基于GIS的貴州省綏陽縣金銀花氣候適應(yīng)性區(qū)劃

羅天虎，宋 芳

(貴州省綏陽縣氣象局，貴州綏陽 563300)

基于GIS的貴州省綏陽縣金銀花氣候適應(yīng)性區(qū)劃

羅天虎，宋 芳

(貴州省綏陽縣氣象局，貴州綏陽 563300)

摘要[目的]為充分利用綏陽縣氣候資源，合理布局金銀花種植區(qū)域。[方法]選取了年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、日平均氣溫<3 ℃天數(shù)、≥16 ℃天數(shù)和20～30 ℃天數(shù)以及5月平均氣溫作為綏陽縣金銀花氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)，利用遵義市13個(gè)氣象站1981～2010年的逐日氣溫和日照資料，基于綏陽縣1∶25萬的地理信息數(shù)據(jù)，采用梯度距離反比權(quán)重法對 6個(gè)區(qū)劃因子進(jìn)行了空間插值；利用模糊數(shù)學(xué)方法，分別構(gòu)建了各區(qū)劃因子的隸屬度函數(shù)和綜合氣候適宜度模型，按照適宜種植區(qū)、次適宜種植區(qū)和不適宜種植區(qū)3個(gè)等級完成了綏陽縣金銀花種植適宜性區(qū)劃。[結(jié)果]綏陽縣金銀花種植的適宜區(qū)主要分布在海拔900 m以下的川道、坡塬，不適宜區(qū)主要分布在1 200 m以上的山區(qū)。[結(jié)論]冬季溫度偏低、熱量條件不足及日照偏少是制約全縣進(jìn)一步發(fā)展金銀花種植的主要原因。

關(guān)鍵詞金銀花；氣候適應(yīng)性；區(qū)劃；模糊數(shù)學(xué)；GIS；綏陽縣

金銀花為忍冬科植物忍冬(LonicerajaponicaThunb)的干燥花蕾或初開的花，有清熱解毒、涼散風(fēng)熱的功效[1-2]。金銀花適應(yīng)性較強(qiáng)，耐旱、耐寒，野生種分布廣泛，人工栽培的地區(qū)也較多，且傳統(tǒng)上以河南封丘、新密和山東平邑、費(fèi)縣最為著名，是道地的金銀花重要產(chǎn)區(qū)[3-4]。近年來隨著市場需求量的逐年增加，許多省份也大力發(fā)展當(dāng)?shù)氐慕疸y花產(chǎn)業(yè)[5-8]。

綏陽縣位于貴州省北部，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量充沛，雨熱同季。年平均氣溫15.0 ℃，年降水量1 136.9 mm，年平均日照時(shí)數(shù)1 053.6 h，年空氣相對濕度82%，土壤以微酸性的黃壤和紫色土為主，氣候資源和土壤條件均能夠滿足金銀花生長需求[9]。該縣種植金銀花已有40多年歷史，目前全縣種植面積超過2萬hm2，并建立了一整套種植標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，被譽(yù)為“中國金銀花之鄉(xiāng)”，預(yù)計(jì)到2020年全縣種植面積將突破6.67萬hm2[10]。同時(shí)該縣地處大婁山脈中段，地形復(fù)雜、地貌多樣，海拔600～1 700 m，農(nóng)業(yè)氣候資源空間差異大，現(xiàn)有觀測資料不足以全面反映區(qū)域的詳細(xì)特征。地理信息系統(tǒng)(GIS)可定量采集、管理、分析具有空間特性的氣候資源，方便地進(jìn)行空間插值形成柵格化精細(xì)化數(shù)據(jù)，使區(qū)劃結(jié)果由基于行政基本單元發(fā)展為基于相對均質(zhì)的地理網(wǎng)格單元[11-13]。GIS技術(shù)在精細(xì)化農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃工作中也得到了廣泛應(yīng)用[14-16]。筆者擬從金銀花的氣候生態(tài)適應(yīng)性研究出發(fā)，采用GIS技術(shù)進(jìn)行綏陽縣金銀花種植氣候生態(tài)適應(yīng)性分析，從而為合理布局金銀花生產(chǎn)優(yōu)勢區(qū)域、減少盲目擴(kuò)種提供參考依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料來源區(qū)劃所用氣象資料來自包括綏陽在內(nèi)的遵義市13個(gè)地面氣象站逐日平均氣溫和日照時(shí)數(shù)，時(shí)間序列長度為1981～2010年。地理信息資料采用國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶25萬綏陽縣基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)。運(yùn)用GIS技術(shù)將1∶25萬等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成數(shù)字地形模型(DEM)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字地形定量分類技術(shù)研究。

1.2分析方法

1.2.1區(qū)劃因子選取。金銀花喜溫暖濕潤氣候，日平均氣溫3 ℃以下處于休眠狀態(tài)，16 ℃以上生長迅速并開始孕育花蕾，生長的最適溫度為20～30 ℃，日照時(shí)數(shù)多有利于其產(chǎn)量和質(zhì)量的提高[6，8-9]。根據(jù)金銀花生長與當(dāng)?shù)貧庀髼l件的關(guān)系，參考已有金銀花種植區(qū)劃研究成果[6]，在此選取年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、<3 ℃天數(shù)、≥16 ℃天數(shù)、20～30 ℃天數(shù)和5月平均溫度作為綏陽縣金銀花農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃因子。按照適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)對區(qū)劃因子進(jìn)行劃分(表1)。

根據(jù)遵義市13個(gè)地面氣象站1981～2010年逐日的氣象資料統(tǒng)計(jì)出區(qū)劃指標(biāo)的逐年值，然后計(jì)算出30年的平均值，作為空間插值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.2區(qū)劃因子空間插值。農(nóng)業(yè)氣候資源空間分布與經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、坡向等因子密切相關(guān)，氣象要素的空間插值方法較多且各有優(yōu)缺點(diǎn)，眾多插值方法中并沒有一種適合每一種氣象要素的普適的最佳插值方法[17]。考慮到選取的區(qū)劃因子中溫度因子較多，而梯度距離平方反比法對溫度的插值誤差較小且僅需考慮經(jīng)度、緯度和海拔高度3個(gè)因子[18]，因此該研究選取梯度距離平方反比法進(jìn)行氣候資料的空間插值計(jì)算，具體公式如下：

表1　金銀花氣候生態(tài)適應(yīng)性區(qū)劃指標(biāo)

(1)

(2)

式中，Z為待估點(diǎn)氣象要素的推算值，Zi為氣象站i點(diǎn)的要素值；X和Xi分別為待估點(diǎn)與i點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值(經(jīng)度)，Y和Yi為待估點(diǎn)與i點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)值(緯度)，E和Ei為待估點(diǎn)與i點(diǎn)的海拔高度；n為用于插值的氣象站點(diǎn)數(shù)目，在此取n=13；Cx、Cy和Ce分別為站點(diǎn)氣象要素與X、Y和E的回歸系數(shù)，可利用多元回歸方法計(jì)算得出；di為待估點(diǎn)到i站點(diǎn)的距離。

1.2.3區(qū)劃方法。金銀花的生長受多種氣象條件影響，且這種影響是一種綜合作用而非簡單疊加。因此可利用模糊數(shù)學(xué)方法對這種影響進(jìn)行描述和定量分析[19-20]。首先構(gòu)建每一種區(qū)劃指標(biāo)的模糊隸屬度函數(shù)，然后利用空間插值后的要素值計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)的6個(gè)隸屬度值，再對這6個(gè)隸屬度值進(jìn)行綜合得到每點(diǎn)的氣候適宜度，最后根據(jù)氣候適宜度區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)的劃分。

根據(jù)馬樹慶[21]的研究成果，年平均氣溫和5月份平均氣溫隸屬度函數(shù)可表示為：

(3)

式中，F(xiàn)(ti)為第i點(diǎn)溫度適宜度；ti為i點(diǎn)的平均氣溫，tL、tH、t0分別為金銀花生長所需的平均最低氣溫、平均最高氣溫和平均適宜氣溫。參考彭國照等[6]的研究結(jié)果，在此對年平均氣溫取tL=11.0 ℃、tH=17.0 ℃、t0=14.0 ℃；對5月份平均氣溫取tL=17.0 ℃、tH=22.0 ℃、t0=20.0 ℃。

年日照時(shí)數(shù)隸屬度函數(shù)可表示為：

(4)

式中，F(xiàn)(Si)為第i點(diǎn)年日照時(shí)數(shù)適宜度，Si為第i點(diǎn)的年日照時(shí)數(shù)(h)，S0為日照需求臨界值，在此取S0=1 100。

日平均氣溫<3 ℃天數(shù)隸屬度函數(shù)可表示為：

(5)

日平均氣溫≥16 ℃天數(shù)隸屬度函數(shù)可表示為：

(6)

日平均氣溫20～30 ℃天數(shù)隸屬度函數(shù)可表示為：

(7)

(5)～(7)式中，F(xiàn)(Dti1)、F(Dti2)、F(Dti3)分別為第i點(diǎn)<3 ℃天數(shù)、≥16 ℃天數(shù)和20～30 ℃天數(shù)的適宜度，Dti1為第i點(diǎn)的日平均氣溫<3 ℃的天數(shù)(d)，Dti2為第i點(diǎn)的日平均氣溫≥16 ℃的天數(shù)(d)，Dti3為第i點(diǎn)的日平均氣溫20～30 ℃的天數(shù)(d)。

對6個(gè)區(qū)劃要素的模糊隸屬度按照(8)式進(jìn)行綜合，得到氣候適宜度。

(8)

式中，Mi為第i點(diǎn)的氣候適宜度，F(xiàn)ij為第i點(diǎn)第j個(gè)區(qū)劃因子的模糊隸屬度，分別由(3)～(7)式計(jì)算得出，n為區(qū)劃因子個(gè)數(shù)。將氣候適宜度計(jì)算結(jié)果結(jié)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐，確定適宜度Mi>0.8為氣候適宜區(qū)；0.7≤Mi≤0.8為次適宜區(qū)；Mi<0.7為不適宜區(qū)。

2結(jié)果與分析

2.1各區(qū)劃因子的適宜性將每種區(qū)劃因子利用梯度距離平方反比法進(jìn)行空間插值，然后根據(jù)表1中的指標(biāo)進(jìn)行氣候適宜性分析。結(jié)果表明，在與溫度有關(guān)的區(qū)劃要素中，年平均氣溫對金銀花的生長比較有利。空間插值后的年平均氣溫為11.2～16.5 ℃，沒有<11 ℃或>17 ℃的不適宜區(qū)，均為適宜區(qū)或次適宜區(qū)(圖1a)；其中28.0°N以南的年平均氣溫相對較高，適宜區(qū)面積較大。5月份平均氣溫為15～21 ℃，其中海拔高度<900 m的地方平均氣溫在19.0 ℃以上，為適宜區(qū)(圖1b)，熱量條件優(yōu)越，對金銀花的生長比較有利；而海拔>1 500 m的北部和中部山區(qū)為不適宜區(qū)，5月份平均氣溫在17.0 ℃以下，不利于金銀花生長。日平均氣溫≥16 ℃天數(shù)(圖1c)和20～30 ℃天數(shù)(圖1d)的空間分布規(guī)律與5月份平均氣溫分布相似，其適宜區(qū)和次適宜區(qū)均是分布在海拔相對較低的地方，尤其是南部地區(qū)適宜區(qū)面積相對較大，對孕育花蕾有利；全縣范圍內(nèi)≥16 ℃天數(shù)124～196 d、20～30 ℃天數(shù)68～140 d，其中北部和中部高海拔地方的天數(shù)分別不足140和90 d，對金銀花的種植有一定影響。日平均氣溫<3 ℃的天數(shù)為8～48 d，大部分地區(qū)在22 d以上，全縣以次適宜區(qū)和不適宜區(qū)為主，僅海拔較低的地方處于適宜區(qū)(圖1e)。

光照是金銀花生長發(fā)育的另一個(gè)重要?dú)庀髼l件[22]。金銀花適宜在陽光充足和通風(fēng)好的地區(qū)栽植，光照不足時(shí)枝嫩細(xì)長、葉小、花蕾分化少，產(chǎn)量低?？臻g插值后的綏陽縣年日照時(shí)數(shù)為910～1 050 h，沒有多于1 100 h或少于800 h的區(qū)域，全部處在次適宜區(qū)(圖1f)。分析1981～2010年綏陽縣逐年數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，年日照時(shí)數(shù)>1 100 h的年份也僅有1985、1990和2002年，出現(xiàn)頻率僅為10%。因此日照時(shí)數(shù)不足是影響綏陽縣金銀花生長的普遍因素。

注：a.年平均氣溫；b.5月份平均氣溫；c.≥16 ℃天數(shù)；d.20～30 ℃天數(shù)；e.<3 ℃天數(shù)；f.年日照時(shí)數(shù)。Note：a.Annual average temperature；b.Average temperature of May；c.Number of days with daily average temperature ≥ 16 ℃；d.Number of days with daily average temperature 20-30 ℃；e.Number of days with daily average temperature < 3 ℃；f.Annual sunshine duration.圖1　綏陽縣金銀花各區(qū)劃指標(biāo)適宜性空間分布Fig.1　Spatial distribution of regionalization index suitability of L.japonica in Suiyang County

2.2金銀花氣候適應(yīng)性區(qū)劃在空間格點(diǎn)上對6個(gè)區(qū)劃因子的模糊隸屬度進(jìn)行綜合得到氣候適宜度，將適宜度值按照適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。從圖2可以看出，綏陽縣金銀花種植主要隨地形和海拔高度而變化。適宜區(qū)主要分布在海拔600～900 m的川道、坡塬，這些地區(qū)年平均氣溫13～15 ℃，冬季無持續(xù)霜凍，越冬條件較好，日平均氣溫<3 ℃天數(shù)在20 d之內(nèi)，≥16 ℃及最適宜生長溫度天數(shù)較多，能夠滿足金銀花花芽分化、莖葉生長、開花結(jié)果及防御凍害的氣候要求；這些地區(qū)可選擇地形開闊、遮陰較小的地方種植，以避免當(dāng)?shù)厝照詹蛔銓疸y花生長發(fā)育的影響。次適宜區(qū)面積較小，主要分布在海拔1 000 m左右的地區(qū)。影響金銀花種植的主要因素是日平均氣溫<3 ℃天數(shù)較多，不利于安全越冬，其他溫度條件基本上能滿足生長需求。不適宜區(qū)主要分布在海拔1 200 m以上的山區(qū)，冬季氣溫偏低和熱量供應(yīng)不足是造成這些地區(qū)不適宜種植金銀花的主要原因。另外，雖然同為不適宜種植區(qū)，但不同地區(qū)的限制因素也不完全一致。其中東南部不適宜區(qū)主要是由于5月份氣溫偏低和日平均氣溫<3 ℃天數(shù)偏多所導(dǎo)致，≥16 ℃天數(shù)和20～30 ℃天數(shù)并不是限制因素；而北部和中部的不適宜區(qū)則是由于各種溫度指標(biāo)均不適宜所引起。

圖2　綏陽縣金銀花種植氣候適宜性區(qū)劃Fig.2　Regionalization of climate adaptability of L.japonica planting in Suiyang County

3結(jié)論與討論

該研究選取了年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、日平均氣溫<3 ℃天數(shù)、≥16 ℃天數(shù)、20～30 ℃天數(shù)和5月平均氣溫6種氣象要素作為綏陽縣金銀花氣候區(qū)劃指標(biāo)，利用模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建了各因子的隸屬度函數(shù)，采用梯度距離反比權(quán)重法推算了各區(qū)劃因子的空間分布，按照適宜種植區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)3個(gè)等級完成了綏陽縣金銀花種植氣候適宜性分析。結(jié)果表明，綏陽縣金銀花種植的適宜性與地形和海拔關(guān)系密切，適宜區(qū)主要分布在海拔900 m以下的川道、坡塬，不適宜區(qū)主要分布在1 200 m以上的山區(qū)，冬季氣溫偏低、熱量條件不足是主要限制因素。其次，日照不足是制約全縣進(jìn)一步發(fā)展金銀花種植的主要問題。

已有研究結(jié)果中綏陽縣東部偏南的小關(guān)鄉(xiāng)是當(dāng)?shù)刂饕疸y花種植區(qū)之一[9-10]，而此次區(qū)劃結(jié)果顯示這一區(qū)域以次適宜為主。這可能由于區(qū)劃指標(biāo)中僅包含了溫度和日照2類氣象指標(biāo)，而日照時(shí)數(shù)的適宜性全縣一致，溫度成為區(qū)劃結(jié)果的決定因子。小關(guān)鄉(xiāng)海拔為960～1 100 m，日平均氣溫<3 ℃天數(shù)22 d左右，5月份平均氣溫18.5 ℃，處于次適宜區(qū)。另外，農(nóng)業(yè)氣候資源分布受多種下墊面因素影響，尤其是山區(qū)地形復(fù)雜，現(xiàn)有空間插值結(jié)果只能在一定程度上反映當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源。

該研究僅從農(nóng)業(yè)氣候資源角度分析了綏陽縣金銀花的種植適宜性，在實(shí)際生產(chǎn)中，不同地區(qū)金銀花的生長發(fā)育還隨地質(zhì)、土壤、生物等環(huán)境生態(tài)條件的差異而表現(xiàn)出產(chǎn)量、外觀、有效成分含量的變化。環(huán)境生態(tài)條件與金銀花生長發(fā)育的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究。

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Climatic Adaptability and Division ofLonicerajaponicaThunb in Suiyang County in Guizhou Province Based on GIS

LUO Tian-hu, SONG Fang

(Suiyang Meteorological Bureau, Suiyang, Guizhou 563300)

Abstract[Objective] To make full use of climatic resources in Suiyang County and to reasonably distribute the planting area of Lonicera japonica Thunb. [Method] Several climate suitability zoning indexes were selected for L. japonica in Suiyang County, such as annual average temperature, annual sunshine duration, the number of days with daily average temperature < 3 ℃, ≥ 16 ℃ and 20-30 ℃, and average temperature of May. Based on the 1∶250 000 geographic information data and the daily temperature and sunshine data in thirteen meteorological stations in Zunyi from 1981 to 2010, spatial interpolation of six climatic elements in grids was carried out by using the gradient plus inverse-distance-squared technique. Fuzzy membership functions of six climatic elements and climatic suitable model were established. Suitable planning area of L. japonica in Suiyang County was divided to three regions by using fuzzy method, including suitable zone, sub-suitable zone and unsuitable zone. [Result] The suitable regions were mainly distributed at river road or slop plateau with the altitude below 900 m. Unsuitable areas were mainly distributed in the mountains above 1 200 m. [Conclusion] Low winter temperature, lack of heat conditions and less sunshine are the main factors restricting the further development of L. japonica in Suiyang County.

Key wordsL. japonica; Climate adaptability; Regionalization; Fuzzy mathematics; GIS; Suiyang County

基金項(xiàng)目貴州省氣象局開放基金項(xiàng)目(KF201402)。

作者簡介羅天虎(1971- )，男，貴州遵義人，高級工程師，從事應(yīng)用氣象服務(wù)與研究工作。

收稿日期2016-03-10

中圖分類號S 162.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-198-04