西藏地區(qū)耕地種植紫花苜蓿的氣候適宜性區(qū)劃

楊文才,梁軍燕,曲廣鵬，王敬龍

(1.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院草業(yè)科學(xué)研究所,西藏 拉薩 850000;2.省部共建青稞和牦牛種質(zhì)資源與遺傳改良國家重點實驗室，西藏 拉薩 850000;3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

牧草區(qū)劃是我國農(nóng)業(yè)區(qū)劃中的重要組成部分之一，種植適宜當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件的牧草，科學(xué)建立不同類型的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)人工草地，可以提高草地牧業(yè)的生產(chǎn)力，增加當(dāng)?shù)亟?jīng)濟效益和社會效益[1].紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是我國大面積種植的多年生牧草之一，產(chǎn)草量高，有“牧草之王”之稱[2-3].紫花苜蓿的營養(yǎng)價值高、適口性好[4]，刈割年限可達5 a左右，甚至更長，生長較迅速，有肥田增產(chǎn)、保持水土等作用[5-6]，并且被廣泛地用于栽培草地建設(shè)和改善環(huán)境.紫花苜蓿喜溫暖和半濕潤半干旱的氣候，在我國的分布范圍比較廣，并且種植歷史相對悠久[7].

氣候的熱量條件是植物生命活動的基礎(chǔ)和能量來源，氣候的水分條件是植物生理活動的源泉和構(gòu)成植物的基本成分[1].十一屆三中全會以來，在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部畜牧獸醫(yī)局的領(lǐng)導(dǎo)下，按照自然生態(tài)條件、水、熱、土、光、牧草生物學(xué)特性及利用方式等原則，首次提出我國《栽培牧草區(qū)域規(guī)劃》，對全國種草起到了顯著的指導(dǎo)作用[8].《中國多年生栽培草種區(qū)劃》中我國苜蓿種植區(qū)大體劃分為6個區(qū)，西藏屬于青藏高原苜蓿種植區(qū)，適宜種植的苜蓿品種有草原3號雜花苜蓿(MedicagovariaMartyn cv.‘Caoyuan no.3’)、甘農(nóng)1號雜花苜蓿(MedicagovariaMartyn cv.‘Gannong no.1’)和黃花苜蓿(MedicagofalcataL.)等[8].美國根據(jù)苜蓿的秋眠性指導(dǎo)苜蓿的種植區(qū)劃，以華氏溫度為計量單位，劃分了10個植物抗寒性氣候區(qū)，并根據(jù)苜蓿的秋眠性指標(biāo)確定了每個區(qū)適宜種植的苜蓿品種[9].這些研究對紫花苜蓿的種植區(qū)劃劃分起到了重要的指導(dǎo)作用.

近年來，針對紫花苜蓿在全國范圍內(nèi)以及我國干旱半干旱地區(qū)的適宜性區(qū)劃研究較多[10-13]，但針對西藏高原地區(qū)的研究較少.近年來，西藏地區(qū)人工種草呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，全區(qū)出現(xiàn)集中連片的千畝、萬畝人工草地[14]，紫花苜蓿種植面積也逐步擴大，已有多個紫花苜蓿新品種在西藏地區(qū)引種試種成功[15-17].2011年西藏地區(qū)紫花苜蓿留茬面積達8.85×103km2[1]，其對于全區(qū)實現(xiàn)糧改飼、調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、增加農(nóng)牧民收入和增加飼草供給都有重要的現(xiàn)實意義.隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展、氣候的變化以及紫花苜蓿新品種的大量引入，紫花苜蓿在我國的種植區(qū)域發(fā)生了較大變化.原有的紫花苜蓿種植區(qū)劃是對我國原有的紫花苜蓿品種和傳統(tǒng)紫花苜蓿種植區(qū)域的總結(jié)，已經(jīng)不能適應(yīng)新的發(fā)展形勢[10].本文基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)技術(shù)，選取 ≥0 ℃年積溫、年均溫度、年降水量和濕潤度[18]4個指標(biāo)對在西藏地區(qū)耕地種植紫花苜蓿的氣候適宜性區(qū)劃進行研究，為西藏地區(qū)充分利用土地資源和氣候資源，合理布局紫花苜蓿生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

西藏自治區(qū)位于青藏高原西南部，地處N 26°50′～36°53′，E 78°25′～99°06′之間.地勢由西北向東南傾斜，地形復(fù)雜多樣，包括高山、高原、河谷和湖盆等.西藏高原是我國太陽輻射最強的地區(qū)，日照充足，日照時數(shù)由藏東南向藏西北逐漸增多.氣候西北嚴(yán)寒干燥，東南溫暖濕潤.西藏地區(qū)平均氣溫為-2.8～11.9 ℃，溫差較大，氣溫低，積溫少，無霜期短.西藏降水量為74.8～901.5 mm之間，降水量東多西少，南多北少，地區(qū)分布極不平衡，由東南向西北減少[19].年降水主要集中在6～9月，夏秋雨熱同季.西藏的植被從東南向西北依次有森林、草甸、草原和荒漠.土壤主要以高山草原土、高山草甸土、高山寒漠土和亞高山草甸土為主，占全區(qū)總土壤類型面積的79.87%.西藏耕地主要分布在雅魯藏布江中游及其支流的河谷地區(qū)，藏東南局部河谷(圖1).農(nóng)作物主要有青稞(HordeumvulgareL var.nudum Hook.f.)、小麥(TriticumaestivumL.)、豌豆(PisumsativumL.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)和油菜(BrassicachinensisL.)等.耕地土壤主要是由山地灌叢草原土、潮土、亞高山草原土和亞高山草甸土等開墾而來[20].

1.2 研究方法

1.2.1 指標(biāo)選取及權(quán)重計算 在研究了氣象因素對紫花苜蓿生長的影響，并借鑒前人的研究結(jié)果[9-11]以及經(jīng)過多位專家多次討論的基礎(chǔ)上，最終選擇年均溫度、年降水量、≥0 ℃年積溫和濕潤度4個指標(biāo)對紫花苜蓿在西藏耕地的氣候適宜性區(qū)劃進行分析研究，并對指標(biāo)間的重要性采用層次分析法、構(gòu)造判斷矩陣計算相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重[21].濕潤度(K)采用任繼周和胡自治提出綜合順序分類模型，用全年降水量(r)和≥0 ℃年積溫(∑θ)之比表示[18].

圖1 研究區(qū)及氣象站點分布Figure 1 Study area and distribution of meteorological stations

(1)

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)處理 選用西藏自治區(qū)及其周邊38個氣象站的1971～2010年的氣溫和降水量數(shù)據(jù)(圖1).氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/).本研究將每日的氣溫和降水量求和后計算該地區(qū)年均溫度、年降水量、≥0 ℃年積溫和濕潤度，并在Arc Map平臺上進行空間插值[22].插值方法參考前人的研究，積溫和濕潤度采用反距離插值[23]，年均溫度和年降水量采用普通克里格插值[24].

1.2.3 評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn) 為了客觀反映紫花苜蓿的氣候適宜性區(qū)劃，通過查閱文獻，在借鑒前人研究[10-11]的基礎(chǔ)上，征詢多位專家及基層工作者意見后，對所用指標(biāo)進行分級，并采用四分法進行分值量化.即評分越高，說明該項指標(biāo)上作物的適宜性越好，當(dāng)某項指標(biāo)的測定結(jié)果恰好為分級標(biāo)準(zhǔn)中的界限值時，根據(jù)風(fēng)險最小的原則，則應(yīng)該將該項指標(biāo)上氣候適宜性的得分定為較低的分值，按照分值區(qū)間的平均值來計算.分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 紫花苜蓿適宜性指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2.4 氣候適宜性綜合評價指數(shù) 按照表1的紫花苜蓿適宜性指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)進行打分，將所選的4個指標(biāo)所得分數(shù)作為該具體指標(biāo)的數(shù)量評價Ri，然后將所得到的各指標(biāo)權(quán)重Wi進行加權(quán)綜合，即：

(2)

式中：Hi為氣候適宜性綜合評價指數(shù).

氣候適宜性綜合評價指數(shù)分為4級，分級標(biāo)準(zhǔn)見表2.

表2 氣候適宜性綜合指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 權(quán)重計算及分析

2.1.1 構(gòu)造判斷矩陣 判斷矩陣中所用的標(biāo)度值是依據(jù)Saaty提出的1～9及其倒數(shù)作為衡量尺度的標(biāo)度方法進行填寫的[25].根據(jù)專家打分，分別計算得出紫花苜蓿的綜合氣候區(qū)劃4個指標(biāo)因子之間的矩陣，如表3所示.

表3 紫花苜蓿4種氣候適宜性指標(biāo)間的判斷矩陣

2.1.2 權(quán)重計算及分析 1)判斷矩陣中每一行元素的乘積Mi：M1=45，M2= 1，M3= 1，M4=1/45；2)Mi的n次方根分別為：2.590，1，1，0.386；3)特征向量Wi為：W=[0.521，0.201，0.201，0.078]T；4)計算最大特征值λmax：(AW)1=2.114，(AW)2=0.808，(AW)3=0.808，(AW)4=0.316，λmax=4.043；5)判斷矩陣的一致性檢驗.

A：計算一致性指標(biāo)CI：CI= (λmax-n)/n=0.015；B：參考平均隨機一致性指標(biāo)表[24]可知，n為4的判斷矩陣，應(yīng)有的平均隨機一致性指標(biāo)值為RI=0.89；C：計算隨機一致性比率CR：CR=CI/RI=0.016.

由此可知，該判斷矩陣的CR<0.1，通過一致性檢驗.所以，年均溫度、年降水量、≥0 ℃年積溫、濕潤度這4個指標(biāo)的權(quán)重分別為：0.201，0.201，0.521，0.078.在4個氣候適宜性指標(biāo)中，≥0 ℃年積溫對紫花苜蓿的生長最重要，年降水量和年均溫度次之，濕潤度的重要性較小.

2.2 氣候指標(biāo)的空間分布

對西藏自治區(qū)及其周邊38個氣象站的1971～2010年的平均氣象數(shù)據(jù)進行空間插值，得到4個氣候指標(biāo)的空間分布格局.西藏的年積溫中部低，藏東南和藏西北高(圖2-A)；年降水量由東南向西北逐漸減少(圖2-B)；年平均氣溫呈現(xiàn)出東南高西北低的格局(圖2-C)；濕潤度西北干燥，藏南局部和那曲東部潮濕，藏東南濕潤(圖2-D).

圖2 4種氣候指標(biāo)的空間分布Figure 2 Spatial distribution of four climatic indices

2.3 紫花苜蓿氣候單因素適宜性指標(biāo)分級

按照表1的指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)在Arc Map軟件中對4種紫花苜蓿的氣候適宜性指標(biāo)進行重分類，并繪制相應(yīng)指標(biāo)的適宜性分級圖.年積溫大于2 300 ℃的區(qū)域，主要分布在西藏藏東和藏南，適宜紫花苜蓿生長，其它區(qū)域由于年積溫過低，不適宜種植紫花苜蓿(圖3-A).年降水量小于300 mm的區(qū)域主要分布在藏西北，該區(qū)域干旱少雨，不適宜種植紫花苜蓿.藏東南年降水量達500 mm以上，很適宜種植紫花苜蓿.西藏中部年降水量略少于藏東南，在有灌溉條件的區(qū)域可以種植，不少地方是西藏傳統(tǒng)的農(nóng)區(qū)，適宜種植紫花苜蓿(圖3-B).年均溫大于5 ℃的區(qū)域主要在藏東南，種植紫花苜蓿的適宜性高.西藏中部和南部年均溫度在2～5 ℃之間，基本適宜紫花苜蓿.藏西北年均溫度低，適宜性次之.藏北年均溫度小于-2 ℃，不適宜種植紫花苜蓿(圖3-C).西藏中部和東南部氣候濕潤，種植紫花苜蓿的適宜高.藏西和藏南氣候微潤，適宜紫花苜蓿.藏西氣候微干的區(qū)域適宜性次之.藏西氣候干旱和極干的區(qū)域不適宜紫花苜蓿(圖3-D).

圖3 紫花苜蓿4種氣候適宜性指標(biāo)空間分布Figure 3 Spatial distribution of four climatic suitability indices of Alfalfa

2.4 紫花苜蓿的氣候適宜性區(qū)劃

在Arc Map軟件中按照4種氣候適宜性指標(biāo)的權(quán)重計算紫花苜蓿的氣候適宜性綜合指數(shù)，然后按照表2的分級標(biāo)準(zhǔn)對紫花苜蓿的氣候適宜性綜合指數(shù)進行重分類，并與2018年西藏自治區(qū)的耕地數(shù)據(jù)疊加，獲取紫花苜蓿在西藏耕地中的種植適宜性區(qū)劃.具體結(jié)果見圖4和表4.

從圖4可以看出，紫花苜蓿在西藏耕地中的高適宜區(qū)較少，在昌都市和林芝市有少量分布；適宜區(qū)主要分布在昌都市、林芝市、山南市、拉薩市和日喀則市，次適宜區(qū)主要分布在那曲市東部和昌都市西北部.不適宜區(qū)主要分布在日喀則的部分區(qū)域.對西藏地區(qū)耕地種植紫花苜蓿各適宜區(qū)進行統(tǒng)計，見表4.高適宜區(qū)的面積僅為69.131 km2；適宜區(qū)的面積為6 227.211 km2，占耕地面積的81.58%，各地市適宜面積大小依次是昌都市>林芝市>山南市>拉薩市>日喀則市，其中昌都市的適宜面積最大，為2 009.964 km2，林芝市次之，為1 232.488 km2；次適宜區(qū)的面積為382.057 km2；不適宜區(qū)的面積為954.580 km2，占耕地面積的12.51%，其中日喀則市不適宜的面積最大，為618.294 km2.

圖4 紫花苜蓿在西藏耕地中的種植適宜性區(qū)劃Figure 4 Suitable regionalization of Alfalfa cultivated in farmland in Tibet

表4 紫花苜蓿適宜性區(qū)劃面積

3 討論

苜蓿的生長和發(fā)育與環(huán)境有密切關(guān)系，氣候和土壤因素是決定苜蓿分布范圍和生長發(fā)育的最主要因素[26].蘇加楷認為影響苜蓿分布的主要氣候因素是氣溫和降水[27].儲少林[10]和高菲[9]等則認為年積溫和年降水量是影響紫花苜蓿分布的重要因素.本文與上述研究結(jié)果一致.溫度在高寒或低溫地區(qū)是限制作物生命活動的最主要因子，水分在干旱地區(qū)的作用要大于溫度[28].相對于日照和濕潤度等氣候要素，在西藏地區(qū)對于紫花苜蓿來說，年積溫和年降水量對其適宜性影響要大很多，且西藏的日照時數(shù)普遍充足，對紫花苜蓿的氣候適宜性沒有明顯的限制作用.

作物種植適宜區(qū)具有相對性.對于高適宜區(qū)，自然條件都很適宜，作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，投資省、經(jīng)濟效益高.對于適宜區(qū)，作物生態(tài)條件存在少量缺陷，但人為采取某些措施后容易彌補，作物生長與產(chǎn)量較好.對于次適宜區(qū)，作物生態(tài)條件有較大缺陷，產(chǎn)量不夠穩(wěn)定，或者投資較大、產(chǎn)量低，但綜合經(jīng)濟效益還是有利.對于不適宜區(qū)，自然條件有很大缺陷，技術(shù)措施難以改造，經(jīng)濟上或生態(tài)上得不償失[29].本文也是基于這樣的觀點，把西藏地區(qū)耕地種植紫花苜蓿的氣候適宜性劃分了高適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū).

西藏從1974年引進紫花苜蓿，最早在拉薩、日喀則等地試種，表現(xiàn)良好，以后逐步在拉薩各縣、日喀則部分縣、山南部分縣、昌都部分地區(qū)開始種植和推廣[8].20世紀(jì)90年代末，在林芝引種了雜花苜蓿、黃花苜蓿、雜花苜蓿，經(jīng)過2 a的觀察與測定，3種苜蓿均適宜于林芝氣候條件，紫花苜蓿表現(xiàn)最佳[16].在西藏“一江兩河”地區(qū)，主要包括拉薩、日喀則、山南3個地市，水熱條件充裕、光照強、土壤肥沃，經(jīng)過多年的引種試驗，已有多個紫花苜蓿品種能夠越冬且能完成生長發(fā)育和結(jié)實[31].徐麗君[30]建立了基于自然要素的生態(tài)適宜性模型，進行中國苜蓿屬植物的適宜性區(qū)劃，分為適宜、次適宜和不適宜，其在研究中指出青藏高原適宜區(qū)比較少，西藏地區(qū)主要零星分布在日喀則市、拉薩市、山南市、林芝市和昌都市，一些縣存在連片的適宜區(qū).本文建立了紫花苜蓿的氣候適宜性綜合指數(shù)模型，將適宜等級圖與耕地數(shù)據(jù)進行疊加，得到紫花苜蓿在西藏地區(qū)耕地的種植適宜性區(qū)劃，適宜區(qū)主要分布在昌都市、林芝市、山南市、拉薩市和日喀則市，得到的結(jié)果與其基本一致.萬帆認為研究作物適宜種植區(qū)，將適宜等級與土地利用數(shù)據(jù)疊加很重要，可以去除不適宜的土地類型，將研究結(jié)果限制在合理的土地利用類型，避免土地利用沖突[24].

4 結(jié)論

紫花苜蓿的適宜性分布受氣候影響很大，≥0℃年積溫對紫花苜蓿的生長最重要，年降水量和年均溫次之，濕潤度的重要性較小，因此在西藏種植紫花苜蓿要重視溫度和年降水量.

在西藏地區(qū)耕地種植紫花苜蓿的高適宜區(qū)很少，適宜區(qū)主要分布在拉薩市、昌都市、日喀則市、林芝市和山南市.適宜種植紫花苜蓿的耕地要充分利用耕地資源和氣候資源，在保證糧食安全的前提下可以調(diào)整一部分耕地種植紫花苜蓿，建立人工飼草生產(chǎn)基地.