中國橡膠的氣候生產(chǎn)潛力

李偉光 劉少軍 陳小敏

摘要：基于聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）開發(fā)的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃（AEZ）模型和專業(yè)氣候插值軟件ANUSPLIN插值的常年逐月太陽總輻射、溫度及降水?dāng)?shù)據(jù)，計算了我國25°N以南的區(qū)域橡膠樹的氣候生產(chǎn)潛力，并通過天然橡膠的干物質(zhì)分配率估算了天然橡膠的產(chǎn)膠潛力。結(jié)果表明，我國最適宜橡膠生長的區(qū)域在海南島及云南的西雙版納地區(qū)。溫度是制約我國橡膠生長的限制因素，云南高原、海南島是我國橡膠光合生長潛力的2個高值區(qū)，但是云南高原區(qū)由于溫度限制，橡膠生長潛力下降非常顯著。在西雙版納和海南島，降水因素僅是海南島西部地區(qū)的限制因素。

關(guān)鍵詞：中國橡膠;生產(chǎn)潛力;光合潛力;光溫潛力;氣候潛力;產(chǎn)膠潛力;干物質(zhì)分配率

農(nóng)作物生長對氣候資源的需求十分敏感[1-3]。不同氣候類型中光、熱、水等氣候資源的數(shù)量及其匹配影響著農(nóng)作物生產(chǎn)潛力乃至生產(chǎn)布局和種植制度等。隨著高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)資源利用率逐漸提高，對農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的研究也受到越來越多的重視[4-7]。

天然橡膠是國防和工業(yè)建設(shè)中不可或缺的重要原料。海南省作為中國最大的天然橡膠生產(chǎn)基地，受制于土地資源條件限制，天然橡膠產(chǎn)量與世界產(chǎn)膠大國相比差距較大。通過天然橡膠氣候產(chǎn)膠潛力研究，可得到制約橡膠產(chǎn)量的氣候因子，掌握產(chǎn)膠潛力與實際產(chǎn)量之間的差距及形成原因，進而尋求解決方案，指導(dǎo)海南橡膠發(fā)展[8]。對提高膠農(nóng)收入和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

目前，已有學(xué)者基于中分辨率成像光譜儀（MODIS）和氣象數(shù)據(jù)利用凈初級生產(chǎn)力遙感估算海南省國營陽江農(nóng)場天然橡膠的產(chǎn)膠潛力[9]。該研究對典型區(qū)域氣候資源的開發(fā)利用起到了示范作用，但更大橡膠種植范圍的研究目前尚缺乏。農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力取決于光、溫、水三要素的高低及其相互配合情況[10-12]。因此，本研究采用專業(yè)氣候插值軟件Anusplin插值的常年逐月輻射、氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，對我國橡膠氣候生產(chǎn)潛力時空變化特征進行分析，以期為提高我國熱量氣候資源利用率、調(diào)整橡膠生產(chǎn)布局提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

主要研究我國25°N以南陸地區(qū)域，主要包含廣東省、廣西壯族自治區(qū)、云南省和海南省4個省（區(qū)）的部分地區(qū)。這部分地區(qū)屬亞熱帶、熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地形復(fù)雜多樣，是我國熱量資源最充足的地區(qū)，光照較多，干季、雨季明顯，是我國橡膠生長的潛在區(qū)域。

1.2 研究數(shù)據(jù)

氣候數(shù)據(jù)基于中國氣象站點，運用專業(yè)氣候插值軟件Anusplin插值得到我國常年氣溫和降水柵格數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)空間分辨率為1 km，時間分辨率為月。氣象要素插值軟件Anusplin是一款基于薄盤光滑樣條理論專門針對氣候數(shù)據(jù)擬合插值的軟件[13]，同其他插值方法相比，Anusplin能夠反映氣象要素隨其影響因子變化而變化的關(guān)系[14]，插值精度顯著高于反向局里權(quán)重法和克里格等方法[15]。本研究利用Anusplin，將海拔高程作為協(xié)變量，對月平均氣溫、太陽總輻射、降水進行柵格處理。

1.3 計算方法

本研究以聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）開發(fā)的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃（agro-ecological zone，簡稱AEZ）模型為理論依據(jù)，分光、熱、水3步估算橡膠樹的氣候生產(chǎn)潛力[16]，以期通過生產(chǎn)潛力的計算，分析影響橡膠產(chǎn)膠量的氣候因素，從而有針對性地尋求提高橡膠產(chǎn)量的途徑。

1.3.1 光合生產(chǎn)潛力 光合生產(chǎn)潛力是假設(shè)影響作物生長的其他因素處于最佳配比時，由太陽輻射帶來的能量能合成的所有干物質(zhì)生產(chǎn)量。光合生長潛力（Y0）估算公式為

式中：PAR為到達地表的光合有效輻射，MJ/（m2·月）。它可由太陽總輻射（Q）通過PAR=0.47Q[9]求得;ε為橡膠樹的最大光能利用率，本研究采用落葉闊葉林的模擬結(jié)果0.692 g/MJ（質(zhì)量以C計，下同）作為天然橡膠林的最大光能利用率[17]。

1.3.2 光溫生產(chǎn)潛力 光溫生產(chǎn)潛力是假設(shè)作物除光、溫度外其他因素處于最適狀態(tài)時，光溫限制條件下光合累積的上限。光溫生產(chǎn)潛力（Ym）估算公式為：

式中：T是發(fā)育期的平均氣溫，T1、T2和T0分別是該發(fā)育期內(nèi)作物生長發(fā)育的下限溫度、上限溫度和產(chǎn)量形成的最適溫度，且當(dāng)T≤T1時，σT為0。本研究計算所采取的的上限、下限溫度和最適溫度取自文獻[18]。

1.3.3 氣候生產(chǎn)潛力 作物氣候生產(chǎn)潛力是在光照、溫度、降水3種自然因子條件下，橡膠所能實現(xiàn)的最大生產(chǎn)力。氣候生產(chǎn)潛力是通過水分校正系數(shù)修正光溫生產(chǎn)潛力所得。氣候生產(chǎn)潛力估算公式如下：

式中：σE反映了植被所有利用的有效水分條件對光能利用率的影響，隨著環(huán)境中有效水分的增加，σE逐漸增大。它的取值范圍為0.5（極端干旱條件下）到1（非常濕潤條件下），大氣水分含量對橡膠林光能利用率的影響系數(shù)σE由公式（6）計算所得：

式中：P為月降水量;Rn為太陽凈輻射量;Ts為地表氣溫;a為常數(shù)238.8;A為地表反射率，取0.17[9]。

1.3.4 橡膠產(chǎn)膠潛力 橡膠產(chǎn)膠潛力，是橡膠樹能夠產(chǎn)生且為生產(chǎn)所用的膠水量，它由氣候生產(chǎn)潛力與干物質(zhì)分配率相乘得到。干物質(zhì)分配率又稱收獲指數(shù)，即干物質(zhì)中分配給合成人們所需的物質(zhì)的比率。通過以下公式估算：

式中：Yh為橡膠林單位面積的產(chǎn)膠潛力，g/m2;Hi為橡膠樹的干物質(zhì)分配率[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 光合潛力

光合生產(chǎn)潛力反映作物產(chǎn)量的上限。通過橡膠光合生產(chǎn)潛力的計算可以發(fā)現(xiàn)，在中國有2個光合生產(chǎn)潛力高值區(qū)，即海南島和云南。光合潛力的分布與太陽總輻射的分布基本一致，主要受維度與地形的影響。高值區(qū)橡膠的年產(chǎn)膠潛力一般在 1 800 g/m2（質(zhì)量以C計，下同）以上。兩廣區(qū)域的光合潛力相對較小，呈現(xiàn)出從南向北逐漸減少的趨勢。

2.2 光溫潛力

光溫生長潛力是在光合生產(chǎn)潛力的基礎(chǔ)上，考慮月平均氣溫的限制作用而計算生成的。通過光溫生長潛力的分布圖2可以看出，溫度是我國橡膠生長的限制因素。在光合生長潛力的2個高值區(qū)之一的云南高原區(qū)，光溫生長潛力下降非常顯著。云南高原區(qū)的大部分土地都因溫度較低以致不適合橡膠生長。僅有海南和云南南部的西雙版納自治州光溫生長潛力仍然比較高。從光溫生長潛力角度來看，西雙版納的生長潛力不及海南島南部，但與海南島北區(qū)相當(dāng)。

2.3 氣候潛力

從圖3可以看出，氣候生長潛力是在光溫生長潛力的基礎(chǔ)上考慮降水的限制因素得到的結(jié)果。橡膠氣候生長潛力的分布與光溫生長潛力的分布基本相同，僅在海南島西南的部分地區(qū)出現(xiàn)了下降的情況。說明在云南的西雙版納與海南島，降水總量與分布足夠保障橡膠正常生長。

2.4 產(chǎn)膠潛力

從圖4可以看出，通過氣候生長潛力反演的橡膠產(chǎn)膠能力來看，我國最適宜橡膠生長的區(qū)域在海南島及云南的西雙版納地區(qū)。廣東省、廣西壯族自治區(qū)、福建省部分沿海地區(qū)屬于次級區(qū)域，其他地區(qū)基本不適宜橡膠生長，產(chǎn)膠量下降明顯。

3 結(jié)論與討論

本研究選取目前世界上應(yīng)用最廣泛的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃模型（AEZ），對我國25°N以南區(qū)域橡膠樹的氣候生產(chǎn)潛力進行了分析，分別通過考慮光照、溫度及降水對橡膠產(chǎn)量的影響，估算了該區(qū)域天然橡膠的生長潛力，并通過天然橡膠的干物質(zhì)分配率計算了天然橡膠的產(chǎn)膠潛力。我國最適宜橡膠生長的區(qū)域在海南島及云南的西雙版納地區(qū)。溫度是制約我國橡膠生長的限制因素，云南高原區(qū)由于溫度限制，橡膠生長潛力下降明顯以致不再適宜橡膠生長。降水（干旱）是海南島西部地區(qū)橡膠生長

的限制因子。本研究的基礎(chǔ)資料較易獲取，便于計算，其結(jié)果能夠反映出制約橡膠生產(chǎn)的氣象因素，對指導(dǎo)橡膠研究方向、尋求解決方案，指導(dǎo)我國橡膠產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高產(chǎn)膠量和膠農(nóng)收入具有重要意義。

該方法還存在一定的不足，未考慮到極端氣候事件的影響。如冷害，橡膠作為多年生作物，遭受1次冷害將制約多年的產(chǎn)量，乃至不適宜橡膠栽培。其次，海南島臺風(fēng)的影響也未考慮[19-20]。在實際生產(chǎn)中，耕作制度、與其他作物的比較收益都尚未考慮，這些因素是復(fù)雜的。因此，橡膠生產(chǎn)布局還須在作物氣候生產(chǎn)潛力的基礎(chǔ)上進一步綜合考慮其他災(zāi)害和經(jīng)濟因素。

參考文獻：

[1]IPCC. Climate change 2007：synthesis report[C]. Contribution of working groups Ⅰ，Ⅱ and Ⅲ to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change，2007.

[2]Steven D G，Adam W，Stephen R K，et al. Simulating greenhouse gas budgets of four California cropping systems under conventional and alternative management[J]. Ecological Applications，2010，20（7）：1805-1819.

[3]Tao F L，Yokozawa M，Hayashi Y，et al. Changes in agricultural water demands and soil moisture in China over the last half-century and their effects on agricultural production[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2003，118（3/4）：251-261.

[4]Zhang J K，Zhang F R，Di Z，et al. The grain potential of cultivated lands in Mainland China in 2004[J]. Land Use Policy，2009，26（1）：68-76.

[5]Wei X，Declan C，Erda L，et al. Future cereal production in China：the interaction of climate change，water availability and socio-economic scenarios[J]. Global Environmental Change，2009，19（1）：34-44.

[6]Chauhan Y S. Potential productivity and water requirements of maize-peanut rotations in Australian semi-arid tropical environments-A crop simulation study[J]. Agricultural Water Management，2010，97（3）：457-464.

[7]Arora V K，Singh H，Singh B. Analyzing wheat productivity responses to climatic，irrigation and fertilizer-nitrogen regimes in a semi-arid sub-tropical environment using the CERES-Wheat model[J]. Agricultural Water Management，2007，94（1/2/3）：22-30.

[8]王紀(jì)坤，王立豐，安 鋒，等. 巴西橡膠樹逆境響應(yīng)基因HbPRX53的克隆與表達分析[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，44（6）：63-70，封2.

[9]李海亮，羅 微，李世池，等. 基于凈初級生產(chǎn)力的海南天然橡膠產(chǎn)膠潛力研究[J]. 資源科學(xué)，2012，34（2）：337-344.

[10]黃進勇，李新平，孫敦立. 黃淮海平原冬小麥-春玉米-夏玉米復(fù)合種植模式生理生態(tài)效應(yīng)研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14（1）：51-56.

[11]Chavas D R，Izaurralde R C，Thomson A M，et al. Long-term climate change impacts on agricultural productivity in eastern China[J]. Agricultural and Forest Meteorology，2009，149（6/7）：1118-1128.

[12]周允華，項月琴，李 俊，等. 一級生產(chǎn)水平下冬小麥、夏玉米的生產(chǎn)模擬[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，1997，8（3）：257-262.

[13]Hutchinson M F. ANUDEM version 5.3 user guide[EB/OL]. （2011-08-09）[2019-05-20]. https：//fennerschool.anu.edu.au/files/usedem53_pdf_16552.pdf.

[14]錢永蘭，呂厚荃，張艷紅. 基于ANUSPLIN軟件的逐日氣象要素插值方法應(yīng)用與評估[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報，2010，26（2）：7-15.

[15]徐金勤，邱新法，曾 燕，等. 浙江茶葉春霜凍害的氣候變化特征分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（22）：101-105.

[16]蔡承智，Velthuizen H V，Guenther F，et al. 基于AEZ模型的我國農(nóng)區(qū)小麥生產(chǎn)潛力分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2007，15（5）：182-184.

[17]朱文泉，潘耀忠，何 浩，等. 中國典型植被最大光利用率模擬[J]. 科學(xué)通報，2006，51（6）：700-706.

[18]華南熱帶作物學(xué)院. 橡膠栽培學(xué)[M]. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1991：32-33.

[19]賀軍軍，文尚華，羅 萍，等. 臺風(fēng)“威馬遜”對雷州半島植膠區(qū)橡膠樹的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，42（24）：80-85.

[20]劉少軍，胡德強，張京紅，等. 海南島橡膠風(fēng)害的重現(xiàn)期預(yù)測[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，44（1）：172-175，封3.楊元智，李建華，廖麗君，等. 重慶市耕地質(zhì)量等別變化及空間分布特征[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（12）：285-291.