田家波

(山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)氣象局，山東濟(jì)南 250300)

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基于小麥全生育期氣象條件精細(xì)化分析

田家波

(山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)氣象局，山東濟(jì)南 250300)

[目的]根據(jù)小麥生產(chǎn)對(duì)氣象條件的要求，確定山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)小麥的氣候區(qū)劃指標(biāo)和相應(yīng)分區(qū)。[方法]利用1971～2010年長(zhǎng)清區(qū)氣象局本站和區(qū)域自動(dòng)站氣象資料，采用Kriging插值法、因子標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法內(nèi)插技術(shù)對(duì)溫度、降水、日照、相對(duì)濕度等氣候指標(biāo)要素柵格化，形成長(zhǎng)清區(qū)冬小麥品種生態(tài)氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃圖，并進(jìn)行分區(qū)評(píng)述。[結(jié)果]長(zhǎng)清區(qū)小麥生長(zhǎng)可以劃分為一般適宜區(qū)、適宜區(qū)、最適宜區(qū)3個(gè)分區(qū)，其中一般適宜區(qū)包括平安街道辦事處100%、文昌街道辦事處100%、崮云湖街道辦事處90%、五峰街道辦事處30%、馬山鎮(zhèn)10%、歸德鎮(zhèn)100%、孝里鎮(zhèn)80%、張夏鎮(zhèn)10%；適宜區(qū)包括孝里鎮(zhèn)20%、雙泉鎮(zhèn)97%、馬山鎮(zhèn)95%、五峰街道辦事處70%、張夏鎮(zhèn)80%、萬(wàn)德鎮(zhèn)10%；最適宜包括萬(wàn)德鎮(zhèn)90%、張夏鎮(zhèn)10%。[結(jié)論]氣象因子適宜適應(yīng)性整體上對(duì)小麥生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)作用。

小麥；全生育期；氣象條件；精細(xì)化；區(qū)劃

我國(guó)農(nóng)業(yè)人口眾多，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的規(guī)模和效益要求越來(lái)越高，需要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變。小麥?zhǔn)侨祟?lèi)最重要的糧食作物之一，也是我國(guó)三大作物之一，全國(guó)從南到北、從平原到山區(qū)均有種植。山東省是我國(guó)小麥生產(chǎn)第二大省，小麥生產(chǎn)光熱資源充足，地力水平較高，但近些年山東省小麥連年遭遇突發(fā)性自然災(zāi)害，嚴(yán)重影響了小麥產(chǎn)量的提高[1]。而由于城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展的原因，通過(guò)增加耕地面積來(lái)提高糧食產(chǎn)量這一途徑比較困難[2]，因此充分利用農(nóng)業(yè)氣候資源，優(yōu)化小麥生產(chǎn)布局、改進(jìn)種植制度和制定小麥種植布局就成為當(dāng)前增加糧食種植面積、提高糧食產(chǎn)值的有效途徑之一。筆者利用山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)氣象局本站和區(qū)域自動(dòng)站的氣象資料，采用Kriging插值法、因子標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法[3-4]內(nèi)插技術(shù)對(duì)氣候指標(biāo)要素柵格化，形成長(zhǎng)清區(qū)冬小麥品種生態(tài)氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃圖，并進(jìn)行分區(qū)評(píng)述，以期為當(dāng)?shù)貎?yōu)化小麥生產(chǎn)和種植布局、改進(jìn)種植制度來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源 所有資料均來(lái)源于1971～2010年山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)氣象局本站和區(qū)域自動(dòng)站以及農(nóng)業(yè)局土壤肥料站，氣象資料包括溫度(平均溫度、極端最高、最低溫度)、降水(降水總量、極端降水)、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度等，土壤資料包括長(zhǎng)清區(qū)土壤類(lèi)型、土壤質(zhì)地和腐殖質(zhì)層厚度。

1.2 分析方法

1.2.1 Kriging插值法[3]。Kriging插值法是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏差最優(yōu)估計(jì)的一種方法。通過(guò)對(duì)已知樣本點(diǎn)賦權(quán)重來(lái)求得未知樣點(diǎn)值，其表達(dá)式為：

(1)

式中，Z(x0)為未知樣點(diǎn)值，Z(xi)為未知樣點(diǎn)周?chē)囊阎獦狱c(diǎn)值，λi為第i個(gè)已知樣本點(diǎn)對(duì)未知樣點(diǎn)的權(quán)重，n為已知樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)。采用Kriging插值法可以由其他市縣的氣象觀(guān)測(cè)資料獲取山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)分辨率為90m×90m的柵格圖。

1.2.2 因子標(biāo)準(zhǔn)化[3-4]。在區(qū)劃過(guò)程中，由于所選因子的量綱不同，所以需要將因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在此區(qū)劃根據(jù)具體情況，采用極大值標(biāo)準(zhǔn)化和極差標(biāo)準(zhǔn)化方法，其表示式分別為：

(2)

(3)

式中，Xij為去量綱后的第i個(gè)因子的第j項(xiàng)指標(biāo)；Xmin、Xmax為該指標(biāo)的最小值和最大值。公式(2)和公式(3)是根據(jù)區(qū)劃中因子與作物種植的適宜程度的關(guān)系而選擇的。如果因子與作物種植的適宜程度成正比，選用式(2)；反之，選用公式(3)。

1.2.3 加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法[4]。加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法綜合考慮了各個(gè)因子對(duì)總體對(duì)象的影響程度，是把各個(gè)具體的指標(biāo)綜合起來(lái)，集成為一個(gè)數(shù)值化指標(biāo)，用以對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)比。因此，這種方法特別適用于對(duì)技術(shù)、策略或方案進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)和優(yōu)選，是目前最為常用的計(jì)算方法之一。用公式表達(dá)為：

(4)

式中，Cvj為評(píng)價(jià)因子的總值，Qvij為對(duì)于因子j的指標(biāo)i(Qii≥0)，Wci為指標(biāo)i的權(quán)重值(0≤Wci≤1)，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

將影響小麥生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵氣候因子進(jìn)行累加，其表達(dá)式為：

(5)

式中，Y氣象表示小麥氣候因子的種植適宜程度，Xi為精細(xì)化氣候因子，λi為權(quán)重，n為所選取的影響小麥生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵氣候因子個(gè)數(shù)[5-6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥全生育期各月份精細(xì)化氣象因子及權(quán)重分配情況分析 采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法綜合考慮了各個(gè)因子對(duì)總體對(duì)象的影響程度，根據(jù)小麥生育期各階段所需氣象條件不同[7-10]，選擇了最可能影響小麥生長(zhǎng)的8個(gè)氣象要素作為小麥種植區(qū)的影響因子(圖1)。

圖1 山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)小麥精細(xì)化氣象因子及權(quán)重分配Fig.1 Fining meteorological factor and weight allocation of wheat in Changqing District，Jinan City,Shandong Province

2.2 小麥全生育期各月份精細(xì)化氣象因子的空間分布及分級(jí)指標(biāo)的確定

2.2.1 全生育期≥10 ℃積溫。全生育期≥10 ℃積溫是小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵熱量因子。從圖2可看出，山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)小麥全生育期≥10 ℃積溫分布特征基本表現(xiàn)為西高東低的特點(diǎn)。全區(qū)最高值為2 332.5 ℃·d，平安街道辦事處、文昌街道辦事處、歸德鎮(zhèn)、孝里鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)較高；逐漸向東部減少，最低值為2 011.7 ℃·d；全區(qū)積溫相差320.8 ℃·d。萬(wàn)德鎮(zhèn)、張夏鎮(zhèn)屬于相對(duì)低值區(qū)。

圖2 山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)小麥全生育期≥10 ℃積溫空間分布Fig.2Spatial distribution of ≥ 10 ℃ accumulated temperature in the whole growth stage of wheat in Changqing District ，Jinan City,Shandong Province

2.2.2 冬前≥0 ℃積溫(10月1日～12月10日)。據(jù)研究，冬前≥0 ℃積溫直接影響小麥的前壯苗葉齡指標(biāo)和安全越冬，因此對(duì)小麥產(chǎn)量的提高具有十分重要的作用。長(zhǎng)清區(qū)小麥冬前≥0 ℃積溫總體來(lái)看西部高于東部，全區(qū)積溫范圍為592.8～645.9 ℃·d；平安街道辦事處、文昌街道辦事處、歸德鎮(zhèn)、孝里鎮(zhèn)、雙泉鎮(zhèn)屬于相對(duì)高值區(qū)(圖2)。

2.2.3 12月～次年2月負(fù)積溫。長(zhǎng)清區(qū)小麥12月～次年2月負(fù)積溫分布區(qū)域性明顯，整體呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢(shì)，中心局部達(dá)到最高值，負(fù)積溫范圍為-279.5～-135.7 ℃·d，崮云湖街道辦事處處于高值區(qū)。造成這種情況的原因是因?yàn)槭芫暥?、地形的影響?/p>

2.2.4 2月下旬～3月上旬日平均溫度。2月下旬～3月上旬日平均溫度穩(wěn)定通過(guò)3 ℃的日期主要影響小麥返青的早晚。長(zhǎng)清區(qū)2月下旬～3月上旬日平均溫度穩(wěn)定通過(guò)3 ℃的日期出現(xiàn)時(shí)間自西北向東南方向逐漸延遲，最早出現(xiàn)在3月6日，最晚在3月14日，全區(qū)相差8 d左右。2.2.5 3月下旬～4月≤0 ℃天數(shù)。3月下旬～4月≤0 ℃天數(shù)是春季小麥?zhǔn)艿蜏乩浜τ绊懙年P(guān)鍵指標(biāo)。長(zhǎng)清區(qū)3月下旬～4月≤0 ℃天數(shù)自西北向東南方向逐漸增多，萬(wàn)德鎮(zhèn)日數(shù)最多；全區(qū)3月下旬～4月出現(xiàn)≤0 ℃的日數(shù)很少，相差不大。2.2.6 輕干熱風(fēng)日數(shù)(5月11日～6月5日)。干熱風(fēng)是影響山東小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成的主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。長(zhǎng)清區(qū)輕干熱風(fēng)日數(shù)(40年總和)呈現(xiàn)由西向東遞減的趨勢(shì)，其中西南部區(qū)域最多，主要包括孝里鎮(zhèn)、歸德鎮(zhèn)；東南部萬(wàn)德鎮(zhèn)、張夏鎮(zhèn)最少。長(zhǎng)清區(qū)輕干熱風(fēng)出現(xiàn)的日數(shù)為6.1～7.8 d，相差1.7 d。2.2.7 重干熱風(fēng)日數(shù)(5月11日～6月5日)。長(zhǎng)清區(qū)小麥重干熱風(fēng)出現(xiàn)的日數(shù)(40年總和)總體表現(xiàn)由北向南遞減的趨勢(shì)，以北部平安街道辦事處、文昌街道辦事處、崮云湖街道辦事處為最多，以南部雙泉鎮(zhèn)、萬(wàn)德鎮(zhèn)最少。長(zhǎng)清區(qū)重干熱風(fēng)40年內(nèi)出現(xiàn)最多為0.4 d，東部最少區(qū)域出現(xiàn)0.3 d；全區(qū)出現(xiàn)日數(shù)很少，相差不大。

2.2.8 全生育期降水量。由圖3可見(jiàn)，長(zhǎng)清區(qū)小麥全生育期降水量自北部向南部逐漸增加，生育期降水量最高出現(xiàn)在萬(wàn)德鎮(zhèn)東部，最低出現(xiàn)在東北部崮云湖街道辦事處、平安街道辦事處、文昌街道辦事處，全區(qū)降水量為1 769.4～2 559.1 mm，相差約789.7 mm。

圖3 山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)小麥全生育期降水量空間分布Fig.3 Spatial distribution of precipitation in the whole growth period of wheat in Changqing District，Jinan City,Shandong Province

2.3 小麥氣象因子適宜性精細(xì)化分析 利用公式(5)將影響小麥生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵氣候因子進(jìn)行累加，該研究中將所有氣候因子的權(quán)重均賦予0.125。從小麥氣象因子分析區(qū)劃結(jié)果(圖4)可以看出，長(zhǎng)清區(qū)小麥生長(zhǎng)可以劃分為一般適宜區(qū)、適宜區(qū)、最適宜區(qū)3個(gè)分區(qū)，其中一般適宜區(qū)包括平安街道辦事處100%、文昌街道辦事處100%、崮云湖街道辦事處90%、五峰街道辦事處30%、馬山鎮(zhèn)10%、歸德鎮(zhèn)100%、孝里鎮(zhèn)80%、張夏鎮(zhèn)10%；適宜區(qū)包括孝里鎮(zhèn)20%、雙泉鎮(zhèn)97%、馬山鎮(zhèn)95%、五峰街道辦事處70%、張夏鎮(zhèn)80%、萬(wàn)德鎮(zhèn)10%；最適宜區(qū)包括萬(wàn)德鎮(zhèn)90%、張夏鎮(zhèn)10%。

圖4 山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)小麥氣象因子精細(xì)化分析適宜性程度空間分布Fig.4 Spatial distribution of suitability degree of fining analysis of meteorological factors in Changqing District，Jinan City,Shandong Province

3 結(jié)論

利用山東省濟(jì)南市長(zhǎng)清區(qū)氣象局本站和區(qū)域自動(dòng)站的氣象資料，采用Kriging插值法、因子標(biāo)準(zhǔn)化、加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法內(nèi)插技術(shù)對(duì)溫度(平均溫度、極端最高、最低溫度)、降水(降水總量、極端降水)、日照、相對(duì)濕度等指標(biāo)要素柵格化，形成長(zhǎng)清區(qū)冬小麥品種生態(tài)氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃圖，并進(jìn)行分區(qū)評(píng)述。結(jié)果表明，長(zhǎng)清區(qū)小麥生長(zhǎng)可以劃分為一般適宜區(qū)、適宜區(qū)、最適宜區(qū)3個(gè)分區(qū)，其中一般適宜區(qū)包括平安街道辦事處100%、文昌街道辦事處100%、崮云湖街道辦事處90%、五峰街道辦事處30%、馬山鎮(zhèn)10%、歸德鎮(zhèn)100%、孝里鎮(zhèn)80%、張夏鎮(zhèn)10%；適宜區(qū)包括孝里鎮(zhèn)20%、雙泉鎮(zhèn)97%、馬山鎮(zhèn)95%、五峰街道辦事處70%、張夏鎮(zhèn)80%、萬(wàn)德鎮(zhèn)10%；最適宜區(qū)包括萬(wàn)德鎮(zhèn)90%、張夏鎮(zhèn)10%?？傮w來(lái)看，氣象因子適宜性研究整體上對(duì)指導(dǎo)小麥全生育期管理具有一定的科學(xué)性。針對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)，適時(shí)采取抗旱、防蟲(chóng)、防災(zāi)措施，趨利避害，以促進(jìn)小麥的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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Fine Analysis of the Whole Growth Stage of Wheat Based on the Meteorological Conditions

TIAN Jia-bo

(Meteorological Bureau of Changqing District,Jinan,Shandong 250300)

[Objective] To determine the climate division index and corresponding division of wheat in Changqing District in Jinan City of Shandong Province according to the requirements of wheat production to meteorological condition.[Method] The meteorological data of Meteorological Bureau of Changqing District and the regional automatic weather station from 1971 and 2010, Kriging interpolation method, factor standardization, and interpolation technique of comprehensive weighted assessment method were used for the rasterization of climate index elements, such as temperature, precipitation, sunshine and relative humidity.Fine zoning map of ecoclimatic suitability of winter wheat variety was formed in Changqing District.And partition was evaluated.[Result] Wheat growth in Changqing District could be divided into generally suitable area, suitable area, and the optimal area.Among them, generally suitable area included Pingan Street Office 100%, Wenchang Street Office 100%, Guyun Lake Street Office 90%, Wufeng Street Office 30%, Mashan Town 10%, Guide Town 100%, Xiaoli Town 80%, and Zhangxia Town 10%.Suitable area included Xiaoli Town 20%, Shuangquan Town 97%, Mashan Town 95%, Wufeng Street Office 70%, Zhangxia Town 80% and Wande Town 10%.The optimal area included Wande Town 90% and Zhangxia Town 10%.[Conclusion] Adaptability of meteorological factors provides good guidance for wheat production.

Wheat; Whole growth period; Meteorological condition; Fining; Division

田家波(1963- )，男，山東齊河人，工程師，從事農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)和氣象災(zāi)害研究。

2016-08-10

S 162

A

0517-6611(2016)28-0183-03