基于GIS的山西谷子種植氣候區劃分析

韓小英 ，張 蕾 ，韓偉宏 ，高 洋 ，喬 月 ，蘆艷珍

（1.山西省農業科學院農業資源與經濟研究所，山西太原030006；2.山西省農業科學院旱地農業研究中心，山西太原030031）

谷子（Setaria italica），古稱稷、粟、粱，起源于黃河流域，其耐旱、耐瘠薄、抗逆性強、適應性廣[1-4]，營養豐富，用途廣泛，在我國山區旱地種植集中，是原產糧飼兼用作物和營養保健作物[5]。谷子主要在我國北方地區種植，居小雜糧之首[6]。谷子是山西主要糧食作物之一，地域優勢明顯，在主食產品和康養產業中地位突出，其種植面積和產量僅次于玉米和小麥，在全國排名前二[7]。近幾年，受市場波動和氣候等影響，山西谷子種植面積和總產量均出現下滑，影響了谷子產業的健康發展，做好谷子產業優勢區布局研究，加強優勢區建設，對促進產業轉型升級、調優產業結構、穩定糧食產量、改善膳食結構和促進增產增收具有重要作用和意義。

為進一步明確全省谷子種植優勢區域，優化產業布局和資源配置，全面提升山西省谷子產業規模、效益與市場競爭力，推進山西谷子產業集群發展、融合發展，本研究采用地理信息系統（GIS）技術和數理統計方法，對全省109個地面氣象觀測站近38 a來的氣象資料及相應的地理信息資料進行匯總分析，建立了地理信息和氣候資源數據庫，在此基礎上，用Fortran程序設計語言編寫插件[8]，并運行計算氣候要素值，利用GIS統計分析工具建立了氣候要素與地理因子的小網格（200 m×200 m）空間分析模型，計算生成山西省平均氣溫分布圖、日均溫≥10℃積溫分布圖和谷子生育期降水量分布圖等氣象要素圖件，各圖層能夠充分表達小網格尺度范圍各自然地理氣候的綜合特征，從氣候適宜指數時空分布特征和谷子生長發育的氣象適宜性評價入手，分析探討谷子種植的氣候適宜性時空分布規律，并進行適宜性分區，以期為山西省谷子有機旱作發展規劃提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 數據來源

基礎地理信息資料采用國家基礎地理信息中心提供的1∶25萬山西省基礎地理數據、SRTM90 m分辨率的DEM高程數據和全省縣級政區圖。氣候數據采用山西省109個氣象站點1979—2016年連續38 a的近地面氣候觀測資料日值數據和站點地理信息資料，統一使用2000國家大地坐標系。

1.2 研究方法

通過對缺測數據進行修正處理，對源數據進行核校，以確保氣象資料的系統、完整、準確、可靠。再用Fortran程序設計語言編程，對0～5 cm地溫、日均溫、日氣溫最高值和最低值、年降水量、≥10℃的活動積溫、日照時數、無霜期等氣象資料數據進行統計匯總，人工核校，建立區劃指標標準數據庫。最后利用ArcGIS 10.2軟件，把DEM高程數據進行柵格重采樣，處理為空間分辨率為200 m的高程數據，借助GIS的三維數據空間分析工具和統計方法，用以上高精度地理數據建立數據空間指標，空間統計分析模型，進行谷子種植適宜性分區評述。

1.3 谷子種植氣候區劃指標分析與確定

1.3.1 ≥10℃活動積溫 谷子耐旱喜溫，對熱量要求較高，通常完成生長發育的活動積溫（≥10℃）為1 600～3 800℃[9]。不同生育期活動積溫對谷子生長發育影響明顯，反映在谷子最終產量上，積溫對出苗至拔節期的影響最大，產量與生育期中的活動積溫呈極顯著正相關，活動積溫每變化100℃，每公頃產量相差210 kg。

1.3.2 生育期平均氣溫 谷子發芽的最低溫度為7～8℃，最適溫度是15～25℃，最高溫度為30℃[10]，當地面10 cm表土溫度穩定通過10℃時即可播種，氣溫低于2℃時谷苗易被凍死[11]，出苗至分蘗期最適溫度為20℃左右，拔節至抽穗期最適宜氣溫為22～25℃，開花期最適宜氣溫為18～22℃，灌漿期以日平均氣溫20℃為宜，低于20℃或高于23℃對灌漿不利，容易形成癟谷[12]。晝夜溫差大有利于干物質積累，促進粒大飽滿。不同品種生育期差別很大，一般春播生育期為120～150 d，夏播生育期為 90～110 d。

1.3.3 降水量 盡管谷子比較耐旱，苗期能忍受暫時的嚴重干旱，蒸騰系數也小，遠低于高粱、玉米和小麥，但降水量仍然是影響谷子產量的一個很重要的因素。山西春夏季蒸發量大，谷子全生育期降水量達350 mm以上時，才能滿足谷子正常生長需求[13]。苗期適宜降水量為50 mm左右，拔節期為95 mm左右，抽穗期為80 mm左右，成熟期為65 mm左右。谷子目標產量為2 100 kg/hm2時需要降水量在430 mm以上，其中，夏季降水量要達到260 mm以上。拔節至抽穗期需水量占全生育期需水量的50%～70%，故夏季降水量對產量影響最大。但谷子也怕澇，尤其在生育后期，土壤水分過多，會發生爛根，病害增強，造成早枯死苗。

1.3.4 無霜期 谷子生長發育所需的無霜期一般不低于110 d，無霜期低于110 d的地區大多是海拔較高、氣候較低的冷涼地區，會影響谷子的正常生長發育。

1.3.5 氣候區劃指標的確定 根據谷子生長發育所需的氣候條件和我們多年來的研究觀測資料進行統計檢驗，選取谷子全生育期4—10月平均氣溫、≥10℃積溫、4—9月降水量及無霜期等作為區劃指標。

1.4 數據處理

采用IBMSPSS Statistics 24軟件進行多元線性回歸分析，并用ArcGIS 10.2進行地理數據分析及制圖。

2 結果與分析

2.1 谷子種植農業氣候適宜性分區評價

以谷子4—10月平均氣溫、≥10積溫、4—9月降水量及無霜期為區劃指標，對山西省谷子生產區進行農業氣候適宜性分區評價，結果如表1所示。

表1 谷子種植農業氣候區劃適宜性分區評價

2.2 建立資源小網格空間分析推算模型

山西省地處溫帶大陸性季風氣候區，南北跨6個緯度，山高溝深，光熱水條件差異很大。氣候受緯度、海拔高度和地形等因素影響，空間差異復雜多樣且明顯[14]，109個站點的氣候資料只能代表臺站附件區域內的氣候特征，不能全面準確地反映各縣氣候資源的立體多樣性特征，也不能很好地滿足山西省谷子種植精細分區的要求。為能夠客觀地描述山西谷子種植氣候區劃的各指標因子在全省的實際分布，本研究采用全域和分區建模相結合的辦法，通過GIS系統，利用漁網工具（Creat Fishnet），創建200 m×200 m的小網格，提取出每個小網格的經度、緯度、海拔高度、坡度和坡向網格數據，再疊加鄉鎮界、縣界等地理信息數據，運用IBMSPSS Statistics 24軟件[15]，以經緯度、海拔高程、坡度和坡向等地理因子作為自變量，氣候因子區劃指標為因變量，建立山西省谷子氣候區劃指標的多元線性回歸數學推算空間分析模型[16]（表2）。

氣候因子和地理因子的關系模型表達式[17]如下。

式中，Z為氣候因子的實測值；地理因子：φ為經度（°）、λ 為緯度（°）、h為海拔高度（m）、β為坡度（°）、θ為坡向；ε為綜合地理殘差，其表達式[18]如下。

表2 山西省谷子種植氣候區劃指標空間分析模型

從表2可以看出，各指標因子模型方程的復相關系數在0.729～0.960之間，F檢驗值為55.369～489.157，均達顯著水平。表明方程回歸效果較好，可以用于小網格推算。

根據表2中的模型表達式，計算出109個氣象站點的區劃指標因子模擬值，再通過公式（2）計算得到其殘差值并進行殘差訂正，以各氣象站點的殘差值為樣本，利用GIS的空間插值方法-反距離權重插值法（IDW）內插出200 m網格殘差柵格圖，內插公式如下。

式中，s0為待求插值點，■（s0）為 s0處的殘差值，n為殘差計算過程中要使用的殘差點周圍樣點的數量，Z（si）為在si處獲得的殘差值，P為權重指數值，P值通常為2，di0為待求插值點s0與各已知樣點si之間的距離。

根據公式（2）計算出200 m×200 m網格的區劃指標模擬值，再利用IDW內插出模擬值柵格圖[19]，計算各氣候區劃因子在無測站區域的數據分布狀況，解決了傳統區劃資料中以點代面的問題，確保每個網點上的氣候資源值是相對精準的，再將模擬值柵格圖和殘差值柵格圖用柵格計算器疊加運算，最后繪制出各氣候區劃指標值空間分布圖（圖1、2、3、4）[20]。將其與全省典型地區多年生產實際進行分析比對，二者空間分布趨勢呈現一致性，證明推算模型具有良好的統計學意義和現實意義。

2.3 谷子種植適宜性分區

根據圖1、2、3、4繪制的4個分區指標因子柵格圖和表1中的區劃指標值進行重聚類，按照谷子最適宜種植區、適宜種植區、次適宜種植區及不適宜種植區的分級標準分別給各區劃指標因子賦值為4、3、2、1分。以 4—10月平均氣溫為例，當 4—10月平均氣溫≥20℃時賦值4分、≥18℃＜20℃時賦值3分、≥16℃＜18℃時賦值2分、＜16℃時賦值1分，以此類推，將圖1～4中的各區劃指標柵格圖進行重聚類，采用GIS的柵格計算器，對各圖層的柵格進行提取疊加和重分類運算，生成新的分值疊加圖，結合谷子專家建議，對谷子的氣候指標進行綜合分析，按照總分值的大小進行等級劃分（表3）。在此基礎上，并給不同的區域賦予不同的顏色，疊加山西省縣界、鄉鎮界數據等，繪制出山西省谷子氣候適宜性分區圖（圖5）[20]。

表3 山西省谷子種植適宜性分區綜合指標值

2.4 分區述評

通過分區綜合指標值，采用單因子權重和綜合權重分值綜合評價，采用GIS分區技術，將山西省谷子種植區劃分為4個類型區（圖5），并進行分區述評。

2.4.1 最適宜種植區（Ⅰ） 谷子最適宜種植區主要分布在長治、晉城、臨汾、陽泉大部分地區，運城的垣曲、夏縣等區域及呂梁地區部分區域。該區域年平均氣溫為8～12℃，≥10℃積溫在3000～4000℃，年降水量在500～650mm，日照時數2300～2500h，無霜期為150～217 d，海拔為700～1 100 m。該區熱量資源豐富，雨量充沛，水熱資源豐富，非常適宜谷子生長，是全省優質谷子生產優勢區。

2.4.2 適宜種植區（Ⅱ） 適宜種植區主要分布在運城、晉中、太原大部分區域，忻州的原平、忻府區、河曲縣、保德縣等區域以及朔州的山陰縣、朔城區、應縣、懷仁縣等區域。該區域年平均氣溫為6～14℃，≥10℃積溫在2 500～3 000℃，年降水量在400～550 mm，日照時數為2 500～2 700 h，無霜期為110～160 d，海拔為400～1 200 m。該區能滿足大多數谷子品種生長發育的要求，適宜優質谷子生產種植，是僅次于最適宜種植區的谷子生產優勢區。

2.4.3 次適宜種植區（Ⅲ） 次適宜種植區主要分布在天鎮縣、陽高縣、大同縣、左云縣、右玉縣、平魯縣、偏關縣、神池縣、五寨縣、寧武縣、岢嵐縣、靜樂縣、廣靈縣、渾源縣、繁峙縣、代縣等縣（區）部分區域，該區域年平均氣溫為5～8℃，≥10℃積溫為2 000～2 500℃，年降水量為400～500 mm，日照時數為2 700～2 900 h，無霜期為110～140 d，海拔為1 100～1 500 m。該區氣溫較低，干旱冷涼，多風沙，海拔較高，可以種植生育期較短的谷子品種，產量和品質都比最適宜種植區和適宜種植區差一些。

2.4.4 不適宜種植區（Ⅳ） 不適宜種植區主要分布在五臺山、蘆芽山、恒山等地區，該區域氣候高寒，年平均氣溫小于5℃，≥10℃積溫小于1 500℃，年降水量不足370 mm，日照時數2 900 h左右，蒸發量大，無霜期短（80～100 d），多數地區海拔大于1 500 m，不適宜種植谷子。

3 結論與討論

本研究采用山西省1979—2016年近38 a的近地面觀測日值數據，把4—10月平均氣溫（℃）、4—9月降水量（mm）、≥10℃積溫（℃）及無霜期（d）等氣候因子作為谷子種植氣候適宜性區劃指標，借助GIS的三維數據空間分析工具和統計方法，建立了氣候要素與地理因子的小網格尺度推算模型，通過GIS空間統計分析方法，把山西省谷子種植的氣候區劃分為最適宜種植區、適宜種植區、次適宜種植區和不適宜種植區4個類型，并做了典型地點數據核校，繪制出山西省谷子種植氣候區劃圖，分區結果表明，山西省大部分地區適宜種植谷子，種植谷子的海拔主要分布在400～1 200 m。最適宜種植區主要分布在熱量豐富、雨量充沛、水熱資源協調性好的長治市、晉城市、臨汾東西兩山低山區、陽泉市及運城的垣曲縣、夏縣等區域，呂梁市部分區域，可春播和夏播；適宜種植區主要分布在運城、晉中、太原大部分區域，忻州的原平、忻府區、河曲縣、保德縣等區域，朔州的山陰縣、朔城區、應縣、懷仁縣等區域。該區能基本能滿足大多數谷子品種生長發育的要求，適宜優質谷子生產種植。次適宜種植區主要分布在氣溫較低、氣候較干旱、海拔較高的山西省北部大部分地區，該區可以種植抗旱性好、生育期較短的谷子品種，只能春播，且產量較低，不建議大規模發展谷子種植；五臺山、蘆芽山、恒山等地區是不適宜種植谷子的區域。全省各地要充分發揮當地氣候資源優勢，調整和優化谷子的種植結構，合理布局，科學發展。

目前，山西省基于GIS技術的谷子專題區劃研究還未見報到，境內地形起伏大，縱跨6個緯度，氣候的垂直差異和水平差異變化大，局地小氣候類型多樣且典型，在實際生產中除了需要大量觀測點的信息還需要得到具體面域上任意一點或小區域的氣候環境信息，因氣象站點之間分布距離遠近相差較大，而實際氣象資料一般只有在氣象觀測站點才有，以往區劃研究中由于所用的資料數據基本為氣象站點觀測資料，其結果局限性大，地理分異不精準。所以資料遠不能滿足指導局地生產的精細化分區需要。本研究利用高精度數字高程模型及109個氣象站點的多年觀測資料，建立數學模型，計算出每個200 m×200 m的小網格點上的局地小氣候地理信息數據（溫度、降水、坡度、坡向、高程等），繪制出各氣象要素小柵格圖層，由于網格小，能較準確地反映精細化農業氣候區劃成果，使得區劃結果更精準、更合理。

在對作物進行氣候區劃時，區劃指標是影響區劃結果的關鍵，由于谷子不同品種所需的種植環境差異較大，目前在谷子的氣候適宜性區劃指標方面沒有形成統一的標準，在這方面的研究報道也很少見，光照、溫度、水分是影響作物生長發育的主要氣候因子，因此，本研究從各種資源綜合考慮，盡可能地完善谷子種植的氣候適宜性指標，使區劃指標愈加趨于合理、客觀，能同生產實際更吻合，更具有實用價值。

谷子適宜性種植的區劃指標除了與氣象條件密切相關，土壤土質條件、地表水資源、經濟因素、市場資源配置等實際情況也不可缺少，由于此類指標缺少定量統計數據，區劃過程中，只考慮了氣象要素及地理要素，社會經濟要素沒有考慮，這可能會導致小尺度范圍內區劃結果與生產實際有不太吻合的區域出現，在以后的研究中會進一步深入挖掘探討，完善細化指標結構和標準，使區劃結果更精準。因此，本研究的區劃結果中的適宜種植區只是相對于農業氣候條件上的適宜區，極少數地區會與實際種植情況有一些差異。

科學合理地發展優質谷子生產，可以全面提升山西省優質谷子的市場競爭能力和綜合生產能力，實現高產高效，增產增收，保障優質糧食供給安全，推動農業產業健康可持續發展，助力鄉村振興。