基于GIS的寧夏皮燕麥種植氣候適宜性分析

趙金龍 汪進欣 馬力文

摘要：為合理利用氣候資源，發揮氣象為農服務作用，科學規劃寧夏皮燕麥產業發展。利用寧夏中南部地區2017—2018年皮燕麥產量和氣象數據，通過相關性分析方法確定寧夏皮燕麥種植氣候適宜性區劃指標，再根據寧夏23個地面氣象站1981—2010年氣候資料和地理信息數據模擬區劃指標空間分布。綜合各指標權重，通過柵格運算獲得寧夏皮燕麥種植氣候適宜性區劃圖。結果表明：寧夏皮燕麥種植氣候適宜區主要分布在寧夏南部冷涼山區，次適宜區主要分布在寧夏中部干旱少雨地帶，不適宜區主要分布在寧夏中北部黃河平原。本研究結果為合理規劃寧夏皮燕麥產業布局，新品種引種和推廣種植提供了科學依據。

關鍵詞：皮燕麥；氣候適宜性；區劃；寧夏；GIS

中圖分類號：S162.2文獻標志碼：A論文編號：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

燕麥（Avena sativa L.）是全球第六大種植作物[1]，分為皮燕麥（帶稃型）和裸燕麥（裸粒型）兩類[2-3]，具有耐干旱、耐貧瘠、耐鹽堿的特點。燕麥籽粒含有豐富的營養成分，可降低膽固醇[4]，其蛋白質含量最高可達20%，是小麥、大米的1.6～2.3倍[5]。燕麥是中國西部半干旱地區主要雜糧作物[6]，在農業生產中具有重要地位[7]。寧夏回族自治區位于黃土高原與內蒙古高原的過渡帶，為溫帶干旱半干旱氣候，發展燕麥產業對促進農民增收[8]、實現全面脫貧具有重要意義。

作物的產量和品質不僅取決于其自身遺傳特性，還與氣候環境密切相關。GIS技術可以對有限的地面氣象站數據進行模擬獲得其空間分布特征，在雜糧作物區劃方面應用廣泛。敖芹等[9]在GIS平臺繪制了貴州酒用高粱種植氣候適宜性區劃圖；曹毅等[10]利用GIS將山西省高粱種植區劃分為早熟、中早熟、早晚熟和晚熟區；馮美臣等[11]利用主成分分析法構建蕎麥綜合品質評價模型，基于GIS對晉中地區的蕎麥綜合品質進行氣候區劃；何燕等[12]采用GIS技術對廣西種植巴西陸稻IAPAR-9進行氣候區劃。此外，還有學者基于GIS對糜子[13]、大麥[14]、青稞[15]在陜西、甘肅、西藏等地的種植適宜性進行了研究，而目前關于燕麥區劃方面的研究較少。為充分利用氣候資源，合理規劃燕麥產業發展，本研究通過分析寧夏皮燕麥產量與氣候因子的相關性，確定影響皮燕麥產量的關鍵氣候因子和區劃指標。基于寧夏23個地面氣象臺站30年（1981—2010年）觀測資料和地理信息數據推算獲得寧夏皮燕麥種植氣候適宜性區劃，以期為寧夏農業生產部門合理調整作物種植結構、發展優質特色雜糧作物提供科學依據。

1資料和方法

1.1研究區概況

寧夏回族自治區（104°17′—107°39′E，35°14′—39°23′N）位于中國西部黃河中上游地區，南北相距456 km，東西相距250 km，總面積約6.64×104km2。地勢南高北低，平均海拔1000 m以上。土壤類型主要為草甸土、灰鈣土、黑壚土、白僵土。年平均氣溫在5.4～9.9℃之間，呈北高南低分布，冬冷夏熱，年較差大。年平均降水量在180～600 mm之間，自北向南遞增。寧夏南部原州區、西吉縣、彭陽縣、隆德縣、涇源縣植被覆蓋度較高，氣候冷涼、陰濕多雨，是寧夏皮燕麥主要種植地區。

1.2資料來源

地理信息數據采用國家基礎地理信息中心提供的1：100萬寧夏基礎地理數據，高程數據采用30 m空間分辨率ASTER GDEM數據。

氣象數據采用寧夏氣象局信息中心提供的1981—2010年寧夏23個地面氣象臺站逐年觀測資料，以及2017—2018年西吉、鹽池、固原、彭陽、海原、同心 6個試驗點平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、平均相對濕度、最小相對濕度、平均2分鐘風速、日照時數等逐日觀測資料。

皮燕麥參試品種為‘NPY17-01’、‘NPY17-02’、‘NPY17-03’、‘NPY17-04’、‘NPY17-05’，于4月11日—5月3日播種，7月7日—8月12日成熟，同一試驗點兩年播期相同。小區面積為2 m×5 m，采取隨機區組排列，設3次重復，重復間距100 cm，區組間距80 cm，其測產數據由寧夏固原農科院提供。

1.3氣候條件

燕麥適宜在涼爽的氣候條件下種植生產[16]，不耐高溫，分蘗期溫度過高，會導致燕麥次生根發育不良，影響有效分蘗和穗數。抽穗到開花期溫度在18～ 24℃，促進小穗形成、小花分化。灌漿期溫度在14～ 15℃，促進干物質積累、籽粒飽滿[17]。全生育期要求≥5℃積溫在1400℃以上[18]。

燕麥是長日照作物，平均日照不少于12 h。在拔節期前光照充足促進光合作用、營養物質合成。抽穗期光照時間長，可提前抽穗、提早成熟。開花、乳熟期喜晴朗，忌連陰雨[18]。

燕麥在開花、灌漿期對水分敏感，抽穗前后要求相對濕度57%～68%，其蒸騰系數為58～676，僅次于水稻[19]。土壤水分脅迫會導致燕麥旗葉光合速率、蒸騰速率和氣孔導度等不同程度降低[20]，影響產量和品質。全生育期需水量在280 mm以上，但在干旱情況下，燕麥調解水分能力很強，可忍耐較長時間干旱[18]。

1.4氣候區劃指標

從田間試驗來看，寧夏皮燕麥生育期約78～113天，其中播種到出苗10～15天，出苗到拔節30～35天，拔節到抽穗15～25天，抽穗到開花3～8天，開花到成熟20～25天。種植區氣候、土壤條件及品種遺傳性狀差異對皮燕麥產量均有一定程度影響。通過對寧夏2017—2018年皮燕麥產量進行單因素方差分析，選取綜合表現較好的品種‘NPY17-04’進行區劃。圖1給出了各試驗點皮燕麥產量，其中產量最高地區為西吉縣，適宜大力發展皮燕麥。

根據文獻對內蒙古[18]、青海[21]等地燕麥生長的氣候條件記載，結合寧夏皮燕麥實際生產情況，對皮燕麥‘NPY17-04’產量與發育期氣候因子進行相關性分析，選取通過P<0.01顯著性檢驗的5—6月降水量、6—7月最高氣溫≥32℃日數、4—8月平均最高氣溫作為區劃指標，并將區劃等級分為適宜區、次適宜區、不適宜區3個級別，分別賦值T為3、2、1，如表1所示。將各指標相乘結果作為皮燕麥綜合適宜性評價指標P。

1.5氣候要素的小網格推算方法

氣候受緯度、地形地貌等條件影響存在明顯的空間差異[10]。現有的寧夏地面氣象臺站數量有限，難以準確反映寧夏全區氣象要素的分布特點。因此，本研究利用寧夏23個地面氣象站點1981—2010年觀測資料，在80%保證率下通過公式（1）建立各因子氣候區劃推算模型（表2），基于ArcGIS平臺將自動氣象站數據推算至寧夏全區30 m×30 m網格，實現對無氣象資料地區的精細化估算。

Y=f（φ，λ，h）+ε…………………………………（1）式中，Y為氣候區劃因子，φ為緯度，λ為經度，h為海拔，f（φ，λ，h）為氣候學函數。ε為殘差項，通常代表小地形（坡度、坡向等）及下墊面對氣候的影響[22]。各指標模型均通過P<0.01顯著性檢驗。

2結果與分析

2.1區劃指標空間分布

2.1.1降水量降水受地形、地貌、海拔等影響較大，總體呈現南多北少的分布趨勢（圖2）。5—6月為皮燕麥營養生長生殖生長并進階段，生長旺盛，是皮燕麥需水臨界期，降水量超過90 mm的地區主要在原州區、西吉縣、彭陽縣、涇源縣、隆德縣，水分充足有利于皮燕麥生長。降水量在60～90 mm之間的地區主要在鹽池縣、紅寺堡區、同心縣、海原縣北部，水分條件稍遜但皮燕麥仍可成熟。降水量不足60 mm的地區主要在平羅縣、永寧縣、中寧縣一帶，干旱少雨會導致大幅度減產，若種植皮燕麥需采取適當的田間水分管理措施，提高水分利用率以保證產量。

2.1.2高溫日數高溫受地理緯度影響較大，總體分布特征為自北向南逐漸減少（圖3）。6—7月最高氣溫≥32℃日數不足5天的地區主要在原州區、西吉縣、彭陽縣、涇源縣、隆德縣，這些地區夏季冷涼濕潤的氣候條件有利于皮燕麥生長。高溫日數在5～10天之間的地區主要在沙坡頭區、同心縣、鹽池縣南部，這些地區產量略低，適宜零星種植。高溫日數超過10天的地區主要在石嘴山市、銀川市、青銅峽市、利通區、中寧縣北部一帶，7月上旬這些地區常出現干熱風，對皮燕麥灌漿、成熟危害嚴重，建議發展其他作物。

2.1.3平均最高氣溫平均最高氣溫受海拔影響較大，大部分地區在20～24℃之間（圖4）。引黃灌區4—8月平均最高氣溫高于26℃和賀蘭山、羅山、南華山、六盤山低于18℃的地區，均不利于皮燕麥生長及產量形成。黃河沿岸可根據當地充足的水熱資源發展水稻、玉米、小麥等糧食作物。山地林草區需以保護生態環境為重點，調整作物產業結構，種植林木，提高水源涵養。

2.2區劃結果

綜合皮燕麥生育期3個關鍵氣候因子空間分布得到寧夏皮燕麥種植氣候適宜性區劃圖（圖5）。

（1）適宜區：主要分布在寧夏南部山區，如海原縣西南部、西吉縣、原州區、隆德縣、涇源縣。皮燕麥在出苗到拔節期需要充足水分，這些地區5—6月降水量普遍大于90 mm，部分地區可達140 mm以上，給皮燕麥生長提供了良好的水分條件。皮燕麥喜陰冷，不耐高溫，這些地區在抽穗到開花期最高氣溫普遍低于32℃，全生育期平均最高氣溫在18～24℃之間，有利于皮燕麥莖葉中碳水化合物和蛋白質的積累，適宜發展皮燕麥產業。

（2）次適宜區：主要分布在寧夏中部地區，如鹽池縣南部、同心縣、海原縣北部、沙坡頭區南部。這些地區在皮燕麥出苗到拔節期降水量較南部山區偏少，但仍在60 mm以上，滿足皮燕麥成熟所需。在抽穗到開花期雖然最高氣溫≥32℃超過5天，但全生育期溫度適宜，平均最高氣溫在20～24℃之間，滿足皮燕麥成熟的熱量條件，可根據生產需要有針對性地種植皮燕麥。

（3）不適宜區：主要分布在寧夏中北部地區，如石嘴山市、銀川市、青銅峽市、靈武市、利通區、中寧縣北部、沙坡頭區北部、紅寺堡區北部及鹽池縣北部。這些地區在皮燕麥出苗到拔節期降水量不足50 mm，對皮燕麥營養生長極為不利。此外，在皮燕麥抽穗到開花期高溫日數超過10天，全生育期最高氣溫普遍高于26℃，均對皮燕麥生長不利，不可盲目發展皮燕麥，建議因地制宜種植其他作物。

3討論

3.1創新性分析

近年來，農作物氣候適宜性區劃的研究多集中在玉米[23-24]、水稻[25-26]、馬鈴薯[27-28]、大豆[29-30]等糧食作物，而關于燕麥的區劃研究較少，本研究結果對該領域具有較好的補充作用。從區劃指標選取來看，本研究通過分析寧夏6個試驗點皮燕麥產量與氣象因子的相關性，選取與皮燕麥產量相關性顯著的3個氣象因子作為區劃指標，更契合皮燕麥實際生產中對水熱條件的需求狀況。此外，從氣象因子模擬來看，本研究利用寧夏23個地面氣象臺站1981—2010年氣象觀測資料，選取具有較高空間分辨率的ASTER GDEM高程數據建立回歸模型，在ArcGIS平臺將氣象要素推算至30 m×30 m網格，獲取寧夏皮燕麥種植氣候適宜區、次適宜區和不適宜區，空間推算結果精細化程度更好。綜合來看，本研究在皮燕麥種植氣候適宜性區劃指標的選取、小網格推算方面具有一定的創新性。

3.2適宜性分析

寧夏皮燕麥種植氣候適宜區約占寧夏面積的21.7%，主要集中在寧夏南部冷涼山區，包括西吉縣、彭陽縣、原州區中北部以及隆德縣、涇源縣除六盤山脊以外地區。次適宜區約占寧夏面積的30.3%，主要集中在寧夏中部干旱少雨地帶，包括鹽池縣中南部、同心縣、中寧縣南部、沙坡頭區南部、海原縣北部。不適宜區約占寧夏面積的48.0%，主要集中在寧夏中北部黃河平原，包括石嘴山市、銀川市、青銅峽市、利通區、鹽池縣北部、紅寺堡區北部、中寧縣北部、沙坡頭區北部。研究所得適宜區范圍與萬帆[31]、Liu等[6]基于GIS估算皮燕麥品種‘青永久444’在寧夏南部山區的鮮草潛在產量分布情況基本一致，次適宜區與不適宜區范圍略有不同，主要原因可能為品種‘NPY17-04’較‘青永久444’早熟，對水分條件的需求在5—6月最大而造成的適宜性差異。

3.3產業發展價值

全球變暖、氣候變化加劇導致許多地區糧食產量受到威脅，而小雜糧對干旱、寒冷環境極強的適應性逐漸在農業產業結構調整中得到發展。隨著國家加大對地方優勢特色產業扶持力度以及市場需求的日益增加，未來寧夏燕麥產業會得到更好發展。合理規劃燕麥種植氣候適宜區對提高燕麥生產效率、脫貧致富、發展精細化農業具有重要指導意義。

3.4不足與展望

鑒于試驗條件所限，本研究僅在寧夏中南部地區開展了皮燕麥產量試驗，缺少北部地區實際生產種植資料，因此對不適宜區的劃定范圍存在一定誤差。此外，由于參試品種限定在‘NPY17-01’、‘NPY17-02’、‘NPY17-03’、‘NPY17-04’、‘NPY17-05’，未考慮早熟、中熟、晚熟類型對環境的適應性，對引種生產推廣有一定困難。并且不同地區土壤鹽分[32]、施氮量[33-34]差異也會影響燕麥在苗期、灌漿期和成熟期的生長與品質。今后，在分析土壤理化性質優化寧夏皮燕麥適宜區結構，促進優良品種高產方面還需進一步研究。

4結論

采用相關性分析方法，選取與寧夏皮燕麥產量相關性顯著的5—6月降水量、6—7月最高氣溫≥32℃日數和4—8月平均最高氣溫作為區劃指標。采用回歸分析方法，基于ArcGIS平臺獲得各區劃指標的空間分布。從區劃結果來看，寧夏皮燕麥種植氣候適宜性呈現由南向北遞減的空間分布特征，具有較強的緯向地帶性規律。其中，寧夏南部山區為皮燕麥種植適宜區，其獨特的冷涼氣候條件有利于高產形成，可采取一定政策措施，鼓勵當地農民大力發展皮燕麥產業，增收致富。寧夏中部為皮燕麥種植次適宜區，其干旱少雨的氣候環境對皮燕麥拔節期生長有一定不利影響，不宜大面積推廣，可根據需要選擇適應性較強的品種零星種植，保證產量。寧夏中北部黃河平原不適宜種植皮燕麥，建議因地制宜發展其他作物。

參考文獻

[1]Statista.Worldwide production of grain in 2018/19， by type [EB/OL].Https：//www.statista.com/statistics/263977/world- grain- productionby-type，2019-02-15/2020-04-02.

[2]徐長林.高寒牧區不同燕麥品種生長特性比較研究[J].草業學報， 2012，21（2）：280-285.

[3]黃祖國，葛菊梅.燕麥（Avena sativa L.）的營養成分與保健價值探討[J].麥類作物學報，2004，24（4）：147-149.

[4]Othman R A， Moghadasian M H， Jones P J. Cholesterol-lowering effects of oatβ-glucan[J]. Nutrition Reviews，2011，69（6）：299-309.

[5]中國預防醫學科學院營養與食品衛生研究所.食物成分表[M].北京：人民衛生出版社，1991：16-18.

[6]Liu D Q， Wan F， Guo R， et al. GIS-based modeling of potential yielddistributionsfordifferentoatvarietiesinChina[J]. Mathematical and Computer Modelling，2011，54：869-876.

[7]崔永偉.中西部地區小雜糧的生產優勢與存在問題及對策研究[J].中國農業科技導報，2008，10（3）：54-57.

[8]李茉莉，孫桂華，趙陽.小雜糧作物的開發價值及戰略意義[J].雜糧作物，2005，25（2）：123-124.

[9]敖芹，谷曉平，胡朝鳳，等.貴州省酒用高粱種植的氣候適宜性分析[J].貴州農業科學，2017，45（6）：140-144.

[10]曹毅，白文斌，王偉仁，等.基于GIS技術的山西省高粱種植氣候區劃研究[J].中國農學通報，2015，31（23）：235-238.

[11]馮美臣，牛波，楊武德，等.晉中地區蕎麥品質氣候區劃的GIS多元分析[J].地球信息科學學報，2012，14（6）：807-813.

[12]何燕，李政，廖雪萍.基于GIS的巴西陸稻IAPAR-9種植氣候區劃研究[J].應用氣象學報，2007，18（2）：219-224.

[13]張昳，常慶瑞，趙業婷，等.府谷縣耕地糜子種植適宜性研究[J].干旱地區農業研究，2015，33（1）：187-193.

[14]張弢，徐正芬，龐成，等.基于GIS技術的甘肅河西啤酒大麥種植氣候區劃[J].農學學報，2015，5（7）：121-125.

[15]袁雷，劉依蘭.基于GIS和氣候—土地利用信息的西藏青稞種植適宜性區劃[J].中國農學通報，2017，33（17）：92-97.

[16]Uusitalo V， Leino M. Neutralizing global warming impacts of crop production using biochar from side flows and buffer zones：A case study of oat production in the boreal climate zone[J].Journal of Cleaner Production，2019，227：48-57.

[17]郭興燕.寧夏引黃灌區燕麥（Avena sativa L.）品種篩選與綜合評價[D].銀川：寧夏大學，2016.

[18]董關水，朱家昌.旱作莜麥的氣象條件及適宜種植區域[J].氣象， 1994，20（11）：47-50.

[19]Lago J E， Stuthman D D， Abadie T E. Recurrent selection for partial resistance to crown rust in oat[J].Crop Science，2002，42：1475-1482.

[20]賀偉.不同灌溉方式對燕麥光合及土壤生物特性的影響[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2013.

[21]郎百寧，車敦仁.燕麥對生態條件的要求及我省種植區初議[J].青海畜牧獸醫雜志，1990（6）：25-27.

[22]郭兆夏，郭新，屈振江，等.GIS支持下的陜北制干紅棗氣候區劃[J].中國農學通報，2011，27（6）：400-404.

[23]陳瑞佶，張建，劉興舟，等.中國玉米種植分布與氣候關系研究[J].農學學報，2019，9（8）：58-68.

[24]許小明，徐玉霞，董奇，等.甘肅省河東地區玉米種植適宜性評價和區劃[J].干旱地區農業研究，2018，36（3）：230-235.

[25]王芬，亢強，李輝，等.成都市兩系雜交水稻制種氣候適宜性區劃[J].中國農學通報，2019，35（1）：95-103.

[26]孫科，婁偉平，朱曉晨.紹興市水稻氣候適宜度精細化分布特征[J].浙江農業科學，2019，60（2）：331-336.

[27]馬力文，劉靜，馬金富，等.海原縣馬鈴薯氣候適宜性精細化區劃[J].中國馬鈴薯，2017，31（4）：210-215.

[28]沈平，杜堯東，張永華，等.廣東冬種馬鈴薯種植氣候的適宜性區劃[J].廣東氣象，2018，40（6）：49-52.

[29]薛志丹，孟軍，吳秋峰.基于氣候適宜度的黑龍江省大豆種植區劃研究[J].大豆科學，2019，38（3）：399-406.

[30]王彥平，陰秀霞，張昉，等.內蒙古東北部大豆氣候適宜度等級及種植區劃研究[J].中國生態農業學報，2018，26（7）：948-957.

[31]萬帆.基于GIS的中國燕麥填圖[D].蘭州：蘭州大學，2009.

[32]Xie X F， Pu L J， Shen H Y， et al. Effects of soil reclamation on the oat cultivation in the newly reclaimed coastal land，eastern China[J]. Ecological Engineering，2019，129：115-122.

[33]德科加，周青平，劉文輝，等.施氮量對青藏高原燕麥產量和品質的影響[J].中國草地學報，2007，29（5）：43-48.

[34]翟園，楊恒博，曲靜，等.氮素對燕麥的生理生化指標和品質的影響[J].中國農學通報，2016，32（3）：29-34.