基于氣候適宜度的南方柑橘種植精細(xì)化氣候區(qū)劃

劉 聰 李凱偉 張繼權(quán)* 楊月婷 魏思成 王春乙

1)(東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 長春 130117) 2)(中國氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)

引 言

柑橘原產(chǎn)于我國云貴高原，是一種既有較高經(jīng)濟(jì)和社會效益的作物，又有較高營養(yǎng)價(jià)值的健康食品[1]。柑橘種植業(yè)是部分農(nóng)村地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，主要從罐頭加工、果汁生產(chǎn)及貿(mào)易出口等方面為我國帶來巨大收益，同時也在農(nóng)民脫貧致富和移民安置中起不可或缺的作用[2]。然而，第3次氣候變化國家評估報(bào)告指出：全球氣候變化以氣候變暖為主要特征，導(dǎo)致熱量資源增多，出現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣候帶發(fā)生偏移、作物生長季延長等現(xiàn)象[3-5]，對農(nóng)業(yè)種植制度、作物布局產(chǎn)生重要影響[6-8]。由于我國部分地區(qū)常忽視氣候條件的適宜性而盲目擴(kuò)大種植面積，導(dǎo)致柑橘常遭受高溫?zé)岷?、低溫凍害影響，產(chǎn)量減少、經(jīng)濟(jì)效益降低[9]。因此，開展氣候適宜性區(qū)劃為柑橘的科學(xué)種植及合理布局提供參考。

目前，關(guān)于柑橘氣候適宜性區(qū)劃已有一定研究。趙彤[2]利用生長特點(diǎn)和實(shí)際種植情況，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，選取日照、氣溫、總輻射及相對濕度4個指標(biāo)進(jìn)行疊加分析，對重慶市甜橙和寬皮柑橘進(jìn)行氣候區(qū)劃。蔣亞平等[10]選取年日照時數(shù)、歷史極端最低氣溫值等區(qū)劃指標(biāo)，基于GIS技術(shù)提出廣西崇左寬皮柑橘種植適宜性區(qū)劃方法。王寶等[11]根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，選取上、下限溫度作為區(qū)劃指標(biāo)并采用精細(xì)化小網(wǎng)格氣候資源分析方法，分析云南玉溪市柑橘種植區(qū)的氣候適宜性。上述研究多集中于某一發(fā)育期，但對全生育期研究較為有限，區(qū)劃結(jié)果不夠精細(xì)，并且研究區(qū)多為柑橘的小范圍種植區(qū)，不具有宏觀意義[12-16]。近年，基于氣候適宜度的經(jīng)濟(jì)作物精細(xì)化氣候區(qū)劃的應(yīng)用范圍越來越廣泛，主要側(cè)重于番茄、棉花等作物，但涉及柑橘的研究較少[12-15]。本研究旨在利用綜合適宜度評價(jià)模型探究1960—2019年氣候變化對柑橘種植氣候適宜性的影響，并進(jìn)行種植區(qū)劃，為適應(yīng)氣候變化提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

依據(jù)我國柑橘實(shí)際種植情況，選擇四川、重慶、湖北、安徽、江蘇、浙江、云南、貴州、湖南、江西、廣西、廣東、福建作為研究區(qū)[17]，面積約為4.74×106km2，地形地貌復(fù)雜多樣，主要地形有長江中下游平原、云貴高原、四川盆地等，屬亞熱帶氣候，氣溫較高，且南季風(fēng)帶來的降水豐沛，雨熱同期，雨季持續(xù)時間長。年平均氣溫為13～20℃，年降水量為800～2000 mm，年日照時數(shù)為1000～2000 h[17]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國的柑橘總產(chǎn)量達(dá)到4.58×107t，而研究區(qū)的柑橘產(chǎn)量約占該年全國總產(chǎn)量的98.3%[18]，是我國柑橘的主產(chǎn)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)為1960—2019年研究區(qū)內(nèi)361個氣象站(圖1)逐日溫度、年降水量和日照時數(shù)等，源于國家氣象信息中心。地理信息數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/Default.aspx)提供的行政邊界、DEM高程等。

圖1 研究區(qū)氣象站分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in target area

1.3 研究方法

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)處理

Anusplin是一種基于樣條插值理論的針對氣候曲面擬合的專用軟件，可引入多個影響因子進(jìn)行氣象要素空間插值[19]，利用其對1960—2019年柑橘生長季的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間內(nèi)插，得到分辨率為1 km×1 km的氣象因子數(shù)據(jù)集。

1.3.2 適宜度模型的建立

根據(jù)文獻(xiàn)[1,12,17,20]的研究，將南方柑橘劃分為6個發(fā)育期(表1)。溫度、降水量和日照時數(shù)是決定柑橘能否正常生長發(fā)育的必要條件，為定量分析研究區(qū)氣候條件對柑橘種植適宜度的影響，結(jié)合相關(guān)研究[21-22]并引入各發(fā)育期溫度、降水、日照適宜度模型對柑橘種植適宜性進(jìn)行定量分析。

1.3.2.1 溫度適宜度函數(shù)

適宜的溫度是影響柑橘生長發(fā)育的主要因素之一。趙彤[2]研究表明，最適宜柑橘生長的溫度范圍為16～23℃。溫度過低或過高都會使得果實(shí)的品質(zhì)受到影響，溫度過高會降低開花與坐果率，溫度過低則會使其正常生長的平衡性遭到破壞[23-24]。參考文獻(xiàn)[17]，溫度適宜度的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式(1)中F(t)為某發(fā)育期的溫度適宜度，t為平均溫度(單位：℃)，tl，th和t0分別為下限、上限和適宜溫度(單位：℃)，結(jié)合有關(guān)研究成果[1,12,17,20]確定柑橘各發(fā)育期時間和三基點(diǎn)溫度(表1)。

表1 南方柑橘種植區(qū)各發(fā)育期時間和溫度指標(biāo)[1,12,17,20]Table 1 Growth stages and temperature indexes in southern citrus growing area(from Reference [1,12,17,20])

1.3.2.2 降水適宜度函數(shù)

柑橘喜濕，水分含量過低會使柑橘生長緩慢，土壤水分含量過多又會造成柑橘根系受損、產(chǎn)量減少[25]。降水適宜度函數(shù)[12,26-28]如下：

(3)

ETc=Kc×ET0。

(4)

式(3)中，F(xiàn)(r)為某發(fā)育期的水分適宜度，r和ETc分別為柑橘該發(fā)育期降水量和需水量(單位：mm)，l為柑橘發(fā)育期降水量與需水量的比值(l=0.9和1.2 分別為旱與正常、澇與正常的分界線[12])，Kc為柑橘作物系數(shù)(表1)，ET0為作物參考蒸散量(單位：mm·d-1)，采用國際糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith方法計(jì)算。

1.3.2.3 日照適宜度函數(shù)

光照是否充足對果樹的葉片薄厚、果實(shí)大小及含酸量有直接影響，與柑橘產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)[29]。在柑橘生長發(fā)育期間，充足的光照可使花朵和果實(shí)更加強(qiáng)韌，提高開花與坐果率[30]，研究表明[31]，當(dāng)日照時數(shù)達(dá)到可日照時數(shù)的55%及以上時，作物達(dá)到對光照反應(yīng)的適宜狀態(tài)，因此采用下式計(jì)算日照適宜度：

(5)

式(5)中，F(xiàn)(s)為柑橘某發(fā)育期日照適宜度，s為日照時數(shù)(單位：h)，L0為可日照時數(shù)(單位：h)，計(jì)算方法參照下式：

(6)

式(6)中，Φ為地理緯度，δ為赤緯，γ為蒙氣差，a為時角。

1.3.2.4 柑橘生長季溫度、降水、日照適宜度函數(shù)

在柑橘各發(fā)育期溫度、降水、日照適宜度函數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算柑橘6個發(fā)育期各氣象要素適宜度的平均值即為柑橘生長季溫度、降水、日照適宜度函數(shù)(式(7)),利用自然斷點(diǎn)法對3種要素適宜度的空間分布格局進(jìn)行探究。

(7)

式(7)中，F(xiàn)(x)為柑橘生長季的某單一要素適宜度，F(xiàn)(xi)為柑橘第i個發(fā)育期的某單一要素適宜度。

1.3.2.5 綜合適宜度函數(shù)

柑橘能否正常生長發(fā)育與氣候條件關(guān)系密切，單一的氣候因子可能有利于果實(shí)生長，但2個因子甚至多個因子的聯(lián)合可能會產(chǎn)生拮抗作用。為探究溫度、降水和日照時數(shù)對氣候適宜度的共同影響，構(gòu)建綜合適宜度模型：

(8)

F={F1,F2,…,F6},

(9)

Fc=min(F)。

(10)

其中，F(xiàn)i，F(xiàn)(ti)，F(xiàn)(ri)，F(xiàn)(si)分別為柑橘第i個發(fā)育期的綜合、溫度、降水以及日照適宜度，F(xiàn)為各發(fā)育期綜合適宜度的集合，柑橘生長季的綜合適宜度(Fc)為F的最小值。

1.3.3 氣候區(qū)劃結(jié)果驗(yàn)證

近年由于極端天氣的增多，南方柑橘耐熱性及耐凍性降低，高溫?zé)岷偷蜏貎龊︻l發(fā)，是否發(fā)生氣象災(zāi)害是評價(jià)氣候適宜度高低的必要條件之一[32-34]。因此，對柑橘高溫?zé)岷偷蜏貎龊Φ母怕始翱臻g分布特征進(jìn)行探究，驗(yàn)證氣候區(qū)劃結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3.3.1 高溫?zé)岷Ω怕?/p>

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)歷次災(zāi)害實(shí)地調(diào)查及文獻(xiàn)[35]，依據(jù)極端最高氣溫Tc及持續(xù)時間劃分柑橘成災(zāi)等級指標(biāo)(表2)，并在統(tǒng)計(jì)不同等級高溫?zé)岷Πl(fā)生頻次的基礎(chǔ)上計(jì)算高溫?zé)岷Ω怕省?/p>

表2 高溫?zé)岷Φ燃墑澐諿35]Table 2 Classification of high temperature heat damage(from Reference [35])

1.3.3.2 低溫凍害概率

由于越冬期間經(jīng)常出現(xiàn)氣溫較低的同時伴隨持續(xù)降水的現(xiàn)象，導(dǎo)致柑橘凍害的產(chǎn)生。根據(jù)有關(guān)研究[34]，選取越冬期(12月—次年2月)極端最低氣溫Td(單位：℃)、越冬期最長持續(xù)降水日數(shù)Dr(單位：d)、越冬期日最低氣溫不高于-1.5℃最長持續(xù)日數(shù)Dc(單位：d)作為氣象因子。不同氣象因子導(dǎo)致柑橘凍害程度存在差異，將各氣象因子進(jìn)行分級(表3)，并構(gòu)建多元線性回歸模型，計(jì)算柑橘凍害指數(shù)(式(11))。

I=a1f(x1)+a2f(x2)+a3f(x3)。

(11)

式(11)中，I為凍害指數(shù)；f(x1)，f(x2)，f(x3)為Td，Dr，Dc所處級別對應(yīng)的級數(shù)；a1,a2,a3為Td，Dr，Dc的影響系數(shù)。

表3 氣象因子級別劃分[36]Table 3 Classification of meteorological factors(from Reference [36])

本文將a1,a2,a3總和記為10，結(jié)合典型凍害年份實(shí)況及相關(guān)研究[36]將Td，Dr，Dc分別取值為6，1，3，最后依據(jù)凍害指數(shù)，采用特爾菲分級法對凍害等級進(jìn)行劃分(表4)。

表4 低溫凍害等級劃分Table 4 Classification of low temperature freezing damage

2 結(jié)果分析

2.1 研究區(qū)氣候資源分布

研究區(qū)日照、降水及熱量資源精細(xì)化插值結(jié)果如圖2所示：日照時數(shù)由四周向中心遞減，范圍為959.75～2648.19 h；年降水量及大于等于10℃積溫均由東南向西北遞減，二者范圍分別為219.00～2658.47 mm，0～8854.94 ℃·d。研究區(qū)的大部分區(qū)域可滿足柑橘正常生長發(fā)育所需的氣候資源條件。

2.2 溫度適宜度空間分布

圖3表明溫度適宜度的范圍為0～1。除四川西部外，大部分地區(qū)溫度適宜度較高。四川西部多為高原和山區(qū)，海拔多在4000 m以上，以寒溫帶氣候?yàn)橹?，不適宜柑橘的種植?？傮w而言，前、后30年溫度適宜度的空間分布格局并未發(fā)生明顯變化。

2.3 降水適宜度空間分布

降水適宜度如圖4所示，其范圍為0.30～0.82。降水高適宜區(qū)集中在四川省北部、湖北省局部地區(qū)。低適宜區(qū)較為分散，主要分布在福建、廣東、廣西的大部分區(qū)域以及江西、湖南、四川、云南等地的部分區(qū)域。從年際變化看，后30年適宜度高值區(qū)的面積減小約11%，其中安徽和江蘇變化顯著，高值區(qū)基本消失。低值區(qū)的面積擴(kuò)大約42%，主要為廣西、江西的北部地區(qū)，其原因可能是氣候變化導(dǎo)致降水異常，適宜度降低[6,37]。

圖2 1960—2019年柑橘研究區(qū)日照、 降水及熱量資源分布Fig.2 Distribution of light， precipitation and heat resources for citrus in target area from 1960 to 2019

圖3 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究區(qū)溫度適宜度空間分布Fig.3 Distribution of temperature suitability for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

圖4 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究區(qū)降水適宜度空間分布Fig.4 Distribution of rainfall suitability for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

2.4 日照適宜度空間分布

由日照適宜度(圖5)看，其范圍為0.44～0.94。適宜度較高的地區(qū)主要分布在四川西部、湖北、安徽、江蘇大部分地區(qū)，適宜度較低的地區(qū)主要分布在四川東部、貴州省的大部分地區(qū)。由于日照時數(shù)較低，柑橘制造有機(jī)養(yǎng)分不足，花朵和果實(shí)容易脫落，日照適宜性較差[38]。與前30年的區(qū)劃結(jié)果相比，后30年適宜度高值區(qū)的面積擴(kuò)大約16%，集中在四川海拔較高的區(qū)域。低值區(qū)的面積減小約22%，主要在云南省的西部。發(fā)生改變的原因可能為全球變暖使高緯度地區(qū)熱量資源改善，潛在發(fā)育期延長[5]。

圖5 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究區(qū)日照適宜度空間分布Fig.5 Distribution of sunshine suitability for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

2.5 氣候區(qū)劃結(jié)果

依據(jù)生長季綜合適宜度，使用自然斷點(diǎn)法將南方柑橘種植適宜性分為4個等級：不適宜(0

最適宜區(qū)為四川東部、云南南部、廣西、湖北和重慶大部分區(qū)域，多為亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量為1300～1500 mm，年日照時數(shù)為1200～2000 h。熱量充足、光照適宜、雨量充沛。

圖6 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究區(qū)氣候區(qū)劃Fig.6 Climatic division for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

適宜及次適宜區(qū)主要集中在研究區(qū)中部，如貴州、湖南、江西的大部分區(qū)域，年降水量高于1500 mm，年日照時數(shù)為1200～1780 h。陰雨時數(shù)多，光照資源不夠豐富，是該區(qū)適宜度略低的原因。

不適宜區(qū)分布在研究區(qū)的西北和東北部。西北部地區(qū)的氣候條件為寒冷、冬長、基本無夏、日照充足，雖然光照資源較為豐富，但降水量較低。東北部地區(qū)不滿足柑橘正常生長發(fā)育的熱量條件，適宜度較低。自1990年以來，最適宜種植區(qū)面積減小約29%。不適宜種植區(qū)面積擴(kuò)大約34%。氣候變化使得喜溫作物種植界限北移，改變了柑橘種植結(jié)構(gòu)和品種布局[9]。

2.6 區(qū)劃結(jié)果驗(yàn)證

柑橘研究區(qū)高溫?zé)岷Ω怕史植硷@示：1990年以來，部分地區(qū)的高溫?zé)岷Ω怕视猩叩内厔?，如廣西東部、廣東北部以及江西、浙江、福建部分地區(qū)。對比圖6與圖7可知，高溫?zé)岷Ω怕噬叩膮^(qū)域與氣候適宜度降低的區(qū)域基本吻合，證明氣候區(qū)劃結(jié)果的準(zhǔn)確性。發(fā)生這種變化的根本原因是氣候變暖使過去60年的年平均氣溫上升，而年降水量和年日照時數(shù)卻有所下降[39]。

圖7 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究區(qū)高溫?zé)岷Ω怕史植糉ig.7 Probability distribution of high temperature heat damage for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

由圖8可以看到，柑橘凍害高發(fā)區(qū)分布在研究區(qū)北部，如四川西部，江蘇大部分區(qū)域；凍害低發(fā)區(qū)集中在研究區(qū)南部，如云南、廣西、廣東省的大部分區(qū)域，在湖北以及重慶也略有分布。凍害概率分布格局與氣候區(qū)劃結(jié)果具有較高關(guān)聯(lián)性。

圖8 1960—2019年柑橘研究區(qū)凍害概率分布Fig.8 Probability distribution of freezing injury for citrus in target area during 1960-2019

3 結(jié)論與討論

本文基于氣候適宜度函數(shù)對南方柑橘種植區(qū)展開精細(xì)化氣候區(qū)劃，利用研究區(qū)1960—2019年高溫?zé)岷暗蜏貎龊Ω怕史植紝υu價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1) 研究區(qū)溫度、降水、日照適宜度具有明顯的空間異質(zhì)性。溫度適宜度呈由西向東遞增趨勢,研究區(qū)降水適宜度呈由北向南遞減的趨勢,日照適宜度呈東高西低的空間分布特征。

2) 利用自然斷點(diǎn)法將柑橘種植適宜性分為4個等級：不適宜(0

3) 驗(yàn)證結(jié)果顯示：氣候區(qū)劃結(jié)果與南方柑橘種植分布相符合，且與高溫?zé)岷?、低溫凍害概率的關(guān)聯(lián)性較高。

本研究表明：重慶西北部地區(qū)為柑橘種植的最適宜栽培地區(qū)。而魏興萍[40]則認(rèn)為重慶市西南部地區(qū)是柑橘的最適宜栽培地區(qū)。產(chǎn)生差異的原因可能是后者只選取溫度氣象因子對重慶市柑橘種植區(qū)進(jìn)行劃分，而本文構(gòu)建了溫度、降水、日照三者的綜合適宜度模型對研究區(qū)進(jìn)行氣候區(qū)劃，反映不同氣象因子對氣候適宜度的影響。譚宗琨等[41]研究顯示：廣西北部氣候適宜度略低，與本研究的氣候區(qū)劃結(jié)果相符，但其基于物候期對果實(shí)品質(zhì)形成影響的差異性，賦予相應(yīng)時段氣候要素影響權(quán)重進(jìn)行分區(qū)評述。因此，今后的研究應(yīng)考慮不同發(fā)育期對氣候適宜性的影響。

由于不同柑橘品種及立地條件對氣候適宜性的響應(yīng)存在差異，本文缺少相關(guān)的差異性分析。目前該方面的研究較為少見，多為依據(jù)果實(shí)品質(zhì)對種植區(qū)進(jìn)行區(qū)劃[41]。忽略這種差異會影響種植規(guī)劃的實(shí)用性。因此，以后的研究將充分考慮這2個因素對柑橘氣候適宜性的影響，提高研究成果的應(yīng)用價(jià)值。此外，全球氣候變化背景下作物氣候適宜性區(qū)劃研究越來越受到人們關(guān)注[39]，氣候變化是導(dǎo)致作物種植結(jié)構(gòu)、生理性狀及產(chǎn)量發(fā)生改變的原因，應(yīng)多結(jié)合未來氣候變化情景數(shù)據(jù)對柑橘進(jìn)行氣候區(qū)劃的研究，以便為南方柑橘種植和生產(chǎn)投入提供科學(xué)依據(jù)。