馬力文,毛萬忠,李保華,馮培靈,李 英,李寧芳(1.寧夏氣象科研所,銀川 750002;2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,銀川 750002;.寧夏中衛(wèi)市氣象局,沙坡頭 755000)
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·資源區(qū)劃·
基于自動氣象站資料的沙坡頭區(qū)日光溫室區(qū)劃*
馬力文1,2,毛萬忠3,李保華3,馮培靈3,李 英3,李寧芳3
(1.寧夏氣象科研所,銀川 750002;2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,銀川 750002;3.寧夏中衛(wèi)市氣象局,沙坡頭 755000)
摘 要中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)地形地貌復(fù)雜,僅靠一個大監(jiān)測站的數(shù)據(jù)進行日光溫室農(nóng)業(yè)氣候適宜性區(qū)劃,難以準(zhǔn)確,精細(xì)化程度不夠。因此考慮采用22個區(qū)域自動站2006~2013年資料進行精細(xì)化區(qū)劃。在區(qū)劃指標(biāo)的選取上,由于自動氣象站只有氣溫、降水量2個氣象要素,且冬季不觀測降水,要表達設(shè)施溫棚適宜的氣象條件,就要巧用氣溫實現(xiàn)評估設(shè)施溫棚對氣候條件的適宜性。為此,文章用冬季平均氣溫代表設(shè)施溫棚適宜與否的熱量資源,用前后2d的日平均氣溫降幅>6℃的日數(shù)代表24h降溫幅度,以表征出現(xiàn)不利于日光溫室生產(chǎn)的大風(fēng)、降溫或降雪等天氣過程出現(xiàn)的頻率,以日最低氣溫<-20℃的持續(xù)日數(shù)代表冬季極端寒冷程度。用這3個因子作為沙坡頭區(qū)日光溫室氣候區(qū)劃的指標(biāo),確定每個因子的等級。利用1: 25 000經(jīng)緯度、海拔等地理信息,在GIS系統(tǒng)支持下,將研究區(qū)域劃分為極適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)及不適宜區(qū)等4個等級。極適宜區(qū)主要在中部衛(wèi)寧黃河沖積平原;適宜區(qū)主要包括山區(qū)與黃河南岸之間的臺地,且靠近平原的地區(qū);次適宜區(qū)包括西部靠近甘肅的部分地區(qū),北部平原靠近騰格里沙漠邊緣,香山南山臺子揚黃灌區(qū);不適宜區(qū)包括南部香山山地、黃土丘陵及北部騰格里沙漠,與實際情況總體相符。
關(guān)鍵詞日光溫室 農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃 變溫指標(biāo) 縣域 精細(xì)化
中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)位于寧夏西南部,介于104°17'~105°37'E,36°59'~37°43'N之間,地處寧夏中部。該地區(qū)地貌類型復(fù)雜,南北高、中間低,海拔在1 194~2 362m[1]之間。2004年以來,按照《中衛(wèi)市優(yōu)勢特色農(nóng)業(yè)發(fā)展五年規(guī)劃》,把設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)確立為戰(zhàn)略性主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。目前,沙坡頭區(qū)設(shè)施蔬菜面積已發(fā)展到0.97萬hm2,已成為沙坡頭區(qū)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)[2]。氣候條件特別是光熱資源,不僅影響溫室作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì),還直接影響溫室作物生產(chǎn)的能耗,進而影響溫室作物生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。如何充分利用當(dāng)?shù)毓鉄豳Y源,合理布局,是設(shè)施農(nóng)業(yè)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[3]。沙坡頭區(qū)地處寧、甘、蒙等3省交界處,分為沙漠、黃河沖積平原、臺地、山地及盆地等5個較大的地貌單元,屬半干旱氣候,具有典型的大陸性季風(fēng)氣候與沙漠氣候的特點,地貌及氣候條件復(fù)雜多樣[1],只有根據(jù)環(huán)境條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、經(jīng)濟技術(shù)條件,進行日光溫室生產(chǎn)區(qū)劃,才能充分發(fā)揮氣候資源在日光溫室生產(chǎn)中的優(yōu)勢[4]。
關(guān)于我國日光溫室的氣候區(qū)劃研究,前人做了許多工作。張紀(jì)增把我國日光溫室蔬菜生產(chǎn)從南到北劃分為4個栽培區(qū)[5];齊玉春將我國東部淮河以北節(jié)能型日光溫室蔬菜生產(chǎn)劃歸為2個一級區(qū)、3個兩級亞區(qū)及6個二級小區(qū)[6];趙子征等應(yīng)用主成分分析與系統(tǒng)聚類方法對我國西北地區(qū)節(jié)能型日光溫室蔬菜生產(chǎn)進行分區(qū),分為4個氣候區(qū)[4]。許彥平等通過太陽輻射與溫室內(nèi)溫度對天水市各縣區(qū)光溫生產(chǎn)潛力進行了估算,并以光溫生產(chǎn)潛力、最冷時段平均氣溫、溫室生產(chǎn)季≥0℃日數(shù)、海拔作為區(qū)劃指標(biāo),進行了天水日光溫室的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃[7-8]。
陳友根等通過分析篩選出了日平均光照強度、日平均光照時長、日照百分率、日平均最低氣溫、日平均溫度<5℃日數(shù)、20年的極端最低氣溫等6個氣候指標(biāo)與緯度作為評價因素,根據(jù)每個不同因子的隸屬函數(shù)值,確定出新疆11個代表點的模糊評判矩陣,結(jié)合專家論證得出的權(quán)重系數(shù),進一步得到不同地區(qū)的綜合評價系數(shù)。據(jù)此對新疆不同地區(qū)的日光溫室氣候適宜性做出了區(qū)劃[9]。張亞紅等根據(jù)中國氣候特點,劃分出北方區(qū)與南方區(qū),然后在南、北方區(qū)內(nèi)再劃分出一級區(qū)與二級區(qū);區(qū)劃方法采用綜合因子法與主導(dǎo)指標(biāo)法相結(jié)合的原則,從22個候選因子中篩選出14~15個因子,采用主分量分析法最終選擇了年均氣溫與冬季平均溫度、積雪深度、積溫與陰天日數(shù)、太陽輻射與日照狀況等4個主分量作為北方區(qū)的區(qū)劃指標(biāo),再利用系統(tǒng)聚類分析法將北方設(shè)施園藝區(qū)劃分為4個一級區(qū)、9個二級區(qū)[10-11]。張明潔等依據(jù)氣候因子的變異系數(shù),選取了冬季總輻射、日光溫室生產(chǎn)季陰天日數(shù)、年極端最低氣溫、冬季平均氣溫、生產(chǎn)季月最大風(fēng)速均值、年最大積雪深度均值等6個因子作為區(qū)劃指標(biāo),將上述因子經(jīng)過加權(quán)指數(shù)求和后,利用GIS技術(shù)對我國北方日光溫室進行了區(qū)劃[12-13]。張玉鑫等在指標(biāo)的選擇上更加貼近實際,同樣利用主成分分析法確定出2個主成分區(qū),將甘肅省分為北部I區(qū)、南部Ⅱ區(qū)等2個一級區(qū),并在北部I區(qū)做二級分區(qū)與三級分區(qū)。
然而,上述研究多為全國范圍或省域范圍,對縣域日光溫室的區(qū)劃研究較少。許多研究所引用的區(qū)劃因子較多,使得區(qū)劃因子取得的難度加大,而且信息重疊,不確定性增加。此外,上述研究所用資料主要是氣象觀測站數(shù)據(jù),適合大范圍的區(qū)劃工作,無法應(yīng)用到縣域范圍,一般來說,一個縣只有1~2個氣象站,特別是像中衛(wèi)市沙坡頭區(qū),地形地貌復(fù)雜,僅用1個氣象站資料無法代表整個縣域的氣候狀況。
由于近年來各地布設(shè)了地面區(qū)域自動氣象觀測站,區(qū)域自動氣象觀測站具有獲取資料準(zhǔn)確度高、時間與空間分辨率強并能獲取空白區(qū)域的氣象資料等優(yōu)勢,使得縣域范圍內(nèi)的精細(xì)化區(qū)劃成為可能。該文利用2006~2013年沙坡頭區(qū)22個區(qū)域自動氣象站點的實時資料,對沙坡頭區(qū)日光溫室進行區(qū)劃,使氣候區(qū)域尺度更小,提高了區(qū)劃成果的精度,為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。
資料來源于中衛(wèi)大監(jiān)站1981~2010年氣象資料、2006~2013年沙坡頭區(qū)22個區(qū)域自動氣象站點資料及沙坡頭區(qū)GIS地理信息數(shù)據(jù)。建立日光溫室氣象因子地理分布模式,利用Arcinfo、ArcView等軟件進行統(tǒng)計分析與圖形圖像處理,制作沙坡頭區(qū)日光溫室種植氣候區(qū)劃圖。
2.1 區(qū)劃指標(biāo)的選取及指標(biāo)界限的確定
據(jù)研究,能夠被用來作為區(qū)劃指標(biāo)的因子多達22種[11],然而在我國西北地區(qū),根據(jù)張玉鑫等的研究,主要選擇的因子有12個[16]。舍去1月日照百分率、冬季日照百分率、1月日照時數(shù)、冬季日照時數(shù)、年極端最低氣溫等空間變異系數(shù)小于0.15的因子,用于西北地區(qū)日光溫室區(qū)劃的因子剩7項,即1月平均氣溫、冬季平均氣溫、年平均氣溫、≥10℃積溫、最低氣溫≤-10℃天數(shù)、最大凍土層、海拔。在上述研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合專家意見,筆者認(rèn)為,1月平均氣溫、冬季平均氣溫與最大凍土層這幾個指標(biāo)存在著極其顯著的關(guān)系,可以用冬季平均氣溫作為區(qū)劃熱量指標(biāo)來代替。冬季的天氣過程往往伴隨著大風(fēng)、雨雪、陰天,對溫室生產(chǎn)不利,是否能找到一個指標(biāo)來表征這樣的信息?由于自動站雨量監(jiān)測時段為每年的5~9月,采用降水量或降雨日數(shù)顯然不行,并且降水量 (或降雨日數(shù))指標(biāo)并不能表征大風(fēng)與陰天的信息。經(jīng)分析,當(dāng)冬季出現(xiàn)大風(fēng)降溫、寒潮、降雪等不利天氣時,24h內(nèi)日平均氣溫的降幅往往超過6℃。也就是說,當(dāng)日平均氣溫下降6℃的情況出現(xiàn)時,往往伴隨著降溫的還有陰天、大風(fēng)或降雨 (雪),對日光溫室產(chǎn)生不利影響。因此,采用秋、冬、春季日平均氣溫降幅≥6℃的日數(shù)來表征不利天氣過程出現(xiàn)的頻率信息指標(biāo)是有一定的意義的。此外,該文還采用了日最低氣溫<20℃的日數(shù)表征超寒冷天氣出現(xiàn)的頻率信息。根據(jù)項目組溫室內(nèi)外氣象觀測試驗及前人研究結(jié)果,采用K均值聚類法,確定了沙坡頭區(qū)日光溫室氣候適宜性指標(biāo)的界限值 (表1)。
表1 沙坡頭區(qū)日光溫室區(qū)劃指標(biāo)
2.2 氣候因子小網(wǎng)格推算
為獲取沙坡頭區(qū)日光溫室各氣象因子地理分布,須建立地理推算模式。該文利用GIS(地理信息系統(tǒng))采用小網(wǎng)格分析方法建立氣候要素與站點經(jīng)度、維度、海拔等地理信息的數(shù)學(xué)模型,將寧夏沙坡頭氣候資源數(shù)據(jù)推算到空間分辨率為250m的面上數(shù)據(jù)。
氣候資源推算模型:
式中,Y為氣候因子 (冬季平均氣溫、日平均氣溫降幅≥6℃的日數(shù)等);λ、φ、h分別代表經(jīng)度、緯度、海拔高度等地理因子。根據(jù)無資料地區(qū)的氣候推算方法,緯度為i,經(jīng)度為j網(wǎng)格點上同期的溫度Tij可表示為[12]:
根據(jù)公式 (3)采用各站點的海拔、經(jīng)緯度與溫度建立的3個氣候適宜性評價因子的推算模型見表2。由各氣象站的經(jīng)度、緯度及海拔作為基本圖層,運用GIS柵格圖層計算功能,分別得到單氣候指標(biāo)因子分布圖層。
表2 氣候因子小網(wǎng)格推算模型
2.3 區(qū)劃方法
目前農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃常用的方法有逐步分區(qū)法、集優(yōu)法、模糊數(shù)學(xué)法及數(shù)理統(tǒng)計分區(qū)法。該文采用集優(yōu)法,該方法中,各因子同等重要無主次之分,利用GIS技術(shù)按照表1的氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)完成沙坡頭區(qū)日光溫室的氣候適宜性區(qū)劃。分區(qū)原則為:滿足表1中3個氣象指標(biāo)均為適宜的區(qū)域,區(qū)劃為極適宜區(qū);滿足表1中2個指標(biāo)為適宜,1個為次適宜的區(qū)域,劃分為適宜區(qū);滿足表1中1個指標(biāo)為適宜,2個為次適宜的區(qū)域,或3個指標(biāo)均為次適宜的區(qū)域,劃分為次適宜區(qū);滿足表1中任何一個氣象指標(biāo)為不適宜的,劃分為不適宜區(qū)。
寧夏中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)日光溫室氣候區(qū)劃結(jié)果見圖1。
圖1 寧夏中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)日光溫室氣候區(qū)劃
3.1 極適宜區(qū)
包括沙坡頭區(qū)中北部黃河沖積扇平原 (包括迎水橋鎮(zhèn)東部、濱河鎮(zhèn)大部、柔遠(yuǎn)鎮(zhèn)大部、鎮(zhèn)羅鎮(zhèn)大部、常樂鎮(zhèn)北部、永康鎮(zhèn)及宣和鎮(zhèn)的小部分地區(qū))以及香山靠近甘肅省沿沙梁灘到任寨柯自南向北狹長的一線。該地區(qū)冬季平均氣溫在-5.0℃以上,秋、冬、春季降日溫幅度在6℃以上的過程不超過9次,冬季日最低氣溫<-20℃的日數(shù)在2d以內(nèi),海拔基本在1 200~1 240m之間,是日光溫室氣候區(qū)劃的最優(yōu)區(qū),極適宜日光溫室的發(fā)展。
3.2 適宜區(qū)
包括沙坡頭區(qū)迎水橋鎮(zhèn)西部甘塘地區(qū)、常樂鎮(zhèn)中部,宣和鎮(zhèn)東南部,永康鎮(zhèn)中、北部,環(huán)香山海拔較低的地區(qū),南山臺子揚水渠灌溉范圍,興仁鎮(zhèn)大部,西部接壤甘肅省景泰縣的部分地區(qū)。該地區(qū)氣象條件與極適宜區(qū)相差不大,冬季平均氣溫、秋、冬、春季日平均氣溫降幅≥6℃的日數(shù)、冬季日最低氣溫<-20℃的日數(shù)等3個氣象條件中至少有2個在適宜范圍、1個在次適宜范圍內(nèi),比較適宜日光溫室發(fā)展,但地勢略高,地形略復(fù)雜,不如極適宜區(qū)平坦。
3.3 次適宜區(qū)
包括沙坡頭區(qū)北部沙漠周邊,環(huán)香山農(nóng)業(yè)區(qū),南山臺子,蒿川鄉(xiāng)西部,該地區(qū)熱量條件比上述2個地區(qū)略差,冬季平均氣溫一般在-6.0~-5.0℃之間,秋、冬、春季日平均氣溫降幅≥6℃的日數(shù)一般在9.0~10.5d之間,冬季日最低氣溫<-20℃的日數(shù)在2~3.5d之間,海拔高度在1 400~1 600m之間,是沙坡頭區(qū)日光溫室發(fā)展的次適宜區(qū)。
3.4 不適宜區(qū)
包括沙坡頭區(qū)的中南部山區(qū),香山鄉(xiāng)東南部地區(qū),常樂鎮(zhèn)南部,永康鎮(zhèn)南部,宣和鎮(zhèn)南部的汪家園子、寺口子以南,蒿川鎮(zhèn)西部,迎水橋鎮(zhèn)北部沙漠地區(qū)。該地區(qū)冬季氣溫基本在-6℃以下,秋、冬、春季日平均氣溫降幅≥6℃的日數(shù)超過10.5d,冬季日最低氣溫<-20℃的日數(shù)超過3.5d。該地區(qū)氣候條件不適宜發(fā)展日光溫室。
目前,日光溫室區(qū)劃的研究較多,但分縣域的區(qū)劃研究不多,受自動站數(shù)據(jù)時段的限制,使用自動站研究日光溫室區(qū)劃的更少。該研究采用自動站資料,使區(qū)劃精度大幅提高,克服了自動站降水資料不全的困難,采用變溫幅度指標(biāo)進行替代,開展日光溫室的氣候適宜性研究,尤其是指標(biāo)替代的思路可以在其他研究使用。將研究區(qū)域劃分為極適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)及不適宜區(qū)等4個等級。極適宜區(qū)主要在中部衛(wèi)寧黃河沖積平原;適宜區(qū)主要包括山區(qū)與黃河南岸之間的臺地,且靠近平原的地區(qū);次適宜區(qū)包括東部靠近甘肅部分地區(qū),北部平原靠近沙漠邊緣,南山臺子揚黃灌區(qū);不適宜區(qū)包括南部隴中山地與黃土丘陵。從區(qū)劃結(jié)果看,與現(xiàn)有的實際情況總體相符,但有個別局部地區(qū)與實際略有差異。另外,某一地區(qū)綜合評定為適宜發(fā)展區(qū)并不代表該區(qū)域的各單項指標(biāo)都是最優(yōu)的,也存在某方面的風(fēng)險,實際生產(chǎn)中仍要注意防災(zāi)減災(zāi),特別是對于極端氣候事件。因此,對于具體地區(qū),還可進行更精細(xì)化的區(qū)劃。
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AGRO-CLIMATIC SUITABILITY ZONING FOR GREENHOUSE
FARMING IN SHAPOTOU DISTRICT OF ZHONGWEI,NINGXIA USING AUTOMATIC WEATHER STATION DATA
Ma Liwen1,2,Mao Wanzhong3,Li Baohua3,F(xiàn)eng Peiling3,Li Ying3,Li Ningfang3
(1.Ningxia Meteorological Research Institute,Yinchuan,Ningxia 750002,China;2.Ningxia Key Laboratory for Disaster Prevention and Reduction,Yinchuan,Ningxia 750002,China;3.Zhongwei Municipal Meteorological Bureau,Shapotou 755000,China)
AbstractDue to the local complex topography,it is inaccurate and imprecise for the greenhouse climatic suitability zoning merely based on the data from single conventional weather station in Shapotou District of Zhongwei,Ningxia.Meteorological data from 22 automatic stations during the year of 2006 to 2013 were adopted in this paper for the greenhouse agro-climatic suitability zoning.The air temperature from the automatic weather station was chosen as the zoning index reflecting the greenhouse suitable meteorological conditions.3 indicators were selected for the greenhouse climatic suitability zoning,i.e.,the average winter temperature which represented the heat resource for the greenhouse suitability zoning,the days of the average temperature in two consecutive days during winter declining higher than 6℃which represented the weather frequency unsuitable for greenhouse,and the days of daily minimum temperature lower than-20℃ during winter which represented the extreme cold weather.And then the research area was divided into very suitable area,suitable area,less suitable and unsuitable area using 1:25,000 latitude,longitude and altitude of geographic information based on the GIS technology.The very suitable area was mainly in the central area of Weining Yellow River alluvial plain,the suitable areas included the plateaus between the mountain and the south bank of the Yellow River and the regions closed to the plains;the less suitable area was located in the western part of the region near Gansu,northern plains near the edge of the Tengger Desert,pumping irrigation of Nanshan tableland of Xiangshan;the unsuitable areas included southern Xiangshan mountain,loess hills and the northern Tengger Desert.The results were generally consistent with the actual situation in Shapotou District of Zhongwei,Ningxia.
Keywordsgreenhouse;agro-climatic zoning;variable temperature indicators;precise zoning
中圖分類號:S161.2;S162.2;S626.5
文獻標(biāo)識碼:A
文章編號:1005-9121[2016]02-0148-06
doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160225
收稿日期:2014-11-12
作者簡介:馬力文 (1964—),女,北京人,高級工程師。研究方向:農(nóng)業(yè)氣候資源。Email:ma_liwen@163.com*資助項目:2014年中央財政“三農(nóng)”服務(wù)專項