气候变化对宁夏中部干旱带农业生产潜力的影响

第三节　气候变化对宁夏中部干旱带农业生产潜力的影响

利用宁夏中部干旱带主要站点的气象资料和农作物生长发育资料，根据“机制法”（潜力衰减法）的原理，估算该区域春小麦、玉米的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力。分析作物生产潜力在空间和时间上的变化，然后探讨该区域气候资源利用效率、增产潜力和相应对策研究。

一、作物生产潜力计算方法

国内外学者从不同角度对生产潜力进行了研究，提出了许多有价值的计算模型和方法。目前，生产潜力的计算方法归纳为三大类：机制法（潜力递减法）、趋势外推法和经验公式法。

（一）机制法（潜力递减法）

机制法又称潜力递减法，该方法是建立在生理生态学研究的基础上，依据能量转换、物质运输以及作物生物学特性来估算土地生产潜力。根据研究需要来计算各层生产潜力：光合生产潜力—光温生产潜力—光温水（气候）生产潜力—光温水土（气候—土壤）生产潜力。又以光温阶乘模型、瓦格宁根模型和农业生态区划模型为代表。此方法在理论和模型上都得到了较好的验证，因其物理意义清晰，因果关系明确，是估算生产潜力的最基本方法，用下列模型概况：

　　　　Y_c=Q·ƒ（Q）·ƒ（T）·ƒ（W）·ƒ（S）·ƒ（M）

　　　　　=Y_c·ƒ（Q）·ƒ（T）·ƒ（W）·ƒ（S）·ƒ（M）

　　　　　=Y_c·ƒ（T）·ƒ（W）·ƒ（S）·ƒ（M）

　　　　　=Y_c·ƒ（W）·ƒ（S）·ƒ（M）

　　　　　=Y_c·ƒ（S）·ƒ（M）

　　　　　=Y_c·ƒ（M）

式中：Q为太阳总辐射；ƒ（Q）为光合有效系数；ƒ（T）为温度有效系数；ƒ（W）为水分有效系数；ƒ（S）为土壤有效系数；ƒ（M）为社会有效系数；Y_C为粮食生产潜力。

1.光合生产潜力

光合生产潜力指在作物品种、温度、水分、土壤肥力和农业技术措施等都处在最适宜的状态下，仅考虑太阳辐射量所确定的作物生产潜力。它的研究始于对作物产量和光合生产的研究，被认为是作物产量的理论上限，是作物生产潜力的最高层次。

目前光合生产潜力最常用的模型有：黄秉维光合潜力公式、于沪宁—赵丰收模型和高素华模型。黄秉维经订正和修改参数提出了通用公式：

Y_Q= 0.123Q

式中：0.123为黄秉维系数。此模型已考虑作物全生育期，有相当的精确度。雷军、党安荣等应用黄秉维光合潜力公式研究了区域性光合生产潜力并进行了相应的修正。因其仅考虑太阳总辐射一个参数，是目前计算光合生产潜力最简便的方法。

于沪宁、赵丰收在总结前人成果的基础上，根据光合作用生产过程的划分方法和分析各过程的效率和限制因素，给出了计算光合生产潜力的计算方法，具体计算公式为：

Y_c=∑Q·（1-α）（1-β）（1-γ）（1-ω）（1-ρ）Φ（1-χ）^-1·H^-1

式中：∑Q为太阳总辐射量；α、β为植被光合有效辐射的反射率和投射率；γ为光饱和率；ω为呼吸消耗率；ρ为非光合器官无效吸收部分；Φ为量子转换率；χ为有机物中含水量；H为干物质含热率。

根据此公式，侯光良计算了我国气候生产潜力，并在此基础上对我国气候潜力进行分区；方光迪对三江地区的光热资源和作物生产潜力进行了估算；此外，刘金铜对河北沧州黑龙港地区、沈思渊对淮北涡河流域、周锁栓对陕西宝鸡地区和张强对黄土高原的光合生产潜力进行了相关研究。

高素华提出的作物生产潜力估算模型又考虑了植被的反射率、透射率等影响因素，计算误差较小。徐文修等根据高素华模型计算了新疆棉花光合生产潜力并给予相关分析，取得巨大成功。刘彬对南疆地区的气候资源生产潜力进行分析，认为太阳辐射不是限制作物生产潜力发挥的主要因素。

2.光温生产潜力

作物光温生产潜力是指在水分、土壤条件及其他因子均处在适宜条件下，仅考虑太阳辐射和温度条件所确定的作物单产水平。其实质为光合生产潜力受到当地温度条件限制后的产量，是当前技术水平下，在适宜条件下可达到的作物产量上限。

光温生产潜力的计算方法有两类：一类是在作物光合生产潜力的基础上进行温度修正；另一类是建立光温生产潜力的综合模式。其中温度修正系数法的一般计算公式为：

Y_T= Y_Q·ƒ（T）

式中：Y_T为光温生产潜力（kg/hm²）；Y_Q为光合生产潜力（kg/hm²）；ƒ（T）为温度订正系数（某一时段）。

国内外许多学者通过实验提出了不同的温度系数订正方法，研究并总结出许多有价值的经验公式，但还没有一种通用的公式。最简单的是孙惠南利用无霜期来确定的温度订正系数，计算公式为：

ƒ（T）= N/365

式中：N为无霜期。因无霜期可推算出农作物播种、收获的安全期，在不同气候带之间的变化规律，物理意义比较明确，以天为单位累计，便于计算。

方光迪（1985年）利用三江平原的试验资料，把作物分为喜温和喜凉作物，提出了适合我国的温度分段订正公式：

ƒ（T）=｛[T-G₁（T₂-T）]B｝/[（T₀-T₁）（T₂-T₀）B]

作物：玉米、高粱。

喜凉作物：小麦、大麦、土豆。

喜温作物：大豆、水稻、棉花、番茄

式中：T为作物全生育期日均温（℃）。

Ccellho和Dale根据喜温作物和喜凉作物不同的有效温度范围，利用全生育期日均温（T）建立温度订正函数，已被许多学者接受。其中喜温作物光合作用的有效温度范围是6℃～44℃，在6℃～44℃范围内，不同的温度区段，其光合效率也不相同，其中28℃～32℃是喜温作物的最适温度范围，此温度范围对光合作用不起限制作用。此温度订正分段函数为：

式中：T为作物全生育期日均温（℃）。

侯光良（1985年）对喜凉作物建立的温度订正函数如下：

式中：T₀为最适温度，取20℃；T为实际温度（℃）；a为参数，当T≤T₀时，a=-1；当T＞T₀时，a=-2。采用上述侯光良等的经验公式，周锁栓等对陕西宝鸡地区，李玉娥等对我国冬麦区以及沈思渊等对淮北涡河流域进行了相关土地生产潜力的研究。有学者对中国“三北”地区农业气候生产潜力研究中以作物生长发育和实现高产的三基点温度为基础，确定光合作用的温度订正函数：

ƒ（T）=│（T-T₁）（T₂-T）^B │/│（T₀-T₁）（T₂-T₀）^B│

B=（T₂-T₀）/（T₀-T₁）

式中：T为某时段平均温度；T₁、T₂和T₀分别为该时段内某作物生长发育的下限温度、上限温度和产量形成的最适温度，当T≤T₁时，ƒ（T）=0。

3.气候生产潜力

在光温生产潜力的基础之上进一步进行水分订正，便得到作物气候生产潜力，即假设作物品种、土壤状况和其他农业技术水平都适宜，由光照、温度、自然降水三个因子综合作用下的作物产量，即：

Y_W=Y_T׃（W）

式中：Y_W为气候生产潜力（kg/hm²）；Y_T为光温生产潜力（kg/hm²）；ƒ（W）为水分订正系数。

20世纪60年代，国外学者开始大规模地研究气候生产潜力，我国在80年代也开展了作物气候生产潜力的相关研究。作物气候生产潜力的研究归结为对水分订正系数的研究，多是根据试验资料确定的经验方法，尚无计算水分订正系数的权威模型。

水分订正系数的计算，有龙斯玉模型、邓根云模型、联合国粮农组织（FAO）模型等。龙斯玉利用降水量与蒸发力的比值来表示水分供应的满足度。得出湿生作物（水稻）和旱生作物（玉米和冬小麦）的水分订正系数解析式：

式中：R为降水量（mm）；E₀为蒸发量（mm）。

邓根云通过水分对产量的影响表现在土壤供水量对作物需水量的满足程度，可用土壤含水量与田间持水量之比来计算水分订正系数，即：

ƒ（W）=（u-uW）/（uf-uW）

式中：u为土壤含水量（mm）；uW为作物凋零时的土壤含水量（mm）；uf为田间持水量，均为一定厚度土层所含水分量（mm）。

联合国粮农组织在综合了大量文献资料的基础上，提出用实际蒸腾量与最大蒸散量之比来表示作物缺水对产量的影响。该方法是基于灌溉计划的一种，为较适合估算水分对作物产量影响的公式。该模型在我国应用较广，其公式为：

ƒ（W）= 1-Ky·（1-ETa/ETm）

式中：Ky是缺水敏感系数；ETa和ETm分别是作物的实际蒸散量和作物的需水量（mm）。

（二）经验公式法

该方法是对历史资料进行分析，统计得出某种因子与产量的关系而建立的相关公式。Mitohlich是最早研究这种模型的科学家之一。其中较重要的模型有迈阿密（Miami）模型、桑斯维特纪念（Thomthwaite Memorial）模型、格里纳—里斯（Gessner-Lieth）模型，这些模型计算结果均为气候生产潜力，其中用迈阿密模型计算的结果可靠性只有66%～75%。但这些模型考虑因子较少，操作简单，适用性广泛，适于测算大区域的气候生产潜力。

（三）趋势外推法

趋势外推法是以产量统计为基础，按历史发展趋势，利用指数平滑、自然增长、回归方程、Logistic曲线、灰色模型等方法顺延外推，结果代表了所计算年份的现实生产潜力。这种方法操作简单，不需要详尽的基础资料，而且计算结果直接与具体年份对照，计算近期生产潜力结果较准确，但估算中长期结果准确性较差。

二、宁夏中部干旱带农作物气候生产潜力的研究

利用宁夏中部干旱带主要站点的气象资料和农作物生长发育资料，根据机制法（潜力衰减法）的原理，按照光照、温度、水分逐级订正的过程，分别估算该区域春小麦、玉米的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力。将计算的农作物生产潜力利用GIS软件导入属性数据库，制成该区域农作物各生产潜力空间分布专题图，分析其空间分布特征，并进行纵向比较，进而得出生产潜力在空间和时间上的变化，然后对比分析作物生产潜力与作物实际单产之间的差距，对该区域气候资源利用效率，增产潜力和相应对策研究进行探讨。

（一）研究方法及内容

1.利用机制法计算宁夏中部干旱带农作物气候生产潜力。根据机制法的原理，按照太阳辐射、热量、水分等气候资源对作物产量的影响，分别估算宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力。计算公式如下表示：

　　　　　　　　Y_W= Q·ƒ（Q）·ƒ（T）·ƒ（W）

　　　　　　　　　=Y_Q·ƒ（T）·ƒ（W）

　　　　　　　　　=Y_T·ƒ（W）

式中：Y_W为作物气候生产潜力（kg/hm²）；Y_Q为作物光合生产潜力（kg/hm²）；Y_T为作物光温生产潜力（kg/hm²）；Q为作物生育期太阳总辐射（MJ/m²）；ƒ（Q）为光合订正系数；ƒ（T）为温度订正系数；ƒ（W）为水分订正系数。

2.基于GIS平台，利用ArcGIS和Arcview制作宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光合、光温和气候生产潜力的空间分布规律专题图，分析近32年来代表性地域（灵武和同心）的光温和气候生产潜力的时间演变规律，揭示气候因子对各级生产潜力的影响方式和强度，找出影响该区域生产力提高的限制因子。

3.运用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型估算宁夏中部干旱带草地气候生产潜力，分析研究区年平均气温和年降水量的年际变化规律，对草地气候生产潜力的变化规律进行探讨，对不同气候变化情景下宁夏中部干旱带草地气候生产力的影响进行分析。

4.将计算的作物生产潜力与作物实际单产之间的差距进行对比分析，进而分析中部干旱带农作物光合、光温资源利用率和作物增产潜力，并相应地提出干旱带农作物增产措施。

（二）农作物气候生产潜力的估算

采用机制法计算宁夏中部干旱带农作物的气候生产潜力。机制法又称潜力衰减法，该方法是建立在生理生态学研究的基础之上，被公认为估算生产潜力的最基本方法。利用宁夏中部干旱带主要站点的气象资料和作物生长发育期资料，根据机制法的原理，按照太阳辐射、热量、水分等限制因子依次对光合生产潜力进行逐级衰减，分别估算宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力。农作物气候生产潜力公式见下式：

Y_W=Q·ƒ（Q）·ƒ（T）·ƒ（W）

　=Y_Q·ƒ（T）·ƒ（W）

　=Y_T·ƒ（W）

式中：Y_W为作物气候生产潜力（kg/hm²）；Y_Q为作物光合生产潜力（kg/hm²）；Y_T为作物光温生产潜力（kg/hm²）；Q为作物生育期太阳总辐射（MJ/m²）；ƒ（Q）为光合订正系数；ƒ（T）为温度订正系数；ƒ（W）为水分订正系数。

1.光合生产潜力

作物光合生产潜力（Radiation Potential Productivity，RPP）是指在作物品种、温度、水分、土壤肥力和农业技术措施等都处在最适宜的状态下，仅考虑太阳辐射量所确定的作物生产潜力。光合生产潜力是当地气候条件下作物产量的最高值，在实际生产中很难实现，是研究各级生产潜力的最初起点和依据。作物光合生产潜力的计算通常以作物生育期总辐射量为基本参数，再结合农作物的各项相关生理、生态指标进行计算，其计算公式为：

Y_Q=Q·ƒ（Q）

　=C·S·ε·Φ·（1-α）·（1-β）·（1-ρ）·（1-γ）·（1-ω）·（1-η）^-1·（1-ξ）^-1·q^-1·ƒ（L）·E·EQi

式中：Qi为作物生育期各月总辐射量（MJ/m²）；C为单位换算系数，取值10000.05。

2.光温生产潜力

温度是光合作用的重要影响因素，温度的高低直接影响到生化过程的快慢、光合呼吸及其他生理生化过程的速率。作物光温生产潜力是指在水分、土壤条件及其他因子均处在适宜条件下，仅考虑太阳辐射和温度条件所确定的作物单产水平。实际上是在光合生产潜力的基础之上受到当地温度条件订正而成的产量。本文采用衰减法来订正，其计算公式为：

Y_T=Y_Q·ƒ（T）

式中：Y_T为作物的光温生产潜力（kg/hm²）；Y_Q为作物的光合生产潜力（kg/hm²）；ƒ（T）为作物的温度订正系数，考虑到春小麦和玉米在生育期内的温度特性以及宁夏中部干旱带的实际情况，参照有关学者的研究，采用如下公式进行计算：

式中：ƒ₁（T）为喜温作物的温度订正系数；t为作物生育期月均温度（℃）；ƒ₂（T）为喜凉作物的温度订正系数。其中宁夏中部干旱带春小麦温度订正系数按ƒ₂（T）计算，玉米订正系数按ƒ₁（T）计算。

3.气候生产潜力

水分是影响农业生产潜力中最重要的胁迫因子之一，必须考虑水分对农业生产潜力的制约作用。作物气候生产潜力（Climate Potential Productivity，CPP）是指在光温生产潜力的基础之上进一步进行水分订正而得到的作物气候生产潜力，即假设作物品种、土壤状况和其他农业技术水平都适宜，由光照、温度、自然降水三个因子综合作用下的作物产量。其函数表达式为：

Y_W=Y_T·ƒ（W）

式中：Y_W为作物的气候生产潜力（kg/hm²）；Y_T为作物的光温生产潜力（kg/hm²）；ƒ（W）为水分订正系数，其计算公式为：

式中：ƒ（W）为水分订正系数；K_y为缺水敏感系数（根据联合国粮农组织灌排手册第56卷，春小麦、玉米生育期缺水敏感系数分别为1.15、1.25）；P为农作物生育期降水量（mm）；ETm为作物蒸腾蒸发量（mm）。

4.GIS的功能应用

地理信息系统的基本功能有：数据采集与编辑；数据存储与管理；数据交换和变换；空间分析和统计；产品制作与显示。GIS的应用功能有：资源管理；区域规划；国土监测；辅助决策。本章主要应用到GIS的数据管理、产品制作与显示和数据空间分析等功能。

（三）建立属性数据库

根据研究农作物气候生产潜力的需要，在收集宁夏中部干旱带的同心县、盐池县、中卫市、中宁县、灵武市、青铜峡市、吴忠市7县（市）10个代表性气象台站（同心、盐池、中卫、中宁、兴仁、韦州、麻黄山、灵武、青铜峡、吴忠）的作物生育期气温、降水量、日照时数、相对湿度、风速等气象资料和农作物生长发育资料的基础上，利用ArcGIS软件对各类数据进行编辑和组织，建立宁夏中部干旱带空间数据库、气候数据库和作物数据库，并进行一致性检验和归一化处理，包含类型一致性、编码一致性、单位一致性等，使数据能较好地匹配。

建好属性数据库后，利用GIS对数据库进行空间数据和属性数据匹配连接以及属性数据的赋值，主要是对宁夏中部干旱带各月的太阳辐射、温度、降水、日照时数等要素进行赋值。然后利用上述模型计算农作物的光合、光温、气候生产潜力，以计算的7个县（市）结果为基础，应用ArcGIS的空间分析功能，对宁夏中部干旱带的空间数据进行插值，并生成宁夏中部干旱带春小麦和玉米的光合、光温、气候生产潜力专题图。

（四）光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力分析

依据上述农作物生产潜力的估算方法，计算出宁夏中部干旱带农作物（春小麦、玉米）的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力。下面依次给予叙述。

1.作物光合生产潜力

光合作用是植物与太阳辐射之间发生的最本质联系，太阳辐射是植物进行光合作用的重要能量来源。因此，光合生产潜力是植物通过光合作用所能达到的最高产量，其大小主要取决于太阳辐射量和植物对光能的利用效率。

按照作物光合生产潜力计算公式，估算宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光合生产潜力。结果显示宁夏中部干旱带春小麦光合生产潜力值在15843.64～17023.97 kg/hm²之间，空间分布呈现南低北高，其中，7县（市）春小麦光合生产潜力从高到低排序为：灵武＞中卫＞吴忠＞青铜峡＞中宁＞盐池＞同心；灵武地区春小麦光合生产潜力最高，为17023.97 kg/hm²；同心地区光合生产潜力最低，为15843.64kg/hm²。宁夏中部干旱带玉米光合生产潜力在25972.95～28607.96 kg/hm²之间，空间分布规律与春小麦的光合生产潜力大致相同，总体也呈现出南低北高的趋势，7县（市）玉米光合生产潜力从高到低排序为：灵武＞吴忠＞中宁＞中卫＞青铜峡＞盐池＞同心。

因为作物光合生产潜力是指在作物品种、温度、水分、土壤肥力和农业技术措施等都处于最适宜的状态下，仅考虑太阳辐射量所确定的作物生产潜力。同时，作物光合生产潜力是机制法逐级订正模型的第一级，它直接影响到其后每一级作物生产潜力的数值。因此，光合生产潜力的计算精度非常重要，造成宁夏中部干旱带作物光合生产潜力差异的主要原因与该区域光能资源的太阳辐射量、日照时数和日照百分率有关。中部干旱带北部地区的光能资源比南部地区的高，以玉米生育期太阳辐射量和日照时数为例，研究区北部玉米生育期太阳总辐射在3250MJ/m²以上，中部地区为3100MJ/m²左右，而南部地区最低，如同心县仅为2900MJ/m²左右。日照时数也以区域北部地区最高，在1400小时；南部地区日照时数最低，为1350小时。研究区春小麦生育期太阳总辐射量和日照时数的空间分布规律和玉米相同，也为南低北高：区域南部的同心地区春小麦生育期太阳总辐射量和日照时数仅为2344.76MJ/m²和1117.03小时；区域北部的灵武春小麦生育期太阳总辐射量和日照时数则分别达到2519.42MJ/ m²和1164.83小时，太阳辐射强度大，总辐射量强，日照时数长，日照百分率大，从而有利于植物干物质的积累。

2.作物光温生产潜力

温度是植物生长发育不可或缺的重要环境因子之一。其中，温度对植物光合作用有显著的影响，每种农作物在不同生育期都有一定的温度适宜范围和最适温度，否则光合作用将无法进行，光温生产潜力也就难以发挥。作物生育期的太阳辐射和温度共同对作物光合产量起制约作用，可以理解为农作物生产量的上限，也可反映出该区域的最大粮食生产能力。

根据温度订正系数公式，对宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光合生产潜力进行温度订正，从而得到中部干旱带春小麦和玉米的光温生产潜力。宁夏中部干旱带春小麦光温生产潜力在11643.12～13109.27kg/hm²之间，同样的研究区北部春小麦光温生产潜力高于南部，7县（市）春小麦光温生产潜力从高到低排序为：灵武＞青铜峡＞中宁＞吴忠＞中卫＞同心＞盐池。中部干旱带玉米光温生产潜力的最低值出现在同心地区，为14902.03kg/hm²；最高值出现在灵武地区，为17691.80kg/hm²，7县（市）玉米光温生产潜力从高到低排序具体为：灵武＞中宁＞青铜峡＞吴忠＞中卫＞盐池＞同心。因为作物光温生产潜力是在作物光合生产潜力的基础上用温度订正而来的结果，所以中部干旱带春小麦和玉米的作物光温生产潜力空间分布规律跟作物光合生产潜力大体上一致，都是由南向北逐渐升高。因为中部干旱带各地农作物生育期的温度满足其生长发育的程度不同，作物光温生产潜力随作物生育期的平均温度而变化，故出现了光温生产潜力不同于光合生产潜力的空间分布区域。

3.作物气候生产潜力

水分对植物生长发育起着十分重要的作用。水分的多少直接决定了植物光合作用和其他生理生化活动能否顺利进行，进而影响到植物生物量。在自然状态下，水分对作物生产潜力起着抑制作用，其影响大小取决于降水的供应状况。当作物生育期内的需水量得不到充分满足时，作物的生产能力将降低，进而影响到生产潜力的发挥。同时，降水量又是很不稳定的气候因子，所以水分条件是影响作物生产潜力发挥的主要限制因子。

图1-15　玉米生育期太阳总辐射及日照时数

通过水分订正系数公式，对宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光温生产潜力进行水分订正后，得到研究区域春小麦、玉米的气候生产潜力。从结果来看，宁夏中部干旱带春小麦和玉米的气候生产潜力相对较低，与各自的光合生产潜力差异很大。其中，研究区春小麦气候生产潜力仅为257.95～1586.38kg/hm²，最低值出现在青铜峡地区为257.95kg/hm²；最高值出现在盐池地区为1586.38kg/hm²，7县（市）春小麦气候生产潜力从高到低排序为盐池＞同心＞吴忠＞灵武＞中卫＞中宁＞青铜峡。玉米气候生产潜力为387.79～2618.85kg/hm²，7县（市）玉米气候生产潜力从高到低具体排序为：盐池＞同心＞吴忠＞灵武＞中宁＞中卫＞青铜峡。宁夏中部干旱带春小麦和玉米气候生产潜力的空间分布规律跟光合、光温生产潜力的规律相反，表现为南高北低。这主要是因为该区域春小麦和玉米生育期降水量由南向北逐渐减小，导致水分订正系数由南向北逐渐减小，从而使气候生产潜力形成由南向北逐渐减小的变化。从玉米生育期降水量来看，在研究区南部，盐池、同心两地玉米生育期降水量最大，分别达到了243.04mm和226.81mm；而研究区北部的青铜峡，玉米生育期降水量则只有161.63mm，远达不到玉米生育期需水量。

作物气候生产潜力反映了在当地气候条件下，不计灌溉，由自然降水所决定的作物产量可能达到的最大值，也是通过农业生产措施后尽可能达到的作物产量水平。由于研究区处于干旱气候带，年降水量只有200～400mm，月最大降水量也只有65mm，且蒸发强烈，自然降水远远不能满足作物生长需求，所以宁夏中部干旱带春小麦、玉米气候生产潜力很低。为使宁夏中部干旱带的光、热资源得到充分利用，需要对中部干旱带农作物进行灌溉，使其产量接近于光温生产潜力，即水分条件不再是影响该区域农作物生产潜力发挥的主要障碍因子。

综合分析宁夏中部干旱带农作物生产潜力，研究区农作物所需的光、热等气候资源相对充足，不是影响作物产量提高的限制因素；而研究区作物生育期降水量不足或作物生长发育期对水分的需求与降水分配不均，严重阻碍了光、热等气候资源的利用效率，降水量是影响宁夏中部干旱带农业生产潜力水平发挥的决定因素，温度对农业生产潜力的影响较小。

（五）宁夏中部干旱带作物生产潜力的年际变化

为分析宁夏中部干旱带作物生产潜力的逐年变化规律，选择具有区域代表性的处于研究区南部的同心县和研究区北部的灵武地区作为研究对象，由于太阳辐射逐年变化不明显，故只分析两地1975～2006年春小麦、玉米的光温生产潜力和气候生产潜力年际变化规律。

1.宁夏中部干旱带春小麦生产潜力的年际变化规律

宁夏中部干旱带灵武地区1975～2006年，春小麦光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力多年平均值分别为17023.97kg/hm²、13109.27kg/hm²、434.16kg/hm²。其中，该地区春小麦光温生产潜力在11584.81kg/hm²（1976年）和14257.58kg/hm²（2005年）之间，均值为13109.27kg/hm²，为春小麦光合生产潜力的77%。由于该地春小麦生育期温度的年际变化不大，经温度的衰减作用（温度订正系数ƒ（T）在0.681～0.838之间）后，光温生产潜力变化幅度较小，可以看出，灵武和同心两地的光温生产潜力从1996年以后，出现一个明显上升期。

灵武地区春小麦气候生产潜力的波动范围在112.86～3169.35kg/hm²之间，最小值出现在2005年，最大值出现在1998年，均值为434.16kg/hm²。可以看出，该地春小麦气候生产潜力变化幅度大，这是因灵武地区降水量的年际变化分布不均导致的；也反映出即使该地光热资源相对丰富，光温生产潜力较高，但降水量明显减少，致使该地气候生产潜力降低明显。总之，作物生产潜力是某区域的光、热、水等气候资源相互匹配的结果，只单纯地增加某一气候因子并不一定能使该区域的作物产量得到增加。

由于同心县地处中部干旱带南部，纬度较低，影响光合生产潜力和光温生产潜力的太阳辐射量和作物生育期温度较低，因此同心县的光合生产潜力和光温生产潜力明显低于研究区北部的灵武地区。受温度条件的限制，温度订正系数为0.684～0.838，该地区春小麦光温生产潜力在10831.77～13282.25kg/hm²之间，均值为12077.77kg/hm²，是光合生产潜力的76.23%。同心县位于研究区南部，作物生育期降水量比灵武地区相对较多，因而同心的水分订正在研究区域中处于较高水平，经水分订正后的春小麦气候生产潜力为339.02～3444.18kg/hm²，均值为1375.57kg/hm²，明显高于灵武地区。这是因为同心县的降水量（春小麦生育期平均降水量为156.73mm）高于灵武地区降水量（春小麦生育期平均降水量为111.43mm），导致同心县水分订正系数（0.114）远高于灵武地区水分订正系数（0.033）。

2.宁夏中部干旱带玉米生产潜力的年际变化规律

宁夏中部干旱带玉米生产潜力的年际变化规律与春小麦的变化规律基本一致。灵武地区玉米光合、光温、气候生产潜力多年平均值分别为28607.96kg/hm²、17691.80kg/hm²、564.48kg/hm²，其中灵武地区1975～2006年经温度订正系数[ƒ（T）在0.552～0.672之间]后的玉米光温生产潜力介于15803.04kg/hm²（1976年）～19235.99kg/hm²（2005年），均值为17691.80kg/hm²，为光合生产潜力的61.84%。同心县玉米光温生产潜力在13803.76～17079.81kg/hm²，均值为14902.03kg/hm²，是光合生产潜力的57.38%。

灵武地区32年来玉米气候生产潜力变化范围为171.85～3494.03kg/hm²，均值为564.48kg/hm²，年际变化幅度大。造成灵武地区玉米气候生产潜力年际变化幅度大的主要原因是降水量的年际分配不均。灵武地区水分订正系数的多年平均值为0.032，而同心地区为0.138，从而造成了同心地区玉米气候生产潜力远高于灵武地区，同心地区玉米气候生产潜力的多年平均值为2054.38kg/hm²。

（六）不同气候变化情景对玉米气候生产潜力的影响

1.温度变化对宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力的影响

假定年降水量不变（保持32年平均水平），作物生育期平均气温升高1℃，宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力的变化百分率为6.47%～10.36%。说明宁夏中部干旱带玉米在现有降水量条件下，温度升高有利于增加玉米产量，但增加幅度不大。其中，同心县的玉米气候生产潜力对温度的变化比较敏感，变化幅度达10.36%。假定年降水量不变，作物生育期平均气温降低1℃时，宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力变化百分率为-6.97%～-3.58%，略有减小，不过变化幅度依然较小。

表1-1　单一因子不变情景下玉米气候生产潜力变化百分率

2.降水变化对宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力的影响

假定作物生育期平均气温不变（保持32年平均水平），在玉米生育期降水量减少20%时，宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力的变化百分率为-56.27%～-48.38%。玉米气候生产潜力减小明显，绝大多数地区减少40%以上，干旱带东南部减少最为明显，同心地区变化幅度最大，减少56.27%；中卫市的变化幅度最小，但也达到了48.38%。由此可见，当作物生育期温度保持不变，降水减少20%时，对干旱带作物气候生产潜力的影响很大。当假定年平均气温不变（保持32年平均水平），玉米生育期降水量增加20%时，宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力的变化百分率为48.93%～74.71%。绝大多数地区玉米气候生产力增加幅度大于50%。

3.温度和降水对宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力的综合影响

前面分析了气温或降水有一项不变的特定情况下，另一项变化对玉米气候生产潜力的影响，只是说明了温度与降水对气候生产潜力的影响程度。但实际的环境中，各要素之间的变化不是确定的，而是一个综合的影响过程。在全球气候变化背景下，结合当地目前的气候条件，就气温和降水两个气象要素而言，分成暖湿型、暖干型、冷湿型和冷干型四种气候变化情景讨论其对宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力的影响。

表1-2　不同气候变化情景下玉米气候生产潜力的变化

（1）暖湿型气候对玉米气候生产潜力的影响：当玉米生育期平均气温升高1℃，玉米生育期降水量增加20%时，宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力均呈增加趋势，增加率在49.91%～77.81%之间。这说明暖湿型气候对植物干物质积累最有利，其中灵武和盐池地区的增加幅度最大。

（2）暖干型气候对玉米气候生产潜力的影响：当年平均气温升高1℃，年降水量减少20%时，宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力的变化百分率为-44.64%～-54.29%。说明暖干型气候总体上使玉米气候生产潜力降低，其中干旱带东南部变幅较大。

（3）冷湿型气候对玉米气候生产潜力的影响：当年平均气温降低1℃，年降水增加20%时，干旱带玉米气候生产潜力变化百分率为43.59%～69.54%，盐池地区变化幅度最大。冷湿型气候也有利于玉米气候生产潜力的增加，说明当地植被受温度的影响较小，降水的作用最大，即使温度略有降低，但只要降水增加，玉米气候生产潜力也会增加。

（4）冷干型气候对玉米气候生产潜力的影响：当年平均气温降低1℃，年降水量减少20%时，宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力的变化百分率为-41.59%～-51.49%。分析说明冷干型气候对宁夏中部干旱带玉米气候生产潜力极为不利，青铜峡和中卫两地减小幅度较低。

4.研究结论

（1）宁夏中部干旱带春小麦光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力分别为15843.64～17023.97kg/hm²、11643.12～13109.27kg/hm²、257.97～1586.38kg/hm²；玉米光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力分别为25972.95～28607.96kg/hm²、14902.03～17691.80kg/hm²、387.79～2618.85kg/hm²。综合分析得出，研究区有较好的太阳辐射资源和热量资源，而水分是限制该区域作物生产潜力发挥的主要因素。春小麦和玉米的光合、光温、气候生产潜力大体上呈现出纬向分布：光合、光温生产潜力呈现出南低北高的空间规律，气候生产潜力则呈现出南高北低的空间分布规律。

（2）宁夏中部干旱带春小麦生产潜力的年际变化与玉米的年际变化规律基本一致。灵武、同心两地春小麦的光温生产潜力年际变化分别在11584.81～14257.58kg/hm²和10831.77～13282.25kg/hm²之间；气候生产潜力两地的年际变化分别在112.86～3169.35kg/hm²和339.02～3444.18kg/hm²之间。说明研究区太阳辐射资源和热量资源的年际变化范围较小，而影响该区域作物产量波动的主要因素是降水量的年际波动。

（3）宁夏中部干旱带草地气候生产潜力年际变化范围为2668.56～7499.53kg/hm²，潜力较大。盐池和同心地区气候生产潜力较大，且具有较好的稳定性；青铜峡、中宁和中卫一带的气候生产潜力较小，同时稳定性较差。

（4）宁夏中部干旱带草地气候生产潜力总是和气温生产潜力、降水生产潜力中相对较少的一项变化趋势相一致。研究区各区域年降水量与气候生产潜力的相关系数为0.984～0.997，呈极其显著的线性相关，而年均温与气候生产潜力没有显著相关性。水分条件是制约宁夏中部干旱带草地生产力的关键因子。

（5）气候变化对研究区草地气候生产潜力影响显著，降水量对草地气候生产力的影响远大于温度对其的影响。暖湿型气候最有利于牧草干物质的积累，而冷干型气候对草地气候生产力最为不利。

（6）宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光合资源利用率分别在3.85%～28.98%和21.06%～32.06%之间；春小麦、玉米的光温资源利用率分别在5.28%～38.03%和36.62%～55.87%之间；春小麦、玉米生产潜力指数平均为72.70%和56.93%，可挖掘的生产潜力很大。

由于作物生产潜力的研究是一个涉及生态学、农学、气象学和土壤学等多学科领域的问题，所以，长期以来一直受到相关学者的广泛关注。作物气候生产潜力是指充分利用当地的光照、温度、水分等气候资源，而其他条件（如土壤养分、二氧化碳含量、耕作水平等）处于最优状况下，单位面积土地上可能得到的最高农业产量。