甘肅省河東地區玉米種植適宜性評價和區劃

許小明，徐玉霞，董 奇，秦少偉，霍軒琳

(寶雞文理學院/陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室， 陜西 寶雞 721013)

甘肅省河東地區作為西北地區重要的農業產地，玉米是該區第二大糧食作物。據統計，2013年播種面積為3.82×105hm2，約占全省玉米播種面積的80%，產量約占全省玉米總產量的67%，除隴南白龍江河谷川塬為夏玉米產地，其它都為春播玉米產區[1]。目前，甘肅省平均玉米單產穩定在5 500～6 000 kg·hm-2之間，隴東和隴南地區玉米單產較隴中地區偏高，影響玉米產量的主要因素除地區氣候條件和農業種植技術外，玉米對區域環境的生態適宜性也與產量存在一定的關系[2]。河東地區雨養農業區玉米產量很大程度上受制于局地氣候條件，多雨濕潤年農業豐產，少雨干旱年農業歉收，因此氣候波動影響下的玉米種植適宜性評價對指導當地農業生產活動具有重要意義。

地區氣候資源分布、變化特征、適宜程度與農業生產布局關系一直備受關注[3-6]。目前，有關玉米種植氣候適宜性評估和種植區劃方面的研究成果較多，國內劉丹、石淑芹、董博、肖瑋鈺、侯越、王路明等學者通過建立適宜性評價指標體系，運用數學方法并基于GIS空間分析技術對黑龍江省、吉林省、鎮原縣、西北地區、赤峰市、定邊縣等地玉米種植適宜性進行了等級區劃分析[2,7-12]。但多數研究選取選取的評價因子較少，其研究結論存在一定的局限性。本文基于農作物對氣候適宜性評價理論，通過對影響研究區玉米種植適宜性主要氣候因子分析，結合溫度、無霜期日數和生育期降水數據并借助GIS空間分析技術得出河東地區玉米種植適宜性區劃等級結果，以實現對河東地區玉米種植適宜性較為合理的評價。

1 研究區概況

甘肅省河東地區地處黃土高原西部與青藏高原東北緣的結合部，界于東經100°45′～108°42′、北緯32°35′～37°15′之間，地理位置獨特，是關中平原通往青藏高原、河西走廊、新疆乃至中亞地區的交通要道。地勢總體表征為西高東低，地貌環境復雜多樣，涵蓋甘南高原、臨夏—蘭州黃河谷地、隴東黃土高原和隴南秦巴山區。本區河流水系主要有黃河、渭河、洮河、白龍江、涇河等，多年平均降水量在200～1 000 mm之間，從西北向東南方向遞增，干濕度地帶性呈梯度變化，自北向南依次為半干旱、半濕潤和濕潤氣候區[13]。受東亞季風環流年際、季節波動影響，該區降水量存在顯著的周期性振蕩，干旱、洪澇等氣象災害發生頻次總體增加[14]。甘肅省河東地區為半干旱半濕潤雨養農業區，近年來研究區玉米種植范圍呈現逐漸擴大態勢。受區域自然地理環境條件差異影響，玉米種植適宜程度迥異[15]。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

(1) 研究區17個典型氣象測站1951～2015年近65年的月平均氣溫(℃)、4—9月年平均降水總量(mm)、≥10℃積溫總量(℃)和年平均無霜期日數(d)數據來自中國氣象科學數據共享網(http://data.cma.cn/)，由于部分氣象測站建站時間較晚，所取數據存在一定程度缺損，個別年份缺失數據通過插補獲得。

(2) 研究區DEM數字高程圖出自地理國情監測云平臺(http://www.dsac.cn/)，并借助GIS軟件提取獲得，行政底圖來自國家地球系統科學數據共享平臺(http://www.geodata.cn/)。

(3) 研究區春播玉米生育期、所需溫度、水分條件源自實地調查以及通過查閱相關資料獲取[9,15-19]。

2.2 研究方法

本文采用均值法并利用Origin 8.0軟件分析該區17個典型氣象測站近65a的年平均氣溫、4—9月份玉米生育期平均降水量、≥10℃積溫總量和年平均無霜期日數的空間分布特征，結合溫度、無霜期日數和生育期降水數據對不同測站玉米種植適宜性予以評價。通過對影響研究區玉米種植適宜性主要氣候指標分析，結合實地調查資料并借助GIS空間分析技術得出河東地區玉米種植適宜性區劃等級結果。

3 河東地區自然環境條件分析

3.1 地形地貌特征

研究區處于青藏高原東北緣山區、秦嶺緯向構造體系及六盤山構造帶結合部，總體地勢表現為西高東低，地形地貌復雜多樣。轄區內甘南高原位于地勢第一級階梯青藏高原東北邊緣，平均海拔在3 000 m左右，多有河流發源；臨夏—蘭州黃河谷地海拔較低，在1 520～2 000 m之間；隴東黃土高原海拔較低，大致為1 000～1 800 m，地表支離破碎，塬、梁、峁等地形兼備；隴南秦巴山區以山地、丘陵、河谷等地貌發育為主，總體海拔較低，文縣白龍江河谷段海拔降至500 m。

3.2 年平均氣溫、≥10℃積溫和年平均無霜期日數分析

通過對研究區17個測站自1951—2015年近65年來年平均氣溫進行分析，依據圖2(a)可得，不同測站年平均氣溫分布迥異。經計算，武都測站年平均氣溫最高，為14.81℃；其次為天水、麥積、蘭州、靖遠、崆峒、慶陽、環縣、臨洮、臨夏、榆中、會寧、岷縣測站，其年平均氣溫為5.92℃～11.02℃；華家嶺、瑪曲、郎木寺、合作測站年平均氣溫整體偏低，為1.21℃～3.73℃，尤其以郎木寺最低。

從圖1(見234頁彩圖)和圖2(c)可知，河東地區≥10℃積溫差異顯著，甘南高原地區最低，隴南河谷地帶積溫最高，其它地區居中，蘭州市、靖遠縣因位于黃河谷地積溫較周圍地區偏高。瑪曲、郎木寺、合作等地≥10℃積溫最低，在1500℃以下；其次為岷縣、臨洮、臨夏、華家嶺、會寧、榆中測站，≥10℃積溫在1 500℃～2 500℃之間；慶陽、崆峒≥10℃積溫為2 500℃～3 000℃，蘭州、靖遠、天水、麥積、環縣測站≥10℃積溫為3 000℃～3 500℃；武都測站活動積溫最高，為4 500℃～5 000℃。根據≥10℃積溫指標將研究區劃分為亞熱帶(>4 500℃)、暖溫帶(3 400℃～4 500℃)、中溫帶(1 600℃～3 400℃)和寒溫帶(<1 600℃)。

依據圖2(d)析知，河東地區年平均無霜期日數以武都測站最多，在220 d以上，瑪曲、郎木寺測站最少，基本無相對無霜期。根據玉米生育期最低天數(≥100 d)要求，將研究區17個氣象測站按照年平均無霜期天數劃分為兩類：無霜期<100 d的測站區不能種植玉米，為瑪曲、郎木寺、合作和華家嶺測站；根據≥100 d的測站無霜期日數迥異程度和早、中、晚熟制玉米品種所需無霜期總天數差異化特征，將其劃分為早熟玉米(100 d<無霜期天數≤120 d)和中晚熟玉米(無霜期天數≥120 d)測站區，分別為岷縣和除岷縣、瑪曲、郎木寺、合作、華家嶺測站之外的其它測站。

3.3 年平均降水量及4—9月年平均降水總量特征分析

年平均降水量是反映一地氣候的重要衡量指標之一，生育期降水量指大田農作物從播種出苗到成熟收獲的整個生長發育階段來自大氣的降水總量[20]，因不同農作物生育期時間長短迥異，故所需水分條件存在差異。河東地區屬北方旱作春播玉米區，玉米生育期主要在4—9月，因此，本文主要考慮該階段的降水量分布特征(表1)。

1-蘭州市；2-靖遠縣；3-榆中縣;4-臨夏市；5-臨洮縣；6-會寧縣；7-華家嶺；8-環縣；9-崆峒區；10-慶陽市；11-瑪曲縣；12-郎木寺；13-合作縣；14-岷縣；15-武都縣；16-天水市；17-麥積區1-Lanzhou City;2-Jingyuan County;3-Yuzhong County;4-Linxia City;5-Lintao County;6-Huining County;7-Huajialing;8-Huan County;9-Kongtong County;10-Qingyang City;11-Muqu County;12-Langmusi;13-Hezuo County;14-Min County;15-Wudu County;16-Tianshui City;17-Maiji District圖2 1951—2015年河東地區17個典型氣象測站年平均氣溫(℃)、4～9月份年平均降水總量(mm)、年平均≥10℃積溫總量(℃)和年平均無霜期日數(d)Fig.2 Annual mean temperature(℃), total precipitation volume of annual mean in 4～9 month(mm), annual average total amount of ≥10℃ accumulated temperature(℃)and the annual average number of frost-free days(d) about 17 typical meteorological stations in Hedong area of Gansu Province from 1951 to 2015

時間Time4月April中下旬Middleand last5月May上旬Early中旬Middle下旬Last6月June中旬Middle7月July上旬Early中旬Middle下旬Last8月August下旬Last9月September中旬Middle生育期Growth period播種Sow出苗Emergence三葉Three leaves七葉Seven leaves拔節Jointing抽雄Tassel—開花Bloom乳熟Milking maturity成熟Mature

從圖1(見234頁彩圖)年等降水量線可得，河東地區年平均降水量在空間分布上從東南向西北方向遞減。其中，隴南武都測站及其附近秦巴山區、河谷地帶降水量最高，超過800 mm，為濕潤氣候區；天水、麥積、瑪曲、郎木寺測站年平均降水量為600～800 mm，屬半濕潤向濕潤氣候過渡區；慶陽、崆峒、會寧、華家嶺、臨洮、臨夏、合作、岷縣測站年平均降水量在400～600 mm之間，屬典型半濕潤氣候區；蘭州、靖遠、榆中、環縣測站年平均降水量為200～400 mm，屬半干旱氣候區。

通過對研究區17個測站1951—2015年近65年來4—9月平均降水總量進行分析，依據圖2(b)并經計算可知，郎木寺近65年來4—9月平均降水總量最高，為670.26 mm，靖遠測站最低，為200.64 mm。其中，玉米生育期降水量≥400 mm的測站包括臨夏、臨洮、華家嶺、崆峒、慶陽、瑪曲、郎木寺、合作、岷縣、武都、天水、麥積，降水量在300～400 mm的測站有榆中、會寧、環縣，降水量<300 mm的測站為蘭州和靖遠。

4 玉米種植適宜性分析

依據滿足玉米生育階段所需熱量和水分條件并參照相關研究成果[4,6,12,21]，認為玉米生育期≥10℃積溫超過2 000℃、降水量≥400 mm是保障玉米植株健康生育、糧食高產穩產的基本條件。相反，地區玉米生育期溫度偏低(≥10℃積溫低于2 000℃)和降水量偏少(<400 mm)都會嚴重制約玉米正常生育。

根據圖2中分析結果并結合玉米生育期基本溫度、降水條件得出，河東地區17個氣象測站玉米種植適宜性程度差異明顯。按照該區玉米種植適宜程度高低將其劃分為4個等級，其中最適宜級1個測站(慶陽市)，適宜級6個(崆峒區、天水市、麥積區、臨夏市、臨洮縣、武都區)，次適宜級7個(環縣、岷縣、會寧縣、華家嶺、榆中縣、靖遠縣、蘭州市)，不適宜級3個(瑪曲縣、合作縣、郎木寺)。作為能夠反映河東地區自然地理環境條件的17個典型氣象測站，對其玉米種植適宜性評價能夠窺測該區整體玉米適宜程度狀況。

根據圖1(見234頁彩圖)河東地區地形特征、≥10℃積溫、年等降水量線分布趨勢和圖2對17個測站近65年年平均氣溫、4—9月份玉米生育期平均降水總量、年平均無霜期日數及玉米種植適宜性分析結果，并參照各區(縣)玉米生育期基本溫度、降水條件，運用GIS空間分析技術，按照自然斷點法對研究區玉米種植適宜性進行等級區劃，分為最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區4個等級(圖3)。

從圖3可知，河東地區玉米種植最適宜區范圍狹小，密集分布在平涼市和慶陽市南部區域，為正寧縣、寧縣、涇川縣、靈臺縣、崇信縣和慶陽市區。該區域自然環境條件優越，地貌類型以黃土塬為主，海拔較低，地理位置偏東，受東南太平洋暖濕氣流影響，溫度條件較好(年平均氣溫為8.7℃，≥10℃積溫超過3 000℃)，降水量適宜(年平均玉米生育期降水量為450 mm左右)，屬典型暖溫帶半濕潤氣候區，旱澇災害發生頻次較少，優越的自然環境條件能夠保障玉米高產穩產。

玉米種植適宜區主要分布在隴東黃土高原大部、隴南秦巴山區(兩當縣除外)和臨夏回族自治州大部分地區。該區海拔適中(800～1 800 m之間)，自然環境條件較好，屬中溫帶、暖溫帶半濕潤氣候區。隴東黃土高原和隴南秦巴山區地處迎風坡，降水量較多(500～700 mm)，河流水系較發育，且靠近關中平原與陜南漢水谷地，海拔較低，熱量充足，能夠較好滿足玉米生育期所需水分、熱量條件。西部臨夏回族自治州因地處甘南高原與黃土高原結合部，海拔較高，熱量較隴東地區低，≥10℃積溫為2 200℃～2500℃左右，但仍能滿足玉米生育階段所需熱量，夏季甘南高原季節性冰雪融水為本區玉米種植提供充沛灌溉水源，因其溫度較低，減少了田間土壤水分蒸散量，對玉米種植比較有利。

圖1 河東地區地形地貌特征、氣象站點分布、≥10℃積溫曲線及年等降水量線Fig.1 Topography and landform character, distribution of meteorological stations, curve of ≥10℃ accumulated temperature and annual precipitation line in Hedong area

圖3 河東地區玉米種植適宜性等級區劃Fig.3 Graded regionalization on suitability of maize planting in Hedong area

玉米種植次適宜區集中分布在隴中黃土高原、另有零星分布如環縣、兩當縣、和政縣、康樂縣。隴中黃土高原≥10℃積溫在2 000℃～2 500℃之間，溫度條件能夠滿足玉米生育期熱量需求，年平均降水量為300～500 mm，玉米生育期(4—9月)平均降水總量為250～400 mm，低于玉米高產穩產生育期所需基本水分臨界值。作為受季風氣候影響的尾閭區，因大氣環流和地區降水年際波動影響，農業氣象災害頻發，據歷史資料統計，該區干旱災害發生頻率較高[13]，因此農戶種植玉米存在較大風險。環縣地處隴東黃土高原北部，年平均降水量小于400 mm，受水分條件限制，不能滿足玉米正常生育所需水分需求，兩當縣位于秦嶺腹地，和政縣和康樂縣地處青藏高原東北緣中山地帶，海拔較高，熱量不足，早霜時間較早(9月份)，晚霜時間較晚(5月份)，≥10℃積溫偏低，為1 500℃～2 000℃，玉米生育期易出現低溫冷害現象。

玉米種植不適宜區主要分布在甘南高原。甘南高原平均海拔3 000 m左右，≥10℃積溫低于1 500℃，熱量條件明顯不足，尚難滿足玉米生育期溫度需求，因此該區不適宜種植玉米。

5 結論與討論

5.1 討 論

5.1.1 溫度條件與玉米種植適宜性關系 溫度條件從根本上決定了地區作物栽培范圍、熟制、品種選擇和糧食產量，年平均氣溫、≥10℃積溫和無霜期日數是構成對玉米種植具有重要影響程度的因子。一般來說，中晚熟玉米品種所需活動積溫為2 300℃～2 600℃、無霜期日數≥120 d，河東地區如隴南秦巴中低山區、隴東黃土高原區熱量條件完全滿足玉米生育期需要。隴中黃土高原區及青藏高原東北緣向黃土高原過渡區(如岷縣、漳縣、和政、康樂、渭源等地)因海拔較高，≥10℃積溫為2 000℃～2 500℃、無霜期為100～120 d，為避免低溫霜凍災害發生，本區適宜種植早熟玉米品種。近年來，隨著全球氣候逐漸變暖，地區熱量增加，另外伴隨著玉米種植技術措施的改善，如在晚霜凍前播種、玉米育苗移栽和地膜覆蓋技術，該區大部分農戶改種中熟玉米品種。甘南高原因溫度條件限制不適宜種植玉米。作為喜溫又對溫度敏感的玉米作物，不同生育期、不同品種對溫度要求存在差異。和政縣、康樂縣、臨夏等冷涼地區可通過采取地膜覆蓋技術提高地表積溫總量，以防御冷害和降低霜凍災害的發生頻率[19]。隴南地區水熱組合條件好，但受夏季高溫灼熱影響，在一定程度上影響了春播玉米的品質和產量，如果考慮最熱月平均溫度和極端高溫對玉米植株生育的影響，則更能夠較好地反映地區玉米種植的氣候適宜性，這也是未來研究中應關注的問題。

5.1.2 水分條件與玉米種植適宜性關系 玉米生育期降水量多少對地區玉米種植及產量豐歉至關重要，根據玉米生育期所需水分條件要求，最適降水量為400～640 mm，低于400 mm或高于640 mm均會影響玉米產量和品質。隴東黃土高原區(環縣除外)和隴南秦巴山區降水條件能夠滿足玉米生育期水分需要，地區玉米種植適宜度較高。隴中黃土高原區年平均降水量為400～600 mm，玉米生育期(4—9月)降水總量在300～400 mm左右，滿足玉米生育期水分條件需求尚存在一定虧欠。近年來，隨著農業生產技術的改進和農田水利設施的興建，該區玉米種植范圍呈擴大趨勢，如定西市采取集雨補灌措施并規模化推廣全膜雙壟溝播玉米種植技術[17]，有效減少了土壤水分蒸散量和促使玉米植株對水分利用效率得到提高。另外推廣早熟抗旱玉米品種，因其熟期短，需水量較少，在一定程度上能夠較好地適應當地的氣候條件[22]。隴東黃土高原北部、隴中黃土高原東部及隴南地區熱量資源豐富，受華西秋雨影響，9、10月降水較多，可通過推遲玉米播種期以充分利用多雨時段的水分，從而實現玉米增產穩產。蘭州市和靖遠縣因水分條件不足，玉米種植區僅分布在黃河河谷地帶，以灌溉農業為主。隴中黃土高原區因地處半濕潤與半干旱區過渡帶，干濕度地帶分異年際變化較大，該區應根據不同玉米品種、熟制對水分條件的適宜性差異，對春播玉米面積予以適當增減調整，以適應氣候變化。此外，受東亞季風環流年際、季節波動影響，近年來該區干旱、洪澇等氣象災害發生頻次增加，對當地玉米種植帶來不利影響[23]。

5.2 結 論

甘肅省河東地區玉米種植適宜性評價和區劃研究結果表明：

(1) 年平均氣溫、玉米生育期平均降水總量、≥10℃積溫總量和年平均無霜期日數是影響地區玉米種植適宜程度的4個主導氣候因子。依據玉米生育期溫度、無霜期和降水指標，將河東地區玉米種植按照適宜程度高低劃分為4個等級，依次為最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區。

(2) 研究區玉米種植適宜性等級總體表征為東高西低，最適宜區范圍最小，密集分布在平涼市和慶陽市南部區域，為正寧縣、寧縣、涇川縣、靈臺縣、崇信縣和慶陽市區；適宜區主要分布在隴東黃土高原大部、隴南秦巴山區(兩當縣除外)以及臨夏回族自治州大部分地區；次適宜區集中分布在隴中黃土高原，另有零星分布如環縣、兩當縣、和政縣、康樂縣；不適宜區主要分布在甘南高原。

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