基于GIS的貴州省綏陽縣金銀花氣候適應性區劃

羅天虎，宋 芳

(貴州省綏陽縣氣象局，貴州綏陽 563300)

基于GIS的貴州省綏陽縣金銀花氣候適應性區劃

羅天虎，宋 芳

(貴州省綏陽縣氣象局，貴州綏陽 563300)

摘要[目的]為充分利用綏陽縣氣候資源，合理布局金銀花種植區域。[方法]選取了年平均氣溫、年日照時數、日平均氣溫<3 ℃天數、≥16 ℃天數和20～30 ℃天數以及5月平均氣溫作為綏陽縣金銀花氣候適宜性區劃指標，利用遵義市13個氣象站1981～2010年的逐日氣溫和日照資料，基于綏陽縣1∶25萬的地理信息數據，采用梯度距離反比權重法對 6個區劃因子進行了空間插值；利用模糊數學方法，分別構建了各區劃因子的隸屬度函數和綜合氣候適宜度模型，按照適宜種植區、次適宜種植區和不適宜種植區3個等級完成了綏陽縣金銀花種植適宜性區劃。[結果]綏陽縣金銀花種植的適宜區主要分布在海拔900 m以下的川道、坡塬，不適宜區主要分布在1 200 m以上的山區。[結論]冬季溫度偏低、熱量條件不足及日照偏少是制約全縣進一步發展金銀花種植的主要原因。

關鍵詞金銀花；氣候適應性；區劃；模糊數學；GIS；綏陽縣

金銀花為忍冬科植物忍冬(LonicerajaponicaThunb)的干燥花蕾或初開的花，有清熱解毒、涼散風熱的功效[1-2]。金銀花適應性較強，耐旱、耐寒，野生種分布廣泛，人工栽培的地區也較多，且傳統上以河南封丘、新密和山東平邑、費縣最為著名，是道地的金銀花重要產區[3-4]。近年來隨著市場需求量的逐年增加，許多省份也大力發展當地的金銀花產業[5-8]。

綏陽縣位于貴州省北部，屬中亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，雨量充沛，雨熱同季。年平均氣溫15.0 ℃，年降水量1 136.9 mm，年平均日照時數1 053.6 h，年空氣相對濕度82%，土壤以微酸性的黃壤和紫色土為主，氣候資源和土壤條件均能夠滿足金銀花生長需求[9]。該縣種植金銀花已有40多年歷史，目前全縣種植面積超過2萬hm2，并建立了一整套種植標準和規范，被譽為“中國金銀花之鄉”，預計到2020年全縣種植面積將突破6.67萬hm2[10]。同時該縣地處大婁山脈中段，地形復雜、地貌多樣，海拔600～1 700 m，農業氣候資源空間差異大，現有觀測資料不足以全面反映區域的詳細特征。地理信息系統(GIS)可定量采集、管理、分析具有空間特性的氣候資源，方便地進行空間插值形成柵格化精細化數據，使區劃結果由基于行政基本單元發展為基于相對均質的地理網格單元[11-13]。GIS技術在精細化農業氣候區劃工作中也得到了廣泛應用[14-16]。筆者擬從金銀花的氣候生態適應性研究出發，采用GIS技術進行綏陽縣金銀花種植氣候生態適應性分析，從而為合理布局金銀花生產優勢區域、減少盲目擴種提供參考依據。

1資料與方法

1.1資料來源區劃所用氣象資料來自包括綏陽在內的遵義市13個地面氣象站逐日平均氣溫和日照時數，時間序列長度為1981～2010年。地理信息資料采用國家基礎地理信息中心提供的1∶25萬綏陽縣基礎地理背景數據。運用GIS技術將1∶25萬等高線數據轉成數字地形模型(DEM)，在此基礎上進行數字地形定量分類技術研究。

1.2分析方法

1.2.1區劃因子選取。金銀花喜溫暖濕潤氣候，日平均氣溫3 ℃以下處于休眠狀態，16 ℃以上生長迅速并開始孕育花蕾，生長的最適溫度為20～30 ℃，日照時數多有利于其產量和質量的提高[6，8-9]。根據金銀花生長與當地氣象條件的關系，參考已有金銀花種植區劃研究成果[6]，在此選取年平均氣溫、年日照時數、<3 ℃天數、≥16 ℃天數、20～30 ℃天數和5月平均溫度作為綏陽縣金銀花農業氣候區劃因子。按照適宜區、次適宜區和不適宜區對區劃因子進行劃分(表1)。

根據遵義市13個地面氣象站1981～2010年逐日的氣象資料統計出區劃指標的逐年值，然后計算出30年的平均值，作為空間插值的基礎數據。

1.2.2區劃因子空間插值。農業氣候資源空間分布與經度、緯度、海拔、坡度、坡向等因子密切相關，氣象要素的空間插值方法較多且各有優缺點，眾多插值方法中并沒有一種適合每一種氣象要素的普適的最佳插值方法[17]。考慮到選取的區劃因子中溫度因子較多，而梯度距離平方反比法對溫度的插值誤差較小且僅需考慮經度、緯度和海拔高度3個因子[18]，因此該研究選取梯度距離平方反比法進行氣候資料的空間插值計算，具體公式如下：

表1　金銀花氣候生態適應性區劃指標

(1)

(2)

式中，Z為待估點氣象要素的推算值，Zi為氣象站i點的要素值；X和Xi分別為待估點與i點的X軸坐標值(經度)，Y和Yi為待估點與i點的Y軸坐標值(緯度)，E和Ei為待估點與i點的海拔高度；n為用于插值的氣象站點數目，在此取n=13；Cx、Cy和Ce分別為站點氣象要素與X、Y和E的回歸系數，可利用多元回歸方法計算得出；di為待估點到i站點的距離。

1.2.3區劃方法。金銀花的生長受多種氣象條件影響，且這種影響是一種綜合作用而非簡單疊加。因此可利用模糊數學方法對這種影響進行描述和定量分析[19-20]。首先構建每一種區劃指標的模糊隸屬度函數，然后利用空間插值后的要素值計算每個格點的6個隸屬度值，再對這6個隸屬度值進行綜合得到每點的氣候適宜度，最后根據氣候適宜度區劃指標進行適宜區、次適宜區和不適宜區的劃分。

根據馬樹慶[21]的研究成果，年平均氣溫和5月份平均氣溫隸屬度函數可表示為：

(3)

式中，F(ti)為第i點溫度適宜度；ti為i點的平均氣溫，tL、tH、t0分別為金銀花生長所需的平均最低氣溫、平均最高氣溫和平均適宜氣溫。參考彭國照等[6]的研究結果，在此對年平均氣溫取tL=11.0 ℃、tH=17.0 ℃、t0=14.0 ℃；對5月份平均氣溫取tL=17.0 ℃、tH=22.0 ℃、t0=20.0 ℃。

年日照時數隸屬度函數可表示為：

(4)

式中，F(Si)為第i點年日照時數適宜度，Si為第i點的年日照時數(h)，S0為日照需求臨界值，在此取S0=1 100。

日平均氣溫<3 ℃天數隸屬度函數可表示為：

(5)

日平均氣溫≥16 ℃天數隸屬度函數可表示為：

(6)

日平均氣溫20～30 ℃天數隸屬度函數可表示為：

(7)

(5)～(7)式中，F(Dti1)、F(Dti2)、F(Dti3)分別為第i點<3 ℃天數、≥16 ℃天數和20～30 ℃天數的適宜度，Dti1為第i點的日平均氣溫<3 ℃的天數(d)，Dti2為第i點的日平均氣溫≥16 ℃的天數(d)，Dti3為第i點的日平均氣溫20～30 ℃的天數(d)。

對6個區劃要素的模糊隸屬度按照(8)式進行綜合，得到氣候適宜度。

(8)

式中，Mi為第i點的氣候適宜度，Fij為第i點第j個區劃因子的模糊隸屬度，分別由(3)～(7)式計算得出，n為區劃因子個數。將氣候適宜度計算結果結合當地生產實踐，確定適宜度Mi>0.8為氣候適宜區；0.7≤Mi≤0.8為次適宜區；Mi<0.7為不適宜區。

2結果與分析

2.1各區劃因子的適宜性將每種區劃因子利用梯度距離平方反比法進行空間插值，然后根據表1中的指標進行氣候適宜性分析。結果表明，在與溫度有關的區劃要素中，年平均氣溫對金銀花的生長比較有利。空間插值后的年平均氣溫為11.2～16.5 ℃，沒有<11 ℃或>17 ℃的不適宜區，均為適宜區或次適宜區(圖1a)；其中28.0°N以南的年平均氣溫相對較高，適宜區面積較大。5月份平均氣溫為15～21 ℃，其中海拔高度<900 m的地方平均氣溫在19.0 ℃以上，為適宜區(圖1b)，熱量條件優越，對金銀花的生長比較有利；而海拔>1 500 m的北部和中部山區為不適宜區，5月份平均氣溫在17.0 ℃以下，不利于金銀花生長。日平均氣溫≥16 ℃天數(圖1c)和20～30 ℃天數(圖1d)的空間分布規律與5月份平均氣溫分布相似，其適宜區和次適宜區均是分布在海拔相對較低的地方，尤其是南部地區適宜區面積相對較大，對孕育花蕾有利；全縣范圍內≥16 ℃天數124～196 d、20～30 ℃天數68～140 d，其中北部和中部高海拔地方的天數分別不足140和90 d，對金銀花的種植有一定影響。日平均氣溫<3 ℃的天數為8～48 d，大部分地區在22 d以上，全縣以次適宜區和不適宜區為主，僅海拔較低的地方處于適宜區(圖1e)。

光照是金銀花生長發育的另一個重要氣象條件[22]。金銀花適宜在陽光充足和通風好的地區栽植，光照不足時枝嫩細長、葉小、花蕾分化少，產量低。空間插值后的綏陽縣年日照時數為910～1 050 h，沒有多于1 100 h或少于800 h的區域，全部處在次適宜區(圖1f)。分析1981～2010年綏陽縣逐年數據發現，年日照時數>1 100 h的年份也僅有1985、1990和2002年，出現頻率僅為10%。因此日照時數不足是影響綏陽縣金銀花生長的普遍因素。

注：a.年平均氣溫；b.5月份平均氣溫；c.≥16 ℃天數；d.20～30 ℃天數；e.<3 ℃天數；f.年日照時數。Note：a.Annual average temperature；b.Average temperature of May；c.Number of days with daily average temperature ≥ 16 ℃；d.Number of days with daily average temperature 20-30 ℃；e.Number of days with daily average temperature < 3 ℃；f.Annual sunshine duration.圖1　綏陽縣金銀花各區劃指標適宜性空間分布Fig.1　Spatial distribution of regionalization index suitability of L.japonica in Suiyang County

2.2金銀花氣候適應性區劃在空間格點上對6個區劃因子的模糊隸屬度進行綜合得到氣候適宜度，將適宜度值按照適宜區、次適宜區和不適宜區的標準進行劃分。從圖2可以看出，綏陽縣金銀花種植主要隨地形和海拔高度而變化。適宜區主要分布在海拔600～900 m的川道、坡塬，這些地區年平均氣溫13～15 ℃，冬季無持續霜凍，越冬條件較好，日平均氣溫<3 ℃天數在20 d之內，≥16 ℃及最適宜生長溫度天數較多，能夠滿足金銀花花芽分化、莖葉生長、開花結果及防御凍害的氣候要求；這些地區可選擇地形開闊、遮陰較小的地方種植，以避免當地日照不足對金銀花生長發育的影響。次適宜區面積較小，主要分布在海拔1 000 m左右的地區。影響金銀花種植的主要因素是日平均氣溫<3 ℃天數較多，不利于安全越冬，其他溫度條件基本上能滿足生長需求。不適宜區主要分布在海拔1 200 m以上的山區，冬季氣溫偏低和熱量供應不足是造成這些地區不適宜種植金銀花的主要原因。另外，雖然同為不適宜種植區，但不同地區的限制因素也不完全一致。其中東南部不適宜區主要是由于5月份氣溫偏低和日平均氣溫<3 ℃天數偏多所導致，≥16 ℃天數和20～30 ℃天數并不是限制因素；而北部和中部的不適宜區則是由于各種溫度指標均不適宜所引起。

圖2　綏陽縣金銀花種植氣候適宜性區劃Fig.2　Regionalization of climate adaptability of L.japonica planting in Suiyang County

3結論與討論

該研究選取了年平均氣溫、年日照時數、日平均氣溫<3 ℃天數、≥16 ℃天數、20～30 ℃天數和5月平均氣溫6種氣象要素作為綏陽縣金銀花氣候區劃指標，利用模糊數學方法構建了各因子的隸屬度函數，采用梯度距離反比權重法推算了各區劃因子的空間分布，按照適宜種植區、次適宜區和不適宜區3個等級完成了綏陽縣金銀花種植氣候適宜性分析。結果表明，綏陽縣金銀花種植的適宜性與地形和海拔關系密切，適宜區主要分布在海拔900 m以下的川道、坡塬，不適宜區主要分布在1 200 m以上的山區，冬季氣溫偏低、熱量條件不足是主要限制因素。其次，日照不足是制約全縣進一步發展金銀花種植的主要問題。

已有研究結果中綏陽縣東部偏南的小關鄉是當地主要金銀花種植區之一[9-10]，而此次區劃結果顯示這一區域以次適宜為主。這可能由于區劃指標中僅包含了溫度和日照2類氣象指標，而日照時數的適宜性全縣一致，溫度成為區劃結果的決定因子。小關鄉海拔為960～1 100 m，日平均氣溫<3 ℃天數22 d左右，5月份平均氣溫18.5 ℃，處于次適宜區。另外，農業氣候資源分布受多種下墊面因素影響，尤其是山區地形復雜，現有空間插值結果只能在一定程度上反映當地氣候資源。

該研究僅從農業氣候資源角度分析了綏陽縣金銀花的種植適宜性，在實際生產中，不同地區金銀花的生長發育還隨地質、土壤、生物等環境生態條件的差異而表現出產量、外觀、有效成分含量的變化。環境生態條件與金銀花生長發育的關系還需要進一步研究。

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Climatic Adaptability and Division ofLonicerajaponicaThunb in Suiyang County in Guizhou Province Based on GIS

LUO Tian-hu, SONG Fang

(Suiyang Meteorological Bureau, Suiyang, Guizhou 563300)

Abstract[Objective] To make full use of climatic resources in Suiyang County and to reasonably distribute the planting area of Lonicera japonica Thunb. [Method] Several climate suitability zoning indexes were selected for L. japonica in Suiyang County, such as annual average temperature, annual sunshine duration, the number of days with daily average temperature < 3 ℃, ≥ 16 ℃ and 20-30 ℃, and average temperature of May. Based on the 1∶250 000 geographic information data and the daily temperature and sunshine data in thirteen meteorological stations in Zunyi from 1981 to 2010, spatial interpolation of six climatic elements in grids was carried out by using the gradient plus inverse-distance-squared technique. Fuzzy membership functions of six climatic elements and climatic suitable model were established. Suitable planning area of L. japonica in Suiyang County was divided to three regions by using fuzzy method, including suitable zone, sub-suitable zone and unsuitable zone. [Result] The suitable regions were mainly distributed at river road or slop plateau with the altitude below 900 m. Unsuitable areas were mainly distributed in the mountains above 1 200 m. [Conclusion] Low winter temperature, lack of heat conditions and less sunshine are the main factors restricting the further development of L. japonica in Suiyang County.

Key wordsL. japonica; Climate adaptability; Regionalization; Fuzzy mathematics; GIS; Suiyang County

基金項目貴州省氣象局開放基金項目(KF201402)。

作者簡介羅天虎(1971- )，男，貴州遵義人，高級工程師，從事應用氣象服務與研究工作。

收稿日期2016-03-10

中圖分類號S 162.2

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-198-04