李 陽，劉 靜，馬力文，趙金龍，張學(xué)藝

(1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，寧夏 銀川 750002)

引 言

馬鈴薯是寧夏回族自治區(qū)第一大農(nóng)作物，也是生態(tài)移民工程中增加貧困地區(qū)農(nóng)民收入的戰(zhàn)略性主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，寧夏中南部山區(qū)土壤疏松、土層深厚、氣候涼爽、晝夜溫差大，為喜涼喜光、耐寒耐旱的馬鈴薯生長提供了很好的環(huán)境。馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)除受品種影響外，還受環(huán)境條件的影響，特別是氣象條件的影響。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的提高，在品種和管理水平相對穩(wěn)定的情況下，光照、溫度、水分等氣象條件成為影響馬鈴薯產(chǎn)量的主要因素。因此，研究馬鈴薯的氣候適宜性，不僅有助于加強對優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)馬鈴薯的監(jiān)測，也可為調(diào)整種植業(yè)布局提供參考。

利用模糊數(shù)學(xué)理論，通過隸屬函數(shù)構(gòu)建適宜度模型對作物的適宜度進行分析，為農(nóng)業(yè)氣候的定量分析和分類評價提供了新方法[1-2]?？紤]到有關(guān)適宜度的研究大多數(shù)是基于旬或者月時間尺度的一個平均態(tài)，而作物生長是連續(xù)的動態(tài)過程，因此有研究提出了日尺度氣候適宜度模型[3]，并構(gòu)建了東北地區(qū)春玉米氣候適宜度模型，客觀反映了生長階段及生長作物與氣候條件的關(guān)系。目前，有關(guān)農(nóng)作物適宜度的研究多集中在小麥[4-7]、水稻[8-12]、玉米[13-17]等大宗作物，研究方向主要集中在農(nóng)作物氣候適宜度函數(shù)的構(gòu)建、不同尺度農(nóng)業(yè)氣候資源評價、作物生育期預(yù)報等方面。

與大宗作物相比，馬鈴薯氣候適宜度研究[18-23]相對薄弱，已有研究多側(cè)重于利用氣候適宜度模型對甘肅省定西地區(qū)[20]、內(nèi)蒙古地區(qū)[19,21]馬鈴薯的氣候適宜性年際變化和空間分布特征進行分析。涉及寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯氣候適宜度的研究較少，目前僅開展了寧夏西吉縣[22]、海原縣[23]的馬鈴薯氣候適宜度評價和區(qū)劃工作，研究的空間尺度只針對單個縣域。中南部山區(qū)作為寧夏馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，研究其氣候適宜度的時空變化規(guī)律有重要意義。本文在ArcGIS技術(shù)支持下，利用1981—2018年逐日氣象數(shù)據(jù)，以馬鈴薯氣候適宜度模型為基礎(chǔ)，分析氣候適宜度的時空分布特征，以期為合理利用氣候資源、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏中南部山區(qū)居西北內(nèi)陸高原，地勢南高北低，海拔由南到北逐漸由2928 m降至1250 m。從地貌類型看，南部以流水侵蝕的黃土地貌為主，北部以干旱剝蝕、風(fēng)蝕地貌為主，土壤類型以黑壚土、灰鈣土、黃綿土及山地土為主。該區(qū)域?qū)俚湫偷拇箨懶园霛駶櫚敫珊禋夂?，雨季多集中?—9月，年平均降水量289.6～492.2 mm，年平均氣溫6.1～8.3 ℃，年平均日照時數(shù)2518.2～2724.3 h，具有冬寒長，夏季短，氣候干燥等特點。

1.2 研究資料

所用資料包括：寧夏中南部山區(qū)固原、海原、涇源、隆德、同心、韋州、西吉、興仁、鹽池、彭陽10個國家基本氣象站1981—2018年5月上旬至10月上旬逐日氣象資料，包括日平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、日降水量、日照時數(shù)等氣象要素；寧夏全境行政矢量邊界(1:10000)、DEM高程(1:50000)等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，通過GIS中的掩膜法將寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯種植區(qū)從全區(qū)地理信息數(shù)據(jù)中提取出來，作為區(qū)劃的基礎(chǔ)資料；1981—2018年中南部山區(qū)各縣(區(qū))馬鈴薯產(chǎn)量資料來自于寧夏回族自治區(qū)統(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 溫度適宜度

根據(jù)馬樹慶[24]的研究，溫度適宜度計算公式如下：

(1)

式中：PT為溫度適宜度；t1、t2、t0(℃)為三基點溫度，分別是下限溫度、上限溫度、最適溫度；t(℃)為某日的實際氣溫。馬鈴薯不同生育階段三基點溫度主要參考楊霏云等[25]定義，并結(jié)合寧夏中南部山區(qū)多年馬鈴薯農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)中總結(jié)的生長發(fā)育指標(biāo)綜合確定，其值見表1。

表1 馬鈴薯不同生育階段三基點溫度指標(biāo)Tab.1 Three fundamental points of temperature at different growth stages of potato 單位：℃

1.3.2 水分適宜度

以寧夏各地馬鈴薯正常生長的需水量作為馬鈴薯水分需求的適宜標(biāo)準(zhǔn)，在趙峰等[26]的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合寧夏中南部山區(qū)土層深厚和土壤水分滲透性特點，參考中南部山區(qū)馬鈴薯觀測報表，引入降水量(灌溉量)剩余量概念，同時參考柳芳等[27]、劉可群等[28]的研究確定馬鈴薯降水消減系數(shù)，確定分階段的寧夏中南部馬鈴薯水分適宜度的計算公式。

第一階段，5月1日至8月10日：

(2)

第二階段，8月11日至10月10日：

(3)

式中：PW為水分適宜度，當(dāng)PW≥1時，取值為1；Ri(mm)為某日降水量(灌溉量)的剩余量；ri(mm)為某日降水量與灌溉量的和；ETc(mm)為某日需水量；K0為某日降水的消減系數(shù)，表征土壤中蓄積降水的蒸發(fā)損耗。Ri、K0、ETc的計算公式如下：

(4)

式中：Ri-1(mm)為前一日降水量(灌溉量)的剩余量。

(5)

式中：T(℃)為前一日的平均氣溫，當(dāng)T<0 ℃時，取值0 ℃；B為參數(shù)，取值1；i為日數(shù)。

ETc=Kc×ET0

(6)

式中：Kc為作物系數(shù)，由聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization，F(xiàn)AO)提供(表2)。ET0(mm)為參考作物蒸散量，本文采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-monteith模型作為ET0計算的標(biāo)準(zhǔn)方法[29]。

表2 聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的馬鈴薯作物系數(shù)表Tab.2 Table of potato crop coefficients recommended by the FAO

分枝期—開花期Kc計算：

Kc=0.3+0.0425×i分

(7)

式中：Kc為分枝期—開花期某日作物系數(shù)，i分為從分枝期次日開始的日序。

開花后第51天至收獲期Kc計算：

Kc=1.15-0.01×i花

(8)

式中：Kc為開花后第51天至收獲期某日的作物系數(shù)，i花為開花后第51天的次日開始的日序。

1.3.3 日照適宜度

馬鈴薯為喜光作物，在生長過程中光照充足有利于馬鈴薯積累有機物。以實際日照時數(shù)達到可照時數(shù)的70%為臨界點，當(dāng)實際日照時數(shù)在臨界點以上，作物對光照的反應(yīng)達到適宜狀態(tài)。參照前人研究[20,24,30]，馬鈴薯日照適宜度計算公式如下：

(9)

式中：PS為日照適宜度；s(h)為實際日照時數(shù)；s0(h)為可照時數(shù)。

1.3.4 綜合適宜度

將溫度、水分、日照適宜度進行加權(quán)平均，得到寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯綜合適宜度公式：

P=PT×rT+PW×rW+PS×rS

(10)

式中：rT、rW、rS分別表示溫度適宜度、水分適宜度、日照適宜度的權(quán)重系數(shù)。

利用1981—2018年逐年溫度、水分、日照適宜度與馬鈴薯單產(chǎn)進行相關(guān)分析，得到不同氣象因子與單產(chǎn)的相關(guān)系數(shù)RT、RW、RS分別為 0.383、0.454、0.017，再參考公式(11)計算出對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，分別為0.447、0.532、0.020，最終確定溫度適宜度、水分適宜度、日照適宜度權(quán)重系數(shù)的取值，分別為0.40、0.50、0.10。

(11)

式中：rj為某一適宜度的權(quán)重系數(shù)，Rj為某一適宜度與單產(chǎn)的相關(guān)系數(shù)。

參考王春玲等[20]、段居琦等[31]評估可能性的分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合寧夏馬鈴薯實際情況，PT、PW、PS、P統(tǒng)一采用如下分級標(biāo)準(zhǔn)：≥0.70為最適宜，0.60～0.70為適宜，0.40～0.60為較適宜，<0.40為不適宜。

采用線性傾向估計法和變異系數(shù)(Cv)分析氣候適宜度的年際變化趨勢和穩(wěn)定性[32]。

2 結(jié)果分析

2.1 馬鈴薯全生育期氣候適宜度年際變化

圖1為1981—2018年寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯全生育期各項適宜度的年際變化和10 a平均值的變化，各適宜度的氣候傾向率、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)見表3。可以看出，馬鈴薯全生育期溫度適宜度為0.68～0.77，日照適宜度為0.65～0.88，水分適宜度為0.51～0.76，綜合適宜度為0.63～0.76，近38 a各氣候適宜度年際間波動明顯，變化規(guī)律不明顯，決定系數(shù)R2均未通過顯著性檢驗，但整體均呈弱降低趨勢，且降低速率不同，日照適宜度降低速率最快，溫度適宜度最慢。從1981年起以10 a為周期分析各適宜度平均值的變化規(guī)律，1980年代馬鈴薯溫度適宜度最高，此后呈緩慢下降趨勢，但仍然處在最適宜范圍；日照適宜度1990年代最高，呈先增加后持續(xù)降低趨勢，且也處在最適宜范圍；水分適宜度呈先持續(xù)降低后明顯增加趨勢，1990年代至2000年代初是水分適宜度的低值期；綜合適宜度呈先降低再升高趨勢，目前所處時段屬于居中水平。

從圖1可以發(fā)現(xiàn)各適宜度年際間差異較大，標(biāo)準(zhǔn)差能反映適宜度的變化程度，但不能很好地反映適宜度的相對變化程度，因此，用變異系數(shù)表征適宜度的穩(wěn)定性更有代表性。各氣候適宜度年際變異系數(shù)為3.08%～9.20%，水分適宜度穩(wěn)定性最差，溫度適宜度穩(wěn)定性最好。綜合來看，寧夏中南部山區(qū)生育期內(nèi)光熱資源一般都在最適宜范圍，滿足馬鈴薯生長發(fā)育所需。水分是馬鈴薯生長發(fā)育的主要限制因子，年際間波動性大，有超過1/3的年份在適宜指標(biāo)以下。

圖1 1981—2018年寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯全生育期各氣候適宜度年際變化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年寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯全生育期氣候適宜度的氣候傾向率、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)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 馬鈴薯不同生育階段氣候適宜度

依據(jù)寧夏馬鈴薯多年發(fā)育期觀測資料，將5月上旬至6月中旬作為苗期，6月下旬至7月上旬作為分枝期—開花期，7月中旬至10月上旬作為開花期—收獲期，分別計算不同生育階段的氣候適宜度平均值及變異系數(shù)(表4)?？梢钥闯?，各生育階段日照適宜度和溫度適宜度都較高，適宜度基本在0.70以上；水分適宜度在各生育階段均最低且變異系數(shù)最大，表明水分條件是該地區(qū)馬鈴薯生長發(fā)育的主要限制因素。

表4 1981—2018年寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯各生育階段氣候適宜度及變異系數(shù)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

從各生育階段看，馬鈴薯溫度適宜度苗期、分枝期—開花期為最適宜，開花期—收獲期為適宜。溫度適宜度在開花期—收獲期最低，且變異系數(shù)最大，說明該時期氣溫多變，對馬鈴薯生長影響較大，是影響馬鈴薯產(chǎn)量的重要時期。日照適宜度總體穩(wěn)定，各生育階段均為最適宜，其中分枝期—開花期適宜度變異系數(shù)最大，日照條件最不穩(wěn)定。水分適宜度苗期、分枝期—開花期均為較適宜，開花期—收獲期為適宜，苗期適宜度最低且變異系數(shù)較大，主要由于寧夏中南部為旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，無灌溉條件，5月上旬至6月中旬自然降水不能滿足馬鈴薯所需水量，是水分供需矛盾較突出的時期；分枝期—開花期變異系數(shù)最大，水分條件最不穩(wěn)定；開花期—收獲期水分適宜度最大且變異系數(shù)小，該時段與雨季重合，自然降水基本滿足馬鈴薯生長發(fā)育所需水分。綜合適宜度在各生育階段均為適宜且較為穩(wěn)定，但不同生育階段適宜度變異系數(shù)不同，其中分枝期—開花期變異系數(shù)最大，說明綜合馬鈴薯生長發(fā)育所需光照、溫度、水分要素來看，分枝期—開花期是氣候條件影響馬鈴薯生長發(fā)育最不穩(wěn)定的時期。

2.3 馬鈴薯氣候適宜度空間變化

圖2為1981—2018年寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯全生育期氣候適宜度的空間分布?？梢钥闯?，馬鈴薯日照適宜度從南向北呈遞增趨勢，其他適宜度變化趨勢與之相反。結(jié)合光照、溫度、水分條件來看，綜合適宜度的最適宜區(qū)在西吉縣、海原縣和原州區(qū)大部、彭陽縣西部、隆德縣和涇源縣境內(nèi)除海拔較高的六盤山山脊外的大部地區(qū)，這些地區(qū)氣候條件適宜，滿足馬鈴薯生長所需；適宜區(qū)在彭陽縣東部、同心縣大部，這些地區(qū)氣候條件基本滿足馬鈴薯生長所需；較適宜區(qū)在鹽池縣南部，該區(qū)域水熱條件對馬鈴薯生長發(fā)育有一定限制作用；鹽池縣北部和六盤山山脊一帶為不適宜區(qū)域。

圖2 1981—2018年寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯全生育期氣候適宜度的空間分布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列出馬鈴薯不同等級氣候適宜度的面積及所占比例?？梢钥闯觯?8 a寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯氣候適宜度基本上處于較高水平，其中，溫度、日照、水分和綜合適宜度不適宜面積分別占中南部山區(qū)總面積的6.8%、6.9%、3.4%、15.6%，而適宜以上的面積分別占70.1%、67.9%、73.7%、72.9%，表明寧夏中南部山區(qū)大部都具有適宜生產(chǎn)馬鈴薯的獨特氣候優(yōu)勢。

表5 1981—2018年寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯不同等級氣候適宜度面積及其比例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 馬鈴薯適宜度區(qū)域特征及對策

固原市大部和中衛(wèi)市海原縣大部是馬鈴薯綜合適宜度的高值區(qū)，該區(qū)域氣溫適宜，降水充沛，日照偏少，屬冷涼氣候，熱量、水分條件十分適宜馬鈴薯生長，僅日照條件欠佳，但因日照與產(chǎn)量相關(guān)性不大，對馬鈴薯產(chǎn)量影響不大。該區(qū)域適合大力發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)，但需要注意馬鈴薯生長發(fā)育后期晚疫病的監(jiān)測防治。

同心縣大部、彭陽縣東部、鹽池縣南部的馬鈴薯氣候資源略差，主要是因為該區(qū)域溫度偏高，降水偏少，水分是限制該區(qū)域馬鈴薯生長發(fā)育的關(guān)鍵因子。建議該區(qū)域馬鈴薯稀植或采用滲水地膜技術(shù)，提高土壤水分含量，保障馬鈴薯水分需求。

鹽池北部地區(qū)不適宜種植馬鈴薯，該區(qū)域溫度偏高，日照充足，水分資源匱乏，馬鈴薯性喜冷涼，不耐高溫，關(guān)鍵生育期需水量大，因此不能滿足馬鈴薯生長的熱量和水分需求；另外六盤山山脊一帶，該區(qū)域海拔高，溫度偏低，日照偏少，降水偏多，熱量條件不足導(dǎo)致馬鈴薯難以成熟。建議該區(qū)域改種其他作物。

3 結(jié)論與討論

(1)近38 a寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯全生育期各氣候適宜度年際間波動明顯，但整體呈較弱降低趨勢。總體上，馬鈴薯生長發(fā)育所需的熱量和光照資源充足，水分條件較差且年際間變化幅度最大，對馬鈴薯生長的影響最不穩(wěn)定。

(2)從各生育階段看，苗期、分枝期—開花期、開花期—收獲期日照適宜度和溫度適宜度都較高，光熱資源充足，水分在各生育階段均最低且變異系數(shù)最大，表明水分是馬鈴薯各生育階段的主要限制因子。綜合光照、溫度、水分條件來看，分枝期—開花期是氣候條件影響馬鈴薯生長發(fā)育最不穩(wěn)定的時期。

(3)從空間變化規(guī)律看，全生育期內(nèi)日照適宜度呈現(xiàn)從北向南遞減趨勢，其他適宜度整體上從北向南遞增，溫度、日照、水分、綜合適宜度適宜以上的面積分別占70.1%、67.9%、73.7%、72.9%，最適宜區(qū)在西吉縣、海原縣和原州區(qū)大部、彭陽縣西部、隆德縣和涇源縣境內(nèi)除海拔較高的六盤山山脊外的大部地區(qū)。

寧夏中南部山區(qū)是寧夏回族自治區(qū)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，從南到北地貌及氣候條件復(fù)雜多樣，本文應(yīng)用適宜度隸屬函數(shù)對寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯氣候適宜度進行模擬，在計算降水適宜度時跟以往研究有所不同，前人多以降水量與作物需水量比值來表示降水適宜度[3,6,10,13-14]，本文通過引入降水量(灌溉量)剩余量[22]的概念，將降水適宜度的概念擴展為水分適宜度，確定了分階段的寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯水分適宜度的計算公式，模擬效果更符合實際也更為準(zhǔn)確。在計算綜合適宜度時利用加權(quán)平均法計算，權(quán)重系數(shù)由相關(guān)系數(shù)法獲得，相較幾何平均法對各氣象要素單因子適宜度進行簡單地幾何平均[3,6,13,17]，加權(quán)平均法的優(yōu)勢在于考慮了各氣象要素單因子適宜度對產(chǎn)量的影響，在計算綜合適宜度時更為合理，加權(quán)系數(shù)的確定方法也各有不同，包括通徑分析法[9]、相關(guān)系數(shù)法[5,10,14,26]等，其中以相關(guān)系數(shù)法確定權(quán)重系數(shù)居多。在分析寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯氣候適宜度的年際變化趨勢時，利用逐年溫度、水分、日照適宜度與馬鈴薯單產(chǎn)進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)水分和溫度與單產(chǎn)相關(guān)性大，光照貢獻率最低，而溫度適宜度多年均在最適宜范圍，因此水分是限制當(dāng)?shù)伛R鈴薯生長的主要因子，這與楊麗桃等[19]發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古武川縣降水適宜度變化幅度最大，導(dǎo)致水分是影響該地區(qū)的主要脅迫因子的研究結(jié)果一致，與王春玲[18]、金林雪等[21]對西北地區(qū)和內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯氣候適宜度年際變化規(guī)律進行研究時發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域光熱條件好于水分條件，且氣候適宜度總體呈下降趨勢的研究結(jié)果也一致，但與王春玲等[20]對甘肅省定西地區(qū)氣候適宜度呈上升趨勢的結(jié)果不一致，這可能與研究區(qū)域的氣候差異性和馬鈴薯品種特性有關(guān)。在氣候條件影響馬鈴薯發(fā)育期方面研究相對較少，本文發(fā)現(xiàn)分枝期—開花期是氣候條件影響寧夏馬鈴薯生長發(fā)育最不穩(wěn)定的時期，這主要是由于分枝期—開花期水分適宜度變異系數(shù)最大，這與金林雪等[21]研究發(fā)現(xiàn)氣候變化對內(nèi)蒙古馬鈴薯開花期—成熟期影響最大的研究結(jié)果不一致。綜合光照、溫度、水分條件進行空間區(qū)劃，寧夏中南部山區(qū)適宜馬鈴薯生長的面積接近總研究面積的73%，與王春玲[18]、馬力文等[23]對西北地區(qū)和海原縣馬鈴薯氣候適應(yīng)性區(qū)劃的結(jié)果也基本一致。

本研究存在一定的局限性，首先，未考慮到馬鈴薯品種差異、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害等因素對馬鈴薯生長的影響，僅從氣象角度進行適應(yīng)性評價；其次，將寧夏中南部山區(qū)作為一個整體得到氣候適宜度的總體變化趨勢，并未給出分縣域的氣候適宜度變化規(guī)律以及氣象因子影響排序，未來還需要進一步研究中南部山區(qū)各縣域影響不同品種馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子，為馬鈴薯產(chǎn)業(yè)調(diào)整種植布局，選擇更優(yōu)品種提供更為準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。