基于溫度因子“3S”技術的貴州省木薯種植氣候區劃

楊龍 羅春芳 歐珍貴 黎青 羅亞紅 雷靜

摘要根據木薯生長發育對氣候條件、海拔等要素的要求，結合貴州省各個縣市主要氣象站點1995—2014年的氣象統計資料，選取貴州省木薯栽培的氣象指標（年平均氣溫、最冷月平均氣溫、最冷月平均最低氣溫、≥10 ℃活動積溫和日均溫≤0 ℃最長連續時數），基于“3S”技術，建立木薯可種植區域熱量指標與海拔的回歸模型，明確貴州木薯的種植區域，得到種植氣候區劃。結果表明，貴州省木薯適宜種植區面積126 642.3 hm2，其中優勢種植區總面積為114 683.8 hm2，主要分布在南盤江流域、北盤江流域、紅水河流域、樟江流域和都柳江流域的17個縣市；一般種植區總面積為11 958.4 hm2，主要分布在赤水河流域的赤水市和習水縣。

關鍵詞木薯；“3S”技術；溫度因子；氣候區劃；貴州省

中圖分類號S127文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）21-0174-05

Climatic Regionalization of Manihot esculenta Crantz in Guizhou Province Based on the Temperature Factors of “3S” Technology

YANG Long，LUO Chunfang，OU Zhengui* et al（Institute of Subtropical Crops，Guizhou Academy of Agricultural Sciences，Xingyi，Guizhou 562400）

AbstractAccording to the requirements of growth of Manihot esculenta，such as climilate conditions and altitude，and combined with the meteorological statistical data of the main meteorological stations in the counties in Guizhou Province during 1995-2014，we selected the key meteorological index of Manihot esculenta cultivation in Guizhou Province （such as annual average temperature，average temperature in most cold month，the lowest temperature of the most cold month，accumulated temperature above 10 ℃ and duration of daily average temperature below 0 ℃）.Based on "3S" technology，we established the regression model of heat index and latitude of suitable planting areas of Manihot esculenta，definited the planting areas and made clearly the planting climatic zoning of Manihot esculenta in Guizhou Province.Results showed that size of suitable planting area was 126 642.3 hm2， the planting area of Manihot esculenta in Guizhou Province could be divided into the advantageous regions and common regions，the area of advantageous regions was 114 683.8 hm2 and distributed mainly at 17 counties around Nanpan，Beipan，Red，Zhang and Liu river drainage area，the area of common regions was 11 958.4 hm2 and distributed mainly at Chishui City and Xishui County around Chi river drainage area.

Key wordsManihot esculenta Crantz；”3S” technologies；Temperature factors；Climatic regionalization；Guizhou Province

木薯（Manihot esculenta Crantz）屬于大戟科木薯屬植物，為三大薯類作物之一。木薯耐旱、耐貧瘠、抗病蟲性強，單位面積產量高和淀粉含量高，有“淀粉之王”“地下糧倉”和“特用作物”等美譽[1-4]。木薯種植省工、投入少，在能源酒精、淀粉、糧食、飼料等行業上發揮重要作用，備受全世界關注，從19世紀20年代被傳入中國，有近200年種植歷史，種植區域由南向北不斷拓展，貴州省也有木薯栽培歷史[4-6]。近年來，隨著木薯能源化、食用化和飼用化的開發利用，木薯需求量持續增加，2014年進口木薯類產品1 056萬t，同比增長19.8%[7]。我國木薯產品供不應求，市場缺口巨大，急需擴大種植面積，提高鮮薯總產量，而我國木薯產業優勢區域面積有限，加之困擾于臺風災害、品種退化、經濟效益低等問題，種植面積有逐年下滑的趨勢，因此，木薯北移栽培是擴大種植面積、減少對木薯原料進口依賴程度的良策之一[8]，可把未列入國家木薯規劃優勢區的貴州熱區作為木薯北移栽培的重點省份之一。貴州屬于全國8個熱區省份之一，全省南亞熱帶和中亞熱帶面積占全省面積的69.8%，南亞熱帶年平均氣溫在19.0 ℃以上，中亞熱帶年平均氣溫為15.0～189 ℃[9]，其中大部分地區均適宜木薯生長。

目前，“3S”技術已經在農業生產、氣候區劃方面得到廣泛應用[10]，陳娟等[11]利用GIS技術對貴州果樹進行氣候區劃，王旭等[12-13]利用GIS和RS技術對貴州省火龍果種植進行了氣候區劃分析。李海亮等[14]利用GIS分析了1969—2009年世界木薯生產的空間變化、時序變化及變化趨勢；蘇永秀等[15]、黃建祺[16]運用GIS技術按照木薯種植對氣候的適宜性把廣西各縣分別劃為最適宜、次適宜、適宜以及不適宜種植木薯的區域，并提出趨利避害、合理布局木薯生產的對策措施和建議。貴州20世紀60、70年代開始引種木薯，雖然種植歷史較早，但存在對木薯發展前景認識不足、研究基礎薄弱、種植規模小等問題[6]。因此，筆者在對貴州木薯種植生態適應性調查的基礎上，根據貴州的氣候、地形、土地利用現狀和氣象臺站近20年的氣象統計數據等資料，采用“3S”技術對貴州木薯種植優勢區域進行綜合、立體氣候區劃及評價，規劃適宜發展木薯的生態區域，為貴州木薯合理布局及農業結構調整提供參考依據。

1資料與方法

1.1地理信息資料

采用貴州省基礎地理信息數據庫提供的1∶25萬貴州基礎地理背景數據，貴州境內共有10多幅（塊）基礎數據圖，每一幅（塊）主要包括貴州省行政邊界、等高線、居民點、水系等14個基礎數據資料包；結合2014年的ETA遙感圖像（分辨率為30 m）獲得貴州省地勢、坡度、土壤分布及土地利用類型分類圖，包含耕地、林地、草地、水域、建設用地、道路及城鎮等信息，通過GPS野外調查驗證，進一步修正得到詳細的土地利用綜合分類圖。

1.2氣象資料和臺站地理信息資料

研究使用的氣象資料為貴州省各縣（市）主要氣象站點1995—2014年的地面觀測資料數據，主要包括年均溫、最冷月均溫和≥10 ℃年積溫等要素。氣象臺站信息資料從氣象臺站的觀測報表記錄中讀取，包括經度、緯度及海拔等數據參數。

1.3區劃的主要氣象指標

木薯屬于熱帶作物，原產于亞馬遜河流域，主要分布于南北緯30°之間、海拔2 300 m以下的熱帶或亞熱帶地區[3]。木薯喜溫熱、不耐霜，對氣候條件特別是對溫度有一定要求，大多數木薯生長在年平均氣溫高于18 ℃的地區，最適宜生長在年平均溫度為25～29 ℃，也可以耐受16～38 ℃[17]。木薯發芽出苗的最低溫度為14～16 ℃，在14 ℃時生長緩慢，10 ℃以下停止生長，并受寒害[18]。木薯種莖受寒、凍害的臨界溫度為4～5 ℃，4 ℃以下的溫度對木薯種莖具有較大傷害性[19]。木薯在年降雨量600～6 000 mm的地區均可生長，以年降雨量在1 000～2 000 mm最適宜，降雨量低于500 mm，塊根趨于木質化，造成減產[3]。

貴州立體氣候顯著，熱量豐富，大部分地區的年降水量在1 100 mm以上，夏季各月平均氣溫為20～25 ℃，冬季各月平均氣溫在3～9 ℃[20]。根據歐珍貴等[21-23]在貴州省望謨、興義、貞豐等縣（市）開展的生態適應性研究結果及木薯在羅甸、望謨、冊亨、三都、荔波、榕江、從江、興義等地區的自然生長情況，主要選取年平均氣溫、最冷月平均氣溫、≥10 ℃活動積溫、最冷月平均最低氣溫、日均氣溫≤0 ℃連續時長等指標作為貴州木薯種植區劃的主要因子，具體見表1。

1.4區劃方法

1.4.1建立氣候方程。貴州屬于低緯高原山區，熱區大多為低熱河谷地區，地貌復雜，海拔落差大，旱坡地占95%以上，發展木薯要因地制宜，種植區一般要求坡度小于25°的山地，剔除森林、河流、湖泊、峽谷、建設用地，在保護生態環境的條件下，種植地域可選擇耕地、旱坡地、灌草地及不嚴重的石漠化地區。

貴州地勢差異大，由于海拔及下墊面特性不同，氣候資源存在明顯的空間分布，各縣市收集氣象站點的氣候資料只能反映臺站附近區域內的氣候概況，不能全面、真實地反映貴州氣候資源的立體多樣性特征。因此，可通過收集的貴州各地基本氣象、地理資料和木薯生長發育對熱量條件的要求，結合SPSS統計軟件，采用數理統計學方法，建立氣象資源的梳理統計模擬模型，應用GIS技術進行小網格資源推算與分析[15]，推算氣候區劃指標在無測站地區的分布狀況，篩選出顯著性最強、判定系數最高的熱量指標與海拔相關的氣象方程。對各組進行統計學處理，即可得到各組結果。

安徽農業科學2017年

1.4.2木薯種植區域的確定。

根據貴州木薯種植氣候區劃指標，利用相關氣象方程可以推算出各流域區域的滿足各氣象指標值所對應的海拔，各氣候指標所對應海拔以下區域范圍的重疊部分，即是可種植木薯的氣候適宜區域。根據矢量化的貴州省等高線（1∶5 000），生成貴州省數字高程模型（DEM）。利用GIS的空間分析功能確定出貴州省木薯適宜種植的縣市。

1.4.3木薯種植氣候區劃專題圖制作。

在矢量化的貴州省等高線的基礎上，利用ArcGIS軟件生成貴州省DEM柵格數據（分辨率為5 m×5 m）。在ArcGIS三維分析工具的幫助下結合DEM數據，提取貴州省的坡度變率和地形海拔變率2個指標的柵格圖層，分別生成貴州省海拔分級圖（圖1a）和貴州省坡度分級圖（圖1b）。

該區劃采用分辨率為30 m的美國陸地資源衛星ETM遙感圖像，選用ETM+的4、3、2波段進行標準假彩色合成。利用RS和GIS軟件，通過對遙感圖像進行配準、精校正、合并和裁剪等預處理[24]，結合去霾處理、直方圖均衡化、直方圖匹配等圖像處理技術增強圖像（圖1c）。以野外定點調查和貴州省第二次土地調查數據為基礎及貴州省植被分布圖為背景數據進行室內人機交互圖像辨讀解譯分析和監督分類。在得到的分類圖上進行聚類、去除分析，獲取貴州省土地利用狀況分布空間數據（經驗證分類準確率達到95%以上），通過圖像重采樣處理技術，得到分辨率為5 m×5 m的貴州省土地利用現狀圖[22]（圖1d）。

運用ArcGIS的裁剪和提取功能，在各專題圖上，疊加以縣為單位的行政界線，獲取包括海拔、坡度和土地利用現狀信息在內的各區域的基礎信息。以ArcMAP為平臺，綜合氣象指標、地形、土地利用類型等限制因子，對各木薯種植區域與坡度、土地利用現狀信息等指標進行空間分類疊加，經柵格數據的邏輯運算，剔除不可種植木薯的地形和土地利用類型因子，得出各流域木薯的優勢種植區和一般種植區，給不同區域賦予不同的顏色[24-25]，通過柵格數據合并，得到貴州省木薯種植區域。再疊加鄉鎮界、貴州省鐵路和公路交通網、貴州省水系網、經緯網和制作圖例等，制作出貴州省木薯種植氣候區劃圖。同時疊加貴州省鐵路公路交通網、水系網、經緯網、鄉鎮界和圖例等，最后輸出貴州省木薯種植氣候區劃專題圖（圖2）。

2結果與分析

2.1木薯種植區域

根據貴州熱區多年的氣象數據和木薯生長發育對熱量條件的要求，將貴州可能種植木薯的縣市按流域劃分為6組：①南盤江流域，興義市、安龍縣等；②北盤江流域，鎮寧縣、關嶺縣等；③紅水河流域，望謨縣、羅甸縣等；④漳江流域，荔波縣等；⑤都柳江流域，從江縣、榕江縣等；⑥赤水河流域，赤水市、習水縣等。根據各流域熱量指標年平均氣溫、最冷月平均氣溫、最冷月平均最低氣溫、≥10 ℃活動積溫、日均溫≤0 ℃最長連續時數及海拔數據進行統計運算，得到氣象回歸方程，經F檢驗均達到極顯著水平（表2）。結合地形整體海拔在1 200 m以下等限制因子，確定出貴州省適宜木薯種植的區域涉及南盤江流域、北盤江流域、紅水河流域、都柳江流域、漳江流域及赤水河流域，主要分布縣市為赤水市、仁懷市、興義市、安龍縣、冊亨縣、貞豐縣、望謨縣、晴隆縣、普安縣、興仁縣、關嶺縣、鎮寧縣、望謨縣、羅甸縣、平塘縣、荔波縣、習水縣、紫云縣、榕江縣、從江縣，共計20個。

2.2區劃結果

由圖2可知，木薯在貴州省氣候適應性不完全是緯向分布，充分體現山區地形地貌氣候環境的影響。在同緯度條件下，溫度隨海拔升高而降低，因此，木薯適宜種植區域集中在海拔較低的低熱河谷地區，主要包括南盤江、北盤江、紅水河、赤水河、都柳江及漳江流域。在不破壞環境和可開發性的原則下，貴州省木薯可種植的土地利用類型主要有坡耕地、農田和灌草地。運用ArcGIS軟件查詢工具可得到木薯可種植區域的面積。

根據區劃結果，貴州省木薯種植適宜區面積共計126 642.2 hm2，主要分布在赤水河流域、南盤江流域、北盤江流域、紅水河流域、漳江流域及都柳江流域。其中，赤水河流域種植適宜面積為11 958.4 hm2，占適宜區總面積的944%；南盤江流域種植適宜面積為17 474.9 hm2，占適宜區總面積的13.80%；北盤江流域種植適宜面積為42 467.4 hm2，占適宜區總面積的33.53%；紅水河流域種植適宜面積為35 659.0 hm2，占適宜區總面積的28.16%；樟江流域種植適宜面積7 412.0 hm2，占適宜區總面積的5.85%；都柳江流域種植適宜面積11 670.5 hm2，占適宜區總面積的9.22%。

2.2.1優勢種植區。木薯優勢種植區面積為114 683.8 hm2，占適宜區總面積的90.56%，主要分布在南盤江流域（包括興義市的三江口鎮、滄江鄉、洛萬鄉、泥凼鎮和南盤江鎮，安龍縣的德臥鎮和坡腳鄉，冊亨縣的巧馬鎮、丫他鎮、八渡鎮、百口鄉、雙江鎮12個鄉鎮）、北盤江流域（包括貞豐縣的白層鎮、魯容鄉、魯貢鎮、沙坪鄉，關嶺縣的斷橋鎮、板貴鄉，鎮寧縣的六馬鄉、打幫鄉、簡嘎鄉、良田鄉，望謨縣的樂園鎮、坎邊鄉、王母街道辦、平洞街道辦、岜饒鄉、打尖鄉、油邁鄉，冊亨縣的巖架鎮、達秧鄉19個鄉鎮）、紅水河流域（主要包括望謨縣的蔗鄉鎮、昂武鄉、桑郎鎮，羅甸縣的紅水河鎮、羅悃鎮、風亭鎮、木引鎮、沫陽鎮、茂井鎮、邊陽鎮、逢亭鎮、龍坪鎮12個鄉鎮）、樟江流域（主要包括荔波縣的朝陽鎮、瑤山鄉、黎明鄉、玉屏街道辦4個鄉鎮）和都柳江流域（主要包括榕江縣的古州鎮，從江縣的下江鎮、丙妹鎮、西山鎮、貫洞鎮，黎平縣的地坪鄉、龍額鄉7個鄉鎮）。

2.2.2一般種植區。一般種植區面積為11 958.4 hm2，占適宜區總面積的9.44%，分布在赤水河流域。赤水河流域木薯生產適宜區主要包括赤水市的復興鎮、天臺鎮、官渡鎮、文化辦、金華辦、長期鎮、長沙鎮，習水縣的土城鎮8個鄉鎮。

3結論與討論

該區劃以貴州省各縣市近20年的氣象資料為基礎，利用“3S”技術，根據實地考察剔除土地利用等不利因素，考慮到木薯生長發育對熱量的要求和木薯越冬的氣候條件，區劃指標選擇較全面的溫度因子，應用回歸分析曲線模型估計，把氣候區劃因子反演到海拔指標，直觀地反映出氣候區劃因子隨海拔的立體變化特征，為貴州省木薯產業規劃和發展提供基礎數據。區劃把貴州省木薯種植區域劃分為優勢種植區和一般種植區，其中優勢種植區總面積為114 683.8 hm2，占適宜區總面積的90.56%，主要分布在南盤江流域、北盤江流域、紅水河流域、樟江流域和都柳江流域的17個縣市，一般種植區總面積為11 958.4 hm2，占適宜區總面積的9.44%，主要分布在赤水河流域的赤水市和習水縣。

選擇適宜的良種、氣候條件、土壤及栽培管理技術等是獲得木薯優質高產高效的先決條件。隨著農業技術和理論的發展，木薯需要的良種、高效栽培技術及其栽培土壤條件均能夠被人工改良，而大規模的氣候條件改良和控制難以形成。貴州熱區面積大，立體氣候明顯，低熱河谷地區雨熱充足，無霜期短。因此根據氣候條件選擇適宜的品種、栽培條件及種植地，是促進貴州木薯生產優質高產的根本途徑之一。

該研究通過運用“3S”技術，得出的區劃結果與傳統氣候區劃相比更為精細、更符合實際，還能實現氣候區劃的動態管理。該區劃氣象資料收集的臺站數量少、年限短，而貴州地形地貌復雜，立體小氣候明顯，因此，氣象方程估算的氣象要素值與實測值間存在一定差異。該區劃所選擇的氣候因子主要為溫度因子，而未考慮降雨條件及光照等氣候因子的影響，加上木薯生長發育所需的土壤理化性質等因素的影響，區劃結果的準確性有待在今后的研究中不斷補充、修正和完善，適時調整種植結構，更利于今后貴州木薯的高產穩產優質和優化布局。

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