連云港市灌南縣葡萄種植氣象災(zāi)害分析和氣候區(qū)劃

任曙霞，郝 玲，董京銘，胡冬莉，魏怡坤

（1連云港市氣象局，江蘇 連云港 222006；2山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271001）

0 引言

連云港市灌南縣位于江蘇省東部沿海南部地區(qū)灌河流域下游，地屬平原。東臨黃海(33°59′—34°27′N，119°07′—119°48′E)，總面積1029.88 km2，下轄11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，225個(gè)行政村，總?cè)丝?7.52萬人。具有季風(fēng)特點(diǎn)的海洋性氣候，溫和濕潤，寒暑相宜，四季分明。冬、夏漫長，氣溫、雨量等要素在時(shí)間和地域分布上不平衡，形成雨熱同季的氣候。由于處于海陸相對(duì)過渡帶，受海陸風(fēng)的影響，具有明顯的不穩(wěn)定性的氣候特征，氣候?yàn)?zāi)害頻發(fā)。葡萄屬暖溫帶植物，在生長發(fā)育期要求足夠多的熱量，葡萄雖然是一種適應(yīng)性強(qiáng)的果樹，但適宜的光照、溫度、水分等生長環(huán)境，會(huì)使葡萄生長旺盛，結(jié)果更多，果實(shí)的口味會(huì)好，農(nóng)民收益好。因此，合理而有效地利用當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y源、尋找適合的小氣候、良好的土壤、選擇園地還需考慮水源的位置，保證旱能灌，澇能排，對(duì)葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。連云港灌南縣作為新興發(fā)展起來的葡萄高標(biāo)準(zhǔn)示范園產(chǎn)區(qū)受到廣泛關(guān)注。據(jù)了解，灌南縣在田樓、張店、堆溝、李集等鄉(xiāng)鎮(zhèn)新建葡萄基地1300 hm2，葡萄的采摘期可延伸到5個(gè)月以上。其中灌南縣田樓鎮(zhèn)“源碩”牌葡萄，具有品牌優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)格控制成穗數(shù)、穗粒數(shù)及穗形，夏黑、陽光玫瑰、紅提等不僅品種優(yōu)質(zhì)，而且具有無公害品牌，產(chǎn)品暢銷上海、浙江、南京、青島等大中城市。葡萄設(shè)施農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，農(nóng)民對(duì)氣象農(nóng)業(yè)區(qū)劃的需求越來越高。連云港市主要?dú)庀鬄?zāi)害暴雨、大風(fēng)、雷暴、高溫、干旱、冰雹、低溫凍害、連陰雨。葡萄設(shè)施生產(chǎn)受氣象條件、氣象災(zāi)害的制約，農(nóng)民不能很好發(fā)揮特色作物的品牌效應(yīng)，做精做強(qiáng)特色農(nóng)產(chǎn)品。如何合理利用天氣和氣候條件，因地制宜、因作物制宜，著眼特色作物在不同生育期對(duì)氣象條件的要求，避免和防止農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，合理配置農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率成為當(dāng)前亟待解決的問題。

許多專家學(xué)者對(duì)特色地區(qū)的特色作物生態(tài)氣候適宜性及其區(qū)劃作了大量研究[1-6]，莫建國等[7]研究了干旱災(zāi)害對(duì)紅心獼猴桃生長發(fā)育的影響。葉麗君等[8]研究紅陽獼猴桃種植的氣候區(qū)劃指標(biāo)時(shí)，僅考慮了≥0℃年活動(dòng)積溫和年平均氣溫2個(gè)指標(biāo)。李紅英等[9]基于GIS研究了中國北方干紅酒用葡萄品種生態(tài)區(qū)劃。

上述研究成果在局地（如地、市）實(shí)際應(yīng)用中指導(dǎo)性較弱。本文研究分析灌南地區(qū)葡萄種植的光、熱、水等氣候條件，數(shù)據(jù)完整，研究連云港灌南適宜葡萄推廣種植的氣候指標(biāo)，層次分析法把復(fù)雜的氣候問題層次化，揭示灌南地區(qū)發(fā)展葡萄生產(chǎn)的氣候適宜度，對(duì)灌南地區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行氣候區(qū)劃，以期為灌南縣葡萄產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 基本資料

連云港灌南縣基本站點(diǎn)信息如表1，氣象資料來自灌南年區(qū)域自動(dòng)氣象站逐日氣溫、降水資料為研究基礎(chǔ)，利用灌南17個(gè)觀測(cè)站站點(diǎn)共30年逐旬、逐月、逐年溫度、降水、日照資料，其中有16個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站，年限2008—2017年；1:25萬的連云港市基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)由國家基礎(chǔ)地理信息中心提供，運(yùn)用GIS將1:25萬等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成高分辨率(100 m×100 m)的數(shù)字地形模型(DEM)。

表1 連云港灌南縣基本站點(diǎn)信息

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 地理信息系統(tǒng)(GIS)信息數(shù)據(jù)和技術(shù) 地理信息系統(tǒng)，是一種非常重要的空間分析系統(tǒng)。由它產(chǎn)生GIS技術(shù)，它包含了處理地理信息的各種功能。

利用ArcGIS技術(shù)，從美國地理信息中心網(wǎng)站提取連云港邊界、高程等數(shù)據(jù)，制作連云港市灌南縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃圖和地理分布圖。數(shù)據(jù)的處理和圖件的制作主要是運(yùn)用Microsoft Excel軟件。

1.2.2 層次分析法 目前在綜合評(píng)價(jià)中確定權(quán)重最廣泛，層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）[10-11]是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。該方法是美國運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。

這種方法的特點(diǎn)是在對(duì)復(fù)雜的決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供簡便的決策方法。尤其適合于對(duì)決策結(jié)果難于直接準(zhǔn)確計(jì)量的場(chǎng)合。通過兩兩比較，從而進(jìn)行一個(gè)層次中重要因素的排列，得到目標(biāo)要素的總順序，即權(quán)重，從而為決策提供確定性的依據(jù)[12]。

運(yùn)用層次分析法有很多優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的一點(diǎn)就是簡單明了。層次分析法不僅適用于存在不確定性和主觀信息的情況，還允許以合乎邏輯的方式運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)、洞察力和直覺。層次能夠認(rèn)真地考慮和衡量指標(biāo)的相對(duì)重要性[13-14]。

在分析過程中，把特色農(nóng)作物適宜性為層次分析的總目標(biāo)。其計(jì)算步驟如下。

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。將有關(guān)的各個(gè)因素分解成若干層次，同一層和分層的諸因素相互作用。

（2）構(gòu)造成對(duì)比較陣。從層次結(jié)構(gòu)模型的第2層開始成對(duì)比較法。

（3）經(jīng)過專家咨詢打分，計(jì)算權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)。對(duì)于每一個(gè)成對(duì)比較陣計(jì)算最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量，做一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)通過，特征向量（歸一化后）即為權(quán)向量：若不通過，需重新構(gòu)造成對(duì)比較陣。

（4）計(jì)算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗(yàn)。即可獲得因子的權(quán)重系數(shù)；并利用一致性和隨機(jī)一致性指標(biāo)作一致性檢驗(yàn)。公式如式(1) ～(2)所示。

式中，Vi為連云港特色作物生長適宜程度，xi*為第i個(gè)因子的初始化值，采用公式(2)進(jìn)行。xi表示各指標(biāo)序列中的每一項(xiàng)，Wi為第i個(gè)因子的權(quán)重。Vi值越大，連云港特色作物不利生長的綜合程度越高，不適宜程度越高；Vi值越小，連云港特色作物不利生長的綜合程度越小，適宜程度越高。

1.3 主要研究對(duì)象

此基礎(chǔ)上，對(duì)連云港市灌南縣的主要特色作物葡萄進(jìn)行生育期分析，為葡萄在連云港市灌南縣是否高品質(zhì)提供氣象保障。主要研究對(duì)象：

（1）對(duì)灌南縣葡萄生長的受影響的氣象因子進(jìn)行篩選及排序；

（2）根據(jù)不同氣象因子進(jìn)行權(quán)重比重，設(shè)定葡萄在灌南的區(qū)劃指標(biāo)；

（3）運(yùn)用GIS對(duì)一縣一品的特色農(nóng)作物進(jìn)行種植區(qū)劃。

對(duì)灌南特色農(nóng)作物葡萄進(jìn)行生育期的分析，確定影響葡萄不同生育期影響的氣象因子（降水量、年平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、極端最低氣溫等氣象要素），提取影響關(guān)鍵生育期主要特色農(nóng)作物生長和發(fā)育的氣象因子。找出主要特色作物不同生育階段的定量災(zāi)害指標(biāo)，為研究主要特色農(nóng)作物生育期適應(yīng)氣象模型研究和高效農(nóng)作物農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃奠定基礎(chǔ)。

在確定影響該特色農(nóng)作物生長的氣象因子和不同生育階段的定量災(zāi)害指標(biāo)在特色作物生長因素所占的比重時(shí)，直接考慮各因子對(duì)該因素的影響程度。找出葡萄生育期關(guān)鍵氣象因子在生育期中的作用，為劃出葡萄氣候區(qū)劃指標(biāo)提供依據(jù)。

根據(jù)連云港市主要特色農(nóng)作物種植技術(shù)報(bào)告，結(jié)合氣象條件，確定關(guān)鍵生育期氣象因子的適宜值。通過層次分析法(AHP)確定各氣象因子對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)形成的貢獻(xiàn)的比重，并進(jìn)行疊加計(jì)算，總排序權(quán)重自上而下地將單準(zhǔn)則下的權(quán)重進(jìn)行合成?；贕IS，按照不同權(quán)重將氣候區(qū)劃因子的疊加，以綜合值為指標(biāo)，將氣候要素內(nèi)插或推算到一定空間分辨率的細(xì)網(wǎng)格點(diǎn)上，在此基礎(chǔ)上建立模糊隸屬度函數(shù)，最后通過加權(quán)，用ArcGIS繪制主要特色農(nóng)作物種植區(qū)適宜性區(qū)劃圖，劃分不同特色作物農(nóng)業(yè)氣候區(qū)。據(jù)此求得連云港市一縣一品的特色農(nóng)作物主產(chǎn)區(qū)、次產(chǎn)區(qū)以及基本不產(chǎn)區(qū)。最終所得到的區(qū)劃結(jié)果，不僅較準(zhǔn)確地反映出目前特色作物實(shí)際的種植區(qū)域分布情況，而且為充分利用氣候資源，優(yōu)化調(diào)整特色農(nóng)作物種植布局，進(jìn)一步發(fā)展連云港特色農(nóng)作物生產(chǎn)提供依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候區(qū)劃指標(biāo)的篩選

葡萄在自然條件生長中主要的因素是氣候和土壤條件。合理利用小氣候和土壤，選擇園地還需考慮水源的位置，保證旱能灌，澇能排。對(duì)葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

2.1.1 葡萄生長的溫度條件 葡萄屬暖溫帶植物，在生長發(fā)育期要求足夠多的熱量，不同成熟期的品種需活動(dòng)積溫在2100 ～3500℃之間。葡萄生長的溫度影響著葡萄生長發(fā)育的全過程，直接決定產(chǎn)量和品質(zhì)。葡萄能否安全越冬主要取決于冬季極端最低氣溫和最冷月平均氣溫。歐亞種群品種的充實(shí)芽眼可忍受短時(shí)間-20 ～-18℃的低溫，充分充實(shí)的1年生枝可忍受短時(shí)間的-22℃的低溫，多年生蔓在-20℃左右即受凍害。葡萄的根系不耐低溫。歐亞種群品種的根系在-4℃時(shí)即受凍害，在-6℃時(shí)經(jīng)2天左右即可凍死。灌南縣冬季平均氣溫2.1℃，最低的一月份平均氣溫0.6℃，極端最低氣溫-14.3℃，出現(xiàn)在1990年2月1日。灌南全年穩(wěn)定通過0℃的積溫5207℃。葡萄生長期最適宜的溫度為20 ～25℃，開花期最適宜氣溫為25 ～30℃，鮮食或制干品種成熟期要求溫度28 ～32℃。灌南縣夏季平均氣溫25.5℃，由此來看灌南的冬季溫度和全年生長條件能滿足葡萄生長需要。但是一些極端高低溫可對(duì)葡萄生長、開花和結(jié)果存在著不利影響。

2.1.2 葡萄生長日照條件 葡萄是喜光植物，灌南年日照時(shí)數(shù)在2454 h，全年日照百分率51%左右。光照條件基本能夠滿足葡萄生長需求。但光照太強(qiáng)時(shí)葡萄發(fā)生日灼病，而日照不足時(shí)，易造成開花期花冠脫落不良，受精率低；花芽分化期花芽分化不良，單性果多；生長期植株徒長，節(jié)間長。

2.1.3 葡萄生長水分條件 葡萄耐旱忌濕，年降水量500 ～800 mm即可滿足其生長需求[15]。灌南地處江蘇北部，屬溫帶季風(fēng)氣候，年降水量883 mm，年度降水分布極不均衡。最大年降雨量1482.7 mm，出現(xiàn)在1974年。最小年降雨量480.9 mm，出現(xiàn)在1988年?？傮w來說，水分供大于求，但年際波動(dòng)大，易旱易澇。從降水的時(shí)間分布看，灌南縣一年中的降水量主要集中在7—8月，占全年總降雨量的49.7%，暴雨次數(shù)占全年的70.1%。雨熱同季，對(duì)葡萄的成熟收獲有利，但夏季強(qiáng)降水等雨水過多，降水集中，地勢(shì)低洼，排水不易通暢等因素，會(huì)影響漿果質(zhì)量，還易發(fā)生病害。

2.1.4 葡萄生長主要?dú)庀鬄?zāi)害引發(fā)病害及其防治 灌南縣基本氣象條件適宜葡萄生長季的熱量條件，但是春霜凍、干旱、濕漬害、連陰雨、大風(fēng)、強(qiáng)降溫、強(qiáng)對(duì)流天氣等不利氣象災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)葡萄生育期間的生長和品質(zhì)起到了關(guān)鍵作用。葡萄生育期間易發(fā)生的氣象災(zāi)害，生育期間災(zāi)害的防治措施如表2。葡萄生育期間主要?dú)庀鬄?zāi)害容易引發(fā)的病害及防控方案如表3。

表2 灌南葡萄生育期主要?dú)庀鬄?zāi)害及防控方案（以生育期為線索）

表3 灌南葡萄生育期主要?dú)庀鬄?zāi)害引發(fā)的病害及防控方案（以主要病害為線索）

2.2 氣候區(qū)劃指標(biāo)的篩選

2.2.1 灌南縣葡萄氣候區(qū)劃適宜指標(biāo)的確定 葡萄生長氣候適宜性，即影響葡萄正常生長發(fā)育和品質(zhì)形成的氣象因子，正常生長與生長季的氣候條件有關(guān)，葡萄品質(zhì)形成取決于成熟期氣象條件。從以上表格獲知，葡萄生長期主要?dú)庀鬄?zāi)害對(duì)不同生長階段的品質(zhì)影響采取的相應(yīng)防護(hù)措施。根據(jù)葡萄生育期主要?dú)庀鬄?zāi)害和氣象災(zāi)害而引發(fā)的病蟲害及防控方案，找出葡萄生育關(guān)鍵期，4月是葡萄果樹萌芽期關(guān)鍵期，日平均氣溫低于10 ～12℃則不能正常生長。期間溫度起伏大，葡萄果樹萌芽易受霜凍；5月葡萄果樹降水量多導(dǎo)致開花遲，花期延長，不利于果樹坐果。8月是葡萄品質(zhì)形成的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)陰雨天多，果實(shí)著色不良，糖少酸多，香味不濃；臺(tái)風(fēng)暴雨易落果。強(qiáng)降水多，易發(fā)生裂果對(duì)漿果發(fā)育和成熟不利。

層次分析方法是將葡萄生長期間可能受到多種氣象災(zāi)害復(fù)雜的問題層次化，能夠綜合分析處理多種氣象災(zāi)害影響因素，為最佳方案的選擇提供依據(jù)。葡萄的高產(chǎn)高品質(zhì)決定最優(yōu)的氣象條件，經(jīng)專家打分，給予不同權(quán)重系數(shù)，得出表4是葡萄的氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)。這些指標(biāo)表征具備葡萄栽培的熱量水分條件：（1）4月葡萄果樹萌芽期平均氣溫(℃)給定值范圍，平均氣溫(℃)表征4月葡萄萌芽期氣溫適宜度。（2）5月葡萄果樹開花期降水量Rm給定值范圍，Rm表征葡萄果樹在開花期的水分適宜度；（3）8月藍(lán)莓果實(shí)成熟期雨量值Rm在給定值范圍。Rm表征藍(lán)莓果樹在夏季果實(shí)成熟期的水分適宜度。經(jīng)專家評(píng)分，確定區(qū)劃指標(biāo)4月平均氣溫(℃)、5月降水量(Rm)、8月降水量(Rm)、權(quán)重系數(shù)分別為0.4、0.4、0.2。把這些指標(biāo)分別分3個(gè)等級(jí)，分別是適宜、次適宜和不適宜，適宜是指葡萄商業(yè)性栽培的氣候生態(tài)條件，表征具備葡萄栽培的充足的熱量和水分資源，不但能夠安全越冬和生長，且能確保有較高較穩(wěn)的產(chǎn)量，栽培商業(yè)價(jià)值明確；次適宜是基于“基本氣候生態(tài)條件”而確定，指熱量水分條件基本能夠安全越冬存活，但不能保證穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。不適宜是指熱量水分條件不能確保安全越冬存活，或能存活但不能保證產(chǎn)量。

表4 連云港市灌南縣葡萄種植氣候區(qū)劃指標(biāo)

2.2.2 灌南縣藍(lán)莓氣候區(qū)劃結(jié)果分析 運(yùn)用ArcGIS，對(duì)區(qū)劃適宜性區(qū)劃指標(biāo)繪制指標(biāo)圖，分別是4月平均氣溫(℃)（圖1），5月降水量R（圖2），8月降水量R（圖3），分別作圖表示，給予不同權(quán)重系數(shù)，進(jìn)行加權(quán)分析、作圖，給不同的區(qū)域賦予不同的顏色，并將適宜、次適宜和不適宜的區(qū)劃圖拼接在一起形成完整的區(qū)劃圖，再迭加縣或區(qū)的行政邊界、經(jīng)緯網(wǎng)，制作圖例等，制作完成灌南縣葡萄種植氣候區(qū)劃圖（圖4），區(qū)劃結(jié)果可精確到100 m×100 m細(xì)網(wǎng)格點(diǎn)上。

圖1 灌南縣2008—2017年4月平均溫度空間分布圖（單位℃）

圖2 灌南縣2008—2017年5月平均降水量空間分布圖（單位mm）

圖3 灌南縣2008—2017年8月平均降水量空間分布圖（單位mm）

圖4 灌南縣葡萄種植適應(yīng)性區(qū)劃等級(jí)圖

區(qū)劃結(jié)果表明，最適宜種植區(qū)：灌南縣葡萄最適宜栽培氣候區(qū)主要包括中北部地區(qū)，主要有張店、北陳集、三口。次適宜區(qū)有孟興莊、湯溝、李集。次適宜種植區(qū)：區(qū)劃結(jié)果分析與評(píng)述表明在張店、北陳集、三口可發(fā)展葡萄特色農(nóng)作物種植產(chǎn)業(yè)。不適宜種植區(qū)：新集部分、新安、花園、百祿等南部和東部地區(qū)不適宜發(fā)展葡萄種植產(chǎn)業(yè)。葡萄每一個(gè)物候期對(duì)光、溫、水等氣候因子要求嚴(yán)格，本區(qū)地勢(shì)較低洼，春季易發(fā)生霜凍，夏季強(qiáng)降水易澇，不宜盲目種植。在適宜區(qū)內(nèi)建立優(yōu)質(zhì)的葡萄種植基地，避免不同生育期的氣象災(zāi)害，在提高產(chǎn)量的同時(shí)，注重產(chǎn)品的品質(zhì)，打造精品，提高經(jīng)濟(jì)效益，增加種植戶的收入。

3 結(jié)論與討論

本研究灌南葡萄是灌南縣主要的特色農(nóng)產(chǎn)品，選取4月平均氣溫(℃)、5月降水量(Rm)、8月降水量(Rm)共3個(gè)氣象因子作為灌南葡萄的氣候適宜區(qū)劃指標(biāo)，運(yùn)用ArcGIS，對(duì)區(qū)劃適宜性區(qū)劃指標(biāo)繪制指標(biāo)圖，分別作圖表示，給予不同權(quán)重系數(shù)，以不同生育期氣象災(zāi)害受損嚴(yán)重原則，將每個(gè)指標(biāo)分為3級(jí)，對(duì)應(yīng)適宜、次適宜、不適宜3個(gè)氣候區(qū)。得出葡萄種植最適宜的區(qū)域是在該縣城中北部為主的地區(qū)?？h城東部靠近大海，風(fēng)速較大，不利于開花授粉，土壤含堿性大，不適宜葡萄種植，不提倡在該區(qū)域推廣種植。南部地勢(shì)低洼，葡萄容易受凍害，強(qiáng)降水易積澇，不利于其體眠期和開花授粉，種植時(shí)應(yīng)選擇背風(fēng)向陽地帶。

本區(qū)劃選取的指標(biāo)涵蓋了葡萄全生育期的熱量、水分、光照、越冬、生殖生長關(guān)鍵期、品質(zhì)形成期的氣候條件，本區(qū)劃指標(biāo)更全面，實(shí)用性高，計(jì)算相對(duì)簡單，且利用GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域特色作物葡萄的種植區(qū)劃，進(jìn)而合理布局該縣農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)、規(guī)避種植風(fēng)險(xiǎn)，可為灌南發(fā)展葡萄產(chǎn)業(yè)提供可靠的氣候依據(jù)。本方法實(shí)際應(yīng)用中指導(dǎo)性較強(qiáng)，也為其他經(jīng)濟(jì)作物發(fā)展的氣候條件提供參考依據(jù)。