基于GIS的遼寧省大豆種植氣候區(qū)劃

王 瑩，張曉月，焦 敏，王賀然，王 婷，張 琪，黃 巖，馬 林，王若男

（1．遼寧省氣象科學(xué)研究所，遼寧沈陽(yáng)110166；2．遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧沈陽(yáng)110166）

基于GIS的遼寧省大豆種植氣候區(qū)劃

王 瑩1，張曉月1，焦 敏1，王賀然1，王 婷1，張 琪1，黃 巖1，馬 林2，王若男2

（1．遼寧省氣象科學(xué)研究所，遼寧沈陽(yáng)110166；2．遼寧省氣象裝備保障中心，遼寧沈陽(yáng)110166）

為遼寧省大豆種植合理布局提供依據(jù)，利用1981—2015年遼寧省54個(gè)氣象臺(tái)站的氣候資料、大豆產(chǎn)量及大豆生育期資料，根據(jù)大豆生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氣象條件的要求，確定氣候區(qū)劃指標(biāo)，采用GIS技術(shù)對(duì)大豆各區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格推算并予以空間分析，進(jìn)而將全省大豆種植劃分為適宜種植區(qū)、次適宜種植區(qū)和不適宜種植區(qū)3個(gè)區(qū)域。通過(guò)分區(qū)評(píng)述和分析，提出遼寧省發(fā)展大豆種植的合理建議。

大豆；GIS；種植氣候區(qū)劃；遼寧

大豆種子含有豐富的蛋白質(zhì)，在我國(guó)普遍種植，近20年來(lái)播種面積僅次于水稻、小麥和玉米，位居第四［1］。我國(guó)有東北春播大豆區(qū)和黃淮海流域夏播大豆區(qū)兩大大豆主產(chǎn)區(qū)，兩大主產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量占全國(guó)大豆產(chǎn)量的3／4以上。大豆是短光照性作物，適宜在溫暖、水量充沛的環(huán)境下生長(zhǎng)，故以東北大豆質(zhì)量最優(yōu)。遼寧省位于東北春大豆區(qū)的最南端，全省年日照時(shí)數(shù)為2 100～2 600h，年平均氣溫為7～11℃，年降水量為600～1 100mm，無(wú)霜期在150d以上。遼寧積溫高，作物生育期長(zhǎng)，光、熱、水資源條件較優(yōu)，具有較高的大豆生產(chǎn)潛力，是大豆的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)。目前，遼寧省現(xiàn)有大豆耕地面積10．64萬(wàn)hm2，主要分布在沈陽(yáng)、大連、錦州、阜新、遼陽(yáng)和鐵嶺等市縣［2］。遼寧省氣候條件復(fù)雜多變，大豆種植適宜性有較大地區(qū)差異，因而在生產(chǎn)上對(duì)大豆種植進(jìn)行氣候適宜性分區(qū)具有重要意義?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于大豆的研究主要集中在大豆種植品種的演變、生產(chǎn)現(xiàn)狀分析、高產(chǎn)種植技術(shù)等的研究［3－5］，關(guān)于大豆適宜栽種區(qū)劃方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，根據(jù)大豆各生育期對(duì)氣候資源的要求，提出大豆種植氣候區(qū)劃指標(biāo)，以此為基礎(chǔ)形成遼寧省大豆種植氣候區(qū)劃顯得尤為重要。筆者以遼寧省氣象要素和大豆產(chǎn)量資料為基礎(chǔ)，充分考慮大豆生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)氣候特點(diǎn)，通過(guò)大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)的確定與分析，應(yīng)用Arc－GIS10．0建立指標(biāo)因子的小網(wǎng)格推算模型，揭示遼寧省適宜種植大豆的空間分布規(guī)律。旨在充分利用自然氣候資源，對(duì)遼寧省大豆種植進(jìn)行合理布局，實(shí)現(xiàn)大豆穩(wěn)產(chǎn)增收。

1資料與方法

1．1資料來(lái)源

1．1．1氣象資料 常規(guī)氣象資料來(lái)自遼寧省氣象局的54個(gè)氣象臺(tái)站，分析年代為1981—2015年，主要包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量和日照時(shí)數(shù)。

1．1．2地理信息資料的來(lái)源 基礎(chǔ)地理信息資料來(lái)自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心（NGCC），比例尺為1∶250 000，主要包括地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)和地名數(shù)據(jù)。

1．1．3大豆產(chǎn)量資料 大豆產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)自于遼寧省統(tǒng)計(jì)局，分析年代為1981—2015年，主要為遼寧省每年大豆單位面積產(chǎn)量。

1．2研究方法

1．2．1大豆產(chǎn)量資料 根據(jù)影響作物產(chǎn)量形成的各種因子和實(shí)際研究的需要，將作物的產(chǎn)量分解為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量［6－7］，即：

式中，Y為作物單產(chǎn)；y（t）為趨勢(shì)產(chǎn)量，是反應(yīng)水肥、品種、栽培管理等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的長(zhǎng)周期產(chǎn)量分量；y（w）為氣象產(chǎn)量，是受氣象要素影響的短周期產(chǎn)量分量，以1a為周期。

用直線滑動(dòng)平均方法模擬趨勢(shì)產(chǎn)量［8－9］，滑動(dòng)步長(zhǎng)取11。求得趨勢(shì)產(chǎn)量后，則y（w）＝Y(jié)－y（t）。

氣象產(chǎn)量為不受時(shí)間、空間和農(nóng)業(yè)技術(shù)水平影響的相對(duì)氣象產(chǎn)量，不同地區(qū)之間具有可比性。將不同生育期內(nèi)的各氣象要素與大豆單產(chǎn)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)合大豆生長(zhǎng)發(fā)育的適宜條件，確定大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)。

1．2．2小網(wǎng)格推算模型的建立 利用統(tǒng)計(jì)軟件，將大豆區(qū)劃指標(biāo)要素與地理經(jīng)度、緯度和海拔高度通過(guò)多元逐步回歸方法，建立小網(wǎng)格推算模型［11－12］，在此基礎(chǔ)上，在ArcGIS的支持下實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要素的推算。

2結(jié)果與分析

2．1大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)的確定

大豆屬短日照作物，較喜溫暖又比較耐冷涼，是旱田作物中較喜水的作物。大豆經(jīng)歷營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)兩個(gè)過(guò)程，其生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)時(shí)期受溫度、降水和日照等氣象因素的直接影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，遼寧省大豆在4月下旬至5月上旬播種，9月下旬收獲。因此，以5月上旬至9月下旬為遼寧省大豆的生長(zhǎng)期，將大豆生育期劃分為5個(gè)階段：即5月上旬至下旬為播種出苗期，6月上旬至下旬為幼苗分枝期，7月上旬至下旬為開(kāi)花結(jié)莢期，8月上旬至下旬為鼓粒灌漿期，9月上旬至下旬為成熟收獲期。利用大豆產(chǎn)量資料分別與以上生育期各旬不同生育時(shí)段的平均氣溫、最高氣溫、平均最低氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)5個(gè)氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析（表1）可知，大豆產(chǎn)量與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)中，只有少數(shù)能通過(guò)0．05顯著性檢驗(yàn)，由此篩選出影響遼寧省大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子和關(guān)鍵生育期。與大豆產(chǎn)量相關(guān)程度最高的是鼓粒灌漿期的平均溫度、鼓粒灌漿期的平均最高溫度、鼓粒灌漿期的降水量和開(kāi)花結(jié)莢期的日照時(shí)數(shù)（均通過(guò)0．05的顯著性水平檢驗(yàn)）。故選取這4個(gè)氣候因子為大豆區(qū)劃的指標(biāo)因子。

大豆開(kāi)花結(jié)莢期需適宜的光照，有研究表明［10］，開(kāi)花結(jié)莢期日照時(shí)數(shù)大于237h不利于大豆產(chǎn)量的形成。鼓粒灌漿期是大豆生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，要求溫度適宜，水分充足。大豆鼓粒灌漿期溫度在18～23℃為宜，低于14℃則影響其生長(zhǎng)；平均最高溫度達(dá)到25℃時(shí)生長(zhǎng)緩慢，超過(guò)30℃則發(fā)生熱害；大豆在此發(fā)育階段需水量較多，至少為110mm降水量。根據(jù)大豆各生育期對(duì)氣象條件的要求，確立遼寧省大豆種植適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)的氣候區(qū)劃指標(biāo)（表2）。

表1 大豆產(chǎn)量與生育期內(nèi)各氣象要素線性相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients of yield and various climatic indexes of soybean in growth period

表2 遼寧省大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)Table 2 Soybean climatic regionalization indicators in Liaoning Province

2．2建立區(qū)劃指標(biāo)的地理推算模型

為反映大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)的立體多樣性，客觀地描述指標(biāo)要素的實(shí)際分布情況，需建立指標(biāo)要素與地理因子的關(guān)系模型，運(yùn)用現(xiàn)有的臺(tái)站觀測(cè)資料，推算出無(wú)資料地區(qū)的指標(biāo)要素狀況。本研究中，利用大豆區(qū)劃指標(biāo)要素分別與地理因子（海拔高度h、經(jīng)度λ、緯度）通過(guò)多元逐步回歸建立小網(wǎng)格推算模型［12］。從表3看出，區(qū)劃因子與海拔高度、經(jīng)度、緯度的相關(guān)性較好。以此模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用ArcGIS軟件實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)要素的網(wǎng)格推算，為區(qū)劃作準(zhǔn)備。

表3 遼寧省大豆種植氣候區(qū)劃指標(biāo)要素推算模型Table 3 Prediction model of climatic regionalization indicators for soybean planting in Liaoning Province

2．3遼寧大豆種植區(qū)劃

2．3．1氣候區(qū)劃指標(biāo)的空間分布 從圖1看出，遼寧省7月日照呈西北—東南方向分布，即西北方向光照較強(qiáng)、東南方向光照較弱，其中阜新西北地區(qū)、朝陽(yáng)大部地區(qū)和葫蘆島局部地區(qū)歷年7月日照時(shí)數(shù)大于237h，影響大豆開(kāi)花結(jié)莢，不利于產(chǎn)量的形成。遼寧省8月平均氣溫均大于14℃，有利于大豆的生長(zhǎng)發(fā)育；8月平均最高氣溫均小于30℃，不會(huì)對(duì)大豆鼓勵(lì)灌漿造成不利影響；8月降水具有西北小于東南的特點(diǎn)，與日照時(shí)數(shù)的分布基本相反。

圖1 遼寧省大豆種植各區(qū)劃指標(biāo)空間分布Fig．1 Spatial distribution of various regionalization indexes for soybean planting in Liaoning Province

2．3．2遼寧大豆氣候區(qū)劃 遼寧大部分地區(qū)8月平均氣溫和8月平均最高氣溫不能成為限制大豆栽培生長(zhǎng)的限制因子，因此，影響遼寧省大豆種植的主要?dú)庀笠蜃訛?月日照時(shí)數(shù)和8月降水量。利用區(qū)劃指標(biāo)和小網(wǎng)格推算模型，得到遼寧省大豆種植精細(xì)化種植區(qū)劃（圖2）。受日照和降水條件的影響，遼寧省大豆適宜種植區(qū)主要分布在沈陽(yáng)、大連、鞍山、撫順、本溪、丹東、錦州東南部、營(yíng)口、阜新東南部、遼陽(yáng)、鐵嶺和盤(pán)錦地區(qū)，該區(qū)域7月日照時(shí)數(shù)小于237h，8月降水大于130mm；大豆次適宜種植區(qū)分布在錦州西北部、阜新部分地區(qū)、朝陽(yáng)局部地區(qū)和葫蘆島大部地區(qū)，該區(qū)域7月日照時(shí)數(shù)小于237h，8月降水在110～130mm；不適宜種植區(qū)主要分布在阜新西北地區(qū)、朝陽(yáng)大部地區(qū)和葫蘆島西北部地區(qū)，該區(qū)域7月日照時(shí)數(shù)大于237h，8月降水小于110mm，日照和降水條件均不能滿足大豆生長(zhǎng)發(fā)育需求，嚴(yán)重影響產(chǎn)量的形成。

圖2 遼寧省大豆種植的氣候區(qū)劃Fig．2 Climatic regionalization of soybean planting in Liaoning Province

3結(jié)論與討論

1）研究表明，遼寧省影響大豆種植的氣象要素為7月日照時(shí)數(shù)、8月平均溫度、8月平均最高溫度和8月降水量，因此，明確該4因子為遼寧大豆種植氣候區(qū)劃指標(biāo)。對(duì)大豆氣候區(qū)劃指標(biāo)因子進(jìn)行小網(wǎng)格推算，進(jìn)一步確定影響遼寧省大豆種植的主要?dú)庀笠蜃訛?月日照時(shí)數(shù)和8月降水量。據(jù)此將全省大豆劃分為適宜種植區(qū)、次適宜種植區(qū)和不適宜種植區(qū)3個(gè)分區(qū)。

2）受7月日照和8月降水條件的影響，遼寧省大豆適宜種植區(qū)主要分布在沈陽(yáng)、大連、鞍山、撫順、本溪、丹東、錦州東南部、營(yíng)口、阜新東南部、遼陽(yáng)、鐵嶺和盤(pán)錦地區(qū)。該區(qū)劃結(jié)果與遼寧省大豆生產(chǎn)現(xiàn)狀總體上一致［2］。建議遼寧省大豆生產(chǎn)在遼南、遼北、遼東和中部地區(qū)大力發(fā)展，該區(qū)域氣候條件相對(duì)好，無(wú)霜期較長(zhǎng)，氣象因素能夠滿足大豆各生育時(shí)期生長(zhǎng)要求；在遼西葫蘆島市的東南部（以綏中、興城為主）和阜新市的部分地區(qū)（以阜新、彰武為主）為次適宜區(qū)，該區(qū)域?qū)偃A北氣候區(qū)，氣候條件較好，無(wú)霜期較短，可適當(dāng)種植大豆。

3）大豆適宜種植區(qū)域與氣象條件密切相關(guān)，地形條件、土壤土質(zhì)條件、品種選擇及經(jīng)濟(jì)因素等實(shí)際情況也不可或缺，而后者缺少定量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，僅依靠文字描述無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化成圖。因此，本區(qū)劃結(jié)果中的適宜種植區(qū)僅代表氣候條件上的適宜區(qū)，與實(shí)際種植情況還存在一定差異，綜合考慮多因素的更精細(xì)化的大豆區(qū)劃，有待進(jìn)一步研究和探索。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局．中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒［M］．北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2011：473－475．

［2］孫克威，楊春玲，韓淑艷，等．遼寧省大豆生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析［J］．遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002 （4）3：24－26．

［3］李秀華，李 非，杜丹丹．遼寧大豆生產(chǎn)情況分析［J］．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2009（3）：1－3．

［4］賈鴻昌，閆洪睿，張雷，等．大豆品種生育期分類(lèi)的研究進(jìn)展［J］．大豆科學(xué)，2013，32（2）：271－275．

［5］汪越勝，蓋鈞鎰．中國(guó)大豆品種生態(tài)區(qū)劃的修正各區(qū)范圍及主要品種類(lèi)型［J］應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（1）：71－75．

［6］魏中海，王建勇，夏宣炎．糧食產(chǎn)量預(yù)測(cè)的因子處理和建模方法［J］．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（6）：680－684．

［7］李世奎．中國(guó)農(nóng)業(yè)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與對(duì)策［M］．北京：氣象出版社，1999．

［8］陳懷亮，王良宇，杜明哲，等．產(chǎn)量階段的劃分及應(yīng)用［J］．中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，1999（2）：16－20．

［9］陳懷亮，張雪芬．玉米生產(chǎn)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)指南［M］．北京：氣象出版社，1999：136－138．

［10］王彥豐，沈文學(xué)．氣象因子對(duì)大豆產(chǎn)量影響的相關(guān)分析［J］．華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23（6）：27－31．

［11］魏 麗，殷劍敏，王懷清．GIS支持下的江西省優(yōu)質(zhì)早稻種植氣候區(qū)劃［J］．中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2002，23（2）：27－31．

［12］宋學(xué)鋒，侯 瓊．氣候條件對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響［J］．中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2003，24（2）：35－38．

（責(zé)任編輯：姜 萍）

讀者·作者·編者

Reader·Author·Editor

Soybean Agricultural Climate Demarcation Using GIS Technique

WANG Ying1，ZHANG Xiaoyue1，JIAO Min1，WANG Heran1，WANG Ting1，ZHANG Qi1，HUANG Yan1，MA Lin2，WANG Ruonan2

（1．Liaoning Institute of Meteorological Science，Shenyang，Liaoning110166；2．Liaoning Meteorological Equipment Support Center，Shenyang，Liaoning110166，China）

To provide the basis for rational distribution of soybean planting in Liaoning Province，the authors confirmed the climatic regionalization indicators according to the demands of soybean growth and development for climatic conditions by using climatological data of 54meteorological stations，soybean yield and growth period in Liaoning Province from 1981to 2015．And GIS technique was employed to conduct grid calculation and spatial analysis，and the soybean planting area was divided into three regions，including suitable planting area，sub－suitable planting area and unsuitable planting area．At last rational suggestions were proposed for soybean planting in Liaoning Province according to subregion assessment and analysis．

soybean；GIS；agricultural climate demarcation；Liaoning

S162．2

A

1001－3601（2016）11－0488－0163－04

2016－03－28；2016－11－01修回

遼寧省科技廳項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報(bào)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究”（2014210003）

王 瑩（1987－），女，工程師，碩士，從事氣候資源區(qū)劃和農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害研究。E－mail：wangying19870312＠163．com