西安市冬小麥氣候適宜性指標研究及精細化區(qū)劃

柴 芊,劉 璐

(陜西省農業(yè)遙感與經濟作物氣象服務中心，陜西 西安 710015)

引言

冬小麥是西安市主要細糧作物，境內一市六縣(區(qū))均有種植。西安冬小麥種植歷史悠久，近年來隨著先進農業(yè)技術的廣泛采用，冬小麥單產不斷提高，由20世紀80年代初3 675 kg·hm-2，增加到2018年的4 862 kg·hm-2。然而，隨著城市化進程的不斷加快和農業(yè)產業(yè)結構不斷調整，自然生態(tài)系統(tǒng)的退化加劇了環(huán)境的脆弱性，導致氣象災害發(fā)生頻率劇增，災情擴大。特別是干旱、暴雨等，影響面廣、經濟損失巨大，嚴重制約西安市農業(yè)產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在這種情況下，有必要及時開展區(qū)域冬小麥精細化氣候區(qū)劃，為政府部門開展農業(yè)產業(yè)結構調整，合理規(guī)劃冬小麥種植面積及區(qū)域提供科學決策依據，為農業(yè)技術部門和科技人員開展冬小麥育種、選種、改進農技措施等科研攻關提供科學的數據參考。

近些年，在小麥氣候適宜性區(qū)劃方面，國內外專家已取得不少研究成果[1～7]。但其區(qū)劃指標選取方面，多采用小麥生物學指標，或以生物學指標為基礎與產量進行統(tǒng)計分析，確定幾個重點指標作為區(qū)劃指標。筆者研究擬采用積分回歸方法，對小麥全生育期光溫水資源與氣候產量關系進行分析，即開展氣候因子對冬小麥產量的影響效應分析,從而尋找與小麥產量相關性最大的氣象條件作為區(qū)劃指標，增加區(qū)劃指標的客觀性。此外，筆者研究擬采用GIS技術對區(qū)劃數據進行處理，提高區(qū)劃的精細化程度，增加區(qū)劃結果的適用性。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來源于陜西省氣象局，包括西安市、長安區(qū)、臨潼區(qū)、周至縣、藍田縣、鄠邑區(qū)、高陵區(qū)等7個氣象站，以及西安市周邊14個縣(區(qū))1981-2018年38a的逐旬平均氣溫、逐旬降水量及逐旬日照時數資料。冬小麥產量資料來源于1981-2018年陜西省及西安市統(tǒng)計年鑒。數字高程模型(DEM)數據是從CGIAR - Consortium forSpatial information(CGIAR-CSI)——http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp 下載的1∶25萬比例尺數據。

1.2 分析方法

采用生物模型logistic 曲線模擬方法提取冬小麥氣候產量[8～9]，并利用積分回歸(Integral regression)方法[10～12]，提取影響冬小麥氣候產量的主要氣候因子，建立冬小麥氣候適宜性精細化區(qū)劃指標；在對已有氣象要素各類差值方法比較和西安市現(xiàn)有數據空間點分布狀況分析的基礎上，建立要素與經度、緯度、高程的擬合模型[13]，最后利用GIS技術，繪制西安市冬小麥氣候適宜性精細化綜合區(qū)劃圖[14～15]。

2 結果與分析

2.1 氣候因子對冬小麥產量的影響效應分析

2.1.1 西安市冬小麥氣候產量的動態(tài)變化 圖1為1981-2018年西安市冬小麥單產年變化曲線。如圖1可見，冬小麥單產基本呈線性增加趨勢，其中20世紀90年代的單產增長速率明顯高于其他年代，這主要與90年代冬小麥生產管理水平大幅度提高，且產業(yè)技術、規(guī)模和發(fā)展水平逐漸趨于穩(wěn)定有關。

圖1 西安市冬小麥1981-2018年單產年變化曲線

計算西安市冬小麥單產趨勢產量，其中西安市冬小麥單產的極值為5 010 kg·hm-2，擬合誤差為245.2 kg·hm-2。利用趨勢產量計算結果，得到氣候產量變化情況，如圖2所示，1981-2018年西安市冬小麥氣候產量波動較大。

圖2 西安市冬小麥1981-2018年氣候產量的動態(tài)變化曲線

2.1.2 氣候因子對不同生育期冬小麥氣候產量的影響 研究氣候因子本身在不斷變化情形下對目標變量的影響，可以采用由Fisher提出的積分回歸(Integral regression)方法[8～10]。積分回歸的基本原理是假設農作物氣候產量y的形成是整個生育期(t=0-τ)內由于氣象條件影響的結果，將影響氣候產量的因素如光照、溫度和降水等k個氣象要素作為自變量Xi，將冬小麥關鍵生育期分為n個時段，把某個時段、某個氣象要素值作為一個變量。則y對Xi的回歸方程可以寫成：

(1)

式中，c為常數項；ait為第t個時段第i個氣象要素的偏回歸系數；Xit為第t個時段第i個氣象要素值。

假如將ait、Xit均看成隨時間變化的函數，將作物整個生育期分成若干個無窮小的時段，則(1)式的多元回歸方程可用積分回歸形式表示：

(2)

式中，Xi(t)為t+Δt時刻的第i個氣象要素值；ai(t)是t+Δt時刻的第i個氣象要素每變化一個單位時對作物產量的影響效果，稱為偏回歸系數。ai(t)是時間t的函數，用正交多項式函數將其展開：

ai(t)=∑aijφij(t)

(3)

式中，φij(t)為時間的正交多項式，aij為回歸系數，正交多項式取5次項，j=0,1,2,3,4,5。將(3)式代入(2)式得：

(4)

(5)

由回歸方程可以看出，由于氣象要素的隨時間不同，每組ρij值也不會相同，當然y值就會不同。ai(t)就是第i個要素在t時段對作物氣候產量影響的重要程度，即敏感指數，代表某氣象要素每變化一個單位對最終產量的減少值或增加值。

分析結果如圖3所示，在冬小麥主要生育期內，西安市冬小麥對氣溫的敏感時段為3-4月和11月，對降水的敏感時段為3月中旬至4月下旬和10月下旬至11月下旬，對日照時數的敏感時段為4月下旬至5月下旬和11月至1月中旬。在這些時段內，對應氣象資源偏多或偏大，將有利于冬小麥產量的形成。例如3月下旬氣溫對產量的正效應達到最大，此時氣溫每偏高1℃，產量將增加19.5 kg·hm-2，11月中旬降水對產量的正效應達到最大，此時降水量每偏高1 mm，產量將增加4.7 kg·hm-2，5月下旬日照對產量的正效應達到最大，此時日照時數每偏高1 h，產量將增加12.1 kg·hm-2。

圖3 冬小麥氣溫、降水、日照時數積分回歸系數變化

2.2 冬小麥氣候適宜性精細化區(qū)劃指標的建立

在以上分析各地氣候因子對冬小麥產量的影響效應的基礎上，綜合冬小麥生物學特性等因素，選擇對各地小麥產量影響較大的氣候因子作為氣候適宜性精細化區(qū)劃指標。此外，利用陜西省農作物氣候適宜性精細化區(qū)劃技術規(guī)定，利用可區(qū)劃因子與產量相關關系，以產量達到高產水平的90%、80%和70%作為最適宜、較適宜和次適宜指標判定依據(見表1)。

表1 西安市冬小麥氣候適宜性精細化區(qū)劃指標

2.3 冬小麥氣候適宜性精細化區(qū)劃結果分析

基于區(qū)劃指標，利用GIS技術，對西安市以及周邊縣所有氣象站氣象要素進行空間化處理，得到西安市冬小麥氣候適宜性精細化綜合區(qū)劃圖，如圖4所示。

圖4 西安冬小麥氣候適宜性精細化區(qū)劃

(1)最適宜區(qū)。主要是西安市北部地區(qū)，包括西安市閻良區(qū)、高陵區(qū)、未央區(qū)，以及臨潼區(qū)、灞橋區(qū)、長安區(qū)、鄠邑區(qū)和周至縣北部，冬小麥種植面積約13萬hm2，約占西安市全市冬小麥種植面積的62%。這里地勢平坦，土地肥沃，冬小麥生育期平均氣溫8.9～9.8℃，冬前降水量38～44 mm，返青拔節(jié)育穗期降水量74～78 mm，抽穗灌漿期日照時數280～284h，氣候資源優(yōu)勢明顯，有利于冬小麥的穩(wěn)產和高產，是西安市冬小麥主要種植區(qū)。

(2)適宜區(qū)。主要是西安市東部及秦嶺北麓地區(qū)，包括臨潼區(qū)南部、藍田縣西北部及長安區(qū)、戶縣和周至縣的秦嶺北麓地區(qū)，冬小麥種植面積約7萬hm2，約占西安市全市冬小麥種植面積的33%。該區(qū)域冬小麥冬前降水量41～44 mm，返青拔節(jié)育穗期降水量63～69 mm、平均氣溫10.3～10.8℃，抽穗灌漿期日照時數242～268 h，降水資源略差于最適宜區(qū)，且地形相較最適宜區(qū)復雜，主要以平原和塬地地形組成，故灌溉條件略差于最適宜地區(qū)，尤其是東部地區(qū)，冬小麥需水主要靠自然降水供給，對冬小麥產量有所影響。

(3)次適宜區(qū)。主要是西安市南部接近秦嶺北麓部分山地地區(qū)，冬小麥種植面積約1萬hm2，約占西安市全市冬小麥種植面積的5%。該區(qū)域冬小麥冬前降水量36～40 mm，返青拔節(jié)育穗期降水量60～63 mm、平均氣溫10.3～10.4℃，抽穗灌漿期日照時數226～242 h，氣候資源相對較差，且這里冬季越冬期平均氣溫較低，秋淋時間長、強度大，易推遲小麥播種時間，使小麥苗期生長不壯，不利于冬小麥正常生長發(fā)育。

(4)不適宜區(qū)。主要是西安市南部秦嶺山區(qū)。由于秦嶺山脈地勢高、地形復雜、整地不細的地理條件，以及溫度較低的氣候因素，不利于冬小麥的正常生長，故這里不適宜種植冬小麥。

3 結論與討論

(1)農作物氣候適宜性區(qū)劃是地方政府合理規(guī)劃農作物種植結構以及制定氣象災害防災減災措施的重要決策依據，該工作的基礎即科學、客觀的區(qū)劃指標的確定與選擇。筆者研究通過開展氣候因子對西安市冬小麥產量的影響效應分析，確定了影響西安市冬小麥產量的關鍵氣象要素，并以此作為氣候適宜性區(qū)劃的指標，開展基于GIS技術的精細化區(qū)劃。此方法相較以往區(qū)劃指標，能夠更加客觀反應氣候條件對西安市冬小麥生產的影響，不僅體現(xiàn)了冬小麥氣候適應性區(qū)劃的科學性，同時突出了西安市冬小麥氣候適宜性指標的地區(qū)差異性。

(2)西安市秦嶺以北地區(qū)均為冬小麥氣候適宜區(qū)，其中閻良區(qū)、高陵區(qū)、未央區(qū)，以及臨潼區(qū)、灞橋區(qū)、長安區(qū)、戶縣和周至縣北部為最適宜區(qū)，適宜種植區(qū)面積約占西安市全市面積四分之三。

(3)根據該區(qū)劃結果，西安市政府在制定農業(yè)發(fā)展規(guī)劃時，可適當向長安、藍田、臨潼、高陵等區(qū)縣調整優(yōu)質糧食產業(yè)帶面積及種植區(qū)域，加大秦嶺北麓周至縣、戶縣及長安區(qū)獼猴桃、葡萄等經濟林果種植面積，以進一步合理規(guī)劃種植區(qū)，確保西安市農業(yè)生產規(guī)模化的成效，以及農民收入翻番的目標。