基于GIS的寧夏裸燕麥NLY17-05種植氣候適宜性精細化區劃

汪進欣 馬力文 南學軍 趙金龍

摘要：利用寧夏24個地面氣象臺站1981—2010年氣象觀測資料，采用GIS技術進行氣候適宜性精細化區劃。利用2017、2018年試驗數據篩選出具有高產性、穩產性的裸燕麥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。通過對產量與關鍵氣象因子的相關性分析，選取4個氣候適應性區劃指標：海拔、5—6月降水量、6—7月最高氣溫≥32 ℃日數、4—6月平均最高氣溫。研究結果表明，寧夏海原縣西南部、西吉縣、固原市原州區、隆德縣、彭陽縣、涇源縣為裸燕麥NLY17-05適宜種植區（最適宜區和適宜區），該地區海拔較高，裸燕麥生長發育需水關鍵期降水充足、灌漿期間氣溫適宜、高溫日數較少，可以滿足裸燕麥NLY17-05正常生長發育所需的氣候條件。

關鍵詞：裸燕麥;寧夏;氣候區劃;氣象因子;模型;GIS技術;相關性分析

中圖分類號： S162.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）08-0102-06

收稿日期：2020-07-19

基金項目：寧夏回族自治區一二三產業融合發展科技創新示范項目（編號：YES-16-08）。

作者簡介：汪進欣（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性研究。E-mail：1003253902@qq.com。

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

燕麥是禾本科燕麥屬（Avena）的1年生草本植物。栽培燕麥依據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。燕麥是一種糧草兼用型作物，耐寒、抗旱、喜陰涼，對土壤有很強的適應性，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。我國種植面積約 60萬hm2，其中裸燕麥種植面積約占92%[2]，產區主要分布在華北北部的冀、晉、蒙的高寒山區，西北的六盤山和云、貴、川等地。同時，裸燕麥具有較多的營養成分，尤其是籽粒中蛋白質、脂肪、亞油酸等含量較高，其在食用、醫療、飼用、美容等方面都有很高的利用價值。目前，對裸燕麥的研究主要集中在種質資源遺傳分析[3-5]、引種分析[6-7]、營養品質研究[8-9]及產業發展[10]等方面，關于裸燕麥產量與氣候條件的相關性、裸燕麥種植氣候區劃方面的研究較少。徐長林研究指出，不同燕麥品種在氣候和環境條件不同的情況下，其適應性不同[11]。周海濤研究表明，環境因素、品種差異以及氣候條件對裸燕麥的營養品質影響非常大[12]。Oste等研究指出，土壤、氣候等環境因素均直接或間接影響燕麥籽粒的整體品質[13]。因此，要實現寧夏不同氣候條件下裸燕麥的高產和穩產，必須篩選出適應寧夏氣候特點種植的主體品種，并且進行更加合理、精細的種植區劃，從而提高寧夏裸燕麥種植的經濟效益。

近年來，由于氣候變化、栽培技術的進步，傳統的農業種植區劃已經不能滿足新農業發展的要求。隨著數理統計方法和GIS技術的發展，越來越多的學者將其應用到農業氣候區劃中，對不同農作物進行更加精細的氣候區劃，取得了較好的成果。馬力文等利用GIS技術分別對寧夏枸杞、寧夏高酸蘋果、咸陽石榴、大英縣甜橙進行了氣候區劃[14-17]，該研究有很好的借鑒作用。

寧夏地處我國西北內陸，位于104°17′～107°39′E、35°14′～39°23′N，疆域輪廓南北長、東西短，面積6.64萬km2。寧夏屬典型的大陸性半濕潤半干旱地區，大部分地區四季分明，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，無霜期短而多變，熱量適中等特點。受地理條件的影響，寧夏從南向北降水、光照、氣溫等氣候條件存在明顯的過渡性、不均衡性和復雜性，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。2017—2018年，本研究在寧夏不同氣候條件下對5個裸燕麥品種進行多點試驗，鑒定其適應性、生產力，結合氣象資料，評價裸燕麥與其生長環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，真實反映其適應性的連續空間分布和具體適宜生長地點，為合理安排種植計劃、提高裸燕麥經濟效益提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料及試驗地概況

試驗裸燕麥品種共5個（表1），試驗地點為中衛市海原縣，吳忠市同心縣、鹽池縣，固原市原州區、西吉縣、彭陽縣共6個（表2）。

1.2 試驗設計

試驗共設30個處理，即6個地點，每個地點5個品種，每個品種3次重復，每個地點共15個小區，采用隨機區組設計，小區面積10 m2（寬2 m×長 5 m），重復間距100 cm，區組間距80 cm，播種行向與小區的長邊平行。觀察記錄物候期發育進程、農藝性狀、抗逆性、病蟲害情況、產量表現等。2017—2018年連續2年開展試驗。

1.3 數據資料及處理

本試驗所用的數據包括地理信息資料、氣象信息資料。數據處理采用SPSS 22.0和Excel 2013軟件進行數據統計分析。

地理信息資料采用1 ∶25萬寧夏全境地理信息數據，包括經緯度、數字高程模型（DEM）等基礎數據，通過GIS中的掩膜法將寧夏行政邊界、經度、緯度、高程等地理信息資料從全區地理信息資料中提取出來，作為區劃的基礎資料。

氣象資料采用6個試驗地點國家站或區域自動站2017、2018年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、20-20時累計降水量、平均相對濕度、最小相對濕度、2 min平均風速、日照時數等資料，并收集整理寧夏24個地面氣象臺站30年（1981—2010年）的氣候觀測資料。

1.4 產量與關鍵氣象因子相關性分析

研究根據裸燕麥生長發育對氣候的要求，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、最高氣溫≥32 ℃ 日數、最高氣溫≥33 ℃日數、最高氣溫≥35 ℃日數、降水量、日均降水量、有效降水量、有效降水日數、平均最低氣溫、平均最低氣溫<2 ℃日數、平均最低氣溫<0 ℃日數、日照時數、日均日照時數、平均溫度、平均濕度、風速共21個氣候指標，與2017、2018年6個試驗區裸燕麥的產量做相關性分析。選出相關關系顯著的氣候因子作為初步區劃指標。

1.5 氣候要素的小網格推算方法

為精確地反映寧夏氣象要素的分布特點，利用寧夏24個地面氣象臺站1981—2010年氣象觀測資料及對應的經度、緯度、高度建立區劃因子的多元回歸方法建立小網格推算模型，如式（1）所示。

Xi=f（i，k，h）+ε。（1）

式中：Xi為區劃指標;i、j、h分別為氣象臺站經度、緯度和海拔高度;ε為殘差項。

2 結果與分析

2.1 不同裸燕麥品種、地點的產量比較

2017—2018年裸燕麥NLY17-05在6個試驗地點均表現為產量較高（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作為本試驗區劃品種。裸燕麥 NLY17-05 品種在海原縣、同心縣、鹽池縣、原州區、西吉縣、彭陽縣6個試驗區2年平均產量分別為2 615.00、679.00、2 295.00、1 820.00、3 910.00、1 205.00 kg/hm2，其中西吉縣試驗區產量最高，海原縣次之。2018年海原縣、同心縣裸燕麥NLY17-02均發生黑穗病，發病率100%，故產量為0。

2.2 產量與關鍵氣象因子相關性分析

如表4所示，裸燕麥NLY17-05產量與平均最高氣溫、日最高氣溫≥32 ℃日數、降水量、海拔有顯著相關性。其中，播種—抽穗期平均最高氣溫與產量呈負相關關系，抽穗—開花期最高氣溫≥32 ℃日數與產量呈負相關關系，出苗—抽穗降水量與產量呈正相關關系，播種—出苗期海拔與產量呈正相關關系。

2.3 氣候適宜區劃指標

裸燕麥喜涼爽濕潤，忌高溫干燥，種子在1～2 ℃ 開始發芽，幼苗能耐短時間的低溫，當全生育期溫度在25 ℃以上時，其光合作用受阻。燕麥蒸騰系數高，在禾谷作物中僅次于水稻[18]，故干旱高溫對裸燕麥產量的影響極為顯著。裸燕麥一般播種在干旱和半干旱地區，在出苗后到拔節期比較耐旱，從拔節期以后需水量逐漸升高，抽穗期達到最高點，在抽穗期前10～15 d是燕麥需水臨界期，小穗數和穗粒數都與這個時期的水份供給情況密切相關[19-20]，故5—6月是裸燕麥需水關鍵期，這個時期的降水量是否充足對裸燕麥的產量形成至關重要。7月是裸燕麥灌漿期，該時段的高溫天氣會對燕麥帶來危害，導致減產。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，氣溫就相應降低0.5～0.6 ℃，光照相應增加4%～5%，紫外光輻射相應增加3%～4%[12]。同一緯度上，由于海拔高度升高，溫度、光照等條件都會發生明顯的變化，因此海拔高度的不同也直接影響燕麥的生長發育。

通過對2017—2018年裸燕麥NLY17-05產量與氣象要素的相關分析，以及結合前人的研究結果[12，18-20]，最終選取4個影響裸燕麥NLY17-05產量的關鍵氣象指標：5—6月降水量、6—7月最高氣溫 ≥32 ℃ 日數、4—6月平均最高氣溫、海拔，同時結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劃指標（表5）。

2.4 氣象要素小網格推算模型

利用公式（1）計算得到各區劃因子小網格推算模型表達式（表6），經F檢驗，各方程都通過0.05水平的顯著性檢驗，具有較高的可信度。

2.5 各區劃指標的空間分布

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

2.6 裸燕麥NLY17-05種植氣候區劃結果及分區評述

將以上4個區劃氣象因子按表6標準進行分級計算，將各區劃因子分為適宜、次適宜和不適宜3個區域。通過咨詢專家意見，為各氣候指標進行無量綱賦值，不適宜區、次適宜區、適宜區分別賦值0、1、2。制作出各氣候區劃因子的賦值分布圖，對各氣候區劃因子賦值分布圖進行空間疊乘，以綜合評分16分為最適宜區、4～8分為適宜區、1～2分為次適宜區、0為不適宜區進行區劃。為使區劃結果更加精確，去除了山川、草原、林區及其他作物田，且疊加了水體，將綜合區劃結果分為最適宜、適宜、次適宜、不適宜4級，寧夏裸燕麥NLY17-05種植區初步分成下列各區。

2.6.1 最適宜區 主要分布于寧夏西南部地區，為海原縣南部[樹臺、關莊、紅羊、曹洼、李俊、九彩等鄉（鎮）]、西吉縣、原州區西南部及東北部部分地區[彭堡、中河、張易、開城、寨科、炭山等鄉（鎮）]、隆德縣、涇源縣、彭陽縣西部（新集鄉）地區。這些地區為高海拔冷涼濕潤地區，常年5—6月總降水量在90 mm以上，6—7月最高氣溫≥32 ℃日數小于5d，4—6月平均最高氣溫在16～22 ℃之間，適宜裸燕麥NLY17-05正常生長發育。該區域是發展裸燕麥NLY17-05種植產業的主產區。

2.6.2 適宜區 主要分布在寧夏東南部地區，為原州區中部、彭陽縣大部地區。這類地區海拔≥1 500 m，6—7月最高氣溫≥32 ℃日數≥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生長發育需要。限制該區域裸燕麥NLY17-05優質生產的不利氣象條件主要是海拔較低、灌漿期間高溫日數較多，對裸燕麥生長發育有一定不利影響。

2.6.3 次適宜區 主要分布在中南部部分地區，為中寧縣南部部分地區、海原縣北部、同心縣部分地區、鹽池縣中部部分地區。這類地區海拔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5～10 d，4—6月平均最高氣溫 16～24 ℃，該區域裸燕麥NLY17-05基本可成熟。限制該區域裸燕麥NLY17-05優質生產的不利氣象條件主要是5—6月需水關鍵期降水量較少，6—7月灌漿期又遇持續高溫天氣，影響裸燕麥產量形成。

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

3 討論與結論

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、4—6月平均最高氣溫、海拔高度作為區劃指標，利用寧夏24個地面氣象臺站30年氣候資料，與經度、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的氣候適宜性精細化區劃。研究結果表明，寧夏海原縣西南部、西吉縣、原州區、隆德縣、彭陽縣、涇源縣為裸燕麥NLY17-05適宜種植區（除羅山、西華山、南華山、月亮山、六盤山），該地區海拔較高，裸燕麥生長發育需水關鍵期降水充足、灌漿期間氣溫適宜、高溫日數較少，可以滿足裸燕麥NLY17-05正常生長發育所需的氣候條件，建議大力發展裸燕麥NLY17-05種植。

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

由于本試驗選用的裸燕麥品種數量有限，以裸燕麥NLY17-05為主體品種作寧夏種植適宜性區劃，有一定的局限性。裸燕麥的生長受各種自然環境因子的共同影響，其中氣象條件起主導作用，本試驗只考慮了影響裸燕麥產量與主要氣象因素之間的關系，未考慮土壤類型、栽培技術、灌溉情況、農藝性狀、營養品質等，因此在擴大種植時應當因地制宜，引種前進行品種栽培試驗，提高裸燕麥的產量和品質。

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