基于GIS的越西甜樱桃气候适宜性分布研究

谢东志,胥欣诚

(1.四川省越西县气象局,四川 越西 616650,2.成都信息工程大学,成都 610225)

甜樱桃,又名车厘子,品种属于欧洲樱桃。我国的山东、辽宁、河南、湖北、四川等地已有甜樱桃果树的引种,形成了多品种的中国大樱桃,甜樱桃是我国早春上市最早的水果之一,号称“早春第一果”,具有皮薄汁多,肉厚味甜的特点,深受当代年轻人喜欢,是最近很火的网红水果。越西种植甜樱桃历史较长,据越西县东方农业发展有限公司相关数据显示,自从2003年引进到2020年已经发展种植到25个自然村,年产量超过10000t,因越西甜樱桃成熟期早,同一品种比省内甜樱桃主产区早10～15d,比北方甜樱桃主产区早25～30d,并且越西的甜樱桃肉厚汁多,味道甘美,在西博会上荣获“最受欢迎展品奖”和“特色农业展览最畅销产品奖”。随着乡村振兴的号角正式吹响,为进一步提升越西县甜樱桃产业的发展潜能,为乡村振兴提供坚实后盾,防止越西县甜樱桃产业无序化,零散化发展,因此,开展越西县甜樱桃气候适宜性区划很有必要,它能有效利用越西县的气候优势资源,有益于甜樱桃的科学种植,提升品质,打造良好的产业生态链,对农户增收也有重要意义。

目前,学术上关于甜樱桃的研究主要还是集中在甜樱桃的种植管理技术,彭荣元等[1]提出大樱桃品种和栽培技术的方法,注意防水排涝以及防范气象灾害,主要是冰雹等。曾黎琼等[2]发现不同品种的甜樱桃生物学特性、产量、果实品质有所差异,此外甜樱桃的研究是以北方产区为主[3-5],例如山东、陕西等地,四川包括汶川、汉源甜樱桃的主要产区都未针对甜樱桃进行气候适宜性研究。

甜樱桃的种植与生态环境和气象因素有很大联系。刘庆泰等[3]对山东等地的甜樱桃种植进行研究发现,甜樱桃抗寒力较弱,喜温暖而润湿的气候,适宜在年平均气温13～14℃的地方栽培。与年平均温度,以及3～4月的低温4～10月的日照时数和年降水量还有地形都有紧密的联系。影响其产量的主要因素是温度和降水量。周洲[6]则发现甜樱桃裂果与降水量关系不大,主要影响裂果的因素是空气湿度。而气候适宜性区划在四川主要集中在水稻、玉米等粮食作物上,凉山等地区对秋荞以及块菌进行了气候适宜性区划,没有专门针对甜樱桃进行区划分析。

本文结合越西县气象局以及14个国家区域气象观测站资料,综合分析气温、降水量以及日照等指标,采取层次分析法(APH)对越西县的甜樱桃气象适应性区划分布进行研究,以便更好的为越西县甜樱桃产业的可持续性和产业化发展提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料来源

本文所使用的气象资料主要是越西县1971-2018年逐日气象要素序列,包括气温、降水、日照等,还有14个越西县区域国家气象观测站2011-2022年逐日气象要素(包括气温、降水、日照、相对湿度)全部来自于越西县气象局,研究的站点分布如图1所示。地理空间高程数据(DEM)来自地理空间数据云官网,空间分辨率为30m×30m。

甜樱桃2011～2020年的产量和种植面积以及甜樱桃的生长发育期资料来源于越西县农业农村局果树站。

1.2 甜樱桃的气象产量分离

根据影响作物最终产量形成的各种自然和非自然因素,可按影响性质和时间尺度划分为两部分,即:

图1 主要研究范围和气象站点分布情况

Yi=Yt+Yw(1)

(1)式中Yi为作物实际单产;Yt为趋势产量,是反映历史时期生产力水平的产量分量;Yw为气象产量,是受气象条件变化影响的产量分量。根据越西县甜樱桃实际单产的变化趋势为曲线形式,将甜樱桃实际产量随时间的变化用正交多项式模拟更接近实际产量的变化趋势。即:趋势产量模拟为正交多项式:

yt=a0+a1xt+a2xt2+a3xt3(2)

(2)式中хt时间。设 хt=ω1(хt), хt2=ω2(хt), хt3=ω3(хt), 则(2)式用新变量ωi(хt)表示为多元线性回归方程:

yt=b0+b1ω1(xt)+b2ω2(xt)+b3ω3(xt)(3)

用(3)式模拟产量趋势项,进行方差分析,用F检验确定多项式的项数,建立越西县甜樱桃趋势产量模拟方程:

yt=0.143X3+6.55X2+106X-24.88**(4)(**表示通过a=0.05显著性检验)

根据式(4)计算得到 越西甜樱桃趋势产量Yt,将Yt代入(1)式即算出主产县气象产量Yw。

2 气候适应性区划指标的确定

根据越西县农业农村局果树站研究和生产实际调研得,以2月下旬至5月下旬作为越西甜樱桃的平均生育期,根据甜樱桃生长发育规律,将全生育期分为3个阶段:萌芽期(2月下旬),花期(3月),果期(3月下旬至5月下旬)。

2.1 气象要素对甜樱桃气象产量影响的关键时期

利用越西甜樱桃的气象产量与生育期气象要素进行相关分析,找出通过a=0.10以上显著性检验的时段作为该要素影响甜樱桃产量的关键时期,其结果见表1。

表1 越西县气象要素对甜樱桃产量主要影响时期

从表1看出,不同气象要素对甜樱桃产量影响也各不相同,在花期3月上旬,主要影响要素为旬平均气温和最高气温;在盛花期(3月中下旬)则主要是受到最高、低温和降水量影响;在果期,则主要受平均气温和最低气温以及相对湿度三者影响较大。

2.2 气象要素和甜樱桃气象产量的关系

利用越西甜樱桃气象产量与每旬气象要素进行相关性分析,得出表2。越西甜樱桃主要生长阶段在3月至5月,该时期良好的温度和降雨量有利于甜樱桃产量的增加。这从3月中旬和5月中旬平均气温和气象产量呈正相关可以看出,但是在3月上旬和下旬,最高温度容易使产量减少,与气象产量呈负相关,主要是因为3月上旬正值花期中的初花期,下旬则处于末花期和坐果期交叠时段,较高的气温可能对花蕾和小果造成晒伤,使得产量减少。进入5月果期时段,可以看出上旬平均气温和最高温度对气象产量呈明显的正相关性,说明此时段需要大量的热量,但是5月上旬的相对湿度和下旬的平均气温则与气象产量负相关,主要是因为,这个时段,属于甜樱桃果实成熟期,如果空气湿度较大,容易造成裂果,使得果实品质下降,而5月下旬已经属于甜樱桃果实的末期,平均温度过高,也容易造成果实干瘪、开裂等,影响实际产量。

表2 越西甜樱桃与气象要素的关系

综合分析,越西甜樱桃的生长阶段主要处于越西县春季,此时段温度和降水条件相对较好,有利于产量增加。总体上甜樱桃气象产量和3～5月的平均温度呈正相关,与降水量和平均湿度呈负相关。

2.3 越西甜樱桃气象指标和地理推算模型

根据越西甜樱桃生长发育期特性,通过计算各气象要素对甜樱桃气象产量的影响,综合选取影响甜樱桃产量的关键气象要素为:3～5月的平均气温;5月上旬的最高气温,5月平均相对湿度以及综合考虑地形(坡度和坡向)确定了越西甜樱桃气候适应性指标,如表3。

表3 越西甜樱桃气候适宜性区划指标

越西县境内多山,主要以横断山脉为主,山川南北纵列,地势南高北低,岭谷相对高度1000～2000m,最低海拔1170m,最高海拔4791m。地形复杂,因此为了更好呈现越西县各地气象要素,需要建立3-5月平均气温、5月上旬最高气温、5月平均相对湿度和经度(λ)、纬度(φ)和海拔高度(h)的多元线性回归空间方程。

Y=f(λ,φ,h)+ε(5)

式中Y为各气象要素,λ、φ和h分别对应经度、纬度和海拔高度,ε为地理残差,即

ε=Y实际值- f(λ,φ,h) (6)

根据实际情况,地理残差ε采用反距离权重法(IDW)进行订正。各气象要素回归方程如表4。

表4 越西县甜樱桃气候适宜性指标空间回归方程

为更好的确定各项因素的权重系数,采用层次分析法进行权重系数的确定,AHP法主要是指将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法,其核心是利用1-9的整数和其倒数值作为建立构造判断矩阵,两两要素相互比较,再使用和积法计算权重系数。得出下表5。

表5 越西县甜樱桃各气候适宜性指标权重系数

3 结果分析

通过空间模型算出各点的气象要素分布,并在利用地理残差叠加,用Arcgis软件提取并计算。最终结合AHP 法得出越西县甜樱桃气候适宜性分布图,得出图2的越西县甜樱桃气候适宜性区划图。从图2可以看出总的来说,越西县甜樱桃适宜区占全县总面积的33.7%,较适宜区占比为49.3%,不适宜区仅占比17.0%,这充分说明越西县大部地区还是较为适合甜樱桃种植生长的。从种植乡镇来看,不适宜其种植的地区主要集中在西部和冕宁县分界的山脉和东部与美姑县交界的高山地区,此地区海拔较高,并且基本无人居住,不适合开展农业生产活动。适宜区在越西县呈南北向带状分布,如北部的梅花、保安、乃托、板桥以及中部的大花、拉普、尔觉、大瑞、南箐和南部的书古、普雄、贡莫和依洛地坝、竹阿觉,这些乡镇在每年的3～5月气温适宜,平均温度在14～15℃,降水充沛,光照适宜,良好的光、温、水配合非常适宜甜樱桃的生长发育,并且此区域的海拔多在2000以下,坡度也较小,利于排水排涝,兼具坡向也向阳,因此甜樱桃的产量也较好。较适宜区则集中在越城、新民、中所和海拔稍高的拉吉和申果庄,越城、中所是由于5月温度较高,此时段较高的气温容易灼伤果实,造成减产;而申果庄和拉吉则由于海拔较高,在2500～3000m左右,热量条件差,在果实形成的关键阶段,5月温度过低,因此不利于品质较好的甜樱桃形成。

图2 越西县甜樱桃气候适宜性区划

4 结论

(1)越西县甜樱桃生长发育主要受到3～5月的平均气温以及5月上旬最高气温因素的影响和制约。降水量和日照对越西甜樱桃总产量影响较小,只有5月分相对湿度对产量有部分影响。

(2)大致上看,越西县甜樱桃种植适宜区呈南北带状分布,这也和越西县甜樱桃的实际种植区域吻合。较适宜区则主要存在于越城、新民、中所和南部的高海拔二半山地区申果庄片区和拉吉乡。不适宜区则分布在越西的东西边界高山地区。

(3)根据Arcgis软件的计算统计,其中,适宜区占越西县总面积约为33.7%,次适宜区面积占比为47.3%,不适宜区占约17.0%,充分说明越西县的气候条件很适合甜樱桃的生长发育,可以适当推广种植,帮助当地群众脱贫致富。

(4)本文虽然综合考虑了气候及地形因素对甜樱桃的影响,但是没有对土低利用率、土壤质地、还有防灾减灾手段,比如越西县东方农业公司已经在试点使用大棚种植技术来进一步预防冰雹、暴雨灾害以期提高产量。此外本文采用的区域站气象数据站点只有14个,越西东部地区没有区域气象站点分布,可能造成数据的不准确,越西县气象局已于2020年底将全县所有乡镇安装了区域自动站,后续可以继续跟进研究。最后,本文采用了AHP法确定个因素的权重,但是因为存在人为主管因素影响,因此在今后使用时还要结合具体情况具体分析。