基于GIS的寧夏裸燕麥NLY17-05種植氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃

汪進(jìn)欣 馬力文 南學(xué)軍 趙金龍

摘要：利用寧夏24個(gè)地面氣象臺(tái)站1981—2010年氣象觀測(cè)資料，采用GIS技術(shù)進(jìn)行氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃。利用2017、2018年試驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選出具有高產(chǎn)性、穩(wěn)產(chǎn)性的裸燕麥NLY17-05品種，并以此作為寧夏不同氣候條件下適宜種植的主體品種及研究品種。通過(guò)對(duì)產(chǎn)量與關(guān)鍵氣象因子的相關(guān)性分析，選取4個(gè)氣候適應(yīng)性區(qū)劃指標(biāo)：海拔、5—6月降水量、6—7月最高氣溫≥32 ℃日數(shù)、4—6月平均最高氣溫。研究結(jié)果表明，寧夏海原縣西南部、西吉縣、固原市原州區(qū)、隆德縣、彭陽(yáng)縣、涇源縣為裸燕麥NLY17-05適宜種植區(qū)（最適宜區(qū)和適宜區(qū)），該地區(qū)海拔較高，裸燕麥生長(zhǎng)發(fā)育需水關(guān)鍵期降水充足、灌漿期間氣溫適宜、高溫日數(shù)較少，可以滿足裸燕麥NLY17-05正常生長(zhǎng)發(fā)育所需的氣候條件。

關(guān)鍵詞：裸燕麥;寧夏;氣候區(qū)劃;氣象因子;模型;GIS技術(shù);相關(guān)性分析

中圖分類號(hào)： S162.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）08-0102-06

收稿日期：2020-07-19

基金項(xiàng)目：寧夏回族自治區(qū)一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展科技創(chuàng)新示范項(xiàng)目（編號(hào)：YES-16-08）。

作者簡(jiǎn)介：汪進(jìn)欣（1995—），女，寧夏海原人，助理工程師，主要從事氣候資源與作物氣候適應(yīng)性研究。E-mail：1003253902@qq.com。

通信作者：馬力文，正研級(jí)高級(jí)工程師，主要從事氣候資源與作物氣候適應(yīng)性研究。E-mail：ma_liwen@163.com。

燕麥?zhǔn)呛瘫究蒲帑湆伲ˋvena）的1年生草本植物。栽培燕麥依據(jù)其外稃性狀又可分為帶稃型和裸粒型2種類型，帶稃型籽粒外表帶殼，稱為皮燕麥;顆粒型籽粒外表不帶殼，稱為裸燕麥。燕麥?zhǔn)且环N糧草兼用型作物，耐寒、抗旱、喜陰涼，對(duì)土壤有很強(qiáng)的適應(yīng)性，具有耐貧瘠和耐鹽堿等特性，是改良鹽堿地的先鋒作物[1]，被許多國(guó)家重視并廣泛栽培。全世界燕麥種植面積位居第六，排在小麥、玉米、水稻、大麥、高粱之后。我國(guó)種植面積約 60萬(wàn)hm2，其中裸燕麥種植面積約占92%[2]，產(chǎn)區(qū)主要分布在華北北部的冀、晉、蒙的高寒山區(qū)，西北的六盤(pán)山和云、貴、川等地。同時(shí)，裸燕麥具有較多的營(yíng)養(yǎng)成分，尤其是籽粒中蛋白質(zhì)、脂肪、亞油酸等含量較高，其在食用、醫(yī)療、飼用、美容等方面都有很高的利用價(jià)值。目前，對(duì)裸燕麥的研究主要集中在種質(zhì)資源遺傳分析[3-5]、引種分析[6-7]、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)研究[8-9]及產(chǎn)業(yè)發(fā)展[10]等方面，關(guān)于裸燕麥產(chǎn)量與氣候條件的相關(guān)性、裸燕麥種植氣候區(qū)劃方面的研究較少。徐長(zhǎng)林研究指出，不同燕麥品種在氣候和環(huán)境條件不同的情況下，其適應(yīng)性不同[11]。周海濤研究表明，環(huán)境因素、品種差異以及氣候條件對(duì)裸燕麥的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)影響非常大[12]。Oste等研究指出，土壤、氣候等環(huán)境因素均直接或間接影響燕麥籽粒的整體品質(zhì)[13]。因此，要實(shí)現(xiàn)寧夏不同氣候條件下裸燕麥的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，必須篩選出適應(yīng)寧夏氣候特點(diǎn)種植的主體品種，并且進(jìn)行更加合理、精細(xì)的種植區(qū)劃，從而提高寧夏裸燕麥種植的經(jīng)濟(jì)效益。

近年來(lái)，由于氣候變化、栽培技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植區(qū)劃已經(jīng)不能滿足新農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求。隨著數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和GIS技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者將其應(yīng)用到農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中，對(duì)不同農(nóng)作物進(jìn)行更加精細(xì)的氣候區(qū)劃，取得了較好的成果。馬力文等利用GIS技術(shù)分別對(duì)寧夏枸杞、寧夏高酸蘋(píng)果、咸陽(yáng)石榴、大英縣甜橙進(jìn)行了氣候區(qū)劃[14-17]，該研究有很好的借鑒作用。

寧夏地處我國(guó)西北內(nèi)陸，位于104°17′～107°39′E、35°14′～39°23′N，疆域輪廓南北長(zhǎng)、東西短，面積6.64萬(wàn)km2。寧夏屬典型的大陸性半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)，大部分地區(qū)四季分明，具有氣候干燥，雨雪稀少，光能資源豐富，氣溫年較差、日較差大，無(wú)霜期短而多變，熱量適中等特點(diǎn)。受地理?xiàng)l件的影響，寧夏從南向北降水、光照、氣溫等氣候條件存在明顯的過(guò)渡性、不均衡性和復(fù)雜性，南部和北部自然氣候差異十分顯著，呈南寒北暖、南濕北干等特點(diǎn)。2017—2018年，本研究在寧夏不同氣候條件下對(duì)5個(gè)裸燕麥品種進(jìn)行多點(diǎn)試驗(yàn)，鑒定其適應(yīng)性、生產(chǎn)力，結(jié)合氣象資料，評(píng)價(jià)裸燕麥與其生長(zhǎng)環(huán)境因子之間的匹配程度，以期明確寧夏不同氣候條件下適宜種植的裸燕麥品種，真實(shí)反映其適應(yīng)性的連續(xù)空間分布和具體適宜生長(zhǎng)地點(diǎn)，為合理安排種植計(jì)劃、提高裸燕麥經(jīng)濟(jì)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)裸燕麥品種共5個(gè)（表1），試驗(yàn)地點(diǎn)為中衛(wèi)市海原縣，吳忠市同心縣、鹽池縣，固原市原州區(qū)、西吉縣、彭陽(yáng)縣共6個(gè)（表2）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)30個(gè)處理，即6個(gè)地點(diǎn)，每個(gè)地點(diǎn)5個(gè)品種，每個(gè)品種3次重復(fù)，每個(gè)地點(diǎn)共15個(gè)小區(qū)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積10 m2（寬2 m×長(zhǎng) 5 m），重復(fù)間距100 cm，區(qū)組間距80 cm，播種行向與小區(qū)的長(zhǎng)邊平行。觀察記錄物候期發(fā)育進(jìn)程、農(nóng)藝性狀、抗逆性、病蟲(chóng)害情況、產(chǎn)量表現(xiàn)等。2017—2018年連續(xù)2年開(kāi)展試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)資料及處理

本試驗(yàn)所用的數(shù)據(jù)包括地理信息資料、氣象信息資料。數(shù)據(jù)處理采用SPSS 22.0和Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

地理信息資料采用1 ∶25萬(wàn)寧夏全境地理信息數(shù)據(jù)，包括經(jīng)緯度、數(shù)字高程模型（DEM）等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS中的掩膜法將寧夏行政邊界、經(jīng)度、緯度、高程等地理信息資料從全區(qū)地理信息資料中提取出來(lái)，作為區(qū)劃的基礎(chǔ)資料。

氣象資料采用6個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)國(guó)家站或區(qū)域自動(dòng)站2017、2018年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、20-20時(shí)累計(jì)降水量、平均相對(duì)濕度、最小相對(duì)濕度、2 min平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等資料，并收集整理寧夏24個(gè)地面氣象臺(tái)站30年（1981—2010年）的氣候觀測(cè)資料。

1.4 產(chǎn)量與關(guān)鍵氣象因子相關(guān)性分析

研究根據(jù)裸燕麥生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)氣候的要求，選擇≥0 ℃ 積溫、≥5 ℃積溫、≥10 ℃積溫、平均氣溫、平均最高氣溫、最高氣溫≥25 ℃日數(shù)、最高氣溫≥32 ℃ 日數(shù)、最高氣溫≥33 ℃日數(shù)、最高氣溫≥35 ℃日數(shù)、降水量、日均降水量、有效降水量、有效降水日數(shù)、平均最低氣溫、平均最低氣溫<2 ℃日數(shù)、平均最低氣溫<0 ℃日數(shù)、日照時(shí)數(shù)、日均日照時(shí)數(shù)、平均溫度、平均濕度、風(fēng)速共21個(gè)氣候指標(biāo)，與2017、2018年6個(gè)試驗(yàn)區(qū)裸燕麥的產(chǎn)量做相關(guān)性分析。選出相關(guān)關(guān)系顯著的氣候因子作為初步區(qū)劃指標(biāo)。

1.5 氣候要素的小網(wǎng)格推算方法

為精確地反映寧夏氣象要素的分布特點(diǎn)，利用寧夏24個(gè)地面氣象臺(tái)站1981—2010年氣象觀測(cè)資料及對(duì)應(yīng)的經(jīng)度、緯度、高度建立區(qū)劃因子的多元回歸方法建立小網(wǎng)格推算模型，如式（1）所示。

Xi=f（i，k，h）+ε。（1）

式中：Xi為區(qū)劃指標(biāo);i、j、h分別為氣象臺(tái)站經(jīng)度、緯度和海拔高度;ε為殘差項(xiàng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同裸燕麥品種、地點(diǎn)的產(chǎn)量比較

2017—2018年裸燕麥NLY17-05在6個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)均表現(xiàn)為產(chǎn)量較高（表3），可作為寧夏不同氣候條件下適宜種植的裸燕麥主體品種，以裸燕麥NLY17-05作為本試驗(yàn)區(qū)劃品種。裸燕麥 NLY17-05 品種在海原縣、同心縣、鹽池縣、原州區(qū)、西吉縣、彭陽(yáng)縣6個(gè)試驗(yàn)區(qū)2年平均產(chǎn)量分別為2 615.00、679.00、2 295.00、1 820.00、3 910.00、1 205.00 kg/hm2，其中西吉縣試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)量最高，海原縣次之。2018年海原縣、同心縣裸燕麥NLY17-02均發(fā)生黑穗病，發(fā)病率100%，故產(chǎn)量為0。

2.2 產(chǎn)量與關(guān)鍵氣象因子相關(guān)性分析

如表4所示，裸燕麥NLY17-05產(chǎn)量與平均最高氣溫、日最高氣溫≥32 ℃日數(shù)、降水量、海拔有顯著相關(guān)性。其中，播種—抽穗期平均最高氣溫與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，抽穗—開(kāi)花期最高氣溫≥32 ℃日數(shù)與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，出苗—抽穗降水量與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，播種—出苗期海拔與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。

2.3 氣候適宜區(qū)劃指標(biāo)

裸燕麥喜涼爽濕潤(rùn)，忌高溫干燥，種子在1～2 ℃ 開(kāi)始發(fā)芽，幼苗能耐短時(shí)間的低溫，當(dāng)全生育期溫度在25 ℃以上時(shí)，其光合作用受阻。燕麥蒸騰系數(shù)高，在禾谷作物中僅次于水稻[18]，故干旱高溫對(duì)裸燕麥產(chǎn)量的影響極為顯著。裸燕麥一般播種在干旱和半干旱地區(qū)，在出苗后到拔節(jié)期比較耐旱，從拔節(jié)期以后需水量逐漸升高，抽穗期達(dá)到最高點(diǎn)，在抽穗期前10～15 d是燕麥需水臨界期，小穗數(shù)和穗粒數(shù)都與這個(gè)時(shí)期的水份供給情況密切相關(guān)[19-20]，故5—6月是裸燕麥需水關(guān)鍵期，這個(gè)時(shí)期的降水量是否充足對(duì)裸燕麥的產(chǎn)量形成至關(guān)重要。7月是裸燕麥灌漿期，該時(shí)段的高溫天氣會(huì)對(duì)燕麥帶來(lái)危害，導(dǎo)致減產(chǎn)。由于光照、溫度、水分、大氣壓、土壤等都隨海拔高度變化而變化，海拔每增高100 m，氣溫就相應(yīng)降低0.5～0.6 ℃，光照相應(yīng)增加4%～5%，紫外光輻射相應(yīng)增加3%～4%[12]。同一緯度上，由于海拔高度升高，溫度、光照等條件都會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此海拔高度的不同也直接影響燕麥的生長(zhǎng)發(fā)育。

通過(guò)對(duì)2017—2018年裸燕麥NLY17-05產(chǎn)量與氣象要素的相關(guān)分析，以及結(jié)合前人的研究結(jié)果[12，18-20]，最終選取4個(gè)影響裸燕麥NLY17-05產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象指標(biāo)：5—6月降水量、6—7月最高氣溫 ≥32 ℃ 日數(shù)、4—6月平均最高氣溫、海拔，同時(shí)結(jié)合寧夏氣候要素的變化幅度，得出寧夏裸燕麥NLY17-05的種植氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)（表5）。

2.4 氣象要素小網(wǎng)格推算模型

利用公式（1）計(jì)算得到各區(qū)劃因子小網(wǎng)格推算模型表達(dá)式（表6），經(jīng)F檢驗(yàn)，各方程都通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，具有較高的可信度。

2.5 各區(qū)劃指標(biāo)的空間分布

從海拔來(lái)看，適宜區(qū)主要為寧夏西南部地區(qū)，海拔在1 800～2 950 m之間，次適宜區(qū)主要在寧夏中部及東南部分地區(qū)，不適宜區(qū)主要在寧夏中北部及清水河一帶（圖1-a）。 從5—6月總降水量來(lái)看，寧夏南部地區(qū)5—6月總降水量≥90 mm，是裸燕麥NLY17-05的適宜種植區(qū)，次適宜區(qū)主要在寧夏中部干旱帶，不適宜區(qū)主要在寧夏北部地區(qū)（圖1-b）。從6—7月最高氣溫≥32 ℃日數(shù)來(lái)看，寧夏南部地區(qū)高溫日數(shù)少，是裸燕麥NLY17-05的適宜種植區(qū)，次適宜區(qū)主要集中在寧夏中部及東南部分地區(qū)，不適宜區(qū)主要集中在寧夏中北部干熱地區(qū)（圖1-c）。從4—6月平均最高氣溫來(lái)看，寧夏中南部絕大多數(shù)地區(qū)在16～22 ℃之間，適宜裸燕麥NLY17-05種植，次適宜區(qū)主要集中在寧夏中北部部分地區(qū)以及清水河一帶，不適宜區(qū)主要集中在寧夏北部部分地區(qū)。

2.6 裸燕麥NLY17-05種植氣候區(qū)劃結(jié)果及分區(qū)評(píng)述

將以上4個(gè)區(qū)劃氣象因子按表6標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)計(jì)算，將各區(qū)劃因子分為適宜、次適宜和不適宜3個(gè)區(qū)域。通過(guò)咨詢專家意見(jiàn)，為各氣候指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱賦值，不適宜區(qū)、次適宜區(qū)、適宜區(qū)分別賦值0、1、2。制作出各氣候區(qū)劃因子的賦值分布圖，對(duì)各氣候區(qū)劃因子賦值分布圖進(jìn)行空間疊乘，以綜合評(píng)分16分為最適宜區(qū)、4～8分為適宜區(qū)、1～2分為次適宜區(qū)、0為不適宜區(qū)進(jìn)行區(qū)劃。為使區(qū)劃結(jié)果更加精確，去除了山川、草原、林區(qū)及其他作物田，且疊加了水體，將綜合區(qū)劃結(jié)果分為最適宜、適宜、次適宜、不適宜4級(jí)，寧夏裸燕麥NLY17-05種植區(qū)初步分成下列各區(qū)。

2.6.1 最適宜區(qū) 主要分布于寧夏西南部地區(qū)，為海原縣南部[樹(shù)臺(tái)、關(guān)莊、紅羊、曹洼、李俊、九彩等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）]、西吉縣、原州區(qū)西南部及東北部部分地區(qū)[彭堡、中河、張易、開(kāi)城、寨科、炭山等鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）]、隆德縣、涇源縣、彭陽(yáng)縣西部（新集鄉(xiāng)）地區(qū)。這些地區(qū)為高海拔冷涼濕潤(rùn)地區(qū)，常年5—6月總降水量在90 mm以上，6—7月最高氣溫≥32 ℃日數(shù)小于5d，4—6月平均最高氣溫在16～22 ℃之間，適宜裸燕麥NLY17-05正常生長(zhǎng)發(fā)育。該區(qū)域是發(fā)展裸燕麥NLY17-05種植產(chǎn)業(yè)的主產(chǎn)區(qū)。

2.6.2 適宜區(qū) 主要分布在寧夏東南部地區(qū)，為原州區(qū)中部、彭陽(yáng)縣大部地區(qū)。這類地區(qū)海拔≥1 500 m，6—7月最高氣溫≥32 ℃日數(shù)≥10 d，5—6月總降水量在90 mm以上，4—6月平均最高氣溫在16～22 ℃之間。氣候條件基本能滿足裸燕麥NLY17-05生長(zhǎng)發(fā)育需要。限制該區(qū)域裸燕麥NLY17-05優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的不利氣象條件主要是海拔較低、灌漿期間高溫日數(shù)較多，對(duì)裸燕麥生長(zhǎng)發(fā)育有一定不利影響。

2.6.3 次適宜區(qū) 主要分布在中南部部分地區(qū)，為中寧縣南部部分地區(qū)、海原縣北部、同心縣部分地區(qū)、鹽池縣中部部分地區(qū)。這類地區(qū)海拔1 500～1 800 m，5—6月總降水量60～90 mm，6—7月最高氣溫≥32 ℃日數(shù)5～10 d，4—6月平均最高氣溫 16～24 ℃，該區(qū)域裸燕麥NLY17-05基本可成熟。限制該區(qū)域裸燕麥NLY17-05優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的不利氣象條件主要是5—6月需水關(guān)鍵期降水量較少，6—7月灌漿期又遇持續(xù)高溫天氣，影響裸燕麥產(chǎn)量形成。

2.6.4 不適宜區(qū) 主要在寧夏中北部及清水河一帶氣候干熱地區(qū)，為惠農(nóng)區(qū)、大武口區(qū)、平羅縣、賀蘭縣、永寧縣、青銅峽市、利通區(qū)、靈武市、沙坡頭區(qū)、中寧縣大部、紅寺堡區(qū)、鹽池縣大部、同心縣大部地區(qū)。這些地區(qū)海拔較低，降水量少、氣溫高，干旱較嚴(yán)重，易導(dǎo)致裸燕麥NLY17-05發(fā)生病害，不能成熟，從而影響產(chǎn)量。

3 討論與結(jié)論

選擇裸燕麥NLY17-05作為寧夏不同氣候條件適宜種植的主體品種，選取5—6月降水量、6—7月最高氣溫≥32 ℃日數(shù)、4—6月平均最高氣溫、海拔高度作為區(qū)劃指標(biāo)，利用寧夏24個(gè)地面氣象臺(tái)站30年氣候資料，與經(jīng)度、緯度和海拔高度建立回歸模型，利用GIS空間插值與疊加分析劃分出寧夏裸燕麥NLY17-05的氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃。研究結(jié)果表明，寧夏海原縣西南部、西吉縣、原州區(qū)、隆德縣、彭陽(yáng)縣、涇源縣為裸燕麥NLY17-05適宜種植區(qū)（除羅山、西華山、南華山、月亮山、六盤(pán)山），該地區(qū)海拔較高，裸燕麥生長(zhǎng)發(fā)育需水關(guān)鍵期降水充足、灌漿期間氣溫適宜、高溫日數(shù)較少，可以滿足裸燕麥NLY17-05正常生長(zhǎng)發(fā)育所需的氣候條件，建議大力發(fā)展裸燕麥NLY17-05種植。

目前，寧夏燕麥實(shí)際種植面積主要分布在中南部山區(qū)，包括海原縣南部、西吉縣、原州區(qū)南部、隆德縣、彭陽(yáng)縣，且隨著近幾年的發(fā)展，已取得了很好的效益，故本研究區(qū)劃結(jié)果與寧夏實(shí)際種植地理位置基本一致，相關(guān)性分析與氣候區(qū)劃指標(biāo)空間推算模式客觀、合理。

由于本試驗(yàn)選用的裸燕麥品種數(shù)量有限，以裸燕麥NLY17-05為主體品種作寧夏種植適宜性區(qū)劃，有一定的局限性。裸燕麥的生長(zhǎng)受各種自然環(huán)境因子的共同影響，其中氣象條件起主導(dǎo)作用，本試驗(yàn)只考慮了影響裸燕麥產(chǎn)量與主要?dú)庀笠蛩刂g的關(guān)系，未考慮土壤類型、栽培技術(shù)、灌溉情況、農(nóng)藝性狀、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等，因此在擴(kuò)大種植時(shí)應(yīng)當(dāng)因地制宜，引種前進(jìn)行品種栽培試驗(yàn)，提高裸燕麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。

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