基于GIS的宁夏红梅杏气候适宜性区划研究

GIS-based climate suitability zoning study of Ningxia red plum apricot

摘要

目的 明确红梅杏在宁夏地区的气候适宜性，为红梅杏区域化布局提供参考。 方法 利用宁夏23个地面气象台站近40 a（1981~2020年）的气象观测资料，通过计算获得年平均气温和年降水量作为区划指标。采用集优法和逐步分区法，结合指标利用GIS技术完成对宁夏红梅杏种植的气候适宜性区划。 结果 红梅杏种植气候适宜区主要集中在宁夏固原市彭阳县大部地区及原州区东缘，彭阳县种植的红梅杏品质优良；次适宜区主要分布在彭阳县东缘、原州区北部、海原县东南部、同心县东南部、盐池县东南部；不适宜区位于中部干旱带大部及其以北地区；不可种植区，主要分布在宁夏贺兰山、罗山、窑山、香山、六盘山等山区的高海拔地带。 结论 合理利用农业气候资源可以科学地反映宁夏红梅杏种植的气候适宜区域分布，研究结果可为合理规划宁夏红梅杏产业布局提供参考依据。

Abstract

Objective The purpose of this article is to clarify the ecological suitability of red plum apricot in Ningxia and to provide reference for the regionalized layout of red plum apricot. Method The meteorological observation data of 23 ground-based meteorological stations in Ningxia for the past 40 years （1981~2020） were used to obtain the annual average temperature and annual precipitation as zoning indicators by calculation.The climatic suitability zoning of Ningxia red plum apricot cultivation was completed by using the set-optimal method and step-by-step zoning method，combined with indicators using GIS technology. Result The red plum apricot planting climate suitable area is mainly concentrated in most of Pengyang County，Guyuan City，and the eastern edge of Yuanzhou District.The quality of red plum apricot planted in Pengyang County is excellent.Sub-suitable areas are mainly located in the eastern edge of Panyang County， northern Yuanzhou District， southeastern Haiyuan County，southeastern Concentric County，and southeastern Yanchi County.The unsuitable zone is located in most of the central arid zone and its north region.Non-plantable area，mainly distributed in the mountainous areas of Ningxia Helan Mountain， Luoshan，Yaoshan， Xiangshan，Liupan Mountain and other high altitudes. Conclusion Rational use of agricultural climate resources can scientifically reflect the climate suitable regional distribution of red plum and apricot planting in Ningxia and the results of the study provide a reference basis for rational planning of Ningxia red plum apricot industry layout.

Graphical abstract

关键词

ArcGIS / 红梅杏 / 宁夏 / 气候适宜性 / 区划

Key words

ArcGIS / red plum apricot / Ningxia / Climate suitability / zoning

杏（Armeniaca vulgaris Lam.）属于蔷薇科、杏属木本植物。原产地为新疆，在我国栽培历史悠久。红梅杏栽植范围广，集中在黄河流域，少数地区有野生资源分布^［1］。目前在我国共分布有8种杏属植物，红梅杏属于梅杏的一种，也称为新疆杏。红梅杏果实外形近似圆形，单果质量约40 g，果皮向阳面呈红色，背阴面呈黄色^［2］，果肉多汁、色泽鲜艳、别具风味。红梅杏含糖量高，富含多种有机成分和硒、钾等微量元素^［3］，营养价值较高。

中国面积辽阔，气候类型多样，杏在各地区的气候适宜性分布不同。基于产业发展需求，近年来关于杏种植的气候适宜性相关研究逐渐引起重视。舒东膂等^［4］、尹清华等^［5］、岳阳等^［6］和徐德源等^［7］根据杏的生理特点，结合气象资料分别完成了湖南、内蒙古赤峰、新疆等地杏树的生态适宜区划。但红梅杏以往研究多集中在产业经济发展和栽培管理技术等方面，有关宁夏地区红梅杏的气候区划方面尚属空白。

宁夏南部山区处于温带干旱半干旱过渡带，气候冷凉、阴湿多雨，植被覆盖度高，是宁夏红梅杏的主要种植区。固原市作为我国优质杏树的原产地之一，自然环境十分适宜栽植杏树^［8］，彭阳红梅杏于2016年被列入国家地理标志产品。

红梅杏在宁夏经过多年驯化，具有抗寒、抗旱、耐贫瘠、抗病虫害等特性^［9-10］，具有较高的经济价值，已成为宁夏南部山区重点发展的果树品种之一，主要种植区多集中在宁南山区^［11］。近年来，红梅杏种植面积逐年扩大，目前南部山区种植面积已达到1.63万hm^2［12］。光热条件与水分条件决定了一个地区是否适宜种植红木梅杏，同时也是影响其果实品质与产量的关键气候条件^［13］。据研究，杏树物候期开始时的物候时间与气温之间的相关性比物候期结束时强得多^［14］。红梅杏是宁夏开花期较早的果树，在开花、展叶、幼果形成期对气温的变化较为敏感，期间容易遭受晚霜冻害，影响红梅杏果实发育，造成减产、绝产^［15］。目前由于科技支撑不足，宁夏红梅杏规模化发展速度较慢^［16-17］。同时，宁夏部分地区在引种扩种问题上，没有全面考虑红梅杏的生物学特征及适宜种植气象条件，存在一定的盲目性。

鉴于此，本文结合红梅杏的品种特点，基于气象条件等环境要素，采用逐步分区法^［18］和集优法^［19］，运用GIS技术制作宁夏红梅杏的气候适宜性区划图^［20］，明确红梅杏的气候适宜区，充分合理地利用宁夏的气候资源，发挥气候优势，趋利避害，以期为红梅杏的合理布局，促进和指导红梅杏产业提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概述

宁夏回族自治区地处中国西北内陆，居黄河中游上段，南北相距456 km，东西相距250 km，总面积约6.64万km²。平均海拔高度在1 000 m以上，云雾稀少，地势南高北低，地貌环境复杂多变。气候条件时空分布不均匀，为典型的大陆性气候，六盘山区位于最南端，为半湿润区，卫宁平原以北为干旱区，其他为半干旱区。宁夏常年干旱少雨，日照时间长，光照资源丰富且热量适中，气温年、日较差大，无霜期短而多变^［21］。

1.2 数据来源

1.2.1 气象数据

气象数据来源于宁夏气象信息中心，通过收集宁夏23个地面气象观测台站1981~2020年的逐日地面气象观测数据，通过计算获得多年平均气温及年降水量。

1.2.2 地理信息采集

地理资料来自中国气象局，获取宁夏1∶50 000数字高程资料和行政边界数字资料。利用ArcGIS的空间分析功能，结合年平均气温和年降水量数据，推算形成宁夏全区25 m×25 m的网格点气象数据。

1.3 区划方法

为了提高区划的精确度，运用逐步分区法和集优法，结合选取的区划指标，采用小网格推算^［22］的方法，通过GIS（地理信息系统）建立气象要素与各气象站点的经度、纬度、海拔高度等地理信息的数学模型，将宁夏地区的气候资源数据推算为空间分辨率为1∶50 000的栅格分布图。气候资源推算模型为：

Y =f（λ，φ，h）+ε

式中：Y为气候要素（如年降水量等）；λ、φ、h分布代表经度、纬度、海拔等地理要素；ε为综合地理残差，通过修订推算模型，以消除小地形的影响和观测资料代表性不足等问题，各因子具体模型见表1。运用ArcMap软件中的反距离权重法（IDW）将年平均气温和年降水量模型残差进行栅格化处理后和气候资源图层叠加，得到订正后的气候因子资源分布图，完成对红梅杏种植的气候适宜性区划。

1.4 区划指标确定

红梅杏是宁夏特色经济果树之一，其气候区划对红梅杏经济发展有着至关重要的作用。基本气候区划原则：根据对红梅杏生长发育产生主要影响的气候条件来确定宁夏红梅杏的经济栽培适宜气候区。

红梅杏属于宁夏特色经济作物，但目前关于红梅杏区划方面的研究较少。红梅杏为喜温植物，气温会影响红梅杏果实糖分和可溶性固形物的积累。按照吴国平等^［23］多年试验结果：优质红梅杏的产区集中在海拔1 800 m以下，400 mm降水量带的沿河区域。

根据宁夏的气候变化趋势，结合红梅杏的生长发育特点和气象因子，选择海拔、多年平均气温以及年降水量作为红梅杏的主要气候区划指标。其中，可种植区划以海拔高度为指标，以1 800 m为能否种植的界限。红梅杏的气候区划以年平均气温和年降水量为主要指标，在可种植区范围内，年平均气温6.0~7.5 ℃、年降水量≥375 mm为适宜区；年平均气温7.5~9.0 ℃、年降水量300~375 mm为次适宜区；年平均气温<6.0 ℃或>9.0 ℃、年降水量<300 mm为不适宜区。区划指标及分区结果见表2。

2 结果与分析

2.1 宁夏年平均气温及年降水量分布特征

宁夏气候干燥，降水稀少，光热条件充沛，蒸发强烈，冬寒长、夏暑短，气温的年较差、日较差大，灾害性天气发生频繁。宁夏近40 a平均气温为4.14~8.5 ℃，呈自北向南递减趋势（图1）。中部干旱带大部及其以南地区普遍在7.5 ℃以下，其他地区在7.5 ℃以上。

宁夏降水季节分配不均匀，降水相对集中在夏季。从图2可以看出，年平均降水量在182~441 mm，降水北少南多，差异显著。北部银川平原在200 mm左右，中部盐池同心一带在200~300 mm左右，南部固原市大部地区在400 mm以上。

2.2 宁夏红梅杏气候适宜性区划

利用ArcGIS，按照本研究运用的逐步分区法和集优法，在可种植区内开展宁夏红梅杏的精细化气候区划。在此基础上细分出气候适宜区、气候次适宜区、气候不适宜区3个区域。区划结果见图2。

2.2.1 气候适宜区

该区主要集中在固原市彭阳县，其余小部分适宜区分别位于原州区东缘与彭阳县交界处，西吉县玉桥乡、兴隆镇境内葫芦河附近，以及泾源县东缘泾河分支流域附近。该地区年平均气温在6.05~7.22 ℃，年降水量在382~656 mm，降水条件相对较好，光照充足，气温日较差大，能充分满足红梅杏的正常生长发育需求，是红梅杏种植气候条件较理想的区域，所产红梅杏营养价值高，风味好，经济价值高，也是宁夏优先推广发展红梅杏种植产业的最佳区域。

2.2.2 气候次适宜区

该区域主要位于彭阳县东南部，彭阳县东北部安家川河及石桥沟流域附近，西吉县葫芦河分汊口及滥泥河流域附近，原州区中北部，海原县东南部，同心县东南部，盐池县东南部等地。该地区年平均气温在7.58~8.75 ℃。该地区年平均气温较高，年降水量较少。红梅杏的产量和品质受气象条件影响较大，生产红梅杏的气候保证率不高，这一带要根据具体条件因地制宜，有选择性地发展红梅杏种植。

2.2.3 气候不适宜区

气候不适宜区主要位于宁夏中部干旱带大部及其以北地区，这一区域年平均气温介于5.87~6.0 ℃以及9.20~10.33 ℃，年降水量在172~296 mm。不适宜区的气象条件不利于红梅杏的生长发育，气温过高或者过低，气象灾害如霜冻、干旱发生频繁，该地区所种植的红梅杏产量低，品质不佳，应避免发展红梅杏产业。

2.2.4 不可种植区

不可种植区位于山区海拔大于1 800 m的区域，主要包括贺兰山山区，同心县罗山及窑山山区，沙坡头区香山山区，六盘山及云雾山山区等地。这类区域海拔较高，为干旱、冰雹、霜冻等自然灾害易发区，种植红梅杏不易成活。

3 讨论

本研究利用的宁夏23个气象台站近40 a的气象观测资料，能够充分体现宁夏的气候特点和分布特征。在此基础上，结合宁夏红梅杏生长发育的特点，建立了气候区划的各项指标并明确等级划分，采用目前相对较为成熟的小网格推算法以确保区划结果的可信度。

有研究表明^{［13，22］}，宁夏红梅杏的适生区主要分布在固原市。在海拔1 800 m以下、年平均气温6 ℃以上、≥10 ℃有效积温在2 500 ℃以上、400 mm降水量带的红茹河和清水河流域所产出的红梅杏品质较好。其中彭阳县依托独特的气候和土地资源条件^［12］，是发展红梅杏产业的重点区域。这与本研究得出的宁夏红梅杏气候适宜性分布区基本一致，能够总体反映宁夏红梅杏的气候适宜性种植范围。值得注意的是，区划结果表明，仍有部分次适宜区，其范围与适宜区相当，突破了彭阳县红梅杏“一棵树”的传统认知范畴，可尝试在次适宜区推广种植。

本文的红梅杏气候适宜性区划结论，虽然综合了气候、环境多方面因素，基本符合宁夏实际情况和红梅杏的发展现状，对宁夏红梅杏产业规划和发展具有一定的指导意义，但由于宁夏地形复杂、环境多变，该区划结果仍存在不完善的地方，如土壤类型和栽培管理技术等自然及人为因素的影响；此外，还有晚霜冻害和干旱等制约红梅杏发展的气象因素等。晚霜冻害平均出现时间在五月份，在红梅杏现蕾期至幼果期，会直接降低坐果率，幼果期遭遇霜冻会导致大量落花落果^［25］，严重影响着红梅杏的产业发展及其产量的稳定性。

4 结论

红梅杏是20世纪70年代在固原市境内发现的一个特有的地域优势杏树品种，于20世纪90年代引种彭阳县后产业规模逐步扩大^［24］。本文根据先前对红梅杏品种特征和适应性等方面的研究成果，选取了气候区划指标，结合逐步分区法和集优法的区划方法，完成宁夏红梅杏的气候适宜性区划。区划结果表明，在海拔高度1 800 m以下，年平均气温在6.0~7.5 ℃，年降水量在400 mm左右的半干旱温凉地区能生产出优质的红梅杏。宁夏红梅杏种植的气候适宜区集中在固原市彭阳县及其与原州区交界处，这两个地区种植的红梅杏品质最为优良。此外，泾源县、隆德县、西吉县等地出现了小范围的气候适宜区，主要分布在沿河流域。原州区中北部、海原县东南部、同心县东南部、盐池县东南部出现小范围的气候次适宜区，若合理规划，栽植管理得当，可作为今后宁夏红梅杏发展的备选区域。宁夏中北部以及南部山区西部的大部分地区气温过高或过低，中北部降水偏少，蒸发较大，该区域在纯自然条件下种植红梅杏的风险大，如无灌溉条件很难获得经济产量，品质也无法得到保证，不适宜种植红梅杏。

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基金资助

科技部重点研发计划“科技助力经济2020”重点专项“果园霜冻防御关键技术集成应用”(KJZLJJ202003)

宁夏回族自治区重点研发计划项目(2018BFH03012)