高原马铃薯种植基地气候适宜度评价模型乡镇精细化区划研究*

珠杰桑布 张存杰 白玛德吉 尼玛拉姆 次仁旺姆

（1.西藏自治区南木林县气象局，西藏 日喀则 857100；2.国家气候中心，北京 100089；西藏自治区江孜县气象局，西藏 日喀则 857400）

0 引言

日喀则地区是西藏的马铃薯主产区[1]，而日喀则南木林县是整个西藏的马铃薯主产县[2],近几年当地随着马铃薯品种不断试验甄选，种植方式逐步完善，万亩马铃薯基地建设工作正有序推进，基本实现了农业产业化。马铃薯产业已经成为西藏日喀则市农牧业发展水平的新标杆和新名片。

然而，查阅以往相关西藏、日喀则地区“马铃薯”的研究发现，研究内容大多以品种甄选、引进、筛选试验及农业产业化等为主要方向[2-5]。但马铃薯产量不仅与以上各方面相关，还与当地的气候适宜度密不可分，因此，本文主要通过气候的视角，以温度、水分、光照综合构成的马铃薯气候适宜度评价模型计算得出的各乡镇马铃薯气候适宜度数据与高相关性的气象要素降水量、最高气温、相对湿度、风速及经纬度、海拔DEM 等地理信息构建回归模型，通过GIS技术克里金插值、掩膜、山体阴影、重分类、融合、栅格计算器等功能实现400×400米的精细化拟合区划，同时叠加土地利用类型数据，利用GIS 栅格转面、面积制表、按属性提取等技术估算不同气候适宜度分布区域下实际可以用于播种马铃薯的耕地面积，一是为高原马铃薯主产县产业调整、合理种植布局提供更为准确的理论参考，二是为艾玛乡万亩马铃薯种植基地提供更为科学的气象保障服务。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

南木林县位于西藏日喀则市东北部，地处雅鲁藏布江上游以北，平均海拔4000m，年平均气温为6.3℃，年平均降水量606mm，年平均日照时数为2901.9，年平均风速为1.9m/s，盛行西南风，属高原温带半干旱季风气候，辖1 镇16 乡。而马铃薯主产地艾玛乡位于县境南部，地处湘河与雅鲁藏布江汇合处东岸宽谷地和冲击扇上，地势平缓，平均海拔在3830m 左右，年平均气温可达9.7℃，比整个西藏高原年平均气温高4℃。这为马铃薯生长发育提供了充足的热量条件，南木林县万亩马铃薯种植基地就处在该地，如图1所示。

1.2 资料来源

选取南木林县的1 个国家气象观测站1980—2021 年、艾玛乡等15 个乡镇省级地面天气站2020—2021 年马铃薯播种至成熟期（4 月20 日至10 月20 日）的逐日最高气温、最低气温、平均气温、降水量、日照时数、相对湿度、平均风速数据及风标高度、经纬度、海拔等要素，以及南木林全境行政矢量边界（1：10000）、DEM 高程（1:50000）、土地利用类型栅格数据等基础地理信息数据作为研究的基础资料。

1.3 研究方法

1.3.1 气候适宜度评价方法。马铃薯综合气候适宜度模型，参考了马铃薯气候适宜度相关最新文献[6-9]计算公式如下：

式中:F为马铃薯生育期内的综合气候适宜度；F(t)、F(r)、Fs分别为气温、水分、日照适宜度，其中对于没有日照采集设备的乡镇，日照影响忽略不计，主要以水热条件作为模型设立的依据。

其中，F（t）为马铃薯某生育阶段的气温适宜度，t为马铃薯各发育期实际平均气温，tl、th和to分别为马铃薯各发育期所需的下限气温、上限气温和适宜气温采用世界粮农组织FAO确定的马铃薯三基点温度。

式中：s 为各生育期内的实际日照时数；s0是日照百分率为70%的日照时数。

式中，F（r）为马铃薯某生育阶段降水适宜度，Δ W、R、ET0、W为相应时段农田水分亏缺值、降水量、潜在蒸散量和需水量，kC为马铃薯不同生育阶段的作物系数，本文FAO 确定的马铃薯的作物系数kC值，潜在蒸散量ET0用Penman-Monteith公式计算得出如下：

式中：ET0为潜在蒸散量(mm·d-1)；Rn为地表净辐射(MJ·m-2·d-1)；G 为土壤热通量（MJ·m-2·d-1）；γ为干湿表常数(KPa·℃-1)；es为平均饱和水汽压（KPa）；e a为实际水汽压（KPa）；U2为2m 高处的平均风速（m·s-1）；Δ 为饱和水气压曲线斜率(KPa·℃-1)。Rn、Δ、G、es、ea、U2计算方法参考张存杰等[10-12]，此处不再详细赘述。

1.3.2 精细化空间插值回归模型。将通过适宜度评价方法计算出的17 个乡镇马铃薯气候适宜度作为因变量如表1 所示，选择参与适宜度评价计算且通过0.05、0.01显著级别的降水量、相对湿度、最高气温、平均风速以及地理信息经度、纬度、DEM 数字高程作为自变量建立回归方程如下：

表1 马铃薯气候适宜度空间插值回归模型参数表

然后，利用GIS 栅格计算器将7 种自变量栅格空间分布按照上述精细化空间插值回归模型方程实现400×400 米像元高精度运算拟合如图2，获得南木林县马铃薯适宜度空间分布地图如图3。

2 结果与分析

2.1 气候适宜度区划

由图3 可知，南木林县马铃薯气候适宜度总体呈现北低南高，高海拔山区不适宜，而狭长的河谷地带较适宜的形势。其中，北部基本不适宜种植马铃薯，这些地区热量条件不满足马铃薯生长所需；中部湘河河谷气候适宜度适中气候条件基本满足马铃薯生长所需；湘河与雅鲁藏布江汇合处东岸宽谷地和冲击扇艾玛乡至土布加乡最适宜种植马铃薯，这一带气候条件最为适宜，满足马铃薯生长所需；仁堆、拉布普高寒乡镇整部及其余乡镇高海山区均处在不适宜区。

2.2 耕地分布区划

图4 在得出马铃薯气候适宜度分布图的基础上，进一步叠加了土地利用类型栅格数据，同时去除林地、草地、水体、城乡居民地、未利用地保留了耕地土地类型，可以看到，耕地大多覆盖在湘河河谷流域中下游（普当、甲措、热当、达那、南木林、秋木、多角、卡孜）、索金至奴玛勾（当地也称邬郁沟）以及艾玛至土布加（当地也称艾玛岗）。其中多角、卡孜以南湘河流域、艾玛岗耕地处在马铃薯气候最适宜区，多角、卡孜以北普当以南河谷流域耕地处在气候适宜区；热当东部、达那河谷上游、南木林镇北部、芒热乡大部、索金北部耕地处于气候次适宜区；仁堆、拉布普高寒乡镇整部及其余乡镇高海山区气候不适宜区无耕地情况。

2.3 估算可播种马铃薯耕地面积

图5 利用GIS 技术提取了土地利用类型栅格数据在4个不同级别的气候适宜度分布区域下所对应的耕地分布栅格，能够更为直观的了解和掌握南木林县马铃薯不同气候适宜度等级下的实际可播种空间格局。

而后，通过栅格转面工具将耕地栅格转化为shp文件，通过面积制表工具统计得出了不同级别马铃薯气候适宜度所对应的各乡镇可播种马铃薯的耕地面积数（表1）。算出南木林县可种植马铃薯的耕地总面积为167.1km2。其中艾玛乡为主的马铃薯气候最适宜区占40.9km2，占比为24.5%；以湘河河谷流域为主的马铃薯气候适宜区面积占100.8km2，占比为60.3%；艾玛乡总耕地面积26.9km2中处于马铃薯气候最适区达20.3km2，占比达75.4%，如图（6）。综合来讲，南木林县理论用来播种马铃薯的耕地面积可达141.7km2，占总耕地面积的84.8%，这不仅呈现南木林县作为马铃薯主产县的气候适宜度优越，从侧面也反应该地地力贡献。

表1 不同级别马铃薯气候适宜度所对应的各乡镇可播种马铃薯的耕地面积（单位：km2）

3 结论和讨论

（1）气候适宜度空间格局得出最适宜区位于湘河与雅鲁藏布江汇合处东岸宽谷地和冲击扇艾玛乡至土布加乡，此带最适宜种植马铃薯，出产享誉西藏自治区的“艾玛马铃薯”，这除了与此带土质、种植方式有关，还与其气候条件高度相关，气候适宜度高，对马铃薯生长发育为正贡献，因此能够促进其产量和品质的提升。较适宜区在湘河河谷下游一带暨大部河谷主要农区，这些地区气候条件基本满足马铃薯生长所需；不适宜区位于高海拔山区及北部大片牧区，这些地区热量条件不满足马铃薯生长所需。

（2）在马铃薯气候适宜度的基础上，叠加了耕地土地类型，可以看到，耕地区大多覆盖在湘河河谷流域中下游（甲措、热当、达那、南木林、楸木、多角、卡孜）、索金至奴玛勾（当地也称邬郁沟）以及艾玛至土布加（当地也称艾玛岗）。其中多角、卡孜以南湘河流域、艾玛岗的耕地处在马铃薯气候最适宜区，以北河谷流域的耕地处在适宜区；热当东部、达那河谷上游、南木林镇北部、芒热乡大部、索金北部的耕地处于次适宜区；仁堆、拉布普高寒牧区乡镇整部及其余乡镇高海山区气候不适宜区无耕地分布，总体来讲现阶段种植布局评价为科学合理。

（3）将划分的马铃薯气候适宜度等级为掩膜内容对耕地栅格数据内容进行提取，实现耕地分布格局和马铃薯气候适宜度格局精细化区划叠加，获得不同适宜度分布区域下实际可以用于播种马铃薯的耕地及面积。通过计算得出南木林县可种植马铃薯的耕地总面积为167.1km2，其中艾玛为主的马铃薯气候最适宜区占40.9km2，占比为24.5%；以湘河河谷流域为主的马铃薯气候适宜区占100.8km2，占比为60.3%；值得一提的是艾玛乡总耕地面积26.9km2中处于马铃薯气候最适区达20.3km2，占比达75.4%.以上数据不仅呈现南木林县作为马铃薯主产县的气候适宜度的优越性，从侧面也反应该地地力贡献。

（4）本文构建的高原马铃薯气候适宜度评价模型得出的区域特征，结果与实际情况比较一致。对于了解气候变化下高原马铃薯生长发育适宜度的空间格局可以提供依据，本研究存在一定的局限性，未考虑到农业气象灾害、品种差异等因素对马铃薯生长的影响，仅从气象角度进行适应度评价区划。