基于GridMet模型的浙江省水稻種植適宜性區劃分析

蔣 茜, 邱新法, 李爽爽, 施國萍

(1.南京信息工程大學地理科學學院，南京 210044；2.南京信息工程大學應用氣象學院，南京 210044；3.浙江省氣象信息網絡中心，杭州 310017)

中國是世界上最大的水稻生產國和消費國[1]。水稻的生長發育受外界因素影響較大，但近年來中國高溫熱害和低溫凍害的頻發，導致水稻生長受到一定限制，因此，調整水稻區域分布對提高水稻品質和產量具有重要意義。

目前，已有許多學者對中國水稻種植區劃進行研究。從選取的指標上看，早期大多數學者主要著重于研究氣候因子對水稻的影響[2-4]。他們選取的指標偏重平均氣溫、通過10 ℃活動積溫、日照時數等。隨著研究的逐步深入，學者們開始引入地形因子。Kumhálová等[5]認為，對于作物產量的影響因素的分析非常重要，而地形正是其中影響比較頻繁的一個因素。王琛智等[6]分析了地形對水稻生產的影響，研究得出：地形因素對水田分布的空間格局影響最為明顯。王姣[7]利用相關分析研究得出高程、坡度、起伏度、地形粗糙指數、地形濕度指數與水稻單產存在顯著相關關系。在研究各因素對水稻種植影響的過程中，學者們往往只考慮氣候、地形、土壤一方面的因子，或者在研究地形、土壤對水稻種植影響的過程中，只保留少數幾個氣候因子。因此，首先保證了氣候因子的完整性，又引入地形和土壤因子，綜合考慮了氣候、地形、土壤三方面的多個因子對浙江省水稻種植區劃的影響。

從氣候要素的空間分布上看，已有的研究多利用GIS的空間內插方法將氣象要素空間化[8-9]，該方法簡單可行，但未充分考慮氣象要素的空間分布，忽略了不同地理環境對氣象要素的影響，特別是地形復雜的山區。由于浙江省境內多丘陵，地形復雜，采用GridMet模型，模擬了浙江省起伏地形下各氣候要素的空間分布，實現了水稻種植區氣象要素的細網格化。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

所用氣象資料為浙江省1970—2015年的71個氣象觀測站的觀測資料，其中包括逐日平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、降雨量、相對濕度、風速、日照百分率等氣象要素數據以及各站點的經緯度、海拔高度等基礎地理數據。1∶25萬土地利用現狀數據來源于浙江省國土資源廳。土壤數據來源于基于世界土壤數據庫(HWSD)的中國土壤數據集[10]。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候要素空間化

由于氣象站點的觀測數據不能夠完全反映氣候資源的空間分布特征，所以利用科學的模型GridMet模型，模擬起伏地形下氣象要素的空間分布，解決了傳統農業區劃的粗略性問題，得到精細化的農業氣候資源空間分布結果。根據不同的氣象要素，選擇適宜的方法進行空間化。

1.2.2 農業氣候區劃方法

農業氣候區劃的劃分方法大致可以分為兩大類，一類是傳統的經典區劃方法，另一類是近年來出現的新的區劃方法[11]?，F主要采用新區劃方法中的權重法，即先選擇參評因子，將各因子歸一化，然后按照一定的區劃原則，將各因子按照相應的方法制作空間分布圖，最后將各因子根據權重進行運算疊加，得到最終的區劃結果。

1.3 技術路線

水稻種植適宜性區劃流程如圖1所示。

圖1 水稻種植區劃流程Fig.1 Process of rice planting regionalization

2 水稻生長適宜條件與區劃指標

2.1 水稻生長適宜性條件

2.1.1 氣候條件

水稻喜高溫、多濕、短日照，對土壤要求不嚴，水稻土最好。幼苗發芽最適溫度為25～30 ℃，最低溫度10～12 ℃，最高40 ℃。出苗期最適溫度為26～32 ℃，最低溫度12～14 ℃，最高溫度40～42 ℃。離乳期環境溫度>10 ℃，控制淺水層，日照充足。根生長溫度為13 ℃，最高36 ℃。莖、葉生長最適溫度為17～31 ℃，最低10～12 ℃，最高45～50 ℃。分蘗期日均20 ℃以上，穗分化適溫度為30～32 ℃；低溫使枝梗和穎花分化延長。抽穗開花期適溫度為30～35 ℃，空氣相對濕度為70%～80%為宜。灌漿成熟的最適溫度：粳稻為20～21 ℃，秈稻為25～28 ℃[12]。

2.1.2 土壤條件

適合水稻生長的土壤類型為水稻土。水稻上的pH應該在6.0～7.5。

2.1.3 地形條件

適合水稻生長的地形條件是海拔高度為 600～700 m、坡度小于20°的區域，其中分布最為集中的區域為5°～15°。

2.1.4 影響因子的初選

初步選擇了9個氣候因子、2個地形因子和1個土壤因子共計12個因子作為水稻種植的初步評價指標。具體為年平均氣溫、年日照時數、年降雨量、年平均相對濕度、≥10 ℃活動積溫、生長季平均氣溫、生長季日照時數、生長季降雨量、生長季平均相對濕度、海拔高度、坡度、土壤pH。

2.2 評價體系權重的確定

2.2.1 氣候因子篩選

選擇了9個氣候因子作為評價指標，并采用主成分分析法，定量分析9個氣候因子對水稻分布的實質影響，并反映多個氣候指標信息的相互關系，選取代表性強且能反映各因子特性的指標，最終達到簡化指標數量的目標。利用SPSS 22.0分析軟件對9個氣候因子作主成分分析，并采用方差最大化正交旋轉法(Varimax法)簡化對因子的解釋，最終得到水稻氣候因子的主成分方差貢獻率和累積方差貢獻率(表1)。其中，前3個主成分的累積貢獻率高達89.86%，即反映出89.86%的水稻氣候因子指標信息，已能夠代表主要影響信息。

表1 水稻氣候因子主成分方差貢獻率

表2反映了各主因子的載荷系數，其中，每個主因子中只有少數幾個變量的載荷系數較大，表明這幾個變量與該因子的相關性較強，這些變量能很好地反映該因子的主要信息。第一主因子F1中，年日照時數、年降雨量、生長季日照時數和生長季降雨量的因子載荷系數R較大，這表明這些變量相較于其他變量與主因子F1的相關性更強，這些變量是第一主成分的主要影響因子。第二主成分的影響因子為生長季平均氣溫、≥10 ℃活動積溫和年平均氣溫。第三主成分的影響因子為年平均相對濕度和生長季平均相對濕度。

表2 主因子載荷系數

為了簡化評價指標個數，從3個主成分的高載荷變量中選取因子載荷量大且代表性強的變量作為最終參與評價的氣候因子，這些因子分別為主因子F1中的年日照時數、年降雨量，主因子F2中的生長季平均氣溫、≥10 ℃活動積溫，主因子F3中的年平均相對濕度。

由于水稻不同生長期的適宜氣溫有所不同，對水稻不同生長期的氣溫因子也進行了主成分分析(表3、表4)。

表3 水稻生長期氣溫因子主成分方差貢獻率

表4 水稻生長期氣溫主因子載荷系數

2.2.2 氣候因子權重確定

根據表1中各因子的方差貢獻率確定各氣候因子的權重，具體算法如下。

(1)通過方差貢獻率確定各主因子Fi的權重

(1)

式(1)中：λi為主因子Fi的方差貢獻率(表1)。

(2)各氣候因子xi的權重

Wxi=|aij|WFj，i=1，2，3，4，5；j=1，2，3

(2)

式(2)中：j為xi所屬的主因子類別；WFj為第j個主因子的權重；aij為表2中氣候因子xi所在第j主因子的載荷系數。

(3)對Wxi進行歸一化處理：

(3)

式(3)中：Wi為歸一化處理之后各氣候因子的權重，結果如表5所示。

同上，對水稻生長各時期的氣溫進行權重歸一化處理(表6)。

表5 水稻氣候因子權重

表6 水稻生長期氣溫因子權重

2.2.3 評價體系權重確定

由于各因子對適宜性的影響各不相同，通過綜合區劃指標判斷矩陣[式(4)]，構造層次單排序與層次總排序，并進行一致性檢驗。

(4)

式(4)中：Z為判斷矩陣；bij為gi與gj對目標層的重要程度之比；gi與gj為各因子對目標層的重要程度。

結果表明，排序矩陣通過了一致性檢驗，在此基礎上進行的總排序的一致性檢驗也通過了檢驗，說明表7各指標的權重系數分配合理。

表7 水稻種植區劃因子權重

2.2.4 評價因子量化處理

結合已有的水稻種植研究成果和當地農戶的種植經驗，將水稻種植區劃因子劃分為不適宜、較適宜和適宜3個等級(表8)，水稻生長期的氣溫因子也劃分為3個等級(表9)。

3 水稻種植氣候要素空間建模

3.1 氣候因子分布式模擬

浙江省地形復雜，多為山地和丘陵，為充分反映復雜地形對氣象要素的影響，采用GridMet模型模擬浙江省復雜地形下的氣象要素空間分布。

表8 各區劃指標等級量化表

表9 水稻生長期適宜溫度量化表

3.1.1 日照時間分布式模擬

水稻是喜陽作物，對光照條件要求較高，充足的日照有利于干物質的合成與積累。如果播種、出苗期日照不足，水稻易爛種、爛秧；分蘗期光照不足，則易引發病蟲害；幼穗分化期、抽穗開花-灌漿乳熟期光照不足，易造成水稻空殼和籽粒不飽滿，降低結實率，導致水稻產量下降。所以準確地模擬復雜地形下日照時間的空間分布顯得尤為重要。山區日照時間主要受局地地形起伏和天空狀況(云量等)兩方面的因素影響，采用文獻[13]的研究成果，綜合考慮地形和云量等因素，實現浙江省年日照時間的空間化模擬(圖2)。

圖2 年日照時間空間分布Fig.2 The spatial distribution of theannual sunshine hours

3.1.2 氣溫和積溫分布式模擬

對于山區而言，起伏的地形、坡向、地形遮蔽度、接收到的太陽輻射等因素都能對局地氣溫產生影響，因此考慮局地地形、太陽輻射和大氣狀況等因素[14]，建立了復雜地形下浙江省氣溫空間分布模型，獲得了浙江省5—10月平均氣溫空間分布(圖3)，該分布結果能較好地反映氣溫的宏觀分布趨勢和局地分布特征。

積溫是活動溫度的總和，采用李夢潔[15]的研究模型，模擬了復雜地形下積溫的空間分布(圖4)，該模型反映了積溫與地形等要素的關系。

圖3 生長季平均氣溫空間分布Fig.3 The spatial distribution of theaverage temperature in growing seasons

圖4 ≥10 ℃活動積溫空間分布Fig.4 The spatial distribution of theaccumulated temperature based on 10 ℃

3.1.3 降水分布式模擬

由于地面氣象站點受設站條件的制約，中國大多數氣象站點多建立在地勢平坦的平原地區，而且空間分布不均勻，這導致這些站點的觀測數據并不能反映中國復雜地形下月降水的精細化時空分布。因此，采用潘虹等[16]的研究思想，利用中國地面降水數據集，考慮海拔和地形對降水的局地影響，模擬了復雜地形下年降雨量的空間分布(圖5)。

3.1.4 相對濕度分布式模擬

水分作為限制作物生長的重要因素之一，對水稻的生長發育、光合作用和滲透調節物質積累等生理生化過程有重要影響。適宜的相對濕度對植物的生長起極大的促進作用。Slavik[17]提出空氣中相對濕度的提高會導致植物葉片上氣孔的導電性提高，這會使得葉片吸收二氧化碳的能力增強，從而增強植物的光合作用。利用ArcGIS獲得了浙江省年平均相對濕度空間分布(圖6)。

圖6 年平均相對濕度空間分布Fig.6 The spatial distribution of the average relative humidity

3.2 綜合區劃評估模型

氣候指標為上述模型模擬的氣象要素的空間分布，利用ArcGIS生成的柵格圖；地形指標中的海拔柵格圖為數字高程模型(digital elevation model，DEM)數據圖，坡度柵格圖從DEM中提取獲得。

將各影響因子的柵格數據圖根據表7和表8的劃分標準，生成各影響因子的柵格等級圖，并利用加權求和法計算最終水稻種植適宜性評價結果，其計算公式為

(5)

式(5)中：Ym為柵格m評價指標的綜合得分；wn為第n個評價指標的權重系數；Xmn為柵格m在第n個指標上的評價分值。

4 結果分析

4.1 氣候適宜性

浙江省水稻種植氣候適宜性分布如圖7所示，其中，氣候適宜區占參評總面積的92.28%，這主要是因為浙江省大部分地區光照充足、降水充沛，滿足水稻種植需求。氣候較適宜區占7.43%，主要分布在杭州西部、衢州北部和南部、麗水市和臺州西南部地區，這些地區雖然降水充足但熱量資源和溫度資源較浙江其他地區偏少，這對水稻種植產生了一定影響。氣候不適宜區占0.29%，主要分布在杭州市西北地區和麗水市西部的遂昌縣、中部的龍泉市和南部的慶元縣，這些地區雖然降水充足，但年≥10 ℃活動積溫普遍小于4 300 ℃·d，且生長季平均氣溫在15 ℃左右，使得光熱資源不滿足水稻生長需求，這是這些地區不適宜種植水稻的重要原因。

圖7 水稻種植氣候適宜性分布Fig.7 The distribution of climate suitability of rice cultivation

4.2 地形適宜性

水稻種植地形適宜性分布如圖8所示，地形適宜區占參評面積的56.22%，主要分布在浙江北部，如嘉興市、湖州市區、德清、安吉、余杭、蕭山、紹興市區、上虞、慈溪、戎灣、鎮海、秀洲、江山、衢州、龍游、金華、義烏、永康、蘭溪、黃巖、溫嶺等海拔在200～800 m、坡度在9°～20°的地方。地形較適宜區占25.48%，主要分布在杭州市西部和南部的絕大部分地區、衢州市北部、麗水市、溫州市和臺州市，這些地區由于境內多山脈，對水稻的種植產生了一定的影響。地形不適宜區占18.3%，主要分布在臨安、桐廬、開化、江山市南部、衢州北部和南部、遂昌、松陽、龍泉、慶元、景寧畬族自治縣、青田、永嘉、瑞安西部和仙居南部，這些地區海拔過高、坡度較大，熱量較少，不適宜種植水稻。

圖8 水稻種植地形適宜性分布Fig.8 The distribution of terrain suitability of rice cultivation

4.3 土壤適宜性

水稻種植土壤適宜性分布如圖9所示，土壤適宜區占參評總面積的48.34%，在浙江省各市都有分布，但分布密集區在浙江省西部，這些地區土壤pH大多在6～7.5，適合水稻的種植。土壤較適宜區占42.96%，主要分布在嘉興市、麗水市、臺州市、紹興市和寧波市。土壤不適宜區占8.7%，主要集中分布在浙北嘉興市的東北部、湖州市的東部、紹興市的東南部以及寧波市的中部地區，浙江省其他地區也有零星分布，這些地區土壤過堿或過酸，不適宜水稻種植。

圖9 水稻種植土壤適宜性分布Fig.9 The distribution of soil suitability of rice cultivation

4.4 水稻種植適宜性

利用ArcGIS的空間分析功能，將空間化的氣候適宜性、地形適宜性和土壤適宜性數據進行柵格運算，獲得水稻種植適宜性區劃圖，并將結果圖中的城鎮工礦居民用地和水域屏蔽，獲得最終的水稻種植適宜性分布(圖10)。

圖10 水稻種植適宜性分布Fig.10 The suitability distribution of rice cultivation

將浙江省水稻種植適宜性區劃劃分為適宜、較適宜和不適宜。由圖可見，浙江省大部分地區適宜種植水稻，只有極少數地區如麗水市西部和南部、臨安市西部、臺州市南部等部分地區不適宜種植水稻，各區域的基本情況分析如下。

(1)水稻種植適宜區：浙江省水稻種植適宜區面積為60 705.52 km2，占參評面積的60.76%。水稻種植適宜區主要分布在湖州市的長興、德清和安吉北部，嘉興市的桐鄉、海寧、海鹽和秀洲南部，杭州市的余杭、富陽、蕭山、桐廬縣的大部分地區和淳安縣的大部分地區，紹興市的諸暨、嵊泗、紹興、上虞和新昌縣部分地區，寧波市的余姚、鎮海、秀洲的大部分地區和奉化的大部分地區，衢州市的衢州市區、常山、龍游縣中部地區和江山市北部地區，金華市的義烏、東陽、永康、金華和武義的北部地區，臺州市的黃巖、溫嶺和臨海的大部分地區，溫州市的瑞安、平陽和蒼南。綜合分析這些地區的氣候資源、地形條件和土壤狀況可以發現，上述地區雨量充足，年降雨量普遍大于800 mm，光照充足，熱量資源豐富，滿足水稻生長需求。與前人研究結果對比發現，本文研究結果與前人研究結果具有較大的一致性。

(2)水稻種植較適宜區：浙江省水稻種植較適宜區面積為35 802.77 km2，占參評面積的35.84%。水稻種植較適宜區在全省各市都有分布，主要集中在麗水市、臺州市和溫州市，這些地區的海拔大都在200～800 m，坡度主要在9°～20°，土壤pH大多處于5～6或7.5～8.5。由于海拔和坡度的原因，這些地區的熱量資源通常并不是特別充足，對水稻的生長產生了一定影響，所以這些地區較適宜水稻生長。

(3)水稻種植不適宜區：浙江省水稻種植不適宜區面積為3 399.02 km2，占參評面積的3.4%。浙江省水稻種植不適宜區分布較為零散，主要分布在臨安西部、遂昌、松陽西部、龍泉西北和東南部、景寧畬族自治縣、慶元，且主要分布在這些地區的高海拔地區，這些地區由于海拔過高，導致溫度較低，熱量資源嚴重不足，不適宜水稻生長。此外，這些地區坡度普遍偏大，多在25°以上，增加了水稻種植的難度。因此，這些地區不適宜種植水稻。

5 結論

利用浙江省數字高程模型和全省71個氣象站的實測數據，利用GridMet模型，實現了浙江省1970—2015年氣象要素的空間化模擬，并結合水稻農業種植區劃指標，將氣候、地形、土壤要素進行疊加分析，得到浙江省水稻種植區劃，結論如下。

(1)通過主成分分析，篩選各氣候因子，簡化參評變量個數，且合理地確定各氣候因子的權重。

(2)充分考慮了復雜地形對氣象要素的影響，利用GridMet模型模擬了浙江省各氣象要素的空間分布，為水稻適宜性區劃奠定了數據基礎。

(3)浙江省水稻種植區劃最終劃分為3類：適宜、較適宜和不適宜。適宜區為60 705.52 km2，占參評面積的60.76%，較適宜區為35 802.77 km2，占參評面積的35.84%，不適宜區為3 399.02 km2，占參評面積的3.4%。

本文的分區描述，可為浙江省優化水稻種植布局提供科學參考。