西藏地區耕地種植紫花苜蓿的氣候適宜性區劃

楊文才,梁軍燕,曲廣鵬，王敬龍

(1.西藏自治區農牧科學院草業科學研究所,西藏 拉薩 850000;2.省部共建青稞和牦牛種質資源與遺傳改良國家重點實驗室，西藏 拉薩 850000;3.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070)

牧草區劃是我國農業區劃中的重要組成部分之一，種植適宜當地環境條件的牧草，科學建立不同類型的高產、優質人工草地，可以提高草地牧業的生產力，增加當地經濟效益和社會效益[1].紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是我國大面積種植的多年生牧草之一，產草量高，有“牧草之王”之稱[2-3].紫花苜蓿的營養價值高、適口性好[4]，刈割年限可達5 a左右，甚至更長，生長較迅速，有肥田增產、保持水土等作用[5-6]，并且被廣泛地用于栽培草地建設和改善環境.紫花苜蓿喜溫暖和半濕潤半干旱的氣候，在我國的分布范圍比較廣，并且種植歷史相對悠久[7].

氣候的熱量條件是植物生命活動的基礎和能量來源，氣候的水分條件是植物生理活動的源泉和構成植物的基本成分[1].十一屆三中全會以來，在農業農村部畜牧獸醫局的領導下，按照自然生態條件、水、熱、土、光、牧草生物學特性及利用方式等原則，首次提出我國《栽培牧草區域規劃》，對全國種草起到了顯著的指導作用[8].《中國多年生栽培草種區劃》中我國苜蓿種植區大體劃分為6個區，西藏屬于青藏高原苜蓿種植區，適宜種植的苜蓿品種有草原3號雜花苜蓿(MedicagovariaMartyn cv.‘Caoyuan no.3’)、甘農1號雜花苜蓿(MedicagovariaMartyn cv.‘Gannong no.1’)和黃花苜蓿(MedicagofalcataL.)等[8].美國根據苜蓿的秋眠性指導苜蓿的種植區劃，以華氏溫度為計量單位，劃分了10個植物抗寒性氣候區，并根據苜蓿的秋眠性指標確定了每個區適宜種植的苜蓿品種[9].這些研究對紫花苜蓿的種植區劃劃分起到了重要的指導作用.

近年來，針對紫花苜蓿在全國范圍內以及我國干旱半干旱地區的適宜性區劃研究較多[10-13]，但針對西藏高原地區的研究較少.近年來，西藏地區人工種草呈現快速發展趨勢，全區出現集中連片的千畝、萬畝人工草地[14]，紫花苜蓿種植面積也逐步擴大，已有多個紫花苜蓿新品種在西藏地區引種試種成功[15-17].2011年西藏地區紫花苜蓿留茬面積達8.85×103km2[1]，其對于全區實現糧改飼、調整農業種植結構、增加農牧民收入和增加飼草供給都有重要的現實意義.隨著我國經濟的發展、氣候的變化以及紫花苜蓿新品種的大量引入，紫花苜蓿在我國的種植區域發生了較大變化.原有的紫花苜蓿種植區劃是對我國原有的紫花苜蓿品種和傳統紫花苜蓿種植區域的總結，已經不能適應新的發展形勢[10].本文基于地理信息系統(geographic information system，GIS)技術，選取 ≥0 ℃年積溫、年均溫度、年降水量和濕潤度[18]4個指標對在西藏地區耕地種植紫花苜蓿的氣候適宜性區劃進行研究，為西藏地區充分利用土地資源和氣候資源，合理布局紫花苜蓿生產提供科學依據.

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

西藏自治區位于青藏高原西南部，地處N 26°50′～36°53′，E 78°25′～99°06′之間.地勢由西北向東南傾斜，地形復雜多樣，包括高山、高原、河谷和湖盆等.西藏高原是我國太陽輻射最強的地區，日照充足，日照時數由藏東南向藏西北逐漸增多.氣候西北嚴寒干燥，東南溫暖濕潤.西藏地區平均氣溫為-2.8～11.9 ℃，溫差較大，氣溫低，積溫少，無霜期短.西藏降水量為74.8～901.5 mm之間，降水量東多西少，南多北少，地區分布極不平衡，由東南向西北減少[19].年降水主要集中在6～9月，夏秋雨熱同季.西藏的植被從東南向西北依次有森林、草甸、草原和荒漠.土壤主要以高山草原土、高山草甸土、高山寒漠土和亞高山草甸土為主，占全區總土壤類型面積的79.87%.西藏耕地主要分布在雅魯藏布江中游及其支流的河谷地區，藏東南局部河谷(圖1).農作物主要有青稞(HordeumvulgareL var.nudum Hook.f.)、小麥(TriticumaestivumL.)、豌豆(PisumsativumL.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)和油菜(BrassicachinensisL.)等.耕地土壤主要是由山地灌叢草原土、潮土、亞高山草原土和亞高山草甸土等開墾而來[20].

1.2 研究方法

1.2.1 指標選取及權重計算 在研究了氣象因素對紫花苜蓿生長的影響，并借鑒前人的研究結果[9-11]以及經過多位專家多次討論的基礎上，最終選擇年均溫度、年降水量、≥0 ℃年積溫和濕潤度4個指標對紫花苜蓿在西藏耕地的氣候適宜性區劃進行分析研究，并對指標間的重要性采用層次分析法、構造判斷矩陣計算相應指標的權重[21].濕潤度(K)采用任繼周和胡自治提出綜合順序分類模型，用全年降水量(r)和≥0 ℃年積溫(∑θ)之比表示[18].

圖1 研究區及氣象站點分布Figure 1 Study area and distribution of meteorological stations

(1)

1.2.2 氣象數據處理 選用西藏自治區及其周邊38個氣象站的1971～2010年的氣溫和降水量數據(圖1).氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/).本研究將每日的氣溫和降水量求和后計算該地區年均溫度、年降水量、≥0 ℃年積溫和濕潤度，并在Arc Map平臺上進行空間插值[22].插值方法參考前人的研究，積溫和濕潤度采用反距離插值[23]，年均溫度和年降水量采用普通克里格插值[24].

1.2.3 評價指標的分級標準 為了客觀反映紫花苜蓿的氣候適宜性區劃，通過查閱文獻，在借鑒前人研究[10-11]的基礎上，征詢多位專家及基層工作者意見后，對所用指標進行分級，并采用四分法進行分值量化.即評分越高，說明該項指標上作物的適宜性越好，當某項指標的測定結果恰好為分級標準中的界限值時，根據風險最小的原則，則應該將該項指標上氣候適宜性的得分定為較低的分值，按照分值區間的平均值來計算.分級標準如表1所示.

表1 紫花苜蓿適宜性指標的分級標準

1.2.4 氣候適宜性綜合評價指數 按照表1的紫花苜蓿適宜性指標分級標準進行打分，將所選的4個指標所得分數作為該具體指標的數量評價Ri，然后將所得到的各指標權重Wi進行加權綜合，即：

(2)

式中：Hi為氣候適宜性綜合評價指數.

氣候適宜性綜合評價指數分為4級，分級標準見表2.

表2 氣候適宜性綜合指數分級標準

2 結果與分析

2.1 權重計算及分析

2.1.1 構造判斷矩陣 判斷矩陣中所用的標度值是依據Saaty提出的1～9及其倒數作為衡量尺度的標度方法進行填寫的[25].根據專家打分，分別計算得出紫花苜蓿的綜合氣候區劃4個指標因子之間的矩陣，如表3所示.

表3 紫花苜蓿4種氣候適宜性指標間的判斷矩陣

2.1.2 權重計算及分析 1)判斷矩陣中每一行元素的乘積Mi：M1=45，M2= 1，M3= 1，M4=1/45；2)Mi的n次方根分別為：2.590，1，1，0.386；3)特征向量Wi為：W=[0.521，0.201，0.201，0.078]T；4)計算最大特征值λmax：(AW)1=2.114，(AW)2=0.808，(AW)3=0.808，(AW)4=0.316，λmax=4.043；5)判斷矩陣的一致性檢驗.

A：計算一致性指標CI：CI= (λmax-n)/n=0.015；B：參考平均隨機一致性指標表[24]可知，n為4的判斷矩陣，應有的平均隨機一致性指標值為RI=0.89；C：計算隨機一致性比率CR：CR=CI/RI=0.016.

由此可知，該判斷矩陣的CR<0.1，通過一致性檢驗.所以，年均溫度、年降水量、≥0 ℃年積溫、濕潤度這4個指標的權重分別為：0.201，0.201，0.521，0.078.在4個氣候適宜性指標中，≥0 ℃年積溫對紫花苜蓿的生長最重要，年降水量和年均溫度次之，濕潤度的重要性較小.

2.2 氣候指標的空間分布

對西藏自治區及其周邊38個氣象站的1971～2010年的平均氣象數據進行空間插值，得到4個氣候指標的空間分布格局.西藏的年積溫中部低，藏東南和藏西北高(圖2-A)；年降水量由東南向西北逐漸減少(圖2-B)；年平均氣溫呈現出東南高西北低的格局(圖2-C)；濕潤度西北干燥，藏南局部和那曲東部潮濕，藏東南濕潤(圖2-D).

圖2 4種氣候指標的空間分布Figure 2 Spatial distribution of four climatic indices

2.3 紫花苜蓿氣候單因素適宜性指標分級

按照表1的指標分級標準在Arc Map軟件中對4種紫花苜蓿的氣候適宜性指標進行重分類，并繪制相應指標的適宜性分級圖.年積溫大于2 300 ℃的區域，主要分布在西藏藏東和藏南，適宜紫花苜蓿生長，其它區域由于年積溫過低，不適宜種植紫花苜蓿(圖3-A).年降水量小于300 mm的區域主要分布在藏西北，該區域干旱少雨，不適宜種植紫花苜蓿.藏東南年降水量達500 mm以上，很適宜種植紫花苜蓿.西藏中部年降水量略少于藏東南，在有灌溉條件的區域可以種植，不少地方是西藏傳統的農區，適宜種植紫花苜蓿(圖3-B).年均溫大于5 ℃的區域主要在藏東南，種植紫花苜蓿的適宜性高.西藏中部和南部年均溫度在2～5 ℃之間，基本適宜紫花苜蓿.藏西北年均溫度低，適宜性次之.藏北年均溫度小于-2 ℃，不適宜種植紫花苜蓿(圖3-C).西藏中部和東南部氣候濕潤，種植紫花苜蓿的適宜高.藏西和藏南氣候微潤，適宜紫花苜蓿.藏西氣候微干的區域適宜性次之.藏西氣候干旱和極干的區域不適宜紫花苜蓿(圖3-D).

圖3 紫花苜蓿4種氣候適宜性指標空間分布Figure 3 Spatial distribution of four climatic suitability indices of Alfalfa

2.4 紫花苜蓿的氣候適宜性區劃

在Arc Map軟件中按照4種氣候適宜性指標的權重計算紫花苜蓿的氣候適宜性綜合指數，然后按照表2的分級標準對紫花苜蓿的氣候適宜性綜合指數進行重分類，并與2018年西藏自治區的耕地數據疊加，獲取紫花苜蓿在西藏耕地中的種植適宜性區劃.具體結果見圖4和表4.

從圖4可以看出，紫花苜蓿在西藏耕地中的高適宜區較少，在昌都市和林芝市有少量分布；適宜區主要分布在昌都市、林芝市、山南市、拉薩市和日喀則市，次適宜區主要分布在那曲市東部和昌都市西北部.不適宜區主要分布在日喀則的部分區域.對西藏地區耕地種植紫花苜蓿各適宜區進行統計，見表4.高適宜區的面積僅為69.131 km2；適宜區的面積為6 227.211 km2，占耕地面積的81.58%，各地市適宜面積大小依次是昌都市>林芝市>山南市>拉薩市>日喀則市，其中昌都市的適宜面積最大，為2 009.964 km2，林芝市次之，為1 232.488 km2；次適宜區的面積為382.057 km2；不適宜區的面積為954.580 km2，占耕地面積的12.51%，其中日喀則市不適宜的面積最大，為618.294 km2.

圖4 紫花苜蓿在西藏耕地中的種植適宜性區劃Figure 4 Suitable regionalization of Alfalfa cultivated in farmland in Tibet

表4 紫花苜蓿適宜性區劃面積

3 討論

苜蓿的生長和發育與環境有密切關系，氣候和土壤因素是決定苜蓿分布范圍和生長發育的最主要因素[26].蘇加楷認為影響苜蓿分布的主要氣候因素是氣溫和降水[27].儲少林[10]和高菲[9]等則認為年積溫和年降水量是影響紫花苜蓿分布的重要因素.本文與上述研究結果一致.溫度在高寒或低溫地區是限制作物生命活動的最主要因子，水分在干旱地區的作用要大于溫度[28].相對于日照和濕潤度等氣候要素，在西藏地區對于紫花苜蓿來說，年積溫和年降水量對其適宜性影響要大很多，且西藏的日照時數普遍充足，對紫花苜蓿的氣候適宜性沒有明顯的限制作用.

作物種植適宜區具有相對性.對于高適宜區，自然條件都很適宜，作物穩產高產，投資省、經濟效益高.對于適宜區，作物生態條件存在少量缺陷，但人為采取某些措施后容易彌補，作物生長與產量較好.對于次適宜區，作物生態條件有較大缺陷，產量不夠穩定，或者投資較大、產量低，但綜合經濟效益還是有利.對于不適宜區，自然條件有很大缺陷，技術措施難以改造，經濟上或生態上得不償失[29].本文也是基于這樣的觀點，把西藏地區耕地種植紫花苜蓿的氣候適宜性劃分了高適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區.

西藏從1974年引進紫花苜蓿，最早在拉薩、日喀則等地試種，表現良好，以后逐步在拉薩各縣、日喀則部分縣、山南部分縣、昌都部分地區開始種植和推廣[8].20世紀90年代末，在林芝引種了雜花苜蓿、黃花苜蓿、雜花苜蓿，經過2 a的觀察與測定，3種苜蓿均適宜于林芝氣候條件，紫花苜蓿表現最佳[16].在西藏“一江兩河”地區，主要包括拉薩、日喀則、山南3個地市，水熱條件充裕、光照強、土壤肥沃，經過多年的引種試驗，已有多個紫花苜蓿品種能夠越冬且能完成生長發育和結實[31].徐麗君[30]建立了基于自然要素的生態適宜性模型，進行中國苜蓿屬植物的適宜性區劃，分為適宜、次適宜和不適宜，其在研究中指出青藏高原適宜區比較少，西藏地區主要零星分布在日喀則市、拉薩市、山南市、林芝市和昌都市，一些縣存在連片的適宜區.本文建立了紫花苜蓿的氣候適宜性綜合指數模型，將適宜等級圖與耕地數據進行疊加，得到紫花苜蓿在西藏地區耕地的種植適宜性區劃，適宜區主要分布在昌都市、林芝市、山南市、拉薩市和日喀則市，得到的結果與其基本一致.萬帆認為研究作物適宜種植區，將適宜等級與土地利用數據疊加很重要，可以去除不適宜的土地類型，將研究結果限制在合理的土地利用類型，避免土地利用沖突[24].

4 結論

紫花苜蓿的適宜性分布受氣候影響很大，≥0℃年積溫對紫花苜蓿的生長最重要，年降水量和年均溫次之，濕潤度的重要性較小，因此在西藏種植紫花苜蓿要重視溫度和年降水量.

在西藏地區耕地種植紫花苜蓿的高適宜區很少，適宜區主要分布在拉薩市、昌都市、日喀則市、林芝市和山南市.適宜種植紫花苜蓿的耕地要充分利用耕地資源和氣候資源，在保證糧食安全的前提下可以調整一部分耕地種植紫花苜蓿，建立人工飼草生產基地.