第３８卷 第６期２０２０年１２月
干 旱 气 象
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．６
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ
，２０２０李 阳，刘 静，马力文，等．宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度时空变化特征［Ｊ］．干旱气象，２０２０，３８（６）：１００１－１００８，［ＬＩＹａｎｇ，ＬＩＵＪｉｎｇ，ＭＡＬｉｗｅｎ，ｅｔａｌ．Ｔｅｍｐｏｒａｌ－ＳｐａｔｉａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣｌｉｍａｔｅＳｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＰｏｔａｔｏｉｎＭｏｕｎｔａｉｎｏｕｓＡｒｅａｏｆＣｅｎｔｒａｌａｎｄＳｏｕｔｈｅｒｎＮｉｎｇｘｉａ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｉｄＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ，２０２０，３８（６）：１００１－１００８］，ＤＯＩ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０２０）－０６－１００１ 宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度
时空变化特征
李 阳１，２，刘 静１，２，马力文１，２
，
赵金龙１，２，张学艺１
，２
（１．中国气象局旱区特农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 ７５０００２；
２．宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 ７５０００２）
摘 要：基于宁夏中南部山区１０个国家基本气象站１９８１—２０１８年逐日气象数据，综合气温、日照、水分适宜度指标，构建适合宁夏中南部山区的马铃薯综合适宜度计算模型，重点分析该地区温度适宜度（ＰＴ）、日照适宜度（ＰＳ）、水分适宜度（ＰＷ）、综合适宜度（Ｐ）的时空变化特征。结果表明：宁夏中南部山区马铃薯各生育阶段光热资源适宜，能满足马铃薯生长所需，水分是影响马铃薯各生育阶段的主要限制因子，且水分适宜度年际波动幅度最大。分枝期—开花期综合适宜度变异系数最大，是气候条件影响马铃薯生长发育最不稳定的时期。从空间变化规律看，全生育期内综合适宜度基本呈自东北向西南递增的趋势，最适宜区在西吉县、海原县和原州区大部、彭阳县西部
、隆德县和泾源县境内除海拔较高的六盘山山脊外的大部地区，这些地区具有适宜生产马铃薯的独特气候优势。关键词：宁夏中南部；马铃薯；气候适宜度；时空特征
文章编号：１００６－７６３９（２０２０）０６－１００１－０８ ＤＯＩ：１０．１１７５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－７６３９（２０２０）－０６－１００１中图分类号：Ｓ５３２；Ｆ３０４．５ 文献标志码：Ａ
收稿日期：２０１９－０９－０３；改回日期：２０２０－０２－１２
基金项目：
宁夏回族自治区科技惠民项目“中南部山区马铃薯全程气象保障服务与灾害预警技术应用示范”（２０１８ＣＭＧ０３０２２）及宁夏回族自治区气象局科学技术研究项目“粮食作物全生育期气象条件适宜度评价技术本地化”（ＣＭＡＮＸ－２０１６１０）共同资助
作者简介：李阳（１９９２—），女，助理工程师，主要从事农业气候资源利用的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｙｎｕｉｓｔ６８＠１６３．ｃｏｍ。 通信作者：刘静（１９６４—），男，正研级高级工程师，主要从事农业气候资源及特农业气象的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ａｈｍｄ＿ｌｉｕｊｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ。
引 言
马铃薯是宁夏回族自治区第一大农作物，也是生态移民工程中增加贫困地区农民收入的战略性主导产业，宁夏中南部山区土壤疏松、土层深厚、气候凉爽、昼夜温差大，为喜凉喜光、耐寒耐旱的马铃薯生长提供了很好的环境。马铃薯的产量和品质除受品种影响外，还受环境条件的影响，特别是气象条件的影响。随着农业生产力水平的提高，在品种和管理水平相对稳定的情况下，光照、温度、水分等气象条件成为影响马铃薯产量的主要因素。因此，研究马铃薯的气候适宜性，不仅有助于加强对优势产区马铃薯的监测，也可为调整种植业布局提供参考。
利用模糊数学理论，通过隶属函数构建适宜度
模型对作物的适宜度进行分析，为农业气候的定量
分析和分类评价提供了新方法［
１－２］
。考虑到有关适宜度的研究大多数是基于旬或者月时间尺度的一个平均态，而作物生长是连续的动态过程，因此有研究
提出了日尺度气候适宜度模型［３］
，并构建了东北地
区春玉米气候适宜度模型，客观反映了生长阶段及生长作物与气候条件的关系。目前，有关农作物适
中国小学生基础阅读书目宜度的研究多集中在小麦［４－７］、水稻［８－１２］、玉米［
１３－１７］
等大宗作物，研究方向主要集中在农作物气候适宜度函数的构建、不同尺度农业气候资源评价、作物生育期预报等方面。
与大宗作物相比，马铃薯气候适宜度研究［
１８－２３］相对薄弱，已有研究多侧重于利用气候适宜度模型
对甘肃省定西地区［２０］、内蒙古地区［１９，２１］
马铃薯的
气候适宜性年际变化和空间分布特征进行分析。涉
及宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度的研究较少，目前仅开展了宁夏西吉县［２２］、海原县［２３］的马铃薯气候适宜度评价和区划工作，研究的空间尺度只针对单个县域。中南部山区作为宁夏马铃薯主产区，研究其气候适宜度的时空变化规律有重要意义。本文在ＡｒｃＧＩＳ技术支持下，利用１９８１—２０１８年逐日气象数据，以马铃薯气候适宜度模型为基础，分析气候适宜度的时空分布特征，以期为合理利用气候资源、指导农业生产提供理论依据。
１ 资料与方法
１．１ 研究区概况
宁夏中南部山区居西北内陆高原，地势南高北低，海拔由南到北逐渐由２９２８ｍ降至１２５０ｍ。从地貌类型看，南部以流水侵蚀的黄土地貌为主，北部以干旱剥蚀、风蚀地貌为主，土壤类型以黑垆土、灰钙土、黄绵土及山地土为主。该区域属典型的大陆性半湿润半干旱气候，雨季多集中在６—９月，年平均降水量２８９．６～４９２．２ｍｍ，年平均气温６．１～８．３℃，年平均日照时数２５１８．２～２７２４．３ｈ，具有冬寒长，夏季短，气候干燥等特点。
１．２ 研究资料
所用资料包括：宁夏中南部山区固原、海原、泾源、隆德、同心、韦州、西吉、兴仁、盐池、彭阳１
０个国家基本气象站１９８１—２０１８年５月上旬至１０月上旬逐日气象资料，包括日平均气温、最低气温、最高气温、日降水量、日照时数等气象要素；宁夏全境行政矢量边界（１：１００００）、ＤＥＭ高程（１：５００００）等基础地理信息数据，通过ＧＩＳ中的掩膜法将宁夏中南部山区马铃薯种植区从全区地理信息数据中提取出来，作为区划的基础资料；１９８１—２０１８年中南部山区各县（区）马铃薯产量资料来自于宁夏回族自治区统计局统计年鉴。
１．３ 研究方法
１．３．１ 温度适宜度
根据马树庆［２４］的研究，温度适宜度计算公式如下：
Ｐ
Ｔ＝
（ｔ－ｔ
１
）（ｔ
２
－ｔ）（ｔ２－ｔ０／ｔ０－ｔ１）
（ｔ
０
－ｔ
１
）（ｔ
２
－ｔ
０
）（ｔ２－ｔ０／ｔ０－ｔ１）
（１）
式中：Ｐ
Ｔ为温度适宜度；ｔ
１
、ｔ
２
、ｔ
０
（℃）为三基点温度，
分别是下限温度、上限温度、最适温度；ｔ（℃）为某日的实际气温。马铃薯不同生育阶段三基点温度主要参考杨霏云等［２５］定义，并结合宁夏中南部山区多年马铃薯农业气象业务服务中总结的生长发育指标综合确定，其值见表１。
表１ 马铃薯不同生育阶段三基点温度指标
Ｔａｂ．１ Ｔｈｒｅｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｐｏｉｎｔｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒｏｗｔｈｓｔａｇｅｓｏｆｐｏｔａｔｏ单位：℃生育阶段ｔ１ｔ０ｔ２
苗期５１６．５２９．０分枝期—开花期７１７．５３０．０
开花期—收获期７１６．５２８．１
１．３．２ 水分适宜度
以宁夏各地马铃薯正常生长的需水量作为马铃薯水分需求的适宜标准，在赵峰等［２６］的研究基础上，结合宁夏中南部山区土层深厚和土壤水分渗透性特点，参考中南部山区马铃薯观测报表，引入降水量（灌溉量）剩余量概念，同时参考柳芳等［２７］、刘可等［２８］的研究确定马铃薯降水消减系数，确定分阶段的宁夏中南部马铃薯水分适宜度的计算公式。
第一阶段，５月１日至８月１０日：
Ｐ
分数的基本性质教学设计
Ｗ
＝
０ ＥＴ
ｃ
＝０
（Ｒ
ｉ
×Ｋ
０
＋ｒ
ｉ
）
ＥＴ
ｃ
（Ｒ
ｉ
×Ｋ
０
＋ｒ
ｉ
）≤５ＥＴ
ｃ
ＥＴ
ｃ
（Ｒ
ｉ
×Ｋ
０
＋ｒ
ｉ
）
（Ｒ
ｉ
×Ｋ
０
＋ｒ
ｉ
）＞５ＥＴ
ｃ
（２）第二阶段，８月１１日至１０月１０日：
Ｐ
Ｗ
＝
０ ＥＴ
ｃ
＝０
（Ｒ
ｉ
×Ｋ
０
＋ｒ
ｉ
）
ＥＴ
ｃ
（Ｒ
ｉ
×Ｋ
０
＋ｒ
ｉ
）≤１．５ＥＴ
ｃ
ＥＴ
ｃ
（Ｒ
马琳 羽毛球
ｉ
×Ｋ
０
＋ｒ
鄂州职业大学教务处ｉ
）
（Ｒ
ｉ
×Ｋ
０
＋ｒ
ｉ
）
＞１．５ＥＴ
ｃ
（３）
式中：Ｐ
Ｗ乳品论坛
为水分适宜度，当Ｐ
Ｗ
≥１时，取值为１；
Ｒ
ｉ
（ｍｍ）为某日降水量（灌溉量）的剩余量；ｒ
ｉ
（ｍｍ）
为某日降水量与灌溉量的和；ＥＴ
ｃ
（ｍｍ）为某日需水
量；Ｋ
０
为某日降水的消减系数，表征土壤中蓄积降
水的蒸发损耗。Ｒ
ｉ
、Ｋ
０
、ＥＴ
ｃ
的计算公式如下：
Ｒ
ｉ
＝
Ｒ
ｉ－１
×Ｋ
０
＋ｒ
ｉ－１
Ｒ
ｉ
≥１
０ Ｒ
ｉ
＜
{
１
（４）
式中：Ｒ
ｉ－１
（ｍｍ）为前一日降水量（灌溉量）的剩余量。
Ｋ
０
＝２７２
２７３．２
[]
＋Ｔ
ｉ＋Ｂ
（５）
式中：Ｔ（℃）为前一日的平均气温，当Ｔ＜０℃时，取值０℃；Ｂ为参数，取值１；ｉ为日数。
ＥＴ
ｃ
＝Ｋ
ｃ
×ＥＴ
０
（６）
式中：Ｋ
ｃ
为作物系数，由联合国粮农组织（Ｆｏｏｄａｎｄ
ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，ＦＡＯ）提供（表２）。ＥＴ
０
（ｍｍ）为参考作物蒸散量，本文采用联合国粮农组织推荐的
Ｐｅｎｍａｎ－ｍｏｎｔｅｉｔｈ模型作为ＥＴ
０
计算的标准方法［２９］。
２
０
０
１干 旱 气 象３８卷 葫芦岛市商业银行
表２ 联合国粮农组织推荐的马铃薯作物系数表
Ｔａｂ．２ ＴａｂｌｅｏｆｐｏｔａｔｏｃｒｏｐｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｂｙｔｈｅＦＡＯ
生育阶段日期
作物系数出苗期—分枝期５月１日至６月２０日０．３０分枝期—开花期６月２１日至７月１０日０．３０～１．１５
开花后１～５０ｄ７月１１日至８月２９日１．１５开花后第５１天至收获期
８月３０日至１０月１０日
１．１５～０．７５
分枝期—开花期Ｋｃ计算：
Ｋｃ＝０．３＋０．０４２５×ｉ分
（７）
式中：Ｋｃ为分枝期—开花期某日作物系数，ｉ分为从
分枝期次日开始的日序。
开花后第５１天至收获期Ｋｃ计算：Ｋｃ＝１．１５－０．０１×ｉ花
（８）
式中：Ｋｃ为开花后第５
１天至收获期某日的作物系数，ｉ花为开花后第５１天的次日开始的日序。１．３．３ 日照适宜度
马铃薯为喜光作物，在生长过程中光照充足有利于马铃薯积累有机物。以实际日照时数达到可照时数的７０％为临界点，当实际日照时数在临界点以上，作物对光照的反应达到适宜状态。参照前人研
究［２０，２４，３０］
，马铃薯日照适宜度计算公式如下：
ＰＳ＝１ ｓ＞０．７ｓ０
ｓ
ｓ０
ｓ≤０．７ｓ{
０（９）
式中：ＰＳ为日照适宜度；
ｓ（ｈ）为实际日照时数；ｓ０
（ｈ）为可照时数。１．３．４ 综合适宜度
将温度、水分、日照适宜度进行加权平均，得到宁夏中南部山区马铃薯综合适宜度公式：
Ｐ＝ＰＴ×ｒＴ＋ＰＷ×ｒＷ＋ＰＳ×ｒＳ
（１０）
式中：ｒＴ、ｒＷ、ｒＳ分别表示温度适宜度、
水分适宜度、日照适宜度的权重系数。
利用１９８１—２０１８年逐年温度、水分、日照适宜度与马铃薯单产进行相关分析，得到不同气象
因子与单产的相关系数ＲＴ、ＲＷ、ＲＳ分别为０．３８３、０．４５４、０．０１７，再参考公式（１１）计算出对应的权重系数，分别为０．４４７、０．５３２、０．０２０，最终确定温度适宜度、水分适宜度、日照适宜度权重系数的取值，分别为０．４０、０．５０、０．１０。
ｒｊ＝
Ｒｊ
∑（ＲＴ＋ＲＷ＋ＲＳ
）（１１）式中：ｒｊ为某一适宜度的权重系数，Ｒｊ为某一适宜度与单产的相关系数。
参考王春玲等［
２０］、段居琦等［３１］
评估可能性的分级标准，结合宁夏马铃薯实际情况，ＰＴ、ＰＷ、ＰＳ、Ｐ统一采用如下分级标准：≥０
．７０为最适宜，０．６０～０．７０为适宜，０．４０～０．６０为较适宜，＜０．４０为不适宜。
采用线性倾向估计法和变异系数（Ｃｖ
）分析气候适宜度的年际变化趋势和稳定性［３２］。
２ 结果分析
２．１ 马铃薯全生育期气候适宜度年际变化
图１为１９８１—２０１８年宁夏中南部山区马铃薯全生育期各项适宜度的年际变化和１０ａ平均值的变化，各适宜度的气候倾向率、标准差和变异系数见表３。可以看出，马铃薯全生育期温度适宜度为０．６８～０．７７，日照适宜度为０．６５～０．８８，水分适宜度为０．５１～０．７６，综合适宜度为０．６３～０．７６，近３８ａ
各气候适宜度年际间波动明显，变化规律不明显，决
定系数Ｒ２
均未通过显著性检验，但整体均呈弱降低
趋势，且降低速率不同，日照适宜度降低速率最快，温度适宜度最慢。从１９８１年起以１０ａ为周
期分析各适宜度平均值的变化规律，１９８０年代马铃薯温度适宜度最高，此后呈缓慢下降趋势，但仍然处在最适宜范围；日照适宜度１９９０年代最高，呈先增加后持续降低趋势，且也处在最适宜范围；水分适宜度呈先持续降低后明显增加趋势，
１９９０年代至２０００年代初是水分适宜度的低值期；综合适宜度呈先降低再升高趋势，目前所处时段属于居中水平。
从图１可以发现各适宜度年际间差异较大，标准差能反映适宜度的变化程度，但不能很好地反映适宜度的相对变化程度，因此，用变异系数表征适宜度的稳定性更有代表性。各气候适宜度年际变异系数为３．０８％～９．２０％，水分适宜度稳定性最差，温度适宜度稳定性最好。综合来看，宁夏中南部山区生育期内光热资源一般都在最适宜范围，满足马铃薯生长发育所需。水分是马铃薯生长发育的主要限制因子，年际间波动性大，有超过１／３的年份在适宜指标以下。
３
００１ 第６期李 阳等：宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度时空变化特征
图１ １９８１—２０１８年宁夏中南部山区马铃薯全生育期各气候适宜度年际变化Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅａｎｎｕａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｃｌｉｍａｔｅｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｇｒｏｗｔｈｓｔａｇｅｏｆｐｏｔａｔｏ
ｉｎｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａｏｆｃｅｎｔｒａｌａｎｄｓｏｕｔｈｅｒｎＮｉｎｇｘｉａｆｒｏｍ１９８１ｔｏ２０１８
表３ １９８１—２０１８年宁夏中南部山区马铃薯全生育期气候适宜度的气候倾向率、标准差和变异系数Ｔａｂ．３ Ｔｈｅｃｌｉｍａｔｅｔｒｅｎｄｒａｔｅ，ｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｃｌｉｍａｔｅｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｇｒｏｗｔｈｓｔａｇｅｏｆｐｏｔａｔｏｉｎｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａｏｆｃｅｎｔｒａｌａｎｄｓｏｕｔｈｅｒｎＮｉｎｇｘｉａｆｒｏｍ１９８１ｔｏ２０１８
适宜度气候倾向率／［（１０ａ）－１
］
Ｒ
２
标准差变异系数／％
温度适宜度－０．００３０．０２７０．０２３３．０８日照适宜度－０．０１１０．０６４０．０４９６．１８水分适宜度－０．００９０．０１８０．０５６９．２０综合适宜度
－０．００６
０．０４７
０．０３０
４．４１
２．２ 马铃薯不同生育阶段气候适宜度
依据宁夏马铃薯多年发育期观测资料，将５月上旬至６月中旬作为苗期，６月下旬至７月上旬作为分枝期—开花期，７月中旬至１０月上旬作为开花期—收获期，分别计算不同生育阶段的气候适宜度
平均值及变异系数（表４）。可以看出，各生育阶段日照适宜度和温度适宜度都较高，适宜度基本在０．７０以上；水分适宜度在各生育阶段均最低且变异系数最大，表明水分条件是该地区马铃薯生长发育的主要限制因素。
表４ １９８１—２０１８年宁夏中南部山区马铃薯各生育阶段气候适宜度及变异系数Ｔａｂ．４ ＴｈｅｃｌｉｍａｔｉｃｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒｏｗｔｈｓｔａｇｅｓｏｆｐｏｔａｔｏｉｎｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａｏｆｃｅｎｔｒａｌａｎｄｓｏｕｔｈｅｒｎＮｉｎｇｘｉａｆｒｏｍ１９８１ｔｏ２０１８
生育阶段温度适宜度平均值变异系数／％日照适宜度平均值变异系数／％水分适宜度平均值变异系数／％综合适宜度平均值变异系数／％苗期０．７８３．０１０．８２７．１００．５１２３．４８０．６５８．８５分枝期—开花期０．７６４．６９０．７８１６．３３０．５９３２．７８０．６８１５．２３开花期—收获期
０．６９
５．３１
０．７７
９．４５
０．６５
１２．４１
０．６８
５．９０
４
００１干 旱 气 象
３８卷
从各生育阶段看，马铃薯温度适宜度苗期、分枝期—开花期为最适宜，开花期—收获期为适宜。温度适宜度在开花期—收获期最低，且变异系数最大，说明该时期气温多变，对马铃薯生长影响较大，是影响马铃薯产量的重要时期。日照适宜度总体稳定，各生育阶段均为最适宜，其中分枝期—开花期适宜度变异系数最大，日照条件最不稳定。水分适宜度苗期、分枝期—开花期均为较适宜，开花期—收获期为适宜，苗期适宜度最低且变异系数较大，主要由于宁夏中南部为旱作农业区，无灌溉条件，５月上旬至６月中旬自然降水不能满足马铃薯所需水量，是水分供需矛盾较突出的时期；分枝期—开花期变异系数最大，水分条件最不稳定；开花期—收获期水分适宜度最大且变异系数小，该时段与雨季重合，自然降水基本满足马铃薯生长发育所需水分。综合适宜度在各生育阶段均为适宜且较为稳定，
但不同生育阶段适宜度变异系数不同，其中分枝期—开花期变异系数最大，说明综合马铃薯生长发育所需光照、温度、水分要素来看，分枝期—开花期是气候条件影响马铃薯生长发育最不稳定的时期。
２．３ 马铃薯气候适宜度空间变化
图２为１９８１—２０１８年宁夏中南部山区马铃薯全生育期气候适宜度的空间分布。可以看出，
马铃
图２ １９８１—２０１８年宁夏中南部山区马铃薯全生育期气候适宜度的空间分布
Ｆｉｇ．２ Ｓｐａｔｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｌｉｍａｔｅｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｈｏｌｅｇｒｏｗｔｈｓｔａｇｅｏｆｐｏｔａｔｏ
ｉｎｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａｏｆｃｅｎｔｒａｌａｎｄｓｏｕｔｈｅｒｎＮｉｎｇｘｉａｆｒｏｍ１９８１ｔｏ２０１８
５
０
０
１
第６期李 阳等：宁夏中南部山区马铃薯气候适宜度时空变化特征
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