李華實(shí)，詹瑩玉，蔣亞平，郭彬，李露芳

(1崇左市氣象局，廣西崇左532200；2廣西區(qū)人工影響天氣辦公室，廣西南寧530227；3鹿寨縣氣象局，廣西柳州450223)

0 引言

崇左市地處低緯度、北回歸線以南地區(qū)，地理環(huán)境和氣候條件復(fù)雜，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏長(zhǎng)冬短，降雨充沛。崇左市甘蔗種植面積為廣西最大，其原蔗料和蔗糖生產(chǎn)量約占全國五分之一、廣西的三分之一，享有“中國糖都”的美譽(yù)。因此，開展崇左市甘蔗氣候適宜性區(qū)劃研究，可為合理利用氣候資源以及優(yōu)化甘蔗種植布局提供科學(xué)的決策服務(wù)參考。

近年來，國內(nèi)以及廣西區(qū)內(nèi)不少學(xué)者利用 GIS技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃進(jìn)行精細(xì)化研究，不少方法和研究結(jié)果值得借鑒。黃永璘等[1]根據(jù)香蕉氣候區(qū)劃指標(biāo)把各氣候因子推算到1 km×1 km的較高精度柵格上，得到回歸模型，并使用ID3決策樹方法進(jìn)行廣西香蕉的氣候適宜性區(qū)劃研究，結(jié)果整體精度可以達(dá)到 92.5%。陳小敏等[2]采用 GIS技術(shù)對(duì)氣候因子進(jìn)行500 m×500 m精細(xì)化網(wǎng)格推算，研究分析出海南香蕉精細(xì)化種植氣候區(qū)劃圖。蘇永秀等[3]通過GIS手段，推演出1 km×1 km較高精度的廣西甘蔗種植氣候區(qū)劃圖，效果較好。王旭等[4]利用ArcGIS高分辨率網(wǎng)格分析功能，結(jié)合RS的圖像分析技術(shù)，分析得到了黔西南地區(qū)火龍果種植氣候適宜性研究成果。郭淑敏[5]利用 GIS技術(shù)和權(quán)重法，對(duì)荔枝種植氣候區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行1 km×1 km精細(xì)化小網(wǎng)格推算，取得較好的廣西荔枝種植氣候區(qū)劃研究結(jié)果。然而，學(xué)者們對(duì)崇左市甘蔗種植氣候區(qū)劃研究甚少，或者過去的學(xué)者僅利用單一的國家氣象觀測(cè)站的歷史氣候資料推算整個(gè)區(qū)域的種植適宜性，顯然不夠合理科學(xué)。因此，為了更合理評(píng)估崇左市甘蔗種植氣候適宜，本研究擬利用ArcGIS處理技術(shù)對(duì)全市進(jìn)行30 m×30 m高精度網(wǎng)格推演出氣候區(qū)劃因子的空間分布，并利用反距離加權(quán)插值法(IDW)對(duì)回歸模型氣候區(qū)劃指標(biāo)因子進(jìn)行殘差訂正，專家打分法得出較科學(xué)合理的崇左市甘蔗種植氣候適宜性分析研究成果，為崇左市甘蔗種植決策服務(wù)提供科學(xué)的理論參考。

1 甘蔗種植氣候條件與氣候區(qū)劃指標(biāo)

1.1 崇左甘蔗種植氣候條件

甘蔗屬于喜溫性農(nóng)作物，耐高溫，怕凍害，對(duì)溫度要求敏感。譚宗琨[6]研究廣西大規(guī)模種植甘蔗的生長(zhǎng)氣候條件，分析指出：年穩(wěn)定通過20℃積溫達(dá)到4500℃以上，其積溫日數(shù)超過230 d，年日照時(shí)數(shù)達(dá)到1400 h以上，才能保證蔗糖高效的合成與積累，保證甘蔗蔗糖品質(zhì)。甘蔗具有怕凍害的特性，羅文質(zhì)[7]通過分析得出，廣西甘蔗生長(zhǎng)環(huán)境要求 5年1遇最低氣溫要在0℃以上，避免霜凍影響；1月平均氣溫需滿足 9℃以上，避免糖分的過度消耗，影響甘蔗含糖量，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)效益。譚宗琨[6]還指出，作為喜溫作物，當(dāng)?shù)赝瑫r(shí)要滿足年平均溫度19℃以上，充分保證甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育、蔗糖高效積累的全過程；另外，甘蔗對(duì)水分要求也較為敏感，9～10月份降雨量對(duì)甘蔗后期發(fā)育極其關(guān)鍵，超過140 mm對(duì)其后期發(fā)育有利。

1.2 甘蔗種植生態(tài)區(qū)劃指標(biāo)

根據(jù)前文甘蔗種植的氣候條件，并結(jié)合崇左市本地氣候特點(diǎn)以及地形特性，本研究擬選取對(duì)甘蔗生長(zhǎng)較為關(guān)鍵的若干氣候因子進(jìn)行研究，對(duì)各氣候因子指標(biāo)的適宜性進(jìn)行劃分，并進(jìn)行專家評(píng)分。所選取的7個(gè)氣候因子指標(biāo)依次為：年穩(wěn)定通過20℃積溫、年穩(wěn)定通過 20℃積溫日數(shù)、年平均氣溫、1月平均氣溫、5年1遇最低氣溫、9～10月降水量以及年日照時(shí)數(shù)，對(duì)上述各項(xiàng)指標(biāo)適宜性劃分，如表1所示：

表1 崇左市甘蔗種植氣候區(qū)劃指標(biāo)

2 甘蔗精細(xì)化種植農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃方法

2.1 資料與處理方法

氣候歷史資料來源于廣西氣象信息中心，同時(shí)為了保證數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸模型的精準(zhǔn)性，本研究使用崇左市以及周邊國家級(jí)氣象觀測(cè)站一共 20個(gè)站的近30 a (1986～2015年)氣候歷史資料。地理信息資料采用國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的 1:2500000廣西基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的廣西數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)以及經(jīng)緯度、海拔高度等柵格數(shù)據(jù)，最后提取出崇左市相應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)制作區(qū)劃圖。

2.2 區(qū)劃指標(biāo)回歸模型的建立

崇左市地形較為復(fù)雜，具有典型的喀斯特地貌特征，南北、東西海拔高度差異較為明顯，局地立體小氣候特征較突出。國家氣象觀測(cè)站僅能片面地反映測(cè)站附近區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣候資源特征，通過單一國家氣象觀測(cè)站歷史氣候資料制作的農(nóng)業(yè)種植區(qū)劃已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。因此，為了更客觀的描述崇左市甘蔗種植的7個(gè)氣候區(qū)劃指標(biāo)在不同經(jīng)緯度以及海拔高度的實(shí)際分布，擬用數(shù)理統(tǒng)計(jì)(SPSS分析工具)建立空間回歸模型，以模擬出7個(gè)區(qū)劃指標(biāo)在無氣象觀測(cè)站的分布狀況。建立的氣候區(qū)劃要素指標(biāo)與地理信息要素(經(jīng)緯度、海拔高度等)的關(guān)系模型表達(dá)如下：

方程式中 Y 代表氣候區(qū)劃指標(biāo)(氣候要素)，φ為緯度、λ為經(jīng)度、н為海拔高度等地理信息因子；而ε則為殘差項(xiàng)，表示根據(jù)φ, λ, н所模擬出的回歸模型方程的殘差部分。

利用崇左市以及周邊國家氣象觀測(cè)站共 20個(gè)臺(tái)站近30 a (1986～2015年)觀測(cè)資料，以及對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度、海拔高度等(φ, λ, н)等地理信息，將年穩(wěn)定通過20℃積溫、年穩(wěn)定通過20℃積溫日數(shù)、年平均氣溫、1月平均氣溫、5年1遇最低氣溫、9～10月降水量以及年日照時(shí)數(shù)作為因變量，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法(SPSS統(tǒng)計(jì)分析工具)得到對(duì)應(yīng)的7個(gè)回歸模擬方程(如表 2所示)。其中年穩(wěn)定通過 20℃積溫、年穩(wěn)定通過20℃積溫日數(shù)、年平均氣溫、1月平均氣溫等回歸統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.922～0.994之間，顯示相關(guān)性非常好，F(xiàn)值在 30.423～44.066之間，穩(wěn)定通過信度0.001的顯著性檢驗(yàn)；5年1遇最低氣溫、9～10月降水量、年日照時(shí)數(shù)等回歸統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)也能在0.633～0.715之間，相關(guān)性也較理想，F(xiàn)值在 3.571～5.587之間，穩(wěn)定通過信度0.1或0.05的顯著性檢驗(yàn)。總體而言，7個(gè)回歸統(tǒng)計(jì)模型方程式模擬效果較好，可利用它們進(jìn)行精細(xì)化網(wǎng)格區(qū)劃指標(biāo)值的模擬。

表2 甘蔗種植氣候區(qū)劃指標(biāo)空間分布模型方程式

2.3 精細(xì)化網(wǎng)格區(qū)劃指標(biāo)推算以及制作區(qū)劃圖

第一步：根據(jù)表2的7個(gè)區(qū)劃指標(biāo)回歸模擬方程式，利用經(jīng)緯度、海拔高度等地理信息因子，可以推算得到30 m×30 m精細(xì)化格點(diǎn)數(shù)據(jù)分布值。第二步：將7個(gè)區(qū)劃指標(biāo)回歸模擬方程的每個(gè)站點(diǎn)的殘差值ε利用反距離加權(quán)插值法(IDW)進(jìn)行插值，得到殘差30 m×30 m柵格文件。第三步：將7個(gè)推算出的精細(xì)化網(wǎng)格數(shù)據(jù)柵格與7個(gè)殘差柵格相加，得到殘差訂正結(jié)果。第四步：利用上述第三步得到的殘差訂正后7個(gè)柵格文件按照表1進(jìn)行分專家打分。第五步：將7個(gè)區(qū)劃指標(biāo)的柵格文件進(jìn)行矩陣加法運(yùn)算，總分為 140的區(qū)域?yàn)樽钸m宜區(qū)，總分在區(qū)間[105,140)的區(qū)域?yàn)檫m宜區(qū)，總分在區(qū)間[70,105)的為次適宜區(qū)，總分在區(qū)間[35,70)的為不適宜區(qū)。最后，對(duì)不同適宜性區(qū)域搭配不同色系，疊加市縣邊界、名稱、圖例、標(biāo)題等，并進(jìn)行美化，最終完成崇左市甘蔗精細(xì)化種植農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃專題圖(如圖1)。

圖1 崇左市甘蔗精細(xì)化種植農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖

3 精細(xì)化區(qū)劃結(jié)果分析與討論

本研究利用了 ArcGIS處理技術(shù)對(duì)崇左市進(jìn)行30 m×30 m高精度網(wǎng)格推演出氣候區(qū)劃因子的空間分布，并利用反距離加權(quán)插值法(IDW)對(duì)回歸模型氣候區(qū)劃指標(biāo)因子進(jìn)行殘差訂正，專家打分法得出較科學(xué)合理的崇左市甘蔗精細(xì)化種植農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃專題圖。根據(jù)圖1分析，全市無明顯不適宜氣候區(qū)，大部屬于適宜氣候區(qū)，表明崇左市熱量和光能資源充沛；最適宜氣候區(qū)主要位于扶綏縣南部、寧明縣中部和東部偏東地區(qū)，此地區(qū)能滿足甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育的較理想光熱資源、降雨條件；次適宜區(qū)范圍較小，主要位于天等縣西部、大新縣東北角局部地區(qū)、扶綏縣北部偏北局部地區(qū)、龍州縣西南角局部地區(qū)以及寧明縣東南角局部地區(qū)，這些地區(qū)光熱資源相對(duì)較差。

本研究基于高精度的地理信息數(shù)據(jù)，運(yùn)用 GIS技術(shù)推演出細(xì)網(wǎng)格無氣象觀測(cè)站的氣候區(qū)劃指標(biāo)因子的空間分布，較以往傳統(tǒng)的以單一國家氣象測(cè)站農(nóng)業(yè)種植氣候區(qū)劃手段更為科學(xué)合理、可操作性更強(qiáng)、精細(xì)化程度更高。但本文未充分考慮其它地理信息因子如坡向、坡度等參與對(duì)氣候區(qū)劃指標(biāo)因子的影響，未充分篩選利用氣候區(qū)劃指標(biāo)因子相關(guān)性較大的地理信息因子參與數(shù)理回歸建模，以提高文中表2中Y5、Y6和Y7對(duì)應(yīng)的復(fù)相關(guān)系數(shù)，今后的研究中將著力于建立更完善的區(qū)劃指標(biāo)和回歸方程，并且嘗試?yán)闷渌椒ㄍ晟瞥缱笫械霓r(nóng)業(yè)種植區(qū)劃理論研究，比如，可以利用高時(shí)空分辨的氣象衛(wèi)星融合數(shù)據(jù)加入到農(nóng)業(yè)種植區(qū)劃研究中，以進(jìn)一步提高崇左市甘蔗種植農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的精度與科學(xué)性。