基于GIS的赤峰市設施農業精細化氣候區劃與分析

王志春

（內蒙古自治區赤峰市氣象局，內蒙古赤峰 024000）

0 引言

進入21世紀后，赤峰市設施農業產業蓬勃發展，特別是2016年以來，設施農業發展迅猛，面積逐年增加，截至2018年末，全市設施農業面積累計達1.0×106hm2，產業規模居內蒙古自治區之首[1]，成為農民增收的一條重要途徑，設施農業已儼然成為赤峰市一張亮麗的名片。

設施農業經濟效益高，但投入資金多，風險大，當遇有氣象災害，損失尤為嚴重。近年來，由于氣候變暖，致使極端氣候事件頻發、多發[2]，《中國氣候變化藍皮書(2019)》指出：氣候系統變暖趨勢進一步持續，中國極端天氣氣候事件趨多趨強，氣候風險水平呈上升趨勢，這給設施農業的安全生產帶來了極大的隱患。近年來，針對設施農業方面的研究頗多，研究內容主要集中在氣象條件對棚室設施的危害，或對棚室內蔬菜的影響，或導致棚室內蔬菜易發病蟲害等方面。張淑杰等[3]確定了東北地區日光溫室所受最大風壓，得出了各區域日光溫室遭受大風危害的臨界風壓和風速指標。陳宇等[4]確立了農業設施受大風影響的致災指標，為設施農業大風天氣的預報預警提供依據。黃川容[5]、張波[6]對中國北方日光溫室分別從風災、雪災的風險和預警技術進行了分析和研究。張淑杰等[7]基于日光溫室番茄實際低溫凍害發生及影響因素分析，構建日溫差指數，確定了遼寧地區日光溫室番茄果實膨大期低溫凍害的指標，建立了日光溫室溫度預報模型。王瓊等[8]認為低溫凍害和寡照對日光溫室蔬菜產量和品質有較大影響。馬成芝等[9]研究認為大棚內青椒病蟲害的發生與氣象條件密切相關。孫立德等[10]研究了北方日光溫室精細化農用天氣預報及綜合調控技術，使日光溫室管理更加科學化。胥慧敏等[11]從資源稟賦、經濟區位、生產條件、生態保護4個方面構建評價體系，對河南省各地市設施農業發展潛力進行了評價。

目前，從氣候資源和氣象災害兩方面綜合進行設施農業適宜種植區劃的研究未見諸于文獻。隨著設施農業產業前景被普遍看好，如果跟風建設，盲目擴大產業規模，增加資金投入，而不針對具體地形下氣候特征進行分析研究，就有可能因氣候條件不適宜，氣象災害多發，而造成重大損失。本研究以農業氣候區劃理論為基礎，從易于導致設施農業受災的氣象條件出發，基于GIS技術和地形條件，開展設施農業適宜種植區劃研究，以期為設施農業科學化種植提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

赤峰市14個國家氣象觀測站1989—2018年逐日氣象觀測資料，來源于國家氣象科學數據中心；90 m×90 m數字高程(DEM)數據和行政區劃數據，來源于中國科學院資源環境科學數據中心(www.resdc.cn)。

1.2 區劃因子

農業氣候指標體系的建立是農業氣候區劃工作的核心與基礎[12-14]。影響設施農業的氣候要素主要分為兩類，一類是會對設施農業設施造成損壞的氣象災害，如大風、冰雹、大（暴）雪等；另一類是對設施農業生產有顯著影響的氣候條件，如光照長度、極端低溫等。

大風會掀翻棚膜，使棚室鋼架結構變形；冰雹會直接造成棚膜受損，間接導致棚室內溫度下降、蔬菜受害；如果不能及時清除積雪，可能會壓垮棚室，損失更是毀滅性的。這3種氣象災害對設施農業的設施造成的損壞最為嚴重，因此，選取年大風日數、年冰雹次數、年大雪及以上降雪次數3個氣象要素作為影響棚室設施的氣候區劃因子。設施農業在冬季面臨著極端低溫天氣的影響，赤峰市的棚室都沒有增溫設施，如果遭遇極端低溫天氣，往往給棚室蔬菜造成致命傷害。選取冬季≤-25℃低溫日數作為影響棚室蔬菜的氣候區劃因子。

設施農業通過光照來為棚室增溫，因此，光照長度是設施農業生產中最為重要的氣象要素，直接關系到某地是否能夠發展設施農業產業；氣溫的高低，可以衡量某地熱量資源的豐富程度，對于設施農業，主要依據冬季的熱量（溫度）條件來確定棚室建設中保溫材料和措施的規格，這也直接關系到成本投入的多少。因此，選取年日照時數、冬季平均最低氣溫2個氣象要素作為影響棚室增溫效果的氣候區劃因子。

1.3 區劃指標

每個區劃因子設定一個底限值，若某個因子高于或低于底限值，則某地直接劃歸為不適宜區。

根據相關文獻[5-7,10]，結合赤峰市近年來氣象條件（災害）對設施農業的影響，設定各區劃因子底限值見表1。

1.4 區劃因子空間插值方法

基于GIS的精細化氣候區劃，需要將離散的氣象要素數據，插值到空間任意點上。對于溫度類氣象要素，由于與地理信息密切相關，可采用回歸分析建立推算模型進行空間插值。對于與地理信息相關不顯著的氣象要素，采用能夠引入地形作為協變量的薄盤樣條法進行空間插值，能顯著提高空間插值的客觀性和準確性。

表1 設施農業氣候區劃因子底限值

1.5 區劃方法

首先將離散的氣象要素空間插值，清除奇異點，然后將要素圖層進行歸一化處理以去掉量綱。將氣候區劃因子分為兩類。一類是氣候資源，包括年日照時數和冬季平均最低氣溫；另一類是氣象災害，包括年大風日數、年冰雹次數、年大雪及以上降雪次數、冬季≤-25℃低溫日數。用層次分析法[15-16]確定各區劃因子的權重，運用GIS的空間分析功能進行疊加分析，針對每一個區劃因子中的不適宜區進行剔除處理。確定區劃分級界限，進行設施農業氣候區劃。

2 結果與分析

2.1 氣候資源要素分布特征

分別將年日照時數和冬季平均最低氣溫進行空間插值，見圖1和2。

由圖1可見，赤峰市年日照時數均在2700 h以上，日照資源非常充足，各地均高于設施農業對日照的最低要求。赤峰市中部和東北部的日照時數在3000 h以上，日照條件最好，南部和西北略差。從冬季平均最低氣溫分布來看（圖2），海拔較低、緯向靠南的中東部和東南部熱量條件好，西北部的克什克騰旗由于海拔高，熱量條件差。其中，冬季平均最低氣溫低于-18.5℃的地區，不適宜發展設施農業，因為棚室內蔬菜易受凍害，且冬季熱量不足，蔬菜生長緩慢，若提升保溫措施，則投入增大。

圖1 年日照時數分布

圖2 冬季平均最低氣溫分布

2.2 氣象災害要素分布特征

分別將年大風日數、年冰雹次數、年大雪及以上降雪次數和冬季≤-25℃低溫日數進行空間插值，見圖3～6。

由圖3～6可知，赤峰市年大風日數在北部山區較多，由于大風易損壞棚室，不適宜開展設施農業建設；赤峰市年冰雹次數不多，且多以局地為主，對設施農業影響?。皇芴厥獾匦蔚挠绊?，赤峰市大雪及以上量級降雪多出現在西部的山區，東部地勢偏低，降雪次數較少；西北部和北部的高海拔地區，冬季易出現≤-25℃低溫天氣，不適宜發展設施農業。

2.3 設施農業氣候區劃與分析

將以上諸因子進行歸一化，運用層次分析法，確定年日照時數和冬季平均最低氣溫權重分別為0.60和0.40，年大風日數、年冰雹次數、年大雪及以上降雪次數和冬季≤-25℃低溫日數的權重分別為0.25、0.25、0.20和0.30。運用GIS分別計算綜合氣候資源因子和綜合氣象災害因子，再分別將這2個因子進行歸一化，運用層次分析法，確定2個因子的權重分別為0.70和0.30。再進行柵格計算，然后將不滿足設施農業最基本條件的區域直接剔除，得到設施農業氣候區劃圖層。根據各因子的實際分布，確定設施農業適宜區和次適宜區的分級界限為0.80，將設施農業分為3級，得到赤峰市設施農業氣候區劃圖（圖7）。

由圖7可見，赤峰市設施農業適宜區主要集中在中東部和東南部，該區域海拔低，地勢平坦，熱量和光照充足，加之影響設施農業的氣象災害相對較少，比較適合發展設施農業產業。赤峰市的北部和西北部地區，以高山和丘陵為主，海拔高，熱量條件不足，氣象災害多發，不適宜設施農業建設。在不適宜區和適宜區之間為次適宜區，該區域熱量條件稍有欠缺，氣象災害相對稍多，設施農業生產穩定性稍差，應慎重發展設施農業。

圖3 年大風日數分布

圖4 年冰雹次數分布

圖5 年大雪及以上降雪次數分布

圖6 冬季≤-25℃低溫日數分布

3 討論

3.1 區劃因子的選擇

縱觀設施農業氣候區劃方面的研究[17-20]，區劃因子的選擇基本都集中在積溫、太陽輻射、日照、冬季平均氣溫、1月份極端最低氣溫等氣候資源類要素，氣象災害則多為專題性研究[21-24]，在區劃中考慮得很少或沒有。但設施農業生產對氣象災害更為敏感，影響更加顯著，如果遭遇氣象災害，損壞是嚴重的，損失是慘重的。因此，進行設施農業氣候區劃時，在考慮滿足設施農業對光、熱條件需求的前提下，還需要重點考慮對設施農業影響較大的氣象災害的分布特征[25]。對于氣象災害多發且無法規避的地區，應避免開展設施農業建設，比如冰雹、大風多發區；對于可以通過采取適當措施，且不會過多增加成本就可以防御的氣象災害少發區，可以考慮適當開展設施農業建設，比如冬季極端低溫較低，但持續時間并不太長的地區。

3.2 區劃因子空間化方法

區劃因子空間插值數據的可靠程度，直接關系到最終區劃結果的準確性。溫度或與溫度相關的氣象要素，如：積溫、無霜期等，因與地理信息（經度、緯度、海拔高度）密切相關，可以建立統計模型來空間化，但其余大部分氣象要素不能用統計方法構建模型。而常用的地統計插值方法，如克里金法、反距離權重法、徑向基函數法等[25-27]，不能引入地形因素參與插值，因此，不能很好地反映出局地氣候要素的特征。本研究選用的薄盤樣條插值方法[28-29]，可以引入地形作為協變量參與空間化，能夠客觀地表達氣候要素的空間分布，使得插值準確性得以提升。

圖7 赤峰市設施農業精細化氣候區劃

3.3 局地災害性天氣分析

在設施農業建設規劃時，不能僅分析鄰近氣象站點的數據，還需要開展實地調查和歷史災情普查，以確保對設施農業生產影響大，且局地性強的災害性天氣發生頻率和強度不高。例如，冰雹具有較強的局地性，如果僅采用氣象站點的冰雹觀測數據，肯定會存在一定程度的遺漏，應結合民政部門的災情數據進行綜合分析，以避免在冰雹易發區進行設施農業建設而增加潛在風險。

3.4 區劃指標的適用范圍

本氣候區劃分析針對的是赤峰市厚墻體單層膜為主體的日光溫室（大棚），以種植面積較大的蔬菜品種為研究對象開展的分析，如果棚室的結構或保溫措施不同[31]，或所種植的蔬菜品種對氣候條件有更嚴苛的要求，則需要重新界定區劃指標。本研究所確定的以年日照時數、冬季平均最低氣溫為設施農業氣候資源區劃指標，和以年大風日數、年冰雹次數、年大雪以上降雪次數和冬季≤-25℃低溫日數為設施農業氣象災害區劃指標，是針對本研究區氣候特點以及本地設施農業棚室結構而選擇的，若推廣到氣候條件與本研究區差異較大，或棚室結構及其保溫性能差異較大的其它地區，需要結合當地情況進行適當調整。

4 結論

本研究綜合考慮了氣候資源和氣象災害兩個方面，進行了赤峰市設施農業適宜性區劃分析。研究表明：從氣候資源看，赤峰市光照非常充足，各地均能滿足設施農業要求；海拔低的東南部地區的熱量條件好于海拔高的西北部地區，更有利于棚室在冬季低溫時段熱量的保持。從影響設施農業的氣象災害看，西部和北部地區是氣象災害的易發區，不利于發展設施農業。從設施農業氣候區劃看，氣候適宜區和次適宜區主要集中在中東部和東南部，占赤峰市面積的47.5%，涵蓋了81.3%的耕地，該區域海拔低，地勢平坦，熱量和光照充足，氣象災害相對較少，適宜發展設施農業；北部和西北部地區，以高山和丘陵為主，海拔高，熱量條件不足，氣象災害多發，不適宜設施農業建設。綜合考慮土地利用類型，赤峰市適合開展設施農業建設。