基于細網格的山西省馬鈴薯種植氣候區劃

徐玲玲，毛留喜，馬雅麗

(1.國家氣象中心，北京 100081;2.山西省氣候中心，山西 太原 030006 )

馬鈴薯(SolanlumtuberosumL.)原產于南美洲秘魯、智利一帶的高山冷涼區，屬低緯度高山植物，長期引種適應的結果形成馬鈴薯喜冷涼、短日照和溫差大的生長習性[1]。由于馬鈴薯具有營養豐富、糧菜飼兼用、加工用途多、增產增收潛力大等諸多優點，目前已成為世界5大糧食作物之一。山西省是我國馬鈴薯的傳統種植區，常年種植面積和總產量分別占全國馬鈴薯播種面積和總產量的7%和5%[2]；“十二五”期間山西省馬鈴薯年均播種面積為21.3萬hm2，2014年總產量達到330萬t以上[3]，成為僅次于玉米、小麥的第3大糧食作物。根據影響馬鈴薯產量的關鍵氣候因子開展氣候種植區劃對充分合理地利用山西省氣候資源、優化全省馬鈴薯種植品種布局具有重要意義。

近年來，針對馬鈴薯氣候種植區劃開展的研究已有很多[4-8]。王連喜等[4]基于氣溫、日照時數和降水量資料對寧夏馬鈴薯種植進行了氣候分區。孫文堂等[5]利用小網格資源推算法和氣候要素地理推算模型開展了內蒙古烏盟馬鈴薯適宜種植氣候和風險區劃。唐紅艷等[6]確定了內蒙古興安盟地區馬鈴薯種植綜合氣候區劃指標, 并依托GIS技術劃分了馬鈴薯適宜、次適宜及不適宜種植區。苗百嶺等[7]分區域篩選了影響馬鈴薯產量的關鍵氣象因子，并以生長季平均溫差、降雨量為區劃指標制作了內蒙古陰山旱作區馬鈴薯氣候區劃圖。目前，山西省馬鈴薯種植氣候區劃多為傳統氣候分區法[8-9],基于站點資料開展的氣候區劃無法全面客觀地反映山西較為復雜的地形影響，結果局限性較大[10]。因此，本研究以山西省109個氣象觀測站近30 a(1981-2010年)逐日氣象數據為基礎，利用GIS技術將氣候要素插值為空間分辨率為1 km的細網格。然后基于馬鈴薯傳統種植區7個代表性縣(區)多年產量資料與主要氣候因子的相關性分析，篩選出影響馬鈴薯產量的關鍵氣候因子，以此為基礎確定馬鈴薯種植氣候區劃指標，并按適宜、次適宜和不適宜3個等級進行山西省馬鈴薯種植氣候區劃，以期為山西省優化馬鈴薯種植品種布局、提高馬鈴薯產量和質量提供理論依據和參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料為山西省109個氣象觀測站近30 a(1981-2010年)的逐日氣象資料，包括日最高溫度、日最低溫度、日平均溫度、逐日降水、日照時數以及日平均風速等要素，由中國氣象局國家信息中心提供。地理信息數據采用國家基礎地理信息中心提供的1∶25萬山西省基礎地理數據和數字高程模型(DEM)數據。為了實現精細化區劃，利用GIS技術根據站點經度、維度、高程、坡度和坡向等將所有氣候要素進行面上推算，插值成1 km×1 km的細網格，在此基礎上進行數字地形定量分類技術研究，具體推算模型及方法見參考文獻[11]。

選擇山西省馬鈴薯常年播種面積占各縣(區)糧食播種總面積的比重超過15%[2]的右玉縣、左云縣、奇嵐縣、河曲縣、保德縣以及大同市新榮區和朔州市平魯區作為代表性縣(區)，馬鈴薯產量資料序列為1981-2013年，發育期資料序列為1983-2010年，并按照《農業氣象觀測規范》分為播種、出苗、分枝、花序形成、開花、成熟，上述資料均來源于山西省氣候中心。

1.2 研究方法

1.2.1 發育期資料的處理 通過統計7個代表性縣(區)多年發育期資料，得到馬鈴薯不同發育時段的平均日期。平均播種期為5月10日，出苗為6月6日，分枝為6月23日，花序形成為7月6日，開花為7月19日，成熟為9月13日。為了便于分析，將馬鈴薯生育期簡單劃分為4個發育時段：5月上旬至6月上旬為發芽期，6月中旬至6月下旬為幼苗期，7月上旬至8月上旬為塊莖形成、增長期(結薯期)，8月中旬至9月上旬為淀粉積累期。

1.2.2 產量資料的處理 利用7個代表性縣(區)1981-2013年的馬鈴薯單產資料，將馬鈴薯實際產量分解為趨勢產量和氣象產量, 即

Y=Yt+Yw

(1)

式中，Y為馬鈴薯單產(kg·hm-2)，Yt是反映歷史時期生產力發展水平的長周期產量分量，稱為趨勢產量;Yw是受以氣象要素為主的短周期變化因子影響的產量分量，稱為氣象產量。本文采用直線滑動平均模擬的方法獲得馬鈴薯趨勢產量Yt，滑動步長取4。

(2)

1.2.3 氣象資料的處理 按照馬鈴薯劃分的4個發育時段，分別統計7個代表性縣(區)1981-2013年逐年不同發育時段的平均氣溫T、平均最高氣溫Tmax、平均最低氣溫Tmin、氣溫日較差Td、降水量P、日照時數S和平均風速W。其中，T、Tmax、Tmin、Td、W為不同發育時段逐日氣象要素的平均值，P和S為累加值。

1.2.4 馬鈴薯區劃指標的篩選 采用相關分析法，通過計算7個代表性縣(區)1981-2013年馬鈴薯產量與不同發育時段氣候要素(T、Tmax、Tmin、Td、W、P、S)的線性相關系數，并進行不同顯著性水平(α=0.01和0.05)的顯著性檢驗，篩選出影響該地區馬鈴薯產量的關鍵氣候因子和關鍵發育時段。根據篩選的關鍵氣候因子確定山西省馬鈴薯種植氣候區劃指標。

1.2.5 數據處理軟件 利用Excel和SPSS 19.0進行相關性分析和不同顯著性水平下的顯著性檢驗。基于插值后的1 km×1 km氣候要素細網格數據和ArcGIS 9.3軟件，繪制山西省馬鈴薯種植氣候區劃圖。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯種植氣候區劃指標的選取

表1為7個代表性縣(區)1981-2013年馬鈴薯產量與發芽期、幼苗期、結薯期及淀粉積累期這4個發育時段不同氣候要素(T、Tmax、Tmin、Td、P、S和W)通過顯著性檢驗的氣候因子及相關系數統計表。共有5個氣候因子與馬鈴薯產量在不同顯著性水平(0.01/0.05)上(雙側)顯著相關，分別是：發芽期平均最高氣溫、結薯期平均最低氣溫和降水量、淀粉積累期平均最低氣溫和平均風速；相關系數主要分布在0.367-0.548。從出現的頻次看，淀粉積累期平均最低氣溫出現的次數最多(7次)，其次為結薯期平均最低氣溫和降水量(3次)；而發芽期平均最高氣溫、淀粉積累期平均風速僅出現1-2次。由此推斷，盡管不同區域顯著影響馬鈴薯產量的氣候因子略有差異，但結薯期平均最低氣溫、結薯期降水量、淀粉積累期平均最低氣溫應該是影響馬鈴薯產量的關鍵氣候因子，將其確定為馬鈴薯種植氣候區劃指標。

表1 山西省7個代表性縣(區)與馬鈴薯產量顯著相關的氣候因子及相關系數R統計表

注：** 為0. 01水平上(雙側)顯著相關，*為0. 05水平上(雙側)顯著相關。

Notes:** was significantly correlated on 0.01 levels (bilateral), * was significantly correlated on 0.05 level (bilateral).

2.2 馬鈴薯種植氣候區劃指標的等級劃分

2.2.1 降水量對馬鈴薯產量的影響 以右玉縣為例，分析結薯期降水量對馬鈴薯產量的影響。如圖1所示，馬鈴薯產量隨結薯期降水量的增加表現為向下的拋物線型。當降水量小于150 mm時，馬鈴薯產量與降水量總體正相關，降水量增多利于馬鈴薯產量的提高，但降水量不足100 mm會導致馬鈴薯明顯減產。當降水量在150～200 mm之間時，馬鈴薯產量仍以增產為主，但降水量大于200 mm后馬鈴薯轉為減產。結薯期對水分條件的要求較高，干旱脅迫不利于塊莖形成和增大、降水過多也容易造成薯塊腐爛、加重病害的發生，最終導致馬鈴薯減產。

2.2.2 溫度對馬鈴薯產量的影響 以朔州市平魯區為例，分析結薯期和淀粉積累期平均最低氣溫對馬鈴薯產量的影響。如圖2所示，無論是結薯期還是淀粉積累期，二者均表現為負相關，即平均最低氣溫越低，越利于馬鈴薯產量的形成。馬鈴薯是喜涼作物，氣溫過高不利于馬鈴薯的生長發育，平均最低氣溫越低代表晝夜溫差越大，越有利于馬鈴薯生長期的延長和淀粉的充分積累，進而促進馬鈴薯產量的增加。

圖1 結薯期降水量對馬鈴薯產量的影響(以右玉縣為例)Fig.1 Relationship between precipitation and potato yieldon tuber formation stage (Youyu County)

圖2 結薯期和淀粉積累期平均最低氣溫對馬鈴薯產量的影響(以朔州市平魯區為例)Fig.2 Relationship between average minimum temperature and potato yield on tuber formation stage andstarch accumulation stage (Pinglu District of Shuozhou City)

2.2.3 馬鈴薯種植氣候區劃指標的等級劃分 綜合考慮2.2.1和2.2.2的分析結果，對結薯期平均最低氣溫、結薯期降水量、淀粉積累期平均最低氣溫這3個區劃指標給出等級劃分，依次劃分適宜種植區、次適宜種植區和不適宜種植區(表2)。

2.3 馬鈴薯種植氣候區劃結果與分析

基于插值后的1 km×1 km氣候要素細網格數據，采用專家打分法按照表2中的馬鈴薯種植氣候區劃指標進行分級打分，即給每一個分級指標都賦予一定的分值。如7月上旬至8月上旬結薯期平均最低氣溫，≤15℃時賦予3分，15～17℃時賦予2分，>17℃時賦予1分，其它指標的打分標準以此類推。最后根據3個指標疊加后總分數的大小，按照7-9分、4-6分、0-3分依次劃分為馬鈴薯種植的適宜區、次適宜區和不適宜區，并為不同的區域賦予不同的顏色，制作了山西省馬鈴薯種植氣候適宜性區劃圖(圖3a)。

表2 山西省馬鈴薯種植氣候區劃指標等級劃分

圖3 山西省馬鈴薯種植氣候適宜性區劃結果及檢驗Fig.3 The climatic regionalization for potato planting and it’s test in Shanxi Province

2.3.1 適宜和較適宜種植區 如圖3(a)所示，山西省適宜和較適宜種植馬鈴薯的區域主要分布在雁北和東西山區(呂梁山、五臺山、太行山)的丘陵地帶，兩個等級面積占全省總面積的57.9%。該區域大多在海拔1 200 m以上，年均氣溫6℃左右，無霜期100～140 d，氣候冷涼，光照充足，晝夜溫差大，年降雨量400～500 mm，且集中在7-9月[12]，水熱條件非常適合馬鈴薯塊莖膨大和淀粉積累。具體來看，適宜種植區主要分布在呂梁山區域及其以北的高寒山區、恒山及五臺山區域及其南部部分地區、太岳山區域、太行山西北部部分地區等；面積占全省總面積的26.5%。較適宜種植區主要分布在大同市及其南部的大同盆地、恒山以東部分地區、忻定盆地西部地區、忻州、晉中東部、太行山西南部部分地區、太岳山東南地區、長治部分地區、臨汾西北部等；面積占全省總面積的31.4%。

由于山西省適宜和較適宜馬鈴薯種植的區域主要分布在山坡丘陵地區，生產的灌溉條件較差，干旱是制約馬鈴薯生產的主要因素。這些地區應注意以抗旱為中心的“選用優種、脫毒種薯、整薯播種、催芽曬種、一晚四深”[13]五項配套技術綜合運用，以促進馬鈴薯的增產增效。

2.3.2 不適宜種植區 不適宜種植馬鈴薯的區域主要分布在山西省中部和南部地區(圖3a)，占全省總面積的42.1%。該區域年均氣溫大于8℃，無霜期180～220 d，熱量資源非常豐富，中南部地區降水量大于500 mm，但夏季氣溫偏高是限制馬鈴薯生長發育和產量形成的主要原因。具體來看，不適宜種植區主要分布在呂梁山以西地區、忻定盆地、太原盆地、太岳山以西地區、臨汾盆地、晉城大部以及運城盆地等地。當地宜選擇馬鈴薯早熟和中早熟品種，利用春、秋兩季的涼爽氣候條件合理調整播期；或者將馬鈴薯與玉米、棉花等作物間作、套種，實現“糧棉不少收，多收一季薯”。

2.3.3 馬鈴薯種植氣候區劃結果檢驗 為了檢驗本研究區劃結果是否合理，利用2014年山西省各縣(區)馬鈴薯總產進行初步檢驗(圖3b)。從驗證結果來看，圖3(a)、(b)兩張圖吻合度較高、本研究區劃結果能夠較客觀真實地反映山西省馬鈴薯的種植狀況。

3 討 論

1)本文通過相關分析和顯著性檢驗將結薯期平均最低氣溫、結薯期降水量、淀粉積累期平均最低氣溫作為影響馬鈴薯產量的關鍵氣候因子，與前人的研究結論基本一致。馬鈴薯是喜涼作物，當10 cm地溫穩定通過8℃，幼芽即可生長，發芽期對光照、水分需求較少。結薯期是營養生長與生殖生長并行的階段，也是馬鈴薯生長最旺盛的時期，對水分需求較多，當土壤含水量小于15%時塊莖停止生長，因而水分狀況是決定馬鈴薯是否高產的關鍵；同時氣溫對塊莖的大小也具有決定性作用，平均氣溫在18～21℃對塊莖的形成和增長最為有利，超過21℃塊莖生長受到抑制，超過25℃則基本停止生長[14]。孫芳[15]和姚玉壁等[16]也認為氣溫對馬鈴薯產量形成為負效應，尤其是塊莖增長期的產量形成對氣溫變化尤為敏感。高峰等[17]認為馬鈴薯塊莖增長期對水分需求達到最大，約占整個生育期需水量的50%，但結薯后期水分過多易導致塊莖腐爛。淀粉積累期馬鈴薯對水分需求總體較少，適當低溫和較大的晝夜溫差更利于馬鈴薯生長期的延長和淀粉的積累；溫度過高會導致塊莖生長緩慢或停止。朱赟赟等[14]研究結果表明，寧夏北部淀粉積累期的氣溫對馬鈴薯產量的影響為負效應，9月中旬氣溫每升高1℃，產量降低達61 kg·hm-2。

2)本文利用GIS技術將氣候要素插值為1 km×1 km的細網格并進行馬鈴薯種植氣候區劃，能夠直觀地反映不同地理位置和海拔高度下各氣候區劃因子的變化特征，比傳統氣候區劃更精細，區劃結果更趨合理，對今后推廣發展優質馬鈴薯及優化種植布局具有指導意義。但是，馬鈴薯種植不僅與氣候條件密切相關，也受土壤條件、土地利用狀況、經濟因素等因素影響，本研究的區劃結果只是針對于農業氣候，與實際稍有一定的差距，有待今后不斷修正與完善。

4 結 論

本研究利用山西省109個氣象站近30 a(1981-2010年)的逐日氣象數據，結合馬鈴薯傳統種植區7個代表性縣(區)多年的產量和發育期資料，確定結薯期平均最低氣溫、結薯期降水量、淀粉積累期平均最低氣溫為山西省馬鈴薯種植的氣候區劃指標。基于GIS技術將所有氣候要素插值為1 km×1 km的細網格，采用專家打分法按適宜、次適宜和不適宜3個等級制作了山西省馬鈴薯種植氣候區劃圖。其中，適宜和較適宜種植馬鈴薯的區域主要分布在雁北和東西山區(呂梁山、五臺山、太行山)的山坡丘陵地帶，面積分別占全省總面積的26.5%和31.4%；不適宜種植區域主要分布在山西省中部和南部地區，占全省總面積的42.1%，夏季氣溫偏高是限制該區域馬鈴薯生長發育和產量形成的主要原因。