基于GIS的岑鞏縣線辣椒氣候適宜性區(qū)劃

蔣松林， 馬洪燕， 盛升旺， 龍凌云

(1.岑鞏縣氣象局， 貴州 岑鞏 522626； 2.鎮(zhèn)遠(yuǎn)縣氣象局， 貴州 鎮(zhèn)遠(yuǎn) 522625)

0 引言

【研究意義】辣椒為一年生或有限多年生草本植物，原產(chǎn)于墨西哥，明朝末年流入中國(guó)[1]。因辣椒果實(shí)的果皮含辣椒素而有辣味，能增進(jìn)食欲，成為人們喜食的蔬菜之一。隨著高效農(nóng)業(yè)的推進(jìn)，辣椒產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，辣椒已成為主要經(jīng)濟(jì)作物和重要經(jīng)濟(jì)來(lái)源之一。為了優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展特色農(nóng)業(yè)，岑鞏縣將辣椒種植作為農(nóng)民增收的主要渠道之一，且引種“玉夢(mèng)二號(hào)”線辣椒，形成了較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)基地。影響線辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵是氣象條件和氣候環(huán)境，因此開(kāi)展岑鞏地區(qū)線辣椒適宜氣候區(qū)劃研究對(duì)推動(dòng)線辣椒產(chǎn)業(yè)以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】辣椒是喜溫作物，溫度、光照、降水是影響辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵氣象因子，氣溫是影響辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素；光照是影響辣椒品質(zhì)的關(guān)鍵因素，辣椒生長(zhǎng)發(fā)育階段的適宜溫度為25～30℃，溫度低于15℃其生長(zhǎng)發(fā)育受阻，溫度高于35℃會(huì)因花器發(fā)育不全或柱頭干枯不能受精而落花[2]，果實(shí)發(fā)育和轉(zhuǎn)色需要溫度高于25℃[3]。【研究切入點(diǎn)】岑鞏立體氣候特征明顯，區(qū)域氣候差異較大，生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)有的氣象觀測(cè)站點(diǎn)資料不能完全反映岑鞏的氣候分布特點(diǎn)，以往的研究選取多為國(guó)家氣象觀測(cè)站資料，不能較好反映當(dāng)?shù)貧夂蚍植继攸c(diǎn)，這在一定程度上影響了地方辣椒生產(chǎn)布局，進(jìn)而影響辣椒產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】運(yùn)用區(qū)域自動(dòng)氣象觀測(cè)站資料對(duì)無(wú)氣象觀測(cè)的區(qū)域進(jìn)行時(shí)空分布分析，以反映當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)。采集岑鞏縣11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域自動(dòng)站及岑鞏縣國(guó)家氣象觀測(cè)站2016—2020年的氣象資料，結(jié)合線辣椒生長(zhǎng)發(fā)育不同時(shí)期所需的溫度、水分、光照等關(guān)鍵氣象要素，利用ArcGIS軟件進(jìn)行樣條函數(shù)插值得出岑鞏縣降雨及日照的時(shí)空分布，對(duì)線辣椒種植氣候適宜性進(jìn)行擬合分析，以獲得岑鞏線辣椒種植的氣候適宜區(qū)劃，為發(fā)展該縣線辣椒種植提供可靠依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 岑鞏縣地形地貌與氣候概況

岑鞏縣位于云貴高原向湘西過(guò)渡的斜坡地帶，地勢(shì)自西北向東南逐漸降低傾斜，可劃分為山地、丘陵、盆地3種類型；海拔330～1 359.9 m，大部分地區(qū)在400～700 m(圖1)；年平均氣溫為16.4℃，平均降雨量為1 138.2 mm，氣候溫和，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。轄區(qū)共11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，海拔最低點(diǎn)位于水尾鎮(zhèn)馬公塘，最高點(diǎn)位于凱本鎮(zhèn)小頂山。

1.2 資料來(lái)源

1.2.1 氣象資料 地面氣象觀測(cè)資料為岑鞏縣區(qū)域自動(dòng)氣象站和國(guó)家氣象觀測(cè)站2016—2020年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣象要素的逐日觀測(cè)資料，均來(lái)源于貴州省氣象資料查詢系統(tǒng)。

1.2.2 地理信息 基于GIS獲取的岑鞏縣1︰100萬(wàn)行政邊界數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)，岑鞏縣SRTMDEMUTM 90 M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云。

1.3 方法

1.3.1 區(qū)劃指標(biāo)地理模型 岑鞏縣地形復(fù)雜多樣，立體氣候明顯，區(qū)域氣候差異大?，F(xiàn)有的氣象觀測(cè)站點(diǎn)資料不能完全反映岑鞏的氣候分布特點(diǎn)，因此，需要對(duì)無(wú)氣象觀測(cè)的區(qū)域進(jìn)行時(shí)空分布規(guī)律分析。目前，在插值方法上，通常用反距離加權(quán)插值法(DW)、普通克里格插值法和樣條函數(shù)插值法。在復(fù)雜的山地環(huán)境下，樣條函數(shù)插值法對(duì)溫度、降水和相對(duì)濕度的插值精度最優(yōu)，特別是溫度和降水優(yōu)于其他2種插值方法[4]。故采用樣條函數(shù)插值法對(duì)岑鞏縣溫度、降水進(jìn)行時(shí)空分布規(guī)律分析。

1.3.2 適宜度模型

1) 溫度。根據(jù)馬樹(shù)慶[5]的研究結(jié)果，即作物適宜度由作物生長(zhǎng)發(fā)育的下限溫度、上限溫度和最適溫度共同決定，擬定溫度適宜度模型公式如下：

(1)

(2)

式中，S(t)為溫度適宜度；B為中間參數(shù)；T為平均氣溫，T1、T2和T0分別為辣椒育苗所需的下限溫度、上限溫度和最適溫度，當(dāng)T≤T1或T≥T2時(shí)，S(t)=0，當(dāng)T=T0時(shí)，S(t)=1。

2) 降水。根據(jù)宋迎波等[6]的研究結(jié)果，擬定降水適宜度模型公式如下：

(3)

式中，S(p)為降水適宜度，P為區(qū)域某時(shí)段平均降水量(mm)，R為線辣椒生長(zhǎng)適宜降水量。

3) 氣候。辣椒苗期與生長(zhǎng)期對(duì)光照的需求較弱，掛果到熟收期需求較強(qiáng)，但岑鞏日照觀測(cè)站點(diǎn)稀少，故不建立光照適宜度模型。氣候適宜度模型綜合考慮溫度、降水要素對(duì)辣椒不同生育期的影響，采用幾何平均方法，建立辣椒氣候適宜度模型，公式如下：

(4)

式中，S(t,p)為氣候適宜度，S(t)為溫度適宜度，S(p)為降水適宜度。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒種植氣候適宜性指標(biāo)

線辣椒的主要生育期分為定植期、生長(zhǎng)期、開(kāi)花掛果期、熟收期。由表1可見(jiàn)，辣椒種植的適溫范圍比較廣，且在不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期對(duì)溫度的要求不同，定植期適宜溫度為15～28℃，溫度低于15℃或高于28℃對(duì)辣椒生長(zhǎng)發(fā)育不利，甚至導(dǎo)致其停止生長(zhǎng)；適宜降水量為80～120 mm。生長(zhǎng)到開(kāi)花掛果期適宜溫度為18～30℃，適宜降水量為290～380 mm。開(kāi)花掛果到熟收期是影響辣椒品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期，適宜溫度為20～32℃，適宜降水量為290～350 mm，適宜日照時(shí)數(shù)>320 h。

表1 岑鞏線辣椒的氣候適宜性指標(biāo)

2.2 辣椒生長(zhǎng)發(fā)育期氣候適宜性

2.2.1 定植期 4月下旬至5月上旬是岑鞏縣線辣椒定植時(shí)期，此期若溫度過(guò)高苗易失水萎蔫死亡，太低不利于其生長(zhǎng)。同時(shí)，線辣椒移栽后根據(jù)降水適當(dāng)控制水分，植株生長(zhǎng)需水量也隨之增加，但田間持水量也不宜太高，否則不利地下部根系伸展發(fā)育，并導(dǎo)致地上部枝葉徒長(zhǎng)。

從圖2a可知，定植期岑鞏縣的平均氣溫為16.5～20.2℃，且呈從中部、北部向東部、南部遞增趨勢(shì)。岑鞏縣的氣溫均能滿足線辣椒定植期的生長(zhǎng)發(fā)育需要，溫度最適宜區(qū)主要分布在岑鞏縣東部和西南部。從降水分布(圖2b)看出，定植期岑鞏縣降水最少的區(qū)域主要分布在縣西北部位，次降水少區(qū)分布在縣中部區(qū)域，降水充沛區(qū)域分布在縣東北面。根據(jù)線辣椒獲得較高產(chǎn)量對(duì)應(yīng)苗期土壤的水分下限為(田間持水量)50%～55%[7-8]的標(biāo)準(zhǔn)判斷定植期除縣西北部和中部外，其余地區(qū)水分條件均能滿足線辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的需求。

從氣候適宜度(圖2c)可知，岑鞏縣線辣椒定植期間氣候適宜度在0.1～0.8，最低值在縣西北部，結(jié)合圖2a和圖2b得出，氣候最適宜地區(qū)的溫度和降水配合較好，次適宜地區(qū)的降水偏少或溫度偏低，不適宜地區(qū)的降水與溫度均偏低。

2.2.2 生長(zhǎng)到開(kāi)花掛果期 5—6月是岑鞏線辣椒生長(zhǎng)到開(kāi)花掛果期，5月是線辣椒生長(zhǎng)期，6月上旬到中旬是線辣椒始花期，6月下旬線辣椒掛果。

從圖3a可知，岑鞏縣5—6月上旬平均溫度為20.6～23.8℃，平均氣溫分布呈從中部、北部向東部、南部遞增趨勢(shì)。故生長(zhǎng)到開(kāi)花掛果期間，線辣椒生長(zhǎng)發(fā)育溫度最適宜區(qū)主要分布在縣東部和西南部。從圖3b看出，生長(zhǎng)到開(kāi)花掛果期岑鞏縣的降水比較充沛，降水量在267.6～399.2 mm。為縮短定植后緩苗時(shí)間，加速生長(zhǎng)發(fā)育，需要充足的水分供給，降水量在290～380 mm比較適宜。同時(shí)，理論上線辣椒獲得最大產(chǎn)量的適宜上限和下限田間持水量分別為83.4%和55.4%[9]。由此表明，岑鞏縣水分條件能較好滿足線辣椒生長(zhǎng)到開(kāi)花掛果的需要。

從氣候適宜度(圖3c)可知，岑鞏線辣椒生長(zhǎng)到開(kāi)花掛果期氣候適宜度在0.82～1，岑鞏的氣候條件均能較好滿足線辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的需要。

2.2.3 開(kāi)花掛果到熟收期 7—8月氣候條件是影響辣椒產(chǎn)量與品質(zhì)的關(guān)鍵，溫度、降水、日照合適才能獲得較高品質(zhì)和產(chǎn)量的線辣椒。

由圖4可知，岑鞏縣2016—2020年7—8月累計(jì)日照時(shí)數(shù)均在350 h以上，光照資源充足，有利于促進(jìn)線辣椒的轉(zhuǎn)色，由此獲得優(yōu)質(zhì)的線辣椒。開(kāi)花掛果到熟收期溫度是影響辣椒產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，此期最適宜溫度為26℃；果實(shí)膨大的適宜溫度為23～28℃，高于35℃果實(shí)易受灼燒，造成落花落果，低于20℃辣椒的膨大速度易受到抑制；果實(shí)加速轉(zhuǎn)色的適宜溫度為25～30℃，溫度過(guò)低將使果實(shí)轉(zhuǎn)色過(guò)慢，成熟期延長(zhǎng)。從圖5a可知，岑鞏縣7—8月平均溫度為24.6～28.1℃，呈從西北向東南遞增趨勢(shì)，岑鞏線辣椒的溫度適宜度較高，有利于線辣椒品質(zhì)的形成。線辣椒植株掛果后營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛，對(duì)溫度、濕度仍然敏感，溫度適宜時(shí)田間土壤持水率達(dá)70%，才能促進(jìn)開(kāi)花和提高結(jié)果率，獲得高產(chǎn)。7—8月高溫燥熱使作物的蒸騰和土壤水分的蒸發(fā)率過(guò)大，導(dǎo)致土壤持水率降低。從圖5b可知，岑鞏縣除東北部及南部少數(shù)地區(qū)外，其余地區(qū)的降水均不能滿足線辣椒此期生長(zhǎng)發(fā)育的水分需求，需要適時(shí)灌溉補(bǔ)水保持土壤濕度。

結(jié)合氣候適宜度(圖5c)得知，岑鞏縣線辣椒開(kāi)花掛果到熟收期氣候適宜度在0.59～1，最適宜地區(qū)位于東北部及南部少數(shù)地區(qū)。

3 討論

氣候適宜性指標(biāo)是氣候適宜性區(qū)劃的關(guān)鍵。辣椒屬于中光性作物，苗期對(duì)于短日照具有良好的適應(yīng)，生長(zhǎng)后期表現(xiàn)出光中性，掛果期長(zhǎng)光照對(duì)辣椒也無(wú)抑制作用[10]，而光照充足，辣椒轉(zhuǎn)紅快，色澤鮮艷，品質(zhì)較高；光照不足，色澤暗淡，品質(zhì)較低，表明岑鞏縣東北部和南部少數(shù)地區(qū)線辣椒的定植期到熟收期氣候適宜度均在0.8以上，區(qū)域氣候條件能較好滿足線辣椒生長(zhǎng)發(fā)育全階段的需要；線辣椒生長(zhǎng)到開(kāi)花掛果期岑鞏縣氣候適宜度在0.82～1，岑鞏縣所有區(qū)域氣候條件均能較好滿足線辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的需要，與陳芳等[11-13]結(jié)果一致。

關(guān)于辣椒關(guān)鍵氣象因子的氣候區(qū)劃指標(biāo)目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)劃結(jié)果具有差異性，且在辣椒生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中除受到氣候條件的影響外，還受到下墊面土壤類型、肥料等影響，因此建立氣候與品種、土壤等類型相結(jié)合的適宜度模型，其評(píng)價(jià)效果更客觀，更具有科學(xué)指導(dǎo)性。同時(shí)，由于線辣椒適宜性指標(biāo)和氣候適宜性區(qū)劃使用的時(shí)間研究尺度為較長(zhǎng)的月尺度，其結(jié)果具有一定的局限性，未能較好考慮短時(shí)災(zāi)害性天氣對(duì)線辣椒產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。因此，進(jìn)行線辣椒氣象災(zāi)害性指標(biāo)的研究也尤為重要。

4 結(jié)論

光照、溫度、降水等氣象因子優(yōu)質(zhì)配合才能獲得產(chǎn)量和品質(zhì)較高的線辣椒。岑鞏線辣椒種植最適宜的區(qū)域主要位于東北部和南部少數(shù)地區(qū)；其余地區(qū)溫度在各時(shí)期均能滿足線辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的需要，但在開(kāi)花掛果到熟收期關(guān)鍵時(shí)期大部分地區(qū)降水不能較好滿足線辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的需求，需要適當(dāng)?shù)墓喔妊a(bǔ)水，保持土壤濕度，以提高線辣椒的產(chǎn)量和品質(zhì)。