4.GIS的功能应用
地理信息系统的基本功能有：数据采集与编辑；数据存储与管理；数据交换和变换；空间分析和统计；产品制作与显示。GIS的应用功能有：资源管理；区域规划；国土监测；辅助决策。本章主要应用到GIS的数据管理、产品制作与显示和数据空间分析等功能。
（三）建立属性数据库
根据研究农作物气候生产潜力的需要，在收集宁夏中部干旱带的同心县、盐池县、中卫市、中宁县、灵武市、青铜峡市、吴忠市7县（市）10个代表性气象台站（同心、盐池、中卫、中宁、兴仁、韦州、麻黄山、灵武、青铜峡、吴忠）的作物生育期气温、降水量、日照时数、相对湿度、风速等气象资料和农作物生长发育资料的基础上，利用ArcGIS软件对各类数据进行编辑和组织，建立宁夏中部干旱带空间数据库、气候数据库和作物数据库，并进行一致性检验和归一化处理，包含类型一致性、编码一致性、单位一致性等，使数据能较好地匹配。
建好属性数据库后，利用GIS对数据库进行空间数据和属性数据匹配连接以及属性数据的赋值，主要是对宁夏中部干旱带各月的太阳辐射、温度、降水、日照时数等要素进行赋值。然后利用上述模型计算农作物的光合、光温、气候生产潜力，以计算的7个县（市）结果为基础，应用ArcGIS的空间分析功能，对宁夏中部干旱带的空间数据进行插值，并生成宁夏中部干旱带春小麦和玉米的光合、光温、气候生产潜力专题图。
（四）光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力分析
依据上述农作物生产潜力的估算方法，计算出宁夏中部干旱带农作物（春小麦、玉米）的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力。下面依次给予叙述。
1.作物光合生产潜力
光合作用是植物与太阳辐射之间发生的最本质联系，太阳辐射是植物进行光合作用的重要能量来源。因此，光合生产潜力是植物通过光合作用所能达到的最高产量，其大小主要取决于太阳辐射量和植物对光能的利用效率。
按照作物光合生产潜力计算公式，估算宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光合生产潜力。结果显示宁夏中部干旱带春小麦光合生产潜力值在15843.64～17023.97kg/hm2之间，空间分布呈现南低北高，其中，7县（市）春小麦光合生产潜力从高到低排序为：灵武＞中卫＞吴忠＞青铜峡＞中宁＞盐池＞同心；灵武地区春小麦光合生产潜力最高，为17023.97kg/hm2；同心地区光合生产潜力最低，为15843.64kg/hm2。宁夏中部干旱带玉米光合生产潜力在25972.95～28607.96kg/hm2之间，空间分布规律与春小麦的光合生产潜力大致相同，总体也呈现出南低北高的趋势，7县（市）玉米光合生产潜力从高到低排序为：灵武＞吴忠＞中宁＞中卫＞青铜峡＞盐池＞同心。
因为作物光合生产潜力是指在作物品种、温度、水分、土壤肥力和农业技术措施等都处于最适宜的状态下，仅考虑太阳辐射量所确定的作物生产潜力。同时，作物光合生产潜力是机制法逐级订正模型的第一级，它直接影响到其后每一级作物生产潜力的数值。因此，光合生产潜力的计算精度非常重要，造成宁夏中部干旱带作物光合生产潜力差异的主要原因与该区域光能资源的太阳辐射量、日照时数和日照百分率有关。中部干旱带北部地区的光能资源比南部地区的高，以玉米生育期太阳辐射量和日照时数为例，研究区北部玉米生育期太阳总辐射在3250MJ/m2以上，中部地区为3100MJ/m2左右，而南部地区最低，如同心县仅为2900MJ/m2左右。日照时数也以区域北部地区最高，在1400小时；南部地区日照时数最低，为1350小时。研究区春小麦生育期太阳总辐射量和日照时数的空间分布规律和玉米相同，也为南低北高：区域南部的同心地区春小麦生育期太阳总辐射量和日照时数仅为2344.76MJ/m2和1117.03小时；区域北部的灵武春小麦生育期太阳总辐射量和日照时数则分别达到2519.42MJ/m2和1164.83小时，太阳辐射强度大，总辐射量强，日照时数长，日照百分率大，从而有利于植物干物质的积累。
2.作物光温生产潜力
温度是植物生长发育不可或缺的重要环境因子之一。其中，温度对植物光合作用有显著的影响，每种农作物在不同生育期都有一定的温度适宜范围和最适温度，否则光合作用将无法进行，光温生产潜力也就难以发挥。作物生育期的太阳辐射和温度共同对作物光合产量起制约作用，可以理解为农作物生产量的上限，也可反映出该区域的最大粮食生产能力。
根据温度订正系数公式，对宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光合生产潜力进行温度订正，从而得到中部干旱带春小麦和玉米的光温生产潜力。宁夏中部干旱带春小麦光温生产潜力在11643.12～13109.27kg/hm2之间，同样的研究区北部春小麦光温生产潜力高于南部，7县（市）春小麦光温生产潜力从高到低排序为：灵武＞青铜峡＞中宁＞吴忠＞中卫＞同心＞盐池。中部干旱带玉米光温生产潜力的最低值出现在同心地区，为14902.03kg/hm2；最高值出现在灵武地区，为17691.80kg/hm2，7县（市）玉米光温生产潜力从高到低排序具体为：灵武＞中宁＞青铜峡＞吴忠＞中卫＞盐池＞同心。因为作物光温生产潜力是在作物光合生产潜力的基础上用温度订正而来的结果，所以中部干旱带春小麦和玉米的作物光温生产潜力空间分布规律跟作物光合生产潜力大体上一致，都是由南向北逐渐升高。因为中部干旱带各地农作物生育期的温度满足其生长发育的程度不同，作物光温生产潜力随作物生育期的平均温度而变化，故出现了光温生产潜力不同于光合生产潜力的空间分布区域。
3.作物气候生产潜力
水分对植物生长发育起着十分重要的作用。水分的多少直接决定了植物光合作用和其他生理生化活动能否顺利进行，进而影响到植物生物量。在自然状态下，水分对作物生产潜力起着抑制作用，其影响大小取决于降水的供应状况。当作物生育期内的需水量得不到充分满足时，作物的生产能力将降低，进而影响到生产潜力的发挥。同时，降水量又是很不稳定的气候因子，所以水分条件是影响作物生产潜力发挥的主要限制因子。
通过水分订正系数公式，对宁夏中部干旱带春小麦、玉米的光温生产潜力进行水分订正后，得到研究区域春小麦、玉米的气候生产潜力。从结果来看，宁夏中部干旱带春小麦和玉米的气候生产潜力相对较低，与各自的光合生产潜力差异很大。其中，研究区春小麦气候生产潜力仅为257.95～1586.38kg/hm2，最低值出现在青铜峡地区为257.95kg/hm2；最高值出现在盐池地区为1586.38kg/hm2，7县（市）春小麦气候生产潜力从高到低排序为盐池＞同心＞吴忠＞灵武＞中卫＞中宁＞青铜峡。玉米气候生产潜力为387.79～2618.85kg/hm2，7县（市）玉米气候生产潜力从高到低具体排序为：盐池＞同心＞吴忠＞灵武＞中宁＞中卫＞青铜峡。宁夏中部干旱带春小麦和玉米气候生产潜力的空间分布规律跟光合、光温生产潜力的规律相反，表现为南高北低。这主要是因为该区域春小麦和玉米生育期降水量由南向北逐渐减小，导致水分订正系数由南向北逐渐减小，从而使气候生产潜力形成由南向北逐渐减小的变化。从玉米生育期降水量来看，在研究区南部，盐池、同心两地玉米生育期降水量最大，分别达到了243.04mm和226.81mm；而研究区北部的青铜峡，玉米生育期降水量则只有161.63mm，远达不到玉米生育期需水量。
作物气候生产潜力反映了在当地气候条件下，不计灌溉，由自然降水所决定的作物产量可能达到的最大值，也是通过农业生产措施后尽可能达到的作物产量水平。由于研究区处于干旱气候带，年降水量只有200～400mm，月最大降水量也只有65mm，且蒸发强烈，自然降水远远不能满足作物生长需求，所以宁夏中部干旱带春小麦、玉米气候生产潜力很低。为使宁夏中部干旱带的光、热资源得到充分利用，需要对中部干旱带农作物进行灌溉，使其产量接近于光温生产潜力，即水分条件不再是影响该区域农作物生产潜力发挥的主要障碍因子。
综合分析宁夏中部干旱带农作物生产潜力，研究区农作物所需的光、热等气候资源相对充足，不是影响作物产量提高的限制因素；而研究区作物生育期降水量不足或作物生长发育期对水分的需求与降水分配不均，严重阻碍了光、热等气候资源的利用效率，降水量是影响宁夏中部干旱带农业生产潜力水平发挥的决定因素，温度对农业生产潜力的影响较小。
（五）宁夏中部干旱带作物生产潜力的年际变化
为分析宁夏中部干旱带作物生产潜力的逐年变化规律，选择具有区域代表性的处于研究区南部的同心县和研究区北部的灵武地区作为研究对象，由于太阳辐射逐年变化不明显，故只分析两地1975～2006年春小麦、玉米的光温生产潜力和气候生产潜力年际变化规律。
1.宁夏中部干旱带春小麦生产潜力的年际变化规律
宁夏中部干旱带灵武地区1975～2006年，春小麦光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力多年平均值分别为17023.97kg/hm2、13109.27kg/hm2、434.16kg/hm2。其中，该地区春小麦光温生产潜力在11584.81kg/hm2（1976年）和14257.58kg/hm2（2005年）之间，均值为13109.27kg/hm2，为春小麦光合生产潜力的77%。由于该地春小麦生育期温度的年际变化不大，经温度的衰减作用（温度订正系数f（T）在0.681～0.838之间）后，光温生产潜力变化幅度较小，可以看出，灵武和同心两地的光温生产潜力从1996年以后，出现一个明显上升期。
灵武地区春小麦气候生产潜力的波动范围在112.86～3169.35kg/hm2之间，最小值出现在2005年，最大值出现在1998年，均值为434.16kg/hm2。可以看出，该地春小麦气候生产潜力变化幅度大，这是因灵武地区降水量的年际变化分布不均导致的；也反映出即使该地光热资源相对丰富，光温生产潜力较高，但降水量明显减少，致使该地气候生产潜力降低明显。总之，作物生产潜力是某区域的光、热、水等气候资源相互匹配的结果，只单纯地增加某一气候因子并不一定能使该区域的作物产量得到增加。
由于同心县地处中部干旱带南部，纬度较低，影响光合生产潜力和光温生产潜力的太阳辐射量和作物生育期温度较低，因此同心县的光合生产潜力和光温生产潜力明显低于研究区北部的灵武地区。受温度条件的限制，温度订正系数为0.684～0.838，该地区春小麦光温生产潜力在10831.77～13282.25kg/hm2之间，均值为12077.77kg/hm2，是光合生产潜力的76.23%。同心县位于研究区南部，作物生育期降水量比灵武地区相对较多，因而同心的水分订正在研究区域中处于较高水平，经水分订正后的春小麦气候生产潜力为339.02～3444.18kg/hm2，均值为1375.57kg/hm2，明显高于灵武地区。这是因为同心县的降水量（春小麦生育期平均降水量为156.73mm）高于灵武地区降水量（春小麦生育期平均降水量为111.43mm），导致同心县水分订正系数（0.114）远高于灵武地区水分订正系数（0.033）。
