王志春

（內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古赤峰 024000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，赤峰市設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，特別是2016年以來，設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，面積逐年增加，截至2018年末，全市設(shè)施農(nóng)業(yè)面積累計(jì)達(dá)1.0×106hm2，產(chǎn)業(yè)規(guī)模居內(nèi)蒙古自治區(qū)之首[1]，成為農(nóng)民增收的一條重要途徑，設(shè)施農(nóng)業(yè)已儼然成為赤峰市一張亮麗的名片。

設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益高，但投入資金多，風(fēng)險(xiǎn)大，當(dāng)遇有氣象災(zāi)害，損失尤為嚴(yán)重。近年來，由于氣候變暖，致使極端氣候事件頻發(fā)、多發(fā)[2]，《中國氣候變化藍(lán)皮書(2019)》指出：氣候系統(tǒng)變暖趨勢進(jìn)一步持續(xù)，中國極端天氣氣候事件趨多趨強(qiáng)，氣候風(fēng)險(xiǎn)水平呈上升趨勢，這給設(shè)施農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患。近年來，針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)方面的研究頗多，研究內(nèi)容主要集中在氣象條件對(duì)棚室設(shè)施的危害，或?qū)ε锸覂?nèi)蔬菜的影響，或?qū)е屡锸覂?nèi)蔬菜易發(fā)病蟲害等方面。張淑杰等[3]確定了東北地區(qū)日光溫室所受最大風(fēng)壓，得出了各區(qū)域日光溫室遭受大風(fēng)危害的臨界風(fēng)壓和風(fēng)速指標(biāo)。陳宇等[4]確立了農(nóng)業(yè)設(shè)施受大風(fēng)影響的致災(zāi)指標(biāo)，為設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)天氣的預(yù)報(bào)預(yù)警提供依據(jù)。黃川容[5]、張波[6]對(duì)中國北方日光溫室分別從風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。張淑杰等[7]基于日光溫室番茄實(shí)際低溫凍害發(fā)生及影響因素分析，構(gòu)建日溫差指數(shù)，確定了遼寧地區(qū)日光溫室番茄果實(shí)膨大期低溫凍害的指標(biāo)，建立了日光溫室溫度預(yù)報(bào)模型。王瓊等[8]認(rèn)為低溫凍害和寡照對(duì)日光溫室蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)有較大影響。馬成芝等[9]研究認(rèn)為大棚內(nèi)青椒病蟲害的發(fā)生與氣象條件密切相關(guān)。孫立德等[10]研究了北方日光溫室精細(xì)化農(nóng)用天氣預(yù)報(bào)及綜合調(diào)控技術(shù)，使日光溫室管理更加科學(xué)化。胥慧敏等[11]從資源稟賦、經(jīng)濟(jì)區(qū)位、生產(chǎn)條件、生態(tài)保護(hù)4個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，對(duì)河南省各地市設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿M(jìn)行了評(píng)價(jià)。

目前，從氣候資源和氣象災(zāi)害兩方面綜合進(jìn)行設(shè)施農(nóng)業(yè)適宜種植區(qū)劃的研究未見諸于文獻(xiàn)。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)前景被普遍看好，如果跟風(fēng)建設(shè)，盲目擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，增加資金投入，而不針對(duì)具體地形下氣候特征進(jìn)行分析研究，就有可能因氣候條件不適宜，氣象災(zāi)害多發(fā)，而造成重大損失。本研究以農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃理論為基礎(chǔ)，從易于導(dǎo)致設(shè)施農(nóng)業(yè)受災(zāi)的氣象條件出發(fā)，基于GIS技術(shù)和地形條件，開展設(shè)施農(nóng)業(yè)適宜種植區(qū)劃研究，以期為設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)化種植提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

赤峰市14個(gè)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(xué)數(shù)據(jù)中心；90 m×90 m數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)。

1.2 區(qū)劃因子

農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)體系的建立是農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃工作的核心與基礎(chǔ)[12-14]。影響設(shè)施農(nóng)業(yè)的氣候要素主要分為兩類，一類是會(huì)對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)施造成損壞的氣象災(zāi)害，如大風(fēng)、冰雹、大（暴）雪等；另一類是對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有顯著影響的氣候條件，如光照長度、極端低溫等。

大風(fēng)會(huì)掀翻棚膜，使棚室鋼架結(jié)構(gòu)變形；冰雹會(huì)直接造成棚膜受損，間接導(dǎo)致棚室內(nèi)溫度下降、蔬菜受害；如果不能及時(shí)清除積雪，可能會(huì)壓垮棚室，損失更是毀滅性的。這3種氣象災(zāi)害對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的設(shè)施造成的損壞最為嚴(yán)重，因此，選取年大風(fēng)日數(shù)、年冰雹次數(shù)、年大雪及以上降雪次數(shù)3個(gè)氣象要素作為影響棚室設(shè)施的氣候區(qū)劃因子。設(shè)施農(nóng)業(yè)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(shè)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(shù)作為影響棚室蔬菜的氣候區(qū)劃因子。

設(shè)施農(nóng)業(yè)通過光照來為棚室增溫，因此，光照長度是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為重要的氣象要素，直接關(guān)系到某地是否能夠發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)；氣溫的高低，可以衡量某地?zé)崃抠Y源的豐富程度，對(duì)于設(shè)施農(nóng)業(yè)，主要依據(jù)冬季的熱量（溫度）條件來確定棚室建設(shè)中保溫材料和措施的規(guī)格，這也直接關(guān)系到成本投入的多少。因此，選取年日照時(shí)數(shù)、冬季平均最低氣溫2個(gè)氣象要素作為影響棚室增溫效果的氣候區(qū)劃因子。

1.3 區(qū)劃指標(biāo)

每個(gè)區(qū)劃因子設(shè)定一個(gè)底限值，若某個(gè)因子高于或低于底限值，則某地直接劃歸為不適宜區(qū)。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5-7,10]，結(jié)合赤峰市近年來氣象條件（災(zāi)害）對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響，設(shè)定各區(qū)劃因子底限值見表1。

1.4 區(qū)劃因子空間插值方法

基于GIS的精細(xì)化氣候區(qū)劃，需要將離散的氣象要素?cái)?shù)據(jù)，插值到空間任意點(diǎn)上。對(duì)于溫度類氣象要素，由于與地理信息密切相關(guān)，可采用回歸分析建立推算模型進(jìn)行空間插值。對(duì)于與地理信息相關(guān)不顯著的氣象要素，采用能夠引入地形作為協(xié)變量的薄盤樣條法進(jìn)行空間插值，能顯著提高空間插值的客觀性和準(zhǔn)確性。

表1 設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃因子底限值

1.5 區(qū)劃方法

首先將離散的氣象要素空間插值，清除奇異點(diǎn)，然后將要素圖層進(jìn)行歸一化處理以去掉量綱。將氣候區(qū)劃因子分為兩類。一類是氣候資源，包括年日照時(shí)數(shù)和冬季平均最低氣溫；另一類是氣象災(zāi)害，包括年大風(fēng)日數(shù)、年冰雹次數(shù)、年大雪及以上降雪次數(shù)、冬季≤-25℃低溫日數(shù)。用層次分析法[15-16]確定各區(qū)劃因子的權(quán)重，運(yùn)用GIS的空間分析功能進(jìn)行疊加分析，針對(duì)每一個(gè)區(qū)劃因子中的不適宜區(qū)進(jìn)行剔除處理。確定區(qū)劃分級(jí)界限，進(jìn)行設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候資源要素分布特征

分別將年日照時(shí)數(shù)和冬季平均最低氣溫進(jìn)行空間插值，見圖1和2。

由圖1可見，赤峰市年日照時(shí)數(shù)均在2700 h以上，日照資源非常充足，各地均高于設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)日照的最低要求。赤峰市中部和東北部的日照時(shí)數(shù)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(qū)，不適宜發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，因?yàn)榕锸覂?nèi)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(shí)數(shù)分布

圖2 冬季平均最低氣溫分布

2.2 氣象災(zāi)害要素分布特征

分別將年大風(fēng)日數(shù)、年冰雹次數(shù)、年大雪及以上降雪次數(shù)和冬季≤-25℃低溫日數(shù)進(jìn)行空間插值，見圖3～6。

由圖3～6可知，赤峰市年大風(fēng)日數(shù)在北部山區(qū)較多，由于大風(fēng)易損壞棚室，不適宜開展設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)；赤峰市年冰雹次數(shù)不多，且多以局地為主，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)影響?。皇芴厥獾匦蔚挠绊?，赤峰市大雪及以上量級(jí)降雪多出現(xiàn)在西部的山區(qū)，東部地勢偏低，降雪次數(shù)較少；西北部和北部的高海拔地區(qū)，冬季易出現(xiàn)≤-25℃低溫天氣，不適宜發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。

2.3 設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃與分析

將以上諸因子進(jìn)行歸一化，運(yùn)用層次分析法，確定年日照時(shí)數(shù)和冬季平均最低氣溫權(quán)重分別為0.60和0.40，年大風(fēng)日數(shù)、年冰雹次數(shù)、年大雪及以上降雪次數(shù)和冬季≤-25℃低溫日數(shù)的權(quán)重分別為0.25、0.25、0.20和0.30。運(yùn)用GIS分別計(jì)算綜合氣候資源因子和綜合氣象災(zāi)害因子，再分別將這2個(gè)因子進(jìn)行歸一化，運(yùn)用層次分析法，確定2個(gè)因子的權(quán)重分別為0.70和0.30。再進(jìn)行柵格計(jì)算，然后將不滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)最基本條件的區(qū)域直接剔除，得到設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖層。根據(jù)各因子的實(shí)際分布，確定設(shè)施農(nóng)業(yè)適宜區(qū)和次適宜區(qū)的分級(jí)界限為0.80，將設(shè)施農(nóng)業(yè)分為3級(jí)，得到赤峰市設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖（圖7）。

由圖7可見，赤峰市設(shè)施農(nóng)業(yè)適宜區(qū)主要集中在中東部和東南部，該區(qū)域海拔低，地勢平坦，熱量和光照充足，加之影響設(shè)施農(nóng)業(yè)的氣象災(zāi)害相對(duì)較少，比較適合發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。赤峰市的北部和西北部地區(qū)，以高山和丘陵為主，海拔高，熱量條件不足，氣象災(zāi)害多發(fā)，不適宜設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)。在不適宜區(qū)和適宜區(qū)之間為次適宜區(qū)，該區(qū)域熱量條件稍有欠缺，氣象災(zāi)害相對(duì)稍多，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性稍差，應(yīng)慎重發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。

圖3 年大風(fēng)日數(shù)分布

圖4 年冰雹次數(shù)分布

圖5 年大雪及以上降雪次數(shù)分布

圖6 冬季≤-25℃低溫日數(shù)分布

3 討論

3.1 區(qū)劃因子的選擇

縱觀設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃方面的研究[17-20]，區(qū)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(zāi)害則多為專題性研究[21-24]，在區(qū)劃中考慮得很少或沒有。但設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣象災(zāi)害更為敏感，影響更加顯著，如果遭遇氣象災(zāi)害，損壞是嚴(yán)重的，損失是慘重的。因此，進(jìn)行設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃時(shí)，在考慮滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)光、熱條件需求的前提下，還需要重點(diǎn)考慮對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)影響較大的氣象災(zāi)害的分布特征[25]。對(duì)于氣象災(zāi)害多發(fā)且無法規(guī)避的地區(qū)，應(yīng)避免開展設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)，比如冰雹、大風(fēng)多發(fā)區(qū)；對(duì)于可以通過采取適當(dāng)措施，且不會(huì)過多增加成本就可以防御的氣象災(zāi)害少發(fā)區(qū)，可以考慮適當(dāng)開展設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)，比如冬季極端低溫較低，但持續(xù)時(shí)間并不太長的地區(qū)。

3.2 區(qū)劃因子空間化方法

區(qū)劃因子空間插值數(shù)據(jù)的可靠程度，直接關(guān)系到最終區(qū)劃結(jié)果的準(zhǔn)確性。溫度或與溫度相關(guān)的氣象要素，如：積溫、無霜期等，因與地理信息（經(jīng)度、緯度、海拔高度）密切相關(guān)，可以建立統(tǒng)計(jì)模型來空間化，但其余大部分氣象要素不能用統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建模型。而常用的地統(tǒng)計(jì)插值方法，如克里金法、反距離權(quán)重法、徑向基函數(shù)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(xié)變量參與空間化，能夠客觀地表達(dá)氣候要素的空間分布，使得插值準(zhǔn)確性得以提升。

圖7 赤峰市設(shè)施農(nóng)業(yè)精細(xì)化氣候區(qū)劃

3.3 局地災(zāi)害性天氣分析

在設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)規(guī)劃時(shí)，不能僅分析鄰近氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，還需要開展實(shí)地調(diào)查和歷史災(zāi)情普查，以確保對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響大，且局地性強(qiáng)的災(zāi)害性天氣發(fā)生頻率和強(qiáng)度不高。例如，冰雹具有較強(qiáng)的局地性，如果僅采用氣象站點(diǎn)的冰雹觀測數(shù)據(jù)，肯定會(huì)存在一定程度的遺漏，應(yīng)結(jié)合民政部門的災(zāi)情數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以避免在冰雹易發(fā)區(qū)進(jìn)行設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)而增加潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 區(qū)劃指標(biāo)的適用范圍

本氣候區(qū)劃分析針對(duì)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(duì)象開展的分析，如果棚室的結(jié)構(gòu)或保溫措施不同[31]，或所種植的蔬菜品種對(duì)氣候條件有更嚴(yán)苛的要求，則需要重新界定區(qū)劃指標(biāo)。本研究所確定的以年日照時(shí)數(shù)、冬季平均最低氣溫為設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候資源區(qū)劃指標(biāo)，和以年大風(fēng)日數(shù)、年冰雹次數(shù)、年大雪以上降雪次數(shù)和冬季≤-25℃低溫日數(shù)為設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害區(qū)劃指標(biāo)，是針對(duì)本研究區(qū)氣候特點(diǎn)以及本地設(shè)施農(nóng)業(yè)棚室結(jié)構(gòu)而選擇的，若推廣到氣候條件與本研究區(qū)差異較大，或棚室結(jié)構(gòu)及其保溫性能差異較大的其它地區(qū)，需要結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié)論

本研究綜合考慮了氣候資源和氣象災(zāi)害兩個(gè)方面，進(jìn)行了赤峰市設(shè)施農(nóng)業(yè)適宜性區(qū)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(shè)施農(nóng)業(yè)要求；海拔低的東南部地區(qū)的熱量條件好于海拔高的西北部地區(qū)，更有利于棚室在冬季低溫時(shí)段熱量的保持。從影響設(shè)施農(nóng)業(yè)的氣象災(zāi)害看，西部和北部地區(qū)是氣象災(zāi)害的易發(fā)區(qū)，不利于發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。從設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃看，氣候適宜區(qū)和次適宜區(qū)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(qū)域海拔低，地勢平坦，熱量和光照充足，氣象災(zāi)害相對(duì)較少，適宜發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)；北部和西北部地區(qū)，以高山和丘陵為主，海拔高，熱量條件不足，氣象災(zāi)害多發(fā)，不適宜設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)。綜合考慮土地利用類型，赤峰市適合開展設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)。