基于GIS的云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區劃

王棟　李文峰　齊偉恒

摘要：氣候環境是影響馬鈴薯生長發育的至關重要因素之一，為了對云南省的馬鈴薯種植進行氣候適宜性區劃，以云南省境內125個氣象監測站測得的溫度、降水、日照時數等氣象數據和云南省地理信息數據為基礎，結合前人對馬鈴薯生長的生理生態研究成果，通過專家打分法和層次分析法等技術手段建立了云南省馬鈴薯種植氣候適宜性評價指標體系。該評價體系包括“生育期平均氣溫”“生育期降雨量”“生育期日照時數”“云南省7月平均氣溫”和“云南省地理海拔高度”5個評價指標，將每個指標劃分為“最適宜區”“適宜區”和“次適宜區”3個區域。在該評價體系的基礎上構建了綜合評價模型，運用地理信息系統（GIS）技術，對云南省馬鈴薯種植的氣候適宜性進行了區域劃分。結果顯示，馬鈴薯最適宜種植區占云南省的24.6%，適宜區占56.1%，次適宜區占13.9%。研究結果可為云南省馬鈴薯科學種植規劃提供參考依據。

關鍵詞：地理信息系統（GIS）；馬鈴薯；適宜性；云南省；區劃

中圖分類號： S162.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0185-05

云南省地處我國的西南邊陲，位于21°8′32″～29°15′8″N、97°31′39″～106°11′47″E之間，是人類文明重要的發祥地之一，廣闊的地域面積造就了生態環境的多種多樣。當地的自然氣候條件適宜馬鈴薯的生長發育，是中國馬鈴薯五大主產區之一[1]。自從馬鈴薯傳入云南之后，人們對其種植因地制宜，創造了多種多樣的耕作制度，積累了豐富的馬鈴薯栽培經驗，形成了各具特色的地方食品。在云南省內，馬鈴薯既被當作糧食又被當作菜品，深受人們的喜愛。由于云南省特殊的立體氣候，幾乎周年均可生產，并且云南的馬鈴薯生產周期較短，當出現了糧食危機的時候，馬鈴薯便首當其沖地作為備糧備荒的主要糧食作物[2]。由此可見，馬鈴薯對于云南省乃至全國糧食安全方面起著舉足輕重的作用。

據2013年的“中國馬鈴薯大會報告”資料中顯示，云南省所產馬鈴薯的總產量占全國馬鈴薯總產量的8%。經查閱《云南農業年鑒》的統計數據，2013年的主要糧食總產量中，玉米約734.2萬t，稻谷約667.9萬t，豆類約131.4萬t，小麥約80.5萬t，薯類約207.6萬t（按折糧計算），薯類當中馬鈴薯約194.5萬t（按折糧計算）。2014年，云南省的馬鈴薯種植面積達56.4萬hm2，占全省糧食種植總面積的18.76%。馬鈴薯已逐漸發展為云南省繼玉米、水稻之后的第三大糧食戰略作物。馬鈴薯作為重要的糧食、蔬菜和加工原料，對云南省農業農村的經濟發展以及農民增收致富起著至關重要的作用。按生產周期劃分，在云南省主要有大春馬鈴薯、小春馬鈴薯和冬季馬鈴薯3種，就其播種面積來看，以上三者分別占66.1%、18.5%和15.4%，按其產量計算，分別占云南省馬鈴薯總產量的66.3%、9.6%和14.1%。本研究將云南省境內的大春一季作馬鈴薯作為研究對象，對其在云南省種植的氣候適宜性進行研究。

目前，國內外關于馬鈴薯的最適生長發育氣候條件、馬鈴薯氣候生產潛力等方面的研究比較多，諸如李亞杰等[3]、秦玉芝等[4]、黃沖平[5]、姚玉璧等[6]對馬鈴薯的整個生長發育狀態進行深入研究，并取得了豐碩的成果。他們普遍認為，海拔、溫度和光照等氣象因子是影響馬鈴薯生長發育的關鍵因子。林念萍等[7]、苗慶林等[8]、李瑞等[9]通過使用層次分析法針對不同研究對象解決了相關區劃問題，均取得了比較科學完善的成果。在此類研究的基礎上，王連喜等使用GIS技術對寧夏回族自治區馬鈴薯種植氣候進行了區劃[10]；李麗純等對福建省的馬鈴薯氣候減產進行了風險分析和區劃[11]；白美蘭等對內蒙古烏蘭察布盟地區的馬鈴薯優良品種種植進行了區劃[12]；高永剛等對黑龍江省馬鈴薯氣候生產力特征進行了區劃[13]。以上專家學者的研究表明，GIS技術在農作物種植氣候區劃方面已經發展得相對比較完善，但是，在作為全國馬鈴薯五大主產區之一的云南省范圍內，將GIS技術與馬鈴薯種植農業氣候區劃及適應性評價相結合的研究卻鮮有報道。云南省馬鈴薯種植生產的現狀仍是以農戶分散種植為主，適宜與不適宜種植、種植效果好壞僅憑經驗判斷，缺乏一個科學的區分依據。本研究將通過采集云南省氣象監測站點收集到的平均氣溫、降水量、日照時數等氣候要素數據，結合云南省基礎地理信息數據等資料，建立云南省馬鈴薯種植的氣候區劃評價指標體系，構建基于空間專題數據庫的適應性評價模型，對云南省馬鈴薯種植的氣候適宜性進行區域劃分，以期為云南省馬鈴薯產業的布局規劃提供科學參考。

1材料與方法

1.1數據采集

本研究中所用到的基礎地理信息數據是1 ∶25萬的云南省基礎地理信息數據，數據主要包括以下5個方面：（1）云南省各地州及縣的政府所在地圖層；（2）云南省縣級及以上行政區邊界圖層；（3）云南省境內125個氣象監測站點所在地的經緯度；（4）云南省數字高程模型（DEM）數據；（5）各柵格數據。

云南省氣象局提供的氣象數據是本研究所使用的氣象資料主要來源。數據主要包括云南省全境125個氣象監測站測得的2015年溫度、積溫、降水、日照時數等數據資料（圖1）。

1.2數據處理

借鑒前人對馬鈴薯生長的生理生態研究成果，結合云南省實際的馬鈴薯種植生產狀況，按照各氣象因子對馬鈴薯生長發育的不同影響程度，將所收集到的溫度、積溫、降水、日照時數等氣象數據分時間段進行整理。通過對所獲取數據進行相應的篩選和補充等前期工作后，得到研究中所用到的各項數據。

為了得到一個完整連續的表面，從而給區劃研究提供必要的空間數據可視化支撐，研究人員通常使用空間插值的方法來對空間數據進行完善。在ArcGIS平臺上，通過插值運算所生成的表面通常可以使用多種方法來實現，諸如反距離權重插值法、樣條函數插值法、克里金插值法、自然鄰域插值法，以及趨勢面插值法等[14]。克里金插值法是一種基于統計學的插值方法。克里金插值法的基本原理是，根據相鄰的變量的值利用變異函數揭示出的區域化變量，使用其內在聯系來估計空間變量數值。用克里金插值法進行插值的主要步驟如圖2所示。endprint

1.3研究方法

為得到更加客觀且更加準確的結果，在本研究中采用層次分析法對各評價指標進行了分析。層次分析法（analytic hierarchy process，簡稱AHP）是20世紀70年代初美國運籌學家T.L.Saaty教授提出的，通過使用網絡系統理論以及多目標綜合評價的方法得出一種層次權重決策分析方法。層次分析法的核心是通過決策專家豐富的研究經驗針對研究對象進行定量判斷。這一方法大大提高了決策依據評判的準確性，在缺乏大量統計數據且結構較為復雜的情況下具有很好的可行性。這是一種靈活便捷并且具有較高實用價值的多標準決策法。使用層次分析法確定評價指標權重的基礎是通過比較同一層次內各個指標之間的相對重要性，來進行綜合指標權重的計算[15]。層次分析法廣泛應用于生態安全、環境規劃、區域承載力、化學品環境性能評價等眾多領域[16]。

2結果與分析

2.1云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區劃評價指標體系

馬鈴薯原產于南美洲安第斯山區，喜冷涼氣候。通過我國的生產實踐證明， 在高海拔（≥1 000 m）山區其品質優、產量高。池再香等通過對春薯進行平均氣象產量與春薯種植期氣候因子的關系進行分析，得到在貴州西部區域春薯的氣候適宜性區劃指標主要有生育期的平均氣溫、≥10 ℃活動積溫、晝夜平均溫差、日照時數、降水量、7月平均氣溫、5—7月降水量以及其所處的海拔高度[17]。苗百嶺等通過使用相關分析和回歸分析等方法，分區域對陰山旱作區影響馬鈴薯生長發育及其產量的關鍵氣象因子進行分析，確定了馬鈴薯生長季節平均溫差、生長季降水量為該區域影響馬鈴薯生長發育的氣候區劃指標。分析結果顯示，通過顯著性水平檢驗的主要有5個氣候因子，分別是6月降水量、7月降水量、8月降水量、8月日照時數和8月平均氣溫[18]。宋學峰等通過研究發現，影響馬鈴薯產量相關程度最高的氣候因子分別有結薯期溫度、降水量、日照時數和風速。利用以上因子與馬鈴薯的產量進行單相關分析，結果表明，以上氣候因子與馬鈴薯產量一般呈線性關系。其中，還發現了平均氣溫與產量呈正相關；穩產與產量呈負相關等一系列相關關系[19]。孫文堂等研究發現，結薯期平均溫度、平均最高溫度、降水量等氣候因子與馬鈴薯產量之間具有相當高的相關性[20]。研究表明，馬鈴薯在環境氣溫4 ℃以上便可萌芽，在萌發期對水分和光照需求較少，因而此階段內影響其發芽的主要環境因子是溫度，而且這也是決定馬鈴薯能否獲得高產的先決條件。結薯期溫度對馬鈴薯塊莖大小起著決定性的作用，在15～19 ℃范圍內最適宜馬鈴薯塊莖膨大，而當溫度超過21 ℃，馬鈴薯塊莖將退化嚴重[21]。

通過對前人研究工作的分析和借鑒得知，馬鈴薯薯塊在氣溫4 ℃時便開始萌芽，此間最適宜溫度為5～7 ℃。塊莖形成的最適宜溫度為16～20 ℃，當氣溫低于2 ℃或高于30 ℃的時候，馬鈴薯塊莖停止膨大。當降水量不低于 500 mm 時才能滿足馬鈴薯生育期生長發育的生理需要，其最適宜的降水量為800～1 100 mm。關于光照因素，當整個生育期日照時數 1 000 h 左右最適宜馬鈴薯生長。經過從事馬鈴薯研究的數位專家評議后，最終決定本研究從“生育期（3—9月）平均氣溫”“生育期（3—9月）降水量”“生育期（3—9月）日照時數”“云南省7月平均氣溫”和“云南省地理海拔高度”5個影響馬鈴薯的主要氣候因子對馬鈴薯的生長發育影響情況進行分析，并得出“云南省馬鈴薯種植的氣候適宜性區劃指標”（表1）。

將采集到的云南省基礎地理信息數據和云南省氣象局提供的氣象數據通過GIS平臺，運用克里金插值的方法作出各因子的柵格圖，再對柵格圖進行重分類作出影響馬鈴薯生長發育各要素的分布圖（圖3）。

2.2云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區劃評價模型

2.2.1求取各評價指標權重

將選取的5個區劃指標運用兩兩對比的方法構建區劃因子權重判斷矩陣。其中，用1～9的標度來表示各個因子之間的重要性。本研究運用專家打分的方法，通過聘請10位云南省從事馬鈴薯研究的專家，依托專家對馬鈴薯多年研究的經驗積累，經逐項判斷后對矩陣進行填充。

一致性。因而，確定權重為：海拔因素占0.401 9，日照時數因素占0.207 9，降水量因素占0.197 8，7月平均溫度因素占0133 9，生育期平均溫度因素占0.058 5。

2.2.2指標的無量綱化

作物生態適宜性評價的一個相當重要的步驟就是數據的無量綱化。由于專家打分法具有一定的主觀性，因而，通過無量綱化計算，改變量綱對因子的影響，使得所有評價因子都處于同一水平線，從而再進行比較就會使結果更加科學、更加規范。這一步驟為整個評價結果的精確度及正確性提供了保障。

對各指標進行無量綱化處理，利用公式計算出柵格數據的無量綱值Fij：

2.2.3綜合評價模型

本研究的區劃依據是構建云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區劃綜合評價模型，通過使用層次分析法計算各區劃指標的權重值，利用前面所做工作得到的數據進行加權求和：

式中：S表示云南省馬鈴薯種植氣候適宜性評價的綜合得分；fi表示的是無量綱處理后的因子量化值，Wi表示各因子所占的權重。

2.3云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區劃

利用ArcGIS中柵格計算器進行圖層的疊加計算分析，根據影響馬鈴薯生長發育的各氣候因子權重，通過求加權和評價模型對其適應性得分計算，最終生成各相關因子的云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區劃專題圖（圖4）。

由圖4及相關數據可以看出，云南省種植馬鈴薯的最適宜氣候區域主要分布在滇東北區域和滇西北高海拔生態區域以及滇西的部分區域，主要有宣威縣、尋甸縣、馬龍縣、富源縣、陸良縣、沾益縣、騰沖縣、石林縣、會澤縣等36個縣域，根據區劃的統計結果，此區域合計10.43萬km2，占據云南省總面積的24.6%；云南省種植馬鈴薯的氣候適宜區域主要分布在滇東區域和滇西區域范圍內，主要有祿勸縣、祿豐縣、昌寧縣、鳳慶縣、云縣、武定縣、開遠縣等55個縣域，根據區劃的統計結果，此區域合計23.81萬km2，占據云南省總面積的561%；除以上的最適宜區和適宜區之外，剩下的區域大都在次適宜區范圍內，其分布大都在滇中地區。主要有德欽縣、香格里拉、維西縣、鹽津縣、元謀縣、洱源縣等29個縣域，統計結果顯示，此區域合計8.17萬km2，占云南省總面積的19.3%。endprint

3討論與結論

3.1討論

為了研究馬鈴薯在云南省適宜生長的氣候區域，本研究以GIS技術和數理統計方法為技術支撐，以云南省馬鈴薯生長生理狀態、云南省基礎地理信息數據和云南省氣象數據為研究分析的對象，對影響云南省馬鈴薯種植的氣候條件進行分析，對馬鈴薯種植的適宜性進行了區域劃分。通過一系列的數理計算及空間數據分析得到云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區劃專題圖。經查閱云南省農業統計年鑒，整理相關數據發現：曲靖馬鈴薯播種面積7.053萬hm2，占當地糧食種植面積的14.48%，占全省馬鈴薯種植面積的31.15%，單產19043 t/hm2；大理馬鈴薯播種面積0.613萬hm2，占當地糧食種植面積的2.15%，占全省馬鈴薯種植面積的2.70%，單產13.118 t/hm2；迪慶馬鈴薯播種面積0.317萬hm2，占當地糧食種植面積的6.09%，占全省馬鈴薯種植面積的1.40%，單產12.953 t/hm2。將以上數據與本研究專題圖進行比對，可以發現本研究中對區域的劃分與實際生產數據吻合，這些地區的實際生產種植狀況與本研究的最適宜區和次適宜區都基本成正比，氣候最適宜區播種面積和產量都較大，適宜區的種植面積和產量均處于一般水平，而次適宜區的播種面積產量相對較少，進一步驗證了本研究的實用性。

但是，通過數據和圖像的對比也發現了一些問題，如昭通市馬鈴薯播種面積9.325萬hm2，占當地糧食種植面積的2184%，占全省馬鈴薯種植面積的41.20%，單產 11.408 t/hm2。從本研究的專題圖上看到，昭陽、彝良、鎮雄等縣約占昭通一小半地域，處于氣候最適宜種植區，但還有大半土地是適宜區和次適宜區。實際的生產狀況與本研究有一定的出入。由此可以認為，土壤類型、種植技術和人文環境等非氣候因素對馬鈴薯的種植也有一定的影響。

3.2結論

本研究通過對影響云南省馬鈴薯種植生產的氣候因子以及云南省的經緯度、海拔等基礎地理信息數據進行分析，結合當地農民的生產實際，運用專家打分和層次分析法對所分析的數據進行處理，確定了研究中的區劃指標，使得整個區劃結果更加客觀，更加合理。通過定量劃分對馬鈴薯種植的氣候適宜性進行精細化的區域劃分，其中最適宜種植區有 10.43萬km2，占據云南省總面積的24.6%；適宜種植區有23.81萬km2，占據云南省總面積的56.1%；次適宜區約有817萬km2，占云南省總面積的19.3%。通過采用GIS技術和數理統計方法，結合云南省特殊的地理條件、豐富的氣候類型以及馬鈴薯生長發育對環境的要求，科學合理地對云南省馬鈴薯種植業進行氣候區劃，充分利用云南省的氣候資源，降低選址的盲目性，可提高馬鈴薯的質量和產量，為馬鈴薯在云南省種植的進一步擴大化和資源的可持續利用提供了一定的理論依據。

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