隴中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候模糊聚類區(qū)劃

陳思宇++羅鵬斌++張杰丹

摘要 為了探討考慮氣候變化影響的氣候區(qū)劃方法，選用隴中10個(gè)站1981—2011年年平均氣溫、≥10 ℃活動(dòng)積溫、年平均蒸發(fā)量、年平均降水量、年平均相對(duì)濕度、干燥度、≥1 mm年降水日數(shù)、年日照時(shí)數(shù)和年平均日照百分率的平均值及其均方差為氣候分區(qū)的9個(gè)基本因子，以各站之間的相似系數(shù)建立模糊關(guān)系，進(jìn)行模糊聚類分析。按不同聚類水平，區(qū)劃出溫和、溫涼、溫寒、寒冷等氣候類型，區(qū)劃結(jié)果與氣候特征和地理要素吻合較好，也為其他專業(yè)區(qū)劃奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 模糊聚類；農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃；隴中地區(qū)

中圖分類號(hào) S162.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）02-0180-03

Agricultural Climatic Regionalization by Fuzzy Clustering in Central Gansu Province

CHEN Si-yu 1 LUO Peng-bin 2 ZHANG Jie-dan 2 CHANG Zi-yi 2

（1 Kangle Meteorological Bureau in Gansu Province，Kangle Gansu 731300； 2 Linxia Meteorological Bureau）

Abstract In order to study the climate regionalization method considering the effects of climatic changes，9 basic meteorological factors from 10 stations in central Gansu Province from 1981 to 2011 were chosen，including annual mean temperature，accumulated temperature above 10 ℃，mean annual evaporation，average annual precipitation，annual average relative humidity，dryness，≥1 mm annual precipitation days，average annual sunshine hours，annual average sunshine percentage. The mean and the mean square error of the factors above were calculated for climate regionalization. The fuzzy matrices were constructed by similarity coefficient among 10 stations to conduct fuzzy clustering. According to different clustering level，several climate styles were regionalized，such as mild area，cool-warm area，mild-cold area and cold area. Regionalization results coincided with climate character and geography elements，and laid basis for other professional regionalization.

Key words fuzzy clustering；agricultural climatic regionalization；central Gansu Province

模糊聚類分析法是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)原理進(jìn)行類別劃分的一種方法。在農(nóng)業(yè)區(qū)劃中，探討農(nóng)業(yè)氣候分類，進(jìn)而劃分農(nóng)業(yè)氣候區(qū)，是了解當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源和進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，也是農(nóng)業(yè)區(qū)劃的基礎(chǔ)之一[1]。隴中地區(qū)位于黃土高原和青藏高原過渡區(qū)，背靠太子山和積石山，域內(nèi)主要河流為渭河、洮河，屬于典型的黃土高原地貌。氣候的基本特征：干濕季分明，年降水量600 mm左右，集中在7—9月；春溫大于秋溫，大陸性季風(fēng)氣候明顯。全區(qū)山川交錯(cuò)，地形高低相差懸殊，氣候類型復(fù)雜，其垂直變化顯著。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與當(dāng)?shù)貧夂驐l件有著十分密切的聯(lián)系，就自然因素而言，農(nóng)作物的產(chǎn)量是作物、氣候、土壤等因素綜合作用的結(jié)果，而氣候因素往往起著主導(dǎo)作用[2]。為此，筆者通過模糊數(shù)學(xué)原理分析隴中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源，因氣候資源的分類、區(qū)劃本就具有模糊性質(zhì)，在這方面的工作尚處于嘗試階段，僅供參考。

1 研究對(duì)象及數(shù)據(jù)來源

為得到更加合理的聚類結(jié)果，各項(xiàng)相關(guān)氣象數(shù)據(jù)來源于蘭州、榆中、臨洮、永靖、臨夏、東鄉(xiāng)、和政、廣河、康樂共9個(gè)國家氣象觀測(cè)站1981—2011年的歷年氣象觀測(cè)資料。

2 應(yīng)用模糊聚類分析方法進(jìn)行分類

2.1 聚類因子的選取

從歷年氣象統(tǒng)計(jì)資料中選用10項(xiàng)氣象因素作為聚類因子，形成論域U={Xi}（i=1，2，…，m），其中m=9代表樣本容量。根據(jù)本地區(qū)氣候特點(diǎn)，選擇與農(nóng)作物生育和產(chǎn)量形成關(guān)系最密切的熱量、水分等9個(gè)因子（各項(xiàng)因子以甘肅省氣象局資料室整編資料為準(zhǔn)），每個(gè)樣本被視為指標(biāo)集為n的n維空間上的點(diǎn)，則Xi={Xij}（j=1，2，…，n），n=9代表因子數(shù)。部分因子如下。

2.1.1 熱因子。包括年平均氣溫穩(wěn)定通過≥10 ℃的活動(dòng)積溫（℃·d）和年平均氣溫（℃）[3]。

2.1.2 水因子。包括年平均蒸發(fā)量（mm）、年平均降水量（mm）、年平均相對(duì)濕度（%）、干燥度（K=■）以及≥1 mm年降水日數(shù)（d）[4]。

2.1.3 光因子。包括年日照時(shí)數(shù)（h）、年均日照百分率（%）。

2.2 樣本集

9類因子組成了樣本容量為10、因子數(shù)為9的樣本集10X9（表1）。

10X9=X11 … X19… … …X101 … X109={Xij}

采用Office 2007以及DPS 7.05分析軟件完成所有數(shù)據(jù)處理及分析。

2.3 分段評(píng)分

由于上述9類聚類因子具有不同的量綱，不能直接進(jìn)行聚類分析，為消除不同量綱的影響，便于不同臺(tái)站不同要素的比較，將9個(gè)因素進(jìn)行定量分段評(píng)分（表2、3）。其評(píng)定原則和方法：按各氣候因子在聚類分析中所占重要性的不同，適當(dāng)加大或減小其分?jǐn)?shù)，比如對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，條件好的賦予高分，條件差的賦予低分；經(jīng)過歸一化處理后，各聚類因子都改造成同一數(shù)量級(jí)上的無因次量數(shù)，從而建立了數(shù)值之間的可比關(guān)系。

3 聚類分析過程

3.1 把各地的指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

因?yàn)橹笜?biāo)數(shù)據(jù)單位不同，必須變成無量級(jí)的相對(duì)指標(biāo)才能運(yùn)算，這里采用極差標(biāo)準(zhǔn)化，公式為：

uij=■

其中，Xij為第i個(gè)地區(qū)第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值，u為標(biāo)準(zhǔn)化變量，i=1，2，…，10，j=1，2，…，9，令U=（u）10×9，代入數(shù)據(jù)得：

U=0 0.325 1.000 0 0.835 1.000 0.183 0 00.867 0 0.326 0.928 0.725 0.846 0.259 0.215 0.6470.815 0.524 0.814 0.928 0.725 0.256 0.961 0.289 0.8250.935 0.118 0.465 0.744 1.000 0.235 0.287 0.356 0.8340.821 0.408 0.254 0.895 0.328 0.785 0 0.349 0.6950.953 0.097 0 0.576 0 0.742 0.518 0.482 0.6950.937 0.119 0.817 0.615 0.894 0.769 0.574 0.482 0.8140.903 1.000 0.155 1.000 0.732 0.723 1.000 0.951 0.4571.000 0.475 0.183 0.182 0.758 0.958 0.681 1.000 0.5890.852 0.714 0.685 0.521 0.645 0 0.695 0.753 1.000

3.2 計(jì)算模糊相似關(guān)系矩陣（R）

計(jì)算模糊相似關(guān)系矩陣（R），即算出衡量被分類對(duì)象間遠(yuǎn)近或親疏程度的統(tǒng)計(jì)量rij，計(jì)算rij方法很多，此處用絕對(duì)值減數(shù)法計(jì)算rij，從而得R=（rij）10×10，rij=1，i=j1-Cdij，i≠j（C=0.08），其中dij=■| uik-ujk |，C為適當(dāng)選取之正數(shù)，使rij∈[0，1]（一般0

3.3 用編網(wǎng)法完成聚類

一般R不是模糊等價(jià)關(guān)系，即R只滿足白反性、對(duì)稱性、不滿足傳遞性，為此需把R改造成模糊等價(jià)關(guān)系再聚類，計(jì)算λ量較大，本文采用趙汝懷提出的編網(wǎng)法進(jìn)行聚類，此法是據(jù)模糊相似關(guān)系R直接聚類。當(dāng)λ=0.95時(shí)，此地區(qū)氣候類型分為4類：{1，4}、{2，3，5}、{6，7，9}、{8，10}，顯然λ取不同的值聚類結(jié)果一般也不同，每個(gè)Rλ決定一個(gè)聚類，λ值越大，所成的類中關(guān)系越密切，即氣候越相近。

3.4 氣候類型區(qū)劃

通過模糊聚類，10個(gè)站點(diǎn)分成兩大類型：一個(gè)是氣候上暖而干燥，另一個(gè)是溫而潮濕。按不同置信水平λ（視客觀實(shí)際需要）二者都又可細(xì)分為2個(gè)部分，即10個(gè)站點(diǎn)可分成4個(gè)不同氣候區(qū)（表4）：蘭州、永靖、榆中、定西和東鄉(xiāng)東北部屬溫和區(qū)，氣候暖而干；臨夏縣、臨夏市、東鄉(xiāng)（指縣城附近及西南部）、積石山東部及康樂縣中部為溫涼區(qū)；廣河、東鄉(xiāng)南部、臨洮、和政和康樂部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)為溫寒區(qū)；沿太子山、積石山一帶的臨夏縣東南部、康樂南部為寒冷區(qū)。綜上所述，用模糊聚類進(jìn)行氣候類型劃分，既反映了模糊數(shù)學(xué)的靈活性，又保持了氣候分類的綜合性，與隴中地區(qū)（及其鄰近地區(qū)）錯(cuò)綜復(fù)雜的氣候特征十分吻合。

4 氣候分區(qū)類型及特點(diǎn)

4.1 溫和區(qū)

本區(qū)位于隴中地區(qū)北部及東部邊緣，范圍較大，主要包括黃河、湟水、洮河河谷地帶的蘭州、永靖、榆中、定西和東鄉(xiāng)東北部。本區(qū)光、熱條件為全地區(qū)之最，水分收支成懸殊對(duì)比，本區(qū)糧食生產(chǎn)的光能利用率最高達(dá)1.6%以上。本區(qū)耕作上的自然降水為水分來源，本區(qū)地貌為梁溝壑，屬典型的黃土高原類型，天然植被條件最差，許多地方還是荒山禿嶺，水土流失嚴(yán)重，盡管有較好的光熱條件，但在水分條件限制下，難以利用。本區(qū)生產(chǎn)以種植業(yè)為主，農(nóng)作物為春小麥、玉米、馬鈴薯、麻谷等。

4.2 溫涼區(qū)

本區(qū)位置主要是臨夏縣、臨夏市、東鄉(xiāng)（指縣城附近及西南部）、積石山東部及康樂縣中部。本區(qū)種植的農(nóng)業(yè)作物主要有玉米、春小麥、馬鈴薯、油料、豆類等。本區(qū)熱量條件適宜于大部分溫帶作物生長，對(duì)中早熟玉米、小麥、谷子等作物較有利。從仲春至盛夏前，最適于禾本科作物的營養(yǎng)體生長，盛夏雨、熱配合較好，且正值秋作物旺盛生長期，是形成高產(chǎn)的有利條件。此外，8月日照對(duì)玉米、馬鈴薯的產(chǎn)量變化具有極為重要的意義，本區(qū)伏、秋季日照相對(duì)高于二陰、山陰地區(qū)是當(dāng)?shù)貧夂騼?yōu)勢(shì)之一。本區(qū)影響農(nóng)業(yè)的主要限制性因子是水分，尤其是春末夏初旱，時(shí)間長達(dá)2個(gè)月以上，旱情嚴(yán)重，對(duì)各種作物前期生長威脅極大，夏作物受其影響最甚，是產(chǎn)量低而不穩(wěn)定的根本原因，本區(qū)發(fā)展生產(chǎn)的關(guān)鍵問題是解決水分資源。

4.3 溫寒區(qū)

本區(qū)地勢(shì)陡峭，梁大溝深，主要包括廣河、東鄉(xiāng)南部、臨洮、和政和康樂部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。氣候冷涼，降水較適宜，熱量不足，適宜種植生長期較短的麥、豆、洋芋。但由于受干旱、冰雹、大（暴）雨等氣象災(zāi)害影響，產(chǎn)量低而不穩(wěn)。由于夏、秋季雨量大，降水日數(shù)多，常表現(xiàn)入春后底墑充足，對(duì)作物苗期生長十分有利，為提高產(chǎn)量奠定了良好基礎(chǔ)，而后期由于降水多、氣溫低、日照不足，有時(shí)作物不能正常成熟和按時(shí)打碾入庫，但只要因地制宜，合理安排，可揚(yáng)長避短，化害為利。

4.4 寒冷區(qū)

寒冷地區(qū)位于西南邊緣地帶，海拔2 500 m以上，范圍較大。主要為沿太子山、積石山一帶的臨夏縣東南部、康樂南部。該地腐殖質(zhì)層厚、土壤肥沃，野生動(dòng)植物、藥材資源豐富。按光、熱、水分布狀況，本區(qū)適應(yīng)大部分布耐寒作物生長，但由于生態(tài)條件的影響，氣象災(zāi)害仍較頻繁，對(duì)于大面積發(fā)展種植業(yè)，存在明顯的不利因素，如春末夏初旱、陰坡熱量嚴(yán)重不足、無霜期短、水土流失嚴(yán)重、土質(zhì)瘠薄。因此，仍應(yīng)適當(dāng)發(fā)展牧草、綠肥、速生灌木叢林。首先應(yīng)考慮改善植被、保持水土。這些地區(qū)通常地廣人稀，可采取草田輪作、多種綠肥、輪歇地等辦法，用養(yǎng)地結(jié)合，增加肥力，以肥調(diào)水；同時(shí)轉(zhuǎn)變耕作粗放的陋習(xí)，開展精耕細(xì)作；擴(kuò)種豆類，提高產(chǎn)量；可順應(yīng)氣候條件，增加馬鈴薯種植面積。

5 結(jié)論

運(yùn)用模糊聚類分析對(duì)隴中地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候資源進(jìn)行分區(qū)，可以得出以下結(jié)論。

（1）考慮氣候變化的因素，以選擇與農(nóng)作物生育和產(chǎn)量形成關(guān)系最密切的光、熱、水等9個(gè)因子為基本分區(qū)要素，用模糊聚類方法進(jìn)行氣候分區(qū)的新方法可行，比傳統(tǒng)的區(qū)劃方法簡便，氣候區(qū)劃結(jié)果符合隴中實(shí)際。

（2）隴中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源表現(xiàn)出比較明顯的地域分化特征，農(nóng)業(yè)氣候資源自南向北逐漸豐富。

（3）總體來看，隴中地區(qū)具有一定的農(nóng)業(yè)生態(tài)氣候潛力，特別是溫涼區(qū)光、熱、水的匹配度較好，具有在黃土高原干旱半干旱地區(qū)發(fā)展雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)。

（4）得出的隴中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候聚類區(qū)劃結(jié)果，可為其他區(qū)劃提供氣候類型基礎(chǔ)信息，如牧林業(yè)發(fā)展規(guī)劃、作物種植結(jié)構(gòu)布局區(qū)劃、氣象資源能源開發(fā)利用規(guī)劃等。

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