内蒙古自治区是我国最大的向日葵产地,2017年种植面积达713 000 hm²,占全国向日葵总种植面积的60.9%,向日葵主要分布在西部的河套平原、土默川平原及东部的赤峰、通辽地区,其中河套平原2018年向日葵种植面积达231 000 hm²,是我国产量最高、种植面积最大的向日葵生产基地。内蒙古部分农区光热资源丰富,往往是一年一熟有余、两熟不足,在春小麦收获后到初霜来临前有80 d以上的生长期,可以种植一些生育期短的经济作物来提高土地利用率和种植效益。因此,向日葵麦后移栽技术应运而生,它是在春小麦收获后种植向日葵,变一茬为两茬的农业生产实用技术,对稳定提高春小麦播种面积以及麦后茬复种指数,有效利用气候资源有重要意义。

近些年,向日葵麦后移栽技术在内蒙古河套灌区得到广泛推广。研究表明^[1,2,3,4],在内蒙古地区,雨日少、晴空多、大气透明度高,日照对向日葵生长无限制,水热条件则是决定麦后移栽向日葵适宜种植的关键因子,尤其是热量条件决定着麦收后种植的向日葵能否正常成熟,而对于旱作农区降水条件则是限制麦后移栽向日葵生长的另一个主要因子。总体来说,麦收后热量条件充足,气温适宜度越高,麦后移栽向日葵生长发育越快,其产量和品质相应越好,可种植的品种越多。一般来说,麦后移栽向日葵需要选择早熟或早中熟品种,如果热量条件好,也可以选择中熟或晚熟品种,以期达到稳产和高产的目的。麦后移栽向日葵生长后期气温逐渐下降,成熟后期遭遇初霜冻风险较大,因此霜冻指标也是影响向日葵种植适宜度的关键因子。向日葵耐低温,特别是秋季向日葵接近成熟,植株体内含水量大幅减少,耐冻程度增大^[2]。根据《作物霜冻害等级》^[5],日最低气温达-3.0 ℃以下,乳熟期向日葵将遭遇重霜冻,植株冠层大部叶片受冻死亡,植株受害率可能高于70%,减产幅度达15%以上。

我国作物气候适宜性区划中,传统的农业气象指标方法因简单直观、易于理解,一直沿用至今^[6,7,8,9,10]。近些年,基于系统科学理论的气候适宜度方法在作物气候适宜性区划中得到普遍应用,该方法充分考虑了不同气象要素对作物生长和产量形成的影响程度,构建了农作物-气候系统的模糊数学模型,相比传统区划方法解释性更强^[11]。在区划指标的空间化方面,利用ArcGIS构建公里或者更细网格的区划指标空间分布模型,可以精确表达复杂地形下区域气候资源分布状况,其方法一般是先建立基于地理信息数据的区划指标推算模型,进而通过ArcGIS的空间代数运算或者空间插值实现指标的格点化^[12,13],但主要局限是在站点稀疏的地区,区划指标格点值与观测值的偏差较大。

内蒙古自治区地域辽阔、气象站点稀疏,基于“3S”技术的区划结果与当前作物气候适宜性区划的精细化要求仍有差距。随着多源数据融合技术的迅速发展,高时空分辨率的多源融合气象格点资料,相比“3S”技术的区划指标空间场在精细化程度上更具优势^[14]。国家气象信息中心发布的CLDAS气温和降水数据集^[15,16],为作物气候适宜性区划提供了高时空分辨率的气候要素格点数据。由于麦后移栽向日葵是近些年推广的农业生产新技术,本文利用国家气象信息中心发布的CLDAS气温、降水数据集和内蒙古119个气象站观测数据,采用传统指标和气候适宜度方法相结合,开展内蒙古地区麦后移栽向日葵气候适宜性区划研究,为该区麦后移栽向日葵技术推广奠定基础。

所用资料包括:1981—2017年内蒙古119个气象站最低气温、平均气温、降水量、日照时数等逐日观测数据和2007—2017年国家气象信息中心发布的CLDAS气温、降水逐小时格点数据集(空间分辨率为1/16°×1/16°)以及第二次土地调查的基础地理信息资料,包括经纬度、海拔、灌溉农区分布,空间分辨率为1 km。CLDAS数据集是对遥感数据、数值模式数据、站点观测资料等多源数据进行融合和同化,得到气象要素格点场,进而驱动NCAR/CLM 3.5(community land model 3.5)模式而生成土壤温湿度场等数据^[15,16]。气温和降水适宜度是基于CLDAS气温和降水格点数据实现空间化。由于CLDAS无日照时数要素,则日照适宜度由地面观测站的日照时数求算,并与站点地理信息构建多元回归模型,在此基础上基于地理信息格点数据实现日照适宜度的空间化。适宜生长日数也是由地面观测资料推算得到,其空间化的方法与日照适宜度相同。将地理信息农田和水浇地的格点数据处理为灌溉占农田比例的精细化格点分布数据。文中内蒙古行政边界是基于内蒙古自治区标准地图服务网站下载的审图号为蒙S(2017)028的标准地图制作,底图无修改。

麦后移栽向日葵气候适宜性区划处理流程如下:(1)在ArcGIS软件下,采用地图代数运算方法,先将CLDAS气温和降水的小时数据分别求平均和求和得到日值数据,进而采用类似的方法处理为旬值数据;(2)利用气温和降水适宜度模型,通过代数运算获得不同生态区麦后移栽向日葵各生育期的气温和降水适宜度格点场,并重采样为公里网格;(3)通过自然降水适宜度和灌溉分布数据的代数运算,进一步获得灌溉区的降水适宜度数据;(4)分别基于站点观测数据的适宜生长日数和日照适宜度与经度、纬度、海拔构建的多元回归模型,利用地理背景数据实现适宜生长日数和日照适宜度的空间化;(5)根据不同生育期和水热要素的权重系数,采用代数运算方法,获得内蒙古不同生态区麦后移栽向日葵全生育期气候适宜度;(6)设置生态区边界外围20 km缓冲区,利用ENVI软件对不同生态区气候适宜度进行无缝镶嵌,并与适宜生长日数进行地图代数运算,最终得到内蒙古麦后移栽向日葵气候适宜区划图。

内蒙古麦后移栽向日葵可划分为播种-出苗、出苗-三对真叶、三对真叶-现蕾、现蕾-开花、开花-成熟5个生育阶段。根据麦后向日葵移栽技术,向日葵幼苗移栽期为三对真叶期,因此本文仅关注此后的3个生育期。内蒙古地域广阔,不同区域气候变化很大,麦收期存在明显差异,在全区麦后移栽向日葵气候适宜区划中采用相同的生育期则不符合实际情况。鉴于此,根据农业气候相似原理,考虑前茬春小麦种植分布,结合向日葵农业气象观测站分布,将内蒙古自治区划分为4个农业气候生态区,分别为东北及阴山北麓、东部偏南、阴山南麓、西部区(图1)。

除河套灌区外,目前麦后移栽向日葵在内蒙古其他地区尚未推广种植,因此需通过向日葵试验观测资料来推测其他地区种植麦后移栽向日葵的生育期。由于前茬种植春小麦,首先根据全区春小麦观测数据和品种区域试验资料确定不同生态区小麦成熟日期,并推后3 d作为向日葵幼苗移栽期,得到西部区、阴山南麓、东部偏南、东北及阴山北麓4大生态区的向日葵移栽期分别为7月16日、7月23日、7月21日和8月17日。根据2012—2014年河套灌区向日葵分期播种试验数据,向日葵三对真叶-现蕾期平均为19 d,5 ℃以上有效积温为341 ℃·d。根据2009—2015年内蒙古各生态区向日葵品种区域试验资料,结合河套灌区农业气象站向日葵观测数据,确定不同生态区早熟和早中熟品种移栽(三对真叶)-现蕾期、现蕾-开花期和开花-成熟期5 ℃以上有效积温。然后,依据“积温法”推算移栽后的现蕾期、开花期和成熟期,并利用各生态区气象站1981—2015年日平均气温推算麦后移栽向日葵的生育期(以旬为起止时间),结果见表1。

依据已有的向日葵农业气象指标和气候适宜区划成果^[17,18,19],结合内蒙古麦后移栽向日葵种植技术和农业气象条件分析,基于合理利用气候资源、发挥地区资源优势的原则,确定内蒙古麦后移栽向日葵气候适宜性区划的关键要素:(1)向日葵移栽至初霜冻的日数或热量条件;(2)移栽后各关键生育期的气候适宜性,即3个生育期光温水要素对向日葵生长发育的适宜程度。

根据气候区划指标选取的否决性原则,移栽至初霜冻日数是决定一个地区能否种植麦后移栽向日葵的关键制约因素,因此选取麦后移栽向日葵适宜生长日数(移栽至初霜的日数)作为否决因子。初霜日定义为1981—2017年80%气候保证率下的初霜日,由地面观测站日最低气温求算得到,其中大兴安岭北麓为9月上旬到下旬,阴山北麓为 9月下旬至10月上旬,大兴安岭南麓、东部偏南、阴山南麓和西部区均为10月上中旬。另外,根据内蒙古向日葵观测数据、分期播种试验和品种试验资料,早熟向日葵移栽至成熟至少需要80 d,因此将麦后移栽向日葵适宜生长日数不足80 d作为否决条件。符合否决条件的地区,不再进行其他要素的分析评价,直接作为不适宜区。

根据气候区划指标选取的综合性原则,气候因子应考虑光、温、水三方面的综合作用,故选取全生育期气候适宜度作为综合区划因子。由于适宜生长日数不低于80 d的区域仍可能因气候条件差而无法满足向日葵生长需求,因此在否决的区域外,根据气候适宜度因子,进一步划分为最适宜区、适宜区、较适宜区、不适宜区4个等级。

气候适宜度可用于分析气候资源对作物发育和产量形成的定量影响,其在作物气候适宜性区划中得到广泛应用^[11]。构建光温水等气候要素的隶属函数,基于各气候要素和生育期的影响权重,计算生长季综合气候适宜度,进而定量评价气候要素对作物不同生长阶段的适宜性。本文利用气候适宜度方法分析光温水条件对麦后移栽向日葵生长的影响。

(1)气温适宜度

将Beta函数^[11]作为气温适宜度的评价模型,其表达式如下:

式中:F(T)_i为麦后移栽向日葵生长季内第i旬的气温适宜度;T_i(℃)为第i旬平均气温;T_L、T₀、T_H(℃)分别为向日葵发育的下限温度、最适温度和上限温度。参考《中国农业气象学》^[20]和《粮食安全气象服务》^[21],并根据内蒙古地区麦后移栽向日葵生产实际进行相应调整,确定不同生育阶段的适宜温度和界限温度指标(表2)。

(2)降水适宜度

参考魏瑞江等^[22,23]的研究,降水适宜度的评价模型为:

式中:F(R)_i是麦后移栽向日葵生长季内第i旬的降水适宜度;R、R_L、R_H(mm)分别为向日葵各生育期旬降水量、旬需水量上限和下限,其中R_L、R_H分别为0.7R₀和1.3R₀,R₀为旬需水量。参考文献[18]、[24],确定内蒙古地区麦后移栽向日葵移栽-现蕾、现蕾-开花和开花-成熟期需水量分别为43.0、180.6 mm和163.4 mm。

内蒙古地区30%的农区配有灌溉设施,为体现灌溉对自然降水的补充效应,先计算自然降水适宜度,再基于灌溉占农田比例的分布数据对其进行订正,得到灌溉背景下的降水适宜度,即在每个格点内将水浇地的降水适宜度设为1,依据格点内水浇地和旱地的分布比例对降水适宜度进行加权,得到灌溉背景下的降水适宜度,订正公式^[25]如下:

式中:F(R)和F(R)'分别为自然降水适宜度和灌溉背景下的降水适宜度;a为每个格点内水浇地占耕地的比重。

(3)日照适宜度

日照适宜度的评价模型如下:

式中:F(S)_i是麦后移栽向日葵生长季内第i旬的日照适宜度;S、S₀(h)分别为旬平均日照时数和适宜日照时数下限值;b为随生育期变化的常数。其中,S₀和b的取值参照气象行业专项《河套灌区主要农作物农业气象预评估技术研究》中向日葵生理指标的研究成果,见表3。

基于观测站点数据的日照适宜度与地理信息构建回归方程,得到空间推算模型:

式中:X₁、X₂分别为经度、纬度;X₃(m)为海拔。拟合后的R²=0.56(P<0.01)。

(4)气候适宜度

麦后移栽向日葵不同生育期对各气象要素的需求不同,且同一生育期各要素的贡献也不同,因此构建旬气候适宜度模型:

式中:F(C)_i为麦后移栽向日葵生长季内第i旬的气候适宜度;a、b、c分别为生育期内气温、降水、日照适宜度的权重,通过产量和适宜度的相关性来确定。

麦后移栽向日葵各生育期气候适宜度加权平均即为全生育期综合气候适宜度:

式中:F(C)为麦后移栽向日葵全生育期综合气候适宜度;m_j为第j(1、2、3)个生育期的气候适宜度权重;$\overline{F(C)_{j}}$为第j个生育期的平均气候适宜度。表4为麦后移栽向日葵各气象要素在不同生育期的权重系数。

(5)适宜生长日数

基于观测站点数据的麦后移栽向日葵适宜生长日数和地理信息数据,得到其空间推算模型为:

式中:X₁、X₂分别为经度、纬度;X₃(m)为海拔。拟合后的R²=0.79(P<0.01)。

由上述方法计算麦后移栽向日葵气候适宜性区划指标,考虑内蒙古地区麦后移栽向日葵实际种植推广情况,确定内蒙古气候适宜性区划等级(表5),并利用ArcGIS绘制各气候要素及综合区划图(图2)。从图2(a)可以看出,在内蒙古西部偏北、中部大部和东部大部地区,麦后移栽向日葵的移栽期至初霜日日数不足80 d,向日葵无法正常成熟,为不适宜种植区,而西部偏西偏南、中部个别地区、东部偏东南地区移栽后积温相对充足,适宜生长日数达80 d以上,有利于向日葵生长发育和产量形成。从全生育期气温适宜度[图2(b)]来看,内蒙古中部大部和东北部地区,麦后移栽向日葵的热量条件普遍不足,无法满足籽粒形成和灌浆需求,其余农区热量条件尚可,总体利于正常发育和成熟。从生长季水分条件[图2(c)]来看,西部偏西、中部偏北和东北偏西地区为全区降水最少的区域,麦后移栽向日葵水分亏缺最为严重,全生育期降水适宜度不足0.25,影响开花和灌浆成熟,而河套灌区、土默川平原和西辽河灌区灌溉条件良好,为降水适宜度的高值区(0.60~1.00)。内蒙古麦后移栽向日葵生长季光照充足,全生育期日照适宜度达0.58以上,且呈现自西南向东北递减趋势[图2(d)]。综合气候要素分析[图2(e)]发现,西部偏西偏北、中部大部和东部大部地区受热量不足和水分亏缺的影响,为麦后移栽向日葵不适宜种植区,其余农区因水热条件差异,为不同程度的适宜种植区。

为验证上述区划结果,利用1981—2017年内蒙古地区气象站观测数据,采用气候适宜度和空间插值方法,绘制了麦后移栽向日葵气候适宜性区划图(图3)。对比2个区划图,发现两者各区划等级分布具有较好的一致性,但CLDAS资料的气候适宜性区划分布对细节描绘更为精细,即相邻等级的过渡更为自然,山地丘陵等复杂地形下气候适宜度变化表现更好。同时,本次区划考虑了灌溉情况,采用水浇地占农田比例的分布数据计算降水适宜度,更加符合田间水分对作物生长的实际影响程度。

(1)最适宜种植区

最适宜种植区主要分布在河套灌区、土默川平原、鄂尔多斯市东部及燕山丘陵区东部和西辽河平原的灌溉农区。由于该区处于黄河和西辽河两大流域,灌溉条件优越,水分不是向日葵正常生长的限制因子。该区域光热充足,生长季气候适宜度为0.70~0.91,热量条件优于适宜区,灌浆期气温仍可维持在较适宜范围,生长后期气温适宜度普遍为0.23~0.42,向日葵基本可以完成灌浆,籽粒成熟度相对较高。除阿拉善盟外,河套灌区后期热量最为充足,可种植向日葵早中熟品种,适当延长生长期,利于增加产量和提高经济效益。

(2)适宜种植区

适宜种植区主要分布在鄂尔多斯市东部、通辽市南部地区。上述地区麦后移栽向日葵适宜生长日数为82~92 d,气温适宜度较高,达0.84~0.93,移栽期至初霜日的热量条件对于向日葵生长和成熟较为充足。其中,通辽市南部气温在移栽-开花期非常适宜,仅在开花-成熟期气温偏低,气温适宜度为0.24~0.30;鄂尔多斯市东部气温在现蕾-开花期略偏低,气温适宜度为0.55~0.76,基本满足向日葵生长需要,但在开花-成熟期热量不足,气温适宜度仅有0.19~0.30,对充分灌浆和成熟不利。鄂尔多斯市东部零星分布着灌溉农区,防灾抗灾能力较强,其余大部地区依靠自然降水,全生育期降水适宜度为0.50~0.70,基本可以满足向日葵生长季水分需求,其中鄂尔多斯东部在现蕾-开花关键期水分亏缺较为严重,降水适宜度为0.35~0.55,而通辽市南部在灌浆期水分不足,降水适宜度约为0.40,易发生阶段性干旱,对向日葵生长和灌浆不利。综上可见,限制该区域向日葵生长的不利气候条件为后期热量不足和关键生育期的阶段性干旱。

(3)较适宜种植区

较适宜种植区分布在巴彦淖尔市东南部、鄂尔多斯市西部、赤峰市东部大部、通辽市中部和西南部的旱作农区,上述地区移栽后光、温、水匹配较好,生育期气候适宜度为0.56~0.70,其中移栽至现蕾期的热量充足,气温适宜度普遍为0.83~0.92;虽然该区域主要为旱作农区,但自然降水基本可以满足向日葵生长需求,生育期降水适宜度为0.49~0.70,同时该区域距黄河和西辽河流域较近,地下水开发利用难度相对较小,部分地区可实现一定程度的灌溉,以补充自然降水的不足,但无灌溉的地区在现蕾-开花期出现干旱的频率较高,影响籽粒形成。9月上旬至10月上旬,该区域麦后移栽向日葵进入灌浆阶段,由于秋季降温较快,后期热量紧张,气温适宜度普遍不足0.26,影响向日葵的灌浆与成熟。因此,该区域可种植早熟品种,且前茬小麦应适期早播,麦熟后尽快收割,使向日葵移栽尽可能提早,以保证其正常成熟的热量需求。

(4)不适宜种植区

不适宜种植区主要分布在西部偏西偏北、中部大部和东部大部地区。其中,阴山北麓和东北部大兴安岭南北麓麦熟较晚,向日葵移栽期一般为8月14—21日,而巴彦淖尔市北部、乌兰察布市南部、赤峰市西部和通辽市个别地区在7月16—21日移栽,移栽后气温呈下降趋势,距初霜日仅有11~79 d,5 ℃以上有效积温为93.2~1068.6 ℃·d,而早熟向日葵三对真叶至成熟至少需要1200 ℃·d的有效积温,热量条件无法满足向日葵正常成熟。因此,该地区麦后不宜移栽向日葵。

在阿拉善盟、鄂尔多斯市西北部和巴彦淖尔市北部,麦后移栽向日葵生长季气候适宜度偏低,在0.44~0.55之间,主要限制因子为降水,向日葵移栽至成熟期间的降水量普遍不足100 mm,部分地区甚至不足30 mm,生育期降水适宜度为0.06~0.42,尤其是8月上中旬的现蕾-开花期,处于营养和生殖并进生长阶段,也是籽粒形成的关键时期,自然降水仅4.4~29.5 mm,降水适宜度仅0.03~0.23,无法满足向日葵正常生长需求,易发生重度农业干旱,加之这些地区主要为沙地,地下水位很低,且距离水源地较远,无法满足作物生长的水分需求,推广麦后移栽向日葵的经济价值很低,也不应盲目种植。

在气候变化背景下,内蒙古自治区气温整体呈显著增加趋势,部分热量条件好的农区麦收后正是温高光足时节,麦后移栽向日葵技术作为一项新的作物复种生产技术,其推广应用对于提高土地利用效率、充分利用气候资源、提高农民种植效益有重要意义。一直以来,内蒙古地区尚未开展过全面系统的麦后移栽向日葵气候适宜性评价及区划工作,近年来随着国家气象信息中心发布的陆面同化系统格点数据在农业气象业务中的应用愈发广泛^[14,15,16],现代农业气象服务产品的精细化水平大幅提高,有效推动了基于田块尺度和位置服务的发展进程。相比传统的基于站点资料和地理信息数据的区划方法^[7-8,19],本文利用CLDAS数据可以获得更为客观精细的气候适宜性区划评价结果,在观测站点分布稀少且空间代表性差的内蒙古自治区,CLDAS资料对于作物气候适宜性区划具有更高的应用价值^[25],其区划结果对于指导现实生产具有更强的针对性。此外,本文还使用了精细化的灌溉农区分布资料,更加全面考虑了灌溉对降水适宜度的影响,从而使麦后移栽向日葵的气候适宜性评价更符合实际。本次区划仅从农业气候角度出发,未充分考虑土壤特性、水资源承载、生态平衡、市场优势等非气候因素的影响,下一步工作需考虑更为全面的区划影响因素^[12],以期进一步提高对农业生产的现实指导。

限制内蒙古麦后移栽向日葵生长的主要因素是热量不足和干旱,其中河套灌区、土默川、西辽河平原灌溉条件良好,适宜麦后移栽向日葵生长发育,而内蒙古中部大部和东部大部地区移栽后热量严重不足,中西部偏北地区降水亏缺严重,麦后移栽向日葵无法完全成熟,为不适宜种植区。

目前,内蒙古麦后移栽向日葵主要在河套灌区示范推广,此次区划结果中河套灌区为最适宜种植区。河套灌区为内蒙古春小麦主产区,仅种植春小麦一茬,种植收益较低,麦收后光热资源充足,移栽向日葵生长后期热量尚可,籽粒成熟度较高,且灌溉设施完善。综合来看,河套灌区是内蒙古地区麦后移栽向日葵最为适宜推广的种植区域。