黃淮海夏玉米生長季氣候資源時空分布特征分析

申健 張億博 魏慶偉

摘 要：利用GIS技術(shù)對黃淮海地區(qū)202個氣象站點自1970—2013年的氣溫、光照及降水等氣象要素和地理數(shù)據(jù)進行處理，分析了夏玉米生長季內(nèi)該區(qū)域的氣候資源時空分布特征。結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)熱量資源分布在1 800～2 800℃，并有逐步上升趨勢，整體上呈現(xiàn)南高北低的基本空間格局;光照條件由北到南逐步遞減，平均日照時數(shù)在500～900h，但累積光照時數(shù)下降明顯;降水資源總體較為穩(wěn)定，平均降雨量位于260～580mm，但年際變化和區(qū)域分布差異較大。

關(guān)鍵詞：氣候資源;GIS;時空分布

中圖分類號：S513 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）14-0155-04

Analysis on Spatial-Temporal Distribution Characteristics of Climate Resources during Summer Maize Growing Season in Huang-Huai-Hai Region

SHEN Jian ZHANG Yibo WEI Qingwei

（Hebi Meteorological Bureau， Hebi， 458030）

Abstract： Based on data of geographic information and climate data of 202 meteorological stations in Huang-Huai-Hai region from 1970 to 2013， the temperature， precipitation， sunlight were processed by GIS technology and analyzed the Spatial-Temporal distribution characteristics. Results showed that the regional temperature resource were from 1 800 to 2 800℃， the trend was upward， and the overall spatial pattern was that south was higher than north. The quantity of sunlight was gradual reduction from north to south and distributed from 500 to 900 h. Nevertheless， the sunshine time was dramatically reduced. The precipitation overall was from 260 to 580mm， which was a huge difference on interannual variation and Regional distribution.

Keywords： climate resources;GIS;spatial-temporal distribution

玉米是我國主要糧食作物之一，黃淮海地區(qū)是我國最大的夏玉米種植區(qū)域，目前種植面積在74 700km2，約占全國玉米總播種面積的33%。但該區(qū)域地域遼闊，農(nóng)業(yè)氣候資源分布不均，影響玉米生長和產(chǎn)量[1]。因此，急需對黃淮海夏玉米生長季氣候資源時空分布特征進行精細(xì)化研究。在GIS技術(shù)的支持下，對黃淮海地區(qū)夏玉米生長季的氣候資源時空分布特征進行分析，以準(zhǔn)確評估過去及預(yù)測未來氣候資源的變化趨勢，為進一步開發(fā)利用黃淮海地區(qū)夏玉米生長季的氣候資源提供重要決策依據(jù)，對黃淮海夏玉米的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)及保障我國糧食安全具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

黃淮海地區(qū)位于32°～42°N，110°～123°E，北起長城，南至桐柏山、大別山北麓，西倚太行山和豫西伏牛山地，東瀕渤海和黃海，其主體由黃河、淮河與海河及其支流沖積而成的黃淮海平原（即華北平原），以及與其相毗連的魯中南丘陵和山東半島組成。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，氣候資源時空分布差異較大，光熱資源豐富，雨熱同季，干濕季明顯[2]。行政區(qū)劃范圍大致包括北京、天津及山東三省市的全部，河北及河南兩省的大部以及江蘇、安徽兩省的北部地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來自河南省氣象局提供的黃淮海地區(qū)及其周邊的202個氣象觀測站自1970—2013年的逐日降水量、平均氣溫、日照時數(shù)等氣象要素資料以及各觀測站的經(jīng)緯度、海拔高度等地理數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型（DEM）來自中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺提供的SRTM 90m數(shù)據(jù)[3-5]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

以研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用GIS水文分析模塊進行黃淮海流域范圍的提取，并結(jié)合夏玉米的實際種植區(qū)域最終確定研究范圍。將該區(qū)域夏玉米的生育周期確定為每年的6月11日至9月20日，選取氣象數(shù)據(jù)中的逐日降雨量、平均氣溫及日照時數(shù)進行處理分析。在時間上，以10年為間隔將研究數(shù)據(jù)分為4個階段，統(tǒng)計計算每個階段夏玉米生育周期內(nèi)各觀測站研究要素的年平均累積數(shù)據(jù);并以省為單位統(tǒng)計省內(nèi)所有觀測站研究要素年平均數(shù)據(jù)[6，7]。利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立黃淮海地區(qū)及其周邊氣象觀測站的氣象數(shù)據(jù)庫，并運用地理信息系統(tǒng)（GIS）將光、熱、水等氣象要素進行空間插值，得到不同階段黃淮海夏玉米生長季氣候資源時空特征分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 熱量資源時空分布特征

熱量資源是農(nóng)業(yè)氣候資源的主要表征，與農(nóng)作物生長發(fā)育有著密切的關(guān)系，適宜的溫度條件可以保證農(nóng)作物進行正常的生理活動[8]。一個地區(qū)的作物種類、品種的選擇和種植制度的形成，在很大程度上都是由熱量條件決定的，黃淮海夏玉米生長季年平均積溫分布特征及時空變化如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出，1970—2013年的6月11日至9月20日，該區(qū)域平均積溫位于1 800～2 800℃。整體上，南部平均積溫高于北部地區(qū)，主要受區(qū)域緯度跨度較大的影響;西部內(nèi)陸高于東部沿海地區(qū)，受季風(fēng)型氣候影響所致。熱量資源較為豐富的區(qū)域集中在河南、安徽和江蘇地區(qū)，玉米生長季內(nèi)平均積溫在2 600℃以上，積溫偏少的區(qū)域位于北部緯度較高的地區(qū)，平均積溫在2 000℃以下。受泰山海拔高度的影響，在其附近地域內(nèi)出現(xiàn)了局部低溫[9]。積溫對夏玉米生長周期比較有利的區(qū)域位于海河干流以南與淮河干流以北的區(qū)域，除北京市以北的區(qū)域外，大部分地區(qū)均能滿足夏玉米早熟品種2 100～2 300℃及中熟品種2 500～2 700℃的要求。

從圖2可以看出：1970—2013年各省份總體上平均積溫均有所增加;自90年代開始，各省積溫增幅變大，平均積溫增加80℃;2000年以來，南部地區(qū)的安徽與江蘇省平均積溫仍有較大幅度的增加[10]。

3.2 光照資源時空分布特征

玉米是喜溫、喜光、高光效的C4植物，其產(chǎn)量90%左右是依靠光合作用來制有機物，而日照時間的長短在很大程度上影響著作物的光合同化能力，關(guān)系到光合產(chǎn)物的積累和作物營養(yǎng)生長狀況的好壞。光照資源的分布特征可用日照時數(shù)的長短來評價，黃淮海夏玉米生長季年平均累積日照時數(shù)分布特征和時空變化如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，黃淮海地區(qū)夏玉米生長季平均日照時數(shù)基本上位于500—900 h之間，整體上由北到南逐步減少，呈現(xiàn)北多南少的基本空間格局，除南部山區(qū)外，基本都能達到夏玉米全生育期所需的600～800h的日照時數(shù)。由不同年代的日照資源分布特征圖可知，日照資源較為豐富的區(qū)域集中在河北省的西北部和北京地區(qū)，玉米生長季內(nèi)平均日照時數(shù)在750h以上，日照時數(shù)較少的區(qū)域位于桐柏山和大別山北麓及淮河流域的中上游位置[11]。

從圖4可以看出，整個區(qū)域內(nèi)光照資源下降明顯，70年代黃淮海地區(qū)的日照基本能達到700h以上，80年代除河北省和山東省的平均日照稍有增加外，其他3個省份的平均日照均下降100h左右;90年代與80年代相反，河北省和山東省的平均日照有較大下降，其余3個省份平均日照均有小幅回升;2000—2013年，5個省份平均日照均呈下降狀態(tài)，與70年代相比，各省份均有較大幅度的下降，其中安徽省下降137h，河北省下降93h，河南省下降170h，江蘇省下降89h，山東省下降103h。

3.3 降水資源時空分布特征

水分是植物生長和發(fā)育所必需的基本因子，在熱量和光照資源滿足的情況下，水是決定作物生育和產(chǎn)量水平的主要因素。水資源與光、熱量資源配合的適宜程度決定了某區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源優(yōu)劣好壞，對于降水分布差異較大的黃淮海地區(qū)，水資源已成為玉米生產(chǎn)發(fā)展的限制因素，黃淮海夏玉米生長季年平均平均降水分布分布和降水時空變化如圖4和圖5所示。

由圖5可以看出，1970—2013年黃淮海區(qū)域的平均降雨量位于260～580mm，降雨量呈現(xiàn)南多北少、東南多西北少，由北向南、由西向東逐漸增大的分布特征。年平均降雨量低于300mm的區(qū)域和日照大于850h的區(qū)域基本一致，都集中在河北的西北部地區(qū)[12]。降雨量較高的區(qū)域和日照較小的區(qū)域相對吻合，均位于河南東南部和安徽南部地區(qū);整體上降雨量能滿足夏玉米全生育期內(nèi)所需用水量，但玉米生育期內(nèi)降雨的時空分布不均是限制區(qū)域內(nèi)玉米生長及產(chǎn)量的重要因素。從圖6可以看出：區(qū)域內(nèi)的總降雨量較為穩(wěn)定，但其年際變化和區(qū)域分布差異較大，整體上呈波浪型變化[13]。

4 結(jié)論

①建立了黃淮海地區(qū)及其周邊氣象觀測站的氣候資源數(shù)據(jù)庫，并利用地理信息系統(tǒng)（GIS）將光、熱、水等氣象要素進行空間插值，得到不同年代黃淮海夏玉米生長季氣候資源時空特征分布圖。

②通過黃淮海氣候資源的分析研究，對區(qū)域內(nèi)夏玉米生長季的時空分布特征及其動態(tài)變化趨勢有了更為直觀、準(zhǔn)確的把握，為永優(yōu)系列品種的氣候適宜性區(qū)劃建立和新品種的推廣布局提供了重要決策依據(jù)，為合理高效開發(fā)利用該區(qū)域氣候資源提供了重要決策依據(jù)。

③由于黃淮海地區(qū)緯度跨度較大，區(qū)域間溫度變化各異，降水分布差異大，對夏玉米不同發(fā)育期造成的影響各不相同。

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