云南省細香核桃氣候適宜性研究

張志勇,丁春曉,田圓,鄭驍喆，董良,王艷霞,周汝良

(西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

云南省細香核桃氣候適宜性研究

張志勇,丁春曉,田圓,鄭驍喆，董良,王艷霞,周汝良

(西南林業(yè)大學林學院，云南 昆明 650224)

利用衛(wèi)星遙感圖像判讀細香核桃原產地分布區(qū)，利用GIS疊加分析方法采集分布區(qū)的年均溫、大于10.8℃積溫、年均降水、年均空氣濕度作為生態(tài)適宜性限制因子，構建細香核桃氣候適宜性概率模型，并進行柵格地圖模擬，制作落實到山頭地塊的適宜區(qū)區(qū)劃圖，并進行空間統(tǒng)計與分析。結果表明：細香核桃適宜區(qū)主要分布于保山、大理、臨滄、楚雄、紅河州、曲靖市等地，面積約為1 335 491 hm2，約占全省土地面積的3.37%，適宜生長的最佳溫度為16.4℃，積溫為5 350℃,濕度在32%附近。

細香核桃；氣候適宜性；地統(tǒng)計分析；概率模型；云南省

云南細香核桃的主要產地在保山市昌寧縣，昌寧是全國出名的核桃之鄉(xiāng)，已有2 000多年歷史。細香核桃的營養(yǎng)價值高，其帶來的經濟效益十分可觀，昌寧縣土地資源豐富，土層深厚，土壤肥沃，生態(tài)環(huán)境好，發(fā)展種植業(yè)具最佳優(yōu)勢，且昌寧是細香核桃的原產地，無論從經濟價值還是營養(yǎng)價值角度來研究昌寧細香核桃種植區(qū)的適宜性都具有重要意義。目前在國內，肖良俊等利用云南省核桃主產區(qū)的氣候因子數(shù)據(jù)分析得出云南核桃對溫度和水分要求較高[1]；樊金拴通過研究得出核桃生長的關鍵需水時期為4—6月份[2]；邵巖等利用氣象站點和水文站點歷史氣候資料、歷史土壤數(shù)據(jù)，應用GIS技術實現(xiàn)科學合理的云南氣候、土壤、地形地貌適宜性區(qū)劃[3]；羅成榮通過對氣候因子和土壤因子的適宜性綜合分析，將四川劃分為4個核桃栽培區(qū)[4]；陳和彥根據(jù)云南核桃對立地條件的特定要求,利用ArcGIS軟件的疊加分析功能,查找出適宜規(guī)劃的特定區(qū)域,做出分級評價,并制作出規(guī)劃圖[5]；馬文婷等通過研究得出生產中建議核桃樹栽植在坡度較小、光照充足且土壤肥沃的地域[6]；黃偉嬌根據(jù)山核桃生產的實際情況,采用GIS技術及數(shù)學分析方法對杭州市山核桃種植進行生態(tài)適宜性評價[7]；問青青、吳達勝等應用主成分分析、層次分析及模糊數(shù)學隸屬函數(shù)等模糊綜合評價模型來預測浙江山核桃潛在的適宜生長區(qū)域[8-9]；郭兆夏等利用陜西氣象站氣象資料和地理信息數(shù)據(jù),采用GIS技術對核桃種植區(qū)進行氣候適宜性區(qū)劃,采用模糊綜合評判的方法得到陜西核桃精細化氣候適宜性區(qū)劃圖,并進行分區(qū)評述[10]；朱琳[11-13]等分別應用GIS技術進行了陜西蘋果、白梨、柑橘、獼猴桃等主要果樹的氣候適宜性區(qū)劃研究；熊華利用貴州氣候、土壤和地形因子,使用空間分析技術,得出貴州核桃種植氣候適宜性區(qū)劃，進而得出貴州核桃種植生態(tài)適宜性區(qū)劃[14]；金志鳳、趙宏波綜合考慮4個氣候因子以及坡度、坡向、海拔、土壤類型和土壤質地等環(huán)境要素,應用層次分析法確定影響因子權重,基于應用統(tǒng)計學方法和地理信息系統(tǒng),建立山核桃栽培區(qū)劃的綜合評估模型[15-17]。

綜合以上學者的研究，通過不同的研究方法可以得出影響核桃生長的主要因子是溫度，其次是水分、海拔及坡度、坡向。為探索細香核桃在云南全省適宜生長區(qū)域，本文以昌寧細香核桃種植區(qū)為研究對象，收集昌寧地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和已有的研究結果，采用遙感數(shù)據(jù)技術、空間分析技術和SPSS工具對遙感圖像和氣象數(shù)據(jù)進行處理，用地統(tǒng)計方法建立細香核桃的氣溫適應性概率模型。建立細香核桃原生產區(qū)域的適宜性綜合概率模型關系，來預測細香核桃在云南省最適宜種植區(qū)域。用概率的方法來表示適宜程度，通過與其生長相關的年均溫、積溫、年均濕度等氣候因子建立相關的概率模型，在一定程度上可以更準確地反映出細香核桃的氣候適宜性，比較其他的圖層疊加區(qū)劃方法和隸屬函數(shù)的區(qū)劃方法，能更準確地反映出細香核桃適宜區(qū)域，通過已經確定的細香核桃分布區(qū)，建立相關的概率模型及綜合概率的乘積模型，預測細香核桃在云南省適宜種植的區(qū)域是本文創(chuàng)新的重點研究。

適地適種是經濟林作物栽培種植的一項基本原則，細香核桃是云南省昌寧縣本地的優(yōu)質高產品種，由于氣候適宜性條件限制，多次引種種植失敗。鑒于此，研究該核桃品種的氣候適宜性模型，并利用GIS系統(tǒng)區(qū)劃了其在云南省的適宜種植區(qū)，以期對林農的引種種植提供指導。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

昌寧縣地處北緯20°14′～25°12′，位于云南省西部，地處滇西大理、臨滄、保山3地結合部，屬于保山地區(qū)，最高海拔2 875.9 m，最低海拔608 m。屬亞熱帶季風氣候。境內年均溫15.7℃，極端最高溫40.4℃，極端最低溫-6℃，年均降雨1 259 mm，無霜期253 d。山區(qū)面積占國土總面積的97.05%。干濕季分明，氣候類型多樣，生物多樣性特征明顯。

1.2 昌寧細香核桃優(yōu)質高產地理分布區(qū)的數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要有昌寧縣行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)及云南省保山市昌寧縣林業(yè)資源二類調查數(shù)據(jù)。通過購買方式購買昌寧縣空間分辨率約為0.54 m的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，收集云南省近20年來131個氣象站的歷史觀測數(shù)據(jù)，利用空間建模和空間模擬方法，結合多景云南全景的MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)反演的溫度場、濕度場，制作了云南100 m分辨率的年均溫場，年降雨量場、年均濕度場、≥10.8℃積溫的地圖，為氣候適宜性建模，空間區(qū)劃、統(tǒng)計分析提供基礎數(shù)據(jù)。

1.3 樣區(qū)數(shù)據(jù)解譯和采集

利用GIS系統(tǒng)和空間分辨率約為0.54 m的衛(wèi)星遙感圖像，并且參照昌寧縣林業(yè)資源二類調查數(shù)據(jù)作為解譯標志,依據(jù)昌寧縣林業(yè)資源二類調查數(shù)據(jù)中細香核桃種植面積最大的小班,確定12個優(yōu)質高產原生地分布區(qū)(圖1)。

1.4 氣象因子基線數(shù)據(jù)的集成

利用森林火災監(jiān)測預警和撲救指揮數(shù)字化技術項目[18-19]同化反演的云南省全境空間分辨率100 m的歷史年均溫場、年降水場、年均空氣濕度、積溫等數(shù)據(jù),因已經反演好的云南全省的溫度、積溫、濕度、

圖1 原生地分布區(qū)域

降水等基線數(shù)據(jù)已經多次應用到課題中，精度較好，此處不再做反演。從已經模擬好的云南省氣象數(shù)據(jù)中，在ArcGIS中利用昌寧縣行政邊界矢量數(shù)據(jù)裁剪出昌寧縣的年均溫度場、降水場、空氣濕度、積溫≥10.8℃的模擬基線數(shù)據(jù)如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2 昌寧縣年均溫

1.5 地統(tǒng)計分析與概率模型的構建

地統(tǒng)計學是以區(qū)域化變量理論為基礎，以變異函數(shù)為主要工具，研究那些在空間分布上既有隨機性又有結構性，或空間相關性和依賴性的自然現(xiàn)象的科學。將細香核桃分布有關氣象數(shù)據(jù)調入GIS系統(tǒng)中，進行可視化渲染，與其它地理參考信息進行疊加，調用GIS空間建模和分析工具進行處理。

圖3 昌寧縣年降水

圖4 昌寧縣積溫

水熱條件是核桃生長發(fā)育的關鍵數(shù)據(jù)。首先利用昌寧縣的行政邊界矢量數(shù)據(jù)，分別疊加切割云南省年均溫、積溫、濕度基線數(shù)據(jù)，得到昌寧縣的年均溫、積溫、濕度的模擬基線數(shù)據(jù)如圖2，圖3、圖4、圖5所示。

圖5 昌寧縣濕度

通過上面解譯的12個細香核桃原生長區(qū)域的面狀數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中利用面轉點的處理功能，把12個細香核桃分布的面狀數(shù)據(jù)轉化為點數(shù)據(jù)，最后得到326個點數(shù)據(jù)，利用得到的326個點數(shù)據(jù)對昌寧縣的年均溫、積溫、濕度3個氣候因子的柵格數(shù)據(jù)進行提取，分別得到對應點上的年均溫、積溫、濕度值。

對得到樣點的年均溫、積溫、濕度數(shù)值進行分區(qū)和頻數(shù)統(tǒng)計，最后得到適宜性頻率分布直方值。對年均溫的數(shù)值以0.3℃為步長進行分組；對積溫的數(shù)值以150℃為步長進行分組；對濕度的數(shù)值以3%為步長進行分組。用SPSS軟件分別對年均溫、積溫、濕度的度量值和頻率值進行統(tǒng)計回歸，通過頻率分布直方圖進行數(shù)據(jù)建?？傻玫礁饕蜃拥倪m應性概率模型。通過對樣本數(shù)據(jù)及對應數(shù)據(jù)的處理，由對應頻率分布直方圖可知圖形類似鐘行曲線，并由曲線擬合得出昌寧細香核桃與昌寧年均溫的函數(shù)模型：

P1=A×eB×(t-U)2

式中：t為年均溫,P1為昌寧細香核桃生長所需年均溫×模型。

同樣得出昌寧細香核桃生長與積溫≥10.8℃的曲線模型：

P2=A1×eB1×(JW-U1 )2

式中：JW為積溫，P2為積溫對應概率。

按照上述方法，昌寧細香核桃生長與濕度的模型如下：

P3=A2×eB2×(SD-U2 )2

式中：SD為相對濕度，P3為年均濕度對應概率。

根據(jù)生態(tài)因子作用的綜合性特征可知，各生態(tài)因子與其他因子相互作用，而又相互制約，一個因子變化也會影響其他因子變化，盡管生態(tài)因子是綜合作用的，但各因子的獨立作用不同，所以假設以上因子對栽培種植的作用相對獨立，依據(jù)概率原理，則全部因子的聯(lián)合作用符合乘積概率，則：

P=P1×P2×P3

式中：P1為年均溫，P2為積溫，P3為濕度單因子概率適應性函數(shù)，P為總體的適宜概率函數(shù)。

結合樣區(qū)數(shù)據(jù)和專家知識，設計適宜和不適宜的語義表達模型,以樣區(qū)核桃生長的最低乘積概率值作為適宜與不適宜的臨界值進行適宜與不適宜的區(qū)劃。利用上述模型，在GIS系統(tǒng)中對乘積概率模型進行渲染，然后利用柵格分析統(tǒng)計適宜區(qū)與不適宜區(qū)面積。

2 結果與分析

2.1 結果檢驗

通過對樣本數(shù)據(jù)進行曲線擬合得出昌寧細香核桃與昌寧年均溫的函數(shù)模型：

P1=0.915×e-5.361×(t-16.4)2

式中：t為年均溫,P1為昌寧生長所需年均溫模型。

在方差結果分析中，其自由度為7，F(xiàn)值=54,從F檢驗臨界值表可知F>F0.01(1，7)=12.246，模型通過F檢驗，在α=0.01水平上顯著相關，該模型R方=0.864。

同樣得出昌寧細香核桃與積溫≥10.8的曲線模型：

P2=0.968×e-2.229×10-5×(JW-5350)2

式中：JW為積溫，P2是積溫對應的概率模型,其F=59.4615>F0.01(1，7)=12.246，模型通過檢驗，R 方=0.89。

按照上述方法，可得昌寧細香核桃與濕度的模型：

P3=0.921×e-0.026×(SD-32)2

式中：SD為相對濕度，P3為地表濕度對應概率,其F=59.25>F0.01(1，7)=12.246，模型通過檢驗，其R 方=0.923。

全部因子的聯(lián)合作用乘積概率：

P=P1×P2×P3

利用乘積概率模型，在GIS系統(tǒng)中對乘積概率模型進行云南省柵格計算。依據(jù)昌寧縣原生地細香核桃的綜合適宜性概率乘積模型，使用ArcGIS柵格計算器帶入昌寧縣和云南省分辨率為100×100 m的年均溫、積溫以及濕度的柵格數(shù)據(jù)計算，得出整個昌寧縣和云南省分辨率為100×100 m細香核桃適生概率的分布結果如圖6和圖7所示。

2.2 昌寧細香核桃分布

昌寧細香核桃在昌寧縣內的分布情況如圖6所示。昌寧細香核桃主要分布在珠街彝族鄉(xiāng)、耇街鄉(xiāng)、大田壩鄉(xiāng)、柯街鄉(xiāng)、漭水鄉(xiāng)、卡斯鄉(xiāng)的少部分、溫泉鄉(xiāng)的大部分區(qū)域、雞飛鄉(xiāng)的大部分區(qū)域、更戛鄉(xiāng)的東部、灣甸的東部、勐統(tǒng)的小部分區(qū)域。

2.3 昌寧細香核桃在云南省適宜生長性分析及預測

從云南省細香核桃適生概率分布圖中可知，昌寧細香核桃主要適宜生長在保山市的大部分地區(qū)，大理市的南部及東南部，臨滄市的東部及北部，楚雄的北部區(qū)域及中部，昆明市的北部，玉溪市的東北部，紅河州北部，曲靖市的西南部。

2.4 縣級適宜生長區(qū)域分析

從云南省適宜生長概率預測分布圖(圖7)可以得出，細香核桃主要適宜生長的地區(qū)有保山、施甸、龍陵、永平、騰沖、盈江、巍山、彌渡、南澗、鳳慶、賓川、漾濞、永盛、臨滄市、云縣、滄源、雙江、瀾滄、南華、楚雄、大姚、永仁、元謀、雙柏、牟定、武定、峨山、江川、通海、華寧、石屏、建水、蒙自、文山、丘北、宜良、石林、富明、東川、會澤、富源、師宗等縣。

圖6 昌寧縣細香核桃適生概率Fig.6 FinefragrantwalnutsuitableprobabilityofChangningCounty

圖7 云南省細香核桃適生概率

通過對細香核桃適宜生長區(qū)域研究，得出在云南省全境內適宜種植細香核桃的面積大約占全省面積的3.37%，約1 335 491 hm2;不適宜的面積約占全省面積的96.63%。

3 結論與討論

1)利用地統(tǒng)計分析方法建立物種的時態(tài)適宜性概率模型，與傳統(tǒng)的基于樣本數(shù)據(jù)建模方法相比，綜合概率表達比傳統(tǒng)回歸模型更能體現(xiàn)物種的適宜性。

2)建模方法使用了積溫、年均溫、濕度氣候因子來做氣候適宜性分析，所表征的規(guī)律更為準確、客觀和全面，同時為引種種植到云南全省其他適宜地區(qū)省去了傳統(tǒng)抽樣調查的抽樣設計和野外工作，節(jié)約了人力物力。

3)研究區(qū)域更具體，以昌寧縣細香核桃原產地分布區(qū)作為樣本數(shù)據(jù)進行采樣建模。利用云南行政區(qū)域的縣級矢量地圖疊加，研究結果得知，細香核桃生長適應性與行政規(guī)劃界線無關，影響細香核桃分布的是積溫、年均溫、濕度這3個主要氣候因子。其次，對于昌寧細香核桃在云南全省的栽培具有指導生產實踐的作用。

4)值得注意的是，由于樣本區(qū)域在同一個縣內，降水的變化規(guī)律不具明顯差異，但可通過研究得知細香核桃最適宜生長的降水范圍為1 000～1 200 mm。通過對細香核桃的氣候適應性研究得知，在氣溫為15.5～17.3℃時比較適宜細香核桃生長，生長積溫在4 900～5 800℃、濕度在26%～38%時生長較好。

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Climatic Adaptability Division for Walnuts in Yunnan Province

ZHANG Zhiyong, DING Chunxiao, TIAN Yuan, ZHENG Xiaozhe, DONG Liang, WANG Yanxia,ZHOU Ruliang

(College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan)

In this paper, we used satellite remote sensing images to identify the geographical distribution area of the Changning walnuts cultivars, and adapted GIS overlay analysis method to select the annual mean temperature, accumulated temperature higher than 10.8 ℃, and the annual mean air humidity of the distribution area as ecological suitability limiting factor. This study constructed the climate suitability probability model of the cultivars, and carried out the grid map simulation, implemented the appropriate zoning map, and analyzed the spatial statistics. The results showed that the suitable area of Xixiang walnut was mainly distributed in Baoshan, Dali, Lincang, Chuxiong, Honghe and Qujing, was about 1335491 hm2, accounting for about 3% of the province, and the optimum temperature for growth was 16.4 ℃, accumulated temperature was at 5350 ℃, humidity was around 32%.

Changning walnuts; climate suitability; geostatistical analysis; spatial probability model; Yunnan Province

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.02.001

2017-03-13；

2017-04-10.

云南省森林災害預警與控制重點實驗室科研開放基金(zk150008)；云南省科技創(chuàng)新人才計劃項目(2014HC014).

張志勇(1991-)，男，云南曲靖人，碩士研究生.主要研究方向：資源與環(huán)境遙感.Email：zzy952779038@gmail.com

周汝良(1963-)，男，云南祥云人，教授.主要研究方向：森林病蟲害的監(jiān)測預警、林業(yè)遙感.Email:zhou_ruliang@163.com

S792.13；S718.512

A

1671-3168(2017)02-0001-06