基于GIS的重庆市甘薯气候生态区划研究

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  摘 要 甘薯是重庆市第三大粮食作物,其产量、品质与气候资源条件紧密相关。选取重庆市及其周边地区52个气象观测站1981—2010年的气象资料以及1∶25万DEM资料,分析与甘薯生长发育密切相关的气温、降水、日照等多种气象因子,确定年平均气温、伏旱频率作为关键区划因子,得到甘薯生长的区划指标。通过利用ArcGIS平台对区划因子分别进行空间扩展,制作重庆市甘薯气候生态区划图,可将全市划分出热量丰富伏旱高发、热量丰富多伏旱、温热多伏旱、温热少伏旱、冷凉伏旱偶发以及寒冷不适宜等6个不同生态气候类型的甘薯栽培区,为重庆市甘薯种植优化布局提供客观的科学参考依据。
  关键词 甘薯;气候生态区划;GIS;重庆市
  中图分类号:S531;S162.2 文献标志码:A 文章编号:1673-890X(2014)34-23-05
  知网出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/50.1186.S.20141224.1041.028.html 网络出版时间:2014/12/24 10:29:00
  甘薯[Ipomoea batatas (Lam.) L.],又名番薯、地瓜、红苕、山芋、金薯、红薯、白薯等,是我国重要的粮食作物、饲料作物和经济作物,也是淀粉加工业中重要的工业原料作物。甘薯起源于中美洲或南美洲的西北部,在15世纪初传至欧洲,16世纪初相继传播到亚洲和非洲。甘薯在我国已有400多年栽培历史,由于其具有产量高、用途广、抗旱耐瘠、适应性强等优点而被大面积推广种植,特别是高淀粉甘薯,不仅可加工成粉丝、粉条、粉皮等,还可生产精白淀粉,广泛应用于造纸、纺织、医药、轻工业以及养殖业等领域[1]。
  甘薯是重庆市第三大粮食作物,2012年全市种植面积37.4万hm2,占全市粮食总播种面积的16.55%[2]。但由于全市甘薯生产水平较低,在质和量上都不能满足加工需要,迫切需要优化种植区域布局[3]。重庆市整体气候资源对甘薯生长十分有利,但境内地形复杂,绝大部分地区是丘陵、山区,海拔高差悬殊,立体气候性强,区域气候差异明显,这导致了各区域气候资源条件对甘薯的产量和品质影响较大,因而在重庆市进行甘薯气候生态区划研究,对优化甘薯种植区域区划与种植布局具有重要的生产指导意义。
  地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是一門综合性学科,结合了地理学与地图学以及遥感和计算机科学,已经广泛地应用于不同的领域,近年来国内外学者开始将GIS应用于农作物区划研究。高阳华等[4-5]对重庆市的甜橙、再生稻等作物进行了气候生态区划,杨世琦等[6]开展了重庆市马铃薯气候适宜性区划,这些研究为重庆市相关作物生产布局提供了较好的思路及技术指导。而在甘薯区划气候指标选择方面,国内也有一些研究报道,如雷玄肆[7]将15℃初日~10℃终日之间的间隔日数作为甘薯种植的区划指标,将江西省浮梁县划分为最优区与适宜区;蒋宗孝等[8]则确定春季日平均气温稳定通过15℃~秋季极端最低气温稳定通过9℃终日的日数为甘薯安全种植的气候区划指标;曾永美对重庆市甘薯气候生态区划也进行了初步探索。
  本文选取重庆市1981—2010共30年的气象数据资料,在综合考虑重庆市气候条件和甘薯生长发育对光温水等主要气象因子需求的基础上,合理选择影响甘薯生长发育的关键气象因子,最终确定重庆市甘薯气候区划指标为:年平均温度和伏旱频率。然后应用GIS平台进行分析,结合气象要素空间扩展方法,对气候生态区划指标值进行空间化。最终绘制得到重庆市甘薯栽培精细化气候生态区划图,旨在为重庆市甘薯种植优化布局提供客观的科学参考依据。
  1 重庆甘薯气候区划资料来源、指标与方法
  1.1 资料来源
  本文采用了1981—2010年重庆及其相邻省份共52个气象观测站的气象数据,以及1∶25万数字高程模型(DEM)作为区划基础资料,气象观测站点的分布如图1所示。
  1.2 甘薯生长发育气候条件
  1.2.1 气温
  甘薯植株各部位对温度要求不尽相同。对甘薯蔓叶而言:当气温低于15℃时蔓叶停止生长,日平均气温低于10℃、最低气温低于5℃时则受冻害;日平均温度低于6℃、最低气温低于1~2℃达2天时则严重受冻;在当气温16~35℃范围内,温度越高生长越快,21~26℃时生长最旺盛,当气温高于38℃则对其生长不利。对甘薯块茎而言:甘薯发根最低温度为15℃,最适宜为27~30℃;块根萌芽温度最低为16~18℃,最适宜为28~32℃,高于35℃时其生长受到抑制;块根形成温度最低为20℃,最高为32℃,最适宜为22~24℃,9℃以下时会受冻害;块根膨大最低为16~18℃,最适宜为22~23℃。此外,日夜温差大有利于淀粉积累、块根膨大[1, 7-8]。
  1.2.2 水分
  甘薯虽然具有较强的耐寒能力,但不耐涝。适宜甘薯生长的土壤相对湿度为60%~80%,生长期土壤持水量达田间最大持水量的70%上下时,适宜于茎叶生长和块根生长及膨大。缺水时茎叶生长纤弱,产量降低;水分太多轻则会引起茎叶徒长,重则影响根系生长、块根形成及膨大,进而使产量、品质、耐贮性能均降低[1, 7-8]。
  1.2.3 光照
  甘薯为喜光作物,光照充足能提高光合作用强度,增加干物质积累。同时还能提高土温和扩大昼夜温差,有利于块根形成和膨大。较长的日照(12~13 h/d)对茎叶、薯块生长均有利,较短的日照(8~9 h/d)能促进甘薯现蕾开花,但不利于块根膨大[1, 7-8]。
  1.3 重庆市甘薯气候区划指标分析
  1.3.1 气候条件
  重庆市地处中亚热带,属亚热带湿润季风气候区,境内地形复杂、气候多样,区域气候特征明显,垂直气候差异显著,沿江河谷地区热量资源十分丰富,年平均气温在18℃以上,年活动积温6500℃以上,无霜期275~350 d,年降水1000~1200 mm,雨热同季,年际间波动较大,年日照时数1100~1600 h,日照自西向东增加,年平均相对湿度为65%~80%;海拔较高(>1000 m)的地区年平均气温为13.5℃以下,年活动积温在5000℃以下,年降水在1200~1800 mm,日照时数大于1600 h,年平均相对湿度大于80%[9]。   1.3.2 气候区划指标分析
  综上所述表明,气温、降水和光照都是影响重庆甘薯分布关键气候因子,考虑到重庆市降水总量基本满足甘薯生长发育需要,即使遇干旱,也可以通过人工浇水等措施进行调节,因此本文选择与热量和光照密切相关的气候因子年平均气温作为基本气候区划指标之一。此外,伏旱频率也是影响重庆甘薯产量和品质的重要气候因子,因而伏旱频率也是进行甘薯气候区划的基本指标之一。结合甘薯对上述气候生态资源条件基本要求,确定如表1的重庆市甘薯气候生态区划指标。
  1.4 区划指标的空间扩展
  在确定了气候生态区划指标后,应用ARCGIS分析平台将区划指标进行空间扩展,主要方法采用插值法和回归建模法。
  2 重庆甘薯气候区划结果与分析
  2.1 甘薯气候生态区划指标空间分布
  2.1.1 年平均气温空间分布
  关于山区平均气温分布的问题,一般认为是随海拔高度按线性递减,常以递减率(每上升100 m的气温递减度数)作为主要特征量进行生态区划研究。根据重庆市及其周边52个台站的1981~2010年间共30年的气候数据,我们拟合出年平均气温与海拔高度的关系为y=-0.0061x+19.357,即海拔每升高100 m气温降低0.61℃,相关系数R2=0.9417。利用该规律将各个台站年平均气温数据订正到海平面,采用克里金插值法[10]对海平面数据进行空间化,然后通过反向运算,再得到真实地形下年平均气温的空间分布,制得重庆市年平均气温的空间分布图(图2)。
  2.1.2 伏旱频率空间分析
  本文选择回归模型作为伏旱频率扩展模型[11-12]。利用各台站经纬度、海拔高度等地理信息、降水量以及干旱频率资料,通过相关分析,选择降水与海拔高度作为回归模型的关键影响因子,逐步回归建立因素空间扩展模型:fdou=20.14+158e-0.006R-0.014H。式中,fdou代表伏旱频率,H代表海拔高度,R代表7月下旬至8月下旬的降水量。在建立伏旱频率扩展模型的基础上,利用基于GIS的重庆市气候资源系统平台上的地理因子及降水等气候因子的空间分布数据,得到重慶市伏旱频率的精细化空间分布图(图3)。
  2.2 重庆市甘薯气候生态区划
  应用ARCGIS分析平台,根据重庆市甘薯气候生态区划指标年平均气温和伏旱频率精细化空间扩展后分布结果,得到重庆市甘薯气候生态气候区划图(图4)。从图4中可以看出,重庆市甘薯的栽培区主要集中在西部等海拔较低地区,这里热量条件优越,有利于甘薯生长发育;而东北部的城口、巫溪、巫山、奉节以及东南部的石柱、武隆等区县的高海拔地区年平均气温较低,气候寒冷,不适宜种植甘薯。
  2.3 重庆市甘薯气候生态区划分区概况
  热量丰富伏旱高发甘薯栽培区(Ⅰ):位于长江、嘉陵江等河流流域周边地区及西部低海拔的潼南、铜梁等地。幅员面积11930.7 km2,占全市面积的14.5%。这一区域年平均气温16℃以上,热量资源丰富,但伏旱频率在70%以上,每年的7—8月当甘薯正处于需水高峰期和薯蔓共生期时,连日的伏旱将抑制甘薯茎叶的生长和薯块膨大。为了使甘薯的种植收益良好,适宜推广种植耐旱的甘薯优良品种,同时必须从夏季初期开始做好蓄水抗旱。
  热量丰富多伏旱甘薯栽培区(Ⅱ):位于西部荣昌、大足、永川以及中部垫江、梁平等地低海拔地区,与Ⅰ区相邻,海拔相对于Ⅰ区略高,幅员面积20680.3 km2,占全市面积的25.1%。这一区域年平均气温高于16℃,伏旱频率在50%~70%。由于当地淀粉加工企业众多,对甘薯淀粉的需求量巨大,因而适宜推广种植高产的淀粉型甘薯优良品种。
  温热多伏旱甘薯栽培区(Ⅲ):本区主要分布于东南部酉阳、秀山的相对海拔较低地区,总幅员面积3775.2 km2,占全市面积的4.6%。这一区域年平均气温14.4~16.1℃,伏旱频率在50%~70%。由于秀山等地将甘薯作为主要的粮食作物,种植面积广,因而适宜种植高产食用型甘薯优良品种。
  温热少伏旱甘薯栽培区(Ⅳ):本区分布较为分散,主要分布于西南部的南川、綦江,中部的涪陵以及东北部的万州、云阳、开县等海拔相对较低的浅丘地区,总幅员面积13406.8 km2,占全市面积的16.3%。这一区域年平均气温14.4~16.1℃,伏旱频率在30%~50%,热量条件比较丰富,伏旱频率较低,土壤等综合条件较好。为满足当地发展生猪养殖饲料需求,适宜种植饲料型和藤蔓型甘薯优良品种。
  冷凉伏旱偶发甘薯栽培区(Ⅴ):主要分布于西南地区的江津、南川,东南部的武隆、彭水、黔江、酉阳、石柱以及东北部的奉节、云阳等地区的海拔800~1500 m山区,总面积17062.4 km2,占全市面积的20.7%。这一区域年平均温度10.9~14.4℃,热量资源较差,基本能满足甘薯生长发育对热量条件的需求,可根据当地生产和生活需要,根据地理和气候适量种植食用和饲料兼用的甘薯优良品种。
  寒冷甘薯不适宜栽培区(Ⅵ):主要分布于东南部的石柱、武隆以及东北部城口、巫溪、巫山等区县的海拔较高山区,幅员面积155479 km2,占全市面积的18.8%。这一区域热量条件较差,不适宜甘薯的栽培,仅可种植少量蔓尖菜用的甘薯优良品种,丰富当地百姓的菜篮子。
  3 结论与讨论
  本文以甘薯生长发育过程中关键气象因子和重庆市甘薯栽培环境中气候条件为气候生态区划依据,将年平均气温和伏旱频率作为重庆市甘薯气候生态区划关键因子。同时应用ArcGIS分析平台,对年平均气温和伏旱频率进行了精细化空间扩展,得到重庆市甘薯气候生态气候区划图,像元精度达到100 m×100 m。可将重庆市划分出热量丰富伏旱高发、热量丰富多伏旱、温热多伏旱、温热少伏旱、冷凉伏旱偶发以及寒冷不适宜等6个不同生态气候类型的甘薯栽培区。   重庆市作为我国甘薯的重要产区之一,进行甘薯气候区划具有重要生产指导意义和决策参考价值。王卫强等认为,重庆尚有未利用土地72.39万hm2,大部分是不适宜栽培水稻、小麦、玉米等粮食的荒山荒坡,而甘薯耐旱、耐瘠薄,可以通过新品种及配套栽培技术推广,提高种植面积和单产[13]。本文区划结果可为重庆市甘薯种植优化布局提供客观的科学参考依据。
  土壤养分是作物高产、优质的基础,王菲等通过对重庆市江津区59个甘薯土壤样本进行测试分析,发现部分样本存在偏酸、有机质含量偏低等问题[14]。今后的研究中,气象因子结合土壤等信息将是生态区划的方向之一。同时,通过文献搜索对比发现,目前重庆市及周边地区尚无同类研究,国内外对甘薯气候区划方面的研究报道也较少。因而,本文所选用区划指标及研究结果不但可以指导重庆市甘薯种植优化布局,相关研究结论可以在今后推广应用中进行进一步验证、深化,同时也可以为国内外相关研究提供重要参考。
  参考文献
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  (责任编辑:丁志祥)
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