赵金龙 汪进欣 马力文

摘要：为合理利用气候资源，发挥气象为农服务作用，科学规划宁夏皮燕麦产业发展。利用宁夏中南部地区2017—2018年皮燕麦产量和气象数据，通过相关性分析方法确定宁夏皮燕麦种植气候适宜性区划指标，再根据宁夏23个地面气象站1981—2010年气候资料和地理信息数据模拟区划指标空间分布。综合各指标权重，通过栅格运算获得宁夏皮燕麦种植气候适宜性区划图。结果表明：宁夏皮燕麦种植气候适宜区主要分布在宁夏南部冷凉山区，次适宜区主要分布在宁夏中部干旱少雨地带，不适宜区主要分布在宁夏中北部黄河平原。本研究结果为合理规划宁夏皮燕麦产业布局，新品种引种和推广种植提供了科学依据。

关键词：皮燕麦；气候适宜性；区划；宁夏；GIS

中图分类号：S162.2文献标志码：A论文编号：cjas2020-0010

Climate Suitability Analysis of Oat Planting Based on GIS in Ningxia

Zhao Jinlong1，2， Wang Jinxin1，2， Ma Liwen1，2（1Key Laboratory for Meteorological Disaster Monitoring and Early Warning and Risk Management of Characteristic Agriculture in Arid Regions， CMA， Yinchuan 750002； 2Ningxia Key Lab of Meteorological Disaster Prevention and Reduction， Yinchuan 750002）

Abstract： In order to make rational use of climate resources， give full play to the role of meteorology in serving agriculture， and scientifically plan the development of oat industry in Ningxia. Based on the production and meteorological data of oats in central and southern Ningxia from 2017 to 2018， the climatic suitability zoning index of oats was determined by correlation analysis method. According to the climate data and geographic information data of 23 surface meteorological stations in Ningxia from 1981 to 2010， the spatial distribution of zoning indexes was simulated. Based on the weight of each index， the climate suitability zoning map of oats was obtained by raster calculation. The results showed that the climate suitable area was mainly distributed in the cold mountain area in the south of Ningxia， the secondary suitable area was mainly distributed in the arid and rainless area in the middle of Ningxia， and the unsuitable area was mainly distributed in the Yellow River Plain in the middle and north of Ningxia. The study could provide a scientific basis for the rational planning of the industrial layout， introduction and popularization of new varieties of oats in Ningxia.

Keywords： Oat； Climate Suitability； Zoning； Ningxia； GIS

0引言

燕麦（Avena sativa L.）是全球第六大种植作物[1]，分为皮燕麦（带稃型）和裸燕麦（裸粒型）两类[2-3]，具有耐干旱、耐贫瘠、耐盐碱的特点。燕麦籽粒含有丰富的营养成分，可降低胆固醇[4]，其蛋白质含量最高可达20%，是小麦、大米的1.6～2.3倍[5]。燕麦是中国西部半干旱地区主要杂粮作物[6]，在农业生产中具有重要地位[7]。宁夏回族自治区位于黄土高原与内蒙古高原的过渡带，为温带干旱半干旱气候，发展燕麦产业对促进农民增收[8]、实现全面脱贫具有重要意义。

作物的产量和品质不仅取决于其自身遗传特性，还与气候环境密切相关。GIS技术可以对有限的地面气象站数据进行模拟获得其空间分布特征，在杂粮作物区划方面应用广泛。敖芹等[9]在GIS平台绘制了贵州酒用高粱种植气候适宜性区划图；曹毅等[10]利用GIS将山西省高粱种植区划分为早熟、中早熟、早晚熟和晚熟区；冯美臣等[11]利用主成分分析法构建荞麦综合品质评价模型，基于GIS对晋中地区的荞麦综合品质进行气候区划；何燕等[12]采用GIS技术对广西种植巴西陸稻IAPAR-9进行气候区划。此外，还有学者基于GIS对糜子[13]、大麦[14]、青稞[15]在陕西、甘肃、西藏等地的种植适宜性进行了研究，而目前关于燕麦区划方面的研究较少。为充分利用气候资源，合理规划燕麦产业发展，本研究通过分析宁夏皮燕麦产量与气候因子的相关性，确定影响皮燕麦产量的关键气候因子和区划指标。基于宁夏23个地面气象台站30年（1981—2010年）观测资料和地理信息数据推算获得宁夏皮燕麦种植气候适宜性区划，以期为宁夏农业生产部门合理调整作物种植结构、发展优质特色杂粮作物提供科学依据。

1资料和方法

1.1研究区概况

宁夏回族自治区（104°17′—107°39′E，35°14′—39°23′N）位于中国西部黄河中上游地区，南北相距456 km，东西相距250 km，总面积约6.64×104km2。地势南高北低，平均海拔1000 m以上。土壤类型主要为草甸土、灰钙土、黑垆土、白僵土。年平均气温在5.4～9.9℃之间，呈北高南低分布，冬冷夏热，年较差大。年平均降水量在180～600 mm之间，自北向南递增。宁夏南部原州区、西吉县、彭阳县、隆德县、泾源县植被覆盖度较高，气候冷凉、阴湿多雨，是宁夏皮燕麦主要种植地区。

1.2资料来源

地理信息数据采用国家基础地理信息中心提供的1：100万宁夏基础地理数据，高程数据采用30 m空间分辨率ASTER GDEM数据。

气象数据采用宁夏气象局信息中心提供的1981—2010年宁夏23个地面气象台站逐年观测资料，以及2017—2018年西吉、盐池、固原、彭阳、海原、同心 6个试验点平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均相对湿度、最小相对湿度、平均2分钟风速、日照时数等逐日观测资料。

皮燕麦参试品种为‘NPY17-01’、‘NPY17-02’、‘NPY17-03’、‘NPY17-04’、‘NPY17-05’，于4月11日—5月3日播种，7月7日—8月12日成熟，同一试验点两年播期相同。小区面积为2 m×5 m，采取随机区组排列，设3次重复，重复间距100 cm，区组间距80 cm，其測产数据由宁夏固原农科院提供。

1.3气候条件

燕麦适宜在凉爽的气候条件下种植生产[16]，不耐高温，分蘖期温度过高，会导致燕麦次生根发育不良，影响有效分蘖和穗数。抽穗到开花期温度在18～ 24℃，促进小穗形成、小花分化。灌浆期温度在14～ 15℃，促进干物质积累、籽粒饱满[17]。全生育期要求≥5℃积温在1400℃以上[18]。

燕麦是长日照作物，平均日照不少于12 h。在拔节期前光照充足促进光合作用、营养物质合成。抽穗期光照时间长，可提前抽穗、提早成熟。开花、乳熟期喜晴朗，忌连阴雨[18]。

燕麦在开花、灌浆期对水分敏感，抽穗前后要求相对湿度57%～68%，其蒸腾系数为58～676，仅次于水稻[19]。土壤水分胁迫会导致燕麦旗叶光合速率、蒸腾速率和气孔导度等不同程度降低[20]，影响产量和品质。全生育期需水量在280 mm以上，但在干旱情况下，燕麦调解水分能力很强，可忍耐较长时间干旱[18]。

1.4气候区划指标

从田间试验来看，宁夏皮燕麦生育期约78～113天，其中播种到出苗10～15天，出苗到拔节30～35天，拔节到抽穗15～25天，抽穗到开花3～8天，开花到成熟20～25天。种植区气候、土壤条件及品种遗传性状差异对皮燕麦产量均有一定程度影响。通过对宁夏2017—2018年皮燕麦产量进行单因素方差分析，选取综合表现较好的品种‘NPY17-04’进行区划。图1给出了各试验点皮燕麦产量，其中产量最高地区为西吉县，适宜大力发展皮燕麦。

根据文献对内蒙古[18]、青海[21]等地燕麦生长的气候条件记载，结合宁夏皮燕麦实际生产情况，对皮燕麦‘NPY17-04’产量与发育期气候因子进行相关性分析，选取通过P<0.01显著性检验的5—6月降水量、6—7月最高气温≥32℃日数、4—8月平均最高气温作为区划指标，并将区划等级分为适宜区、次适宜区、不适宜区3个级别，分别赋值T为3、2、1，如表1所示。将各指标相乘结果作为皮燕麦综合适宜性评价指标P。

1.5气候要素的小网格推算方法

气候受纬度、地形地貌等条件影响存在明显的空间差异[10]。现有的宁夏地面气象台站数量有限，难以准确反映宁夏全区气象要素的分布特点。因此，本研究利用宁夏23个地面气象站点1981—2010年观测资料，在80%保证率下通过公式（1）建立各因子气候区划推算模型（表2），基于ArcGIS平台将自动气象站数据推算至宁夏全区30 m×30 m网格，实现对无气象资料地区的精细化估算。

Y=f（φ，λ，h）+ε…………………………………（1）式中，Y为气候区划因子，φ为纬度，λ为经度，h为海拔，f（φ，λ，h）为气候学函数。ε为残差项，通常代表小地形（坡度、坡向等）及下垫面对气候的影响[22]。各指标模型均通过P<0.01显著性检验。

2结果与分析

2.1区划指标空间分布

2.1.1降水量降水受地形、地貌、海拔等影响较大，总体呈现南多北少的分布趋势（图2）。5—6月为皮燕麦营养生长生殖生长并进阶段，生长旺盛，是皮燕麦需水临界期，降水量超过90 mm的地区主要在原州区、西吉县、彭阳县、泾源县、隆德县，水分充足有利于皮燕麦生长。降水量在60～90 mm之间的地区主要在盐池县、红寺堡区、同心县、海原县北部，水分条件稍逊但皮燕麦仍可成熟。降水量不足60 mm的地区主要在平罗县、永宁县、中宁县一带，干旱少雨会导致大幅度减产，若种植皮燕麦需采取适当的田间水分管理措施，提高水分利用率以保证产量。

2.1.2高温日数高温受地理纬度影响较大，总体分布特征为自北向南逐渐减少（图3）。6—7月最高气温≥32℃日数不足5天的地区主要在原州区、西吉县、彭阳县、泾源县、隆德县，这些地区夏季冷凉湿润的气候条件有利于皮燕麦生长。高温日数在5～10天之间的地区主要在沙坡头区、同心县、盐池县南部，这些地区产量略低，适宜零星种植。高温日数超过10天的地区主要在石嘴山市、银川市、青铜峡市、利通区、中宁县北部一带，7月上旬这些地区常出现干热风，对皮燕麦灌浆、成熟危害严重，建议发展其他作物。

2.1.3平均最高气温平均最高气温受海拔影响较大，大部分地区在20～24℃之间（图4）。引黄灌区4—8月平均最高气温高于26℃和贺兰山、罗山、南华山、六盘山低于18℃的地区，均不利于皮燕麦生长及产量形成。黄河沿岸可根据当地充足的水热资源发展水稻、玉米、小麦等粮食作物。山地林草区需以保护生态环境为重点，调整作物产业结构，种植林木，提高水源涵养。

2.2区划结果

综合皮燕麦生育期3个关键气候因子空间分布得到宁夏皮燕麦种植气候适宜性区划图（图5）。

（1）适宜区：主要分布在宁夏南部山区，如海原县西南部、西吉县、原州区、隆德县、泾源县。皮燕麦在出苗到拔节期需要充足水分，这些地区5—6月降水量普遍大于90 mm，部分地区可达140 mm以上，给皮燕麦生长提供了良好的水分条件。皮燕麦喜阴冷，不耐高温，这些地区在抽穗到开花期最高气温普遍低于32℃，全生育期平均最高气温在18～24℃之间，有利于皮燕麦茎叶中碳水化合物和蛋白质的积累，适宜发展皮燕麦产业。

（2）次适宜区：主要分布在宁夏中部地区，如盐池县南部、同心县、海原县北部、沙坡头区南部。这些地区在皮燕麦出苗到拔节期降水量较南部山区偏少，但仍在60 mm以上，满足皮燕麦成熟所需。在抽穗到開花期虽然最高气温≥32℃超过5天，但全生育期温度适宜，平均最高气温在20～24℃之间，满足皮燕麦成熟的热量条件，可根据生产需要有针对性地种植皮燕麦。

（3）不适宜区：主要分布在宁夏中北部地区，如石嘴山市、银川市、青铜峡市、灵武市、利通区、中宁县北部、沙坡头区北部、红寺堡区北部及盐池县北部。这些地区在皮燕麦出苗到拔节期降水量不足50 mm，对皮燕麦营养生长极为不利。此外，在皮燕麦抽穗到开花期高温日数超过10天，全生育期最高气温普遍高于26℃，均对皮燕麦生长不利，不可盲目发展皮燕麦，建议因地制宜种植其他作物。

3讨论

3.1创新性分析

近年来，农作物气候适宜性区划的研究多集中在玉米[23-24]、水稻[25-26]、马铃薯[27-28]、大豆[29-30]等粮食作物，而关于燕麦的区划研究较少，本研究结果对该领域具有较好的补充作用。从区划指标选取来看，本研究通过分析宁夏6个试验点皮燕麦产量与气象因子的相关性，选取与皮燕麦产量相关性显著的3个气象因子作为区划指标，更契合皮燕麦实际生产中对水热条件的需求状况。此外，从气象因子模拟来看，本研究利用宁夏23个地面气象台站1981—2010年气象观测资料，选取具有较高空间分辨率的ASTER GDEM高程数据建立回归模型，在ArcGIS平台将气象要素推算至30 m×30 m网格，获取宁夏皮燕麦种植气候适宜区、次适宜区和不适宜区，空间推算结果精细化程度更好。综合来看，本研究在皮燕麦种植气候适宜性区划指标的选取、小网格推算方面具有一定的创新性。

3.2适宜性分析

宁夏皮燕麦种植气候适宜区约占宁夏面积的21.7%，主要集中在宁夏南部冷凉山区，包括西吉县、彭阳县、原州区中北部以及隆德县、泾源县除六盘山脊以外地区。次适宜区约占宁夏面积的30.3%，主要集中在宁夏中部干旱少雨地带，包括盐池县中南部、同心县、中宁县南部、沙坡头区南部、海原县北部。不适宜区约占宁夏面积的48.0%，主要集中在宁夏中北部黄河平原，包括石嘴山市、银川市、青铜峡市、利通区、盐池县北部、红寺堡区北部、中宁县北部、沙坡头区北部。研究所得适宜区范围与万帆[31]、Liu等[6]基于GIS估算皮燕麦品种‘青永久444’在宁夏南部山区的鲜草潜在产量分布情况基本一致，次适宜区与不适宜区范围略有不同，主要原因可能为品种‘NPY17-04’较‘青永久444’早熟，对水分条件的需求在5—6月最大而造成的适宜性差异。

3.3产业发展价值

全球变暖、气候变化加剧导致许多地区粮食产量受到威胁，而小杂粮对干旱、寒冷环境极强的适应性逐渐在农业产业结构调整中得到发展。随着国家加大对地方优势特色产业扶持力度以及市场需求的日益增加，未来宁夏燕麦产业会得到更好发展。合理规划燕麦种植气候适宜区对提高燕麦生产效率、脱贫致富、发展精细化农业具有重要指导意义。

3.4不足与展望

鉴于试验条件所限，本研究仅在宁夏中南部地区开展了皮燕麦产量试验，缺少北部地区实际生产种植资料，因此对不适宜区的划定范围存在一定误差。此外，由于参试品种限定在‘NPY17-01’、‘NPY17-02’、‘NPY17-03’、‘NPY17-04’、‘NPY17-05’，未考虑早熟、中熟、晚熟类型对环境的适应性，对引种生产推广有一定困难。并且不同地区土壤盐分[32]、施氮量[33-34]差异也会影响燕麦在苗期、灌浆期和成熟期的生长与品质。今后，在分析土壤理化性质优化宁夏皮燕麦适宜区结构，促进优良品种高产方面还需进一步研究。

4结论

采用相关性分析方法，选取与宁夏皮燕麦产量相关性显著的5—6月降水量、6—7月最高气温≥32℃日数和4—8月平均最高气温作为区划指标。采用回归分析方法，基于ArcGIS平台获得各区划指标的空间分布。从区划结果来看，宁夏皮燕麦种植气候适宜性呈现由南向北递减的空间分布特征，具有较强的纬向地带性规律。其中，宁夏南部山区为皮燕麦种植适宜区，其独特的冷凉气候条件有利于高产形成，可采取一定政策措施，鼓励当地农民大力发展皮燕麦产业，增收致富。宁夏中部为皮燕麦种植次适宜区，其干旱少雨的气候环境对皮燕麦拔节期生长有一定不利影响，不宜大面积推广，可根据需要选择适应性较强的品种零星种植，保证产量。宁夏中北部黄河平原不适宜种植皮燕麦，建议因地制宜发展其他作物。

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