我國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)。如圖2所示，河南省玉米單位產(chǎn)量與全國(guó)平均單產(chǎn)差別不大(2003年、2004年除外)，2002年以前均穩(wěn)定在5 000 kg/hm2左右。2005年以后全國(guó)平均單產(chǎn)呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，2016年增長(zhǎng)至6 000 kg/hm2左右，而河南省的玉米單產(chǎn)穩(wěn)定在5 500 kg/hm2左右，山東省穩(wěn)定在6 500 kg/hm2左右，吉林省玉米單產(chǎn)均值雖不穩(wěn)定，但總體上均高于山東、河南和全國(guó)單產(chǎn)均值，且最高單產(chǎn)達(dá)8 000 kg/hm2左右。由此表明，河南省玉米單產(chǎn)與我國(guó)其他玉米主產(chǎn)區(qū)相比，整體上還存在較大差距。這與氣溫、降水、土壤肥力、生長(zhǎng)周期等因素密切相關(guān)。因此，在全球氣候變暖和確保糧食安全戰(zhàn)略背景下，探究如何優(yōu)化河南省玉米種植結(jié)構(gòu)，對(duì)提高玉米種植效益，落實(shí)糧食安全戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1.2 研究方法

逐步訂正法計(jì)算模型為[14]

YW=Qf(Q)f(t)f(W)=YQf(t)f(W)=YTf(W)

(1)

式中YW——?dú)夂蛏a(chǎn)潛力，kg/hm2

Q——5—9月太陽(yáng)總輻射，MJ/m2

f(Q)——光合有效系數(shù)

YQ——單位面積光合生產(chǎn)潛力，kg/hm2

f(t)——作物光合作用的溫度訂正系數(shù)

YT——光溫生產(chǎn)潛力，kg/hm2

f(W)——水分訂正系數(shù)

其中溫度訂正系數(shù)f(t)與水分訂正系數(shù)f(W)分別表示作物對(duì)于溫度和降水量的敏感程度，對(duì)于農(nóng)作物適宜種植區(qū)的選擇具有重要價(jià)值。兩種訂正系數(shù)取值范圍介于0～1之間，溫度訂正系數(shù)越低則表明作物對(duì)溫度條件的適應(yīng)性越低；相應(yīng)地，水分訂正系數(shù)越低表明作物對(duì)水分條件的滿足度越低。

逐步訂正法進(jìn)行玉米氣候生產(chǎn)潛力估算包括3個(gè)步驟：

(1)光合生產(chǎn)潛力的計(jì)算

光合生產(chǎn)潛力的計(jì)算式為[15-16]

YQ=Qf(Q)=CSεφ(1-α)(1-β)(1-ρ)(1-
γ)(1-ω)f(L)E∑Qi/q(1-η)(1-ξ)

(2)

式中C——單位換算系數(shù)

Qi——生長(zhǎng)季各月總輻射量，MJ/m2

S——作物光合固定CO2能力的比例，取1.00

ε——光合輻射占總輻射的比例，取0.49

φ——光合作用量子效率，取0.22

α——植物群體反射率，取0.08

β——植物繁茂群體透射率，取0.06

ρ——非光合器官截獲輻射比例，取0.10

γ——超過(guò)光飽和點(diǎn)光的比例，取0.01

ω——呼吸消耗占光合產(chǎn)物的比例，取0.30

E——作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)，取0.40

f(L)——作物葉面積動(dòng)態(tài)變化訂正值，取0.58

q——單位干物質(zhì)含熱量，取17.20 MJ/kg

η——成熟谷物含水量，取0.15

ξ——植物無(wú)機(jī)灰分含量比例，取0.08

(2)光溫生產(chǎn)潛力的計(jì)算

光溫生產(chǎn)潛力的計(jì)算式為

YT=YQf(t)

(3)

其中

(4)

式中t——5—9月各月平均溫度

tmin、ts、tmax為作物生長(zhǎng)發(fā)育期(5—9月)三基點(diǎn)溫度，分別為下限溫度、最適溫度和上限溫度, 具體數(shù)值為[17-18]：5月苗期分別為8.0、20.0、27.0℃，6月營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期分別為11.5、24.5、30.0℃，7月營(yíng)養(yǎng)生殖并進(jìn)期分別為27.0、14.0、33.0℃，8月開花/灌漿期分別為25.5、14.0、33.0℃，9月灌漿成熟期分別為19.0、10.0、30.0℃。

(3)氣候生產(chǎn)潛力的計(jì)算

氣候生產(chǎn)潛力的計(jì)算式為

YW=YTf(W)

(5)

其中

(6)

ETc=KCET0

(7)

式中p——時(shí)段內(nèi)的降水量，mm

ETc——作物需水量，mm

ET0——作物參考蒸散量，mm

KC——作物系數(shù)，玉米5—9月的KC值分別為[18-19]0.38、0.75、1.22、1.10、0.60

1.3 玉米生長(zhǎng)期劃分

玉米發(fā)育經(jīng)歷播種期、三葉期、七葉期、拔節(jié)期、抽雄期、開花期、吐絲期、乳熟期及成熟期9個(gè)階段，各發(fā)育期對(duì)溫度、降水等需求不同[20]。由于河南省各地氣候條件不一，玉米播種、收獲時(shí)間存在差異。通過(guò)調(diào)查訪談得知，河南省信陽(yáng)市玉米生長(zhǎng)季為5—8月，其余各地均為6—9月，總體上全省各地玉米生長(zhǎng)周期均為4個(gè)月左右。本研究依據(jù)省域各地玉米生長(zhǎng)實(shí)際情況，選取不同的生長(zhǎng)日期參數(shù)進(jìn)行氣候生產(chǎn)潛力計(jì)算。為便于下文論述，統(tǒng)一將生長(zhǎng)周期描述為5—9月。

1.4 技術(shù)路線

首先，采用克里金插值法將河南省18個(gè)縣市的5—9月最低氣溫、最高氣溫、月均溫、降水量及輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理；其次，基于插值處理后的氣象數(shù)據(jù)及玉米生長(zhǎng)發(fā)育三基點(diǎn)溫度、需水量、參考蒸散量數(shù)據(jù)，按逐步訂正方法，對(duì)光合生產(chǎn)潛力及玉米溫度、水分訂正系數(shù)進(jìn)行計(jì)算；最后，經(jīng)溫度、水分逐級(jí)訂正后估算河南省縣域玉米氣候生產(chǎn)潛力，并進(jìn)行縣域玉米種植空間格局演變與優(yōu)化研究。具體流程如圖3所示。

圖3 研究過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagram of research process

1.5 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

所需數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參數(shù)數(shù)據(jù)兩種類型。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心的河南省18個(gè)地市站點(diǎn)1960—2015年基本氣象數(shù)據(jù)及5個(gè)氣象站臺(tái)的生長(zhǎng)季(5—9月)輻射數(shù)據(jù)，其中基本氣象數(shù)據(jù)由5—9月均溫、最低溫、最高溫?cái)?shù)據(jù)和降水量數(shù)據(jù)組成。然后采用克里金插值法獲取河南省域159個(gè)縣區(qū)空間單元?dú)庀髷?shù)據(jù)。參數(shù)數(shù)據(jù)包括玉米光合生產(chǎn)潛力參數(shù)、玉米生長(zhǎng)發(fā)育期三基點(diǎn)溫度、作物參考蒸散量及作物系數(shù)。其中，玉米光合生產(chǎn)潛力參數(shù)、生長(zhǎng)發(fā)育期三基點(diǎn)溫度及玉米的作物系數(shù)取自現(xiàn)有結(jié)果，蒸散量數(shù)據(jù)則通過(guò)哈格雷夫(Hargreaves)方法計(jì)算獲得。此外，全國(guó)分省玉米實(shí)際產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)自對(duì)應(yīng)年份統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)。

為了更加清晰地描述河南省農(nóng)作物生產(chǎn)潛力區(qū)域差異，按氣候和地形條件將河南劃分為5個(gè)區(qū)域：豫北暖溫帶山地丘陵區(qū)(安陽(yáng)、濮陽(yáng)、鶴壁、焦作)；豫南亞熱帶山地丘陵盆地區(qū)(信陽(yáng)、南陽(yáng)、駐馬店)；豫東暖溫帶平原區(qū)(開封、周口、商丘)；豫西暖溫帶山地丘陵區(qū)(三門峽、洛陽(yáng)、濟(jì)源)；豫中暖溫帶河流沖擊平原谷地丘陵區(qū)(鄭州、新鄉(xiāng)、許昌、平頂山、漯河)，分區(qū)情況及河南省18個(gè)氣象站點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 河南省分區(qū)及站點(diǎn)分布圖Fig.4 Distribution map of Henan Province division and site

2 玉米氣候生產(chǎn)潛力估算與空間特征

2.1 2015年玉米氣候生產(chǎn)潛力估算

基于2015年氣候數(shù)據(jù)，通過(guò)式(4)與式(6)，計(jì)算河南省2015年玉米氣候生產(chǎn)潛力的溫度訂正系數(shù)與水分訂正系數(shù)，分別為0.571 6和0.822 7。玉米溫度訂正系數(shù)偏低，表明整體上河南省玉米生產(chǎn)對(duì)溫度條件較為敏感，與玉米生長(zhǎng)的適宜溫度還有差距，對(duì)玉米生產(chǎn)造成不利影響；水分訂正系數(shù)較高，說(shuō)明降水條件能較充分滿足玉米生長(zhǎng)發(fā)育需要。整體上看，河南省玉米生產(chǎn)的氣候因素中降水條件優(yōu)于溫度條件。

2015年的玉米光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力及氣候生產(chǎn)潛力分別由式(2)、(3)、(5)計(jì)算，結(jié)果如表1所示。對(duì)地區(qū)差異性指標(biāo)而言，由大到小依次為氣候生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、光合生產(chǎn)潛力，依據(jù)河南省氣候和地形條件劃分的5個(gè)不同區(qū)域，太陽(yáng)輻射量西部要稍高于東部，氣溫條件呈現(xiàn)出東高西低、南高北低的概況，降水量則是南部和西部山區(qū)降水量相對(duì)豐沛，東部和北部地區(qū)降水量略低。進(jìn)一步表現(xiàn)出不同區(qū)域玉米生產(chǎn)潛力與區(qū)域間的熱量條件、溫度條件、降水量因素等氣候因子密切相關(guān)。

表1 2015年玉米氣候生產(chǎn)潛力Tab.1 Corn climate production potential in 2015

2015年玉米氣候生產(chǎn)潛力呈以豫北為中心的同心環(huán)格局，中心低外圍高特征顯著(圖5)。玉米氣候生產(chǎn)潛力介于6 800～7 700 kg/hm2之間為優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)，主要位于河南省西部與南部，包括信陽(yáng)地區(qū)、南陽(yáng)地區(qū)、三門峽南部及洛陽(yáng)西南部等18個(gè)縣市，占河南省縣域總規(guī)模11.3%；生產(chǎn)潛力介于6 000～6 800 kg/hm2之間為較優(yōu)產(chǎn)區(qū)，主要分布在南陽(yáng)、駐馬店、商丘東部與西南部及洛陽(yáng)部分地區(qū)，包括34個(gè)縣市，占比21.4%；生產(chǎn)潛力在5 200～6 000 kg/hm2之間為一般產(chǎn)區(qū)，主要包括平頂山、漯河、濟(jì)源及洛陽(yáng)東部等地37個(gè)縣市，占比23.3%；生產(chǎn)潛力在4 500～5 200 kg/hm2區(qū)間為較弱產(chǎn)區(qū)，分布在中部的開封、鄭州、許昌、焦作及濮陽(yáng)地區(qū)，涵蓋47個(gè)縣市，占比29.6%；生產(chǎn)潛力介于3 300～4 500 kg/hm2之間為弱勢(shì)產(chǎn)區(qū)，集中分布在河南省北部23個(gè)縣市，占比14.5%。如前所述，2015年全省玉米生長(zhǎng)期雨水充足，滿足玉米生長(zhǎng)期所需水分，但受月最低及月最高氣溫的影響，溫度訂正系數(shù)較低，導(dǎo)致不同縣域玉米生產(chǎn)潛力核算結(jié)果的差異。如2015年鄭州、新鄉(xiāng)、開封等地5—9月均溫都高于27℃，而南陽(yáng)及三門峽地區(qū)同期均溫在26.2℃左右，溫度適宜，利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育，可見氣溫條件差異是2015年地區(qū)玉米生產(chǎn)潛力差異的主要因素。

圖5 2015年河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力分布圖Fig.5 Distribution map of maize climatic production potential in Henan Province in 2015

2.2 1960—2015年玉米氣候生產(chǎn)潛力時(shí)空變化特征

2.2.1玉米氣候生產(chǎn)潛力動(dòng)態(tài)變化

河南省玉米生產(chǎn)潛力均值從6 388.66 kg/hm2(1960年)增加至8 004.94 kg/hm2(1980年)，又于2015年減少至5 048.34 kg/hm2，整體上隨時(shí)間呈M形的動(dòng)態(tài)變化?；跉夂蚍謪^(qū)(圖4)及生產(chǎn)潛力計(jì)算，河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力如圖6所示。豫南地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力變動(dòng)劇烈，但仍是最大氣候生產(chǎn)潛力所在區(qū)域；豫東地區(qū)在1970年前生產(chǎn)潛力持續(xù)快速上升，僅次于豫南地區(qū)，于1970年達(dá)到最高值，甚至超越豫南地區(qū)成為最具生產(chǎn)潛力的地區(qū)，但1970年后生產(chǎn)潛力持續(xù)下降，逐漸被豫西地區(qū)所取代。豫西地區(qū)在1980年之前生產(chǎn)潛力勻速上升，之后表現(xiàn)為較緩下降趨勢(shì)，但具有較高的生產(chǎn)潛力，成為河南省域內(nèi)第二大優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)潛力區(qū)；豫中地區(qū)玉米生產(chǎn)潛力變化也可劃分為兩個(gè)階段，1990年之前波動(dòng)上升，之后迅速下降；豫北地區(qū)則一直是生產(chǎn)潛力最低的區(qū)域。據(jù)此表明，具有亞熱帶氣候和低山丘陵地形的豫南地區(qū)，其水熱組合條件優(yōu)越，歷來(lái)是河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力的最優(yōu)區(qū)位。受全球氣候變暖影響，豫西地區(qū)在玉米生長(zhǎng)期具有更優(yōu)光照、降水、熱量等氣候因子組合，驅(qū)動(dòng)河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力優(yōu)勢(shì)區(qū)呈現(xiàn)從豫東向豫西地區(qū)逐步轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)。

圖7 玉米年均氣候生產(chǎn)潛力與生長(zhǎng)季均溫、降水量變化關(guān)系Fig.7 Relationship between annual climatic production potential of maize and variation of average temperature and precipitation in growing season

2.2.2生長(zhǎng)季氣溫和降水變化對(duì)玉米氣候生產(chǎn)潛力的影響

如圖7所示，河南省1960—2015年玉米氣候生產(chǎn)潛力整體上呈倒U形動(dòng)態(tài)變化。其中在1960—1980年間，河南玉米氣候生產(chǎn)潛力先以年均80.8 kg/hm2的速度增加；在1980—2015年間，玉米氣候生產(chǎn)潛力持續(xù)下降。以2010年為分界點(diǎn)，先以年均46 kg/hm2的速度緩降，再以157.6 kg/hm2的速度急降。為分析變化原因，將氣候生產(chǎn)潛力的變化分別與生長(zhǎng)季均溫及生長(zhǎng)季降水量的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)對(duì)比(圖7)，發(fā)現(xiàn)玉米生長(zhǎng)季均溫與同期氣候生產(chǎn)潛力變化時(shí)間節(jié)點(diǎn)一致，但方向相反，即氣候玉米生產(chǎn)潛力與氣溫變化具有較強(qiáng)的反比關(guān)系。與氣溫變化態(tài)勢(shì)不同，玉米生長(zhǎng)季降水量與氣候生產(chǎn)潛力呈同步趨勢(shì)變化，即降水量增加，氣候生產(chǎn)潛力也隨之提升；降水量減少，氣候生產(chǎn)潛力下降。其中，2000年可能受到冷暖變化劇烈及干濕交替出現(xiàn)的異常氣候影響，河南省在玉米生長(zhǎng)季出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間低溫和低輻射天氣，導(dǎo)致氣候生產(chǎn)潛力突降，其余年份降水量與氣候生產(chǎn)潛力變化節(jié)點(diǎn)和方向一致。綜上所述，受全球變暖趨勢(shì)影響，未來(lái)河南省玉米生長(zhǎng)季氣溫將繼續(xù)保持升高變化趨勢(shì)，而同期降水量則可能持續(xù)減少，是河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力呈下降態(tài)勢(shì)的關(guān)鍵因素。

2.2.3玉米生產(chǎn)高潛力區(qū)變化

1960—2015年河南省玉米生產(chǎn)高潛力區(qū)(優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)、較優(yōu)產(chǎn)區(qū))呈持續(xù)向西移動(dòng)趨勢(shì)(圖8)。1960年河南省玉米生產(chǎn)高潛力區(qū)集中在信陽(yáng)及駐馬店?yáng)|南部18個(gè)縣區(qū)，占省域縣區(qū)規(guī)模比重為11.3%；1970年高生產(chǎn)潛力區(qū)范圍縮小至信陽(yáng)東部，覆蓋7個(gè)縣區(qū)，占比4.0%；1980年范圍擴(kuò)大，覆蓋信陽(yáng)的大部分及南陽(yáng)西南部共14個(gè)縣區(qū)，占比8.8%，高生產(chǎn)潛力地區(qū)重心由東往西遷移；1990年，高生產(chǎn)潛力區(qū)分布較為分散，包括信陽(yáng)東部與中部、南陽(yáng)西部及河南省西北部與中部的部分地區(qū)共24個(gè)縣區(qū)，占比升至15.1%；2000—2010年間，高潛力區(qū)從集中于豫西南向豫西和豫南分散聚集，縣區(qū)規(guī)模從27個(gè)減少到20個(gè)，占比由17.0%提高到12.6%；而到2015年，河南玉米生產(chǎn)高潛力區(qū)進(jìn)一步集中在西部和南部地區(qū)，涵蓋18個(gè)縣區(qū)，占比降至11.3%。而同期玉米氣候生產(chǎn)弱勢(shì)潛力區(qū)(弱勢(shì)產(chǎn)區(qū)、較弱產(chǎn)區(qū))，在1960年位于中部及北部地區(qū)，共58個(gè)縣區(qū)，占比36.5%；1970年降至16個(gè)縣區(qū)，占比10.1%；而在1980年又增加至28個(gè)縣區(qū)，占比回升到17.6%，且集中分布于河南省中部；在1990—2010年間，玉米生產(chǎn)弱勢(shì)潛力區(qū)從3個(gè)縣增加到53個(gè)縣，占縣區(qū)總規(guī)模比值也從1.9%增加到33.3%；2015年，河南玉米生產(chǎn)弱勢(shì)潛力區(qū)共23個(gè)縣區(qū)，占比9.4%。自2000年以來(lái)，河南省玉米氣候生產(chǎn)弱勢(shì)潛力區(qū)均集中分布于河南省北部地區(qū)。從整體變化趨勢(shì)上看，河南省玉米生產(chǎn)高潛力區(qū)規(guī)模波動(dòng)幅度較小，而弱生產(chǎn)潛力區(qū)變化幅度較大。玉米生產(chǎn)高潛力區(qū)集中在河南省南部及西南部，是由豫南及西南部地區(qū)光溫水資源充足，水熱組合條件適宜所致，對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育十分有利，誘導(dǎo)高潛力重心持續(xù)向西、向南遷移。因此為有效提高河南省糧食產(chǎn)量，提高土地利用率，優(yōu)化作物種植區(qū)域是一種重要的手段。

圖8 河南省玉米生產(chǎn)潛力分布圖Fig.8 Distribution maps of maize production potential in Henan Province

2.3 玉米氣候生產(chǎn)潛力的制約特征

2011年，王冬妮等[21]對(duì)1961—2008年吉林省18個(gè)縣(市)春玉米氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行了估算及時(shí)空變化特征分析，發(fā)現(xiàn)近50 a吉林省氣候生產(chǎn)潛力呈下降趨勢(shì)，水分是制約吉林省中西部春玉米產(chǎn)量的主要因子。賴榮生等[22]利用寧夏中部干旱帶1961—2011年平均氣溫和降水資料，指出降水條件是制約該區(qū)域春玉米氣候生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵因子，其作用對(duì)春玉米氣候生產(chǎn)潛力的影響遠(yuǎn)大于氣溫的變化。葛亞寧等[23]對(duì)近50 a來(lái)我國(guó)玉米生產(chǎn)潛力時(shí)空演變進(jìn)行研究，得出生產(chǎn)潛力總體呈東高西低格局，單產(chǎn)潛力及總產(chǎn)量潛力整體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)并且區(qū)域間的差異較大。與上述研究相比，河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力自1980年來(lái)，同樣呈持續(xù)下降趨勢(shì)，降水亦是制約玉米產(chǎn)量的重要因子。但同時(shí)，河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力與生長(zhǎng)季氣溫呈強(qiáng)烈反比關(guān)系，在全球變暖趨勢(shì)下，河南省玉米生長(zhǎng)季不斷升高的氣溫也是玉米氣候生產(chǎn)潛力持續(xù)下降的重要因素。因此河南省玉米生產(chǎn)氣候潛力受到氣溫和降水雙因素制約，與東北(吉林)及西北(寧夏)地區(qū)不同。究其原因，在于河南與吉林、寧夏的地理區(qū)位不同，受氣候變化的影響程度不同。在中國(guó)氣候變化區(qū)劃中，吉林省位于東北-華北暖干趨勢(shì)帶東北邊緣；寧夏中部地區(qū)位于東北-華北暖干趨勢(shì)帶西北邊緣；河南省北部與西部位于西南-華南干暖趨勢(shì)帶東北邊緣，東部、中部與南部位于華東-華中濕暖趨勢(shì)帶西部邊緣，使得河南省與吉林省和寧夏地區(qū)的玉米生產(chǎn)潛力更容易受到氣溫變化影響，分布規(guī)律也存在較大差異。此外，不同氣候條件也使得其玉米播種期與生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)長(zhǎng)不盡相同，吉林和寧夏中部地區(qū)玉米播種期早于河南省，生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)長(zhǎng)較河南略長(zhǎng)，也在一定程度上影響玉米季氣溫、降水及生產(chǎn)潛力變化。

3 玉米生產(chǎn)空間格局優(yōu)化

3.1 玉米種植格局現(xiàn)狀

基于河南省2016年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，各地市玉米播種面積差異較大。其中播種面積最大的是駐馬店市，達(dá)4.533 6×105hm2；基于自然斷點(diǎn)分類方法，將玉米種植區(qū)域分為優(yōu)勢(shì)種植區(qū)、較優(yōu)種植區(qū)、中等種植區(qū)、較弱種植區(qū)和弱勢(shì)種植區(qū)5個(gè)等級(jí)。其中，玉米優(yōu)勢(shì)種植區(qū)主要分布在南陽(yáng)、駐馬店、周口和商丘4個(gè)典型的傳統(tǒng)農(nóng)作物優(yōu)勢(shì)種植區(qū)，這里地勢(shì)平坦，土壤肥沃，氣候條件優(yōu)越，利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育；較優(yōu)種植區(qū)分布在河南北部的安陽(yáng)與新鄉(xiāng)，肥沃的土壤為該地區(qū)的作物提供了有利的生長(zhǎng)條件；中等種植區(qū)包括河南中部的鄭州、開封、許昌、平頂山以及西部的洛陽(yáng)，城市的發(fā)展速度、政府政策等人文因素對(duì)該地區(qū)作物種植的影響較大；漯河、焦作、鶴壁及濮陽(yáng)為玉米較弱種植區(qū)；信陽(yáng)、三門峽與濟(jì)源為玉米弱勢(shì)種植區(qū)(圖9)。

圖9 河南省2016年玉米種植格局Fig.9 Pattern of maize planting in Henan Province in 2016

3.2 玉米種植適宜程度分區(qū)

以河南省縣域空間為單元，對(duì)2000年、2010年及2015年這3個(gè)年份各縣的玉米氣候生產(chǎn)潛力求均值，然后將所求均值的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，與7個(gè)研究年份的玉米氣候生產(chǎn)潛力進(jìn)行比較。以大于標(biāo)準(zhǔn)值的年份次數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，將河南省劃分為玉米生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)潛力區(qū)、較優(yōu)潛力區(qū)、中等潛力區(qū)、較弱潛力區(qū)、弱勢(shì)潛力區(qū)5種類型空間。其中，大于標(biāo)準(zhǔn)值年份次數(shù)小于等于2為弱勢(shì)潛力區(qū)；等于3設(shè)定為較弱潛力區(qū)；等于4為中等潛力區(qū)；等于5為較優(yōu)潛力區(qū)；大于等于6是優(yōu)勢(shì)潛力區(qū)，具體分區(qū)見圖10。

圖10 玉米種植格局優(yōu)化結(jié)果Fig.10 Optimization chart of maize planting pattern

3.3 縣域玉米生產(chǎn)格局優(yōu)化建議

通過(guò)對(duì)比圖9和圖10，發(fā)現(xiàn)河南省玉米優(yōu)勢(shì)種植區(qū)與優(yōu)勢(shì)氣候生產(chǎn)潛力區(qū)具有較高重合度，其中61.11%的優(yōu)勢(shì)種植區(qū)與優(yōu)勢(shì)潛力區(qū)重合。如南陽(yáng)、駐馬店、周口及商丘地區(qū)，既為現(xiàn)狀玉米優(yōu)勢(shì)種植區(qū)，也是玉米優(yōu)勢(shì)氣候生產(chǎn)潛力區(qū)；同樣，豫中地區(qū)多為玉米氣候生產(chǎn)的中等或較優(yōu)潛力區(qū)，同時(shí)也是玉米的現(xiàn)狀中等種植區(qū)。但其他各類玉米氣候生產(chǎn)潛力區(qū)與現(xiàn)狀種植區(qū)類型偏差較大。為了提高玉米實(shí)際產(chǎn)量及生產(chǎn)效率，可以依據(jù)玉米氣候生產(chǎn)潛力導(dǎo)向，對(duì)河南省159個(gè)縣市的玉米種植格局進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)玉米現(xiàn)狀種植優(yōu)勢(shì)類型與氣候生產(chǎn)潛力區(qū)類型差距，分為種植規(guī)模適當(dāng)增加、逐步減少及保持現(xiàn)狀3種類型，進(jìn)行玉米種植空間優(yōu)化(表2)。

需要注意的是，部分地區(qū)玉米氣候生產(chǎn)潛力與種植現(xiàn)狀類型不相符，是由于特定區(qū)域其他生產(chǎn)條件影響了農(nóng)作物生產(chǎn)潛力。如安陽(yáng)的玉米氣候生產(chǎn)潛力整體偏低，劃分為弱勢(shì)潛力區(qū)，但在實(shí)際生產(chǎn)中安陽(yáng)市卻為較優(yōu)種植區(qū)。究其原因，雖然安陽(yáng)位于河南省最北部，溫度偏高，是不利于玉米生產(chǎn)氣候條件。如2016年河南省生長(zhǎng)季(5—9月)均溫為25.4℃，安陽(yáng)市生長(zhǎng)季均溫為27.4℃。但是安陽(yáng)土壤訂正系數(shù)為0.8，土壤為高產(chǎn)田土[24]，土壤質(zhì)地優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了溫度條件的不足，使安陽(yáng)成為較優(yōu)種植區(qū)；同樣，就氣候條件來(lái)講，信陽(yáng)大部分位于淮河以南，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨豐沛，年均降水量900～1 400 mm，氣候條件更適合水稻作物的生長(zhǎng)發(fā)育。而且水稻生產(chǎn)在當(dāng)?shù)丶Z食安全、防洪抗?jié)?、保護(hù)環(huán)境中有不可替代的綜合作用[25]，因此該市主要農(nóng)作物為水稻而非玉米。由此表明，土壤質(zhì)地優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了氣候條件的不足，使安陽(yáng)成為較優(yōu)種植區(qū)。信陽(yáng)的氣候條件雖然適合玉米生產(chǎn)，但該地富足的水熱條件使水稻生產(chǎn)更具優(yōu)勢(shì)，致使玉米為信陽(yáng)的弱勢(shì)農(nóng)作物。因此玉米等農(nóng)作物種植空間受多種因素影響，如市場(chǎng)需求、自然條件及政策支持等，實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中，還要綜合考慮人文要素、自然條件、政策支持等其他玉米產(chǎn)量影響因素。

表2 河南省玉米種植格局優(yōu)化Tab.2 Optimization of maize planting pattern in Henan Province

4 討論

農(nóng)業(yè)發(fā)展實(shí)踐表明，影響農(nóng)作物生產(chǎn)的因素有很多，包括土地耕種面積、政府政策、生產(chǎn)方式、農(nóng)民意愿、市場(chǎng)供求關(guān)系等，復(fù)雜多影響因素使氣候生產(chǎn)潛力估算與實(shí)際產(chǎn)量之間存在誤差。后續(xù)研究可以考慮將社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與自然環(huán)境因素逐步結(jié)合，進(jìn)行作物生產(chǎn)潛力更精確估算探索。

同時(shí)，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化及日趨嚴(yán)重的農(nóng)作物生產(chǎn)氣候問(wèn)題，河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可采取的對(duì)策如下：①繼續(xù)研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，提高農(nóng)作物生產(chǎn)潛力的估算精度，不僅可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整等一系列決策問(wèn)題上發(fā)揮重要的輔助作用，而且還可以發(fā)現(xiàn)并改善作物生長(zhǎng)不利條件。②采取保護(hù)性耕作方法，如少耕、免耕、秸稈還田等措施，提高土壤本身的蓄水、蓄熱能力，提高自然降水的利用效率，通過(guò)提高耕地利用率，改變熟制等方式提高作物產(chǎn)量[26]。對(duì)氣候條件處于劣勢(shì)的地區(qū)采取如加強(qiáng)水利設(shè)施建設(shè)、人工降雨等手段進(jìn)行改善，降低干旱對(duì)玉米生產(chǎn)的影響，或大力發(fā)展在本地生產(chǎn)潛力較大的優(yōu)勢(shì)農(nóng)作物。③國(guó)家也要出臺(tái)相關(guān)政策，如加大糧食補(bǔ)貼、提高糧食收購(gòu)價(jià)格等惠農(nóng)政策及耕地面積保障政策等。

5 結(jié)論

(1)1960—2015年河南省玉米氣候生產(chǎn)潛力隨氣候條件的變化而發(fā)生改變。玉米氣候生產(chǎn)潛力從1960年的6 388.66 kg/hm2增加至1980年的8 004.94 kg/hm2，又于2015年減少至5 048.34 kg/hm2，氣候生產(chǎn)潛力隨時(shí)間呈倒U形的動(dòng)態(tài)變化，受氣溫和降水雙因素驅(qū)動(dòng)，河南省玉米生產(chǎn)氣候潛力仍呈持續(xù)降低趨勢(shì)。

(2)受全球氣候變化影響，河南省1960—2015年玉米生產(chǎn)高氣候潛力區(qū)整體上從豫東向豫西遷移；弱勢(shì)氣候潛力區(qū)自2000年來(lái)一直集中于河南省北部地區(qū)。河南省玉米生產(chǎn)氣候潛力的氣溫和降水雙因素制約特征顯著。

(3)61.11%的河南省玉米生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)氣候潛力區(qū)與玉米優(yōu)勢(shì)種植區(qū)現(xiàn)狀重合，但其他各類型潛力區(qū)與種植區(qū)現(xiàn)狀偏差較大，應(yīng)依據(jù)玉米生產(chǎn)氣候潛力區(qū)類型，種植規(guī)模分適當(dāng)增加、逐步減少和保持現(xiàn)狀3種類型，提出河南省玉米種植格局優(yōu)化方案。