西藏日喀則地區(qū)馬鈴薯氣候適宜度模型分析及其時空變化特征研究

珠杰桑布，張存杰，王 興，白瑪?shù)录?，尼瑪拉?/p>

(1.西藏自治區(qū)南木林縣氣象局，西藏 日喀則 857000；2.國家氣候中心，北京 100089；3.西藏自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，西藏 拉薩 850000)

近年來，馬鈴薯在西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)的種植面積、總產(chǎn)和單產(chǎn)逐年增加，截止2017年，日喀則地區(qū)馬鈴薯種植面積達(dá)9 920 hm2，總產(chǎn)量達(dá)26.94萬t，占西藏全區(qū)馬鈴薯種植面積和總產(chǎn)量的60%以上[1]。日喀則地區(qū)是西藏的馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)[2]，對該地區(qū)馬鈴薯的相關(guān)研究以地方資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、品種甄選及引進(jìn)、篩選試驗等為主要方向[2-5]，而馬鈴薯各生育期關(guān)鍵氣象因子對其生長、發(fā)育等方面的影響鮮有報道，尤其對馬鈴薯氣候適宜度模型建立方面的研究更少，與國內(nèi)主流研究差距較大。在日喀則地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、品種甄選和管理較為穩(wěn)定的形勢下，本文著重借助國內(nèi)外最新研究成果“馬鈴薯氣候適宜度評價模型分析”[7-15]以及基于GIS氣候精細(xì)化區(qū)劃[15-16]等技術(shù)支持，遵循引進(jìn)再創(chuàng)新和指標(biāo)參數(shù)本地化的思路，以西藏日喀則地區(qū)為研究對象，擬在建立高原馬鈴薯各生育期適宜氣象指標(biāo)的基礎(chǔ)上，通過綜合光、溫、水對高原馬鈴薯的共同影響，計算出當(dāng)?shù)貧鉁剡m宜度、日照適宜度和水分適宜度，進(jìn)而建立高原馬鈴薯氣候適宜度評價模型，并對高原馬鈴薯種植區(qū)域近42年來年際變化、空間分布、不同生育期階段所呈現(xiàn)的氣候適宜度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出針對性的決策建議，以期為科學(xué)指導(dǎo)西藏自治區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)、產(chǎn)田改良等提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

日喀則地區(qū)地處西藏自治區(qū)西南部(82°00′～90°20′E,27°23′～31°49′N)，平均海拔4 200 m，但各地海拔落差較大，呈北高南低、西高東低態(tài)勢。該地區(qū)屬于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.0℃，年平均日照時數(shù)約3 000 h，年平均降水450 mm，并且分布不均，雨季集中在每年7—9月份，屬于較為典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)域。

1.2 資料來源

選取馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)6個國家基本(準(zhǔn))觀測站、1個國家氣象觀測站1980—2021年馬鈴薯播種～成熟期(4月20日—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(fēng)速數(shù)據(jù)及風(fēng)標(biāo)高度、經(jīng)緯度、海拔等要素，以及西藏全境行政矢量邊界(1∶10000)、DEM數(shù)字高程(1∶50000)等基本的地形資源數(shù)據(jù)，通過GIS將日喀則地區(qū)從全區(qū)地理信息數(shù)據(jù)中裁剪出來，作為區(qū)域規(guī)劃的基本資料(圖1，見190頁)。

圖1 研究位置示意圖Fig.1 Location of the study area

1.3 研究方法

1.3.1 氣溫適宜度 最新研究表明[8-14]，利用Beta函數(shù)可以很好地揭示作物生長與氣溫的關(guān)系，因此本文氣溫適宜度計算采用公式如下:

(1)

(2)

其中，T為馬鈴薯某個生育期的氣溫適宜度，t為馬鈴薯某個發(fā)育期實際的平均氣溫，tl、th和t0分別為馬鈴薯某個發(fā)育期的下限氣溫、上限氣溫和適宜氣溫。根據(jù)日喀則市農(nóng)科所提供的日喀則地區(qū)馬鈴薯三基點10 cm地溫(表1)，通過對1980—2021年日喀則地區(qū)10 cm地溫和平均氣溫逐日資料進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)回歸，建立地氣溫關(guān)系模型(圖2)得出回歸方程：

圖2 1980—2021年日喀則地區(qū)馬鈴薯生育期10 cm地溫和平均氣溫擬合Fig.2 Fitting of ground temperature at 10 cm and average air temperature during potato growth period in Shigaze from 1980 to 2021

表1 日喀則地區(qū)馬鈴薯不同生育期內(nèi)三基點地溫/℃Table 1 Three fundamental points of ground temperatures at different growth stages of potatoes in Shigaze

y=0.8292x-1.2733，R2=1

(3)

式中，y為平均氣溫，x為10 cm地溫，以此作為依據(jù)，分析擬合得出了日喀則地區(qū)馬鈴薯各發(fā)育期三基點氣溫，用于計算氣溫適宜度。

1.3.2 日照適宜度 將日照百分率達(dá)70%的日照時數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)馬樹慶[6]的方法，研究馬鈴薯的日照適宜度，計算公式如下:

(4)

式中,S為馬鈴薯某生育期日照適宜度，s為各生育期的實際日照時數(shù)(h)，s0為日照百分率為70%的日照時數(shù)(h)。

1.3.3 水分適宜度 用日喀則地區(qū)馬鈴薯的理論需水量作為衡量水分最適宜標(biāo)準(zhǔn)，采用郭偉等[17]和陳玉明等[18]研究方法計算馬鈴薯的水分適宜度,公式如下：

(5)

CWDI=r-ETC

(6)

ETC=KC×ET0

(7)

式中，W為馬鈴薯某生育期水分適宜度，r、ETC、CWDI、ET0則分別為對應(yīng)時間段的降水量、馬鈴薯需水量、馬鈴薯田間水分虧缺值和作物潛在蒸散量，KC為馬鈴薯不同生育期的作物系數(shù)，本文根據(jù)王彥平等、連彩云等研究成果[12,19]結(jié)合了FAO確定的馬鈴薯的作物系數(shù)KC值，制定日喀則地區(qū)馬鈴薯作物系數(shù)值如表2，潛在蒸散量ET0采用Penman-Monteith公式計算得出。

表2 日喀則地區(qū)馬鈴薯不同生育期作物系數(shù)KCTable 2 Crop coefficients of potato at different growth stages in Shigatse area

1.3.4 氣候適宜度 在建立單一的氣溫、水分、日照適宜度評價模型后，利用趙峰等[13]研究方法，得出馬鈴薯綜合氣候適宜度模型，計算公式如下：

(7)

式中，C為馬鈴薯某生育期的綜合氣候適宜度，T、W、S分別為氣溫、水分、日照適宜度。

2 馬鈴薯氣候適宜度的時空變化特征

2.1 馬鈴薯各氣候適宜度年際變化特征

圖3為1980—2021年日喀則地區(qū)馬鈴薯全生育期各氣候因素適宜度年際變化，由圖3可知，馬鈴薯全生育期氣溫適宜度為0.69(1986年)～0.89(1998年)，日照適宜度為0.77(2000年)～0.91(1982年)，水分適宜度為0.47(1982年)～0.77(2016年)，綜合氣候適宜度為0.52(1992年)～0.72(2016年)，近42年各氣候要素適宜度年際間震蕩顯著，總體變化趨勢較明顯，決定系數(shù)R2均未通過顯著性試驗，除了日照適宜度呈弱下降趨勢外[-0.009·(10a)-1]，其余均呈上升趨勢，且上升速率不同，水分適宜度上升速率最快，為0.032·(10a)-1，氣溫適宜度較慢，為0.017·(10a)-1?？梢钥闯?，在日喀則地區(qū)水熱條件是影響馬鈴薯適宜度的主要因子，日照條件雖呈現(xiàn)弱下降趨勢但總體充足。同時還可以看出，綜合氣候適宜度、水分適宜度最高值年份同為2016年，充分反映了水分適宜度的決定性作用。從1980年起以10 a為周期分析各適宜度平均值的變化態(tài)勢，發(fā)現(xiàn)氣溫適宜度呈階梯式上升，1980年代最低，在近10年處最高，近42年處在最適宜范疇；日照適宜度1980年代最高，此后呈不斷降低趨勢，近20年下降趨勢較為平穩(wěn)，近42年仍處在最適宜范疇；水分適宜度1980年代最低，此后緩慢上升，至2000年代最高，并處在適宜范疇；綜合適宜度1980—1990年代為低值期，此后升高至2000年代最高，并穩(wěn)定處在適宜范疇。各適宜度的各類氣候變化系數(shù)見表3，由表3可知，水分、綜合氣候適宜度日標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)0.4162、0.3218，變異系數(shù)達(dá)0.6520、0.5272，說明兩者數(shù)據(jù)離散程度較大，不穩(wěn)定性較高。相比之下，氣溫、日照適宜度數(shù)據(jù)變化程度較小、穩(wěn)定性較好。綜合來看，日喀則地區(qū)馬鈴薯的整個生育期內(nèi)光熱資源基本都在最適宜范疇，能夠適應(yīng)馬鈴薯生長與發(fā)育所需。由此得出，水分是馬鈴薯生長發(fā)育的重要影響因子，年際間波動性大，且近42年適宜度都較低，水分條件直接決定綜合氣候適宜度的高低。

表3 1980—2021年日喀則地區(qū)馬鈴薯各氣候因素 適宜度的年際氣候傾向率、日標(biāo)準(zhǔn)差和日變異系數(shù)Table 3 Interannual climate tendency rate, daily standard deviation and daily variation coefficient of suitability of potato climate factors in Shigaze from 1980 to 2021

2.2 馬鈴薯不同生育階段氣候適宜度

圖4為1980—2021年日喀則地區(qū)4月下旬至10月中旬(全生育期)各氣候適宜度的42 a平均值變化趨勢。由圖4可知，氣溫、水分適宜度在馬鈴薯全生育期呈現(xiàn)“低—高—低”而日照適宜度呈現(xiàn)“高—低—高”的趨勢。水分適宜度、氣溫適宜度與綜合氣候適宜度變化趨勢呈現(xiàn)高度契合，兩者綜合相關(guān)系數(shù)分別為0.8782(水分-綜合氣候)、0.8934(氣溫-綜合氣候)，表現(xiàn)為高度相關(guān)(0.8～1.0)?？梢钥闯?，水分、氣溫是主導(dǎo)綜合氣候適宜度的重要因子。7月初至8月下旬綜合氣候適宜度達(dá)到最高，盡管在此期間日照適宜度處于下降期。

圖4 1980—2021年日喀則地區(qū)馬鈴薯生育期各 氣候因素適宜度平均值變化趨勢Fig.4 Variation trend of average value of climatic suitability during potato growth period in Shigatse area from 1980 to 2021

依據(jù)西藏日喀則地區(qū)馬鈴薯多年種植歷史，4月下旬至6月下旬為播種～出苗期，7月上旬至8月下旬為出苗～開花期，9月上旬至10月下旬為開花～成熟期，采用1980—2021資料計算近42年不同生育期的各氣候因素適宜度的平均值及變異系數(shù)(表4)。研究得出，氣溫適宜度平均值在各生育期都達(dá)到最適宜，相對而言，在播種～出苗期、開花～成熟期適宜度較低，且變異系數(shù)最大，說明在此階段氣溫波動大，對馬鈴薯出苗、成熟、收獲影響較大。日照適宜度平均值在各個生育階段都達(dá)到最適宜，相對而言，出苗～開花期適宜度較低，且變異系數(shù)最大，這是由于此階段多陰雨天氣，光照較不穩(wěn)定，對馬鈴薯出苗和開花有一定影響。水分適宜度平均值在播種～出苗期、開花～成熟期較低，且變異系數(shù)最大，水分條件極不穩(wěn)定，在不考慮灌溉條件下，這兩個時期自然降水無法保證馬鈴薯生長所需水分，作物水分虧缺大，是日喀則地區(qū)馬鈴薯水分供需矛盾最突出的時期；出苗～開花期達(dá)到最適宜，這個時期與雨季重疊，自然降水一般可以滿足馬鈴薯生長發(fā)育所需水分。整體而言，制約日喀則地區(qū)馬鈴薯生長發(fā)育的主要因素是水分條件。從生育期層面分析，播種～出苗期氣溫偏低且多變、雨季未至但光照充足，整體綜合氣候適宜度偏低；出苗～開花期處在雨季，相對寡照，氣溫適宜，整體綜合氣候適宜度為最適宜；開花～成熟期處在降溫少雨期，日照較充足，整體綜合氣候適宜度偏低。

表4 1980—2021年日喀則地區(qū)馬鈴薯各生育期氣候適宜度及變異系數(shù)Table 4 Climatic suitability and coefficient of variation of potato at each growth period in Shigatse area from 1980 to 2021

2.3 氣候適宜度空間變化特征

分別計算1980—2021年日喀則地區(qū)所有國家基本氣象站馬鈴薯各氣候適宜度42 a平均值，通過GIS克里金插值方法對氣候適宜度、數(shù)字高程進(jìn)行擬合，以便實現(xiàn)對馬鈴薯氣候適宜度的高分辨率空間插值計算。從圖5a看出，日喀則地區(qū)馬鈴薯氣溫適宜度呈現(xiàn)自西向東、自南北向中部遞增趨勢，氣溫適宜度最高區(qū)在拉孜縣-桑珠孜區(qū)-南木林縣南部-江孜縣-仁布縣等地區(qū)及臨近地區(qū)，最低區(qū)在亞東縣帕里-聶拉木縣等南部邊緣地區(qū)。從圖5b看出,日喀則地區(qū)馬鈴薯日照適宜度最高區(qū)在定日縣-桑珠孜區(qū)-南木林縣南部-江孜縣-仁布縣等地區(qū)及臨近地區(qū)，最低區(qū)在亞東縣帕里一帶-聶拉木及臨近縣。從圖5c看出,日喀則地區(qū)馬鈴薯水分適宜度分布不均勻，最高區(qū)在亞東縣帕里一帶、聶拉木縣等南部邊緣地區(qū)，最低值區(qū)在定日縣及臨近地區(qū)。從圖5d看出，結(jié)合光照、氣溫、水分條件來看，綜合氣候適宜度的最適宜區(qū)位于桑珠孜區(qū)-南木林縣一帶，較適宜區(qū)在拉孜縣-江孜縣-聶拉木等大部主要農(nóng)區(qū)，較不適宜區(qū)位于定日縣及臨近地區(qū)，不適宜區(qū)位于亞東縣帕里臨近地區(qū)。

圖5 1980—2021年日喀則地區(qū)馬鈴薯氣候適宜度空間分布Fig.5 Spatial distribution of potato climatic suitability in Shigatse area from 1980 to 2021

2.4 基于馬鈴薯適宜度時空特征的對策建議

2.4.1 中東部地區(qū)適合大力發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)，但需做好播種～出苗期的田間管理工作 桑珠孜區(qū)-南木林縣南木林南部一帶是馬鈴薯綜合氣候適宜度高值區(qū)(最適區(qū))，這個區(qū)域相對其他區(qū)域而言，日照充分、氣溫適當(dāng)、水分較足，3種因子綜合起來最適合馬鈴薯生長，可以較大力度發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)，但在播種～出苗期水分適宜度仍較低，考慮是否需要采用滲水地膜技術(shù)以增加土壤水分含量，同時也要重視對馬鈴薯生長發(fā)育后期晚疫病的監(jiān)測防治工作。

2.4.2 其余地區(qū)建議采用滲水地膜等技術(shù)以應(yīng)對氣候變化 拉孜縣-江孜縣等大部主要農(nóng)區(qū)馬鈴薯氣候資源略差，主要是由于該區(qū)域雖光熱資源較豐富，但汛期短促、降雨日偏少，直接影響馬鈴薯生長發(fā)育所需水分要求。建議該區(qū)域馬鈴薯稀植或采用滲水地膜技術(shù)，保證馬鈴薯水分需求，避免降水波動帶來不利影響。亞東縣帕里臨近地區(qū)及日喀則西北部高海拔地區(qū)并不適宜種植馬鈴薯，因該區(qū)域氣候條件無法滿足馬鈴薯生長要求。

2.4.3 品種甄選也能較好應(yīng)對氣候適宜度偏低的地區(qū) 如定日縣雖水熱條件較差，氣候適宜度偏低，但當(dāng)?shù)赝ㄟ^多次篩選試驗、品種甄選，最終采用‘艾瑪二號’、彩色馬鈴薯等品種進(jìn)行種植，取得了可觀的產(chǎn)量。

3 結(jié)論和討論

3.1 馬鈴薯各氣候適宜度年際間變化特征分析

近42年日喀則地區(qū)馬鈴薯各氣候因素適宜度年際間雖波動顯著，但變化態(tài)勢較明顯，除日照適宜度呈弱下降趨勢外，氣溫、水分、綜合氣候適宜度均呈弱上升趨勢，上升速率為0.01～0.03·(10a)-1。這可能與全球變暖大背景下，日喀則地區(qū)呈現(xiàn)出“暖濕化”的氣候變化特點有關(guān)，即馬鈴薯生育期內(nèi)水熱條件呈現(xiàn)一定的好轉(zhuǎn)態(tài)勢,綜合考慮，日喀則地區(qū)光熱資源基本都在最適宜范疇(S、T≥0.7)，能夠滿足馬鈴薯生長與發(fā)育所需，但水分適宜度較低且年際間波動性大。

3.2 馬鈴薯不同生育階段氣候適宜度分析

馬鈴薯全生育期水分、氣溫適宜度與綜合氣候適宜度變化趨勢呈現(xiàn)高度契合，表現(xiàn)為高度相關(guān)(0.8

3.3 氣候適宜度空間變化特征分析

日喀則地區(qū)馬鈴薯氣溫、日照適宜度空間分布較均勻且呈現(xiàn)自西向東、自南北向中部遞增趨勢，水分適宜度空間分布不均。綜合氣候適宜度的最適宜區(qū)位于桑珠孜區(qū)-南木林縣一帶，而南木林縣等地出產(chǎn)的‘艾瑪’馬鈴薯采取無公害栽培，具有個大、皮薄、淀粉含量高等特點，馳名西藏自治區(qū)，這除了與該地區(qū)土質(zhì)、種植方式有關(guān)，還與其氣候條件高度相關(guān)，氣候適宜度和馬鈴薯生長發(fā)育存在正相關(guān)，因此能夠促進(jìn)其產(chǎn)量和品質(zhì)的提升；較適宜區(qū)在拉孜縣-江孜縣-聶拉木縣等大部分農(nóng)區(qū)，這些地區(qū)氣候條件基本可滿足馬鈴薯生長所需；較不適宜區(qū)位于定日縣及臨近地區(qū)；不適宜區(qū)位于亞東縣帕里臨近地區(qū)，光熱條件并無法滿足馬鈴薯生長所需。

3.4 討 論

本文建立的日尺度氣候適宜度評價模型得出的年際變化和區(qū)域特征，結(jié)果與實際情況比較一致，可為了解氣候變化下日喀則地區(qū)馬鈴薯生長發(fā)育適宜度的時空變化提供依據(jù)，也可以為科學(xué)生產(chǎn)馬鈴薯提供客觀的理論依據(jù)。本研究具有一定的局限性，首先，僅將日照、水分、溫度等氣象資料具備42 a序列資料的基準(zhǔn)(本)站作為主要研究對象，通過建立氣候適宜度模型得到其總體變化趨勢和空間分布，未考慮日喀則西北部高海拔區(qū)序列較短的站點資料；其次沒有考慮馬鈴薯栽培技術(shù)、品種差別、病蟲害等諸多因素對馬鈴薯生長發(fā)育的影響，只從氣象視角進(jìn)行了適應(yīng)度評估；此外本文給出的馬鈴薯全生育期水分適宜度結(jié)果與國內(nèi)其他馬鈴薯氣候適宜度評價模型分析[7-15]相比偏低，可能的原因為播種～出苗期、開花～成熟期采用潛在蒸散量計算的作物正常生長需水量作為馬鈴薯水分適宜條件標(biāo)準(zhǔn)過高，播種～出苗期馬鈴薯莖葉生長量不大，對水分的需求量僅占全生育期的15%[12]，采用0～10 cm土層土壤相對濕度更為準(zhǔn)確，但目前日喀則地區(qū)土壤水分站過少，因此本文根據(jù)王彥平、連彩云等研究成果[12，19]結(jié)合了FAO所確定的馬鈴薯的作物系數(shù)KC值，制定日喀則地區(qū)馬鈴薯作物系數(shù)值，得出的結(jié)果與事實更為符合。未來將進(jìn)一步研究將土地利用數(shù)據(jù)疊加到馬鈴薯種植氣候適宜度區(qū)劃圖上，能夠更好展現(xiàn)適宜馬鈴薯種植區(qū)域內(nèi)實際可以用于耕種的土地，以期為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)調(diào)整、合理種植布局提供更加準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。