基于GIS技術的山西忻州精細化酥梨氣候區(qū)劃

李斌　江銘諾　龍步菊

摘 要：根據(jù)酥梨生長發(fā)育對氣候條件的要求，分析并確定了山西省忻州市種植酥梨合理布局的關鍵氣候因子和氣候區(qū)劃評分標準，即年平均氣溫、1月份平均氣溫、夏季（6—8月）平均最低氣溫和年降水量4個關鍵氣候因子，以此作為劃分山西忻州酥梨種植布局的氣候區(qū)劃指標。為了消除邊緣效應的影響，采用忻州市15個氣象臺站和周邊縣市16個氣象臺站1981—2010年的氣候資料及對應站點的地理基礎信息數(shù)據(jù)，應用趨勢面和多元回歸分析方法建立氣候區(qū)劃指標因子的空間模擬推算模型，并利用GIS技術對氣候區(qū)劃要素進行細網(wǎng)格推算和殘差訂正計算。最后通過重分類方法評判、賦分制作出山西忻州酥梨氣候區(qū)劃圖，劃分出最適宜、次適宜和不適宜的3個種植區(qū)。這樣做，為忻州趨利避害合理發(fā)展酥梨生產(chǎn)，進一步科學地優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構，合理布局酥梨種植提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：GIS技術；酥梨；氣候區(qū)劃；氣候因子

中圖分類號：S661.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.013

酥梨原產(chǎn)于安徽碭山，稱為碭山酥梨，在我國四大梨系統(tǒng)中歸為白梨系統(tǒng)，是古老的地方優(yōu)良品種。研究表明，在陜西渭北、山西和新疆，酥梨的栽培品質(zhì)、外觀均優(yōu)于原產(chǎn)地。

山西省忻州市是全國梨樹生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)區(qū)域，忻定盆地的原平素有“酥梨基地”之稱，梨樹的種植歷史悠久。由于氣候、土壤等條件適宜，忻州所產(chǎn)酥梨汁甜色黃、酥脆質(zhì)優(yōu)，曾多次參加全國展評，并屢獲殊榮。截至2010年底，全市酥梨產(chǎn)值占梨總產(chǎn)值的82.7%.梨樹已經(jīng)成為繁榮全市農(nóng)村經(jīng)濟、增加農(nóng)民收入的重要產(chǎn)業(yè)之一。

山西省忻州市位于山西省中北部，境內(nèi)地形復雜，且變化起伏較大，各區(qū)域氣象要素差異明顯，因此，對忻州全市進行酥梨氣候區(qū)劃具有十分重要而明顯的意義。本文在趙政陽等完成的大范圍粗略梨樹區(qū)劃的基礎上，分析、研究了酥梨適宜生長的條件，確定了區(qū)劃指標，并建立了相應的氣候?qū)W推算模型。利用GIS技術實現(xiàn)精細化的酥梨氣候區(qū)劃，能夠幫助忻州趨利避害，合理發(fā)展酥梨生產(chǎn)，進一步科學地優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構，合理布局酥梨種植。

1 資料數(shù)據(jù)與區(qū)劃要素分析

1.1 研究數(shù)據(jù)

采用忻州全市15個氣象觀測站和周邊16個氣象觀測站1981—2010年的氣象觀測資料，包括年平均氣溫、年平均降水量和一月平均氣溫等，以及各臺站經(jīng)度、緯度、海拔高度數(shù)據(jù)。由于五臺山氣象觀測站（53588）遷站的原因，該臺站只使用1998-01—2010-12的氣象觀測資料。忻州市各主要站點的基本情況如表1所示。

1.2 地理信息資料

地理基礎數(shù)據(jù)包括了忻州市1∶25萬高程數(shù)字模型DEM數(shù)據(jù)和各區(qū)縣的行政邊界。

1.3 酥梨生長適宜氣候條件分析

1.3.1 溫度對酥梨生長與品質(zhì)的影響

已有研究結果表明，酥梨不喜溫，冬季能耐-25～-23 ℃的低溫，適宜酥梨生長的年平均氣溫為8.5～14.0 ℃。當1月平均氣溫為-9～0 ℃時，既可使酥梨安全越冬，又能使酥梨冬季得到充足的休眠。如果1月平均氣溫略顯偏高，則會導致果樹冬季休眠不充分，影響果實的品質(zhì)和產(chǎn)量。當生長季6—8月的平均最低氣溫為15.1～19.0 ℃時，有利于酥梨糖分的積累。6—8月的氣溫日較差越大，夜溫越低，越有利于果實著色和糖分的積累。

1.3.2 水分對酥梨生長和品質(zhì)的影響

酥梨主產(chǎn)區(qū)的年降水量多為500～900 mm，降水不足時，可加以灌溉補充。酥梨耐濕性差，當空氣相對濕度大于75%時，果實容易出現(xiàn)蟲害，且果面不夠光潔。忻州市大部分地區(qū)空氣相對濕度小于75%，所以，適宜酥梨種植。忻州市有灌溉條件地區(qū)的酥梨產(chǎn)量優(yōu)于沒有灌溉條件地區(qū)，降水偏多對酥梨的產(chǎn)量和品質(zhì)均有影響。

1.3.3 光照對酥梨生長與品質(zhì)的影響

酥梨喜光，年需日照1 600～1 700 h。良好的光照有利于花芽的形成，果實著色和果實品質(zhì)的提高。在忻州市，除了忻定盆地的年日照時數(shù)略微偏少外，其他大部分地區(qū)年日照時數(shù)在2 600 h以上，各區(qū)域的年均日照時數(shù)在2 400.4～2 803.7 h之間，光照條件充足，能夠滿足喜光酥梨的需求。

1.4 酥梨農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標

根據(jù)酥梨的氣候適應性進行分析，并結合張國秀等的研究結果，判斷影響忻州酥梨生長發(fā)育的氣候條件是熱量和水分。熱量指標有年平均氣溫、1月平均氣溫、夏季（6—8月）的平均最低氣溫。忻州屬于中溫帶大陸性季風氣候，具有雨熱同期的氣候特點。統(tǒng)計、分析忻州各地逐月降水資料可知，在梨樹生長季（4—10月）各地的降水量占全年比重的90%以上，因此，水分指標采用年降水量具有很好的代表性。年平均氣溫和年降水量反映了當?shù)鼗镜臒崃織l件和水分狀況。1月平均氣溫為最冷月的平均氣溫，它可以反映當?shù)毓麡浜妥魑镌蕉陂g的熱量條件；夏季（6—8月）平均最低氣溫可以反映當?shù)叵募镜囊箿厥欠裼欣谒掷嫣欠值膬Υ?。當年平均氣溫?.5～14.0 ℃，年降水量在551～900 mm，1月平均氣溫為-9～0 ℃，夏季（6—8月）平均最低氣溫在15.1～19.0 ℃時，最適合酥梨的生長。由于年降水量對酥梨生長的影響比其他3個因子要大，所以，在評分時，賦予的分數(shù)基數(shù)最大，其適宜區(qū)間賦分為45分，其余3個因子適宜區(qū)間賦分為15～25分。已有研究表明，當年平均氣溫小于6.4 ℃或者大于等于15.5 ℃時，均不能滿足酥梨的正常生長發(fā)育。當年平均氣溫不在這個區(qū)間時，賦予0分。根據(jù)線性插值原理，當年均氣溫處于最適宜年均氣溫以上或以下，且位于可生長范圍年平均氣溫的區(qū)間時，賦予15分；當年均氣溫處于適宜區(qū)間時，賦予25分，其他3個指標的數(shù)值范圍和評分標準以此類推。具體的區(qū)劃指標和評分標準如表2所示。

2 區(qū)劃方法與過程

2.1 氣溫空間化方法

從王懷清等在2011年所作的1998—2007年全國651個基本、基準站氣溫插值模型結果中可知，趨勢面法估算的結果比較好地反映了局部地形對酥梨種植的影響。本文根據(jù)其研究結果綜合分析，結合孟慶香等的研究，采用普通多元線性回歸法和趨勢面法加殘差內(nèi)插（Kriging）的綜合法對忻州全市的熱量資源進行細網(wǎng)格推算。

2.2 降水空間化方法

與氣溫空間化方法類似，降水空間化方法的主要機理是，利用多種數(shù)學模型來擬合未采樣點的降水信息。沈紅等采用“逐步回歸的趨勢面模擬+殘差內(nèi)插”法建立黃土高原地區(qū)降水空間分布的數(shù)學模型，用于模擬整個黃土高原降水量的空間分布。綜合上述方法，本文采用普通多元線性回歸法和趨勢面法加殘差內(nèi)插（Kriging）的綜合法對忻州全市的降水資源進行細網(wǎng)格推算。

2.3 推算模型與空間網(wǎng)格化

2.3.1 熱量及其資源小網(wǎng)格推算模型

根據(jù)最小二乘法原理，利用SPSS軟件進行多元線性回歸分析，并對各參數(shù)進行顯著性檢驗，保留對因變量貢獻大的自變量。復相關系數(shù)R越大，表明要素（變量）之間的相關程度越密切；擬合度系數(shù)R2是測定回歸方程擬合優(yōu)度的重要指標，R2越大，方程的擬合度就越高。最后對該擬合方程進行顯著性F檢驗，檢驗該擬合方程是否達到α=0.01的顯著性水平。如果達到，將該擬合方程作為熱量資源區(qū)劃指標的氣候?qū)W方程；如果未到達，則進行趨勢面分析，將f（λ，φ，h）展開成如下三元二次趨勢面方程，即：

從表3中可以看出，各方程的擬合度系數(shù)R2在0.816～0.942之間，F(xiàn)值為16.27～137.72，方程均通過了α=0.01的顯著性檢驗。這表明，方程回歸效果比較好，可用其進行熱量資源區(qū)劃指標的小網(wǎng)格推算。

2.3.2 降水資源小網(wǎng)格推算模型

類似于熱量及其資源小網(wǎng)格推算模型的建立方法，建立降水的宏觀趨勢項。根據(jù)忻州市年降水量的分布特點，將忻州分為忻定盆地和高寒山區(qū)2個分區(qū)，分區(qū)域建立降水與經(jīng)、緯、高計算模型，各模型的復相關系數(shù)R在0.76以上，均達到了0.01的顯著水平。表4為各區(qū)域以及全市的年降水估算模型和誤差。

2.4 區(qū)劃指標的小網(wǎng)格推算及專題圖制作

2.4.1 區(qū)劃指標的小網(wǎng)格推算

根據(jù)上述4個區(qū)劃指標的5個推算方程，可以推算出每個區(qū)劃指標在90 m×90 m網(wǎng)格點上的分布值，再利用式（2）進行殘差訂正計算。

2.4.2 山西忻州酥梨氣候區(qū)劃圖的制作

利用相關計算得到的4個區(qū)劃指標的柵格圖像數(shù)據(jù)，綜合郭兆夏等的研究結果，利用ArcGIS的重分類功能，根據(jù)表2將4幅圖進行重新賦值，最后將4個重新賦值后的區(qū)劃指標的柵格圖利用柵格計算器進行矩陣加法運算，獲得一個總體分值。當總分值為75～100分時，所有指標達到適宜或最適宜，為適宜區(qū)。依此類推，當總分值為50～75分時，為次適宜區(qū)，其他為不適宜區(qū)。給不同的區(qū)域賦予不同的顏色，并迭加縣邊界、制作圖例，完成山西忻州酥梨農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖，如圖1所示。

3 區(qū)劃結果分析

3.1 適宜區(qū)

本區(qū)主要分布在忻定原盆地、代縣縣城一帶，此區(qū)分布連片，海拔高度800～1 100 m，年平均氣溫8.0～14 ℃，年降水量500～750 mm，年日照時數(shù)1 800～2 500 h，1月平均氣溫-10.0～-6.5 ℃，6—8月相對濕度67%～74%，本區(qū)光、熱、水氣候條件均處于適宜酥梨生長的最優(yōu)范圍，且土壤和灌溉條件好，是忻州市酥梨種植的最佳區(qū)域。該區(qū)生產(chǎn)的酥梨果型端正，果色好，含糖量高，品質(zhì)優(yōu)異。

3.2 次適宜區(qū)

該區(qū)主要分布在黃河沿河一帶和忻定原盆地附近的低山丘陵。此區(qū)海拔900～1 400 m，年平均氣溫7.0～11.0 ℃，年降水340～470 mm，年日照時數(shù)2 410～2 800 h，1月平均氣溫為-8.2～-6.3 ℃。本區(qū)光照條件充足，熱量資源尚可，但降水量少，如果能解決灌溉用水問題，則適宜酥梨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3.3 不適宜區(qū)

忻州西部的五寨、岢嵐、寧武、神池、靜樂縣大部地區(qū)和沿黃三縣的高寒黃土丘陵山區(qū)、西部五臺、繁峙大于2 000 m的高寒山區(qū)均為酥梨不適宜種植區(qū)。對于這些不適區(qū)而言，光照條件充足，但降水不足，氣溫偏低，不能滿足酥梨的正常生長需要。而五臺地區(qū)的高寒山區(qū)氣溫低，熱量條件嚴重不足，再加上山勢陡峭，酥梨無法生長，不適宜發(fā)展酥梨產(chǎn)業(yè)。

4 結論與建議

本文根據(jù)酥梨生長發(fā)育對氣候條件提出的要求，將年平均氣溫、1月份平均氣溫、夏季（6—8月）平均最低氣溫和年降水量作為劃分山西忻州酥梨種植布局的氣候區(qū)劃指標，建立起相應的氣候?qū)W推算模型。利用GIS技術可以分析復雜地形的氣候資源，并進行精細化的氣候區(qū)劃，大大提高了山區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的利用率。酥梨耐寒喜溫，忻州市忻定原盆地的光、熱、水資源能很好地滿足酥梨的生長需求，為酥梨適宜種植區(qū)。該區(qū)可大力發(fā)展酥梨產(chǎn)業(yè)，擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模。黃河沿河一帶和忻定原盆地附近的低山丘陵為酥梨次適宜種植區(qū)，由于降水量偏少，所以，該區(qū)應保證果樹的灌溉。除此之外，忻州其他地區(qū)因為熱量偏低、降水偏少，不利于優(yōu)質(zhì)酥梨的生長，不宜盲目引種酥梨。此外，影響忻州酥梨生產(chǎn)的主要氣象災害是果樹花期凍害，因此，要加強對果樹花期的管理，重視天氣預報、預警信息，增強防御果樹花期凍害意識，普及防御果樹花期凍害技術和方法。

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〔編輯：白潔〕.