基于GIS的宁夏裸燕麦NLY17-05种植气候适宜性精细化区划

汪进欣 马力文 南学军 赵金龙

摘要：利用宁夏24个地面气象台站1981—2010年气象观测资料，采用GIS技术进行气候适宜性精细化区划。利用2017、2018年试验数据筛选出具有高产性、稳产性的裸燕麦NLY17-05品种，并以此作为宁夏不同气候条件下适宜种植的主体品种及研究品种。通过对产量与关键气象因子的相关性分析，选取4个气候适应性区划指標：海拔、5—6月降水量、6—7月最高气温≥32 ℃日数、4—6月平均最高气温。研究结果表明，宁夏海原县西南部、西吉县、固原市原州区、隆德县、彭阳县、泾源县为裸燕麦NLY17-05适宜种植区（最适宜区和适宜区），该地区海拔较高，裸燕麦生长发育需水关键期降水充足、灌浆期间气温适宜、高温日数较少，可以满足裸燕麦NLY17-05正常生长发育所需的气候条件。

关键词：裸燕麦;宁夏;气候区划;气象因子;模型;GIS技术;相关性分析

中图分类号： S162.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）08-0102-06

收稿日期：2020-07-19

基金项目：宁夏回族自治区一二三产业融合发展科技创新示范项目（编号：YES-16-08）。

作者简介：汪进欣（1995—），女，宁夏海原人，助理工程师，主要从事气候资源与作物气候适应性研究。E-mail：1003253902@qq.com。

通信作者：马力文，正研级高级工程师，主要从事气候资源与作物气候适应性研究。E-mail：ma_liwen@163.com。

燕麦是禾本科燕麦属（Avena）的1年生草本植物。栽培燕麦依据其外稃性状又可分为带稃型和裸粒型2种类型，带稃型籽粒外表带壳，称为皮燕麦;颗粒型籽粒外表不带壳，称为裸燕麦。燕麦是一种粮草兼用型作物，耐寒、抗旱、喜阴凉，对土壤有很强的适应性，具有耐贫瘠和耐盐碱等特性，是改良盐碱地的先锋作物[1]，被许多国家重视并广泛栽培。全世界燕麦种植面积位居第六，排在小麦、玉米、水稻、大麦、高粱之后。我国种植面积约 60万hm2，其中裸燕麦种植面积约占92%[2]，产区主要分布在华北北部的冀、晋、蒙的高寒山区，西北的六盘山和云、贵、川等地。同时，裸燕麦具有较多的营养成分，尤其是籽粒中蛋白质、脂肪、亚油酸等含量较高，其在食用、医疗、饲用、美容等方面都有很高的利用价值。目前，对裸燕麦的研究主要集中在种质资源遗传分析[3-5]、引种分析[6-7]、营养品质研究[8-9]及产业发展[10]等方面，关于裸燕麦产量与气候条件的相关性、裸燕麦种植气候区划方面的研究较少。徐长林研究指出，不同燕麦品种在气候和环境条件不同的情况下，其适应性不同[11]。周海涛研究表明，环境因素、品种差异以及气候条件对裸燕麦的营养品质影响非常大[12]。Oste等研究指出，土壤、气候等环境因素均直接或间接影响燕麦籽粒的整体品质[13]。因此，要实现宁夏不同气候条件下裸燕麦的高产和稳产，必须筛选出适应宁夏气候特点种植的主体品种，并且进行更加合理、精细的种植区划，从而提高宁夏裸燕麦种植的经济效益。

近年来，由于气候变化、栽培技术的进步，传统的农业种植区划已经不能满足新农业发展的要求。随着数理统计方法和GIS技术的发展，越来越多的学者将其应用到农业气候区划中，对不同农作物进行更加精细的气候区划，取得了较好的成果。马力文等利用GIS技术分别对宁夏枸杞、宁夏高酸苹果、咸阳石榴、大英县甜橙进行了气候区划[14-17]，该研究有很好的借鉴作用。

宁夏地处我国西北内陆，位于104°17′～107°39′E、35°14′～39°23′N，疆域轮廓南北长、东西短，面积6.64万km2。宁夏属典型的大陆性半湿润半干旱地区，大部分地区四季分明，具有气候干燥，雨雪稀少，光能资源丰富，气温年较差、日较差大，无霜期短而多变，热量适中等特点。受地理条件的影响，宁夏从南向北降水、光照、气温等气候条件存在明显的过渡性、不均衡性和复杂性，南部和北部自然气候差异十分显著，呈南寒北暖、南湿北干等特点。2017—2018年，本研究在宁夏不同气候条件下对5个裸燕麦品种进行多点试验，鉴定其适应性、生产力，结合气象资料，评价裸燕麦与其生长环境因子之间的匹配程度，以期明确宁夏不同气候条件下适宜种植的裸燕麦品种，真实反映其适应性的连续空间分布和具体适宜生长地点，为合理安排种植计划、提高裸燕麦经济效益提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及试验地概况

试验裸燕麦品种共5个（表1），试验地点为中卫市海原县，吴忠市同心县、盐池县，固原市原州区、西吉县、彭阳县共6个（表2）。

1.2 试验设计

试验共设30个处理，即6个地点，每个地点5个品种，每个品种3次重复，每个地点共15个小区，采用随机区组设计，小区面积10 m2（宽2 m×长 5 m），重复间距100 cm，区组间距80 cm，播种行向与小区的长边平行。观察记录物候期发育进程、农艺性状、抗逆性、病虫害情况、产量表现等。2017—2018年连续2年开展试验。

1.3 数据资料及处理

本试验所用的数据包括地理信息资料、气象信息资料。数据处理采用SPSS 22.0和Excel 2013软件进行数据统计分析。

地理信息资料采用1 ∶25万宁夏全境地理信息数据，包括经纬度、数字高程模型（DEM）等基础数据，通过GIS中的掩膜法将宁夏行政边界、经度、纬度、高程等地理信息资料从全区地理信息资料中提取出来，作为区划的基础资料。

气象资料采用6个试验地点国家站或区域自动站2017、2018年逐日平均气温、最高气温、最低气温、20-20时累计降水量、平均相对湿度、最小相对湿度、2 min平均风速、日照时数等资料，并收集整理宁夏24个地面气象台站30年（1981—2010年）的气候观测资料。

1.4 产量与关键气象因子相关性分析

研究根据裸燕麦生长发育对气候的要求，选择≥0 ℃ 积温、≥5 ℃积温、≥10 ℃积温、平均气温、平均最高气温、最高气温≥25 ℃日数、最高气温≥32 ℃ 日数、最高气温≥33 ℃日数、最高气温≥35 ℃日数、降水量、日均降水量、有效降水量、有效降水日数、平均最低气温、平均最低气温<2 ℃日数、平均最低气温<0 ℃日数、日照时数、日均日照时数、平均温度、平均湿度、风速共21个气候指标，与2017、2018年6个试验区裸燕麦的产量做相关性分析。选出相关关系显著的气候因子作为初步区划指标。

1.5 气候要素的小网格推算方法

为精确地反映宁夏气象要素的分布特点，利用宁夏24个地面气象台站1981—2010年气象观测资料及对应的经度、纬度、高度建立区划因子的多元回归方法建立小网格推算模型，如式（1）所示。

Xi=f（i，k，h）+ε。（1）

式中：Xi为区划指标;i、j、h分别为气象台站经度、纬度和海拔高度;ε为残差项。

2 结果与分析

2.1 不同裸燕麦品种、地点的产量比较

2017—2018年裸燕麦NLY17-05在6个试验地点均表现为产量较高（表3），可作为宁夏不同气候条件下适宜种植的裸燕麦主体品种，以裸燕麦NLY17-05作为本试验区划品种。裸燕麦 NLY17-05 品种在海原县、同心县、盐池县、原州区、西吉县、彭阳县6个试验区2年平均产量分别为2 615.00、679.00、2 295.00、1 820.00、3 910.00、1 205.00 kg/hm2，其中西吉县试验区产量最高，海原县次之。2018年海原县、同心县裸燕麦NLY17-02均发生黑穗病，发病率100%，故产量为0。

2.2 产量与关键气象因子相关性分析

如表4所示，裸燕麦NLY17-05产量与平均最高气温、日最高气温≥32 ℃日数、降水量、海拔有显著相关性。其中，播种—抽穗期平均最高气温与产量呈负相关关系，抽穗—开花期最高气温≥32 ℃日数与产量呈负相关关系，出苗—抽穗降水量与产量呈正相关关系，播种—出苗期海拔与产量呈正相关关系。

2.3 气候适宜区划指标

裸燕麦喜凉爽湿润，忌高温干燥，种子在1～2 ℃ 开始发芽，幼苗能耐短时间的低温，当全生育期温度在25 ℃以上时，其光合作用受阻。燕麦蒸腾系数高，在禾谷作物中仅次于水稻[18]，故干旱高温对裸燕麦产量的影响极为显著。裸燕麦一般播种在干旱和半干旱地区，在出苗后到拔节期比较耐旱，从拔节期以后需水量逐渐升高，抽穗期达到最高点，在抽穗期前10～15 d是燕麦需水临界期，小穗数和穗粒数都与这个时期的水份供给情况密切相关[19-20]，故5—6月是裸燕麦需水关键期，这个时期的降水量是否充足对裸燕麦的产量形成至关重要。7月是裸燕麦灌浆期，该时段的高温天气会对燕麦带来危害，导致减产。由于光照、温度、水分、大气压、土壤等都随海拔高度变化而变化，海拔每增高100 m，气温就相应降低0.5～0.6 ℃，光照相应增加4%～5%，紫外光辐射相应增加3%～4%[12]。同一纬度上，由于海拔高度升高，温度、光照等条件都会发生明显的变化，因此海拔高度的不同也直接影响燕麦的生长发育。

通过对2017—2018年裸燕麦NLY17-05产量与气象要素的相关分析，以及结合前人的研究结果[12，18-20]，最终选取4个影响裸燕麦NLY17-05产量的关键气象指标：5—6月降水量、6—7月最高气温 ≥32 ℃ 日数、4—6月平均最高气温、海拔，同时结合宁夏气候要素的变化幅度，得出宁夏裸燕麦NLY17-05的种植气候适宜性区划指标（表5）。

2.4 气象要素小网格推算模型

利用公式（1）计算得到各区划因子小网格推算模型表达式（表6），经F检验，各方程都通过0.05水平的显著性检验，具有较高的可信度。

2.5 各区划指标的空间分布

从海拔来看，适宜区主要为宁夏西南部地区，海拔在1 800～2 950 m之间，次适宜区主要在宁夏中部及东南部分地区，不适宜区主要在宁夏中北部及清水河一带（图1-a）。 从5—6月总降水量来看，宁夏南部地区5—6月总降水量≥90 mm，是裸燕麦NLY17-05的适宜种植区，次适宜区主要在宁夏中部干旱带，不适宜区主要在宁夏北部地区（图1-b）。从6—7月最高气温≥32 ℃日数来看，宁夏南部地区高温日数少，是裸燕麦NLY17-05的适宜种植区，次适宜区主要集中在宁夏中部及东南部分地区，不适宜区主要集中在宁夏中北部干热地区（图1-c）。从4—6月平均最高气温来看，宁夏中南部绝大多数地区在16～22 ℃之间，适宜裸燕麦NLY17-05种植，次适宜区主要集中在宁夏中北部部分地区以及清水河一带，不适宜区主要集中在宁夏北部部分地区。

2.6 裸燕麦NLY17-05种植气候区划结果及分区评述

将以上4个区划气象因子按表6标准进行分级计算，将各区划因子分为适宜、次适宜和不适宜3个区域。通过咨询专家意见，为各气候指标进行无量纲赋值，不适宜区、次适宜区、适宜区分别赋值0、1、2。制作出各气候区划因子的赋值分布图，对各气候区划因子赋值分布图进行空间叠乘，以综合评分16分为最适宜区、4～8分为适宜区、1～2分为次适宜区、0為不适宜区进行区划。为使区划结果更加精确，去除了山川、草原、林区及其他作物田，且叠加了水体，将综合区划结果分为最适宜、适宜、次适宜、不适宜4级，宁夏裸燕麦NLY17-05种植区初步分成下列各区。

2.6.1 最适宜区 主要分布于宁夏西南部地区，为海原县南部[树台、关庄、红羊、曹洼、李俊、九彩等乡（镇）]、西吉县、原州区西南部及东北部部分地区[彭堡、中河、张易、开城、寨科、炭山等乡（镇）]、隆德县、泾源县、彭阳县西部（新集乡）地区。这些地区为高海拔冷凉湿润地区，常年5—6月总降水量在90 mm以上，6—7月最高气温≥32 ℃日数小于5d，4—6月平均最高气温在16～22 ℃之间，适宜裸燕麦NLY17-05正常生长发育。该区域是发展裸燕麦NLY17-05种植产业的主产区。

2.6.2 适宜区 主要分布在宁夏东南部地区，为原州区中部、彭阳县大部地区。这类地区海拔≥1 500 m，6—7月最高气温≥32 ℃日数≥10 d，5—6月总降水量在90 mm以上，4—6月平均最高氣温在16～22 ℃之间。气候条件基本能满足裸燕麦NLY17-05生长发育需要。限制该区域裸燕麦NLY17-05优质生产的不利气象条件主要是海拔较低、灌浆期间高温日数较多，对裸燕麦生长发育有一定不利影响。

2.6.3 次适宜区 主要分布在中南部部分地区，为中宁县南部部分地区、海原县北部、同心县部分地区、盐池县中部部分地区。这类地区海拔1 500～1 800 m，5—6月总降水量60～90 mm，6—7月最高气温≥32 ℃日数5～10 d，4—6月平均最高气温 16～24 ℃，该区域裸燕麦NLY17-05基本可成熟。限制该区域裸燕麦NLY17-05优质生产的不利气象条件主要是5—6月需水关键期降水量较少，6—7月灌浆期又遇持续高温天气，影响裸燕麦产量形成。

2.6.4 不适宜区 主要在宁夏中北部及清水河一带气候干热地区，为惠农区、大武口区、平罗县、贺兰县、永宁县、青铜峡市、利通区、灵武市、沙坡头区、中宁县大部、红寺堡区、盐池县大部、同心县大部地区。这些地区海拔较低，降水量少、气温高，干旱较严重，易导致裸燕麦NLY17-05发生病害，不能成熟，从而影响产量。

3 讨论与结论

选择裸燕麦NLY17-05作为宁夏不同气候条件适宜种植的主体品种，选取5—6月降水量、6—7月最高气温≥32 ℃日数、4—6月平均最高气温、海拔高度作为区划指标，利用宁夏24个地面气象台站30年气候资料，与经度、纬度和海拔高度建立回归模型，利用GIS空间插值与叠加分析划分出宁夏裸燕麦NLY17-05的气候适宜性精细化区划。研究结果表明，宁夏海原县西南部、西吉县、原州区、隆德县、彭阳县、泾源县为裸燕麦NLY17-05适宜种植区（除罗山、西华山、南华山、月亮山、六盘山），该地区海拔较高，裸燕麦生长发育需水关键期降水充足、灌浆期间气温适宜、高温日数较少，可以满足裸燕麦NLY17-05正常生长发育所需的气候条件，建议大力发展裸燕麦NLY17-05种植。

目前，宁夏燕麦实际种植面积主要分布在中南部山区，包括海原县南部、西吉县、原州区南部、隆德县、彭阳县，且随着近几年的发展，已取得了很好的效益，故本研究区划结果与宁夏实际种植地理位置基本一致，相关性分析与气候区划指标空间推算模式客观、合理。

由于本试验选用的裸燕麦品种数量有限，以裸燕麦NLY17-05为主体品种作宁夏种植适宜性区划，有一定的局限性。裸燕麦的生长受各种自然环境因子的共同影响，其中气象条件起主导作用，本试验只考虑了影响裸燕麦产量与主要气象因素之间的关系，未考虑土壤类型、栽培技术、灌溉情况、农艺性状、营养品质等，因此在扩大种植时应当因地制宜，引种前进行品种栽培试验，提高裸燕麦的产量和品质。

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