從土壤氣候視角解析農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地的自然稟賦
——以寬城傳統(tǒng)板栗栽培系統(tǒng)為例

譚凱炎，閔慶文，鄔定榮

（1中國氣象科學研究院，北京100081；2中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101）

0 引言

板栗在中國分布非常廣泛，從東北平原到東南沿海皆有種植[1]，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計，中國板栗種植面積和產(chǎn)量均居世界首位。河北省寬城滿族自治縣地處燕山深處，是燕山板栗的典型分布區(qū)，板栗栽培歷史悠久，現(xiàn)存最老的板栗古樹樹齡逾700年，百年以上板栗古樹10萬余株，寬城板栗品質(zhì)優(yōu)良，被譽為“東方之珠”，不僅深受國內(nèi)消費者歡迎，還遠銷海外。寬城傳統(tǒng)板栗栽培系統(tǒng)被認定為第二批中國重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)并正在申報全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)。根植千年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)固有其歷史淵源以及經(jīng)濟社會和技術(shù)發(fā)展的選擇，但同時必然受到地形、土壤、水文、氣候以及微生物等自然環(huán)境因素的制約及其綜合影響。分析評價農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)的土壤氣候條件有助于全面認識農(nóng)業(yè)遺產(chǎn)系統(tǒng)的天然稟賦和不足，以期為農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)的保護和利用以及合理利用生態(tài)氣候資源提供科學依據(jù)。

板栗的栽培分布及其產(chǎn)量與品質(zhì)受土壤地球化學和氣候條件的約束和影響[2]。前人對板栗與栽培條件關(guān)系的研究多集中于土壤特性、施肥和管理對板栗產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[3-8]。研究表明，板栗適合生長于偏酸性土壤，在一定的pH范圍內(nèi)，板栗品質(zhì)隨pH增加而下降[9]，土壤有機質(zhì)含量增加有利于提高板栗產(chǎn)量和品質(zhì)[3-4,6,10]，土壤氮磷鉀含量均對板栗產(chǎn)量有顯著的影響[8,11]，土壤中的微量元素除一定程度影響板栗生長發(fā)育和產(chǎn)量外還與板栗品質(zhì)密切相關(guān)[9]。土壤性質(zhì)和肥力顯著影響著板栗產(chǎn)量和品質(zhì)，同時立地氣候條件也是決定板栗栽培可行性及其產(chǎn)量品質(zhì)高低的重要因素[12-13]。關(guān)于板栗產(chǎn)量和品質(zhì)與氣候因子關(guān)系及氣候適宜性評價的研究還較少。郭文利[14]利用相關(guān)氣候指標及土壤pH采用地理信息系統(tǒng)及指標疊加的方法制作了北京懷柔和密云等地優(yōu)質(zhì)板栗細網(wǎng)格農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，于長文[15]對河北青龍歷年板栗品質(zhì)進行了氣候認證，此外尚未見更多的全面評價區(qū)域板栗栽培土壤氣候條件及其適宜性的研究報道。本研究依據(jù)影響燕山板栗產(chǎn)量品質(zhì)的生態(tài)氣候指標，利用歷史氣象觀測資料和土壤取樣分析資料對寬城板栗栽培系統(tǒng)的土壤氣候條件及其適宜性進行全面分析，并給出寬城板栗栽培氣候適宜性綜合評價的空間分布。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

寬城滿族自治縣位于燕山山脈東段，縣域面積約1952 km2，平均海拔300～500 m，地理坐標在40°17′—40°45′N和118°10′—119°10′E之間。寬城縣隸屬溫帶半干旱半濕潤季風性氣候，土壤主要為棕壤和褐土，2017年板栗種植面積3.7萬hm2，產(chǎn)量4.3萬t。本研究還涉及寬城縣周邊的遷西、遵化、興隆、青龍和承德5縣，上述地區(qū)同屬燕山板栗種植區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

縣氣象站1987—2016年氣候數(shù)據(jù)來自于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，寬城縣14個自動氣象站2013—2017年觀測數(shù)據(jù)來自于中國氣象科學研究院信息中心。為分析研究區(qū)及周邊區(qū)域板栗林土壤特性及肥力，于2018年10月專門開展區(qū)域板栗林土壤取樣測試分析，分別在寬城、遷西、興隆、遵化、青龍和承德各縣的10、4、2、4、4、1個板栗種植代表性地段取樣，每個地段隨機選4點，每個樣點先去掉表土，再從0～20 cm土層取土樣，然后4個點混合成一個樣品，土樣分析委托北京農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所完成。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 綜合氣候適宜性評價 采用DTOPSIS(dynamic technique for order preference by similarity to ideal solution)分析法[16]，首先由研究區(qū)內(nèi)及周邊自動氣象站的5年平均氣象要素值和燕山板栗適宜氣候指標集建立氣象條件矩陣Aij，i為氣象站和指標集編號，j為氣象要素編號，如式(1)所示。

對各要素按正向指標和逆向指標進行無量綱化處理，使其成為可相互比較的規(guī)范化矩陣，如式(2)所示。

確定各要素權(quán)重Wj，建立決策矩陣R，Rij=Wj×Dij。然后求取各氣象要素的正理想解和負理想解，如式(3)～(4)所示。

再采用歐幾里德范數(shù)作為距離的測定，計算各站點與正理想解的距離，如式(5)所示，和與負理想解的距離如式(6)所示。

最后由式(7)計算得到各站綜合氣象條件接近正理想解并遠離負理想解的程度Ci，C值介于0～1之間，值越大表示適宜性程度越高，它們與指標集的C值比較反映了各站的板栗氣候適宜性。

由各站綜合氣候適宜性評價值與站點經(jīng)緯度及高度線性回歸方程推算到1 km×1 km細網(wǎng)格上，得到寬城縣板栗綜合氣候適宜性評價空間分布。

1.3.2 參考作物潛在蒸散 參考作物潛在蒸散根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的潛在蒸散公式計算，如式(8)。

式中，ET0為潛在蒸散量(mm/d)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率(kPa/℃)；Rn為地表凈輻射[MJ/(m2?d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2?d)]；es為飽和水汽壓(kPa)；T為平均氣溫(℃)；ea為實際水汽壓(kPa)；U2為2 m高風速(m/s)，由10 m風速換算；γ為干濕表常數(shù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析 采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用Excel和Origin軟件制作統(tǒng)計分析圖；采用ArcGIS制作板栗綜合氣候適宜性評價空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 寬城板栗栽培系統(tǒng)的土壤適宜性

2.1.1 寬城板栗林土壤特性及與相鄰地區(qū)比較 通過取樣分析，測定了寬城縣及相鄰燕山板栗產(chǎn)區(qū)板栗林土壤的pH、有機質(zhì)與氮磷鉀含量和微量元素含量。如圖1所示，寬城及相鄰板栗主產(chǎn)地栗林土壤均屬于適宜種植板栗的微酸性土壤，0～20 cm土壤的平均pH 5.85～6.84之間，處于板栗種植適宜pH 4～7范圍內(nèi)，寬城栗林土壤pH 5.45～6.44之間，均值pH 6.11，基本位于最適于板栗的pH 5～6區(qū)間[9]。寬城栗林土壤平均有機質(zhì)含量達20.8 g/kg，全氮含量1.38 g/kg，高于燕山板栗栽培區(qū)其他各縣。其他肥力參數(shù)和微量元素含量如表1，微量元素中，寬城的Mg、Fe、Mn、B含量較高，其他元素含量居中。

圖1 燕山板栗林土壤pH、有機質(zhì)及全氮含量

表1 燕山板栗林土壤肥力及微量元素含量 mg/kg

2.1.2 寬城縣板栗種植主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)栗林土壤肥力及微量元素 如圖2和表2所示，在寬城縣的主要板栗栽培鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤有機質(zhì)在20 g/kg以上，全氮含量在1.3 g/kg以上，相互間差異很小，磷鉀含量差異稍大，微量元素含量空間分布也有較大的差別。總的來說寬城土壤肥力普遍較高，微量元素含量豐富，只有東大地鄉(xiāng)土壤有機質(zhì)和N、P、K含量明顯偏低，同時其Fe、Mn、Cu、Zn、B含量在所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)中也最少。

圖2 寬城縣主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)栗林土壤有機質(zhì)含量

表2 寬城縣主要鄉(xiāng)鎮(zhèn)栗林土壤肥力及微量元素含量

2.2 寬城板栗栽培系統(tǒng)的氣候特征及其適宜性

2.2.1 寬城板栗栽培的氣候特征 根據(jù)寬城縣氣象站1987—2016年觀測資料統(tǒng)計得到寬城縣板栗栽培的基本氣候特征如表3。板栗是強喜光植物，生育期間要求充足的光照，燕山板栗結(jié)果樹從發(fā)芽到成熟需要日照時數(shù)1100～1300 h[13]，地處華北北部的寬城站全年日照充足，板栗生長季（3—10月）平均日照時數(shù)近1700 h，完全滿足板栗生長成熟對光照的需要；燕山板栗從萌芽到果實成熟需要≥10℃積溫3000～3500℃[17]，寬城站全年≥10℃積溫多年平均值3623℃，≥80%保證率的積溫值為3437℃，可見全年熱量條件可以滿足板栗生長成熟的需要；當年極端最低氣溫低于-30℃時，板栗幼樹和新梢在越冬休眠期會受凍害，即板栗發(fā)生凍害的溫度為-30℃[17]，寬城站近30年來年極端最低氣溫-25.5℃，可以確保板栗不受越冬凍害；寬城站板栗生長季降水量多年平均值為601 mm，高于板栗從萌芽到成熟的最低需水量500 mm[13]，但氣候上達到80%保證率的降水量為495.7 mm，并且年際變率達20%，表明部分年份降水量低于板栗生長季需水量，可能限制或影響板栗的生長和產(chǎn)量。寬城站板栗成熟期（9月）氣溫日較差多年平均值12.7℃，高于京津冀地區(qū)9月平均日較差11.9℃[18]，也高于板栗栽培9月日較差適宜指標 12℃[14]。

表3 寬城板栗栽培的基本氣候特征

為揭示寬城板栗生長季水分供需特征及對板栗生長的影響，根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的參考作物潛在蒸散公式計算了寬城站板栗生長季各月近10年（2007—2016年）潛在蒸散量，其與同期降水量比較如圖3。由圖可見，板栗生長季中7月降水量遠多于需水量，9月水分供需基本平衡，其他各月降水量均低于蒸散量。圖3表明，寬城板栗果實成長階段水分供應(yīng)基本適宜，但春季生長階段水分供應(yīng)嚴重不足，3—5月降水滿足度分別為14%、33%、35%。

圖3 寬城站板栗生長季各月水分供需（2007—2016年平均）

2.2.2 寬城板栗栽培氣候適宜性綜合評價及其空間分布 根據(jù)前人相關(guān)研究結(jié)果，選取與板栗生長、產(chǎn)量形成及品質(zhì)密切相關(guān)的4個氣候因子，以≥10℃積溫代表板栗生長成熟的熱量條件，1月平均氣溫代表越冬條件，9月日較差代表果實成熟期品質(zhì)形成天氣條件，3—10月降水量代表板栗生育期自然水分供應(yīng)條件，利用寬城氣象站及域內(nèi)14個自動氣象站觀測資料，采用DTOPSIS分析法綜合評價寬城板栗栽培系統(tǒng)的氣候適宜性，并以滿足板栗生長成熟并有利于形成良好品質(zhì)的適宜氣候指標集作為比較的基準，其中，≥10℃積溫取燕山板栗從萌芽到果實成熟需要的3000～3500℃的中值[17]；1月平均氣溫取-8.5℃[13-14]；9月日較差取12℃[14]，這也是京津冀地區(qū)9月份日較差多年平均值[18]；3—10月降水量取板栗從萌芽到成熟的基本需水量500 mm[1,13]。求取各站點和指標集對理想解的相對接近度，它們與基準的比較作為氣候適宜性評價結(jié)果，高于基準為適宜，低于基準為不適宜。根據(jù)專家經(jīng)驗，4個氣候因子的權(quán)重分別取0.25、0.2、0.25、0.3。計算結(jié)果見表4，板栗栽培適宜指標集對應(yīng)的綜合評價值為0.35。分析發(fā)現(xiàn)，各站點的氣候適宜性評價值與站點的地理經(jīng)緯度和高度具有顯著的多元線性相關(guān)關(guān)系，由15個站點數(shù)據(jù)經(jīng)多元回歸分析得到綜合氣候適宜性評價值與經(jīng)緯度及高度的回歸關(guān)系如式(9)所示。

表4 寬城縣各站點板栗氣候適宜性綜合評價

式中，C為綜合氣候適宜性評價值，X為緯度(d)，Y為經(jīng)度(d)，Z為高度(m)。

根據(jù)式(9)和地理信息數(shù)據(jù)推算出寬城縣1 km×1 km網(wǎng)格點板栗栽培綜合氣候適宜性評價值(C)，圖4為寬城縣板栗栽培綜合氣候適宜性評價細網(wǎng)格分布圖。寬城縣的西南區(qū)域綜合氣候條件非常適宜于板栗栽培，具有生產(chǎn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)板栗的氣候潛力，而北部和中部部分區(qū)域綜合氣候適宜性評價值低于0.35，不適合板栗栽培，這與目前板栗種植分布格局基本吻合。

圖4 寬城縣板栗綜合氣候適宜性評價空間分布

3 結(jié)論

寬城板栗栽培系統(tǒng)的土壤酸堿度非常適宜板栗生長，土壤有機質(zhì)豐富，氮鉀含量較高、土壤中富含鐵、鎂、錳、鋅等微量元素。寬城板栗主要栽培區(qū)域光照充足、全年熱量條件完全滿足板栗生長結(jié)實需要，生長季降水量基本達到板栗生長需水要求但分配不均勻，果實成熟期氣溫日較差較大，綜合氣候條件優(yōu)于板栗栽培適宜指標。寬城板栗栽培系統(tǒng)具有適宜板栗生長的土壤氣候環(huán)境，具備栽培高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)板栗的條件和潛力，春季降水量偏少是寬城板栗產(chǎn)量的限制因素，適當?shù)拇杭竟喔瓤奢^大幅度地促進寬城板栗高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)潛力的發(fā)揮。

4 討論

板栗雖然分布廣泛，但其地域性較強，品質(zhì)差異明顯，這與各地土壤地球化學特性密切相關(guān)?，F(xiàn)有研究表明，在一定的pH范圍內(nèi)，板栗品質(zhì)隨著土壤pH的下降而上升，最適宜區(qū)間為pH 5～6[3,9]。土壤有機質(zhì)能促進板栗增產(chǎn)，降低板栗果實含水量，提高板栗的可溶性糖和蛋白質(zhì)含量，土壤有機質(zhì)增加有利于板栗產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[4,6,10,19]。寬城傳統(tǒng)板栗栽培系統(tǒng)的栗林土壤pH處于最適宜范圍，有機質(zhì)含量遠高于燕山板栗產(chǎn)區(qū)的其他地方，且栽培區(qū)域內(nèi)土壤肥力分布比較均勻，這為板栗栽培提供了良好的土壤條件。寬城栗林土壤的Fe、Mn、Mg等微量元素含量很高，這可能與寬城板栗的風味有關(guān)，但微量元素與板栗品質(zhì)的關(guān)系尚不清楚。

氣候是影響板栗生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。寬城地處華北北部，接近板栗栽培北界[1]，冬季最低氣溫在-16℃以下，春季干旱少雨，但寬城全年光照充足，滿足喜光樹種板栗的高日照需求，同時全年熱量資源超過了當?shù)匕謇鯓浞N生長成熟的熱量要求，極端最低氣溫高于板栗幼樹和新梢的受凍溫度，發(fā)生越冬凍害概率很小，板栗果實成熟期的9月氣溫日較差很大，非常有利于板栗果實中積累可溶性糖分，提高板栗風味品質(zhì)。在當?shù)貧夂虮尘跋拢L季總的降水量基本可以滿足板栗生長的需要，但年內(nèi)分布極不均勻。萌芽期水分對于板栗產(chǎn)量至關(guān)重要，3—4月的降水量與板栗產(chǎn)量有顯著正相關(guān)關(guān)系[9]，當?shù)孛妊恐灵_花階段降水滿足度較低，遇上干旱年份，會較大程度限制板栗的營養(yǎng)生長，導(dǎo)致結(jié)棚數(shù)減少，產(chǎn)量降低[20]。因此，春季降水量偏少是寬城板栗產(chǎn)量提高的主要限制因素，進行適當春季灌溉，特別是微型噴灌措施可以明顯提高板栗的產(chǎn)量和品質(zhì)[21]。當?shù)孛磕?月降水量大大超過板栗需水量，對于燕山坡地板栗林而言，7月較強降水可造成嚴重水土流失，修建擋水設(shè)施可以大幅減少水土流失[22]，并為板栗果實生長蓄積水分。對寬城板栗氣候適宜性綜合評價結(jié)果表明，寬城現(xiàn)有板栗主要種植鄉(xiāng)鎮(zhèn)均為氣候適宜區(qū)域，但山區(qū)不同地形地貌顯著影響著局地小氣候條件，導(dǎo)致局地光溫水條件的差異[23]，因此，更精細化的分析評價還需要結(jié)合地形的影響。

本研究在評價綜合氣候適宜性時基于已有對板栗與氣候條件關(guān)系的認識選取了4個氣候因子，根據(jù)前人的研究，板栗花期連陰雨天氣是造成板栗減產(chǎn)的一個重要原因，分析寬城歷史氣候資料發(fā)現(xiàn)，這一災(zāi)害性天氣在當?shù)貥O少發(fā)生，因此在適宜性評價中未加考慮。在氣候適宜性綜合評價中各個因子影響權(quán)重分配為經(jīng)驗賦值，隨著板栗氣象條件關(guān)系研究的深入將使權(quán)重分配更加合理。研究中，通過采用自動氣象站觀測數(shù)據(jù)，提高了氣象數(shù)據(jù)的空間代表性，但由于數(shù)據(jù)年份較少，其氣候代表性稍差，同時，由于土壤取樣分析樣點有限，沒有全面反映區(qū)域的土壤肥力和微量元素含量情況，因此，研究結(jié)果有待更多觀測數(shù)據(jù)的驗證。