基于多因子分析的水稻種植適宜性研究

李正金， 李衛(wèi)國， 李 菁， 陸一磊

(1.江蘇省南京市氣象臺，江蘇南京 210019； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，江蘇南京 210014；3.江蘇省南京市高淳區(qū)氣象局，江蘇南京 211300)

2004年以來我國水稻產(chǎn)量實現(xiàn)“13年豐”的壯舉，產(chǎn)量大幅提升，消費者對稻米品質(zhì)的要求也越來越高，水稻生產(chǎn)由原先的片面追求產(chǎn)量提高逐步向量、質(zhì)并重的方向發(fā)展[1]。江蘇南京作為傳統(tǒng)的“魚米之鄉(xiāng)”，近年來全市大力實施農(nóng)業(yè)“1115工程”，重點突出建設(shè)6.67萬hm2高標(biāo)準(zhǔn)糧田的要求，提出“穩(wěn)定面積，優(yōu)選品種，提高產(chǎn)量”的糧食生產(chǎn)方針。在全球氣候變暖背景下，如何更好地利用溫光資源，充分發(fā)揮水稻品種生產(chǎn)潛力，實現(xiàn)水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)，是新形勢下亟待解決的重要問題。因此，進行優(yōu)質(zhì)水稻精細化氣候區(qū)劃研究有重要意義，對政府科學(xué)決策，農(nóng)民合理安排水稻生產(chǎn)，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)水稻的高效生產(chǎn)，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收，推動農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。

前人關(guān)于影響水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的氣候指標(biāo)研究成果較多，李亞春等根據(jù)適宜優(yōu)質(zhì)水稻品種安全生育與產(chǎn)量形成的溫光生態(tài)特性及其機制，利用“3S”技術(shù)進行優(yōu)質(zhì)水稻精細化氣候區(qū)劃，進而提出優(yōu)質(zhì)水稻品種布局優(yōu)化建議，為水稻品種選擇和生產(chǎn)提供依據(jù)[2]；沈陳華根據(jù)水稻營養(yǎng)生長和生殖生長期間的日照總時數(shù)、降水總量、平均氣溫、平均晝夜溫差、平均日最低氣溫和平均日最高氣溫距平的連續(xù)小波分析結(jié)果顯示，這些氣候因子存在不同的顯著周期，在開花結(jié)實期，日照時數(shù)增多有利于水稻產(chǎn)量的增加[3]；朱大偉等通過試驗數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，水稻生育期內(nèi)的總積溫、總?cè)照諘r數(shù)、抽穗后積溫和抽穗后日照時數(shù)與產(chǎn)量及構(gòu)成因素呈極顯著相關(guān)[4]；任萬軍等通過籽粒灌漿的幾個特征參數(shù)的研究，提出弱光影響籽粒灌漿，導(dǎo)致充實不良，堊白米率、堊白度大幅度上升，透明度、光澤、整精米率、膠稠度降低，碾米品質(zhì)與外觀品質(zhì)均變劣[5]；董明輝等發(fā)現(xiàn)，灌漿期光照度變化對稻米品質(zhì)形成影響較大，結(jié)實期光照度減弱使籽粒碾米品質(zhì)和外觀品質(zhì)變差、直鏈淀粉含量降低、崩解值下降、消堿值上升，而粗蛋白質(zhì)含量增加，食味品質(zhì)變差(灌漿期不同光照度對水稻不同粒位籽粒品質(zhì)的影響)[6]。以上均是針對氣候要素對水稻產(chǎn)量或稻米品質(zhì)方面的影響進行的研究，而有關(guān)優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)的綜合性區(qū)劃指標(biāo)鮮有報道。

本研究在前人研究基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)分析南京市氣候資源現(xiàn)狀，綜合水稻品種安全生育、產(chǎn)量和品質(zhì)形成的溫光生態(tài)特性，基于多因子分析法確定關(guān)鍵氣候指標(biāo)，利用多元回歸法建立水稻種植的適宜性區(qū)劃模型，利用“3S”技術(shù)制作南京地區(qū)水稻種植氣候區(qū)劃圖。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于全市29個區(qū)域自動站、5個國家基本氣象站2006—2015年地面觀測資料，以及南京國家氣候基準(zhǔn)站1951年以來的地面觀測資料(1951—2015年)，共35個氣象站(表1)，包括平均氣溫、降水量、日照時數(shù)等數(shù)據(jù)。氣象資料預(yù)先采用標(biāo)準(zhǔn)化處理。其中，區(qū)域自動站的主要選擇依據(jù)為距離最近的水稻田5公里范圍內(nèi)(圖1)，能夠更好地代表農(nóng)田的基本氣候特征。

地理信息資料采用國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的、比例尺為1 ∶50 000的南京市基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)。南京市位于長江中下游沖積平原的邊緣，海拔較低，中、北部多低矮起伏的丘陵，沿江圩區(qū)和南部兩湖(石臼湖、固城湖)地帶地勢平坦。由于地勢相對平坦，氣象要素垂直變化小，但是緯度跨度較大，南北有較明顯的氣候帶差異，利用常見的數(shù)據(jù)插值方法能較好解決氣候要素的空間分布問題。

1.2 因子分析法確定水稻種植適宜性區(qū)劃指標(biāo)

因子分析(factor analysis)是一種降維、簡化數(shù)據(jù)的技術(shù)。

表1 區(qū)域自動站

從研究指標(biāo)相關(guān)矩陣內(nèi)部的依賴關(guān)系出發(fā)，把一些信息重疊、具有錯綜復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個不相關(guān)的綜合因子的一種多元統(tǒng)計分析方法?；舅枷胧牵焊鶕?jù)相關(guān)性大小把變量分組，使得同組內(nèi)的變量之間相關(guān)性較高，但不同組的變量不相關(guān)或相關(guān)性較低，每組變量代表1個基本結(jié)構(gòu)——即公共因子。

本研究有關(guān)水稻種植的適宜性分析，主要從氣候影響水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和病蟲害等3個方面來評定。前人分別對水稻的產(chǎn)量、品質(zhì)和病蟲害與氣候因子的關(guān)系做了大量的試驗研究，也取得了大量的共識，因此本研究主要依據(jù)前人的研究成果，通過多因子分析法，篩選影響南京地區(qū)水稻生長的綜合性氣候指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

本研究涉及到的區(qū)劃指標(biāo)中存在量綱和數(shù)量級差異，例如水稻全生育期10 ℃以上的積溫(ET5-10)的數(shù)量級是103，而平均氣溫的數(shù)量級是102，為了消除各指標(biāo)的量綱和數(shù)量級的差異，須對每一個指標(biāo)值進行規(guī)范化處理。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理主要包括數(shù)據(jù)同趨化處理和無量綱化處理2個方面。數(shù)據(jù)同趨化處理主要解決不同性質(zhì)數(shù)據(jù)問題，對不同性質(zhì)指標(biāo)直接加總不能正確反映不同作用力的綜合結(jié)果，須先考慮改變逆指標(biāo)數(shù)據(jù)性質(zhì)，使所有指標(biāo)對測評方案的作用力同趨化，再加總才能得出正確結(jié)果。數(shù)據(jù)無量綱化處理主要解決數(shù)據(jù)的可比性。

本研究中各個指標(biāo)規(guī)范化計算采用Z分?jǐn)?shù)(Z-score)標(biāo)準(zhǔn)化方法，將各個指標(biāo)進行歸一化處理，其公式：

(1)

式中：X*是指標(biāo)X的規(guī)范化值；X是指標(biāo)原始值；μ和σ分別是樣本數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。該標(biāo)準(zhǔn)化方法適用于最大值和最小值未知的情況，或有超出取值范圍的離群數(shù)據(jù)的情況。

1.4 多元回歸法建立區(qū)劃模型

本研究采用多元回歸法進行水稻種植適宜度區(qū)劃建模，并且依據(jù)各氣候指標(biāo)對優(yōu)質(zhì)水稻種植區(qū)適宜度的貢獻，引入權(quán)重系數(shù)，突出關(guān)鍵影響因子?；趯哟畏治?AHP)和專家調(diào)研(delphi)法確定權(quán)重系數(shù)，根據(jù)農(nóng)業(yè)栽培專家對水稻生長發(fā)育關(guān)鍵性指標(biāo)的認(rèn)知和經(jīng)驗，按氣候指標(biāo)的重要性程度對各指標(biāo)(屬性)進行比較、賦值和計算得出其權(quán)重系數(shù)。最終的區(qū)劃模型計算公式：

(2)

式中：Y為區(qū)劃模型的評價指數(shù)，即多項氣候指標(biāo)的綜合評價值之和；Xi為第i項氣候指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Pi為第i項氣候指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；n為氣候指標(biāo)的個數(shù)。

1.5 區(qū)劃重分類方法

根據(jù)全市水稻種植適宜性氣候區(qū)劃模型，采用南京市的1 ∶50 000精度的GIS地理信息數(shù)據(jù)，利用IDW插值法，然后進行重分類[7]。

本研究選取的農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃重分類方法是自然斷點分級法[natural breaks (jenks)classification method]，自然斷點分級法用統(tǒng)計公式來確定屬性值的自然聚類。公式的功能就是減少同一級中的差異、增加級間的差異。其公式為：

也可表示為：

(3)

式中：A是一個數(shù)組(數(shù)組長度為N)，meani-j每個等級中的平均值。該方法可用ArcGIS軟件自帶的功能模塊實現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻適宜性氣候指標(biāo)確定

根據(jù)前人研究成果可知，水稻生長期(5—10月)≥10 ℃的有效積溫ET5-10、水稻揚花至灌漿期(8—9月)的平均氣溫T8-9和日照時數(shù)S8-9等氣候要素與水稻產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)[3-4]；水稻品質(zhì)主要與灌漿結(jié)實期(8—9月)的平均氣溫T8-9和日照時數(shù)S8-9等氣候要素密切相關(guān)[5-9]；水稻揚花至灌漿期(8—9月)是水稻稻瘟病最易感時期，此期間日照時數(shù)S8-9、降水日數(shù)Rd8-9和空氣相對濕度Rh8-9等氣候要素與稻瘟病發(fā)生流行程度有較強的相關(guān)關(guān)系[10-13]。

對于水稻生產(chǎn)的主要氣候影響因子主要有以上5個氣候指標(biāo)，數(shù)量多，增加了分析問題的復(fù)雜性；指標(biāo)之間可能存在一定的相關(guān)性，因此使用因子分析法，來篩選確定評價模型所需的相對簡化的氣候指標(biāo)。

將水稻種植的適宜性的各個氣候指標(biāo)進行相關(guān)分析檢驗。由表2可以發(fā)現(xiàn)，揚花至灌漿期的S8-9、Rd8-9、Rh8-93個氣候指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)顯著超過0.5，其中S8-9與Rd8-9、Rh8-9之間存在顯著的負相關(guān)性，而Rd8-9和Rh8-9之間存在較好的正相關(guān)性，因此可以用S8-9作為公共因子，來表征日照時數(shù)和濕度等氣候指標(biāo)。

表2 各氣候指標(biāo)之間單相關(guān)系數(shù)

因此最終確定的影響水稻種植適宜性的氣候區(qū)劃指標(biāo)為水稻生長期(5—10月)≥10 ℃的有效積溫ET5-10、水稻揚花至灌漿期(8—9月)的平均氣溫T8-9和日照時數(shù)S8-9等氣候指標(biāo)。經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后，3個氣候指標(biāo)的指數(shù)形式分別為XET、XT、XS。

2.2 水稻適宜性氣候指標(biāo)分析

溫度既是影響水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的重要因素，也是確定水稻品種區(qū)域布局和稻作熟制的首要條件。1951—2015年南京地區(qū)(以南京國家基準(zhǔn)氣候站為準(zhǔn))水稻揚花至灌漿期(8—9月)的平均氣溫(圖2)總體呈現(xiàn)振蕩上升的趨勢，這也是和全球氣候變暖的總體趨勢一致，說明南京地區(qū)水稻生長的溫度和熱量條件非常適宜。

光照是水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和病蟲害流行程度的重要氣象因子。根據(jù)1951—2015年南京地區(qū)(以南京國家基準(zhǔn)氣候站為準(zhǔn))水稻揚花至灌漿期(8—9月)的日照時數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果(圖3)可知，日照時數(shù)總體呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，反映出此時段南京地區(qū)陰雨日數(shù)有增多趨勢。而由前人的研究結(jié)論可知，水稻生長關(guān)鍵期，特別是揚花灌漿期日照時數(shù)對水稻產(chǎn)量、品質(zhì)形成均呈現(xiàn)密切相關(guān)性[4，6]，而此時段日照不足，遭遇寡照陰雨天氣，對病蟲害發(fā)生流行也有非常大的影響[11]，因此對于優(yōu)質(zhì)水稻生長、日照時數(shù)因子的作用也會更加突顯。

根據(jù)南京地區(qū)水稻種植適宜性區(qū)劃氣候指標(biāo)，對全市35個氣象站2006—2015年地面觀測資料進行統(tǒng)計分析，依托南京市GIS地理信息數(shù)據(jù)，采用500 m×500 m小網(wǎng)格插值，獲得各區(qū)劃指標(biāo)要素在地理空間上的分布特征。

圖4為2006—2015年南京地區(qū)水稻全生育期期間≥10 ℃的有效積溫(ET5-10)平均值分布圖。由圖4可以看出，在水稻生育期內(nèi)，整體熱量資源豐富，總體范圍在4210～4 500 ℃ 之間，根據(jù)水稻的品種參數(shù)克制，這樣的熱量資源滿足所有早熟、中熟、晚熟水稻的生育期要求。但是，南北近300 ℃的積溫差異還是非常明顯。其中，六合區(qū)中北部地區(qū)有效積溫普遍在4 300 ℃以下，而長江以南大部分地區(qū)積溫都在4 400 ℃以上。

圖5為2006—2015年，南京地區(qū)水稻揚花至灌漿期(8—9月)的平均氣溫(T8-9)分布圖，由圖5可以看出，此時段南京地區(qū)平均氣溫為24.5 ℃，基本呈南北向分布，但是與積溫分布還是有明顯區(qū)別，其中六合和浦口北部地區(qū)基本都在24 ℃以下，而高淳大部分地區(qū)都在25 ℃以上，所有地區(qū)的氣溫都滿足水稻生長。

圖6為2006—2015年，南京地區(qū)水稻揚花至灌漿期(8—9月)的日照時數(shù)(S8-9)的平均分布圖，由圖6可見，此時段南京地區(qū)平均日照時數(shù)為205.1 h，但具有較為明顯的地域差異，日照時數(shù)最多的地區(qū)主要分布在溧水、江寧東南部地區(qū)，而相對比較低的則是江北地區(qū)和高淳西南部地區(qū)。日照時數(shù)對水稻的產(chǎn)量、品質(zhì)和病蟲害的發(fā)生都有較為顯著的影響，其差異為優(yōu)質(zhì)水稻品種的布局和優(yōu)化提供了空間。

2.3 水稻適宜性區(qū)劃模型的確立

依據(jù)因子分析法篩選的氣候指標(biāo)并經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，通過加權(quán)求和得到的總分值來評價某一地區(qū)的水稻生長的適宜度，最終的適宜性區(qū)劃模型可以表示為：

Y=a·XET+b·XT+c·XS。

(4)

式中：權(quán)重系數(shù)a、b、c根據(jù)農(nóng)業(yè)栽培專家對水稻生長發(fā)育關(guān)鍵性指標(biāo)的認(rèn)知和經(jīng)驗，按氣候指標(biāo)的重要性程度對各指標(biāo)進行比較、賦值和計算得出(表3)。

最終得到水稻種植適宜性區(qū)劃模型為：

Y=XET+2·XT+3·XS。

(5)

表3 優(yōu)質(zhì)水稻生產(chǎn)各因子的氣候指標(biāo)貢獻

2.4 水稻適宜性等級區(qū)域劃分

根據(jù)南京水稻種植適宜性氣候區(qū)劃模型獲得的區(qū)劃指標(biāo)值，采用南京市1 ∶50 000精度的GIS地理信息數(shù)據(jù)，利用IDW插值法然后進行重分類。

據(jù)此進行氣候適宜性區(qū)劃，給不同區(qū)域賦予色差并疊加區(qū)、省行政邊界、制作圖例等，完成南京市地區(qū)水稻種植適宜性氣候區(qū)劃專題(圖7)。

2.4.1 水稻種植適宜區(qū) 南京市水稻最適宜種植區(qū)主要分布在溧水、江寧區(qū)的中東部以及高淳區(qū)。該區(qū)域熱量資源豐富，絕大部分地區(qū)水稻全生育期期間≥10 ℃的有效積溫(ET5-10)都在4 450 ℃以上，揚花至灌漿期日照時數(shù)在210 h以上，非常適合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)水稻的種植和生長；而且該區(qū)域大多位于河谷平原、濱湖平原和低矮丘陵地帶，平均海拔高度不足30 m，河網(wǎng)密集，水利設(shè)施完善，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)好，應(yīng)該規(guī)劃為南京市優(yōu)質(zhì)稻米生產(chǎn)的重點區(qū)域，以此提高水稻種植的經(jīng)濟效益。

2.4.2 水稻種植較適宜區(qū) 南京市水稻適宜種植區(qū)主要分布在浦口區(qū)、六合區(qū)南部，江寧區(qū)西部和環(huán)石臼湖地區(qū)，區(qū)域內(nèi)平均海拔高度在30 m左右，長江水系發(fā)達，灌溉條件優(yōu)越。該區(qū)域的ET5-10大都集中在4 300 ℃～4 450 ℃，日照時數(shù)在200 h以上，熱量條件和日照條件略遜于最適宜區(qū)，但依然能滿足優(yōu)質(zhì)水稻生長發(fā)育所需的所有條件，所以依然適宜大規(guī)模種植優(yōu)質(zhì)水稻品種，提高經(jīng)濟效益。

2.4.3 水稻種植欠適宜區(qū) 南京市水稻欠適宜種植區(qū)主要分布在六合區(qū)的中北部地區(qū)。該區(qū)域內(nèi)多丘陵高崗地，多死火山群、石柱林群，其中冶山海拔231 m，區(qū)域內(nèi)平均海拔超過。熱量資源和日照資源都是全市最少的地區(qū)，雖然基本能滿足優(yōu)質(zhì)水稻的生長條件，但產(chǎn)量和品質(zhì)很難達到其他地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，須要防范早霜凍等低溫災(zāi)害對水稻生產(chǎn)后期的影響，須要種植生育期較短或?qū)崃?、日照等要求略低的品種，來提高優(yōu)質(zhì)水稻種植的經(jīng)濟效益，趨利避害。

3 結(jié)論與討論

目前國內(nèi)有關(guān)農(nóng)作物種植的氣候區(qū)劃研究大多針對產(chǎn)量或品質(zhì)等單一方面，或者主要依據(jù)溫度、降水量或日照時數(shù)等單一氣象要素開展，已經(jīng)取得大量的研究成果。本試驗嘗試性地綜合水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和病蟲害等多方面，開展南京地區(qū)水稻種植適宜性氣候區(qū)劃研究，以期能獲取高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和低病蟲害的最適宜水稻種植區(qū)。

本研究基于農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的基本方法，側(cè)重于水稻的生產(chǎn)應(yīng)用，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用多因子分析法降維、簡化氣候因子數(shù)量，結(jié)合農(nóng)業(yè)專家經(jīng)驗，篩選影響優(yōu)質(zhì)水稻生長發(fā)育的重要氣候因子；依據(jù)多元回歸法建立適宜性區(qū)劃模型，并依據(jù)農(nóng)業(yè)栽培專家對水稻生長發(fā)育關(guān)鍵性指標(biāo)的認(rèn)知以及氣候指標(biāo)的重要性程度賦以對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；基于全市35個農(nóng)田氣象觀測站近10年的氣候數(shù)據(jù)分析，制作南京市水稻種植適宜性氣候區(qū)劃專題圖；根據(jù)區(qū)劃結(jié)論，對當(dāng)前全市水稻種植結(jié)構(gòu)和品質(zhì)提出一些針對性的意見和建議。

本研究所采用的適宜性氣候區(qū)劃指標(biāo)篩選方法和區(qū)劃模型具有一定的創(chuàng)新性，制作的優(yōu)質(zhì)水稻精細化氣候區(qū)劃專題圖對水稻品種選擇和農(nóng)技推廣具體一定的科學(xué)指導(dǎo)性。但是，區(qū)劃指標(biāo)的選擇大多是參考前人的研究成果，從綜合區(qū)劃結(jié)果來看，還有局部地區(qū)區(qū)劃等級與實際略有差異。因此，區(qū)劃指標(biāo)還須要在實際應(yīng)用中不斷修正與完善，使農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃結(jié)果更加合理、實用。