基于小麥全生育期氣象條件精細化分析

田家波

(山東省濟南市長清區(qū)氣象局，山東濟南 250300)

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基于小麥全生育期氣象條件精細化分析

田家波

(山東省濟南市長清區(qū)氣象局，山東濟南 250300)

[目的]根據(jù)小麥生產(chǎn)對氣象條件的要求，確定山東省濟南市長清區(qū)小麥的氣候區(qū)劃指標(biāo)和相應(yīng)分區(qū)。[方法]利用1971～2010年長清區(qū)氣象局本站和區(qū)域自動站氣象資料，采用Kriging插值法、因子標(biāo)準化、加權(quán)綜合評價法內(nèi)插技術(shù)對溫度、降水、日照、相對濕度等氣候指標(biāo)要素柵格化，形成長清區(qū)冬小麥品種生態(tài)氣候適宜性精細化區(qū)劃圖，并進行分區(qū)評述。[結(jié)果]長清區(qū)小麥生長可以劃分為一般適宜區(qū)、適宜區(qū)、最適宜區(qū)3個分區(qū)，其中一般適宜區(qū)包括平安街道辦事處100%、文昌街道辦事處100%、崮云湖街道辦事處90%、五峰街道辦事處30%、馬山鎮(zhèn)10%、歸德鎮(zhèn)100%、孝里鎮(zhèn)80%、張夏鎮(zhèn)10%；適宜區(qū)包括孝里鎮(zhèn)20%、雙泉鎮(zhèn)97%、馬山鎮(zhèn)95%、五峰街道辦事處70%、張夏鎮(zhèn)80%、萬德鎮(zhèn)10%；最適宜包括萬德鎮(zhèn)90%、張夏鎮(zhèn)10%。[結(jié)論]氣象因子適宜適應(yīng)性整體上對小麥生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)作用。

小麥；全生育期；氣象條件；精細化；區(qū)劃

我國農(nóng)業(yè)人口眾多，社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長的規(guī)模和效益要求越來越高，需要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的機構(gòu)轉(zhuǎn)變。小麥是人類最重要的糧食作物之一，也是我國三大作物之一，全國從南到北、從平原到山區(qū)均有種植。山東省是我國小麥生產(chǎn)第二大省，小麥生產(chǎn)光熱資源充足，地力水平較高，但近些年山東省小麥連年遭遇突發(fā)性自然災(zāi)害，嚴重影響了小麥產(chǎn)量的提高[1]。而由于城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展的原因，通過增加耕地面積來提高糧食產(chǎn)量這一途徑比較困難[2]，因此充分利用農(nóng)業(yè)氣候資源，優(yōu)化小麥生產(chǎn)布局、改進種植制度和制定小麥種植布局就成為當(dāng)前增加糧食種植面積、提高糧食產(chǎn)值的有效途徑之一。筆者利用山東省濟南市長清區(qū)氣象局本站和區(qū)域自動站的氣象資料，采用Kriging插值法、因子標(biāo)準化、加權(quán)綜合評價法[3-4]內(nèi)插技術(shù)對氣候指標(biāo)要素柵格化，形成長清區(qū)冬小麥品種生態(tài)氣候適宜性精細化區(qū)劃圖，并進行分區(qū)評述，以期為當(dāng)?shù)貎?yōu)化小麥生產(chǎn)和種植布局、改進種植制度來應(yīng)對氣候變化提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源 所有資料均來源于1971～2010年山東省濟南市長清區(qū)氣象局本站和區(qū)域自動站以及農(nóng)業(yè)局土壤肥料站，氣象資料包括溫度(平均溫度、極端最高、最低溫度)、降水(降水總量、極端降水)、日照時數(shù)、相對濕度等，土壤資料包括長清區(qū)土壤類型、土壤質(zhì)地和腐殖質(zhì)層厚度。

1.2 分析方法

1.2.1 Kriging插值法[3]。Kriging插值法是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行無偏差最優(yōu)估計的一種方法。通過對已知樣本點賦權(quán)重來求得未知樣點值，其表達式為：

(1)

式中，Z(x0)為未知樣點值，Z(xi)為未知樣點周圍的已知樣點值，λi為第i個已知樣本點對未知樣點的權(quán)重，n為已知樣點的個數(shù)。采用Kriging插值法可以由其他市縣的氣象觀測資料獲取山東省濟南市長清區(qū)分辨率為90m×90m的柵格圖。

1.2.2 因子標(biāo)準化[3-4]。在區(qū)劃過程中，由于所選因子的量綱不同，所以需要將因子進行標(biāo)準化。在此區(qū)劃根據(jù)具體情況，采用極大值標(biāo)準化和極差標(biāo)準化方法，其表示式分別為：

(2)

(3)

式中，Xij為去量綱后的第i個因子的第j項指標(biāo)；Xmin、Xmax為該指標(biāo)的最小值和最大值。公式(2)和公式(3)是根據(jù)區(qū)劃中因子與作物種植的適宜程度的關(guān)系而選擇的。如果因子與作物種植的適宜程度成正比，選用式(2)；反之，選用公式(3)。

1.2.3 加權(quán)綜合評價法[4]。加權(quán)綜合評價法綜合考慮了各個因子對總體對象的影響程度，是把各個具體的指標(biāo)綜合起來，集成為一個數(shù)值化指標(biāo)，用以對評價對象進行評價對比。因此，這種方法特別適用于對技術(shù)、策略或方案進行綜合分析評價和優(yōu)選，是目前最為常用的計算方法之一。用公式表達為：

(4)

式中，Cvj為評價因子的總值，Qvij為對于因子j的指標(biāo)i(Qii≥0)，Wci為指標(biāo)i的權(quán)重值(0≤Wci≤1)，m為評價指標(biāo)個數(shù)。

將影響小麥生長發(fā)育的關(guān)鍵氣候因子進行累加，其表達式為：

(5)

式中，Y氣象表示小麥氣候因子的種植適宜程度，Xi為精細化氣候因子，λi為權(quán)重，n為所選取的影響小麥生長發(fā)育的關(guān)鍵氣候因子個數(shù)[5-6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥全生育期各月份精細化氣象因子及權(quán)重分配情況分析 采用加權(quán)綜合評價法綜合考慮了各個因子對總體對象的影響程度，根據(jù)小麥生育期各階段所需氣象條件不同[7-10]，選擇了最可能影響小麥生長的8個氣象要素作為小麥種植區(qū)的影響因子(圖1)。

圖1 山東省濟南市長清區(qū)小麥精細化氣象因子及權(quán)重分配Fig.1 Fining meteorological factor and weight allocation of wheat in Changqing District，Jinan City,Shandong Province

2.2 小麥全生育期各月份精細化氣象因子的空間分布及分級指標(biāo)的確定

2.2.1 全生育期≥10 ℃積溫。全生育期≥10 ℃積溫是小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵熱量因子。從圖2可看出，山東省濟南市長清區(qū)小麥全生育期≥10 ℃積溫分布特征基本表現(xiàn)為西高東低的特點。全區(qū)最高值為2 332.5 ℃·d，平安街道辦事處、文昌街道辦事處、歸德鎮(zhèn)、孝里鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)較高；逐漸向東部減少，最低值為2 011.7 ℃·d；全區(qū)積溫相差320.8 ℃·d。萬德鎮(zhèn)、張夏鎮(zhèn)屬于相對低值區(qū)。

圖2 山東省濟南市長清區(qū)小麥全生育期≥10 ℃積溫空間分布Fig.2Spatial distribution of ≥ 10 ℃ accumulated temperature in the whole growth stage of wheat in Changqing District ，Jinan City,Shandong Province

2.2.2 冬前≥0 ℃積溫(10月1日～12月10日)。據(jù)研究，冬前≥0 ℃積溫直接影響小麥的前壯苗葉齡指標(biāo)和安全越冬，因此對小麥產(chǎn)量的提高具有十分重要的作用。長清區(qū)小麥冬前≥0 ℃積溫總體來看西部高于東部，全區(qū)積溫范圍為592.8～645.9 ℃·d；平安街道辦事處、文昌街道辦事處、歸德鎮(zhèn)、孝里鎮(zhèn)、雙泉鎮(zhèn)屬于相對高值區(qū)(圖2)。

2.2.3 12月～次年2月負積溫。長清區(qū)小麥12月～次年2月負積溫分布區(qū)域性明顯，整體呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢，中心局部達到最高值，負積溫范圍為-279.5～-135.7 ℃·d，崮云湖街道辦事處處于高值區(qū)。造成這種情況的原因是因為受緯度、地形的影響。

2.2.4 2月下旬～3月上旬日平均溫度。2月下旬～3月上旬日平均溫度穩(wěn)定通過3 ℃的日期主要影響小麥返青的早晚。長清區(qū)2月下旬～3月上旬日平均溫度穩(wěn)定通過3 ℃的日期出現(xiàn)時間自西北向東南方向逐漸延遲，最早出現(xiàn)在3月6日，最晚在3月14日，全區(qū)相差8 d左右。2.2.5 3月下旬～4月≤0 ℃天數(shù)。3月下旬～4月≤0 ℃天數(shù)是春季小麥受低溫冷害影響的關(guān)鍵指標(biāo)。長清區(qū)3月下旬～4月≤0 ℃天數(shù)自西北向東南方向逐漸增多，萬德鎮(zhèn)日數(shù)最多；全區(qū)3月下旬～4月出現(xiàn)≤0 ℃的日數(shù)很少，相差不大。2.2.6 輕干熱風(fēng)日數(shù)(5月11日～6月5日)。干熱風(fēng)是影響山東小麥生長及產(chǎn)量形成的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。長清區(qū)輕干熱風(fēng)日數(shù)(40年總和)呈現(xiàn)由西向東遞減的趨勢，其中西南部區(qū)域最多，主要包括孝里鎮(zhèn)、歸德鎮(zhèn)；東南部萬德鎮(zhèn)、張夏鎮(zhèn)最少。長清區(qū)輕干熱風(fēng)出現(xiàn)的日數(shù)為6.1～7.8 d，相差1.7 d。2.2.7 重干熱風(fēng)日數(shù)(5月11日～6月5日)。長清區(qū)小麥重干熱風(fēng)出現(xiàn)的日數(shù)(40年總和)總體表現(xiàn)由北向南遞減的趨勢，以北部平安街道辦事處、文昌街道辦事處、崮云湖街道辦事處為最多，以南部雙泉鎮(zhèn)、萬德鎮(zhèn)最少。長清區(qū)重干熱風(fēng)40年內(nèi)出現(xiàn)最多為0.4 d，東部最少區(qū)域出現(xiàn)0.3 d；全區(qū)出現(xiàn)日數(shù)很少，相差不大。

2.2.8 全生育期降水量。由圖3可見，長清區(qū)小麥全生育期降水量自北部向南部逐漸增加，生育期降水量最高出現(xiàn)在萬德鎮(zhèn)東部，最低出現(xiàn)在東北部崮云湖街道辦事處、平安街道辦事處、文昌街道辦事處，全區(qū)降水量為1 769.4～2 559.1 mm，相差約789.7 mm。

圖3 山東省濟南市長清區(qū)小麥全生育期降水量空間分布Fig.3 Spatial distribution of precipitation in the whole growth period of wheat in Changqing District，Jinan City,Shandong Province

2.3 小麥氣象因子適宜性精細化分析 利用公式(5)將影響小麥生長發(fā)育的關(guān)鍵氣候因子進行累加，該研究中將所有氣候因子的權(quán)重均賦予0.125。從小麥氣象因子分析區(qū)劃結(jié)果(圖4)可以看出，長清區(qū)小麥生長可以劃分為一般適宜區(qū)、適宜區(qū)、最適宜區(qū)3個分區(qū)，其中一般適宜區(qū)包括平安街道辦事處100%、文昌街道辦事處100%、崮云湖街道辦事處90%、五峰街道辦事處30%、馬山鎮(zhèn)10%、歸德鎮(zhèn)100%、孝里鎮(zhèn)80%、張夏鎮(zhèn)10%；適宜區(qū)包括孝里鎮(zhèn)20%、雙泉鎮(zhèn)97%、馬山鎮(zhèn)95%、五峰街道辦事處70%、張夏鎮(zhèn)80%、萬德鎮(zhèn)10%；最適宜區(qū)包括萬德鎮(zhèn)90%、張夏鎮(zhèn)10%。

圖4 山東省濟南市長清區(qū)小麥氣象因子精細化分析適宜性程度空間分布Fig.4 Spatial distribution of suitability degree of fining analysis of meteorological factors in Changqing District，Jinan City,Shandong Province

3 結(jié)論

利用山東省濟南市長清區(qū)氣象局本站和區(qū)域自動站的氣象資料，采用Kriging插值法、因子標(biāo)準化、加權(quán)綜合評價法內(nèi)插技術(shù)對溫度(平均溫度、極端最高、最低溫度)、降水(降水總量、極端降水)、日照、相對濕度等指標(biāo)要素柵格化，形成長清區(qū)冬小麥品種生態(tài)氣候適宜性精細化區(qū)劃圖，并進行分區(qū)評述。結(jié)果表明，長清區(qū)小麥生長可以劃分為一般適宜區(qū)、適宜區(qū)、最適宜區(qū)3個分區(qū)，其中一般適宜區(qū)包括平安街道辦事處100%、文昌街道辦事處100%、崮云湖街道辦事處90%、五峰街道辦事處30%、馬山鎮(zhèn)10%、歸德鎮(zhèn)100%、孝里鎮(zhèn)80%、張夏鎮(zhèn)10%；適宜區(qū)包括孝里鎮(zhèn)20%、雙泉鎮(zhèn)97%、馬山鎮(zhèn)95%、五峰街道辦事處70%、張夏鎮(zhèn)80%、萬德鎮(zhèn)10%；最適宜區(qū)包括萬德鎮(zhèn)90%、張夏鎮(zhèn)10%。總體來看，氣象因子適宜性研究整體上對指導(dǎo)小麥全生育期管理具有一定的科學(xué)性。針對當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c，適時采取抗旱、防蟲、防災(zāi)措施，趨利避害，以促進小麥的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益。

[1] 王風(fēng)云，封文杰，劉淑云，等.山東省小麥氣象災(zāi)害風(fēng)險評估模型群研發(fā)[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2013,29(20):197-204.

[2] 梁書民.中國農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)及演化的空間分布和原因分析[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2006,27(2):29-34.

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Fine Analysis of the Whole Growth Stage of Wheat Based on the Meteorological Conditions

TIAN Jia-bo

(Meteorological Bureau of Changqing District,Jinan,Shandong 250300)

[Objective] To determine the climate division index and corresponding division of wheat in Changqing District in Jinan City of Shandong Province according to the requirements of wheat production to meteorological condition.[Method] The meteorological data of Meteorological Bureau of Changqing District and the regional automatic weather station from 1971 and 2010, Kriging interpolation method, factor standardization, and interpolation technique of comprehensive weighted assessment method were used for the rasterization of climate index elements, such as temperature, precipitation, sunshine and relative humidity.Fine zoning map of ecoclimatic suitability of winter wheat variety was formed in Changqing District.And partition was evaluated.[Result] Wheat growth in Changqing District could be divided into generally suitable area, suitable area, and the optimal area.Among them, generally suitable area included Pingan Street Office 100%, Wenchang Street Office 100%, Guyun Lake Street Office 90%, Wufeng Street Office 30%, Mashan Town 10%, Guide Town 100%, Xiaoli Town 80%, and Zhangxia Town 10%.Suitable area included Xiaoli Town 20%, Shuangquan Town 97%, Mashan Town 95%, Wufeng Street Office 70%, Zhangxia Town 80% and Wande Town 10%.The optimal area included Wande Town 90% and Zhangxia Town 10%.[Conclusion] Adaptability of meteorological factors provides good guidance for wheat production.

Wheat; Whole growth period; Meteorological condition; Fining; Division

田家波(1963- )，男，山東齊河人，工程師，從事農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)和氣象災(zāi)害研究。

2016-08-10

S 162

A

0517-6611(2016)28-0183-03