從土壤氣候視角解析農業文化遺產地的自然稟賦
——以寬城傳統板栗栽培系統為例

譚凱炎，閔慶文，鄔定榮

（1中國氣象科學研究院，北京100081；2中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101）

0 引言

板栗在中國分布非常廣泛，從東北平原到東南沿海皆有種植[1]，據聯合國糧農組織(FAO)統計，中國板栗種植面積和產量均居世界首位。河北省寬城滿族自治縣地處燕山深處，是燕山板栗的典型分布區，板栗栽培歷史悠久，現存最老的板栗古樹樹齡逾700年，百年以上板栗古樹10萬余株，寬城板栗品質優良，被譽為“東方之珠”，不僅深受國內消費者歡迎，還遠銷海外。寬城傳統板栗栽培系統被認定為第二批中國重要農業文化遺產并正在申報全球重要農業文化遺產。根植千年的農業生產系統固有其歷史淵源以及經濟社會和技術發展的選擇，但同時必然受到地形、土壤、水文、氣候以及微生物等自然環境因素的制約及其綜合影響。分析評價農業文化遺產系統的土壤氣候條件有助于全面認識農業遺產系統的天然稟賦和不足，以期為農業文化遺產系統的保護和利用以及合理利用生態氣候資源提供科學依據。

板栗的栽培分布及其產量與品質受土壤地球化學和氣候條件的約束和影響[2]。前人對板栗與栽培條件關系的研究多集中于土壤特性、施肥和管理對板栗產量及品質的影響[3-8]。研究表明，板栗適合生長于偏酸性土壤，在一定的pH范圍內，板栗品質隨pH增加而下降[9]，土壤有機質含量增加有利于提高板栗產量和品質[3-4,6,10]，土壤氮磷鉀含量均對板栗產量有顯著的影響[8,11]，土壤中的微量元素除一定程度影響板栗生長發育和產量外還與板栗品質密切相關[9]。土壤性質和肥力顯著影響著板栗產量和品質，同時立地氣候條件也是決定板栗栽培可行性及其產量品質高低的重要因素[12-13]。關于板栗產量和品質與氣候因子關系及氣候適宜性評價的研究還較少。郭文利[14]利用相關氣候指標及土壤pH采用地理信息系統及指標疊加的方法制作了北京懷柔和密云等地優質板栗細網格農業氣候區劃，于長文[15]對河北青龍歷年板栗品質進行了氣候認證，此外尚未見更多的全面評價區域板栗栽培土壤氣候條件及其適宜性的研究報道。本研究依據影響燕山板栗產量品質的生態氣候指標，利用歷史氣象觀測資料和土壤取樣分析資料對寬城板栗栽培系統的土壤氣候條件及其適宜性進行全面分析，并給出寬城板栗栽培氣候適宜性綜合評價的空間分布。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

寬城滿族自治縣位于燕山山脈東段，縣域面積約1952 km2，平均海拔300～500 m，地理坐標在40°17′—40°45′N和118°10′—119°10′E之間。寬城縣隸屬溫帶半干旱半濕潤季風性氣候，土壤主要為棕壤和褐土，2017年板栗種植面積3.7萬hm2，產量4.3萬t。本研究還涉及寬城縣周邊的遷西、遵化、興隆、青龍和承德5縣，上述地區同屬燕山板栗種植區。

1.2 數據來源

縣氣象站1987—2016年氣候數據來自于中國氣象科學數據共享網，寬城縣14個自動氣象站2013—2017年觀測數據來自于中國氣象科學研究院信息中心。為分析研究區及周邊區域板栗林土壤特性及肥力，于2018年10月專門開展區域板栗林土壤取樣測試分析，分別在寬城、遷西、興隆、遵化、青龍和承德各縣的10、4、2、4、4、1個板栗種植代表性地段取樣，每個地段隨機選4點，每個樣點先去掉表土，再從0～20 cm土層取土樣，然后4個點混合成一個樣品，土樣分析委托北京農林科學院植物營養與資源研究所完成。

1.3 數據分析方法

1.3.1 綜合氣候適宜性評價 采用DTOPSIS(dynamic technique for order preference by similarity to ideal solution)分析法[16]，首先由研究區內及周邊自動氣象站的5年平均氣象要素值和燕山板栗適宜氣候指標集建立氣象條件矩陣Aij，i為氣象站和指標集編號，j為氣象要素編號，如式(1)所示。

對各要素按正向指標和逆向指標進行無量綱化處理，使其成為可相互比較的規范化矩陣，如式(2)所示。

確定各要素權重Wj，建立決策矩陣R，Rij=Wj×Dij。然后求取各氣象要素的正理想解和負理想解，如式(3)～(4)所示。

再采用歐幾里德范數作為距離的測定，計算各站點與正理想解的距離，如式(5)所示，和與負理想解的距離如式(6)所示。

最后由式(7)計算得到各站綜合氣象條件接近正理想解并遠離負理想解的程度Ci，C值介于0～1之間，值越大表示適宜性程度越高，它們與指標集的C值比較反映了各站的板栗氣候適宜性。

由各站綜合氣候適宜性評價值與站點經緯度及高度線性回歸方程推算到1 km×1 km細網格上，得到寬城縣板栗綜合氣候適宜性評價空間分布。

1.3.2 參考作物潛在蒸散 參考作物潛在蒸散根據聯合國糧農組織推薦的潛在蒸散公式計算，如式(8)。

式中，ET0為潛在蒸散量(mm/d)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率(kPa/℃)；Rn為地表凈輻射[MJ/(m2?d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2?d)]；es為飽和水汽壓(kPa)；T為平均氣溫(℃)；ea為實際水汽壓(kPa)；U2為2 m高風速(m/s)，由10 m風速換算；γ為干濕表常數。

1.3.3 數據分析 采用Excel軟件進行數據統計分析，用Excel和Origin軟件制作統計分析圖；采用ArcGIS制作板栗綜合氣候適宜性評價空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 寬城板栗栽培系統的土壤適宜性

2.1.1 寬城板栗林土壤特性及與相鄰地區比較 通過取樣分析，測定了寬城縣及相鄰燕山板栗產區板栗林土壤的pH、有機質與氮磷鉀含量和微量元素含量。如圖1所示，寬城及相鄰板栗主產地栗林土壤均屬于適宜種植板栗的微酸性土壤，0～20 cm土壤的平均pH 5.85～6.84之間，處于板栗種植適宜pH 4～7范圍內，寬城栗林土壤pH 5.45～6.44之間，均值pH 6.11，基本位于最適于板栗的pH 5～6區間[9]。寬城栗林土壤平均有機質含量達20.8 g/kg，全氮含量1.38 g/kg，高于燕山板栗栽培區其他各縣。其他肥力參數和微量元素含量如表1，微量元素中，寬城的Mg、Fe、Mn、B含量較高，其他元素含量居中。

圖1 燕山板栗林土壤pH、有機質及全氮含量

表1 燕山板栗林土壤肥力及微量元素含量 mg/kg

2.1.2 寬城縣板栗種植主要鄉鎮栗林土壤肥力及微量元素 如圖2和表2所示，在寬城縣的主要板栗栽培鄉鎮中，大多數鄉鎮土壤有機質在20 g/kg以上，全氮含量在1.3 g/kg以上，相互間差異很小，磷鉀含量差異稍大，微量元素含量空間分布也有較大的差別。總的來說寬城土壤肥力普遍較高，微量元素含量豐富，只有東大地鄉土壤有機質和N、P、K含量明顯偏低，同時其Fe、Mn、Cu、Zn、B含量在所有鄉鎮中也最少。

圖2 寬城縣主要鄉鎮栗林土壤有機質含量

表2 寬城縣主要鄉鎮栗林土壤肥力及微量元素含量

2.2 寬城板栗栽培系統的氣候特征及其適宜性

2.2.1 寬城板栗栽培的氣候特征 根據寬城縣氣象站1987—2016年觀測資料統計得到寬城縣板栗栽培的基本氣候特征如表3。板栗是強喜光植物，生育期間要求充足的光照，燕山板栗結果樹從發芽到成熟需要日照時數1100～1300 h[13]，地處華北北部的寬城站全年日照充足，板栗生長季（3—10月）平均日照時數近1700 h，完全滿足板栗生長成熟對光照的需要；燕山板栗從萌芽到果實成熟需要≥10℃積溫3000～3500℃[17]，寬城站全年≥10℃積溫多年平均值3623℃，≥80%保證率的積溫值為3437℃，可見全年熱量條件可以滿足板栗生長成熟的需要；當年極端最低氣溫低于-30℃時，板栗幼樹和新梢在越冬休眠期會受凍害，即板栗發生凍害的溫度為-30℃[17]，寬城站近30年來年極端最低氣溫-25.5℃，可以確保板栗不受越冬凍害；寬城站板栗生長季降水量多年平均值為601 mm，高于板栗從萌芽到成熟的最低需水量500 mm[13]，但氣候上達到80%保證率的降水量為495.7 mm，并且年際變率達20%，表明部分年份降水量低于板栗生長季需水量，可能限制或影響板栗的生長和產量。寬城站板栗成熟期（9月）氣溫日較差多年平均值12.7℃，高于京津冀地區9月平均日較差11.9℃[18]，也高于板栗栽培9月日較差適宜指標 12℃[14]。

表3 寬城板栗栽培的基本氣候特征

為揭示寬城板栗生長季水分供需特征及對板栗生長的影響，根據聯合國糧農組織推薦的參考作物潛在蒸散公式計算了寬城站板栗生長季各月近10年（2007—2016年）潛在蒸散量，其與同期降水量比較如圖3。由圖可見，板栗生長季中7月降水量遠多于需水量，9月水分供需基本平衡，其他各月降水量均低于蒸散量。圖3表明，寬城板栗果實成長階段水分供應基本適宜，但春季生長階段水分供應嚴重不足，3—5月降水滿足度分別為14%、33%、35%。

圖3 寬城站板栗生長季各月水分供需（2007—2016年平均）

2.2.2 寬城板栗栽培氣候適宜性綜合評價及其空間分布 根據前人相關研究結果，選取與板栗生長、產量形成及品質密切相關的4個氣候因子，以≥10℃積溫代表板栗生長成熟的熱量條件，1月平均氣溫代表越冬條件，9月日較差代表果實成熟期品質形成天氣條件，3—10月降水量代表板栗生育期自然水分供應條件，利用寬城氣象站及域內14個自動氣象站觀測資料，采用DTOPSIS分析法綜合評價寬城板栗栽培系統的氣候適宜性，并以滿足板栗生長成熟并有利于形成良好品質的適宜氣候指標集作為比較的基準，其中，≥10℃積溫取燕山板栗從萌芽到果實成熟需要的3000～3500℃的中值[17]；1月平均氣溫取-8.5℃[13-14]；9月日較差取12℃[14]，這也是京津冀地區9月份日較差多年平均值[18]；3—10月降水量取板栗從萌芽到成熟的基本需水量500 mm[1,13]。求取各站點和指標集對理想解的相對接近度，它們與基準的比較作為氣候適宜性評價結果，高于基準為適宜，低于基準為不適宜。根據專家經驗，4個氣候因子的權重分別取0.25、0.2、0.25、0.3。計算結果見表4，板栗栽培適宜指標集對應的綜合評價值為0.35。分析發現，各站點的氣候適宜性評價值與站點的地理經緯度和高度具有顯著的多元線性相關關系，由15個站點數據經多元回歸分析得到綜合氣候適宜性評價值與經緯度及高度的回歸關系如式(9)所示。

表4 寬城縣各站點板栗氣候適宜性綜合評價

式中，C為綜合氣候適宜性評價值，X為緯度(d)，Y為經度(d)，Z為高度(m)。

根據式(9)和地理信息數據推算出寬城縣1 km×1 km網格點板栗栽培綜合氣候適宜性評價值(C)，圖4為寬城縣板栗栽培綜合氣候適宜性評價細網格分布圖。寬城縣的西南區域綜合氣候條件非常適宜于板栗栽培，具有生產高產優質板栗的氣候潛力，而北部和中部部分區域綜合氣候適宜性評價值低于0.35，不適合板栗栽培，這與目前板栗種植分布格局基本吻合。

圖4 寬城縣板栗綜合氣候適宜性評價空間分布

3 結論

寬城板栗栽培系統的土壤酸堿度非常適宜板栗生長，土壤有機質豐富，氮鉀含量較高、土壤中富含鐵、鎂、錳、鋅等微量元素。寬城板栗主要栽培區域光照充足、全年熱量條件完全滿足板栗生長結實需要，生長季降水量基本達到板栗生長需水要求但分配不均勻，果實成熟期氣溫日較差較大，綜合氣候條件優于板栗栽培適宜指標。寬城板栗栽培系統具有適宜板栗生長的土壤氣候環境，具備栽培高產優質板栗的條件和潛力，春季降水量偏少是寬城板栗產量的限制因素，適當的春季灌溉可較大幅度地促進寬城板栗高產優質潛力的發揮。

4 討論

板栗雖然分布廣泛，但其地域性較強，品質差異明顯，這與各地土壤地球化學特性密切相關。現有研究表明，在一定的pH范圍內，板栗品質隨著土壤pH的下降而上升，最適宜區間為pH 5～6[3,9]。土壤有機質能促進板栗增產，降低板栗果實含水量，提高板栗的可溶性糖和蛋白質含量，土壤有機質增加有利于板栗產量和品質的提高[4,6,10,19]。寬城傳統板栗栽培系統的栗林土壤pH處于最適宜范圍，有機質含量遠高于燕山板栗產區的其他地方，且栽培區域內土壤肥力分布比較均勻，這為板栗栽培提供了良好的土壤條件。寬城栗林土壤的Fe、Mn、Mg等微量元素含量很高，這可能與寬城板栗的風味有關，但微量元素與板栗品質的關系尚不清楚。

氣候是影響板栗生長、產量和品質的重要因素。寬城地處華北北部，接近板栗栽培北界[1]，冬季最低氣溫在-16℃以下，春季干旱少雨，但寬城全年光照充足，滿足喜光樹種板栗的高日照需求，同時全年熱量資源超過了當地板栗樹種生長成熟的熱量要求，極端最低氣溫高于板栗幼樹和新梢的受凍溫度，發生越冬凍害概率很小，板栗果實成熟期的9月氣溫日較差很大，非常有利于板栗果實中積累可溶性糖分，提高板栗風味品質。在當地氣候背景下，生長季總的降水量基本可以滿足板栗生長的需要，但年內分布極不均勻。萌芽期水分對于板栗產量至關重要，3—4月的降水量與板栗產量有顯著正相關關系[9]，當地萌芽至開花階段降水滿足度較低，遇上干旱年份，會較大程度限制板栗的營養生長，導致結棚數減少，產量降低[20]。因此，春季降水量偏少是寬城板栗產量提高的主要限制因素，進行適當春季灌溉，特別是微型噴灌措施可以明顯提高板栗的產量和品質[21]。當地每年7月降水量大大超過板栗需水量，對于燕山坡地板栗林而言，7月較強降水可造成嚴重水土流失，修建擋水設施可以大幅減少水土流失[22]，并為板栗果實生長蓄積水分。對寬城板栗氣候適宜性綜合評價結果表明，寬城現有板栗主要種植鄉鎮均為氣候適宜區域，但山區不同地形地貌顯著影響著局地小氣候條件，導致局地光溫水條件的差異[23]，因此，更精細化的分析評價還需要結合地形的影響。

本研究在評價綜合氣候適宜性時基于已有對板栗與氣候條件關系的認識選取了4個氣候因子，根據前人的研究，板栗花期連陰雨天氣是造成板栗減產的一個重要原因，分析寬城歷史氣候資料發現，這一災害性天氣在當地極少發生，因此在適宜性評價中未加考慮。在氣候適宜性綜合評價中各個因子影響權重分配為經驗賦值，隨著板栗氣象條件關系研究的深入將使權重分配更加合理。研究中，通過采用自動氣象站觀測數據，提高了氣象數據的空間代表性，但由于數據年份較少，其氣候代表性稍差，同時，由于土壤取樣分析樣點有限，沒有全面反映區域的土壤肥力和微量元素含量情況，因此，研究結果有待更多觀測數據的驗證。