基于GIS的山西谷子种植气候区划分析

韩小英 ，张 蕾 ，韩伟宏 ，高 洋 ，乔 月 ，芦艳珍

（1.山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原030006；2.山西省农业科学院旱地农业研究中心，山西太原030031）

谷子（Setaria italica），古称稷、粟、粱，起源于黄河流域，其耐旱、耐瘠薄、抗逆性强、适应性广[1-4]，营养丰富，用途广泛，在我国山区旱地种植集中，是原产粮饲兼用作物和营养保健作物[5]。谷子主要在我国北方地区种植，居小杂粮之首[6]。谷子是山西主要粮食作物之一，地域优势明显，在主食产品和康养产业中地位突出，其种植面积和产量仅次于玉米和小麦，在全国排名前二[7]。近几年，受市场波动和气候等影响，山西谷子种植面积和总产量均出现下滑，影响了谷子产业的健康发展，做好谷子产业优势区布局研究，加强优势区建设，对促进产业转型升级、调优产业结构、稳定粮食产量、改善膳食结构和促进增产增收具有重要作用和意义。

为进一步明确全省谷子种植优势区域，优化产业布局和资源配置，全面提升山西省谷子产业规模、效益与市场竞争力，推进山西谷子产业集群发展、融合发展，本研究采用地理信息系统（GIS）技术和数理统计方法，对全省109个地面气象观测站近38 a来的气象资料及相应的地理信息资料进行汇总分析，建立了地理信息和气候资源数据库，在此基础上，用Fortran程序设计语言编写插件[8]，并运行计算气候要素值，利用GIS统计分析工具建立了气候要素与地理因子的小网格（200 m×200 m）空间分析模型，计算生成山西省平均气温分布图、日均温≥10℃积温分布图和谷子生育期降水量分布图等气象要素图件，各图层能够充分表达小网格尺度范围各自然地理气候的综合特征，从气候适宜指数时空分布特征和谷子生长发育的气象适宜性评价入手，分析探讨谷子种植的气候适宜性时空分布规律，并进行适宜性分区，以期为山西省谷子有机旱作发展规划提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 数据来源

基础地理信息资料采用国家基础地理信息中心提供的1∶25万山西省基础地理数据、SRTM90 m分辨率的DEM高程数据和全省县级政区图。气候数据采用山西省109个气象站点1979—2016年连续38 a的近地面气候观测资料日值数据和站点地理信息资料，统一使用2000国家大地坐标系。

1.2 研究方法

通过对缺测数据进行修正处理，对源数据进行核校，以确保气象资料的系统、完整、准确、可靠。再用Fortran程序设计语言编程，对0～5 cm地温、日均温、日气温最高值和最低值、年降水量、≥10℃的活动积温、日照时数、无霜期等气象资料数据进行统计汇总，人工核校，建立区划指标标准数据库。最后利用ArcGIS 10.2软件，把DEM高程数据进行栅格重采样，处理为空间分辨率为200 m的高程数据，借助GIS的三维数据空间分析工具和统计方法，用以上高精度地理数据建立数据空间指标，空间统计分析模型，进行谷子种植适宜性分区评述。

1.3 谷子种植气候区划指标分析与确定

1.3.1 ≥10℃活动积温 谷子耐旱喜温，对热量要求较高，通常完成生长发育的活动积温（≥10℃）为1 600～3 800℃[9]。不同生育期活动积温对谷子生长发育影响明显，反映在谷子最终产量上，积温对出苗至拔节期的影响最大，产量与生育期中的活动积温呈极显著正相关，活动积温每变化100℃，每公顷产量相差210 kg。

1.3.2 生育期平均气温 谷子发芽的最低温度为7～8℃，最适温度是15～25℃，最高温度为30℃[10]，当地面10 cm表土温度稳定通过10℃时即可播种，气温低于2℃时谷苗易被冻死[11]，出苗至分蘖期最适温度为20℃左右，拔节至抽穗期最适宜气温为22～25℃，开花期最适宜气温为18～22℃，灌浆期以日平均气温20℃为宜，低于20℃或高于23℃对灌浆不利，容易形成瘪谷[12]。昼夜温差大有利于干物质积累，促进粒大饱满。不同品种生育期差别很大，一般春播生育期为120～150 d，夏播生育期为 90～110 d。

1.3.3 降水量 尽管谷子比较耐旱，苗期能忍受暂时的严重干旱，蒸腾系数也小，远低于高粱、玉米和小麦，但降水量仍然是影响谷子产量的一个很重要的因素。山西春夏季蒸发量大，谷子全生育期降水量达350 mm以上时，才能满足谷子正常生长需求[13]。苗期适宜降水量为50 mm左右，拔节期为95 mm左右，抽穗期为80 mm左右，成熟期为65 mm左右。谷子目标产量为2 100 kg/hm2时需要降水量在430 mm以上，其中，夏季降水量要达到260 mm以上。拔节至抽穗期需水量占全生育期需水量的50%～70%，故夏季降水量对产量影响最大。但谷子也怕涝，尤其在生育后期，土壤水分过多，会发生烂根，病害增强，造成早枯死苗。

1.3.4 无霜期 谷子生长发育所需的无霜期一般不低于110 d，无霜期低于110 d的地区大多是海拔较高、气候较低的冷凉地区，会影响谷子的正常生长发育。

1.3.5 气候区划指标的确定 根据谷子生长发育所需的气候条件和我们多年来的研究观测资料进行统计检验，选取谷子全生育期4—10月平均气温、≥10℃积温、4—9月降水量及无霜期等作为区划指标。

1.4 数据处理

采用IBMSPSS Statistics 24软件进行多元线性回归分析，并用ArcGIS 10.2进行地理数据分析及制图。

2 结果与分析

2.1 谷子种植农业气候适宜性分区评价

以谷子4—10月平均气温、≥10积温、4—9月降水量及无霜期为区划指标，对山西省谷子生产区进行农业气候适宜性分区评价，结果如表1所示。

表1 谷子种植农业气候区划适宜性分区评价

2.2 建立资源小网格空间分析推算模型

山西省地处温带大陆性季风气候区，南北跨6个纬度，山高沟深，光热水条件差异很大。气候受纬度、海拔高度和地形等因素影响，空间差异复杂多样且明显[14]，109个站点的气候资料只能代表台站附件区域内的气候特征，不能全面准确地反映各县气候资源的立体多样性特征，也不能很好地满足山西省谷子种植精细分区的要求。为能够客观地描述山西谷子种植气候区划的各指标因子在全省的实际分布，本研究采用全域和分区建模相结合的办法，通过GIS系统，利用渔网工具（Creat Fishnet），创建200 m×200 m的小网格，提取出每个小网格的经度、纬度、海拔高度、坡度和坡向网格数据，再叠加乡镇界、县界等地理信息数据，运用IBMSPSS Statistics 24软件[15]，以经纬度、海拔高程、坡度和坡向等地理因子作为自变量，气候因子区划指标为因变量，建立山西省谷子气候区划指标的多元线性回归数学推算空间分析模型[16]（表2）。

气候因子和地理因子的关系模型表达式[17]如下。

式中，Z为气候因子的实测值；地理因子：φ为经度（°）、λ 为纬度（°）、h为海拔高度（m）、β为坡度（°）、θ为坡向；ε为综合地理残差，其表达式[18]如下。

表2 山西省谷子种植气候区划指标空间分析模型

从表2可以看出，各指标因子模型方程的复相关系数在0.729～0.960之间，F检验值为55.369～489.157，均达显著水平。表明方程回归效果较好，可以用于小网格推算。

根据表2中的模型表达式，计算出109个气象站点的区划指标因子模拟值，再通过公式（2）计算得到其残差值并进行残差订正，以各气象站点的残差值为样本，利用GIS的空间插值方法-反距离权重插值法（IDW）内插出200 m网格残差栅格图，内插公式如下。

式中，s0为待求插值点，■（s0）为 s0处的残差值，n为残差计算过程中要使用的残差点周围样点的数量，Z（si）为在si处获得的残差值，P为权重指数值，P值通常为2，di0为待求插值点s0与各已知样点si之间的距离。

根据公式（2）计算出200 m×200 m网格的区划指标模拟值，再利用IDW内插出模拟值栅格图[19]，计算各气候区划因子在无测站区域的数据分布状况，解决了传统区划资料中以点代面的问题，确保每个网点上的气候资源值是相对精准的，再将模拟值栅格图和残差值栅格图用栅格计算器叠加运算，最后绘制出各气候区划指标值空间分布图（图1、2、3、4）[20]。将其与全省典型地区多年生产实际进行分析比对，二者空间分布趋势呈现一致性，证明推算模型具有良好的统计学意义和现实意义。

2.3 谷子种植适宜性分区

根据图1、2、3、4绘制的4个分区指标因子栅格图和表1中的区划指标值进行重聚类，按照谷子最适宜种植区、适宜种植区、次适宜种植区及不适宜种植区的分级标准分别给各区划指标因子赋值为4、3、2、1分。以 4—10月平均气温为例，当 4—10月平均气温≥20℃时赋值4分、≥18℃＜20℃时赋值3分、≥16℃＜18℃时赋值2分、＜16℃时赋值1分，以此类推，将图1～4中的各区划指标栅格图进行重聚类，采用GIS的栅格计算器，对各图层的栅格进行提取叠加和重分类运算，生成新的分值叠加图，结合谷子专家建议，对谷子的气候指标进行综合分析，按照总分值的大小进行等级划分（表3）。在此基础上，并给不同的区域赋予不同的颜色，叠加山西省县界、乡镇界数据等，绘制出山西省谷子气候适宜性分区图（图5）[20]。

表3 山西省谷子种植适宜性分区综合指标值

2.4 分区述评

通过分区综合指标值，采用单因子权重和综合权重分值综合评价，采用GIS分区技术，将山西省谷子种植区划分为4个类型区（图5），并进行分区述评。

2.4.1 最适宜种植区（Ⅰ） 谷子最适宜种植区主要分布在长治、晋城、临汾、阳泉大部分地区，运城的垣曲、夏县等区域及吕梁地区部分区域。该区域年平均气温为8～12℃，≥10℃积温在3000～4000℃，年降水量在500～650mm，日照时数2300～2500h，无霜期为150～217 d，海拔为700～1 100 m。该区热量资源丰富，雨量充沛，水热资源丰富，非常适宜谷子生长，是全省优质谷子生产优势区。

2.4.2 适宜种植区（Ⅱ） 适宜种植区主要分布在运城、晋中、太原大部分区域，忻州的原平、忻府区、河曲县、保德县等区域以及朔州的山阴县、朔城区、应县、怀仁县等区域。该区域年平均气温为6～14℃，≥10℃积温在2 500～3 000℃，年降水量在400～550 mm，日照时数为2 500～2 700 h，无霜期为110～160 d，海拔为400～1 200 m。该区能满足大多数谷子品种生长发育的要求，适宜优质谷子生产种植，是仅次于最适宜种植区的谷子生产优势区。

2.4.3 次适宜种植区（Ⅲ） 次适宜种植区主要分布在天镇县、阳高县、大同县、左云县、右玉县、平鲁县、偏关县、神池县、五寨县、宁武县、岢岚县、静乐县、广灵县、浑源县、繁峙县、代县等县（区）部分区域，该区域年平均气温为5～8℃，≥10℃积温为2 000～2 500℃，年降水量为400～500 mm，日照时数为2 700～2 900 h，无霜期为110～140 d，海拔为1 100～1 500 m。该区气温较低，干旱冷凉，多风沙，海拔较高，可以种植生育期较短的谷子品种，产量和品质都比最适宜种植区和适宜种植区差一些。

2.4.4 不适宜种植区（Ⅳ） 不适宜种植区主要分布在五台山、芦芽山、恒山等地区，该区域气候高寒，年平均气温小于5℃，≥10℃积温小于1 500℃，年降水量不足370 mm，日照时数2 900 h左右，蒸发量大，无霜期短（80～100 d），多数地区海拔大于1 500 m，不适宜种植谷子。

3 结论与讨论

本研究采用山西省1979—2016年近38 a的近地面观测日值数据，把4—10月平均气温（℃）、4—9月降水量（mm）、≥10℃积温（℃）及无霜期（d）等气候因子作为谷子种植气候适宜性区划指标，借助GIS的三维数据空间分析工具和统计方法，建立了气候要素与地理因子的小网格尺度推算模型，通过GIS空间统计分析方法，把山西省谷子种植的气候区划分为最适宜种植区、适宜种植区、次适宜种植区和不适宜种植区4个类型，并做了典型地点数据核校，绘制出山西省谷子种植气候区划图，分区结果表明，山西省大部分地区适宜种植谷子，种植谷子的海拔主要分布在400～1 200 m。最适宜种植区主要分布在热量丰富、雨量充沛、水热资源协调性好的长治市、晋城市、临汾东西两山低山区、阳泉市及运城的垣曲县、夏县等区域，吕梁市部分区域，可春播和夏播；适宜种植区主要分布在运城、晋中、太原大部分区域，忻州的原平、忻府区、河曲县、保德县等区域，朔州的山阴县、朔城区、应县、怀仁县等区域。该区能基本能满足大多数谷子品种生长发育的要求，适宜优质谷子生产种植。次适宜种植区主要分布在气温较低、气候较干旱、海拔较高的山西省北部大部分地区，该区可以种植抗旱性好、生育期较短的谷子品种，只能春播，且产量较低，不建议大规模发展谷子种植；五台山、芦芽山、恒山等地区是不适宜种植谷子的区域。全省各地要充分发挥当地气候资源优势，调整和优化谷子的种植结构，合理布局，科学发展。

目前，山西省基于GIS技术的谷子专题区划研究还未见报到，境内地形起伏大，纵跨6个纬度，气候的垂直差异和水平差异变化大，局地小气候类型多样且典型，在实际生产中除了需要大量观测点的信息还需要得到具体面域上任意一点或小区域的气候环境信息，因气象站点之间分布距离远近相差较大，而实际气象资料一般只有在气象观测站点才有，以往区划研究中由于所用的资料数据基本为气象站点观测资料，其结果局限性大，地理分异不精准。所以资料远不能满足指导局地生产的精细化分区需要。本研究利用高精度数字高程模型及109个气象站点的多年观测资料，建立数学模型，计算出每个200 m×200 m的小网格点上的局地小气候地理信息数据（温度、降水、坡度、坡向、高程等），绘制出各气象要素小栅格图层，由于网格小，能较准确地反映精细化农业气候区划成果，使得区划结果更精准、更合理。

在对作物进行气候区划时，区划指标是影响区划结果的关键，由于谷子不同品种所需的种植环境差异较大，目前在谷子的气候适宜性区划指标方面没有形成统一的标准，在这方面的研究报道也很少见，光照、温度、水分是影响作物生长发育的主要气候因子，因此，本研究从各种资源综合考虑，尽可能地完善谷子种植的气候适宜性指标，使区划指标愈加趋于合理、客观，能同生产实际更吻合，更具有实用价值。

谷子适宜性种植的区划指标除了与气象条件密切相关，土壤土质条件、地表水资源、经济因素、市场资源配置等实际情况也不可缺少，由于此类指标缺少定量统计数据，区划过程中，只考虑了气象要素及地理要素，社会经济要素没有考虑，这可能会导致小尺度范围内区划结果与生产实际有不太吻合的区域出现，在以后的研究中会进一步深入挖掘探讨，完善细化指标结构和标准，使区划结果更精准。因此，本研究的区划结果中的适宜种植区只是相对于农业气候条件上的适宜区，极少数地区会与实际种植情况有一些差异。

科学合理地发展优质谷子生产，可以全面提升山西省优质谷子的市场竞争能力和综合生产能力，实现高产高效，增产增收，保障优质粮食供给安全，推动农业产业健康可持续发展，助力乡村振兴。