基于GIS技术的甘肃河西啤酒大麦种植气候区划

张弢1，徐正芬2，庞成3，毛竹馨1

（1甘肃省永昌县气象局，甘肃永昌737200；2福建省浦城县气象局，福建浦城353400；3甘肃省张掖市气象局，甘肃张掖734000）

摘要：为了科学、合理地利用当地气候资源，为甘肃省河西地区啤酒大麦生产合理规划布局和可持续发展提供科学依据。笔者根据啤酒大麦生长所需的气候条件，并结合前人研究结果，选取年≥0℃积温、幼穗分化期（5 月下旬—6 月上旬）和灌桨期（6 月下旬—7 月中旬）的平均温度及年日照时数4 项气候要素作为啤酒大麦的气候区划指标，用甘肃河西地区20 个气象观测站1981—2010 年标准气候统计资料和1:25 万地理信息资料，通过多元回归方法建立了区划因子与地理信息的推算模型，利用GIS技术和专家评分法，对甘肃省河西地区啤酒大麦进行精细化农业气候区划，分为适宜、次适宜、不适宜3 个区域。适宜区主要位于沿祁连山北麓一线和马鬃山附近地区12个县（区、市）海拔在1500~2200 m之间的地区。

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关键词 ：河西地区；啤酒大麦；GIS；气候区划

中图分类号：S512.3+1 文献标志码：A 论文编号：cjas14120034

基金项目：科技部（气象）行业专项“农田水分利用效率对气候变化的响应与适应技术”(GYHY201106029-01-8)。

第一作者简介：张弢，男，1971 年出生，甘肃武威人，高级工程师，本科，主要从事应用气象研究。通信地址：737200 甘肃省永昌县气象局，Tel：0935-7522233，E-mail：ycxnw@163.com。

收稿日期：2014-12-29，修回日期：2015-02-10。

0 引言

啤酒大麦是酿造工业和食品工业的重要原料。目前，中国的啤酒大麦自给率仅为1/3 左右，大部分依赖进口。甘肃是中国优质啤酒大麦的生产基地及啤酒花第二大产区，啤酒大麦是甘肃省最具特色的优势酿造作物，分布于从陇东至河西西部的广阔地带，尤其是河西走廊，所产啤酒大麦不仅具有较高的千粒重，而且以色浅、皮薄、籽粒饱满、发芽率高等特点明显优于国内其他产区，可与进口大麦相媲美[1-4]。

作物产量高低及质量优劣除受其自身品种特性影响外，还受诸如土壤、气候等环境条件影响，啤酒大麦也不例外，气候条件是影响啤酒大麦产区分布、产量和质量的主要因素[5]，如何在适宜的条件下合理种植啤酒大麦，随着研究的不断深入，王效宗等[6]对甘肃省优质啤酒大麦种植区域进行了划分，邓振镛等[7]对啤酒大麦气候生态适应性分析与适生种植区划进行了研究，俞天胜等[8]对新疆啤酒大麦生产现状及种植区域划分进行了研究，给出了区划结果。但由于技术手段的限制，以往的一些研究主要是以文字形式大致描述啤酒大麦的气候生态适生种植区域，用传统方式制作的区划图，达不到精细化的要求，难以满足实际生产的需要。随着GIS 技术在农业气候区划中的广泛应用，区划结果由基于行政单元发展为基于地理网格单元，克服了以往基于气象站资料，复杂地形条件下气象资料代表性差的问题，极大提高了区划结果的精细化程度[9-16]，取得了较为丰硕的研究成果。

目前，基于GIS 技术进行啤酒大麦种植区区划方面的研究还未见报道。因此，本研究使用已取得的啤酒大麦的观测资料和近30 年气候资源数据，在综合分析啤酒大麦气候适宜性基础上，借助GIS 技术对甘肃河西地区啤酒大麦种植区进行区划，并提出相应的生产建议，以期为气候变暖背景下的啤酒大麦生产合理规划布局和可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况及资料来源

1.1 研究区概况

河西地区系指甘肃的武威、张掖、酒泉、金昌和嘉峪关5 市的19 个县、区，东起乌鞘岭，西至古玉门关，南北介于南山（祁连山和阿尔金山）和北山（马鬃山、合黎山和龙首山）间，为西北—东南走向的狭长平地，形如走廊，因位于黄河以西，自古称为河西，亦称河西走廊。区内海拔1100~4300 m，总面积为27.9万km2，年太阳总辐射量在5505~6412 MJ/m2，年平均气温4~10℃，年降雨量39.9~407.1 mm，年蒸发量1638~3040 mm，年日照时数2608~3329 h，≥0℃的活动积温1319~4075℃· d，无霜期100~186天。雨热同季，光照充足，由于深居内陆，远离海洋，属于干旱、半干旱性气候[17]。

1.2 资料来源

气候资料来源于河西地区20 个气象观测站的气象观测资料（《甘肃省各站累年（1981—2010）年平均气象要素统计值》），包括1981—2010 年逐月气温、降水量、日照时数、≥0℃活动积温、无霜期等标准气候统计值和经度、纬度、海拔高度，以及5—7 月逐旬平均气温资料；大麦作物观测资料来源于永昌国家农业气象二级观测站。

地理信息采用1:25 万甘肃数字高程模型(DEM)地理信息数据，经过裁剪得到河西地区的地理信息数据，并提取各地小网格经度、纬度、海拔高度数据，用于区划指标的空间化处理。

2 分析方法

2.1 地理信息资料的处理

利用地理信息软件ArcGIS 9.3 为GIS 工具，将1:25 万的甘肃省地理信息数据进行导入、裁切、拓扑运算、合并等图层处理，然后从中提取各气象站点地理位置、各县市行政边界、数字高程模型(DEM)等基础地理数据资料，最终生成河西地区的海拔高度、经度和纬度栅格图层。

2.2 区划因子的选择及指标的确定

啤酒大麦为长日照植物[18]，具有耐低温、早熟、生育进程快、分蘖力强、分蘖成穗率高、幼穗分化早、对条件要求不严格、耐瘠薄、抗灾能力强等特点[19]。河西地区是干旱半干旱绿洲灌溉农业区，光照充足，气候凉爽，气温适中，相对湿度低，特别有利于啤酒大麦生长发育和优质籽粒形成。啤酒大麦产量形成的2个主要关键时段：分蘖—拔节和灌桨期对气温有较严格要求：即在幼穗分化期的适温范围内要求偏低的气温，有利于幼穗分化期延长发育充分，利于形成较多小穗数；在灌桨期气温偏低，灌桨期延长，有利于籽粒饱满、籽重增加[7]。综合上述分析，选择年≥0℃积温、幼穗分化期（5月下旬—6月上旬）和灌桨期（6月下旬—7月中旬）平均气温以及年日照时数作为主要区划因子，并将河西地区啤酒大麦种植区划分为适宜、次适宜及不适宜3个区域（见表1）。

2.3 区划因子模型的建立

用河西地区20个气象观测站的30年（1981—2010年）相关气象资料，采用多元回归统计方法，用spss软件分别建立年≥0℃积温、5 月下旬—6 月上旬平均气温、6 月下旬—7 月中旬平均气温、年日照时数与经度、纬度和海拔高度的空间分布模型（见表2）。模型中X1为经度，X2为纬度，X3为海拔高度，各回归方程均有较高的R和F值，均通过了α=0.01 的显著性检验，表明各方程具有良好的拟合效果。

2.4 综合气候区划指标的确定

首先，将表１中的啤酒大麦区划因子进行无量纲化处理如下：a=ΣT≥0℃/4100，b=T5—6/22.0，c=T6—7/25.0，d=Ha/3400。其次，确定区划因子的权重系数。根据各指标对啤酒大麦生长影响的重要程度，采用专家评分法，确定区划指标≥0℃积温a 的权重系数确定为0.5、5月下旬—6 月上旬平均气温b 的权重系数确定为0.2、6月下旬—7月中旬平均气温c的权重系数确定为0.2、年日照时数d 的权重系数确定为0.1，据此建立啤酒大麦种植气候区划综合指标Py与区划因子的组合公式(1)。

Py=0.5a+0.2b+0.2c+0.1d ……………………… (1)

Py即为啤酒大麦种植综合气候区划指标。

2.5 区划方法及专题图的制作

在地理信息系统ArcGIS9.3 平台下，根据生成的经度、纬度和海拔高度栅格图层，应用表2 中的模型，首先推算出年≥0℃积温、5 月下旬—6 月上旬平均气温、6 月下旬—7 月中旬平均气温、年日照时数的栅格图层，再应用公式(1)推算出河西地区Py值的栅格图层。根据河西地区农业气候资源特点，结合啤酒大麦生长发育对气候条件的要求，经反复调整指标划分如下：0.63

根据上述分区指标制作出如图1 所示的河西地区啤酒大麦种植气候区划空间分布图。

3 区划结果及分区评述

根据啤酒大麦种植气候区划结果（见图1）可以看出，适宜区主要集中在沿祁连山北麓一线，次适宜区主要集中在海拔较低的走廊地带，海拔超过2500 m的地方则为不适宜种植区。

3.1 啤酒大麦适宜种植区

本区包括12 个县（区、市），海拔在1500~2200 m之间，以40°N为界分为南部和北部2 个区。

南部适宜区沿祁连山北麓一线分布，主要包括古浪、武威市南部、永昌、山丹、民乐、肃南、玉门市南部、肃北一部及阿克塞部分地方。本区水资源丰富，灌溉条件良好，海拔在1500~2200 m之间，主要气候特点是气候冷凉，湿润度较好。年平均温度为4.1~7.5℃，年降水量为150~350 mm 之间，≥0℃ 积温为2600~3500℃，年日照时数为2900~3100 h，日平均气温稳定通过0℃的初日为3 月20 日—4 月5 日，无霜期123~141 天，啤酒大麦全生育期为125 天左右，全生育期所需的≥0℃积温为1850℃左右。由于，幼穗分化期和灌桨期气温相对较低、温度日较差大，有利于作物干物质的积累，因而适于啤酒大麦生长发育，产量水平高，千粒重高，粒色好，淀粉含量高，蛋白质含量适中，是啤酒大麦生产最适宜的地区，具有较大的发展潜力和前景。本区的永昌和民乐2 县是甘肃省2 个主要的啤酒大麦生产县。

北部适宜区位于马鬃山附近，包括瓜州北部、肃北北部。本区海拔在1500~1800 m之间，主要气候特点是气候干燥、日照时间长。年平均温度为4.5~7.0℃，年降水量在50~100 mm 之间，≥0℃ 积温为3000~3500℃，年日照时数为3000~3100 h，日平均气温稳定通过0℃的初日为3 月20 日左右，无霜期153 天。幼穗分化期和灌桨期气温较南部区域稍高，本区降水量少，土壤状况稍差，但光照充足，太阳辐射强、昼夜温差大，病虫害少，产量水平相对较南部区域稍低。

3.2 啤酒大麦次适宜种植区

本区包括13 个县（区、市），根据地地形特征和气候特点可分为2 个区，即绿洲农业区和浅山区。

绿洲农业区主要位于张掖以西的河西走廊地带和武威北部地区，包括武威市北部、民勤、金昌市、张掖市、临泽、高台、金塔、玉门市北部、瓜州中部、敦煌南部和北部。本区海拔在1500 m以下，主要气候特点是气候干燥，风沙大，冬季寒冷，夏季炎热。年平均气温8~10℃，年降水量为49~171 mm，≥0℃积温为3500~4000℃，年日照时数为3100~3350 h，日平均气温稳定通过0℃的初日为3 月5 日—3 月20 日之间，无霜期141~186 天。该区地势平坦，灌溉条件良好，热量条件充足，限制因子为7 月的高温天气，如果能够调整播种期而避开夏季的高温，啤酒大麦也能够获得较高的产量和质量。在品种选择上宜种植中、晚熟品种，如‘甘啤3 号’、‘甘啤4 号’。

浅山区面积较小，主要分布在沿祁连山北麓海拔高度为2200~2500 m之间的浅山区一带，主要有山丹军马场、肃南的皇城、天祝的松山等地。主要气候特点是冬季寒冷，夏季凉爽，降水丰富。年平均气温为4℃左右，年降水量为350~400 mm，≥0℃积温为1700~2600℃，年日照时数为2800~2900 h 左右，日平均气温稳定通过0℃的初日为4 月5 日—4 月15 日之间，无霜期100~120 天。该区地形起伏，灌溉条件差，无霜期短，热量资源欠缺，因而制约了大麦的产量和质量。在品种选择上宜种植早熟品种，如‘甘啤5 号’。

3.3 啤酒大麦不适宜种植区

本区可分2 个区域。一是敦煌中部区域，海拔高度为1140 m左右，年平均气温接近10℃，虽热量资源丰富，但年降水量仅为39.9 mm，幼穗分化期气温为21.6℃，灌桨期气温为24.8℃，是整个河西地区气温最高、降水最少的地方，无法满足啤酒大麦生长需求，不宜栽培。二是南部祁连山海拔高度2500 m以上区域，该区虽降水条件充足，但地势陡峭，热量资源欠缺，生长期光、温条件差，种植后的大麦成熟度差，生育期延长，发芽率低，水敏感性增强，休眠期延长，皮层增厚，不适宜作酿造啤酒的原料[20]。

4 结论

（1）综合考虑啤酒大麦生长发育对气候环境的需求，并结合前人研究结果，选择年≥0℃积温、幼穗分化期（5 月下旬—6 月上旬）和灌桨期（6 月下旬—7 月中旬）平均气温以及年日照时数作为区划因子。

（2）根据河西地区20个气象观测站的30 年气候资料，采用GIS 技术通过多元回归统计方法分别建立各指标要素的空间分布模型，并进行了小网格推算，得到各区划因子在河西地区的空间分布情况。

（3）根据区划指标，利用专家打分法，将河西地区啤酒大麦种植区气候适宜性进行了区划，甘肃省河西地区啤酒大麦种植可以分为适宜区、次适宜区和不适宜区3 个区域。其中，适宜区主要位于沿祁连山北麓一线海拔在1500~2200 m之间地区和马鬃山附近地区，该区所产啤酒大麦千粒重高，产量水平高，是甘肃省发展优质啤酒大麦的最佳区域；次适宜区主要分布在绿洲农业区和浅山区；不适宜区主要分布在敦煌中部地区和海拔高度大于2500 m的区域。

5 讨论

（1）目前，国内关于GIS技术在中国农业气候区划中的应用的文章很多[21]，但基于GIS 的啤酒大麦种植区划方面的研究却鲜有报道。

（2）采用GIS 技术，通过多元回归统计方法建立了区划指标与经度、纬度和海拔高度的小网格推算模型，减小了传统区划应用的气候资料以点代面产生的误差，提高了区划结果的精度，如果不以DEM为基础数据，使用GIS技术手段，用传统的区划方法是不可能完成这样复杂的精细化区划。

（3）啤酒大麦生长除受气候条件制约外，还受到地形及土壤状况的影响，这也是所有作物生长发育共同的影响因素。在选择区划因子建立空间分析模型时，主要考虑了经度、纬度、海拔高度与气候资源的关系，受条件限制，对影响啤酒大麦生长的一些其他因素，如土壤属性、下垫面性质（戈壁、沙漠、山地）和小地形因子的坡度、坡向等因子未做进一步研究，使得区划成果在实际应用中还需要综合考虑当地其他条件。因此，区划指标还需要在实践中不断的完善，使区划结果能够更好地反映各种综合情况，在指导生产中发挥更大的作用。

（4）啤酒大麦具有一定的生态适应性，根据不同品种的特性，选择最适宜的区域种植啤酒大麦，才能发挥其自然优势，取得最佳生产效益[1]。

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