内蒙古农业生态气候适宜度研究思考

吴国周，张 超

（内蒙古生态与农业气象中心，内蒙古呼和浩特 010051）

气候环境是农业生态环境的重要组成部分，农业气候不仅包括农业气候条件、农业气候资源，还包括农业气候灾害。农业气候资源在一定的适度范围内，量值过大、过小则成为灾害[1]。农业生态气候的研究不仅要反映每个气候要素的综合影响，而且要体现农业生态气候系统的动态特征。气候环境对生物系统的适宜度及其时间变化可以作为生态气候的量度指标和评价标准。

1 农业生态气候适宜度研究进展

1.1 理论提出阶段

20世纪80年代农业生态气候适宜度理论在我国提出，顾恒岳、艾南山、陈国桢等学者从系统科学的角度，探求农业与气候两大系统的相互关系。根据田间作物的生态学实验[2-4]，顾恒岳[5]拟定出气温在从作物停止生长到最适宜生长的取值范围内的适宜度模糊子集，称为温度的适宜度曲线；根据Zadeh有关资料[6]，陈国祯[7]建立了湿度和日照时数的适宜度曲线。适宜度模型被理解为时间t上的Fuzzy子集[8]，表示了气候适宜度随时间的变化过程，动态的概括了气候对农作物的影响。

用气温 T（℃）、相对湿度 R（%）、日照时数 I（h/d）分别代表农业气候三要素随时间的变化，建立资源模型S～c1、效能模型S～c2、 结构模型S～c3，这就是农业气候简单的量化模型，即农业气候适宜度模型；运用多年平均的气象观测资料，可以计算农业气候的资源指数Cr、效能指数Ce、利用系数K；从统计分析、概率预测和动态规划3个方面将模型应用于动态预测[9]。

其中，结构模型中的 α1、α2、α3为权重，均大于0，且α1+α2+α3=1。资源指数表示光温水条件的组合对农作物生长可能提供的气候资源，效能指数表示各气象要素的配合程度，利用系数表示农业生态气候资源在天然条件下作物的实际利用效率。

顾恒岳、艾南山提出了农业气候过程和生态气候过程的概念，认为气候对作物生长的适宜程度及其时间变化是进行分类、区划和评价农业气候的基础，农业气候适宜度模型可用于农业气候的分类与区划，也可作为自然地理区划的基础。两位学者根据年内或生长期内的农业生态气候适宜度模型，在宁夏、甘肃-地区进行农业生态气候分类、农业生态气候区划的研究，建立了基于农业生态气候指数的产量预测模型，建立了针对不同作物在不同生长期的作物生态气候谱和典型年最佳作物组合，研究成果有效地揭示了区域分异规律，得到一组反映不同农业经济结构特色的农业生态气候模型。

总之，20世纪80年代是农业生态气候适宜度理论提出和讨论应用价值的阶段，农业生态气候模型的提出和应用为农业气候资源的客观评价、定量分析以及分类评价奠定了基础[10]。

1.2 理论完善阶段

20世纪90年代，农业气候资源理论不断完善，李继由[11]系统阐述了农业气候资源的理论和在时间、空间和强度上充分利用农业气候资源的方法。晏路明、徐红、黄璜较早地开展了不同研究区域、不同侧重点的模型应用研究。

晏路明[12]深入研究了适宜度模型的建立方法和指标权重的分配方法。首先利用相关分析法，选择8个涉及热量、水分、光照三方面的农业气候指标。根据主要作物生长发育受气候因子影响的变化模式，建立了各气候指标的戒下型隶属函数[13]，具有植物生长指示意义或指标空间分异意义。例如：≥10℃积温的适宜函数如下所示，当μ（x3）分别为0.8、0.5、0.2时，对应的≥10℃积温分别为7000，6000，5500℃，指示福建作物生长发育的3个重要积温分界点。

用主成分分析方法建立评价权重结构，建立农业气候适宜度模型，计算出三类有意义的农业气候指数，客观的揭示了农业气候系统内部的协同配合，以及系统整体功能的发挥程度。

徐红[14]通过生态学的实验方法，以有机体的增长作为气候因子对有机体的适宜度指标，拟定热、水、光三要素的适宜曲线，建立随时间变化的3个农业生态气候指数模型，详细的分析农业气候在时间序列上的演变。虽然文中并未给出具体的适宜度函数和模型建立中各要素的权重，但在分析山东省农业生态气候资源特点方面是相当深入的，证明了指数模型在该地区具有时空指示意义，具有应用价值。

黄璜[15]根据中国红黄壤地区地理特点、种植季节、植物类型，对主要作物生育期进行划分，分别建立温度、日照、降水隶属度函数，并给出了详细的参数值，对1963—1992年不同作物的隶属函数值进行评价。

根据不同作物不同生育时段的温度三基点[16]，建立温度隶属度函数，T表示实际的温度值，TL表示生长的最低温度，TH表示生长的最高温度，Tm1、Tm2表示最适温度的上、下限，b是常数。

以日照时数达可照时数70%为临界点，建立日照隶属度函数，S为实际日照时数，S0为日照百分率为70%的日照时数，b为常数。

降水隶属度函数又分为水稻R1和旱地R2作物两类，a、b、Am1、Am2、b1、b2 均为常数。A 为实际干燥度，AL表示生长的最低干燥度，AH表示生长的最高干燥度，Am1、Am2表示最适干燥度的上、下限。

总之，20世纪90年代的研究重点是在20世纪80年代理论的基础上研究适宜度隶属函数的建立和农业气候适宜度模型优化的方法，并且在不同尺度区域进行模型的应用研究，为之后不同区域、不同作物的应用研究打开了思路、奠定了基础。

1.3 应用研究阶段

2000年后，大量学者开始对农业生态气候资源系统进行分析与研究，农业生态气候适宜度理论进入广泛应用阶段。

初期，甘肃[17-18]、宁夏[19]、青海[20-21]等西北地区[22]以及山西大同[23]都开展了区域的农业生态气候资源研究，及西北地区整体进行了定量分析、分类评价、潜力比较与利用探讨。普遍采用多年逐月平均效能指数模糊动态聚类的方法，将农业生态气候资源划分类型并进行相应的评价。

随后，针对具体作物也有大量研究深入开展，如：冬小麦[24-26]、棉花[27-29]、水稻[30]、玉米[31-32]、油菜[33]、高山反季蔬菜[34]、河西走廊酿酒葡萄[35]等，学者们根据作物生理特征建立温度、光照、降水适宜度函数，并对适宜度年际变化进行分析[36]，再选用不同的权重系数确定方法，建立农业气候适宜度模型，计算农业气候指数。

1.3.1 适宜度函数建立方法 温度适宜度函数的建立方法普遍根据作物生长发育三基点温度。千怀遂、魏瑞江等学者根据马树庆[37]的研究建立公式12；罗怀良、许可根据用模糊数学中模糊子集的升半岭形分布与降半形分布对应取交建立公式13。式中，T是某一时段的平均气温，T1、T2、T0分别是冬小麦在该时段内生长发育的下限温度、上限温度和最适温度，Ts1、Ts2为最适温度的上下限。

降水适宜度函数的建立普遍是根据降水量（R）与作物需水量（R0）的关系。河南、安徽根据蒋定生[38]的研究建立公式14，作物需水量采用朱自玺的需水量经验值。河北、黑龙江根据轻旱、轻涝标准定义需水量的上下限建立降水适宜度函数。河北省（公式15）定义需水量的0.6倍和1.5倍分别为适宜降水量的上限（rl）和下限（rh）；黑龙江（公式16）仅以需水量0.7倍为下限建立降水适宜度模型。

四川根据可供蒸散量ET与农田最大蒸散量ETm的对比关系作为水分订正系数，建立降水适宜度函数。式中，p 为各月降水量，c、kc、α、bw 均为常数，EP为小型蒸发皿的实测蒸发量。

日照适宜度函数普遍采用黄璜建立的日照隶属度函数，如公式9所示。

1.3.2 权重确定方法 权重系数的分配，直接反映了光温水要素在农业气候适宜度模型中的重要性，对正确反映光温水条件的潜力、配合程度以及利用效率有重要作用，使模型具有较好的区划效果。目前，常用的方法包括：专家咨询法、相关系数法、因子分析法、对数加权法、几何平均法、一元积分回归法等。通过对全生育期的光温水适宜度进行分析，客观的反映不同时期生态因子对作物的影响强度。

2 农业生态气候适宜度研究展望

2.1 扩大应用研究区域

目前，针对不同大田作物的温度、降水、光照适宜度函数已经相对成熟，研究区域主要集中在西北、东北和华北部分地区，然而各主要作物的产粮大省并未全面开展这方面的研究，这不利于全面、深入开展我国农业生态气候分类、农业生态气候区划的研究工作。因此，在未来的研究中，应加大研究空白区域的适宜度研究，摸清各地区农业与气候的匹配情况。

内蒙古不同地区的农业生产条件差异较大，自20世纪50年代以来，内蒙古地区温度、降水、日照等观测资料齐全，根据现有适宜度函数可以开展农业生态气候适宜度的研究，同时结合历年的春玉米、春小麦、大豆、马铃薯的品种特点，建立基于本地区主要作物的适宜度函数，有助于指导作物种植结构的调整，更好地为主要粮食作物稳产提供气象保障。

2.2 建立设施农作物的隶属函数

农业生态气候适宜度的研究已经逐渐从区域整体研究角度转换到作物方向，鉴于气象观测资料的来源与方法，学者们目前建立的都是大田作物的适宜性函数和模型，如：冬小麦、水稻、玉米等。设施农业的发展可以有效地解决北方冬季蔬菜供应的问题[39]，并且在增加农民收入、促进农业产业结构调整等方面有重要意义[40]。内蒙古地区以俄罗斯远东市场及蒙古市场为目标建立了东部设施蔬菜外向型基地；以北京、天津、唐山及江苏、浙江、山东市场为目标的中东部环京设施蔬菜基地；以满足城市居民消费为主的中西部环城设施蔬菜基地；以银川市、兰州市为目标的西部出口设施蔬菜基地。内蒙古设施农业栽培作物主要以蔬菜为主，有韭菜、黄瓜、番茄、茄子、青椒等20多个大众类100多个品种，其他作物有瓜类、食用菌类和花卉等。随着设施农业的发展，各种经济作物的气象服务要求不断提高，需要通过生态学的实验方法，参考大田作物隶属函数建立的思路，针对棚内作物生理特征，建立相应的适宜度函数和模型，动态、定量的评价气象适宜程度。

2.3 与WOFOST模型相结合

WOFOST模型引进中国后，人们对作物生长过程的理解更为透彻。学者根据多种手段进行模型参数的调整和验证，证明了WOFOST模型在各地区的适宜性，并建立起了针对不同作物的不同地区的WOFOST模型，广泛地应用于华北平原[41]、东北三省以及江浙地区的冬小麦[42-43]、水稻[44-45]、玉米[46-47]、大豆、马铃薯[48]、甜菜[49]等多种作物的多方面研究中。农业生态气候适宜度研究可以与WOFOST作物模型相结合，应用WOFOST模型模拟玉米生物量[50]，采用优化方法确定基于模拟生物量的玉米不同发育阶段气象适宜程度诊断指标，为农业生态气候适宜度研究开辟了新方法，更好的实现动态、定量评价各生育阶段的气象适宜程度。

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