基于高筋含量的寧夏優(yōu)質(zhì)小麥農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃

張德有 ，李陽 ，王勇

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川 750000；3.中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)氣象局，寧夏 中衛(wèi) 755000；4.寧夏氣象科學研究所，寧夏 銀川 750000；5.寧夏氣象臺，寧夏 中衛(wèi) 755000）

寧夏是西北地區(qū)重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是中國五大平原灌區(qū)之一。近幾年，隨著寧夏圍繞“提質(zhì)增效轉(zhuǎn)方式、穩(wěn)糧增收可持續(xù)”的農(nóng)業(yè)發(fā)展主線，大力發(fā)展優(yōu)質(zhì)糧，深入推進綠色高產(chǎn)高效增產(chǎn)模式，“十三五”期間逐步形成不同區(qū)域各具特色的優(yōu)質(zhì)小麥產(chǎn)業(yè)格局。但影響小麥品質(zhì)的因素有很多，如選種、種植區(qū)域、農(nóng)業(yè)技術(shù)等。優(yōu)質(zhì)品種種植在適宜區(qū)域，實施科學的種植管理技術(shù)，才能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)小麥的高效生產(chǎn)。寧夏回族自治區(qū)優(yōu)質(zhì)糧食產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃中，將寧夏劃分為以引黃灌區(qū)為主的中強筋適宜種植區(qū)和中南部山區(qū)中筋適宜種植區(qū)2個分區(qū)[1]，為發(fā)揮區(qū)域資源優(yōu)勢，優(yōu)化小麥品種布局，因地制宜發(fā)展優(yōu)質(zhì)小麥提供了科學依據(jù)。但是寧夏地處西北內(nèi)陸高原，地形構(gòu)造復雜，氣候差異較大，在實際生產(chǎn)過程中急需進一步細化與完善優(yōu)質(zhì)小麥區(qū)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)和灌溉數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于寧夏氣象局，主要包括1981～2017年寧夏國家級地面觀測站的降水、氣溫、日照時數(shù)；地理信息數(shù)據(jù)來源于寧夏國土資源局，主要有寧夏境域內(nèi)1∶25萬等高線數(shù)據(jù)；灌溉數(shù)據(jù)來源于寧夏水利廳，主要包括2018年寧夏境域內(nèi)農(nóng)田灌溉條件。

1.2 研究方法

（1） 建立數(shù)字地形模型。運用地理信息系統(tǒng)（GIS） 技術(shù)將寧夏1∶25萬等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成1 km×1 km的高分辨率數(shù)字地形模型（DEM），在此基礎上進行數(shù)字地形定量分類技術(shù)研究。

（2）各要素指標確定。在參考已有優(yōu)質(zhì)小麥區(qū)劃研究成果的基礎上，充分考慮寧夏優(yōu)質(zhì)小麥生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)氣候特點以及文獻資料，按照提高產(chǎn)業(yè)效益、優(yōu)化品質(zhì)結(jié)構(gòu)、合理配置資源的原則，提出寧夏優(yōu)質(zhì)小麥農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標。

（3）區(qū)劃等級標準確定。根據(jù)實際生產(chǎn)情況，確定強筋適宜區(qū)、中筋適宜區(qū)和弱筋適宜區(qū)3個類型區(qū)。采用專家打分法對影響優(yōu)質(zhì)小麥品質(zhì)的氣象指標進行評估打分，并對3個區(qū)域類型賦值：強筋適宜區(qū)3分，中筋適宜區(qū)2分，弱筋適宜區(qū)1分。建立區(qū)劃指標空間推算模型，推算出每個區(qū)劃指標在1 km×1 km格點網(wǎng)的分布，對每個網(wǎng)格點上的所有區(qū)劃指標得分進行加權(quán)疊加處理得到總分值，并將結(jié)果分級歸類（表 1）。

表1 基于高筋含量的寧夏優(yōu)質(zhì)小麥精細化農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃等級Table 1 Fine agro-climatic division grade of high quality wheat in Ningxia based on high gluten content

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象指標文獻綜述

寧夏小麥生育期間的總體氣候特點是氣溫日差大，日照時間長，太陽輻射強，大部分地區(qū)晝夜溫差為12～15℃；全年平均氣溫5～9℃。引黃灌區(qū)在研究區(qū)域的高溫區(qū)，年平均降水量為157 mm，以春小麥種植為主，播種期集中在3月上旬，7月上旬收獲。南部山區(qū)在研究區(qū)域的低溫區(qū)，年平均降水量為400 cm，以冬小麥種植為主，播種期在9月下旬，翌年7月中上旬收獲。研究表明，小麥的品質(zhì)取決于品種與環(huán)境相互作用的影響，環(huán)境因素包括氣象條件、土壤狀況、種植技術(shù)等，其中氣象條件對品質(zhì)性狀的影響更為敏感[2]。因此，確定研究區(qū)域的氣象指標成為精準劃分類型的重要部分。

2.1.1 溫度 開花期至成熟期是決定小麥子粒產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵時期。研究表明，小麥灌漿期，日平均氣溫為15～30℃時，子粒蛋白質(zhì)含量與氣溫呈正相關(guān)，表現(xiàn)為隨著溫度升高，子粒干物質(zhì)積累以及氮和磷的累積速度加快，蛋白質(zhì)含量明顯提高[3～5]；日平均氣溫＞30℃時，對提高子粒蛋白質(zhì)含量產(chǎn)生不利影響。小麥子粒蛋白質(zhì)含量與開花期至成熟期的氣溫日較差呈正相關(guān)[6]。

2.1.2 日照 小麥整個生育期都會受到日照因素的影響。研究表明，播種期至拔節(jié)期，長日照有利于小麥蛋白質(zhì)含量的提高；開花期至成熟期，小麥蛋白質(zhì)含量隨著日照時數(shù)的減少而增加；抽穗至成熟期，總輻射量與小麥子粒濕面筋含量呈極顯著負相關(guān)[7]。

2.1.3 水分 小麥生育期間的水分狀況受自然降水和灌溉的影響。研究表明，小麥灌漿成熟期，土壤水分含量越高，子粒的蛋白質(zhì)含量越低[8]。小麥成熟前40～55 d，子粒蛋白質(zhì)含量與降雨量的相關(guān)系數(shù)為-0.70；抽穗后15 d內(nèi)，每降雨12.5 mm，子粒蛋白質(zhì)含量降低0.75%。輕度干旱脅迫有利于提高小麥子粒容重和濕面筋含量。

2.2 區(qū)劃指標及指標值確定

在已有的研究成果上，根據(jù)研究區(qū)域生態(tài)特點以及既定的研究目標，在梳理大量相關(guān)參考文獻的基礎上，選取7個氣候要素作為優(yōu)質(zhì)小麥農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃因子（表1）。需要說明的是，寧夏種植的小麥有春小麥和冬小麥，且種植面積都很大，引用的區(qū)劃指標為河南、山東、河北等地區(qū)的冬小麥氣候區(qū)劃指標[9]，該指標的數(shù)據(jù)時段主要集中在4～6月，并且其中的全生育期指標得分不會因種植春、冬小麥而產(chǎn)生不同結(jié)果，只與其地理信息有關(guān)，因此，該指標是可以適用于冬、春小麥混種模式下的寧夏優(yōu)質(zhì)小麥農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃探索。

2.3 區(qū)劃指標空間分布模型建立

寧夏土地面積6.64萬km2，全區(qū)現(xiàn)有26個國家級地面氣象觀測站數(shù)據(jù)不能真實、全面地反映寧夏境內(nèi)的氣候特征，也無法滿足優(yōu)質(zhì)小麥精細化農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃要求。所以，本文利用多元回歸方法將23個（3個高山站除外）氣象觀測站氣象要素與經(jīng)度、緯度和海拔進行相關(guān)性分析，并建立以經(jīng)緯度和海拔為自變量，區(qū)劃指標為因變量的氣候要素網(wǎng)格推算的多元回歸數(shù)據(jù)方程。將精度為1 km的網(wǎng)格經(jīng)緯度和海拔數(shù)據(jù)信息帶入數(shù)據(jù)方程，推算出區(qū)劃指標因子的格點值。區(qū)劃指標因子推算方程見表3。

表2 基于高筋含量的寧夏優(yōu)質(zhì)小麥精細化農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標Table 2 Fine agro-climatic division index of high quality wheat in Ningxia based on high gluten content

表3 基于高筋含量的寧夏優(yōu)質(zhì)小麥農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標空間推算模型Table 3 Spatial prediction model of agro-climatic division index of high quality wheat in Ningxia based on high gluten content

2.4 區(qū)劃結(jié)果分析

根據(jù)以上計算方法，得到寧夏境內(nèi)1 km×1 km格點網(wǎng)上的區(qū)劃指標總得分，并根據(jù)區(qū)劃等級標準，制作出寧夏優(yōu)質(zhì)小麥精細化農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖（圖1）。

圖1 基于高筋含量的寧夏優(yōu)質(zhì)小麥精細化農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃Fig.1 Fine agroclimatic division of high quality wheat based on high gluten content in Ningxia

2.4.1 強中筋適宜區(qū) 強中筋上等適宜區(qū)包括石嘴山、銀川、中衛(wèi)北部、吳忠西北部，地處引黃灌區(qū)，屬春小麥種植區(qū)。該區(qū)小麥生育期內(nèi)≥0℃積溫均在1 800 d·℃以上，日照時數(shù)1 100 h左右，全生育期降水量90～100 mm。該區(qū)域光照熱量條件充足，拔節(jié)期大風日數(shù)較多，土壤水分消耗較快，容易出現(xiàn)干旱，有利于小麥品質(zhì)的提升；由于灌溉條件較好，能緩解降水量偏少的矛盾，不會出現(xiàn)影響小麥品質(zhì)的旱情；灌漿期少雨且氣溫日較差大。該區(qū)域?qū)儆趯幭囊S灌區(qū)平原地帶，土壤質(zhì)地多為壤黏土和沙壤土，土壤肥力較高，灌溉條件良好，生產(chǎn)水平較高，適合大規(guī)模種植優(yōu)質(zhì)強中筋小麥，可作為優(yōu)質(zhì)小麥的主產(chǎn)區(qū)。

強中筋下等適宜區(qū)位于寧夏中部干旱帶，主要包括中衛(wèi)中部、紅寺堡、鹽池一帶地區(qū)，地處揚黃灌區(qū)，屬春小麥種植區(qū)。該區(qū)小麥全生育期≥0℃積溫均為1 700～1 800 d·℃，降水量180 mm左右，日照時數(shù)1 000 h左右。該區(qū)域小麥灌漿期平均氣溫日較差為12℃，降水量為50～60 mm，日照充足，灌溉條件一般，種植區(qū)以山地為主，可作為優(yōu)質(zhì)強中筋小麥的輔助產(chǎn)區(qū)。

2.4.2 中筋適宜區(qū) 中筋上等適宜區(qū)主要分布在海原、西吉、原州區(qū)和彭陽地區(qū)，屬冬小麥種植區(qū)。該區(qū)域春季降水較少，光照充足，對穗粒形成較為有利。該區(qū)域小麥灌漿期氣溫日較差為12℃左右，有利于千粒重的提高；存在的主要問題是灌溉條件較差，降水時空分布不均，在小麥生長發(fā)育期內(nèi)容易出現(xiàn)中度以上干旱，影響小麥的正常生長。因此，該區(qū)域可作為優(yōu)質(zhì)中筋小麥的主產(chǎn)區(qū)。

中筋下等適宜區(qū)主要分布在隆德和涇源地區(qū)，屬冬小麥種植區(qū)。該區(qū)域為寧夏降水大值區(qū)，存在的主要問題是多雨年份連陰雨天氣較多，少雨年份容易發(fā)生干旱，灌溉條件較差，影響小麥穩(wěn)定高產(chǎn)；收獲期降水偏多，會導致豐產(chǎn)不豐收。因此，該區(qū)域可作為優(yōu)質(zhì)中筋小麥的輔助產(chǎn)區(qū)。

3 結(jié)論與討論

本研究在以小麥全生育期氣候特點的基礎上，考慮灌溉條件因素，采用GIS技術(shù)將寧夏優(yōu)質(zhì)小麥劃分為2個大區(qū)、4個小區(qū)的適宜種植區(qū)，較之前的區(qū)劃結(jié)果更為精細化，對各地合理優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源配置具有更強的指導意義。

本次區(qū)劃結(jié)果與當前寧夏優(yōu)質(zhì)小麥種植分布較為一致，即寧夏中北部灌區(qū)是優(yōu)質(zhì)強中筋小麥主產(chǎn)區(qū)，南部山區(qū)是優(yōu)質(zhì)中筋小麥主產(chǎn)區(qū)。從區(qū)劃結(jié)果來看，基于氣候條件下的區(qū)劃結(jié)果與寧夏地區(qū)優(yōu)質(zhì)小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局基本一致，但氣候區(qū)劃更加精細，具有更強的參考價值。

大力發(fā)展優(yōu)質(zhì)小麥種植產(chǎn)業(yè)，可以提升寧夏優(yōu)質(zhì)小麥的市場競爭力和綜合生產(chǎn)力，并且可以成為寧夏產(chǎn)業(yè)扶貧的重要組成部分，從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效、農(nóng)民增收，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)、現(xiàn)代化健康發(fā)展。