西安市冬小麥氣候適宜性指標(biāo)研究及精細(xì)化區(qū)劃

柴 芊,劉 璐

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)中心，陜西 西安 710015)

引言

冬小麥?zhǔn)俏靼彩兄饕?xì)糧作物，境內(nèi)一市六縣(區(qū))均有種植。西安冬小麥種植歷史悠久，近年來(lái)隨著先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的廣泛采用，冬小麥單產(chǎn)不斷提高，由20世紀(jì)80年代初3 675 kg·hm-2，增加到2018年的4 862 kg·hm-2。然而，隨著城市化進(jìn)程的不斷加快和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，自然生態(tài)系統(tǒng)的退化加劇了環(huán)境的脆弱性，導(dǎo)致氣象災(zāi)害發(fā)生頻率劇增，災(zāi)情擴(kuò)大。特別是干旱、暴雨等，影響面廣、經(jīng)濟(jì)損失巨大，嚴(yán)重制約西安市農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在這種情況下，有必要及時(shí)開(kāi)展區(qū)域冬小麥精細(xì)化氣候區(qū)劃，為政府部門(mén)開(kāi)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，合理規(guī)劃冬小麥種植面積及區(qū)域提供科學(xué)決策依據(jù)，為農(nóng)業(yè)技術(shù)部門(mén)和科技人員開(kāi)展冬小麥育種、選種、改進(jìn)農(nóng)技措施等科研攻關(guān)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)參考。

近些年，在小麥氣候適宜性區(qū)劃方面，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家已取得不少研究成果[1～7]。但其區(qū)劃指標(biāo)選取方面，多采用小麥生物學(xué)指標(biāo)，或以生物學(xué)指標(biāo)為基礎(chǔ)與產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定幾個(gè)重點(diǎn)指標(biāo)作為區(qū)劃指標(biāo)。筆者研究擬采用積分回歸方法，對(duì)小麥全生育期光溫水資源與氣候產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行分析，即開(kāi)展氣候因子對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響效應(yīng)分析,從而尋找與小麥產(chǎn)量相關(guān)性最大的氣象條件作為區(qū)劃指標(biāo)，增加區(qū)劃指標(biāo)的客觀(guān)性。此外，筆者研究擬采用GIS技術(shù)對(duì)區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高區(qū)劃的精細(xì)化程度，增加區(qū)劃結(jié)果的適用性。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

氣象資料來(lái)源于陜西省氣象局，包括西安市、長(zhǎng)安區(qū)、臨潼區(qū)、周至縣、藍(lán)田縣、鄠邑區(qū)、高陵區(qū)等7個(gè)氣象站，以及西安市周邊14個(gè)縣(區(qū))1981-2018年38a的逐旬平均氣溫、逐旬降水量及逐旬日照時(shí)數(shù)資料。冬小麥產(chǎn)量資料來(lái)源于1981-2018年陜西省及西安市統(tǒng)計(jì)年鑒。數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)是從CGIAR - Consortium forSpatial information(CGIAR-CSI)——http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp 下載的1∶25萬(wàn)比例尺數(shù)據(jù)。

1.2 分析方法

采用生物模型logistic 曲線(xiàn)模擬方法提取冬小麥氣候產(chǎn)量[8～9]，并利用積分回歸(Integral regression)方法[10～12]，提取影響冬小麥氣候產(chǎn)量的主要?dú)夂蛞蜃?，建立冬小麥氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃指標(biāo)；在對(duì)已有氣象要素各類(lèi)差值方法比較和西安市現(xiàn)有數(shù)據(jù)空間點(diǎn)分布狀況分析的基礎(chǔ)上，建立要素與經(jīng)度、緯度、高程的擬合模型[13]，最后利用GIS技術(shù)，繪制西安市冬小麥氣候適宜性精細(xì)化綜合區(qū)劃圖[14～15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候因子對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響效應(yīng)分析

2.1.1 西安市冬小麥氣候產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化 圖1為1981-2018年西安市冬小麥單產(chǎn)年變化曲線(xiàn)。如圖1可見(jiàn)，冬小麥單產(chǎn)基本呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)，其中20世紀(jì)90年代的單產(chǎn)增長(zhǎng)速率明顯高于其他年代，這主要與90年代冬小麥生產(chǎn)管理水平大幅度提高，且產(chǎn)業(yè)技術(shù)、規(guī)模和發(fā)展水平逐漸趨于穩(wěn)定有關(guān)。

圖1 西安市冬小麥1981-2018年單產(chǎn)年變化曲線(xiàn)

計(jì)算西安市冬小麥單產(chǎn)趨勢(shì)產(chǎn)量，其中西安市冬小麥單產(chǎn)的極值為5 010 kg·hm-2，擬合誤差為245.2 kg·hm-2。利用趨勢(shì)產(chǎn)量計(jì)算結(jié)果，得到氣候產(chǎn)量變化情況，如圖2所示，1981-2018年西安市冬小麥氣候產(chǎn)量波動(dòng)較大。

圖2 西安市冬小麥1981-2018年氣候產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)

2.1.2 氣候因子對(duì)不同生育期冬小麥氣候產(chǎn)量的影響 研究氣候因子本身在不斷變化情形下對(duì)目標(biāo)變量的影響，可以采用由Fisher提出的積分回歸(Integral regression)方法[8～10]。積分回歸的基本原理是假設(shè)農(nóng)作物氣候產(chǎn)量y的形成是整個(gè)生育期(t=0-τ)內(nèi)由于氣象條件影響的結(jié)果，將影響氣候產(chǎn)量的因素如光照、溫度和降水等k個(gè)氣象要素作為自變量Xi，將冬小麥關(guān)鍵生育期分為n個(gè)時(shí)段，把某個(gè)時(shí)段、某個(gè)氣象要素值作為一個(gè)變量。則y對(duì)Xi的回歸方程可以寫(xiě)成：

(1)

式中，c為常數(shù)項(xiàng)；ait為第t個(gè)時(shí)段第i個(gè)氣象要素的偏回歸系數(shù)；Xit為第t個(gè)時(shí)段第i個(gè)氣象要素值。

假如將ait、Xit均看成隨時(shí)間變化的函數(shù)，將作物整個(gè)生育期分成若干個(gè)無(wú)窮小的時(shí)段，則(1)式的多元回歸方程可用積分回歸形式表示：

(2)

式中，Xi(t)為t+Δt時(shí)刻的第i個(gè)氣象要素值；ai(t)是t+Δt時(shí)刻的第i個(gè)氣象要素每變化一個(gè)單位時(shí)對(duì)作物產(chǎn)量的影響效果，稱(chēng)為偏回歸系數(shù)。ai(t)是時(shí)間t的函數(shù)，用正交多項(xiàng)式函數(shù)將其展開(kāi)：

ai(t)=∑aijφij(t)

(3)

式中，φij(t)為時(shí)間的正交多項(xiàng)式，aij為回歸系數(shù)，正交多項(xiàng)式取5次項(xiàng)，j=0,1,2,3,4,5。將(3)式代入(2)式得：

(4)

(5)

由回歸方程可以看出，由于氣象要素的隨時(shí)間不同，每組ρij值也不會(huì)相同，當(dāng)然y值就會(huì)不同。ai(t)就是第i個(gè)要素在t時(shí)段對(duì)作物氣候產(chǎn)量影響的重要程度，即敏感指數(shù)，代表某氣象要素每變化一個(gè)單位對(duì)最終產(chǎn)量的減少值或增加值。

分析結(jié)果如圖3所示，在冬小麥主要生育期內(nèi)，西安市冬小麥對(duì)氣溫的敏感時(shí)段為3-4月和11月，對(duì)降水的敏感時(shí)段為3月中旬至4月下旬和10月下旬至11月下旬，對(duì)日照時(shí)數(shù)的敏感時(shí)段為4月下旬至5月下旬和11月至1月中旬。在這些時(shí)段內(nèi)，對(duì)應(yīng)氣象資源偏多或偏大，將有利于冬小麥產(chǎn)量的形成。例如3月下旬氣溫對(duì)產(chǎn)量的正效應(yīng)達(dá)到最大，此時(shí)氣溫每偏高1℃，產(chǎn)量將增加19.5 kg·hm-2，11月中旬降水對(duì)產(chǎn)量的正效應(yīng)達(dá)到最大，此時(shí)降水量每偏高1 mm，產(chǎn)量將增加4.7 kg·hm-2，5月下旬日照對(duì)產(chǎn)量的正效應(yīng)達(dá)到最大，此時(shí)日照時(shí)數(shù)每偏高1 h，產(chǎn)量將增加12.1 kg·hm-2。

圖3 冬小麥氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)積分回歸系數(shù)變化

2.2 冬小麥氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃指標(biāo)的建立

在以上分析各地氣候因子對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響效應(yīng)的基礎(chǔ)上，綜合冬小麥生物學(xué)特性等因素，選擇對(duì)各地小麥產(chǎn)量影響較大的氣候因子作為氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃指標(biāo)。此外，利用陜西省農(nóng)作物氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃技術(shù)規(guī)定，利用可區(qū)劃因子與產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系，以產(chǎn)量達(dá)到高產(chǎn)水平的90%、80%和70%作為最適宜、較適宜和次適宜指標(biāo)判定依據(jù)(見(jiàn)表1)。

表1 西安市冬小麥氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃指標(biāo)

2.3 冬小麥氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃結(jié)果分析

基于區(qū)劃指標(biāo)，利用GIS技術(shù)，對(duì)西安市以及周邊縣所有氣象站氣象要素進(jìn)行空間化處理，得到西安市冬小麥氣候適宜性精細(xì)化綜合區(qū)劃圖，如圖4所示。

圖4 西安冬小麥氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃

(1)最適宜區(qū)。主要是西安市北部地區(qū)，包括西安市閻良區(qū)、高陵區(qū)、未央?yún)^(qū)，以及臨潼區(qū)、灞橋區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)、鄠邑區(qū)和周至縣北部，冬小麥種植面積約13萬(wàn)hm2，約占西安市全市冬小麥種植面積的62%。這里地勢(shì)平坦，土地肥沃，冬小麥生育期平均氣溫8.9～9.8℃，冬前降水量38～44 mm，返青拔節(jié)育穗期降水量74～78 mm，抽穗灌漿期日照時(shí)數(shù)280～284h，氣候資源優(yōu)勢(shì)明顯，有利于冬小麥的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)，是西安市冬小麥主要種植區(qū)。

(2)適宜區(qū)。主要是西安市東部及秦嶺北麓地區(qū)，包括臨潼區(qū)南部、藍(lán)田縣西北部及長(zhǎng)安區(qū)、戶(hù)縣和周至縣的秦嶺北麓地區(qū)，冬小麥種植面積約7萬(wàn)hm2，約占西安市全市冬小麥種植面積的33%。該區(qū)域冬小麥冬前降水量41～44 mm，返青拔節(jié)育穗期降水量63～69 mm、平均氣溫10.3～10.8℃，抽穗灌漿期日照時(shí)數(shù)242～268 h，降水資源略差于最適宜區(qū)，且地形相較最適宜區(qū)復(fù)雜，主要以平原和塬地地形組成，故灌溉條件略差于最適宜地區(qū)，尤其是東部地區(qū)，冬小麥需水主要靠自然降水供給，對(duì)冬小麥產(chǎn)量有所影響。

(3)次適宜區(qū)。主要是西安市南部接近秦嶺北麓部分山地地區(qū)，冬小麥種植面積約1萬(wàn)hm2，約占西安市全市冬小麥種植面積的5%。該區(qū)域冬小麥冬前降水量36～40 mm，返青拔節(jié)育穗期降水量60～63 mm、平均氣溫10.3～10.4℃，抽穗灌漿期日照時(shí)數(shù)226～242 h，氣候資源相對(duì)較差，且這里冬季越冬期平均氣溫較低，秋淋時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大，易推遲小麥播種時(shí)間，使小麥苗期生長(zhǎng)不壯，不利于冬小麥正常生長(zhǎng)發(fā)育。

(4)不適宜區(qū)。主要是西安市南部秦嶺山區(qū)。由于秦嶺山脈地勢(shì)高、地形復(fù)雜、整地不細(xì)的地理?xiàng)l件，以及溫度較低的氣候因素，不利于冬小麥的正常生長(zhǎng)，故這里不適宜種植冬小麥。

3 結(jié)論與討論

(1)農(nóng)作物氣候適宜性區(qū)劃是地方政府合理規(guī)劃農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)以及制定氣象災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)措施的重要決策依據(jù)，該工作的基礎(chǔ)即科學(xué)、客觀(guān)的區(qū)劃指標(biāo)的確定與選擇。筆者研究通過(guò)開(kāi)展氣候因子對(duì)西安市冬小麥產(chǎn)量的影響效應(yīng)分析，確定了影響西安市冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象要素，并以此作為氣候適宜性區(qū)劃的指標(biāo)，開(kāi)展基于GIS技術(shù)的精細(xì)化區(qū)劃。此方法相較以往區(qū)劃指標(biāo)，能夠更加客觀(guān)反應(yīng)氣候條件對(duì)西安市冬小麥生產(chǎn)的影響，不僅體現(xiàn)了冬小麥氣候適應(yīng)性區(qū)劃的科學(xué)性，同時(shí)突出了西安市冬小麥氣候適宜性指標(biāo)的地區(qū)差異性。

(2)西安市秦嶺以北地區(qū)均為冬小麥氣候適宜區(qū)，其中閻良區(qū)、高陵區(qū)、未央?yún)^(qū)，以及臨潼區(qū)、灞橋區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)、戶(hù)縣和周至縣北部為最適宜區(qū)，適宜種植區(qū)面積約占西安市全市面積四分之三。

(3)根據(jù)該區(qū)劃結(jié)果，西安市政府在制定農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃時(shí)，可適當(dāng)向長(zhǎng)安、藍(lán)田、臨潼、高陵等區(qū)縣調(diào)整優(yōu)質(zhì)糧食產(chǎn)業(yè)帶面積及種植區(qū)域，加大秦嶺北麓周至縣、戶(hù)縣及長(zhǎng)安區(qū)獼猴桃、葡萄等經(jīng)濟(jì)林果種植面積，以進(jìn)一步合理規(guī)劃種植區(qū)，確保西安市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化的成效，以及農(nóng)民收入翻番的目標(biāo)。