内蒙古东北部是全国重要的优质大豆[Glycinne max (L.) Merrill]生产基地, 也是东北大豆产区的重要组成部分, 其种植面积仅次于玉米(Zea mays L.)。2016-2017年, 内蒙古自治区根据市场需求变化, 对种植业进行了科学调整, 破解种植业的玉米作物“一粮独大”问题, 逐步增加东北部地区大豆的种植面积。

气候适宜度方法近几年被广泛用于农作物和气候条件之间适应程度的研究, 主要应用领域为开展气候变化背景下农业气候资源的适宜性评估、农业应对气候变化及合理开发和高效利用农业气候资源等^[1]。

在气候变化对农作物适宜度的评价方面, 陈炳东^[2]总结了气候资源对农作物适宜度影响的一般研究思路、研究内容和研究进展, 指出进行气候变化对于农作物适宜度影响的研究中应当首先进行农业气候资源适宜度模式的建立, 然后根据具体研究方法结合农作物情况进行相关研究计算。随着农业气候适宜度的提出, 国内不少学者对不同尺度区域的农业生态气候适度进行了系统的分析探讨。刘实等^[3]研究了近50年东北地区热量资源变化特征, 得出气温和积温均持续增加利于农作物生长和产量提高; 冶明珠等^[4-5]研究了气候变化背景下东北地区热量资源及玉米温度适宜度变化特征, 得出东北地区热量资源显著增加, 玉米温度适宜度也逐渐升高。在国外, 气候变化对农作物影响的聚集点都是对气候变化潜在的或者已经呈现出来的对农作物产量、水平衡、农业系统组成成分影响等问题展开的分析。Matthews等^[6]对比了1989年在菲律宾调查的气候变化和水稻产量关系的研究, 利用模型模拟量化气候变化和水稻产量的关系, 最后扩展到中尺度甚至大尺度研究; Mestre-Sanchís等^[7]研究表明, 气候变化会导致某些区域作物生境恶化, 随着深入研究进而发现气候变化不仅影响着自然环境及人类社会, 同时还影响了农作物生长的适宜程度。

2000年以来, 国内学者在气候适宜度领域的研究主要集中在4方面: 1)气候要素的适宜度曲线、适宜态与隶属函数的建立。王丽霞等^[8]对山西大同市农业生态气候适宜度进行评价, 拟合出符合区域特点的典型气候要素适宜度隶属函数, 分区计算了农业生态资源指数、效能指数及利用系数。2)农业气候适宜度模型的建立。魏瑞江等^[9]运用模糊数学理论, 结合前人研究成果, 建立了河北省冬小麦(Triticum aestivum L.)温度、降水、日照隶属度模型和气候适宜度模型; 俞芬等^[10]对淮河流域水稻(Oryza sativa L.)的气候适宜及其变化趋势进行分析, 得出淮河流域水稻温度、降水、日照和气候适宜度的区域差异, 将淮河流域分为最适宜区、适宜性区、次适宜区; 刘国成等^[11]建立了基于模糊数学的农业气候适宜度划分方法, 结合专家系统和地理信息系统技术对吉林省农业气候生态适宜度以乡镇为最小单位进行划分; 黄淑娥等^[12]通过对江西省双季水稻生长季温、光、水的需求及当地气候条件进行分析, 建立了双季水稻各生育期光、温、水及气候适宜度评价模型。3)不同尺度农业生态气候资源的分区与评价研究。任玉玉等^[13]对河南省棉花(Gossypium sp.)气候适宜度变化趋势进行分析, 得出气候适宜度总体呈下降的变化趋势, 各地的变化趋势依据热量带和地形地貌的不同有明显的地域差异, 并结合各地的气候资料对各类型的气候适宜度变化原因进行了初步分析。4)运用农业生态气候适宜度理论指导农业生产实际方面的研究。马兴祥等^[14]将生态气候适宜度应用到甘肃省春小麦种植区划中, 用生态气候适应性对春小麦的影响程度和依赖度及产量, 确定生态气候区划综合指标体系将春小麦划分出5级适生种植区划, 并提出利用和开发生态气候资源有效途径; 魏瑞江等^[15]研究了基于气候适宜度的玉米产量动态预报方法, 建立了夏玉米气候适宜度模型和不同时段产量预报模型; 千怀遂等^[16]以河南省冬小麦为例研究了全球气候变化对作物气候适宜性的影响, 分析发现, 受近年来全球变暖的影响, 冬小麦拔节期温度与降水适宜度明显提高。

目前对大豆适应性研究的报道较少。卜坤等^[17]和Fischer等^[18]依据FAO/IIASA发布的GAEZ研究框架, 对三江平原大豆种植进行土壤适宜性评价, 引入了适宜度指数(SI), 对三江平原大豆种植的土地适宜度进行了空间上的比较。东北春大豆种植区是我国大豆第一大产区, 也是我国大豆商品基地, 包括黑龙江、吉林、辽宁3省和内蒙古东北部地区, 因此对东北地区大豆气候适宜性的研究对我国大豆生产具有十分重要的意义。杨显峰等^[19]提出春大豆气候适宜性数学表达方式, 根据春大豆的生育特点及其对环境条件的要求确定了适宜春大豆生长发育的适宜降水区间、适宜气温区间和适宜日照区间, 为运用模糊数学隶属函数的方法建立东北春大豆与温度、日照、降水等气候要素之间的适宜性关系奠定了基础。沈国强^[20]运用MaxEnt模型, 给出了影响东北地区大豆气候适宜性的气候因子综合贡献率, 得到基于所有气候因子的东北地区大豆气候适宜性模型, 进而得出大豆气候适宜性分布的年代际变化。运用隶属函数建立气候大豆适宜度评价模型, 并以适宜度指标作为种植区划因子, 结合地理信息系统进行种植区划, 是总结以往研究成果进行种植区划研究农作物气候适宜性分布的发展趋势。

本文以内蒙古东北部大豆种植基地呼伦贝尔市作为研究对象, 其气候条件和种植面积均可代表内蒙古东北部大豆种植现状。从当地农业部门了解到, 大豆气候资源利用目前存在两大问题:一是遵循传统种植习惯, 大豆种植区域和玉米种植区域没有明确划分, 利用≥10 ℃积温划分大豆种植地区, 远远不能满足生产要求, 缺少专门针对大豆的种植区划; 二是目前大豆种植业中热量和水分资源利用效率较低, 不能充分利用呼伦贝尔大豆种植的丰富水热资源。本文拟对内蒙古东北部大豆种植区的呼伦贝尔市大豆气候适宜度进行分析, 建立大豆气候适宜度划分指标, 并在此基础上进行基于GIS的大豆种植区划研究, 形成较为科学的区划结论。通过本区划可以改变多年以玉米种植区域划分大豆种植区域的模糊种植区划, 高效利用呼伦贝尔市的热量和水分资源, 为发展冷凉地区大豆种植业, 指导大豆生产提供一定理论依据。

1 研究区域概况及资料来源 1.1 研究区自然特征

内蒙古东北部的呼伦贝尔市地处呼伦贝尔高原, 介于115°31′~126°04′E, 47°05′~53°20′N, 境内地形复杂多样, 地势起伏多变, 包括大兴安岭山地、呼伦贝尔高原、河谷平原低地3个较大的地形单元, 大兴安岭呈北东北-南西南走向, 贯穿本区中部, 构成呼伦贝尔市地形的整体。以大兴安岭为界, 全市气温东西差异较大, 大兴安岭山地为寒冷作物带, 西部草原为温凉作物带, 岭东为温和作物带, 且气候资源具有明显的水平地带性(纬向)和垂直地带性, 其中热量资源体现更为明显。

1.2 资料来源 1.2.1 地理信息资料

地理信息数据来源于国家测绘局1:25万地理信息数据, 包括呼伦贝尔市乡镇行政边界、道路、数字高程栅格数据等地理信息资料; 2007年版各市/县、各镇的行政区划图件以及各气象观测站点的经纬度坐标。

1.2.2 气象数据及大豆发育期资料

为了建立小网格推算模型, 本文气象数据以呼伦贝尔市(16个台站)为主, 黑龙江省(富裕、甘南、加格达奇、龙江、讷河、齐齐哈尔、依安)和兴安盟(胡尔勒、阿尔山、索伦、音德尔)等11个台站为辅(主要参与建立模型), 利用连续30年历史气象数据, 包括1987-2016年27个气象观测站点的日平均气温、日降水量数据; 呼伦贝尔市和兴安盟大豆各发育期资料以扎兰屯农业气象监测站资料为准, 黑龙江各站以龙江农业气象监测站资料为准。

2 分析方法 2.1 地理信息资料的处理

应用1:25万地理信息数据, 在地理信息系统平台下, 进行各层地理信息数据的导入、拼接、拓扑运算和投影、配准等图层处理, 最终生成呼伦贝尔市的海拔高度、经度和纬度栅格图层。

2.2 精细化种植区划方法

区划采用气候适宜度分析方法, 计算27个气象监测站30年气候适宜度平均值, 建立气候适宜度与地理信息的小网格推算模型, 充分利用GIS强大的空间分析功能, 结合农业气候相似理论和地域分布规律, 实现由点到面的空间合并, 最终生成基于气候适宜度的大豆种植区划图, 并与传统的≥10 ℃积温区划图进行对比分析, 进行分区评述。

2.2.1 气候适宜度评价模型的建立 2.2.1.1 温度适宜度函数

以往研究表明, Beta函数能较好地反映作物生长与温度的关系, 并且具有普适性, 其值为0~1^[21]。本研究采用该方法进行温度适宜度函数的建立, 计算方法见公式(1)和(2)。

$ F\left( t \right) = \frac{{(t - {t_{\rm{l}}}){{({t_{\rm{h}}} - t)}^B}}}{{({t_{\rm{o}}} - {t_{\rm{l}}}){{({t_{\rm{h}}} - {t_{\rm{o}}})}^B}}} $

(1)

$ B = \frac{{{t_{\rm{h}}} - {t_{\rm{o}}}}}{{{t_{\rm{o}}} - {t_{\rm{l}}}}} $

(2)

式中: F(t)为某一阶段温度适宜度; t为大豆某发育阶段日平均气温; t_l、t_h和t_o分别为大豆各发育期所需的下限温度、上限温度和适宜温度, 参考东北地区春大豆指标体系^[19], 结合内蒙古东部呼伦贝尔市和兴安盟生产实践, 确定大豆各生育阶段三基点温度(表 1)。

2.2.1.2 降水适宜度函数

降水是旱作地区大豆需水的主要来源, 是制约产量的主要气象因子。降水适宜度表征了种植地区大豆各生长发育阶段内的降水量对其生长发育和产量形成的适宜程度。研究认为, 用作物正常生长需水量作为作物生长的适宜水量标准是可行的。

采用以往研究成果, 以0.7倍为旱与正常的分界线, 作物某一生育阶段降水量/需水量 < 0.7时, 出现轻旱; ≥0.7时为降水适宜大豆生长发育^[21]。因此, 降水适宜度模型见式(3)。

$ R(r) = \left\{ \begin{array}{l} \frac{r}{\rm{{E{T}}}_c}\;\;\;\;(r < {\rm{0}}{\rm{.7}}\rm{{E{T}}}_c)\\ {\rm{1}}\;\;\;\;\;\;\;\;(r \ge {\rm{0}}{\rm{.7}}{{\rm{ET}}_c}) \end{array} \right. $

(3)

式中: R(r)为大豆生育期旬降水适宜度, r为某阶段的降水量, ET_c为大豆相应阶段的理论需水量(表 2)。

2.2.1.3 综合气候适宜度模型

由于呼伦贝尔市大豆生长季日照充足, 日照时数不是其生长发育和产量形成的主导因子, 因此进行综合适宜度模型建立时只考虑温度和降水的影响, 所建模型为水热综合适宜度模型。采用层次分析方法(AHP)确定大豆各发育阶段温度和降水的权重值(表 2)。AHP是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次, 在此基础上进行定性和定量分析的决策方法^[22-24]。根据文献, 建立了大豆气温和降水综合气候适宜度模型, 见公式(4)。

$ {S_m} = \sqrt {{T_\rm{m}}{{(t)}^{({\rm{1}} - {b_{j\rm{t}}})}} \times {R_\rm{m}}{{(r)}^{({\rm{1}} - {b_{j\rm{r}}})}}} $

(4)

式中: S_m为某一生育期(具体为该生育期普期至下一生育期普期之间的时间间隔)气候适宜度, T_m(t)为该生育期温度适宜度, b_jt为该生育期温度适宜度的权重系数, R_m(r)为该生育期降水适宜度, b_jr为该阶段降水适宜度的权重系数(表 3)。

2.3 气候适宜度推算模型建立及区划图制作 2.3.1 呼伦贝尔市各地气候适宜度分析结果

计算呼伦贝尔市16个台站温度适宜度、降水适宜度及水热综合适宜度30年平均值, 统计造成各地大豆生长发育不适宜年份并进行原因分析(表 4)。

2.3.2 呼伦贝尔市大豆种植气候适宜度评价指标

根据表 4分析结果, 结合呼伦贝尔地区大豆种植生产实际及相应单产数据进行综合分析、评判, 确定了呼伦贝尔地区大豆种植气候适宜度划分等级标准, 见公式(5)~(7)。

温度适宜度评价模型:

$ F(t) = \left\{ \begin{array}{l} 适宜\begin{array}{*{20}{c}} {}&{} \end{array}{\rm{ }} F(t) \ge {\rm{0}}{\rm{.6}}\\ \begin{array}{*{20}{c}} {较适宜}&{} \end{array}0.4 < F(t) < 0.6\\ 不适宜\begin{array}{*{20}{c}} {}&{} \end{array}{\rm{ }}F(t) \le 0.4 \end{array} \right. $

(5)

降水适宜度评价指标:

$ R{\rm{(}}r{\rm{)}} = \left\{ \begin{array}{l} 适宜\begin{array}{*{20}{c}} {}&{} \end{array}{\rm{ }}R{\rm{(}}r\ge{\rm{)0}}{\rm{.7}}\\ \begin{array}{*{20}{c}} {较适宜}&{} \end{array}0.6 < R{\rm{(}}r{\rm{)}} < 0.7\\ 不适宜\begin{array}{*{20}{c}} {}&{} \end{array} R{\rm{(}}r\le{\rm{)}}0.6 \end{array} \right. $

(6)

水热综合适宜度评价指标

$ {S_{\rm{m}}} = \left\{ \begin{array}{l} 适宜\begin{array}{*{20}{c}} {}&{} \end{array}{\rm{ }}{S_\rm{m}} \ge {\rm{0}}{\rm{.6}}\\ \begin{array}{*{20}{c}} {较适宜}&{} \end{array}0.4 < {S_\rm{m}} < 0.6\\ 不适宜\begin{array}{*{20}{c}} {}&{} \end{array}{\rm{ }}{S_\rm{m}} \le 0.4 \end{array} \right. $

(7)

当温度适宜度或降水适宜度评价指标为不适宜时, 水热适宜度即为不适宜。

2.3.3 呼伦贝尔市大豆种植气候适宜度推算模型

以往研究表明, 气象要素与经度、纬度和海拔的数量关系, 使用三元线性回归模型较三元二次多项式回归模型稳定性强, 因此, 本研究使用多元线性模型。利用27个站点地理信息和温度适宜度、降水适宜度及水热综合适宜度建立多元线性模型(表 5)。

2.3.4 呼伦贝尔大豆种植精细区划图制作

在GIS系统下, 根据生成的经度、纬度和高度栅格图层, 应用表 3的推算方程及适宜度评价模型, 绘制出温度适宜度、降水适宜度及水热综合适宜度区划图。

3 结果与分析 3.1 呼伦贝尔大豆种植的温度适宜度变化及区划

由图 1a可知, 从温度适宜度分析, 呼伦贝尔可满足大豆生长发育需要的区域明显分为两大部分。第1部分为呼伦贝尔市东部的农区, 该区域大豆生长季(5-9月)平均气温在14.7~17.8 ℃, 基本满足大豆生长发育需要。其中扎兰屯市东南部边缘、阿荣旗东南部、莫旗南部温度适宜度在0.6以上, 处于大豆生长发育的温度适宜等级; 扎兰屯市中部、阿荣旗中部、莫旗大部和鄂伦春旗东南部地区温度适宜度为0.4~0.6, 处于较适宜等级。第2部分为大兴安岭以西的牧区, 该区域5-9月平均气温在15.6~17.3 ℃, 可以满足大豆生长期对温度的要求。其中新右旗中部和南部地区温度适宜度为适宜等级, 新右旗北部、新左旗、陈旗大部、鄂温克旗及海拉尔区部分地区处于较适宜等级。

不能满足大豆生长发育对温度需求的区域主要位于大兴安岭山地的广大林区和岭西牧区东部地区, 该区域5-9月平均气温为12.2~15.0 ℃, 大部地区无霜期不足100 d, 种植大豆不能成熟。

3.2 降水适宜度区划结果分析

由图 1b可知, 从降水适宜度分析, 呼伦贝尔大豆生长季降水适宜度由东向西逐渐减小, 地带性明显。第1部分为大兴安岭东麓的东北部地区, 包括鄂伦春旗东北部和莫旗大部地区, 该区域年降水量420~490 mm, 降水适宜度在0.7以上, 处于适宜等级, 出现干旱的几率较小, 水分条件完全可以满足大豆生长发育需要。第2部分为大兴安岭东麓东南部的农区和大兴安岭山地的林区, 包括扎兰屯市、阿荣旗、根河市、牙克石市以及额尔古纳市东部和鄂温克旗东部, 该区域年降水量400 mm左右, 降水适宜度为0.6~0.7, 处于较适宜等级, 水分条件基本可以满足大豆生长发育需要, 但出现干旱的几率较大。第3部分为大兴安岭以西的牧区, 该区域年降水量不足300 mm, 降水适宜度在0.6以下, 处于不适宜等级, 不能满足大豆生长发育对水分的需求。

3.3 水热综合适宜度区划结果分析

由图 2可见, 从水热综合适宜度分析, 呼伦贝尔市大豆适宜种植区域为大兴安岭东麓农区东南端, 与温度适宜度区域基本重合, 包括扎兰屯市东南端、阿荣旗东部和莫旗南部, 水热综合适宜度在0.6以上, 该地区土壤以黑钙土、黑土、暗色草甸土、暗棕壤为主, 地势以平原为主, 土壤肥沃, 水资源丰富。该区的主要气候特点是光热资源最丰富, 雨热同季, 无霜期较长, 年降水量490~520 mm, ≥10 ℃活动积温2 300~2 500 ℃·d, ≥2 ℃无霜期120~130 d。可满足大多数早、中熟大豆品种的生长发育需要, 多数年份可获得较好的收成, 且所产大豆产量和品质都比较高。

大豆较适宜种植区域地处大兴安岭东麓, 适宜种植区的外沿, 水热综合适宜度在0.4~0.6, 该地区土壤以暗棕壤为主, 土壤较为肥沃, 水资源丰富, 主要受热量条件限制。本区气候特点是热量偏少, 雨热同季, 年降水量490~560 mm, ≥10 ℃活动积温1 900~2 300 ℃·d, 只能满足部分早熟品种大豆的生长发育需求, ≥2 ℃无霜期较短, 为110~120 d, 常会受到低温和霜冻的侵袭, 因此该区域内大豆不宜大面积种植, 推广时需要密切关注当年的气候预测, 合理选择大豆品种。

大豆不适宜种植区位于呼伦贝尔市北部林区及西部牧区, 水热综合适宜度在0.4以下。北部林区主要是由于气温偏低, 该地区≥2 ℃无霜期小于115 d, ≥10 ℃活动积温小于1 900 ℃·d, 热量条件不能满足大豆生长的基本要求, 多数年份无法获得收成。该地区以山地为主, 地势崎岖, 森林覆盖度高, 不利于大豆栽培。呼伦贝尔牧区的南部, 新左旗、新右旗的热量条件虽然可以达到较适宜程度, 但年降水量较少, 不能满足大豆生育期内水分要求, 在无灌溉条件下, 不适宜大豆生长, 且此地区以牧业生产为主, 不宜推广大豆种植。牧区北部的热量条件不能满足大豆生长的基本条件, 不宜种植大豆。

4 讨论与结论

呼伦贝尔地区大豆种植没有明确的区划方法和区划图, 多年来以玉米种植积温带界定大豆种植区域, 认为适宜种玉米的区域也适宜大豆种植。目前, 大豆种植区划采用传统的≥10 ℃积温区划和分级判别区划方法, 前者没有考虑水热资源的综合效应, 后者没有体现水热条件对各生育期阶段的不同效应, 本研究利用内蒙古和黑龙江大豆主产区的气候适宜度确定的评价指标, 对内蒙古呼伦贝尔市大豆产区进行了基于适宜度方法的种植区划。

4.1 大豆气候适宜度区划结果与≥10 ℃积温区划结果对比分析

大豆适宜度种植区划图(图 3a)与80%保证率下≥10 ℃活动积温图^[25](图 3b)对比分析发现, 呼伦贝尔市大豆适宜种植区域处于2 300~2 500 ℃积温带, 具体分布于扎兰屯市、阿荣旗南部大部地区; ≥2 500 ℃积温带, 分布于扎兰屯市、阿荣旗及莫旗最东南端边缘, 这两个积温带为春播玉米的中熟区和中早熟区, 为玉米的最适宜和适宜种植区, 这一区域也为大豆适宜种植区域, 与传统种植理念十分吻合。

大豆较适宜种植区域较为广泛, 处于2 100~ 2 300 ℃积温带, 包括扎兰屯市、阿荣旗北部乡镇、莫旗大部乡镇及鄂伦春旗东南部乡镇, 这些地区也是玉米较适宜种植区域; 1 900~2 100 ℃积温带, 包括扎兰屯市、阿荣旗北部边界乡镇及鄂伦春旗中部乡镇, 由于热量资源欠缺和早霜的危害, 该区域为玉米不适宜种植地区, 但可以大力发展大豆种植业, 在不大面积缩减玉米种植面积的同时以增加大豆种植面积。

4.2 大豆气候适宜度区划结果与分级判别区划结果对比分析

参考玉米分级判别区划方法^[25], 选用日平均温度≥10 ℃活动积温、年降水量、日最低气温≥2 ℃无霜期作为大豆区划指标进行区划与本研究区划结果对比分析。由图 4可知, 与分级判别区划结果相比, 气候适宜度判别区划结果中, 大豆适宜种植区域边缘向东南缩减, 区域面积有所减小, 较适宜种植区域边缘向北延伸, 区域面积明显增加。出现差别的原因是分级判别虽然也综合考虑了水热的综合影响效应, 但是以整个发育期的气象条件作为适宜区划因子, 没有考虑作物各个发育期对气象条件需求的动态变化, 而适宜度区划则是在综合考虑作物各个发育期水热适宜程度的基础上, 确定各发育期适宜指标及权重系数, 再确定整个发育阶段的适宜指标, 在此基础上进行区划, 其结果更能体现大豆整个生长期对气候条件的适宜程度, 对扩大种植面积有更科学的理论依据和实用价值。

4.3 气候适宜度区划方法的利弊分析

气候适宜度区划方法不仅综合考虑了热量和水分条件对大豆生长发育的共同影响, 而且考虑了大豆各个生育阶段及全生育期对水热的要求, 所得区划结论比≥10 ℃活动积温区划方法和分级判别区划方法更能真实体现大豆生长全过程对气象条件的具体要求。由于气候适宜度存在诸多计算过程, 需要大豆生长的温度和降水指标作为计算的基础, 因此存在指标确定是否合理的弊端, 温度三基点指标及理论需水量指标仍需在生产实际中进行验证, 区划结论还需不断完善。

4.4 结论

呼伦贝尔市温度适宜度和水热综合适宜度≥0.6为适宜, 0.4~0.6为较适宜, ≤0.4为不适宜; 降水适宜度≥0.7为适宜, 0.6~0.7为较适宜, ≤0.6为不适宜。大豆适宜种植区域为大兴安岭东麓农区东南端, 水热综合适宜度在0.6以上; 较适宜种植区域为大兴安岭东麓, 适宜种植区的外沿, 水热综合适宜度为0.4~0.6;不适宜种植区位于呼伦贝尔市北部林区及西部牧区, 水热综合适宜度在0.4以下, 且1 900~2 100 ℃积温区域不适宜种植玉米地区, 可以大力发展大豆种植业。