基于GIS的越西甜櫻桃氣候適宜性分布研究

謝東志,胥欣誠

(1.四川省越西縣氣象局,四川 越西 616650,2.成都信息工程大學(xué),成都 610225)

甜櫻桃,又名車?yán)遄?品種屬于歐洲櫻桃。我國的山東、遼寧、河南、湖北、四川等地已有甜櫻桃果樹的引種,形成了多品種的中國大櫻桃,甜櫻桃是我國早春上市最早的水果之一,號(hào)稱“早春第一果”,具有皮薄汁多,肉厚味甜的特點(diǎn),深受當(dāng)代年輕人喜歡,是最近很火的網(wǎng)紅水果。越西種植甜櫻桃歷史較長,據(jù)越西縣東方農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,自從2003年引進(jìn)到2020年已經(jīng)發(fā)展種植到25個(gè)自然村,年產(chǎn)量超過10000t,因越西甜櫻桃成熟期早,同一品種比省內(nèi)甜櫻桃主產(chǎn)區(qū)早10～15d,比北方甜櫻桃主產(chǎn)區(qū)早25～30d,并且越西的甜櫻桃肉厚汁多,味道甘美,在西博會(huì)上榮獲“最受歡迎展品獎(jiǎng)”和“特色農(nóng)業(yè)展覽最暢銷產(chǎn)品獎(jiǎng)”。隨著鄉(xiāng)村振興的號(hào)角正式吹響,為進(jìn)一步提升越西縣甜櫻桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)撃?為鄉(xiāng)村振興提供堅(jiān)實(shí)后盾,防止越西縣甜櫻桃產(chǎn)業(yè)無序化,零散化發(fā)展,因此,開展越西縣甜櫻桃氣候適宜性區(qū)劃很有必要,它能有效利用越西縣的氣候優(yōu)勢(shì)資源,有益于甜櫻桃的科學(xué)種植,提升品質(zhì),打造良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈,對(duì)農(nóng)戶增收也有重要意義。

目前,學(xué)術(shù)上關(guān)于甜櫻桃的研究主要還是集中在甜櫻桃的種植管理技術(shù),彭榮元等[1]提出大櫻桃品種和栽培技術(shù)的方法,注意防水排澇以及防范氣象災(zāi)害,主要是冰雹等。曾黎瓊等[2]發(fā)現(xiàn)不同品種的甜櫻桃生物學(xué)特性、產(chǎn)量、果實(shí)品質(zhì)有所差異,此外甜櫻桃的研究是以北方產(chǎn)區(qū)為主[3-5],例如山東、陜西等地,四川包括汶川、漢源甜櫻桃的主要產(chǎn)區(qū)都未針對(duì)甜櫻桃進(jìn)行氣候適宜性研究。

甜櫻桃的種植與生態(tài)環(huán)境和氣象因素有很大聯(lián)系。劉慶泰等[3]對(duì)山東等地的甜櫻桃種植進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),甜櫻桃抗寒力較弱,喜溫暖而潤濕的氣候,適宜在年平均氣溫13～14℃的地方栽培。與年平均溫度,以及3～4月的低溫4～10月的日照時(shí)數(shù)和年降水量還有地形都有緊密的聯(lián)系。影響其產(chǎn)量的主要因素是溫度和降水量。周洲[6]則發(fā)現(xiàn)甜櫻桃裂果與降水量關(guān)系不大,主要影響裂果的因素是空氣濕度。而氣候適宜性區(qū)劃在四川主要集中在水稻、玉米等糧食作物上,涼山等地區(qū)對(duì)秋蕎以及塊菌進(jìn)行了氣候適宜性區(qū)劃,沒有專門針對(duì)甜櫻桃進(jìn)行區(qū)劃分析。

本文結(jié)合越西縣氣象局以及14個(gè)國家區(qū)域氣象觀測(cè)站資料,綜合分析氣溫、降水量以及日照等指標(biāo),采取層次分析法(APH)對(duì)越西縣的甜櫻桃氣象適應(yīng)性區(qū)劃分布進(jìn)行研究,以便更好的為越西縣甜櫻桃產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本文所使用的氣象資料主要是越西縣1971-2018年逐日氣象要素序列,包括氣溫、降水、日照等,還有14個(gè)越西縣區(qū)域國家氣象觀測(cè)站2011-2022年逐日氣象要素(包括氣溫、降水、日照、相對(duì)濕度)全部來自于越西縣氣象局,研究的站點(diǎn)分布如圖1所示。地理空間高程數(shù)據(jù)(DEM)來自地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng),空間分辨率為30m×30m。

甜櫻桃2011～2020年的產(chǎn)量和種植面積以及甜櫻桃的生長發(fā)育期資料來源于越西縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局果樹站。

1.2 甜櫻桃的氣象產(chǎn)量分離

根據(jù)影響作物最終產(chǎn)量形成的各種自然和非自然因素,可按影響性質(zhì)和時(shí)間尺度劃分為兩部分,即:

圖1 主要研究范圍和氣象站點(diǎn)分布情況

Yi=Yt+Yw(1)

(1)式中Yi為作物實(shí)際單產(chǎn);Yt為趨勢(shì)產(chǎn)量,是反映歷史時(shí)期生產(chǎn)力水平的產(chǎn)量分量;Yw為氣象產(chǎn)量,是受氣象條件變化影響的產(chǎn)量分量。根據(jù)越西縣甜櫻桃實(shí)際單產(chǎn)的變化趨勢(shì)為曲線形式,將甜櫻桃實(shí)際產(chǎn)量隨時(shí)間的變化用正交多項(xiàng)式模擬更接近實(shí)際產(chǎn)量的變化趨勢(shì)。即:趨勢(shì)產(chǎn)量模擬為正交多項(xiàng)式:

yt=a0+a1xt+a2xt2+a3xt3(2)

(2)式中хt時(shí)間。設(shè) хt=ω1(хt), хt2=ω2(хt), хt3=ω3(хt), 則(2)式用新變量ωi(хt)表示為多元線性回歸方程:

yt=b0+b1ω1(xt)+b2ω2(xt)+b3ω3(xt)(3)

用(3)式模擬產(chǎn)量趨勢(shì)項(xiàng),進(jìn)行方差分析,用F檢驗(yàn)確定多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù),建立越西縣甜櫻桃趨勢(shì)產(chǎn)量模擬方程:

yt=0.143X3+6.55X2+106X-24.88**(4)(**表示通過a=0.05顯著性檢驗(yàn))

根據(jù)式(4)計(jì)算得到 越西甜櫻桃趨勢(shì)產(chǎn)量Yt,將Yt代入(1)式即算出主產(chǎn)縣氣象產(chǎn)量Yw。

2 氣候適應(yīng)性區(qū)劃指標(biāo)的確定

根據(jù)越西縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局果樹站研究和生產(chǎn)實(shí)際調(diào)研得,以2月下旬至5月下旬作為越西甜櫻桃的平均生育期,根據(jù)甜櫻桃生長發(fā)育規(guī)律,將全生育期分為3個(gè)階段:萌芽期(2月下旬),花期(3月),果期(3月下旬至5月下旬)。

2.1 氣象要素對(duì)甜櫻桃氣象產(chǎn)量影響的關(guān)鍵時(shí)期

利用越西甜櫻桃的氣象產(chǎn)量與生育期氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析,找出通過a=0.10以上顯著性檢驗(yàn)的時(shí)段作為該要素影響甜櫻桃產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期,其結(jié)果見表1。

表1 越西縣氣象要素對(duì)甜櫻桃產(chǎn)量主要影響時(shí)期

從表1看出,不同氣象要素對(duì)甜櫻桃產(chǎn)量影響也各不相同,在花期3月上旬,主要影響要素為旬平均氣溫和最高氣溫;在盛花期(3月中下旬)則主要是受到最高、低溫和降水量影響;在果期,則主要受平均氣溫和最低氣溫以及相對(duì)濕度三者影響較大。

2.2 氣象要素和甜櫻桃氣象產(chǎn)量的關(guān)系

利用越西甜櫻桃氣象產(chǎn)量與每旬氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析,得出表2。越西甜櫻桃主要生長階段在3月至5月,該時(shí)期良好的溫度和降雨量有利于甜櫻桃產(chǎn)量的增加。這從3月中旬和5月中旬平均氣溫和氣象產(chǎn)量呈正相關(guān)可以看出,但是在3月上旬和下旬,最高溫度容易使產(chǎn)量減少,與氣象產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān),主要是因?yàn)?月上旬正值花期中的初花期,下旬則處于末花期和坐果期交疊時(shí)段,較高的氣溫可能對(duì)花蕾和小果造成曬傷,使得產(chǎn)量減少。進(jìn)入5月果期時(shí)段,可以看出上旬平均氣溫和最高溫度對(duì)氣象產(chǎn)量呈明顯的正相關(guān)性,說明此時(shí)段需要大量的熱量,但是5月上旬的相對(duì)濕度和下旬的平均氣溫則與氣象產(chǎn)量負(fù)相關(guān),主要是因?yàn)?這個(gè)時(shí)段,屬于甜櫻桃果實(shí)成熟期,如果空氣濕度較大,容易造成裂果,使得果實(shí)品質(zhì)下降,而5月下旬已經(jīng)屬于甜櫻桃果實(shí)的末期,平均溫度過高,也容易造成果實(shí)干癟、開裂等,影響實(shí)際產(chǎn)量。

表2 越西甜櫻桃與氣象要素的關(guān)系

綜合分析,越西甜櫻桃的生長階段主要處于越西縣春季,此時(shí)段溫度和降水條件相對(duì)較好,有利于產(chǎn)量增加。總體上甜櫻桃氣象產(chǎn)量和3～5月的平均溫度呈正相關(guān),與降水量和平均濕度呈負(fù)相關(guān)。

2.3 越西甜櫻桃氣象指標(biāo)和地理推算模型

根據(jù)越西甜櫻桃生長發(fā)育期特性,通過計(jì)算各氣象要素對(duì)甜櫻桃氣象產(chǎn)量的影響,綜合選取影響甜櫻桃產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象要素為:3～5月的平均氣溫;5月上旬的最高氣溫,5月平均相對(duì)濕度以及綜合考慮地形(坡度和坡向)確定了越西甜櫻桃氣候適應(yīng)性指標(biāo),如表3。

表3 越西甜櫻桃氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)

越西縣境內(nèi)多山,主要以橫斷山脈為主,山川南北縱列,地勢(shì)南高北低,嶺谷相對(duì)高度1000～2000m,最低海拔1170m,最高海拔4791m。地形復(fù)雜,因此為了更好呈現(xiàn)越西縣各地氣象要素,需要建立3-5月平均氣溫、5月上旬最高氣溫、5月平均相對(duì)濕度和經(jīng)度(λ)、緯度(φ)和海拔高度(h)的多元線性回歸空間方程。

Y=f(λ,φ,h)+ε(5)

式中Y為各氣象要素,λ、φ和h分別對(duì)應(yīng)經(jīng)度、緯度和海拔高度,ε為地理殘差,即

ε=Y實(shí)際值- f(λ,φ,h) (6)

根據(jù)實(shí)際情況,地理殘差ε采用反距離權(quán)重法(IDW)進(jìn)行訂正。各氣象要素回歸方程如表4。

表4 越西縣甜櫻桃氣候適宜性指標(biāo)空間回歸方程

為更好的確定各項(xiàng)因素的權(quán)重系數(shù),采用層次分析法進(jìn)行權(quán)重系數(shù)的確定,AHP法主要是指將與決策有關(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,其核心是利用1-9的整數(shù)和其倒數(shù)值作為建立構(gòu)造判斷矩陣,兩兩要素相互比較,再使用和積法計(jì)算權(quán)重系數(shù)。得出下表5。

表5 越西縣甜櫻桃各氣候適宜性指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

3 結(jié)果分析

通過空間模型算出各點(diǎn)的氣象要素分布,并在利用地理殘差疊加,用Arcgis軟件提取并計(jì)算。最終結(jié)合AHP 法得出越西縣甜櫻桃氣候適宜性分布圖,得出圖2的越西縣甜櫻桃氣候適宜性區(qū)劃圖。從圖2可以看出總的來說,越西縣甜櫻桃適宜區(qū)占全縣總面積的33.7%,較適宜區(qū)占比為49.3%,不適宜區(qū)僅占比17.0%,這充分說明越西縣大部地區(qū)還是較為適合甜櫻桃種植生長的。從種植鄉(xiāng)鎮(zhèn)來看,不適宜其種植的地區(qū)主要集中在西部和冕寧縣分界的山脈和東部與美姑縣交界的高山地區(qū),此地區(qū)海拔較高,并且基本無人居住,不適合開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。適宜區(qū)在越西縣呈南北向帶狀分布,如北部的梅花、保安、乃托、板橋以及中部的大花、拉普、爾覺、大瑞、南箐和南部的書古、普雄、貢莫和依洛地壩、竹阿覺,這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)在每年的3～5月氣溫適宜,平均溫度在14～15℃,降水充沛,光照適宜,良好的光、溫、水配合非常適宜甜櫻桃的生長發(fā)育,并且此區(qū)域的海拔多在2000以下,坡度也較小,利于排水排澇,兼具坡向也向陽,因此甜櫻桃的產(chǎn)量也較好。較適宜區(qū)則集中在越城、新民、中所和海拔稍高的拉吉和申果莊,越城、中所是由于5月溫度較高,此時(shí)段較高的氣溫容易灼傷果實(shí),造成減產(chǎn);而申果莊和拉吉?jiǎng)t由于海拔較高,在2500～3000m左右,熱量條件差,在果實(shí)形成的關(guān)鍵階段,5月溫度過低,因此不利于品質(zhì)較好的甜櫻桃形成。

圖2 越西縣甜櫻桃氣候適宜性區(qū)劃

4 結(jié)論

(1)越西縣甜櫻桃生長發(fā)育主要受到3～5月的平均氣溫以及5月上旬最高氣溫因素的影響和制約。降水量和日照對(duì)越西甜櫻桃總產(chǎn)量影響較小,只有5月分相對(duì)濕度對(duì)產(chǎn)量有部分影響。

(2)大致上看,越西縣甜櫻桃種植適宜區(qū)呈南北帶狀分布,這也和越西縣甜櫻桃的實(shí)際種植區(qū)域吻合。較適宜區(qū)則主要存在于越城、新民、中所和南部的高海拔二半山地區(qū)申果莊片區(qū)和拉吉鄉(xiāng)。不適宜區(qū)則分布在越西的東西邊界高山地區(qū)。

(3)根據(jù)Arcgis軟件的計(jì)算統(tǒng)計(jì),其中,適宜區(qū)占越西縣總面積約為33.7%,次適宜區(qū)面積占比為47.3%,不適宜區(qū)占約17.0%,充分說明越西縣的氣候條件很適合甜櫻桃的生長發(fā)育,可以適當(dāng)推廣種植,幫助當(dāng)?shù)厝罕娒撠氈赂弧?/p>

(4)本文雖然綜合考慮了氣候及地形因素對(duì)甜櫻桃的影響,但是沒有對(duì)土低利用率、土壤質(zhì)地、還有防災(zāi)減災(zāi)手段,比如越西縣東方農(nóng)業(yè)公司已經(jīng)在試點(diǎn)使用大棚種植技術(shù)來進(jìn)一步預(yù)防冰雹、暴雨災(zāi)害以期提高產(chǎn)量。此外本文采用的區(qū)域站氣象數(shù)據(jù)站點(diǎn)只有14個(gè),越西東部地區(qū)沒有區(qū)域氣象站點(diǎn)分布,可能造成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確,越西縣氣象局已于2020年底將全縣所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)安裝了區(qū)域自動(dòng)站,后續(xù)可以繼續(xù)跟進(jìn)研究。最后,本文采用了AHP法確定個(gè)因素的權(quán)重,但是因?yàn)榇嬖谌藶橹鞴芤蛩赜绊?因此在今后使用時(shí)還要結(jié)合具體情況具體分析。