宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度时空变化特征

李 阳，刘 静，马力文，赵金龙，张学艺

(1.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；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002)

引 言

马铃薯是宁夏回族自治区第一大农作物，也是生态移民工程中增加贫困地区农民收入的战略性主导产业，宁夏中南部山区土壤疏松、土层深厚、气候凉爽、昼夜温差大，为喜凉喜光、耐寒耐旱的马铃薯生长提供了很好的环境。马铃薯的产量和品质除受品种影响外，还受环境条件的影响，特别是气象条件的影响。随着农业生产力水平的提高，在品种和管理水平相对稳定的情况下，光照、温度、水分等气象条件成为影响马铃薯产量的主要因素。因此，研究马铃薯的气候适宜性，不仅有助于加强对优势产区马铃薯的监测，也可为调整种植业布局提供参考。

利用模糊数学理论，通过隶属函数构建适宜度模型对作物的适宜度进行分析，为农业气候的定量分析和分类评价提供了新方法[1-2]。考虑到有关适宜度的研究大多数是基于旬或者月时间尺度的一个平均态，而作物生长是连续的动态过程，因此有研究提出了日尺度气候适宜度模型[3]，并构建了东北地区春玉米气候适宜度模型，客观反映了生长阶段及生长作物与气候条件的关系。目前，有关农作物适宜度的研究多集中在小麦[4-7]、水稻[8-12]、玉米[13-17]等大宗作物，研究方向主要集中在农作物气候适宜度函数的构建、不同尺度农业气候资源评价、作物生育期预报等方面。

与大宗作物相比，马铃薯气候适宜度研究[18-23]相对薄弱，已有研究多侧重于利用气候适宜度模型对甘肃省定西地区[20]、内蒙古地区[19,21]马铃薯的气候适宜性年际变化和空间分布特征进行分析。涉及宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度的研究较少，目前仅开展了宁夏西吉县[22]、海原县[23]的马铃薯气候适宜度评价和区划工作，研究的空间尺度只针对单个县域。中南部山区作为宁夏马铃薯主产区，研究其气候适宜度的时空变化规律有重要意义。本文在ArcGIS技术支持下，利用1981—2018年逐日气象数据，以马铃薯气候适宜度模型为基础，分析气候适宜度的时空分布特征，以期为合理利用气候资源、指导农业生产提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

宁夏中南部山区居西北内陆高原，地势南高北低，海拔由南到北逐渐由2928 m降至1250 m。从地貌类型看，南部以流水侵蚀的黄土地貌为主，北部以干旱剥蚀、风蚀地貌为主，土壤类型以黑垆土、灰钙土、黄绵土及山地土为主。该区域属典型的大陆性半湿润半干旱气候，雨季多集中在6—9月，年平均降水量289.6～492.2 mm，年平均气温6.1～8.3 ℃，年平均日照时数2518.2～2724.3 h，具有冬寒长，夏季短，气候干燥等特点。

1.2 研究资料

所用资料包括：宁夏中南部山区固原、海原、泾源、隆德、同心、韦州、西吉、兴仁、盐池、彭阳10个国家基本气象站1981—2018年5月上旬至10月上旬逐日气象资料，包括日平均气温、最低气温、最高气温、日降水量、日照时数等气象要素；宁夏全境行政矢量边界(1:10000)、DEM高程(1:50000)等基础地理信息数据，通过GIS中的掩膜法将宁夏中南部山区马铃薯种植区从全区地理信息数据中提取出来，作为区划的基础资料；1981—2018年中南部山区各县(区)马铃薯产量资料来自于宁夏回族自治区统计局统计年鉴。

1.3 研究方法

1.3.1 温度适宜度

根据马树庆[24]的研究，温度适宜度计算公式如下：

(1)

式中：PT为温度适宜度；t1、t2、t0(℃)为三基点温度，分别是下限温度、上限温度、最适温度；t(℃)为某日的实际气温。马铃薯不同生育阶段三基点温度主要参考杨霏云等[25]定义，并结合宁夏中南部山区多年马铃薯农业气象业务服务中总结的生长发育指标综合确定，其值见表1。

表1 马铃薯不同生育阶段三基点温度指标Tab.1 Three fundamental points of temperature at different growth stages of potato 单位：℃

1.3.2 水分适宜度

以宁夏各地马铃薯正常生长的需水量作为马铃薯水分需求的适宜标准，在赵峰等[26]的研究基础上，结合宁夏中南部山区土层深厚和土壤水分渗透性特点，参考中南部山区马铃薯观测报表，引入降水量(灌溉量)剩余量概念，同时参考柳芳等[27]、刘可群等[28]的研究确定马铃薯降水消减系数，确定分阶段的宁夏中南部马铃薯水分适宜度的计算公式。

第一阶段，5月1日至8月10日：

(2)

第二阶段，8月11日至10月10日：

(3)

式中：PW为水分适宜度，当PW≥1时，取值为1；Ri(mm)为某日降水量(灌溉量)的剩余量；ri(mm)为某日降水量与灌溉量的和；ETc(mm)为某日需水量；K0为某日降水的消减系数，表征土壤中蓄积降水的蒸发损耗。Ri、K0、ETc的计算公式如下：

(4)

式中：Ri-1(mm)为前一日降水量(灌溉量)的剩余量。

(5)

式中：T(℃)为前一日的平均气温，当T<0 ℃时，取值0 ℃；B为参数，取值1；i为日数。

ETc=Kc×ET0

(6)

式中：Kc为作物系数，由联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization，FAO)提供(表2)。ET0(mm)为参考作物蒸散量，本文采用联合国粮农组织推荐的Penman-monteith模型作为ET0计算的标准方法[29]。

表2 联合国粮农组织推荐的马铃薯作物系数表Tab.2 Table of potato crop coefficients recommended by the FAO

分枝期—开花期Kc计算：

Kc=0.3+0.0425×i分

(7)

式中：Kc为分枝期—开花期某日作物系数，i分为从分枝期次日开始的日序。

开花后第51天至收获期Kc计算：

Kc=1.15-0.01×i花

(8)

式中：Kc为开花后第51天至收获期某日的作物系数，i花为开花后第51天的次日开始的日序。

1.3.3 日照适宜度

马铃薯为喜光作物，在生长过程中光照充足有利于马铃薯积累有机物。以实际日照时数达到可照时数的70%为临界点，当实际日照时数在临界点以上，作物对光照的反应达到适宜状态。参照前人研究[20,24,30]，马铃薯日照适宜度计算公式如下：

(9)

式中：PS为日照适宜度；s(h)为实际日照时数；s0(h)为可照时数。

1.3.4 综合适宜度

将温度、水分、日照适宜度进行加权平均，得到宁夏中南部山区马铃薯综合适宜度公式：

P=PT×rT+PW×rW+PS×rS

(10)

式中：rT、rW、rS分别表示温度适宜度、水分适宜度、日照适宜度的权重系数。

利用1981—2018年逐年温度、水分、日照适宜度与马铃薯单产进行相关分析，得到不同气象因子与单产的相关系数RT、RW、RS分别为 0.383、0.454、0.017，再参考公式(11)计算出对应的权重系数，分别为0.447、0.532、0.020，最终确定温度适宜度、水分适宜度、日照适宜度权重系数的取值，分别为0.40、0.50、0.10。

(11)

式中：rj为某一适宜度的权重系数，Rj为某一适宜度与单产的相关系数。

参考王春玲等[20]、段居琦等[31]评估可能性的分级标准，结合宁夏马铃薯实际情况，PT、PW、PS、P统一采用如下分级标准：≥0.70为最适宜，0.60～0.70为适宜，0.40～0.60为较适宜，<0.40为不适宜。

采用线性倾向估计法和变异系数(Cv)分析气候适宜度的年际变化趋势和稳定性[32]。

2 结果分析

2.1 马铃薯全生育期气候适宜度年际变化

图1为1981—2018年宁夏中南部山区马铃薯全生育期各项适宜度的年际变化和10 a平均值的变化，各适宜度的气候倾向率、标准差和变异系数见表3。可以看出，马铃薯全生育期温度适宜度为0.68～0.77，日照适宜度为0.65～0.88，水分适宜度为0.51～0.76，综合适宜度为0.63～0.76，近38 a各气候适宜度年际间波动明显，变化规律不明显，决定系数R2均未通过显著性检验，但整体均呈弱降低趋势，且降低速率不同，日照适宜度降低速率最快，温度适宜度最慢。从1981年起以10 a为周期分析各适宜度平均值的变化规律，1980年代马铃薯温度适宜度最高，此后呈缓慢下降趋势，但仍然处在最适宜范围；日照适宜度1990年代最高，呈先增加后持续降低趋势，且也处在最适宜范围；水分适宜度呈先持续降低后明显增加趋势，1990年代至2000年代初是水分适宜度的低值期；综合适宜度呈先降低再升高趋势，目前所处时段属于居中水平。

从图1可以发现各适宜度年际间差异较大，标准差能反映适宜度的变化程度，但不能很好地反映适宜度的相对变化程度，因此，用变异系数表征适宜度的稳定性更有代表性。各气候适宜度年际变异系数为3.08%～9.20%，水分适宜度稳定性最差，温度适宜度稳定性最好。综合来看，宁夏中南部山区生育期内光热资源一般都在最适宜范围，满足马铃薯生长发育所需。水分是马铃薯生长发育的主要限制因子，年际间波动性大，有超过1/3的年份在适宜指标以下。

图1 1981—2018年宁夏中南部山区马铃薯全生育期各气候适宜度年际变化Fig.1 The annual variation of each climate suitability during the whole growth stage of potato in mountainous area of central and southern Ningxia from 1981 to 2018

表3 1981—2018年宁夏中南部山区马铃薯全生育期气候适宜度的气候倾向率、标准差和变异系数Tab.3 The climate trend rate, standard deviation and variation coefficient of climate suitability during the whole growth stage of potato in mountainous area of central and southern Ningxia from 1981 to 2018

2.2 马铃薯不同生育阶段气候适宜度

依据宁夏马铃薯多年发育期观测资料，将5月上旬至6月中旬作为苗期，6月下旬至7月上旬作为分枝期—开花期，7月中旬至10月上旬作为开花期—收获期，分别计算不同生育阶段的气候适宜度平均值及变异系数(表4)。可以看出，各生育阶段日照适宜度和温度适宜度都较高，适宜度基本在0.70以上；水分适宜度在各生育阶段均最低且变异系数最大，表明水分条件是该地区马铃薯生长发育的主要限制因素。

表4 1981—2018年宁夏中南部山区马铃薯各生育阶段气候适宜度及变异系数Tab.4 The climatic suitability and variation coefficient in different growth stages of potato in mountainous area of central and southern Ningxia from 1981 to 2018

从各生育阶段看，马铃薯温度适宜度苗期、分枝期—开花期为最适宜，开花期—收获期为适宜。温度适宜度在开花期—收获期最低，且变异系数最大，说明该时期气温多变，对马铃薯生长影响较大，是影响马铃薯产量的重要时期。日照适宜度总体稳定，各生育阶段均为最适宜，其中分枝期—开花期适宜度变异系数最大，日照条件最不稳定。水分适宜度苗期、分枝期—开花期均为较适宜，开花期—收获期为适宜，苗期适宜度最低且变异系数较大，主要由于宁夏中南部为旱作农业区，无灌溉条件，5月上旬至6月中旬自然降水不能满足马铃薯所需水量，是水分供需矛盾较突出的时期；分枝期—开花期变异系数最大，水分条件最不稳定；开花期—收获期水分适宜度最大且变异系数小，该时段与雨季重合，自然降水基本满足马铃薯生长发育所需水分。综合适宜度在各生育阶段均为适宜且较为稳定，但不同生育阶段适宜度变异系数不同，其中分枝期—开花期变异系数最大，说明综合马铃薯生长发育所需光照、温度、水分要素来看，分枝期—开花期是气候条件影响马铃薯生长发育最不稳定的时期。

2.3 马铃薯气候适宜度空间变化

图2为1981—2018年宁夏中南部山区马铃薯全生育期气候适宜度的空间分布。可以看出，马铃薯日照适宜度从南向北呈递增趋势，其他适宜度变化趋势与之相反。结合光照、温度、水分条件来看，综合适宜度的最适宜区在西吉县、海原县和原州区大部、彭阳县西部、隆德县和泾源县境内除海拔较高的六盘山山脊外的大部地区，这些地区气候条件适宜，满足马铃薯生长所需；适宜区在彭阳县东部、同心县大部，这些地区气候条件基本满足马铃薯生长所需；较适宜区在盐池县南部，该区域水热条件对马铃薯生长发育有一定限制作用；盐池县北部和六盘山山脊一带为不适宜区域。

图2 1981—2018年宁夏中南部山区马铃薯全生育期气候适宜度的空间分布Fig.2 Spatial distribution of climate suitability during the whole growth stage of potato in mountainous area of central and southern Ningxia from 1981 to 2018

表5列出马铃薯不同等级气候适宜度的面积及所占比例。可以看出，近38 a宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度基本上处于较高水平，其中，温度、日照、水分和综合适宜度不适宜面积分别占中南部山区总面积的6.8%、6.9%、3.4%、15.6%，而适宜以上的面积分别占70.1%、67.9%、73.7%、72.9%，表明宁夏中南部山区大部都具有适宜生产马铃薯的独特气候优势。

表5 1981—2018年宁夏中南部山区马铃薯不同等级气候适宜度面积及其比例Tab.5 The area and proportions of climate suitability of different grades of potato in mountainous area of central and southern Ningxia from 1981 to 2018

2.4 马铃薯适宜度区域特征及对策

固原市大部和中卫市海原县大部是马铃薯综合适宜度的高值区，该区域气温适宜，降水充沛，日照偏少，属冷凉气候，热量、水分条件十分适宜马铃薯生长，仅日照条件欠佳，但因日照与产量相关性不大，对马铃薯产量影响不大。该区域适合大力发展马铃薯产业，但需要注意马铃薯生长发育后期晚疫病的监测防治。

同心县大部、彭阳县东部、盐池县南部的马铃薯气候资源略差，主要是因为该区域温度偏高，降水偏少，水分是限制该区域马铃薯生长发育的关键因子。建议该区域马铃薯稀植或采用渗水地膜技术，提高土壤水分含量，保障马铃薯水分需求。

盐池北部地区不适宜种植马铃薯，该区域温度偏高，日照充足，水分资源匮乏，马铃薯性喜冷凉，不耐高温，关键生育期需水量大，因此不能满足马铃薯生长的热量和水分需求；另外六盘山山脊一带，该区域海拔高，温度偏低，日照偏少，降水偏多，热量条件不足导致马铃薯难以成熟。建议该区域改种其他作物。

3 结论与讨论

(1)近38 a宁夏中南部山区马铃薯全生育期各气候适宜度年际间波动明显，但整体呈较弱降低趋势。总体上，马铃薯生长发育所需的热量和光照资源充足，水分条件较差且年际间变化幅度最大，对马铃薯生长的影响最不稳定。

(2)从各生育阶段看，苗期、分枝期—开花期、开花期—收获期日照适宜度和温度适宜度都较高，光热资源充足，水分在各生育阶段均最低且变异系数最大，表明水分是马铃薯各生育阶段的主要限制因子。综合光照、温度、水分条件来看，分枝期—开花期是气候条件影响马铃薯生长发育最不稳定的时期。

(3)从空间变化规律看，全生育期内日照适宜度呈现从北向南递减趋势，其他适宜度整体上从北向南递增，温度、日照、水分、综合适宜度适宜以上的面积分别占70.1%、67.9%、73.7%、72.9%，最适宜区在西吉县、海原县和原州区大部、彭阳县西部、隆德县和泾源县境内除海拔较高的六盘山山脊外的大部地区。

宁夏中南部山区是宁夏回族自治区马铃薯主产区，从南到北地貌及气候条件复杂多样，本文应用适宜度隶属函数对宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度进行模拟，在计算降水适宜度时跟以往研究有所不同，前人多以降水量与作物需水量比值来表示降水适宜度[3,6,10,13-14]，本文通过引入降水量(灌溉量)剩余量[22]的概念，将降水适宜度的概念扩展为水分适宜度，确定了分阶段的宁夏中南部山区马铃薯水分适宜度的计算公式，模拟效果更符合实际也更为准确。在计算综合适宜度时利用加权平均法计算，权重系数由相关系数法获得，相较几何平均法对各气象要素单因子适宜度进行简单地几何平均[3,6,13,17]，加权平均法的优势在于考虑了各气象要素单因子适宜度对产量的影响，在计算综合适宜度时更为合理，加权系数的确定方法也各有不同，包括通径分析法[9]、相关系数法[5,10,14,26]等，其中以相关系数法确定权重系数居多。在分析宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度的年际变化趋势时，利用逐年温度、水分、日照适宜度与马铃薯单产进行相关分析，发现水分和温度与单产相关性大，光照贡献率最低，而温度适宜度多年均在最适宜范围，因此水分是限制当地马铃薯生长的主要因子，这与杨丽桃等[19]发现内蒙古武川县降水适宜度变化幅度最大，导致水分是影响该地区的主要胁迫因子的研究结果一致，与王春玲[18]、金林雪等[21]对西北地区和内蒙古地区马铃薯气候适宜度年际变化规律进行研究时发现研究区域光热条件好于水分条件，且气候适宜度总体呈下降趋势的研究结果也一致，但与王春玲等[20]对甘肃省定西地区气候适宜度呈上升趋势的结果不一致，这可能与研究区域的气候差异性和马铃薯品种特性有关。在气候条件影响马铃薯发育期方面研究相对较少，本文发现分枝期—开花期是气候条件影响宁夏马铃薯生长发育最不稳定的时期，这主要是由于分枝期—开花期水分适宜度变异系数最大，这与金林雪等[21]研究发现气候变化对内蒙古马铃薯开花期—成熟期影响最大的研究结果不一致。综合光照、温度、水分条件进行空间区划，宁夏中南部山区适宜马铃薯生长的面积接近总研究面积的73%，与王春玲[18]、马力文等[23]对西北地区和海原县马铃薯气候适应性区划的结果也基本一致。

本研究存在一定的局限性，首先，未考虑到马铃薯品种差异、农业气象灾害等因素对马铃薯生长的影响，仅从气象角度进行适应性评价；其次，将宁夏中南部山区作为一个整体得到气候适宜度的总体变化趋势，并未给出分县域的气候适宜度变化规律以及气象因子影响排序，未来还需要进一步研究中南部山区各县域影响不同品种马铃薯产量的关键气象因子，为马铃薯产业调整种植布局，选择更优品种提供更为准确的理论指导。