基于GIS技術的甘肅河西啤酒大麥種植氣候區(qū)劃

張駛　徐正芬　龐成　毛竹馨

摘要：為了科學、合理地利用當?shù)貧夂蛸Y源，為甘肅省河西地區(qū)啤酒大麥生產(chǎn)合理規(guī)劃布局和可持續(xù)發(fā)---展提供科學依據(jù)。筆者根據(jù)啤酒大麥生長所需的氣候條件，并結(jié)合前人研究結(jié)果，選取年≥0℃積溫、幼穗分化期（5月下旬6月上旬）和灌槳期（6月下旬-7月中旬）的平均溫度及年日照時數(shù)4項氣候要素作為啤酒大麥的氣候區(qū)劃指標，用甘肅河西地區(qū)20個氣象觀測站1981-2010年標準氣候統(tǒng)計資料和1：25萬地理信息資料，通過多元回歸方法建立了區(qū)劃因子與地理信息的推算模型，利用GIS技術和專家評分法，對甘肅省河西地區(qū)啤酒大麥進行精細化農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，分為適宜、次適宜、不適宜3個區(qū)域。適宜區(qū)主要位于沿祁連山北麓一線和馬鬃山附近地區(qū)12個縣（區(qū)、市）海拔在1500-2200m之間的地區(qū)。

關鍵詞：河西地區(qū)；啤酒大麥；GIs；氣候區(qū)劃

中圖分類號：S512.3+1 文獻標志碼：A 論文編號：cjasl4120034

引言

啤酒大麥是釀造工業(yè)和食品工業(yè)的重要原料。目前，中國的啤酒大麥自給率僅為1/3左右，大部分依賴進口。甘肅是中國優(yōu)質(zhì)啤酒大麥的生產(chǎn)基地及啤酒花第二大產(chǎn)區(qū)，啤酒大麥是甘肅省最具特色的優(yōu)勢釀造作物，分布于從隴東至河西西部的廣闊地帶，尤其是河西走廊，所產(chǎn)啤酒大麥不僅具有較高的千粒重，而且以色淺、皮薄、籽粒飽滿、發(fā)芽率高等特點明顯優(yōu)于國內(nèi)其他產(chǎn)區(qū)，可與進口大麥相媲美“卅。

作物產(chǎn)量高低及質(zhì)量優(yōu)劣除受其自身品種特性影響外，還受諸如土壤、氣候等環(huán)境條件影響，啤酒大麥也不例外，氣候條件是影響啤酒大麥產(chǎn)區(qū)分布、產(chǎn)量和質(zhì)量的主要因素，如何在適宜的條件下合理種植啤酒大麥，隨著研究的不斷深入，王效宗等對甘肅省優(yōu)質(zhì)啤酒大麥種植區(qū)域進行了劃分，鄧振鏞等對啤酒大麥氣候生態(tài)適應性分析與適生種植區(qū)劃進行了研究，俞天勝等對新疆啤酒大麥生產(chǎn)現(xiàn)狀及種植區(qū)域劃分進行了研究，給出了區(qū)劃結(jié)果。但由于技術手段的限制，以往的一些研究主要是以文字形式大致描述啤酒大麥的氣候生態(tài)適生種植區(qū)域，用傳統(tǒng)方式制作的區(qū)劃圖，達不到精細化的要求，難以滿足實際生產(chǎn)的需要。隨著GIS技術在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中的廣泛應用，區(qū)劃結(jié)果由基于行政單元發(fā)展為基于地理網(wǎng)格單元，克服了以往基于氣象站資料，復雜地形條件下氣象資料代表性差的問題，極大提高了區(qū)劃結(jié)果的精細化程度，取得了較為豐碩的研究成果。

目前，基于GIS技術進行啤酒大麥種植區(qū)區(qū)劃方面的研究還未見報道。因此，本研究使用已取得的啤酒大麥的觀測資料和近30年氣候資源數(shù)據(jù)，在綜合分析啤酒大麥氣候適宜性基礎上，借助GIS技術對甘肅河西地區(qū)啤酒大麥種植區(qū)進行區(qū)劃，并提出相應的生產(chǎn)建議，以期為氣候變暖背景下的啤酒大麥生產(chǎn)合理規(guī)劃布局和可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1.研究區(qū)概況及資料來源

1.1研究區(qū)概況

河西地區(qū)系指甘肅的武威、張掖、酒泉、金昌和嘉峪關5市的19個縣、區(qū)，東起烏鞘嶺，西至古玉門關，南北介于南山（祁連山和阿爾金山）和北山（馬鬃山、合黎山和龍首山）間，為西北一東南走向的狹長平地，形如走廊，因位于黃河以西，自古稱為河西，亦稱河西走廊。區(qū)內(nèi)海拔1100-4300m，總面積為27.9萬km²，年太陽總輻射量在5505-6412MJ/m²，年平均氣溫4-10～C，年降雨量39.9-407.1mm，年蒸發(fā)量1638-3040mm/1，年日照時數(shù)2608-3329h，≥0℃的活動積溫13 19-4075℃·d，無霜期100-186天。雨熱同季，光照充足，由于深居內(nèi)陸，遠離海洋，屬于干旱、半干旱性氣。

1.2資料來源

氣候資料來源于河西地區(qū)20個氣象觀測站的氣象觀測資料（《甘肅省各站累年（1981-2010）年平均氣象要素統(tǒng)計值》，包括1981-2010年逐月氣溫、降水量、日照時數(shù)、≥0℃活動積溫、無霜期等標準氣候統(tǒng)計值和經(jīng)度、緯度、海拔高度，以及5-7月逐句平均氣溫資料；大麥作物觀測資料來源于永昌國家農(nóng)業(yè)氣象二級觀測站。

地理信息采用1：25萬甘肅數(shù)字高程模型（DEM）地理信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過裁剪得到河西地區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)，并提取各地小網(wǎng)格經(jīng)度、緯度、海拔高度數(shù)據(jù)，用于區(qū)劃指標的空間化處理。

2.分析方法

2.1地理信息資料的處理

利用地理信息軟件ArcGIS9.3為GIS工具，將1：25萬的甘肅省地理信息數(shù)據(jù)進行導入、裁切、拓撲運算、合并等圖層處理，然后從中提取各氣象站點地理位置、各縣市行政邊界、數(shù)字高程模型（DEM）等基礎地理數(shù)據(jù)資料，最終生成河西地區(qū)的海拔高度、經(jīng)度和緯度柵格圖層。

2.2區(qū)劃因子的選擇及指標的確定

啤酒大麥為長日照植物，具有耐低溫、早熟、生育進程快、分蘗力強、分蘗成穗率高、幼穗分化早、對條件要求不嚴格、耐瘠薄、抗災能力強等特點㈣。河西地區(qū)是干旱半干旱綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，光照充足，氣候涼爽，氣溫適中，相對濕度低，特別有利于啤酒大麥生長發(fā)育和優(yōu)質(zhì)籽粒形成。啤酒大麥產(chǎn)量形成的2個主要關鍵時段：分蘗一拔節(jié)和灌槳期對氣溫有較嚴格要求：即在幼穗分化期的適溫范圍內(nèi)要求偏低的氣溫，有利于幼穗分化期延長發(fā)育充分，利于形成較多小穗數(shù)；在灌槳期氣溫偏低，灌槳期延長，有利于籽粒飽滿、籽重增加。綜合上述分析，選擇年≥0℃積溫、幼穗分化期（5月下旬6月上旬）和灌槳期（6月下旬7月中旬）平均氣溫以及年日照時數(shù)作為主要區(qū)劃因子，并將河西地區(qū)啤酒大麥種植區(qū)劃分為適宜、次適宜及不適宜3個區(qū)域（見表1）。

2.3區(qū)劃因子模型的建立

用河西地區(qū)20個氣象觀測站的30年（1981-2010年）相關氣象資料，采用多元回歸統(tǒng)計方法，用SPSS軟--件分別建立年≥0℃積溫、5月下旬6月上旬平均氣溫、6月下旬7月中旬平均氣溫、年日照時數(shù)與經(jīng)度、緯度和海拔高度的空間分布模型（見表2）。模型中X1為經(jīng)度，X2為緯度，X3為海拔高度，各回歸方程均有較高的R和F值，均通過了a=0.01的顯著性檢驗，表明各方程具有良好的擬合效果。

2.4綜合氣候區(qū)劃指標的確定

首先，將表1中的啤酒大麥區(qū)劃因子進行無量綱化處理如下：其次，確定區(qū)劃因子的權重系數(shù)。根據(jù)各指標對啤酒大麥生長影響的重要程度，采用專家評分法，確定區(qū)劃指標≥0℃積溫a的權重系數(shù)確定為0.5、5月下旬6月上旬平均氣溫6的權重系數(shù)確定為0.2、6m月下旬7月中旬平均氣溫c的權重系數(shù)確定為0.2、年日照時數(shù)d的權重系數(shù)確定為0.1，據(jù)此建立啤酒大麥種植氣候區(qū)劃綜合指標Py與區(qū)劃因子的組合公式（1）。

Py=0.5a+0.2b+0.2c+0.1d………………………（1）

Py即為啤酒大麥種植綜合氣候區(qū)劃指標。

2.5區(qū)劃方法及專題圖的制作

在地理信息系統(tǒng)ArcGIS9.3平臺下，根據(jù)生成的經(jīng)度、緯度和海拔高度柵格圖層，應用表2中的模型，首先推算出年≥0℃積溫、5月下旬6月上旬平均氣m溫、6月下旬7月中旬平均氣溫、年日照時數(shù)的柵格圖層，再應用公式（1）推算出河西地區(qū)Py值的柵格圖層。根據(jù)河西地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源特點，結(jié)合啤酒大麥生長發(fā)育對氣候條件的要求，經(jīng)反復調(diào)整指標劃分如下：0.63根據(jù)上述分區(qū)指標制作出如圖1所示的河西地區(qū)啤酒大麥種植氣候區(qū)劃空間分布圖。

3.區(qū)劃結(jié)果及分區(qū)評述

根據(jù)啤酒大麥種植氣候區(qū)劃結(jié)果（見圖1）可以看出，適宜區(qū)主要集中在沿祁連山北麓一線，次適宜區(qū)主要集中在海拔較低的走廊地帶，海拔超過2500m的地方則為不適宜種植區(qū)。

3.1啤酒大麥適宜種植區(qū)

本區(qū)包括12個縣（區(qū)、市），海拔在1500-2200m之間，以40°N為界分為南部和北部2個區(qū)。

南部適宜區(qū)沿祁連山北麓一線分布，主要包括古浪、武威市南部、永昌、山丹、民樂、肅南、玉門市南部、肅北一部及阿克塞部分地方。本區(qū)水資源豐富，灌溉條件良好，海拔在1500-2200m之間，主要氣候特點是氣候冷涼，濕潤度較好。年平均溫度為4.1-7.5℃，年降水量為150-350mm之間，≥0℃積溫為2600-3500℃，年日照時數(shù)為2900-3100h，日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃的初日為3月20日-4月5日，無霜期123-141天，啤酒大麥全生育期為125天左右，全生育期所需的≥0℃積溫為1850℃左右。由于，幼穗分化期和灌槳期氣溫相對較低、溫度日較差大，有利于作物干物質(zhì)的積累，因而適于啤酒大麥生長發(fā)育，產(chǎn)量水平高，千粒重高，粒色好，淀粉含量高，蛋白質(zhì)含量適中，是啤酒大麥生產(chǎn)最適宜的地區(qū)，具有較大的發(fā)展?jié)摿颓熬?。本區(qū)的永昌和民樂2縣是甘肅省2個主要的啤酒大麥生產(chǎn)縣。

北部適宜區(qū)位于馬鬃山附近，包括瓜州北部、肅北北部。本區(qū)海拔在1500-1800m之間，主要氣候特點是氣候干燥、日照時間長。年平均溫度為4.5-7.0℃，年降水量在50-100mm之間，≥0℃積溫為3000-3500～C，年日照時數(shù)為3000-3100h，日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃的初日為3月20日左右，無霜期153天。幼穗分化期和灌槳期氣溫較南部區(qū)域稍高，本區(qū)降水量少，土壤狀況稍差，但光照充足，太陽輻射強、晝夜溫差大，病蟲害少，產(chǎn)量水平相對較南部區(qū)域稍低。

3.2啤酒大麥次適宜種植區(qū)

本區(qū)包括13個縣（區(qū)、市），根據(jù)地地形特征和氣候特點可分為2個區(qū)，即綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)和淺山區(qū)。

綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)主要位于張掖以西的河西走廊地帶和武威北部地區(qū)，包括武威市北部、民勤、金昌市、張掖市、臨澤、高臺、金塔、玉門市北部、瓜州中部、敦煌南部和北部。本區(qū)海拔在1500m以下，主要氣候特點是氣候干燥，風沙大，冬季寒冷，夏季炎熱。年平均氣溫8～10℃，年降水量為49-171mm，≥0℃積溫為3500-4000℃，年日照時數(shù)為3100-3350h，日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃的初日為3月5日一3月20日之間，無霜期141-186天。該區(qū)地勢平坦，灌溉條件良好，熱量條件充足，限制因子為7月的高溫天氣，如果能夠調(diào)整播種期而避開夏季的高溫，啤酒大麥也能夠獲得較高的產(chǎn)量和質(zhì)量。在品種選擇上宜種植中、晚熟品種，如‘甘啤3號、‘甘啤4號。

淺山區(qū)面積較小，主要分布在沿祁連山北麓海拔高度為2200-2500m之間的淺山區(qū)一帶，主要有山丹軍馬場、肅南的皇城、天祝的松山等地。主要氣候特點是冬季寒冷，夏季涼爽，降水豐富。年平均氣溫為4℃左右，年降水量為350-400mm，≥0℃積溫為1700-2600℃，年日照時數(shù)為2800-2900h左右，日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃的初日為4月5日-4月15日之間，無霜期100-120天。該區(qū)地形起伏，灌溉條件差，無霜期短，熱量資源欠缺，因而制約了大麥的產(chǎn)量和質(zhì)量。在品種選擇上宜種植早熟品種，如‘甘啤5號。

3.3啤酒大麥不適宜種植區(qū)

本區(qū)可分2個區(qū)域。一是敦煌中部區(qū)域，海拔高度為1140m左右，年平均氣溫接近10%，雖熱量資源豐富，但年降水量僅為39.9mm，幼穗分化期氣溫為21.6℃，灌槳期氣溫為24.8℃，是整個河西地區(qū)氣溫最高、降水最少的地方，無法滿足啤酒大麥生長需求，不宜栽培。二是南部祁連山海拔高度2500m以上區(qū)域，該區(qū)雖降水條件充足，但地勢陡峭，熱量資源欠缺，生長期光、溫條件差，種植后的大麥成熟度差，生育期延長，發(fā)芽率低，水敏感性增強，休眠期延長，皮層增厚，不適宜作釀造啤酒的原料㈣。

4.結(jié)論

（1）綜合考慮啤酒大麥生長發(fā)育對氣候環(huán)境的需求，并結(jié)合前人研究結(jié)果，選擇年≥0℃積溫、幼穗分化期（5月下旬6月上旬）和灌槳期（6月下旬一7月中旬）平均氣溫以及年日照時數(shù)作為區(qū)劃因子。

（2）根據(jù)河西地區(qū)20個氣象觀測站的30年氣候資料，采用GIS技術通過多元回歸統(tǒng)計方法分別建立各指標要素的空間分布模型，并進行了小網(wǎng)格推算，得到各區(qū)劃因子在河西地區(qū)的空間分布情況。

（3）根據(jù)區(qū)劃指標，利用專家打分法，將河西地區(qū)啤酒大麥種植區(qū)氣候適宜性進行了區(qū)劃，甘肅省河西地區(qū)啤酒大麥種植可以分為適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)3個區(qū)域。其中，適宜區(qū)主要位于沿祁連山北麓一線海拔在1500-2200m之間地區(qū)和馬鬃山附近地區(qū)，該區(qū)所產(chǎn)啤酒大麥千粒重高，產(chǎn)量水平高，是甘肅省發(fā)展優(yōu)質(zhì)啤酒大麥的最佳區(qū)域；次適宜區(qū)主要分布在綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)和淺山區(qū)；不適宜區(qū)主要分布在敦煌中部地區(qū)和海拔高度大于2500m的區(qū)域。

5.討論

（1）目前，國內(nèi)關于GIS技術在中國農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中的應用的文章很多，但基于GIS的啤酒大麥種植區(qū)劃方面的研究卻鮮有報道。

（2）采用GIS技術，通過多元回歸統(tǒng)計方法建立了區(qū)劃指標與經(jīng)度、緯度和海拔高度的小網(wǎng)格推算模型，減小了傳統(tǒng)區(qū)劃應用的氣候資料以點代面產(chǎn)生的誤差，提高了區(qū)劃結(jié)果的精度，如果不以DEM為基礎數(shù)據(jù)，使用GIS技術手段，用傳統(tǒng)的區(qū)劃方法是不可能完成這樣復雜的精細化區(qū)劃。

（3）啤酒大麥生長除受氣候條件制約外，還受到地形及土壤狀況的影響，這也是所有作物生長發(fā)育共同的影響因素。在選擇區(qū)劃因子建立空間分析模型時，主要考慮了經(jīng)度、緯度、海拔高度與氣候資源的關系，受條件限制，對影響啤酒大麥生長的一些其他因素，如土壤屬性、下墊面性質(zhì)（戈壁、沙漠、山地）和小地形因子的坡度、坡向等因子未做進一步研究，使得區(qū)劃成果在實際應用中還需要綜合考慮當?shù)仄渌麠l件。因此，區(qū)劃指標還需要在實踐中不斷的完善，使區(qū)劃結(jié)果能夠更好地反映各種綜合情況，在指導生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。

（4）啤酒大麥具有一定的生態(tài)適應性，根據(jù)不同品種的特性，選擇最適宜的區(qū)域種植啤酒大麥，才能發(fā)揮其自然優(yōu)勢，取得最佳生產(chǎn)效益。