基于細(xì)網(wǎng)格的山西省馬鈴薯種植氣候區(qū)劃

徐玲玲，毛留喜，馬雅麗

(1.國家氣象中心，北京 100081;2.山西省氣候中心，山西 太原 030006 )

馬鈴薯(SolanlumtuberosumL.)原產(chǎn)于南美洲秘魯、智利一帶的高山冷涼區(qū)，屬低緯度高山植物，長期引種適應(yīng)的結(jié)果形成馬鈴薯喜冷涼、短日照和溫差大的生長習(xí)性[1]。由于馬鈴薯具有營養(yǎng)豐富、糧菜飼兼用、加工用途多、增產(chǎn)增收潛力大等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已成為世界5大糧食作物之一。山西省是我國馬鈴薯的傳統(tǒng)種植區(qū)，常年種植面積和總產(chǎn)量分別占全國馬鈴薯播種面積和總產(chǎn)量的7%和5%[2]；“十二五”期間山西省馬鈴薯年均播種面積為21.3萬hm2，2014年總產(chǎn)量達(dá)到330萬t以上[3]，成為僅次于玉米、小麥的第3大糧食作物。根據(jù)影響馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子開展氣候種植區(qū)劃對(duì)充分合理地利用山西省氣候資源、優(yōu)化全省馬鈴薯種植品種布局具有重要意義。

近年來，針對(duì)馬鈴薯氣候種植區(qū)劃開展的研究已有很多[4-8]。王連喜等[4]基于氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量資料對(duì)寧夏馬鈴薯種植進(jìn)行了氣候分區(qū)。孫文堂等[5]利用小網(wǎng)格資源推算法和氣候要素地理推算模型開展了內(nèi)蒙古烏盟馬鈴薯適宜種植氣候和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。唐紅艷等[6]確定了內(nèi)蒙古興安盟地區(qū)馬鈴薯種植綜合氣候區(qū)劃指標(biāo), 并依托GIS技術(shù)劃分了馬鈴薯適宜、次適宜及不適宜種植區(qū)。苗百嶺等[7]分區(qū)域篩選了影響馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子，并以生長季平均溫差、降雨量為區(qū)劃指標(biāo)制作了內(nèi)蒙古陰山旱作區(qū)馬鈴薯氣候區(qū)劃圖。目前，山西省馬鈴薯種植氣候區(qū)劃多為傳統(tǒng)氣候分區(qū)法[8-9],基于站點(diǎn)資料開展的氣候區(qū)劃無法全面客觀地反映山西較為復(fù)雜的地形影響，結(jié)果局限性較大[10]。因此，本研究以山西省109個(gè)氣象觀測站近30 a(1981-2010年)逐日氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用GIS技術(shù)將氣候要素插值為空間分辨率為1 km的細(xì)網(wǎng)格。然后基于馬鈴薯傳統(tǒng)種植區(qū)7個(gè)代表性縣(區(qū))多年產(chǎn)量資料與主要?dú)夂蛞蜃拥南嚓P(guān)性分析，篩選出影響馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子，以此為基礎(chǔ)確定馬鈴薯種植氣候區(qū)劃指標(biāo)，并按適宜、次適宜和不適宜3個(gè)等級(jí)進(jìn)行山西省馬鈴薯種植氣候區(qū)劃，以期為山西省優(yōu)化馬鈴薯種植品種布局、提高馬鈴薯產(chǎn)量和質(zhì)量提供理論依據(jù)和參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料為山西省109個(gè)氣象觀測站近30 a(1981-2010年)的逐日氣象資料，包括日最高溫度、日最低溫度、日平均溫度、逐日降水、日照時(shí)數(shù)以及日平均風(fēng)速等要素，由中國氣象局國家信息中心提供。地理信息數(shù)據(jù)采用國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶25萬山西省基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)精細(xì)化區(qū)劃，利用GIS技術(shù)根據(jù)站點(diǎn)經(jīng)度、維度、高程、坡度和坡向等將所有氣候要素進(jìn)行面上推算，插值成1 km×1 km的細(xì)網(wǎng)格，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字地形定量分類技術(shù)研究，具體推算模型及方法見參考文獻(xiàn)[11]。

選擇山西省馬鈴薯常年播種面積占各縣(區(qū))糧食播種總面積的比重超過15%[2]的右玉縣、左云縣、奇嵐縣、河曲縣、保德縣以及大同市新榮區(qū)和朔州市平魯區(qū)作為代表性縣(區(qū))，馬鈴薯產(chǎn)量資料序列為1981-2013年，發(fā)育期資料序列為1983-2010年，并按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》分為播種、出苗、分枝、花序形成、開花、成熟，上述資料均來源于山西省氣候中心。

1.2 研究方法

1.2.1 發(fā)育期資料的處理 通過統(tǒng)計(jì)7個(gè)代表性縣(區(qū))多年發(fā)育期資料，得到馬鈴薯不同發(fā)育時(shí)段的平均日期。平均播種期為5月10日，出苗為6月6日，分枝為6月23日，花序形成為7月6日，開花為7月19日，成熟為9月13日。為了便于分析，將馬鈴薯生育期簡單劃分為4個(gè)發(fā)育時(shí)段：5月上旬至6月上旬為發(fā)芽期，6月中旬至6月下旬為幼苗期，7月上旬至8月上旬為塊莖形成、增長期(結(jié)薯期)，8月中旬至9月上旬為淀粉積累期。

1.2.2 產(chǎn)量資料的處理 利用7個(gè)代表性縣(區(qū))1981-2013年的馬鈴薯單產(chǎn)資料，將馬鈴薯實(shí)際產(chǎn)量分解為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量, 即

Y=Yt+Yw

(1)

式中，Y為馬鈴薯單產(chǎn)(kg·hm-2)，Yt是反映歷史時(shí)期生產(chǎn)力發(fā)展水平的長周期產(chǎn)量分量，稱為趨勢(shì)產(chǎn)量;Yw是受以氣象要素為主的短周期變化因子影響的產(chǎn)量分量，稱為氣象產(chǎn)量。本文采用直線滑動(dòng)平均模擬的方法獲得馬鈴薯趨勢(shì)產(chǎn)量Yt，滑動(dòng)步長取4。

(2)

1.2.3 氣象資料的處理 按照馬鈴薯劃分的4個(gè)發(fā)育時(shí)段，分別統(tǒng)計(jì)7個(gè)代表性縣(區(qū))1981-2013年逐年不同發(fā)育時(shí)段的平均氣溫T、平均最高氣溫Tmax、平均最低氣溫Tmin、氣溫日較差Td、降水量P、日照時(shí)數(shù)S和平均風(fēng)速W。其中，T、Tmax、Tmin、Td、W為不同發(fā)育時(shí)段逐日氣象要素的平均值，P和S為累加值。

1.2.4 馬鈴薯區(qū)劃指標(biāo)的篩選 采用相關(guān)分析法，通過計(jì)算7個(gè)代表性縣(區(qū))1981-2013年馬鈴薯產(chǎn)量與不同發(fā)育時(shí)段氣候要素(T、Tmax、Tmin、Td、W、P、S)的線性相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行不同顯著性水平(α=0.01和0.05)的顯著性檢驗(yàn)，篩選出影響該地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子和關(guān)鍵發(fā)育時(shí)段。根據(jù)篩選的關(guān)鍵氣候因子確定山西省馬鈴薯種植氣候區(qū)劃指標(biāo)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理軟件 利用Excel和SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性分析和不同顯著性水平下的顯著性檢驗(yàn)?；诓逯岛蟮? km×1 km氣候要素細(xì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)和ArcGIS 9.3軟件，繪制山西省馬鈴薯種植氣候區(qū)劃圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯種植氣候區(qū)劃指標(biāo)的選取

表1為7個(gè)代表性縣(區(qū))1981-2013年馬鈴薯產(chǎn)量與發(fā)芽期、幼苗期、結(jié)薯期及淀粉積累期這4個(gè)發(fā)育時(shí)段不同氣候要素(T、Tmax、Tmin、Td、P、S和W)通過顯著性檢驗(yàn)的氣候因子及相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表。共有5個(gè)氣候因子與馬鈴薯產(chǎn)量在不同顯著性水平(0.01/0.05)上(雙側(cè))顯著相關(guān)，分別是：發(fā)芽期平均最高氣溫、結(jié)薯期平均最低氣溫和降水量、淀粉積累期平均最低氣溫和平均風(fēng)速；相關(guān)系數(shù)主要分布在0.367-0.548。從出現(xiàn)的頻次看，淀粉積累期平均最低氣溫出現(xiàn)的次數(shù)最多(7次)，其次為結(jié)薯期平均最低氣溫和降水量(3次)；而發(fā)芽期平均最高氣溫、淀粉積累期平均風(fēng)速僅出現(xiàn)1-2次。由此推斷，盡管不同區(qū)域顯著影響馬鈴薯產(chǎn)量的氣候因子略有差異，但結(jié)薯期平均最低氣溫、結(jié)薯期降水量、淀粉積累期平均最低氣溫應(yīng)該是影響馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子，將其確定為馬鈴薯種植氣候區(qū)劃指標(biāo)。

表1 山西省7個(gè)代表性縣(區(qū))與馬鈴薯產(chǎn)量顯著相關(guān)的氣候因子及相關(guān)系數(shù)R統(tǒng)計(jì)表

注：** 為0. 01水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)，*為0. 05水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)。

Notes:** was significantly correlated on 0.01 levels (bilateral), * was significantly correlated on 0.05 level (bilateral).

2.2 馬鈴薯種植氣候區(qū)劃指標(biāo)的等級(jí)劃分

2.2.1 降水量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響 以右玉縣為例，分析結(jié)薯期降水量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響。如圖1所示，馬鈴薯產(chǎn)量隨結(jié)薯期降水量的增加表現(xiàn)為向下的拋物線型。當(dāng)降水量小于150 mm時(shí)，馬鈴薯產(chǎn)量與降水量總體正相關(guān)，降水量增多利于馬鈴薯產(chǎn)量的提高，但降水量不足100 mm會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯明顯減產(chǎn)。當(dāng)降水量在150～200 mm之間時(shí)，馬鈴薯產(chǎn)量仍以增產(chǎn)為主，但降水量大于200 mm后馬鈴薯轉(zhuǎn)為減產(chǎn)。結(jié)薯期對(duì)水分條件的要求較高，干旱脅迫不利于塊莖形成和增大、降水過多也容易造成薯塊腐爛、加重病害的發(fā)生，最終導(dǎo)致馬鈴薯減產(chǎn)。

2.2.2 溫度對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響 以朔州市平魯區(qū)為例，分析結(jié)薯期和淀粉積累期平均最低氣溫對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響。如圖2所示，無論是結(jié)薯期還是淀粉積累期，二者均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，即平均最低氣溫越低，越利于馬鈴薯產(chǎn)量的形成。馬鈴薯是喜涼作物，氣溫過高不利于馬鈴薯的生長發(fā)育，平均最低氣溫越低代表晝夜溫差越大，越有利于馬鈴薯生長期的延長和淀粉的充分積累，進(jìn)而促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)量的增加。

圖1 結(jié)薯期降水量對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響(以右玉縣為例)Fig.1 Relationship between precipitation and potato yieldon tuber formation stage (Youyu County)

圖2 結(jié)薯期和淀粉積累期平均最低氣溫對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響(以朔州市平魯區(qū)為例)Fig.2 Relationship between average minimum temperature and potato yield on tuber formation stage andstarch accumulation stage (Pinglu District of Shuozhou City)

2.2.3 馬鈴薯種植氣候區(qū)劃指標(biāo)的等級(jí)劃分 綜合考慮2.2.1和2.2.2的分析結(jié)果，對(duì)結(jié)薯期平均最低氣溫、結(jié)薯期降水量、淀粉積累期平均最低氣溫這3個(gè)區(qū)劃指標(biāo)給出等級(jí)劃分，依次劃分適宜種植區(qū)、次適宜種植區(qū)和不適宜種植區(qū)(表2)。

2.3 馬鈴薯種植氣候區(qū)劃結(jié)果與分析

基于插值后的1 km×1 km氣候要素細(xì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)，采用專家打分法按照表2中的馬鈴薯種植氣候區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)打分，即給每一個(gè)分級(jí)指標(biāo)都賦予一定的分值。如7月上旬至8月上旬結(jié)薯期平均最低氣溫，≤15℃時(shí)賦予3分，15～17℃時(shí)賦予2分，>17℃時(shí)賦予1分，其它指標(biāo)的打分標(biāo)準(zhǔn)以此類推。最后根據(jù)3個(gè)指標(biāo)疊加后總分?jǐn)?shù)的大小，按照7-9分、4-6分、0-3分依次劃分為馬鈴薯種植的適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)，并為不同的區(qū)域賦予不同的顏色，制作了山西省馬鈴薯種植氣候適宜性區(qū)劃圖(圖3a)。

表2 山西省馬鈴薯種植氣候區(qū)劃指標(biāo)等級(jí)劃分

圖3 山西省馬鈴薯種植氣候適宜性區(qū)劃結(jié)果及檢驗(yàn)Fig.3 The climatic regionalization for potato planting and it’s test in Shanxi Province

2.3.1 適宜和較適宜種植區(qū) 如圖3(a)所示，山西省適宜和較適宜種植馬鈴薯的區(qū)域主要分布在雁北和東西山區(qū)(呂梁山、五臺(tái)山、太行山)的丘陵地帶，兩個(gè)等級(jí)面積占全省總面積的57.9%。該區(qū)域大多在海拔1 200 m以上，年均氣溫6℃左右，無霜期100～140 d，氣候冷涼，光照充足，晝夜溫差大，年降雨量400～500 mm，且集中在7-9月[12]，水熱條件非常適合馬鈴薯塊莖膨大和淀粉積累。具體來看，適宜種植區(qū)主要分布在呂梁山區(qū)域及其以北的高寒山區(qū)、恒山及五臺(tái)山區(qū)域及其南部部分地區(qū)、太岳山區(qū)域、太行山西北部部分地區(qū)等；面積占全省總面積的26.5%。較適宜種植區(qū)主要分布在大同市及其南部的大同盆地、恒山以東部分地區(qū)、忻定盆地西部地區(qū)、忻州、晉中東部、太行山西南部部分地區(qū)、太岳山東南地區(qū)、長治部分地區(qū)、臨汾西北部等；面積占全省總面積的31.4%。

由于山西省適宜和較適宜馬鈴薯種植的區(qū)域主要分布在山坡丘陵地區(qū)，生產(chǎn)的灌溉條件較差，干旱是制約馬鈴薯生產(chǎn)的主要因素。這些地區(qū)應(yīng)注意以抗旱為中心的“選用優(yōu)種、脫毒種薯、整薯播種、催芽曬種、一晚四深”[13]五項(xiàng)配套技術(shù)綜合運(yùn)用，以促進(jìn)馬鈴薯的增產(chǎn)增效。

2.3.2 不適宜種植區(qū) 不適宜種植馬鈴薯的區(qū)域主要分布在山西省中部和南部地區(qū)(圖3a)，占全省總面積的42.1%。該區(qū)域年均氣溫大于8℃，無霜期180～220 d，熱量資源非常豐富，中南部地區(qū)降水量大于500 mm，但夏季氣溫偏高是限制馬鈴薯生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的主要原因。具體來看，不適宜種植區(qū)主要分布在呂梁山以西地區(qū)、忻定盆地、太原盆地、太岳山以西地區(qū)、臨汾盆地、晉城大部以及運(yùn)城盆地等地。當(dāng)?shù)匾诉x擇馬鈴薯早熟和中早熟品種，利用春、秋兩季的涼爽氣候條件合理調(diào)整播期；或者將馬鈴薯與玉米、棉花等作物間作、套種，實(shí)現(xiàn)“糧棉不少收，多收一季薯”。

2.3.3 馬鈴薯種植氣候區(qū)劃結(jié)果檢驗(yàn) 為了檢驗(yàn)本研究區(qū)劃結(jié)果是否合理，利用2014年山西省各縣(區(qū))馬鈴薯總產(chǎn)進(jìn)行初步檢驗(yàn)(圖3b)。從驗(yàn)證結(jié)果來看，圖3(a)、(b)兩張圖吻合度較高、本研究區(qū)劃結(jié)果能夠較客觀真實(shí)地反映山西省馬鈴薯的種植狀況。

3 討 論

1)本文通過相關(guān)分析和顯著性檢驗(yàn)將結(jié)薯期平均最低氣溫、結(jié)薯期降水量、淀粉積累期平均最低氣溫作為影響馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子，與前人的研究結(jié)論基本一致。馬鈴薯是喜涼作物，當(dāng)10 cm地溫穩(wěn)定通過8℃，幼芽即可生長，發(fā)芽期對(duì)光照、水分需求較少。結(jié)薯期是營養(yǎng)生長與生殖生長并行的階段，也是馬鈴薯生長最旺盛的時(shí)期，對(duì)水分需求較多，當(dāng)土壤含水量小于15%時(shí)塊莖停止生長，因而水分狀況是決定馬鈴薯是否高產(chǎn)的關(guān)鍵；同時(shí)氣溫對(duì)塊莖的大小也具有決定性作用，平均氣溫在18～21℃對(duì)塊莖的形成和增長最為有利，超過21℃塊莖生長受到抑制，超過25℃則基本停止生長[14]。孫芳[15]和姚玉壁等[16]也認(rèn)為氣溫對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量形成為負(fù)效應(yīng)，尤其是塊莖增長期的產(chǎn)量形成對(duì)氣溫變化尤為敏感。高峰等[17]認(rèn)為馬鈴薯塊莖增長期對(duì)水分需求達(dá)到最大，約占整個(gè)生育期需水量的50%，但結(jié)薯后期水分過多易導(dǎo)致塊莖腐爛。淀粉積累期馬鈴薯對(duì)水分需求總體較少，適當(dāng)?shù)蜏睾洼^大的晝夜溫差更利于馬鈴薯生長期的延長和淀粉的積累；溫度過高會(huì)導(dǎo)致塊莖生長緩慢或停止。朱赟赟等[14]研究結(jié)果表明，寧夏北部淀粉積累期的氣溫對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響為負(fù)效應(yīng)，9月中旬氣溫每升高1℃，產(chǎn)量降低達(dá)61 kg·hm-2。

2)本文利用GIS技術(shù)將氣候要素插值為1 km×1 km的細(xì)網(wǎng)格并進(jìn)行馬鈴薯種植氣候區(qū)劃，能夠直觀地反映不同地理位置和海拔高度下各氣候區(qū)劃因子的變化特征，比傳統(tǒng)氣候區(qū)劃更精細(xì)，區(qū)劃結(jié)果更趨合理，對(duì)今后推廣發(fā)展優(yōu)質(zhì)馬鈴薯及優(yōu)化種植布局具有指導(dǎo)意義。但是，馬鈴薯種植不僅與氣候條件密切相關(guān)，也受土壤條件、土地利用狀況、經(jīng)濟(jì)因素等因素影響，本研究的區(qū)劃結(jié)果只是針對(duì)于農(nóng)業(yè)氣候，與實(shí)際稍有一定的差距，有待今后不斷修正與完善。

4 結(jié) 論

本研究利用山西省109個(gè)氣象站近30 a(1981-2010年)的逐日氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合馬鈴薯傳統(tǒng)種植區(qū)7個(gè)代表性縣(區(qū))多年的產(chǎn)量和發(fā)育期資料，確定結(jié)薯期平均最低氣溫、結(jié)薯期降水量、淀粉積累期平均最低氣溫為山西省馬鈴薯種植的氣候區(qū)劃指標(biāo)?；贕IS技術(shù)將所有氣候要素插值為1 km×1 km的細(xì)網(wǎng)格，采用專家打分法按適宜、次適宜和不適宜3個(gè)等級(jí)制作了山西省馬鈴薯種植氣候區(qū)劃圖。其中，適宜和較適宜種植馬鈴薯的區(qū)域主要分布在雁北和東西山區(qū)(呂梁山、五臺(tái)山、太行山)的山坡丘陵地帶，面積分別占全省總面積的26.5%和31.4%；不適宜種植區(qū)域主要分布在山西省中部和南部地區(qū)，占全省總面積的42.1%，夏季氣溫偏高是限制該區(qū)域馬鈴薯生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的主要原因。