高原馬鈴薯種植基地氣候適宜度評價模型鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細化區(qū)劃研究*

珠杰桑布 張存杰 白瑪?shù)录?尼瑪拉姆 次仁旺姆

（1.西藏自治區(qū)南木林縣氣象局，西藏 日喀則 857100；2.國家氣候中心，北京 100089；西藏自治區(qū)江孜縣氣象局，西藏 日喀則 857400）

0 引言

日喀則地區(qū)是西藏的馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)[1]，而日喀則南木林縣是整個西藏的馬鈴薯主產(chǎn)縣[2],近幾年當?shù)仉S著馬鈴薯品種不斷試驗甄選，種植方式逐步完善，萬畝馬鈴薯基地建設工作正有序推進，基本實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化。馬鈴薯產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為西藏日喀則市農(nóng)牧業(yè)發(fā)展水平的新標桿和新名片。

然而，查閱以往相關西藏、日喀則地區(qū)“馬鈴薯”的研究發(fā)現(xiàn)，研究內(nèi)容大多以品種甄選、引進、篩選試驗及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化等為主要方向[2-5]。但馬鈴薯產(chǎn)量不僅與以上各方面相關，還與當?shù)氐臍夂蜻m宜度密不可分，因此，本文主要通過氣候的視角，以溫度、水分、光照綜合構成的馬鈴薯氣候適宜度評價模型計算得出的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)馬鈴薯氣候適宜度數(shù)據(jù)與高相關性的氣象要素降水量、最高氣溫、相對濕度、風速及經(jīng)緯度、海拔DEM 等地理信息構建回歸模型，通過GIS技術克里金插值、掩膜、山體陰影、重分類、融合、柵格計算器等功能實現(xiàn)400×400米的精細化擬合區(qū)劃，同時疊加土地利用類型數(shù)據(jù)，利用GIS 柵格轉面、面積制表、按屬性提取等技術估算不同氣候適宜度分布區(qū)域下實際可以用于播種馬鈴薯的耕地面積，一是為高原馬鈴薯主產(chǎn)縣產(chǎn)業(yè)調(diào)整、合理種植布局提供更為準確的理論參考，二是為艾瑪鄉(xiāng)萬畝馬鈴薯種植基地提供更為科學的氣象保障服務。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南木林縣位于西藏日喀則市東北部，地處雅魯藏布江上游以北，平均海拔4000m，年平均氣溫為6.3℃，年平均降水量606mm，年平均日照時數(shù)為2901.9，年平均風速為1.9m/s，盛行西南風，屬高原溫帶半干旱季風氣候，轄1 鎮(zhèn)16 鄉(xiāng)。而馬鈴薯主產(chǎn)地艾瑪鄉(xiāng)位于縣境南部，地處湘河與雅魯藏布江匯合處東岸寬谷地和沖擊扇上，地勢平緩，平均海拔在3830m 左右，年平均氣溫可達9.7℃，比整個西藏高原年平均氣溫高4℃。這為馬鈴薯生長發(fā)育提供了充足的熱量條件，南木林縣萬畝馬鈴薯種植基地就處在該地，如圖1所示。

1.2 資料來源

選取南木林縣的1 個國家氣象觀測站1980—2021 年、艾瑪鄉(xiāng)等15 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)省級地面天氣站2020—2021 年馬鈴薯播種至成熟期（4 月20 日至10 月20 日）的逐日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、相對濕度、平均風速數(shù)據(jù)及風標高度、經(jīng)緯度、海拔等要素，以及南木林全境行政矢量邊界（1：10000）、DEM 高程（1:50000）、土地利用類型柵格數(shù)據(jù)等基礎地理信息數(shù)據(jù)作為研究的基礎資料。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候適宜度評價方法。馬鈴薯綜合氣候適宜度模型，參考了馬鈴薯氣候適宜度相關最新文獻[6-9]計算公式如下：

式中:F為馬鈴薯生育期內(nèi)的綜合氣候適宜度；F(t)、F(r)、Fs分別為氣溫、水分、日照適宜度，其中對于沒有日照采集設備的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，日照影響忽略不計，主要以水熱條件作為模型設立的依據(jù)。

其中，F(xiàn)（t）為馬鈴薯某生育階段的氣溫適宜度，t為馬鈴薯各發(fā)育期實際平均氣溫，tl、th和to分別為馬鈴薯各發(fā)育期所需的下限氣溫、上限氣溫和適宜氣溫采用世界糧農(nóng)組織FAO確定的馬鈴薯三基點溫度。

式中：s 為各生育期內(nèi)的實際日照時數(shù)；s0是日照百分率為70%的日照時數(shù)。

式中，F(xiàn)（r）為馬鈴薯某生育階段降水適宜度，Δ W、R、ET0、W為相應時段農(nóng)田水分虧缺值、降水量、潛在蒸散量和需水量，kC為馬鈴薯不同生育階段的作物系數(shù)，本文FAO 確定的馬鈴薯的作物系數(shù)kC值，潛在蒸散量ET0用Penman-Monteith公式計算得出如下：

式中：ET0為潛在蒸散量(mm·d-1)；Rn為地表凈輻射(MJ·m-2·d-1)；G 為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）；γ為干濕表常數(shù)(KPa·℃-1)；es為平均飽和水汽壓（KPa）；e a為實際水汽壓（KPa）；U2為2m 高處的平均風速（m·s-1）；Δ 為飽和水氣壓曲線斜率(KPa·℃-1)。Rn、Δ、G、es、ea、U2計算方法參考張存杰等[10-12]，此處不再詳細贅述。

1.3.2 精細化空間插值回歸模型。將通過適宜度評價方法計算出的17 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)馬鈴薯氣候適宜度作為因變量如表1 所示，選擇參與適宜度評價計算且通過0.05、0.01顯著級別的降水量、相對濕度、最高氣溫、平均風速以及地理信息經(jīng)度、緯度、DEM 數(shù)字高程作為自變量建立回歸方程如下：

表1 馬鈴薯氣候適宜度空間插值回歸模型參數(shù)表

然后，利用GIS 柵格計算器將7 種自變量柵格空間分布按照上述精細化空間插值回歸模型方程實現(xiàn)400×400 米像元高精度運算擬合如圖2，獲得南木林縣馬鈴薯適宜度空間分布地圖如圖3。

2 結果與分析

2.1 氣候適宜度區(qū)劃

由圖3 可知，南木林縣馬鈴薯氣候適宜度總體呈現(xiàn)北低南高，高海拔山區(qū)不適宜，而狹長的河谷地帶較適宜的形勢。其中，北部基本不適宜種植馬鈴薯，這些地區(qū)熱量條件不滿足馬鈴薯生長所需；中部湘河河谷氣候適宜度適中氣候條件基本滿足馬鈴薯生長所需；湘河與雅魯藏布江匯合處東岸寬谷地和沖擊扇艾瑪鄉(xiāng)至土布加鄉(xiāng)最適宜種植馬鈴薯，這一帶氣候條件最為適宜，滿足馬鈴薯生長所需；仁堆、拉布普高寒鄉(xiāng)鎮(zhèn)整部及其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)高海山區(qū)均處在不適宜區(qū)。

2.2 耕地分布區(qū)劃

圖4 在得出馬鈴薯氣候適宜度分布圖的基礎上，進一步疊加了土地利用類型柵格數(shù)據(jù)，同時去除林地、草地、水體、城鄉(xiāng)居民地、未利用地保留了耕地土地類型，可以看到，耕地大多覆蓋在湘河河谷流域中下游（普當、甲措、熱當、達那、南木林、秋木、多角、卡孜）、索金至奴瑪勾（當?shù)匾卜Q鄔郁溝）以及艾瑪至土布加（當?shù)匾卜Q艾瑪崗）。其中多角、卡孜以南湘河流域、艾瑪崗耕地處在馬鈴薯氣候最適宜區(qū)，多角、卡孜以北普當以南河谷流域耕地處在氣候適宜區(qū)；熱當東部、達那河谷上游、南木林鎮(zhèn)北部、芒熱鄉(xiāng)大部、索金北部耕地處于氣候次適宜區(qū)；仁堆、拉布普高寒鄉(xiāng)鎮(zhèn)整部及其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)高海山區(qū)氣候不適宜區(qū)無耕地情況。

2.3 估算可播種馬鈴薯耕地面積

圖5 利用GIS 技術提取了土地利用類型柵格數(shù)據(jù)在4個不同級別的氣候適宜度分布區(qū)域下所對應的耕地分布柵格，能夠更為直觀的了解和掌握南木林縣馬鈴薯不同氣候適宜度等級下的實際可播種空間格局。

而后，通過柵格轉面工具將耕地柵格轉化為shp文件，通過面積制表工具統(tǒng)計得出了不同級別馬鈴薯氣候適宜度所對應的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)可播種馬鈴薯的耕地面積數(shù)（表1）。算出南木林縣可種植馬鈴薯的耕地總面積為167.1km2。其中艾瑪鄉(xiāng)為主的馬鈴薯氣候最適宜區(qū)占40.9km2，占比為24.5%；以湘河河谷流域為主的馬鈴薯氣候適宜區(qū)面積占100.8km2，占比為60.3%；艾瑪鄉(xiāng)總耕地面積26.9km2中處于馬鈴薯氣候最適區(qū)達20.3km2，占比達75.4%，如圖（6）。綜合來講，南木林縣理論用來播種馬鈴薯的耕地面積可達141.7km2，占總耕地面積的84.8%，這不僅呈現(xiàn)南木林縣作為馬鈴薯主產(chǎn)縣的氣候適宜度優(yōu)越，從側面也反應該地地力貢獻。

表1 不同級別馬鈴薯氣候適宜度所對應的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)可播種馬鈴薯的耕地面積（單位：km2）

3 結論和討論

（1）氣候適宜度空間格局得出最適宜區(qū)位于湘河與雅魯藏布江匯合處東岸寬谷地和沖擊扇艾瑪鄉(xiāng)至土布加鄉(xiāng)，此帶最適宜種植馬鈴薯，出產(chǎn)享譽西藏自治區(qū)的“艾瑪馬鈴薯”，這除了與此帶土質(zhì)、種植方式有關，還與其氣候條件高度相關，氣候適宜度高，對馬鈴薯生長發(fā)育為正貢獻，因此能夠促進其產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。較適宜區(qū)在湘河河谷下游一帶暨大部河谷主要農(nóng)區(qū)，這些地區(qū)氣候條件基本滿足馬鈴薯生長所需；不適宜區(qū)位于高海拔山區(qū)及北部大片牧區(qū)，這些地區(qū)熱量條件不滿足馬鈴薯生長所需。

（2）在馬鈴薯氣候適宜度的基礎上，疊加了耕地土地類型，可以看到，耕地區(qū)大多覆蓋在湘河河谷流域中下游（甲措、熱當、達那、南木林、楸木、多角、卡孜）、索金至奴瑪勾（當?shù)匾卜Q鄔郁溝）以及艾瑪至土布加（當?shù)匾卜Q艾瑪崗）。其中多角、卡孜以南湘河流域、艾瑪崗的耕地處在馬鈴薯氣候最適宜區(qū)，以北河谷流域的耕地處在適宜區(qū)；熱當東部、達那河谷上游、南木林鎮(zhèn)北部、芒熱鄉(xiāng)大部、索金北部的耕地處于次適宜區(qū)；仁堆、拉布普高寒牧區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)整部及其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)高海山區(qū)氣候不適宜區(qū)無耕地分布，總體來講現(xiàn)階段種植布局評價為科學合理。

（3）將劃分的馬鈴薯氣候適宜度等級為掩膜內(nèi)容對耕地柵格數(shù)據(jù)內(nèi)容進行提取，實現(xiàn)耕地分布格局和馬鈴薯氣候適宜度格局精細化區(qū)劃疊加，獲得不同適宜度分布區(qū)域下實際可以用于播種馬鈴薯的耕地及面積。通過計算得出南木林縣可種植馬鈴薯的耕地總面積為167.1km2，其中艾瑪為主的馬鈴薯氣候最適宜區(qū)占40.9km2，占比為24.5%；以湘河河谷流域為主的馬鈴薯氣候適宜區(qū)占100.8km2，占比為60.3%；值得一提的是艾瑪鄉(xiāng)總耕地面積26.9km2中處于馬鈴薯氣候最適區(qū)達20.3km2，占比達75.4%.以上數(shù)據(jù)不僅呈現(xiàn)南木林縣作為馬鈴薯主產(chǎn)縣的氣候適宜度的優(yōu)越性，從側面也反應該地地力貢獻。

（4）本文構建的高原馬鈴薯氣候適宜度評價模型得出的區(qū)域特征，結果與實際情況比較一致。對于了解氣候變化下高原馬鈴薯生長發(fā)育適宜度的空間格局可以提供依據(jù)，本研究存在一定的局限性，未考慮到農(nóng)業(yè)氣象災害、品種差異等因素對馬鈴薯生長的影響，僅從氣象角度進行適應度評價區(qū)劃。