基于GIS的達(dá)州香椿氣候生態(tài)適宜性區(qū)劃

張利平 ,覃紹彬 ,伍文玲 ,鐘啟琴 ,王明田

（1.四川省達(dá)州市氣象局，達(dá)州 635000；2.四川省大竹縣氣象局，大竹 635100；3.四川省南充市高坪區(qū)氣象局，南充 637100；4.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066；5.四川省氣象臺(tái)，成都 610072）

引言

香椿又名椿、椿芽、春甜樹、春陽樹等，多年生落葉喬木，屬楝科香椿屬[1]，是優(yōu)良的速生材菜兩用樹種，具有較高的食藥用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。香椿原產(chǎn)于中國，已有2300多年栽培歷史，分布廣泛，分布區(qū)主要位于22°～42°N，100°～125°E；根據(jù)分布區(qū)自然地形可分為華南型、華中型和華北型3種類型[3]。四川省的香椿主要用途為菜用，多分布于四川盆地和盆周山區(qū)。其中，達(dá)州市是四川香椿重要分布區(qū)之一，其境內(nèi)大竹縣被譽(yù)為“中國香椿第一縣”，該地區(qū)香椿栽培面積大、產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)，在達(dá)州特色農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在香椿形態(tài)與分類[4?9]、生理生化[10]、繁殖與栽培[11?13]和綜合利用[14?15]等方面進(jìn)行了大量研究。在氣候生態(tài)方面，徐坤等[16]探討了香椿的光合特性，馬東旭等[10]基于MaxEnt模型分析了中國香椿適生區(qū)主要?dú)庀髼l件，劉芙蓉等[11]分析了西南地區(qū)香椿的潛在地理分布區(qū)及氣候特點(diǎn)；周桂香等[17]、管磊等[18]研究了四川盆地香椿栽培區(qū)劃和生長規(guī)律，楊玉珍等[19]試驗(yàn)分析了香椿等樹種與鳳丹（油用牡丹）間作模式下的田間小氣候特征。

以往并無基于GIS的達(dá)州香椿氣候生態(tài)適宜性分析與區(qū)劃的相關(guān)研究工作，本文以香椿為研究對(duì)象，基于香椿生物學(xué)特性和現(xiàn)代高產(chǎn)栽培技術(shù)要求，結(jié)合達(dá)州實(shí)際，尤其是“大竹香椿”的氣候生態(tài)環(huán)境與生長狀況，在達(dá)州香椿氣候生態(tài)適宜性分析基礎(chǔ)上，選取區(qū)劃指標(biāo)，開展基于GIS的香椿栽培氣候生態(tài)區(qū)劃，可為達(dá)州及相似地區(qū)的香椿生產(chǎn)、特色氣象服務(wù)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

達(dá)州位于四川省東北部，地處大巴山南麓，地跨30.31°～32.34°N，106.66°～108.54°E，海拔高度為222.0～2458.3m（圖1）。達(dá)州地形復(fù)雜、海拔高差大，地勢(shì)東北高（大巴山區(qū)），西南低（盆地丘陵區(qū)），森林覆蓋率為45.27 %；境內(nèi)地貌有平壩、臺(tái)地、淺丘、深丘、低山、中山、山原等7個(gè)類型，山地占幅員面積的70.7 %，丘陵和平壩各占28.1 %、1.2 %。北部山勢(shì)陡峭，為中低山地貌；中南部較為平緩，為平行嶺谷地貌。達(dá)州區(qū)域性氣候類型多樣，山地農(nóng)業(yè)氣候資源十分豐富，

圖1 達(dá)州地形與氣象站點(diǎn)分布

中南部主要為中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，北部主要為北亞熱帶-山地中溫帶的秦巴山地氣候。

達(dá)州是中國香椿分布區(qū)之一，其境內(nèi)大竹縣為香椿主要栽培區(qū)。“大竹香椿”是國家地理標(biāo)志保護(hù)產(chǎn)品，栽培歷史悠久，經(jīng)過多年發(fā)展，目前已在縣域北部建成了以石河-二郎-雙拱等鎮(zhèn)鄉(xiāng)為核心區(qū)的產(chǎn)業(yè)基地，并在石河鎮(zhèn)建有1個(gè)母本園（107.31°E，30.88°N，海拔425m）。全縣主栽品種為紅香椿，露地密植矮化栽培于丘陵臺(tái)地上，栽培面積約7300hm2，2020年，年產(chǎn)鮮活椿芽約6500噸，產(chǎn)值近2億元。

1.2 資料來源

氣象數(shù)據(jù)：達(dá)州及周邊地區(qū)15個(gè)國家氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1991～2020年，氣象站點(diǎn)分布如圖1所示，該數(shù)據(jù)分別來源于四川省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心、重慶市氣象科學(xué)研究所、陜西省漢中市氣象局；文中使用的國內(nèi)主要香椿產(chǎn)區(qū)氣象站點(diǎn)的氣溫、降水量和濕度資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://www.nmic.cn/），如表1所示。

表1 香椿產(chǎn)區(qū)主要?dú)庀髼l件

GIS數(shù)據(jù)：分辨率30m的DEM 高程數(shù)據(jù)來源于地理空間云（http://www.gscloud.cn/），據(jù)此提取經(jīng)緯度、坡度和坡向；1:100萬行政區(qū)劃邊界shp（2017版）和主要河流數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心（http://ngcc.sbsm.gov.cn/ngcc/）。

物候期數(shù)據(jù)：來源于大竹縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局?！按笾裣愦弧蔽锖蚱跒椋好妊科?月上中旬，展葉期3月下旬～4月中旬，花期5月下旬～6月中旬，果實(shí)成熟期10中下旬，落葉期12月下旬，越冬期12月中旬～2月下旬。3月為椿芽主要采收期，一般可收2～3茬。

1.3 研究方法

1.3.1 線性回歸法

運(yùn)用多元回歸法建立熱量氣象指標(biāo)的空間分布數(shù)理模型[20]，即

式中，Yi為第i項(xiàng)熱量氣象指標(biāo)的回歸值，δ、φ、h分別代表經(jīng)度、緯度、海拔高度，ai、bi、ci、di為回歸系數(shù)和常數(shù)。 ω為殘差，采用反距離權(quán)重法插值訂正。

1.3.2 集優(yōu)法

在ArcGIS 10.2空間分析模塊中，首先逐一計(jì)算并繪制香椿各個(gè)區(qū)劃指標(biāo)的空間分布柵格圖，然后按區(qū)劃分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)重新賦值、兩兩相乘進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)最優(yōu)原則，對(duì)計(jì)算結(jié)果再重新賦值、運(yùn)算，直至得到區(qū)劃結(jié)果；最后，疊加行政邊界和主要河流等信息，制作完成生態(tài)氣候適宜性區(qū)劃圖[21?23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候生態(tài)適宜性

2.1.1 熱量

香椿喜溫，廣泛分布于中國熱帶至暖溫帶，在年均氣溫8.0～23.0℃的地區(qū)均可栽培[3]。國內(nèi)香椿主要分布區(qū)的年均氣溫為11.0～24.0℃、最冷月平均氣溫為?7.5～10.0℃，生長期（穩(wěn)定通過10.0℃初終間日數(shù)）在200d以上[24]；西南地區(qū)適宜區(qū)的年均氣溫為11.7～22.8℃[25]。

冬末春初日均氣溫>10.0℃時(shí)，香椿開始萌動(dòng)、展葉，生長適溫為16.0～30.0℃，以20.0～25.0℃為最適宜，>35.0℃停止生長。萌芽約10d后，地徑開始增粗，地徑生長速度與氣溫呈正比，一般7月地徑生長速度最高；當(dāng)日均溫≤10.0℃時(shí)，逐步停止生長，進(jìn)入越冬期。香椿耐低溫，成齡大樹能耐?20.0℃的寒凍，但1年生苗木耐寒性較差，一般≤?10.0℃主干凍死。香椿需要適宜的晝夜溫差，早春若氣溫回升快、空氣濕度70%左右、光照多、晝夜溫差大，則椿芽萌發(fā)早、生長快、品質(zhì)優(yōu)良，反之則發(fā)芽晚，香氣淡。

由國內(nèi)香椿主要產(chǎn)區(qū)的氣象條件（表1）可見，年均氣溫為12.0～20.0℃，1月平均氣溫≥?3.0℃，與前述研究成果基本一致。比較而言，四川大竹年均氣溫適中，最冷月氣溫水平較高，生長期較長，越冬安全，熱量條件十分適宜香椿生長發(fā)育。

大竹2月下旬～4月的候溫變化如圖2所示，大竹3月2候以后的候均溫≥10.0℃，3月平均氣溫為12.4℃、晝夜平均溫差9.0～11.0℃，有利于椿芽萌發(fā)和穩(wěn)健生長。大竹香椿采收標(biāo)準(zhǔn)為芽長10～15cm，據(jù)多年觀測(cè)，頭茬椿芽采收期一般在3月中旬初，最早在2月下旬中，最遲在3月中旬末，要求≥10.0℃有效積溫為60.0～70.0℃·d、候均溫≥12.0℃。4～8月為香椿樹干積極生長期，氣溫、光照和水分等逐月增加有利于椿樹營養(yǎng)積累、開花結(jié)果和芽分化。

圖2 大竹2月下旬～4月逐候氣溫

達(dá)州1月平均最低氣溫為?7.5～5.0℃，海拔1000m以下地區(qū)最低氣溫≥?1.0℃，香椿越冬安全。海拔1000m以上中山區(qū)的極端最低氣溫≤?10.0℃，會(huì)影響1年生幼樹的安全越冬。

達(dá)州香椿生長期長度和積溫與年均氣溫呈線性高度相關(guān)（相關(guān)系數(shù)R>0.96）。根據(jù)公式（1），建立達(dá)州年均氣溫（Ta） 和穩(wěn)定通過10.0℃初日（D10）的空間分布模型，繪制出殘差訂正后的空間分布，如圖3所示。

由圖3可見，達(dá)州年均氣溫為2.8～18.0℃，中部和南部氣溫大都≥14.0℃，北部中高山區(qū)≤10.0℃。穩(wěn)定通過10.0℃日期由南至北呈遞增趨勢(shì)，南部河谷區(qū)最早在3月上旬，北部高山區(qū)最遲在6月下旬。年均氣溫≥16.0℃的中南部地區(qū)入春早，入春后降水和日照基本同步增多，有利于椿芽早發(fā)快長，使其產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)價(jià)值大；年均氣溫≤14.0℃的北部低中山區(qū)則椿芽萌發(fā)遲、產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)效益差。

圖3 達(dá)州年均氣溫（a）和穩(wěn)定通過10.0℃日期（b）空間分布

綜上，選取年均氣溫為香椿熱量區(qū)劃指標(biāo)，結(jié)合氣候帶劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定香椿栽培年均氣溫≥16.0℃為最適宜，14.0～16.0℃為適宜，12.0～14.0℃為次適宜，<12.0℃為不適宜。

2.1.2 水分

香椿喜濕忌澇，水分是影響其分布和椿芽品質(zhì)的重要生態(tài)因子。中國年降水量500～2000mm的地區(qū)香椿均可正常生長，西南地區(qū)適宜區(qū)的年降水量為752～1490mm[24?17]，國內(nèi)產(chǎn)區(qū)最濕月降水量約為100～300mm（見表1）。晴好天氣為主且空氣相對(duì)濕度（RH）約70 %時(shí)，椿芽香味濃、品質(zhì)較優(yōu)；陰雨天氣為主且RH >90 %時(shí)，香椿發(fā)芽遲緩、香味淡[18]。大竹的年降水量為1240mm，最濕月降水量約200mm，降水條件適宜，但RH略偏高（>80 %），不利于香椿品質(zhì)提高。

達(dá)州各地年均降水量約1100～1300mm，標(biāo)準(zhǔn)差200mm左右；最濕月7月平均降水量約175～200mm；年平均RH為73%～84%，3～4月RH為65%～79%，北部山區(qū)RH低于南部丘陵壩區(qū)，出產(chǎn)的椿芽品質(zhì)略優(yōu)?？梢?，達(dá)州香椿水分條件總體是十分適宜的。

2.1.3 光照

香椿為陽性樹種，喜光但忌強(qiáng)光，年日照1000h以上可滿足生長需要，光照充足有利于增加椿芽產(chǎn)量、提高其品質(zhì)和風(fēng)味。

達(dá)州年日照時(shí)數(shù)約1137～1400h，其中3月為80～100h、4～9月各月為110～210h，北部略多于南部，且隨海拔升高略有增多，滿足香椿對(duì)光照的需要。

2.1.4 立地條件

立地條件是指影響森林形成與生長發(fā)育的各種自然環(huán)境因子的綜合，主要由地形、土壤、水文、生物和人為活動(dòng)等環(huán)境因子組合而成。

中國香椿多為栽培樹種，主要分布在海拔1500m以下的山地和平原地區(qū)，最高海拔1800m[3]；西南地區(qū)香椿廣泛分布在海拔200～2900m之間[4]，分布的植被類型主要為針闊混交林、闊葉林、人工純林和農(nóng)田防護(hù)林，大多生長在山谷、密林、山坡、村旁路邊向陽處。據(jù)調(diào)查，達(dá)州北部是香椿自然分布區(qū)，栽培區(qū)主要分布于海拔800m以下的低山丘陵區(qū)，集中分布于中南部海拔500m以下的低山丘陵區(qū)，海拔800～1200m低中山區(qū)有零星分布。調(diào)查結(jié)果與上述研究結(jié)果基本一致。綜合上述分析，確定達(dá)州香椿分布海拔的最適宜區(qū)為500m以下，適宜區(qū)為500～800m，次適宜區(qū)為800～1200m，海拔1200m以上為不適宜區(qū)。

據(jù)調(diào)查，香椿栽培大多集中在坡度 <35 °的坡臺(tái)地上，其中坡度 <25 °的淺丘平壩區(qū)立地條件較優(yōu)、管理和采收方便；坡度 >45 °的山區(qū)立地條件差、管理和采收難度大，不適宜規(guī)模栽培。不同坡向?qū)ο愦婚L勢(shì)有一定影響，南向坡優(yōu)于東西坡向，北坡向相對(duì)較差。因此以地形坡度坡向?yàn)橹笜?biāo)，確定坡度 <25 °、南坡向?yàn)樽钸m宜，坡度25～35 °、東西坡向?yàn)檫m宜，坡度35～45 °、北坡向?yàn)榇芜m宜，>45 °為不適宜。

香椿為深根性植物，根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)土壤要求不嚴(yán)格，天然林多分布在石灰?guī)r和白云巖山地[9]。從栽培區(qū)來看，一般酸性土、中性土、鈣質(zhì)土、微堿性土壤都能生長，在疏松、深厚、肥沃的粘壤土及壤土上生長迅速，pH值5.6～8.6均生長良好[12]，在河湖沖積形成的中性或微堿性土壤上生長更好。達(dá)州土壤類型主要有水稻土類、沖積土類、紫色土類、黃壤土類、黃棕壤土類等類別，pH值5.0～7.0，礦物質(zhì)養(yǎng)分豐富、肥力較高，除水稻土類（稻田）外，其余土類均適宜香椿栽培。

地下水位過高會(huì)影響香椿根系正常生長，且易發(fā)生根腐病，因此在選址和栽培過程中，應(yīng)注意與水體保持一定的安全距離和相對(duì)高度，將地下水位控制在2m以下為宜。

2.1.5 主要?dú)庀鬄?zāi)害

達(dá)州春季主要?dú)庀鬄?zāi)害是倒春寒和春旱，但對(duì)香椿各有利弊，其余季節(jié)的氣象災(zāi)害一般不會(huì)影響香椿的正常生長發(fā)育。

達(dá)州倒春寒多發(fā)生在3月上中旬的椿芽頭茬萌發(fā)采收至二茬生長期內(nèi)。由于春季氣溫升高，倒春寒發(fā)生后的日均氣溫多≥5.0℃、極端最低氣溫多≥0.0℃，加上椿芽抗寒能力和萌發(fā)能力強(qiáng)，一般對(duì)其產(chǎn)量和品質(zhì)影響不大，僅個(gè)別極端低溫年份會(huì)導(dǎo)致冷凍災(zāi)害、延遲采收期，對(duì)椿芽產(chǎn)量和品質(zhì)有一定不利影響。

達(dá)州春旱以一般性春旱為主，中等強(qiáng)度以上春旱極少。春旱期間氣溫偏高、日照偏多、空氣濕度偏小，椿芽萌發(fā)采收期偏早且偏長、產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)，總體對(duì)香椿有利。

2.2 生態(tài)氣候區(qū)劃

2.2.1 區(qū)劃指標(biāo)與分級(jí)

綜上分析，影響達(dá)州香椿栽培的氣候因子主要為熱量條件，地形和土壤等立地條件也是影響其栽培的重要生態(tài)因子，氣溫與海拔高度相關(guān)性密切（R=0.96)，但同時(shí)還受經(jīng)緯度、坡向等因子影響。因此以年均氣溫、海拔高度和地形坡度、坡向?yàn)閰^(qū)劃指標(biāo)，如表2所示。

根據(jù)表2中的區(qū)劃指標(biāo)，在ArcGIS10.2中，首先對(duì)各區(qū)劃因子進(jìn)行重新賦值；然后將坡度、坡向、海拔高度兩兩相乘，對(duì)相乘結(jié)果重新賦值，0、1、2、3不變，4賦值為2，6、9賦值為3，再與年氣溫相乘后重新賦值，1、2賦值為1，3、4賦值2，6、9賦值為3，0賦值為4，得到區(qū)劃結(jié)果；最后迭加行政邊界、河流等信息，繪制出達(dá)州香椿生態(tài)氣候區(qū)劃（圖4）；統(tǒng)計(jì)的各適宜區(qū)面積見表2。

圖4 達(dá)州香椿生態(tài)氣候區(qū)劃

表2 達(dá)州香椿栽培生態(tài)氣候區(qū)劃指標(biāo)

2.2.2 分區(qū)簡(jiǎn)述

（1）最適宜區(qū)：集中分布于中南部的大竹、渠縣、達(dá)川、通川、開江和宣漢南部海拔高度≤500m的中淺丘平壩河谷區(qū)，約占幅員面積的31.9 %。此區(qū)屬中亞熱帶氣候，年氣溫≥16.0℃、香椿生長期≥240d，冬暖春早，栽培立地條件優(yōu)，椿芽產(chǎn)量高、質(zhì)量?jī)?yōu)，是香椿產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)。

（2）適宜區(qū)：分散分布于通川西部、宣漢中南部、萬源南部和南部平行嶺谷區(qū)海拔高度為500～800m的低山高丘區(qū)，約占幅員面積的26.8 %。此區(qū)屬北亞熱帶向山地暖溫帶的過渡帶，年均氣溫為14.0～16.0℃、香椿生長期約220～240d，冬冷春略早，栽培立地條件良好，椿芽產(chǎn)量較高、質(zhì)量較優(yōu)，是香椿適度發(fā)展區(qū)。

（3）次適宜區(qū)：主要分布于北部宣漢、萬源海拔高度為800～1200m的半山區(qū)，約占幅員面積的26.2 %。此區(qū)屬山地暖溫帶，年均氣溫為12.0～14.0℃，香椿生長期約200～220d，冬寒春遲，栽培立地條件較差，椿芽產(chǎn)量較低，應(yīng)作為限制發(fā)展區(qū)，不鼓勵(lì)發(fā)展。

（4）不適宜區(qū)：主要分布于北部海拔高度≥1200m的中高山區(qū)，約占幅員面積的15.1 %。此區(qū)主要屬山地中溫帶、山地寒溫帶，年均氣溫≤12.0℃，生長期不足200d，熱量條件較差，極端最低氣溫較低，難以安全越冬，不適宜香椿生長，為生態(tài)分布區(qū)。

經(jīng)實(shí)地考察，區(qū)劃結(jié)果與香椿實(shí)際分布情況基本一致。

3 結(jié)論與討論

本文利用達(dá)州及其周邊15個(gè)氣象站資料和國內(nèi)香椿產(chǎn)區(qū)氣象資料、GIS資料和物候期資料，從熱量、水分、光照、立地條件和氣象災(zāi)害五個(gè)方面分析了達(dá)州香椿氣候生態(tài)適宜性，根據(jù)分析結(jié)果選取年平均氣溫、海拔高度、地形坡度坡向作為氣候生態(tài)區(qū)劃指標(biāo)，建立氣候因子空間模型，運(yùn)用集優(yōu)法開展達(dá)州香椿栽培生態(tài)氣候區(qū)劃研究，得出如下結(jié)論：

（1）達(dá)州是香椿生態(tài)氣候適宜區(qū)，栽培適宜區(qū)面積接近100萬hm2，目前已栽培面積約1%，發(fā)展?jié)摿薮?。影響達(dá)州香椿栽培分布的主要因子是年均氣溫和地形條件，影響香椿上市時(shí)間和產(chǎn)量的主要?dú)庀髼l件是冬末春初的氣溫水平和積溫變化情況，一般頭茬椿芽采收要求≥10.0℃有效積溫約60～70℃·d。

（2）達(dá)州香椿栽培最適宜分布區(qū)在中南部海拔高度500m以下、年均氣溫≥16℃的中亞熱帶中淺丘平壩河谷區(qū)，面積占比約31.9 %；適宜區(qū)主要分布在海拔高度500～800m、年均氣溫14.0～16.0℃的北亞熱帶向山地暖溫帶過渡的低山深丘區(qū)，面積占比約26.8 %；次適宜區(qū)主要分布在北部海拔高度800～1200m、年均氣溫12.0～14.0℃的山地暖溫帶半山區(qū)，面積占比約26.2 %；海拔高度≥1200m的北部中山區(qū)熱量條件差、生長期短，幼樹越冬不安全，為不適宜或不適生區(qū)，面積占比約15.1 %。

（3）達(dá)州南部的大竹、渠縣、達(dá)川和開江中南部平行嶺谷區(qū)熱量豐富、立地條件總體較優(yōu)，入春早、氣溫光照水分匹配良好，應(yīng)作為香椿規(guī)模生產(chǎn)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)；中南部的達(dá)川北部、通川、宣漢南部和開江西北部等低山高丘區(qū)熱量較優(yōu)、氣溫光照水分匹配總體良好，但立地條件一般、入春偏遲，可作為香椿適度規(guī)模發(fā)展區(qū)；北部山區(qū)立地條件差、熱量不足、入春遲、香椿產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)效益欠佳，不宜鼓勵(lì)發(fā)展香椿產(chǎn)業(yè)。