基于GIS的寧夏皮燕麥種植氣候適宜性分析

趙金龍 汪進欣 馬力文

摘要：為合理利用氣候資源，發(fā)揮氣象為農(nóng)服務作用，科學規(guī)劃寧夏皮燕麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展。利用寧夏中南部地區(qū)2017—2018年皮燕麥產(chǎn)量和氣象數(shù)據(jù)，通過相關(guān)性分析方法確定寧夏皮燕麥種植氣候適宜性區(qū)劃指標，再根據(jù)寧夏23個地面氣象站1981—2010年氣候資料和地理信息數(shù)據(jù)模擬區(qū)劃指標空間分布。綜合各指標權(quán)重，通過柵格運算獲得寧夏皮燕麥種植氣候適宜性區(qū)劃圖。結(jié)果表明：寧夏皮燕麥種植氣候適宜區(qū)主要分布在寧夏南部冷涼山區(qū)，次適宜區(qū)主要分布在寧夏中部干旱少雨地帶，不適宜區(qū)主要分布在寧夏中北部黃河平原。本研究結(jié)果為合理規(guī)劃寧夏皮燕麥產(chǎn)業(yè)布局，新品種引種和推廣種植提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：皮燕麥；氣候適宜性；區(qū)劃；寧夏；GIS

中圖分類號：S162.2文獻標志碼：A論文編號：cjas2020-0010

Climate Suitability Analysis of Oat Planting Based on GIS in Ningxia

Zhao Jinlong1，2， Wang Jinxin1，2， Ma Liwen1，2（1Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions， CMA， Yinchuan 750002； 2Ningxia Key Lab of Meteorological Disaster Prevention and Reduction， Yinchuan 750002）

Abstract： In order to make rational use of climate resources， give full play to the role of meteorology in serving agriculture， and scientifically plan the development of oat industry in Ningxia. Based on the production and meteorological data of oats in central and southern Ningxia from 2017 to 2018， the climatic suitability zoning index of oats was determined by correlation analysis method. According to the climate data and geographic information data of 23 surface meteorological stations in Ningxia from 1981 to 2010， the spatial distribution of zoning indexes was simulated. Based on the weight of each index， the climate suitability zoning map of oats was obtained by raster calculation. The results showed that the climate suitable area was mainly distributed in the cold mountain area in the south of Ningxia， the secondary suitable area was mainly distributed in the arid and rainless area in the middle of Ningxia， and the unsuitable area was mainly distributed in the Yellow River Plain in the middle and north of Ningxia. The study could provide a scientific basis for the rational planning of the industrial layout， introduction and popularization of new varieties of oats in Ningxia.

Keywords： Oat； Climate Suitability； Zoning； Ningxia； GIS

0引言

燕麥（Avena sativa L.）是全球第六大種植作物[1]，分為皮燕麥（帶稃型）和裸燕麥（裸粒型）兩類[2-3]，具有耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿的特點。燕麥籽粒含有豐富的營養(yǎng)成分，可降低膽固醇[4]，其蛋白質(zhì)含量最高可達20%，是小麥、大米的1.6～2.3倍[5]。燕麥是中國西部半干旱地區(qū)主要雜糧作物[6]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位[7]。寧夏回族自治區(qū)位于黃土高原與內(nèi)蒙古高原的過渡帶，為溫帶干旱半干旱氣候，發(fā)展燕麥產(chǎn)業(yè)對促進農(nóng)民增收[8]、實現(xiàn)全面脫貧具有重要意義。

作物的產(chǎn)量和品質(zhì)不僅取決于其自身遺傳特性，還與氣候環(huán)境密切相關(guān)。GIS技術(shù)可以對有限的地面氣象站數(shù)據(jù)進行模擬獲得其空間分布特征，在雜糧作物區(qū)劃方面應用廣泛。敖芹等[9]在GIS平臺繪制了貴州酒用高粱種植氣候適宜性區(qū)劃圖；曹毅等[10]利用GIS將山西省高粱種植區(qū)劃分為早熟、中早熟、早晚熟和晚熟區(qū)；馮美臣等[11]利用主成分分析法構(gòu)建蕎麥綜合品質(zhì)評價模型，基于GIS對晉中地區(qū)的蕎麥綜合品質(zhì)進行氣候區(qū)劃；何燕等[12]采用GIS技術(shù)對廣西種植巴西陸稻IAPAR-9進行氣候區(qū)劃。此外，還有學者基于GIS對糜子[13]、大麥[14]、青稞[15]在陜西、甘肅、西藏等地的種植適宜性進行了研究，而目前關(guān)于燕麥區(qū)劃方面的研究較少。為充分利用氣候資源，合理規(guī)劃燕麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展，本研究通過分析寧夏皮燕麥產(chǎn)量與氣候因子的相關(guān)性，確定影響皮燕麥產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子和區(qū)劃指標?；趯幭?3個地面氣象臺站30年（1981—2010年）觀測資料和地理信息數(shù)據(jù)推算獲得寧夏皮燕麥種植氣候適宜性區(qū)劃，以期為寧夏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門合理調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)、發(fā)展優(yōu)質(zhì)特色雜糧作物提供科學依據(jù)。

1資料和方法

1.1研究區(qū)概況

寧夏回族自治區(qū)（104°17′—107°39′E，35°14′—39°23′N）位于中國西部黃河中上游地區(qū)，南北相距456 km，東西相距250 km，總面積約6.64×104km2。地勢南高北低，平均海拔1000 m以上。土壤類型主要為草甸土、灰鈣土、黑壚土、白僵土。年平均氣溫在5.4～9.9℃之間，呈北高南低分布，冬冷夏熱，年較差大。年平均降水量在180～600 mm之間，自北向南遞增。寧夏南部原州區(qū)、西吉縣、彭陽縣、隆德縣、涇源縣植被覆蓋度較高，氣候冷涼、陰濕多雨，是寧夏皮燕麥主要種植地區(qū)。

1.2資料來源

地理信息數(shù)據(jù)采用國家基礎地理信息中心提供的1：100萬寧夏基礎地理數(shù)據(jù)，高程數(shù)據(jù)采用30 m空間分辨率ASTER GDEM數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)采用寧夏氣象局信息中心提供的1981—2010年寧夏23個地面氣象臺站逐年觀測資料，以及2017—2018年西吉、鹽池、固原、彭陽、海原、同心 6個試驗點平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、平均相對濕度、最小相對濕度、平均2分鐘風速、日照時數(shù)等逐日觀測資料。

皮燕麥參試品種為‘NPY17-01’、‘NPY17-02’、‘NPY17-03’、‘NPY17-04’、‘NPY17-05’，于4月11日—5月3日播種，7月7日—8月12日成熟，同一試驗點兩年播期相同。小區(qū)面積為2 m×5 m，采取隨機區(qū)組排列，設3次重復，重復間距100 cm，區(qū)組間距80 cm，其測產(chǎn)數(shù)據(jù)由寧夏固原農(nóng)科院提供。

1.3氣候條件

燕麥適宜在涼爽的氣候條件下種植生產(chǎn)[16]，不耐高溫，分蘗期溫度過高，會導致燕麥次生根發(fā)育不良，影響有效分蘗和穗數(shù)。抽穗到開花期溫度在18～ 24℃，促進小穗形成、小花分化。灌漿期溫度在14～ 15℃，促進干物質(zhì)積累、籽粒飽滿[17]。全生育期要求≥5℃積溫在1400℃以上[18]。

燕麥是長日照作物，平均日照不少于12 h。在拔節(jié)期前光照充足促進光合作用、營養(yǎng)物質(zhì)合成。抽穗期光照時間長，可提前抽穗、提早成熟。開花、乳熟期喜晴朗，忌連陰雨[18]。

燕麥在開花、灌漿期對水分敏感，抽穗前后要求相對濕度57%～68%，其蒸騰系數(shù)為58～676，僅次于水稻[19]。土壤水分脅迫會導致燕麥旗葉光合速率、蒸騰速率和氣孔導度等不同程度降低[20]，影響產(chǎn)量和品質(zhì)。全生育期需水量在280 mm以上，但在干旱情況下，燕麥調(diào)解水分能力很強，可忍耐較長時間干旱[18]。

1.4氣候區(qū)劃指標

從田間試驗來看，寧夏皮燕麥生育期約78～113天，其中播種到出苗10～15天，出苗到拔節(jié)30～35天，拔節(jié)到抽穗15～25天，抽穗到開花3～8天，開花到成熟20～25天。種植區(qū)氣候、土壤條件及品種遺傳性狀差異對皮燕麥產(chǎn)量均有一定程度影響。通過對寧夏2017—2018年皮燕麥產(chǎn)量進行單因素方差分析，選取綜合表現(xiàn)較好的品種‘NPY17-04’進行區(qū)劃。圖1給出了各試驗點皮燕麥產(chǎn)量，其中產(chǎn)量最高地區(qū)為西吉縣，適宜大力發(fā)展皮燕麥。

根據(jù)文獻對內(nèi)蒙古[18]、青海[21]等地燕麥生長的氣候條件記載，結(jié)合寧夏皮燕麥實際生產(chǎn)情況，對皮燕麥‘NPY17-04’產(chǎn)量與發(fā)育期氣候因子進行相關(guān)性分析，選取通過P<0.01顯著性檢驗的5—6月降水量、6—7月最高氣溫≥32℃日數(shù)、4—8月平均最高氣溫作為區(qū)劃指標，并將區(qū)劃等級分為適宜區(qū)、次適宜區(qū)、不適宜區(qū)3個級別，分別賦值T為3、2、1，如表1所示。將各指標相乘結(jié)果作為皮燕麥綜合適宜性評價指標P。

1.5氣候要素的小網(wǎng)格推算方法

氣候受緯度、地形地貌等條件影響存在明顯的空間差異[10]。現(xiàn)有的寧夏地面氣象臺站數(shù)量有限，難以準確反映寧夏全區(qū)氣象要素的分布特點。因此，本研究利用寧夏23個地面氣象站點1981—2010年觀測資料，在80%保證率下通過公式（1）建立各因子氣候區(qū)劃推算模型（表2），基于ArcGIS平臺將自動氣象站數(shù)據(jù)推算至寧夏全區(qū)30 m×30 m網(wǎng)格，實現(xiàn)對無氣象資料地區(qū)的精細化估算。

Y=f（φ，λ，h）+ε…………………………………（1）式中，Y為氣候區(qū)劃因子，φ為緯度，λ為經(jīng)度，h為海拔，f（φ，λ，h）為氣候?qū)W函數(shù)。ε為殘差項，通常代表小地形（坡度、坡向等）及下墊面對氣候的影響[22]。各指標模型均通過P<0.01顯著性檢驗。

2結(jié)果與分析

2.1區(qū)劃指標空間分布

2.1.1降水量降水受地形、地貌、海拔等影響較大，總體呈現(xiàn)南多北少的分布趨勢（圖2）。5—6月為皮燕麥營養(yǎng)生長生殖生長并進階段，生長旺盛，是皮燕麥需水臨界期，降水量超過90 mm的地區(qū)主要在原州區(qū)、西吉縣、彭陽縣、涇源縣、隆德縣，水分充足有利于皮燕麥生長。降水量在60～90 mm之間的地區(qū)主要在鹽池縣、紅寺堡區(qū)、同心縣、海原縣北部，水分條件稍遜但皮燕麥仍可成熟。降水量不足60 mm的地區(qū)主要在平羅縣、永寧縣、中寧縣一帶，干旱少雨會導致大幅度減產(chǎn)，若種植皮燕麥需采取適當?shù)奶镩g水分管理措施，提高水分利用率以保證產(chǎn)量。

2.1.2高溫日數(shù)高溫受地理緯度影響較大，總體分布特征為自北向南逐漸減少（圖3）。6—7月最高氣溫≥32℃日數(shù)不足5天的地區(qū)主要在原州區(qū)、西吉縣、彭陽縣、涇源縣、隆德縣，這些地區(qū)夏季冷涼濕潤的氣候條件有利于皮燕麥生長。高溫日數(shù)在5～10天之間的地區(qū)主要在沙坡頭區(qū)、同心縣、鹽池縣南部，這些地區(qū)產(chǎn)量略低，適宜零星種植。高溫日數(shù)超過10天的地區(qū)主要在石嘴山市、銀川市、青銅峽市、利通區(qū)、中寧縣北部一帶，7月上旬這些地區(qū)常出現(xiàn)干熱風，對皮燕麥灌漿、成熟危害嚴重，建議發(fā)展其他作物。

2.1.3平均最高氣溫平均最高氣溫受海拔影響較大，大部分地區(qū)在20～24℃之間（圖4）。引黃灌區(qū)4—8月平均最高氣溫高于26℃和賀蘭山、羅山、南華山、六盤山低于18℃的地區(qū)，均不利于皮燕麥生長及產(chǎn)量形成。黃河沿岸可根據(jù)當?shù)爻渥愕乃疅豳Y源發(fā)展水稻、玉米、小麥等糧食作物。山地林草區(qū)需以保護生態(tài)環(huán)境為重點，調(diào)整作物產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，種植林木，提高水源涵養(yǎng)。

2.2區(qū)劃結(jié)果

綜合皮燕麥生育期3個關(guān)鍵氣候因子空間分布得到寧夏皮燕麥種植氣候適宜性區(qū)劃圖（圖5）。

（1）適宜區(qū)：主要分布在寧夏南部山區(qū)，如海原縣西南部、西吉縣、原州區(qū)、隆德縣、涇源縣。皮燕麥在出苗到拔節(jié)期需要充足水分，這些地區(qū)5—6月降水量普遍大于90 mm，部分地區(qū)可達140 mm以上，給皮燕麥生長提供了良好的水分條件。皮燕麥喜陰冷，不耐高溫，這些地區(qū)在抽穗到開花期最高氣溫普遍低于32℃，全生育期平均最高氣溫在18～24℃之間，有利于皮燕麥莖葉中碳水化合物和蛋白質(zhì)的積累，適宜發(fā)展皮燕麥產(chǎn)業(yè)。

（2）次適宜區(qū)：主要分布在寧夏中部地區(qū)，如鹽池縣南部、同心縣、海原縣北部、沙坡頭區(qū)南部。這些地區(qū)在皮燕麥出苗到拔節(jié)期降水量較南部山區(qū)偏少，但仍在60 mm以上，滿足皮燕麥成熟所需。在抽穗到開花期雖然最高氣溫≥32℃超過5天，但全生育期溫度適宜，平均最高氣溫在20～24℃之間，滿足皮燕麥成熟的熱量條件，可根據(jù)生產(chǎn)需要有針對性地種植皮燕麥。

（3）不適宜區(qū)：主要分布在寧夏中北部地區(qū)，如石嘴山市、銀川市、青銅峽市、靈武市、利通區(qū)、中寧縣北部、沙坡頭區(qū)北部、紅寺堡區(qū)北部及鹽池縣北部。這些地區(qū)在皮燕麥出苗到拔節(jié)期降水量不足50 mm，對皮燕麥營養(yǎng)生長極為不利。此外，在皮燕麥抽穗到開花期高溫日數(shù)超過10天，全生育期最高氣溫普遍高于26℃，均對皮燕麥生長不利，不可盲目發(fā)展皮燕麥，建議因地制宜種植其他作物。

3討論

3.1創(chuàng)新性分析

近年來，農(nóng)作物氣候適宜性區(qū)劃的研究多集中在玉米[23-24]、水稻[25-26]、馬鈴薯[27-28]、大豆[29-30]等糧食作物，而關(guān)于燕麥的區(qū)劃研究較少，本研究結(jié)果對該領域具有較好的補充作用。從區(qū)劃指標選取來看，本研究通過分析寧夏6個試驗點皮燕麥產(chǎn)量與氣象因子的相關(guān)性，選取與皮燕麥產(chǎn)量相關(guān)性顯著的3個氣象因子作為區(qū)劃指標，更契合皮燕麥實際生產(chǎn)中對水熱條件的需求狀況。此外，從氣象因子模擬來看，本研究利用寧夏23個地面氣象臺站1981—2010年氣象觀測資料，選取具有較高空間分辨率的ASTER GDEM高程數(shù)據(jù)建立回歸模型，在ArcGIS平臺將氣象要素推算至30 m×30 m網(wǎng)格，獲取寧夏皮燕麥種植氣候適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)，空間推算結(jié)果精細化程度更好。綜合來看，本研究在皮燕麥種植氣候適宜性區(qū)劃指標的選取、小網(wǎng)格推算方面具有一定的創(chuàng)新性。

3.2適宜性分析

寧夏皮燕麥種植氣候適宜區(qū)約占寧夏面積的21.7%，主要集中在寧夏南部冷涼山區(qū)，包括西吉縣、彭陽縣、原州區(qū)中北部以及隆德縣、涇源縣除六盤山脊以外地區(qū)。次適宜區(qū)約占寧夏面積的30.3%，主要集中在寧夏中部干旱少雨地帶，包括鹽池縣中南部、同心縣、中寧縣南部、沙坡頭區(qū)南部、海原縣北部。不適宜區(qū)約占寧夏面積的48.0%，主要集中在寧夏中北部黃河平原，包括石嘴山市、銀川市、青銅峽市、利通區(qū)、鹽池縣北部、紅寺堡區(qū)北部、中寧縣北部、沙坡頭區(qū)北部。研究所得適宜區(qū)范圍與萬帆[31]、Liu等[6]基于GIS估算皮燕麥品種‘青永久444’在寧夏南部山區(qū)的鮮草潛在產(chǎn)量分布情況基本一致，次適宜區(qū)與不適宜區(qū)范圍略有不同，主要原因可能為品種‘NPY17-04’較‘青永久444’早熟，對水分條件的需求在5—6月最大而造成的適宜性差異。

3.3產(chǎn)業(yè)發(fā)展價值

全球變暖、氣候變化加劇導致許多地區(qū)糧食產(chǎn)量受到威脅，而小雜糧對干旱、寒冷環(huán)境極強的適應性逐漸在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中得到發(fā)展。隨著國家加大對地方優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè)扶持力度以及市場需求的日益增加，未來寧夏燕麥產(chǎn)業(yè)會得到更好發(fā)展。合理規(guī)劃燕麥種植氣候適宜區(qū)對提高燕麥生產(chǎn)效率、脫貧致富、發(fā)展精細化農(nóng)業(yè)具有重要指導意義。

3.4不足與展望

鑒于試驗條件所限，本研究僅在寧夏中南部地區(qū)開展了皮燕麥產(chǎn)量試驗，缺少北部地區(qū)實際生產(chǎn)種植資料，因此對不適宜區(qū)的劃定范圍存在一定誤差。此外，由于參試品種限定在‘NPY17-01’、‘NPY17-02’、‘NPY17-03’、‘NPY17-04’、‘NPY17-05’，未考慮早熟、中熟、晚熟類型對環(huán)境的適應性，對引種生產(chǎn)推廣有一定困難。并且不同地區(qū)土壤鹽分[32]、施氮量[33-34]差異也會影響燕麥在苗期、灌漿期和成熟期的生長與品質(zhì)。今后，在分析土壤理化性質(zhì)優(yōu)化寧夏皮燕麥適宜區(qū)結(jié)構(gòu)，促進優(yōu)良品種高產(chǎn)方面還需進一步研究。

4結(jié)論

采用相關(guān)性分析方法，選取與寧夏皮燕麥產(chǎn)量相關(guān)性顯著的5—6月降水量、6—7月最高氣溫≥32℃日數(shù)和4—8月平均最高氣溫作為區(qū)劃指標。采用回歸分析方法，基于ArcGIS平臺獲得各區(qū)劃指標的空間分布。從區(qū)劃結(jié)果來看，寧夏皮燕麥種植氣候適宜性呈現(xiàn)由南向北遞減的空間分布特征，具有較強的緯向地帶性規(guī)律。其中，寧夏南部山區(qū)為皮燕麥種植適宜區(qū)，其獨特的冷涼氣候條件有利于高產(chǎn)形成，可采取一定政策措施，鼓勵當?shù)剞r(nóng)民大力發(fā)展皮燕麥產(chǎn)業(yè)，增收致富。寧夏中部為皮燕麥種植次適宜區(qū)，其干旱少雨的氣候環(huán)境對皮燕麥拔節(jié)期生長有一定不利影響，不宜大面積推廣，可根據(jù)需要選擇適應性較強的品種零星種植，保證產(chǎn)量。寧夏中北部黃河平原不適宜種植皮燕麥，建議因地制宜發(fā)展其他作物。

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