宁夏中宁县枸杞精细化气候区划

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（1.南京信息工程大学 大气科学学院，江苏 南京 210044；2.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002）

宁夏枸杞Lycium barbarum对生长环境的要求不高[1-3]，但为了保证其纯正的品质，应种植在气候干旱且有水源灌溉的地区[4]。如，宁杞1号曾被作为宁夏枸杞当家品种栽培近30年[5]，曾是全国栽培面积最大的枸杞品种，最远被引种到福建、云南等地，因为我国南方降水量较多、阴雨天气多等因素，品质表现参差不齐[6]。然而，目前宁夏地区的枸杞适宜区划研究相对较粗，精细化程度不够，采用的区划指标大多以增产为目的，涉及品质的不多，未考虑小尺度局地地形因素，缺少县域枸杞适宜种植的农业气候区划。20 世纪80年代中期，董永祥等[7]根据≥5 ℃积温、年平均气温和≥15 ℃积温划分了宁夏大麻叶枸杞的适宜种植区。苏占胜等[8]根据枸杞产量资料，开展了枸杞产量区划。刘静等[9]研究了枸杞产量与气象条件的关系，得到了宁夏枸杞产量、品质的农业气象指标。刘静等[10]和马力文等[11]利用改进的小气候细网格推算方法，推算了宁夏稳定通过0 ℃期间的光热资源，从产量和品质2 个方面进行了区划。有些研究中所引用的区划因子属于同质化因子，信息重叠，既增加了区划结果的不确定性，又难以全面反映出局地气候对作物区域分布的客观影响，且个别区划指标所需资料获取难度较大，对实际应用造成困难[12-14]。随着地面自动气象观测站网密度的增加，各种准确度高、时间和空间分辨率强的气象信息可被更快捷地获取，使得反映县域小尺度气候要素分布场的精细化枸杞适宜气候区划成为可能。宁夏中宁是名贵中药材枸杞的原产地，该地区已有600 余年的枸杞栽培史[15]。本研究中利用中宁县域及其周边的19个自动气象站点2008—2018年的气温、降水、日照时数等资料，对中宁县枸杞的气候适宜性进行了精细化区划，旨在为确保枸杞优质高效生产的气候条件，优化种植结构提供参考。

1 研究方法

1.1 研究地概况

中宁县位于宁夏回族自治区中部（105°26′—106°7′E，37°09′—37°50′N），东西宽约50 km，南北长约60 km，总面积4 226.5 km2，海拔1 155 ～2 175 m。年平均气温为8.3 ～11.0 ℃，年平均最低气温为-4.8 ～-1.6 ℃，年平均最高气温为23.6 ～26.9 ℃，年日照时数为2 855.0 ～3 219.7 h，年平均降水量为78.5 ～335.0 mm，其中，7—9月的降水量为26.5 ～204.2 mm，占全年降水量的18%～85%。

1.2 气象观测资料的选取与ArcGIS 定标

气象观测资料取自布设在中宁县及其周边的19 个自动气象观测站（表1）。包括2008—2018年期间气温（日平均值、最高值和最低值）、降水量和日照时数，计算所考查年份的平均值。利用ArcGIS 软件从宁夏的地理信息数据（分辨率250 m×250 m）中分别裁切出中宁县经度、纬度及DEM 栅格数据，从宁夏全境行政边界矢量数据中提取中宁县乡镇边界的数据。

表1 中宁县及其周边自动气象站点的基本信息Table1 Basic information of meteorological station in Zhongning county and its surrounding areas

1.3 气候保证率界限值（≥80%）的计算

为了规避气候风险，计算各气象要素保证率（≥80%）的界限值，以提升区划的指示意义。保证率的计算方法如下[16]。

某一时间序列的气象要素的组数（N）用经验公式N=5 lgn来确定，N应满足2.5 lgn＜N≤5 lgn，n为样本总数，N为组数，本研究中n为10，N取值为5。按照下式确定组距（D）。

D=(Amax-Bmin)/N。

式中：Amax和Bmin分别为序列中的最大值和最小值。

参考组距D值，确定各组的上下限，将序列气象要素值分为组距大致相等且组界彼此衔接的N组数据。统计纳入各组内的气象要素的样本数（m），计算各组的频率，即各组样本数占总样本数的百分比。

从该气象要素值最小组的频率开始累加，至频率累加值超过80%，得到气候保证率（≥80%）的界限值。

1.4 区划因子与区划指标的确定

开展枸杞种植的气候适宜性区划，首先要建立能反映产量和品质水平的客观分区气候指标。根据枸杞产量与气象因子关系的研究报道，枸杞全生育期≥10 ℃积温为3 200 ～3 700 ℃·d 时，产果能达到正常的采果批次（8 ～10 批）甚至更多，可获得较高的产量；低于3 200 ℃·d 时，产量下降[11]。枸杞为无限花序，一年中主要采果时段集中在7—9月，与宁夏的降水高峰期吻合。灌溉条件下7—9月降水量小于100 mm 时，因大气干旱，枸杞药用品质差[17]；当降水量达到170 mm 或以上时，果实吸水后出现裂果，给炭疽菌的入侵提供了条件，坏果率较高。本研究中根据枸杞产量与品质的关系，构建了降水-日照系数（R/S）来表征枸杞品质，其表达式如下。

R/S=R×100/S。

式中：R为累计降水量，S为累计日照时数。

各气候区划指标见表2。“≥10 ℃积温”是表征枸杞产量的指标，积温高可以满足夏秋果生产的要求，产量有保证；积温较低往往难以满足全生育期的热量需求，秋果难以正常成熟，限制了产量。“7—9月降水量”既表征了产量水平，又表征了品质。当7—9月降水量为100 ～130 mm时，产量较高，品质较好；7—9月降水量大于165 mm 时，因阴雨寡照天气多，枸杞产量低、品质差，特别是秋果生长期的条件不好，影响全年产量和品质；7—9月降水量少于100 mm，说明大气持续干旱，易造成叶片早衰，夏果期提早结束，影响产量和秋果生产。6—7月是枸杞老眼枝和夏果成熟采摘的关键时期，决定了全年70%以上的产量，也是衡量枸杞品质和确定其售价的关键时段。6—7月降水-日照系数为10 ～19 mm/h时，枸杞含糖量高，品质好，黑果少；6—7月降水-日照系数大于22 mm/h 时，枸杞坏果率增加，对形成高产、优质枸杞不利；反之，6—7月降水-日照系数小于10 mm/h，说明高温晴热天气频繁，枸杞受精不良，结果率降低，且果实变小。

表2 枸杞气候区划指标Table2 Climate regionalization indicators of L.barbarum

1.5 气候因子网格的推算

为获取中宁县枸杞精细化适宜气候区划，将站点气象资料推算为250 m×250 m 的面上数据，推算方法如下[18]。

Y=f(λ,φ,h)+ε式中：Y为气候因子（≥10 ℃积温、7—9月降水量、6—7月降水-日照系数）；λ、φ、h分别代表经度、纬度、海拔；ε为残差，主要是消除小地形影响，中宁县总面积仅4 226.5 km2，此项可忽略不计。中宁县枸杞主要区划指标因子的推算模型见表3。

表3 中宁县枸杞主要区划指标因子的推算模型Table3 Calculation model of main regionalization index factorsof L.barbarum in Zhongning county

1.6 区划方法

采用集优法，以影响枸杞产量和品质的3 个关键气象因子分级集合的交集确定不同等级的适宜区，即认为各气象因子对区划同等重要，无主次之分。利用GIS 技术对推算后的各气象因子，按照表2中的阈值分别赋值“0”“1”“2”，代表不适宜、次适宜和适宜3 个等级，进行分区。将各气象因子的区划结果累乘叠加，进行中宁县枸杞气候适宜性区划。

分区判别原则：在某一区域内，3 项气象因子指标均为2 级，累乘结果为8，即可划分为极适宜区；某一区域符合2 项气象因子指标为2 级，1 项为1 级，累乘结果为4，则该区域划分为适宜区；有2 或3 项气象因子指标为1 级的，累乘结果为1 或2，划分为次适宜区；有任何一项气象因子指标为0 级的，累乘结果为0，划分为不适宜区。

2 结果与分析

2.1 中宁县枸杞区划关键气象因子分布

2.1.1 ≥10 ℃积温的分布

利用GIS 空间计算中的地图代数-栅格计算器功能，将中宁县经度、纬度和海拔作为基本图层，按照表3中的推算模型进行栅格图层计算，得到各关键气象因子及其在80%保证率下的空间分布。从中宁县≥10 ℃积温分布可以看出（图1A），中宁县大部分地区≥10 ℃积温均在2 600 ℃·d 以上，且从南到北呈现递增趋势，这与中宁县南高北低的地势有关。中宁县北半区黄河两岸平坦的灌溉区域是传统枸杞产区，≥10 ℃积温为3 400 ～3 600 ℃·d。此外，中宁县北半区的余丁乡和石空镇的北部靠近沙漠地区，黄河南岸的白马乡、鸣沙镇、恩和镇的中东部地区，新堡镇中部，以及中宁县南半区的喊叫水乡东部的小范围地区≥10 ℃积温为3 200 ～3 400 ℃·d，热量资源均可以满足枸杞生长。北半区的新堡镇东南部、南半区的喊叫水乡中东部小片地区，积温为2 600 ～3 200 ℃·d，是枸杞生长的热量次适宜区。中宁南北半区接壤的中部地区和南半区零星地块≥10 ℃积温不足2 600 ℃·d，不适宜种植枸杞。在80%保证率下，热量条件依然较好，3 200 ℃·d以上的地区范围缩小并不多（图1B）。

2.1.2 7—9月降水量的分布

中宁县是引黄灌溉农业区，从7—9月降水量分布可看出（图2A），中宁县自然降水极少，在农作物最需水的6—9月，全县境内7—9月降水累计不超过250 mm，从南到北随着地势的降低7—9月降水量呈递减趋势。中宁县北半区的余丁乡最北部靠近沙漠边缘地区，余丁乡最南端靠近黄河的山地，7—9月累计降水量少于80 mm，不适宜枸杞生长。北半区的余丁乡、舟塔乡、宁安镇、石空镇、渠口农场的大部地区，降水量在100 ～120 mm。北半区的长山头农场大部分地区，新堡镇东北部，以及恩和镇、鸣沙镇和白马乡3个乡镇的东北部，7—9月降水量在120 ～140 mm，均适宜枸杞生长。此外，北半区的新堡镇东南部和南半区的喊叫水乡中东部大部地区，7—9月降水量为140 ～160 mm，是枸杞生长的次适宜区。南半区的徐套乡南部和喊叫水乡西南部，7—9月降水量一般大于170 mm，该区域易出现枸杞黑果病的危害。在80%保证率下，7—9月降水量的不适宜区明显扩大（图2B）。

2.1.3 6—7月降水-日照系数的分布

枸杞前3 茬果实品质最好，其价格是秋果的数倍，6—7月正是枸杞前3 茬果成熟和品质形成的关键时期。中宁县6—7月降水-日照系数呈南高北低分布（图3A），北半区沿黄河两岸的传统灌溉区降水-日照系数为12 ～19 mm/h。北半区的余丁乡和石空镇北缘靠近山地地区的降水-日照系数较小，干热风严重；北半区的新堡镇南部和南半区的喊叫水乡西部的香山边缘、徐套乡南部等地的降水-日照系数在22 mm/h 以上，不适宜种植枸杞。在80%保证率下，适宜区范围明显减小（图3B）。

图1 中宁县枸杞区划关键气象因子（≥10 ℃积温）的分布Fig.1 Distribution of key meteorological factors (≥10 ℃ accumulated temperature) in the division of L.barbarum in Zhongning county

图2 中宁县枸杞区划关键气象因子（7—9月降水量）的分布Fig.2 Distribution of key meteorological factors (precipitation from July to September) in the division of L.barbarum in Zhongning county

2.2 中宁县枸杞气候区划

根据上述分析，依据3 个对产量和品质影响较大的气象因子同等重要的原则，对中宁县枸杞进行了气候区划，将中宁县按照种植枸杞的气候适宜性分成极适宜区、适宜区、次适宜和不适宜区4 个区（图4A）。中宁县枸杞的极适宜种植区分布在3 个地区。分别为北半区的舟塔乡、宁安镇、渠口农场、白马乡、鸣沙镇、恩和镇、大战场乡、长山头农场这8 个乡镇的全境；余丁乡和石空镇除北部沙漠边缘的大部分地区，除新堡镇东部烟筒山、马家尖山和磨盘山等小丘陵外的大部分地区；中宁县南半区的喊叫水乡东部的石子沟小范围地区。这些地区热量条件较好，≥10 ℃积温在3 200 ℃·d 以上，枸杞果实成熟期降水量小于140 mm 且大于100 mm，6—7月降水-日照系数在12 ～19 mm/h，枸杞果实产量高、品质优。

图3 中宁县枸杞区划关键气象因子（6—7月降水-日照系数）的分布Fig.3 Distribution of key meteorological factors(precipitation - sunshine hours ratio from June to July) in the division of L.barbarum in Zhongning county

图4 中宁县枸杞精细化适宜气候区划Fig.4 Grid climate division of L.barbarum in Zhongning

中宁县枸杞的适宜种植区包括北半区的余丁乡、石空镇的北部（属引黄灌区的边缘），新堡镇东部丘陵地区，喊叫水乡东部腹地较为平坦的台地。这些地区热量条件较好，≥10 ℃积温为2 800 ～3 200 ℃·d，7—9月降水量在175 mm 以内，且比极适宜种植区稍高，6—7月降水-日照系数为19 ～21 mm/h。由于3 项气候因子未达到最优配置，有些年份气象条件对枸杞产量或品质有一定影响。

中宁县枸杞的次适宜种植区包括新堡镇东部海拔较高的丘陵地带和喊叫水乡中部贯穿南北的一个狭长地带。这些地区光、温、水条件的匹配较差，不利气象条件出现的频率较极适宜种植区和适宜种植区多，是枸杞种植的次适宜区。

中宁县枸杞不适宜种植区分布在余丁乡北部、石空镇西北部沙漠，城镇或建筑等零星地区，南半区的喊叫水乡东部和徐套乡的南部靠近香山边缘。这些地区因热量条件较差或果实成熟期降水量过多，可能导致枸杞产量不稳、品质差，不适宜种植枸杞。

在考虑气候频率的情况下（80%气候保证率），极适宜种植区范围大幅度缩小，主要集中在舟塔乡和余丁乡的黄河两岸，适宜区主要分布在宁安镇、渠口农场、大战场乡，以及余丁乡、石空镇、白马乡、鸣沙镇、恩和乡新堡镇、长山头农场的大部分地区。不适宜种植区范围大幅度增加，分布在南半区的喊叫水乡、徐套乡以及北半区新堡镇的东部（图4B）。

3 结论与讨论

中宁县枸杞气候分区结果表明，枸杞极适宜种植区主要分布在北半区黄河两岸的灌溉平原，该地区海拔较低，地势平坦，热量充足，降水少，特别是降水-日照系数适中，因黄河灌溉之利，其独特的气候条件和地理位置非常合适枸杞生长。适宜区分布在极适宜区外围海拔较高的地区，范围不大，≥10 ℃积温、7—9月降水量、6—7月降水-日照系数3项关键气象因子未达到最优配置，大部分年份与极适宜区相同，但有些年份气象条件不如极适宜区。分区结果反映了各地气候的差异，气候条件差异能够较好地解释这种分布的差异。根据宁夏农业优势特色产业综合气象服务中心在中宁县不同区域的实地农情调查结果，各地枸杞的品质和产量与区划的结果相符。

在80%气候保证率下，极适宜区的范围大幅度缩小，特别是中宁县的南半部全部被划为不适宜区，这是在充分考虑了气候风险后的区划结果。各地可根据2 种区划结果对枸杞种植区进行调整，确保枸杞优质高效生产的气候条件。尽量把枸杞种植在黄河两岸的平原地区，该地区热量资源充足，产出批次多，产量高，而且产出的果实品质高。尽量避免在海拔较高的山地种植。

采用自动气象站资料，使气象资料面上推算尺度更小，精细化程度更高，反映的区划结果和位置更加详细，对指导县级种植业调整，确保枸杞优质高效生产的气候条件，趋利避害，具有一定的参考意义。本研究中通过参考宁夏气象部门主要的研究成果，选取区划气象因子，确定区划指标，同时构建了降水-日照系数来表征枸杞品质。本区划结果与马力文等[11]采用30年气候整编资料进行的宁夏全区枸杞适宜气候区划的结果基本一致，且精细化程度增加，但将中宁县两头海拔高的山地划分为不适宜区，与马力文等[11]将其划分为可种植区有一定出入。

中宁县自动气象站观测站数量较多，但能够提供累计10年以上观测数据的站点仅7 个，加上周边部分自动站，才共19 个站点，空间推算精度有限。本研究中采用的自动气象站资料的年份仅为10年，不能完全代表该地区多年的气候状况，待资料累计到一定年限后，可重新进行本区划工作，用以验证和改进本研究。此外，本研究中利用经度、纬度、海拔与气象因子建立线性回归关系来进行无资料地区的推算，方法单一且无创新，鉴于无资料地区的推算较为复杂，今后可以考虑利用多元资料同化技术，开展无资料地区推算，推算结果可望更加符合实际。