基于GIS的杭州市枇杷氣候生態(tài)區(qū)劃

劉 娟，徐海軍，姜燕敏

(1.浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310016；2.浙江省杭州市余杭區(qū)氣象局，浙江 杭州 311100；3.浙江省麗水市氣象局，浙江 麗水 323000)

枇杷是亞熱帶常綠果樹(shù)，屬薔薇科植物，起源于我國(guó)西南地區(qū)，有較高的經(jīng)濟(jì)效益和良好的生態(tài)效應(yīng)[1]。

杭州屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候條件比較適宜枇杷的種植，種植枇杷已有近1400年的歷史，尤其是余杭塘棲枇杷，因其果形美觀、色澤金黃、果大肉厚、汁多味美而享譽(yù)省內(nèi)外，已成為浙江省乃至全國(guó)久負(fù)盛名的傳統(tǒng)特色果品[2]。

近年來(lái)，杭州市及其周邊地區(qū)枇杷種植面積不斷擴(kuò)大，2015年全市枇杷種植面積2438 hm2，總產(chǎn)量達(dá)到13111 t。但由于地貌復(fù)雜、氣候多變等原因，經(jīng)常造成枇杷產(chǎn)量和質(zhì)量的波動(dòng)，如2016年受到年初世紀(jì)強(qiáng)寒潮影響，杭州塘棲枇杷減產(chǎn)8成，產(chǎn)量創(chuàng)歷年最低。因此，根據(jù)本地的氣候特點(diǎn)和變化規(guī)律，確定枇杷種植的氣候適宜性分布可以有效防御氣象災(zāi)害，提高氣候資源的利用效率，有助于對(duì)今后的枇杷種植進(jìn)行科學(xué)合理的布局。

GIS技術(shù)有強(qiáng)大的空間分析功能，它可以將氣候數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加和綜合分析，將區(qū)劃結(jié)果發(fā)展為基于相對(duì)均質(zhì)的地理網(wǎng)格單元，顯著提高區(qū)劃結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度，近年來(lái)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的有效手段。魏麗[3]、李迎春等[4]分別應(yīng)用GIS開(kāi)展了江西優(yōu)質(zhì)早稻、井岡山毛竹的種植區(qū)劃研究；金志鳳等建立了基于GIS的浙江楊梅、胡柚等特色作物的氣候區(qū)劃[5-7]；福建的學(xué)者對(duì)枇杷種植區(qū)劃開(kāi)展了較多、較深入的研究，黃國(guó)成[9]以極端最低氣溫值為指標(biāo)，運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)福建優(yōu)勢(shì)枇杷產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了精細(xì)區(qū)劃和布局分析；張輝等[10]圍繞枇杷越冬的限制因子——極端最低氣溫，基于GIS平臺(tái)，對(duì)福建永泰山區(qū)枇杷進(jìn)行了避凍區(qū)劃；陳家金等[11]構(gòu)建了福建枇杷氣象災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，應(yīng)用GIS技術(shù)制作出風(fēng)險(xiǎn)精細(xì)區(qū)劃圖。

本文運(yùn)用GIS和杭州市地形數(shù)據(jù)建立了杭州市數(shù)字高程模型(DEM)，結(jié)合氣候要素地理推算模型和細(xì)網(wǎng)格推算方法，對(duì)杭州市枇杷種植區(qū)進(jìn)行了氣候生態(tài)區(qū)劃，以期為今后杭州枇杷種植發(fā)展規(guī)劃提供所需的氣候依據(jù)。

1 枇杷生長(zhǎng)與氣象條件的關(guān)系

1.1 溫度

枇杷喜溫暖氣候，年平均氣溫在12 ℃以上即能正常生長(zhǎng)，15 ℃以上更適宜。枇杷冬季開(kāi)花，春季形成果實(shí)，以花果越冬，冬春氣候條件最能影響枇杷生長(zhǎng)[12]。其中，枇杷的花蕾比較耐凍，可耐-7～-5 ℃的低溫，而且枇杷開(kāi)花延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，頭批花受凍還有后續(xù)花，花發(fā)生凍害對(duì)枇杷產(chǎn)量影響較小；而幼果受凍時(shí)，果實(shí)胚或果肉就會(huì)出現(xiàn)褐變，果實(shí)不能正常生長(zhǎng)或停止生長(zhǎng)，從而造成枇杷的減產(chǎn)或絕收[13]。因此，枇杷幼果期的低溫凍害是影響枇杷生產(chǎn)的主要限制因素。近年來(lái)，雖然氣候變暖，但階段性極端降溫過(guò)程依然多發(fā)，極端最低氣溫低，凍害導(dǎo)致枇杷受損的情況時(shí)有發(fā)生。

關(guān)于枇杷幼果的凍害指標(biāo)，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為枇杷幼果凍害的臨界溫度為-3 ℃[12]。陳惠等[14]根據(jù)福建省近5年的枇杷幼果低溫箱試驗(yàn)和低溫過(guò)程山坡地枇杷凍害觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合最低氣溫(Tmin)和最低氣溫的持續(xù)時(shí)間(Td)，給出枇杷幼果凍害的具體等級(jí)指標(biāo)：

輕度：-2.5 ℃

中度：-3.5 ℃3 d；

重度：-4.5 ℃3 d；

極重：Tmin≤-4.5 ℃，Td≤3 d或Tmin≤-3.5 ℃，Td>3 d。

1.2 水分

枇杷喜空氣濕潤(rùn)、水分充沛的環(huán)境，要求年降雨量在1000 mm以上，且分布較均勻，一般來(lái)說(shuō)，年降雨量在1100～1800 mm對(duì)枇杷生長(zhǎng)較為適宜。

1.3 光照

枇杷屬喜光耐陰樹(shù)種，對(duì)光照要求不嚴(yán)。枇杷的花芽分化期一般出現(xiàn)在7～9月，此時(shí)杭州地區(qū)一般進(jìn)入夏季，晴天多雨日少，光照強(qiáng)度基本上能滿足枇杷對(duì)光照的要求。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概述

杭州市地處中國(guó)東南沿海，浙江省的西北部，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，年溫適中，冬寒夏熱，春溫秋爽，四季分明，光照充足，雨量充沛。年平均氣溫15～17 ℃，呈南高北低分布。年平均降雨量1100～1600 mm，但在環(huán)流和地形影響下，各地降水量和雨日多寡懸殊，其分布趨勢(shì)一般是自西南向東北遞減，自河谷平原和新安江水庫(kù)區(qū)向丘陵山地遞增。

杭州地形復(fù)雜多樣，地勢(shì)西高東低，東部屬浙北平原，地勢(shì)低平，河網(wǎng)密布，具有典型的“江南水鄉(xiāng)”特征；西部屬浙西丘陵區(qū)，主干山脈有天目山、白際山、昱嶺等，最高海拔近1800 m。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)由杭州市氣象局提供，包括杭州地區(qū)34個(gè)自動(dòng)氣象站1981～2015年的逐日基本氣象要素?cái)?shù)據(jù)，包括平均氣溫、最低氣溫和降雨量。

地理信息數(shù)據(jù)采用浙江省基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶50000杭州市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行空間分析，提取研究區(qū)的坡度與坡向信息。

3 研究方法

3.1 確定氣候區(qū)劃指標(biāo)，建立空間分析模型

根據(jù)枇杷生長(zhǎng)與氣象條件的關(guān)系，枇杷生長(zhǎng)易受的氣象災(zāi)害影響情況，結(jié)合杭州枇杷種植實(shí)際和前人的研究成果，確定了枇杷種植氣候區(qū)劃指標(biāo)：(1)熱量條件：年平均氣溫T年；(2)水分條件：年降水量R年；(3)關(guān)鍵氣候因子：花果越冬期(12月～次年3月)極端最低氣溫Tmin、花果越冬期日最低氣溫≤-3 ℃的低溫持續(xù)日數(shù)FT≤-3。

利用34個(gè)氣象站的氣象資料，整理和計(jì)算出上述4個(gè)氣候區(qū)劃指標(biāo)的值。應(yīng)用SPSS數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件，建立了各氣候區(qū)劃指標(biāo)與緯度、經(jīng)度和海拔高度的多元回歸模型(表1)。經(jīng)F檢驗(yàn)，均通過(guò)了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)。

為解決區(qū)劃中氣象資料以點(diǎn)代面的問(wèn)題，需要對(duì)氣象要素進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格推算。為提高插值精度，本文利用混合插值法，即整體插值法和局部插值法的綜合，表達(dá)式如下：

F=f(φ,λ,h)+ε

式中φ表示緯度，λ表示經(jīng)度，h表示海拔高度，ε表示殘差項(xiàng)；其中

ε=F實(shí)測(cè)值-f(φ,λ,h)

前期利用多元回歸建立的推算模型f(φ,λ,h)能從總體上模擬氣象要素的空間分布，但為了提高精度，還必須對(duì)各站點(diǎn)氣象要素回歸后的剩余殘差值ε再次進(jìn)行空間插值，本文采用回歸反距離權(quán)重法對(duì)剩余殘差值進(jìn)行二次空間插值。

表1 氣候區(qū)劃指標(biāo)的多元回歸模型

注：***表示在0.01水平上的顯著性。φ表示緯度，λ表示經(jīng)度，h表示海拔高度。

3.2 評(píng)價(jià)方法

3.2.1 區(qū)域評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建 本研究評(píng)價(jià)模型采用的是基于GIS的加權(quán)指數(shù)求和法。即根據(jù)不同區(qū)劃指標(biāo)影響強(qiáng)度的差異，給定與該區(qū)劃指標(biāo)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的權(quán)重，將區(qū)劃指標(biāo)的權(quán)重和評(píng)價(jià)值的乘積之和作為量化指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)。

其評(píng)價(jià)模型為：

式中:Yi表示評(píng)價(jià)目標(biāo)i的得分；Pj表示第j個(gè)區(qū)劃指標(biāo)的權(quán)重；Xij表示評(píng)價(jià)單元i在區(qū)劃指標(biāo)j上的評(píng)價(jià)值；n表示評(píng)價(jià)單元數(shù)；m表示區(qū)劃指標(biāo)數(shù)。

3.2.2 區(qū)劃指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 枇杷生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成不僅受氣象因素的影響，同時(shí)還受地形等環(huán)境條件的制約。研究表明：山地的南向和東南向平緩中下坡，坡度<25°，土層深厚，水分充足，冷空氣不易積聚，最適宜枇杷種植。西坡對(duì)枇杷生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，容易發(fā)生旱害和日灼病[7]。

枇杷生長(zhǎng)對(duì)土壤要求不嚴(yán)，在一般土壤上均能生長(zhǎng)結(jié)果；枇杷對(duì)土壤酸堿度適應(yīng)范圍較廣，一般pH值在4.5～8.5之間都能正常生長(zhǎng)發(fā)育。所以本文暫不考慮土壤條件對(duì)枇杷種植的影響。

因此，選定枇杷種植的綜合區(qū)劃指標(biāo)為4個(gè)氣候指標(biāo)和3個(gè)地形指標(biāo)(海拔、坡度、坡向)。為了方便綜合區(qū)劃的精細(xì)化，對(duì)7個(gè)區(qū)劃指標(biāo)分為適宜、一般適宜和不適宜3個(gè)等級(jí)(表2)。

表2 枇杷區(qū)劃指標(biāo)的等級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)

3.3 區(qū)劃指標(biāo)權(quán)重的確定

由于各個(gè)區(qū)劃指標(biāo)對(duì)枇杷種植的影響是互相不同的，為了綜合考慮多因子的影響，引入層次分析法確定權(quán)重Pj。

3.3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型 根據(jù)各區(qū)劃指標(biāo)對(duì)枇杷種植適宜性的影響程度不同，分成3個(gè)層次：第1層為目標(biāo)層，即枇杷種植氣候區(qū)劃層(A)；第2層為因子層(B)，即一級(jí)區(qū)劃指標(biāo)層(氣候B1和地形B2)；第3層為因子層(C)，即二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)層(4個(gè)氣候指標(biāo)C1、C2、C3、C4和3個(gè)地形指標(biāo)C5、C6、C7)。

3.3.2 構(gòu)造判斷矩陣 將同一層中各要素相對(duì)于上一層而言進(jìn)行兩兩比較，對(duì)每一層中各因素的相對(duì)重要性給出一定的判斷，采用1～9比率標(biāo)度進(jìn)行定量化，并進(jìn)行兩兩因素之間的比較，形成判斷矩陣,確定區(qū)劃判斷矩陣。該矩陣滿足以下3個(gè)特征：

Rij=1

Rij=1/Rji，i,j=1,2,3,…,n

Rij>0，i,j=1,2,3,…,n

各區(qū)劃指標(biāo)的權(quán)重值如表3。

3.3.3 矩陣隨機(jī)一致性比率的檢驗(yàn) 判斷矩陣所求的權(quán)重是否合理，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)公式為：

RC=CI/RI

其中：RC為判斷矩陣的一次性比率，CI為一致性指標(biāo)，RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。CI的計(jì)算公式為：CI=(λmax-n)/(n-1),其中，λmax為矩陣的最大特征根。

當(dāng)RC<0.1時(shí),即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，說(shuō)明權(quán)重的分配是合理的；否則就需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)計(jì)算，RC=0.0053，表明權(quán)重的分配是合理的。

在GIS技術(shù)平臺(tái)的支持下，應(yīng)用其中的空間分析功能模塊，將7個(gè)綜合區(qū)劃指標(biāo)適宜性等級(jí)圖按照相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行疊加，得到綜合指數(shù)的分布圖。分析綜合指數(shù)的分布規(guī)律，將杭州市枇杷種植氣候生態(tài)區(qū)劃確定為適宜、一般適宜和不適宜3個(gè)等級(jí)(圖1)。

表3 綜合判斷矩陣和各因子權(quán)重

圖1 杭州市枇杷種植氣候生態(tài)區(qū)劃

4 區(qū)劃結(jié)果與分析

整體來(lái)看，杭州市東部地區(qū)適宜種植枇杷，而西部地區(qū)不適宜枇杷種植，其主要原因和杭州市地形分布有關(guān)。

杭州市枇杷適宜種植面積有2698.41 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)域的16.26%，主要集中在蕭山區(qū)、余杭區(qū)東北部和杭州主城區(qū)東北部，這些區(qū)域多為錢塘江沖擊平原地帶，地勢(shì)較平，河網(wǎng)密集，熱量和水分資源充沛，且冬春季節(jié)冷空氣不易堆積，枇杷越冬條件好，發(fā)生凍害的概率較低。

杭州市枇杷種植一般適宜區(qū)面積有2700.65 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)域的16.27%，主要分布在余杭區(qū)西北部、富陽(yáng)區(qū)東部以及桐廬縣和建德市沿富春江周邊的少量低丘陵地帶。這些區(qū)域基本能滿足枇杷種植的氣候要求，像沿富春江流域氣候溫暖濕潤(rùn)，且海拔相對(duì)較低，在正常年份枇杷基本能安全越冬。

但是杭州市將近70%的面積不適宜枇杷種植，這些區(qū)域都在杭州西部，具體分布在臨安區(qū)、淳安縣和建德、桐廬的大部分地區(qū)，這些區(qū)域多山地，海拔較高，冬春季節(jié)極端最低氣溫較低，且低溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，枇杷發(fā)生中度或重度以上凍害的概率很高。

5 討論

(1)本研究對(duì)枇杷種植區(qū)的氣候資源進(jìn)行了細(xì)網(wǎng)格推算，打破了以點(diǎn)代面的局限性；在此基礎(chǔ)上利用GIS技術(shù)進(jìn)行精細(xì)區(qū)劃，實(shí)現(xiàn)了區(qū)劃結(jié)果的定量化，不僅準(zhǔn)確地反映了地形對(duì)氣候的影響，而且也大大提高了區(qū)劃的精度。

(2)除受低溫凍害的影響外，枇杷的生長(zhǎng)還受連陰雨、干旱、大風(fēng)等其他氣象災(zāi)害的制約。本文僅考慮了低溫這一關(guān)鍵氣候因子，區(qū)劃結(jié)果有一定的局限性。在以后的研究中將進(jìn)一步考慮多種氣象災(zāi)害對(duì)枇杷生長(zhǎng)發(fā)育的綜合影響。

(3)枇杷的實(shí)際種植生產(chǎn)還應(yīng)科學(xué)選擇園地和結(jié)合農(nóng)技措施防寒防凍。丘陵山地選擇南向、西向、西南向或東南向?yàn)楹茫苊庠谏郊埂L(fēng)口或冷空氣易沉積的低凹地方栽種枇杷。對(duì)局部易遭受凍害的栽培區(qū)，生產(chǎn)上可采取種植晚熟品種、推遲開(kāi)花栽培、多留中后期花和樹(shù)膛內(nèi)的花穗、早套袋等措施[16]。

(4)本文區(qū)劃結(jié)果基本上符合杭州市枇杷實(shí)際種植現(xiàn)狀，但仍然可能存在著少部分地區(qū)區(qū)劃等級(jí)與實(shí)際不符的現(xiàn)象，例如蕭山有部分區(qū)域因土壤、地下水位等因素，種植枇杷較少。因此，區(qū)劃指標(biāo)的選定和指標(biāo)的量化分級(jí)還需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷修正與完善，使綜合區(qū)劃結(jié)果更加合理、實(shí)用。