基于GIS技术的云龙县麦地湾梨气候适宜性区划

    字善生 杨素娥 李城亮

    

    

    

    摘要 ? ?充分利用云龙县气象站1977—2016年40年逐月地面气象资料，以及云龙县所属的11个乡镇气象观测站订正后的逐月地面气象资料，在总结前人工作成果的基础上，对云龙县麦地湾梨气候资源进行综合性分析;应用GIS技术研究云龙县麦地湾梨种植的气候适宜性，采用自然断点法将云龙县麦地湾梨气候适宜性劃分为最适宜区、适宜区、次适宜区、不适宜区等4个层次区域，作出云龙县麦地湾梨气候适宜性区划图，并粗略估算出云龙县麦地湾梨的可种植面积;针对影响云龙县麦地湾梨生产的主要气象灾害，提出对策。云龙县现有的麦地湾梨优质高产区全部均位于区划结果的种植气候最适宜区内，区划结果的实用性强，对云龙县地方特色品种麦地湾梨产业的可持续发展具有较强的参考性。

    关键词 ? ?GIS技术;麦地湾梨;气候适宜性;区划;云南云龙

    中图分类号 ? ?S661.2 ? ? ? ?文献标识码 ? ?A

    文章编号 ? 1007-5739（2020）20-0051-06 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?开放科学（资源服务）标识码（OSID）

    Abstract ? ?Making full use of the monthly meteorological datas of Yunlong County Meteorological Station for 40 years from 1977 to 2016，and the revised monthly meteorological datas of 11 township meteorological observation stations， based on summarizing the previous work， comprehensive analysis was made on the climate resources of Maidiwan Pear in Yunlong County; The GIS technology was used to study the climate suitability of Maidiwan Pear planting in Yunlong County; the climate suitability of pear was divided into four levels （the most suitable zone， suitable zone， sub-suitable zone and unsuitable zone） based on the natural breakpoint method. The climatic suitability map of Maidiwan Pear in Yunlong County was prepared， and the planting area of Maidiwan pear in Yunlong County was roughly estimated. In view of the main meteorological disasters affecting the production of Maidiwan Pear in Yunlong County， the countermeasures were put forward. The high-quality and high-yield areas of Maidiwan Pear in Yunlong County were all in the most suitable zone.The zoning results were highly practical，and had a strong reference for the sustainable development of Maidiwan pear which was the landrace in Yunlong County.

    Keywords ? ?GIS technology; Maidiwan pear; climate suitability; regionalization; Yunlong Yunnan

    云龙县地处云贵高原西部横断山脉南端澜沧江纵谷区，属于大理州、保山市、怒江州的结合部，地处东经98°52′～99°46′、北纬25°28′～26°23′之间。境内山岭连绵、沟谷纵横，大部分地区是山地和坡度较大的谷地，占云龙县面积的90%以上，是一个以种植、养殖为主的典型山区农业县。据《云龙年鉴（2019）》记载，全县森林覆盖率67.52%，耕地总面积168.74 km2，城镇规划区面积20.85 km2。云龙县因受特殊的地理位置和复杂的地形地貌影响，形成了独特的立体性气候，很多物种都能在境内找到气候适宜的生长环境。充分发挥云龙县的气候资源优势，对地方特色经济林果、经济作物进行气候适宜性区划，对促进云龙县高原特色农业的可持续发展具有重要意义。

    麦地湾梨是云龙县地方特色水果品种，由于独具风味和特晚熟优势，已被认证为绿色食品、云南省特晚熟优质梨品种，并获得国家地理标志保护。麦地湾梨目前在全县种植面积已达3 266.7 hm2，其中云龙县诺邓镇麦地湾梨协会的天池林果场种植335 hm2的连片示范区，带动周边连片种植310 hm2。2018年，全县投产面积1 735 hm2，年产量达2.6万t，产值近7 000万元。云龙县的11个乡镇均有大面积的山坡旱地，如果气候条件适宜，可以考虑种植麦地湾梨。因此，进行麦地湾梨气候区划，有助于稳步推进云龙县麦地湾梨产业的健康发展。

    1 ? ?云龙县麦地湾梨的特征及品牌概况

    麦地湾梨是云龙县地方特色品种，植株高大，树势强健，果实大且品质特好，因其优质品种源于云龙县苗尾乡水井村麦庄村民小组的麦地湾而得名。在县境内的主要分布范围：西起苗尾乡水井村，东至诺邓镇和平村，北起白石镇松水村，南至宝丰乡东山村，东西长、南北宽均为50 km左右，海拔垂直分布范围1 300～2 600 m。因其成熟期特晚，甚至要到冬季才熟透，群众又称之为“冬雪梨”，于20世纪90年代初被云南省农业科学院评为特晚熟优质梨。

    海拔1 800～2 600 m的高山河谷中潮湿温凉地带最适宜栽培麦地湾梨，定植后3年结果，10年后进入盛果期[1]，全树结果均匀，70余年的老梨树仍抽梢正常、挂果满枝。3月上旬萌动，中旬开花，花期约20 d，10月下旬至11月中旬果实成熟，12月上、中旬落叶[1]。果实硕大、果形美观、风味独特，果色褐黄并伴着红晕，果形扁圆端正、色澤鲜艳、无锈斑，果皮薄，果肉酥脆核小、汁多味甜、酸甜适口、滋味香浓。果品丰产，大果型单果重400～800 g，中果型单果重250～350 g，一般单株产量400～600 kg，最高可达1 500 kg[2]。果实富含营养物质，经天池林果场聘请专家测定，含糖量8.56%、氨基酸含量268.58 mg/100 g、VC含量3.18 mg/100 g、可溶性固形物含量13.65%、可食率82.93%。麦地湾梨耐贮藏，存放至翌年3月仍保持汁多、浓甜、酥脆，且贮藏后品质风味更佳，可贮存至翌年3—5月。

    云龙县天池林果场通过多年的发掘、选育、提质、技术集成，于2002年注册了“麦地湾梨”商标。2010年，麦地湾梨取得绿色食品认证，2015年“麦地湾梨”商标获得省级著名商标。2014年5月，“云龙麦地湾梨”通过中华人民共和国农业部核准取得农产品地理标志登记证书，实施国家农产品地理标志登记保护。2015年，“云龙麦地湾梨”入选《2015年度全国名特优新农产品目录》。

    2 ? ?云龙县麦地湾梨种植的气象条件

    梨树在我国广泛种植，对外界环境的适应性很强，有耐寒、耐旱、耐涝、耐盐碱的特性[3]。梨树喜温，生长需要较高温度，休眠期则需一定低温。冬季最低温度在-25 ℃以上的地区，多数品种可安全越冬。当土温达0.5 ℃以上时，梨树的根系开始活动，6～7 ℃时生长新根，>30 ℃或<0 ℃时停止生长。当气温达5 ℃以上时，梨芽开始萌动，当气温达10 ℃以上时即能开花，当气温在14 ℃以上时开花加速。梨树生长发育需水量较多，尤其是在梨树开花、展叶、新梢生长期需要充足的水分。土壤水分含量15%～20%较适于根系生长，降至12%则根系生长受抑制。梨树为喜光果树，年需日照时数1 600～1 700 h。

    麦地湾梨较耐湿耐阴，喜温凉湿润气候，选择种植地时以背风向阳为宜，气候条件为年平均气温11～17 ℃、年降雨量700～1 200 mm、年日照时数1 800～2 200 h、年均相对湿度72%～78%[4]。麦地湾梨以海拔1 800～2 600 m为宜，树势健壮、丰产，果实肉质较细，石细胞较少而小;在海拔1 800 m以下，因开花展叶期温度较高、湿度较低，果大、皮厚、肉粗、石细胞多而大，品质偏差，且结果率偏低而影响产量;海拔2 600 m以上，因积温不足、汛期雨水过多，花期迟，果实营养物质积累不充分，导致果小味淡，难以正常成熟，品质降低、产量下降。

    3 ? ?麦地湾梨气候适宜性区划研究

    3.1 ? ?数据来源和技术方法

    3.1.1 ? ?数据来源。①气象资料：气象数据及气候考察数据来自云龙县气象局和云南省气象局，气象数据包括云龙县气象站1977—2016年40年逐月地面气象资料及所属的11个乡镇气象观测站订正后的逐月地面气象资料，包括降水量、平均气温、极端最高（最低）气温、日照时数、相对湿度和各界限温度的积温等。②农业生产资料：云龙县主要粮经作物布局和麦地湾梨的历年种植面积、产量及品质状况。③灾情资料：主要是云龙县1977—2019年的灾情统计资料。

    3.1.2 ? ?技术方法。因为气候因子分布具有一定的时空连续性，通过线性插值法[5]，全面应用先进的GIS技术，对云龙县气候要素空间分布进行精细化模拟，同时利用调查资料、农业气候区划研究等相关成果以及前人工作成果，以提高项目运行的可行性和可操作性。

    3.1.3 ? ?气象数据归一化处理。为了消除指标之间的量纲差异，对每一个指标进行处理：

    Xi=（xi-xi，min）/（xi，max-xi，min）

    式中，xi，min和xi，max分别为某个指标的最小值和最大值。

    3.2 ? ?基于GIS的相关气候要素细网格推算

    利用GIS软件进行气候要素细网格推算的常用方法，有小网格推算模型和空间直接内插法2种。

    建立小网格推算模型，就是将气候要素与经度、纬度、海拔、坡向、坡度等建立回归方程，然后根据回归方程计算各网格点的气象要素值[6]。但由于县气象站及各个乡镇气象站都建在相对平坦的位置，很难体现坡向和坡度因素，故本文在推算过程中只选用经度、纬度、海拔3个因子，推算模型：

    X=a+b×λ+c×？准+d×h

    式中，X为气象要素，h为海拔高度，λ为经度，？准为纬度，a、b、c、d为回归系数。

    空间直接内插法的原理是任何事物之间都是相关的，距离越近，相关性越大，插值过程中选用样本越多、分布越广，插值效果就越接近实际值[7]。

    根据麦地湾梨的生理习性，直接影响其生长发育的气象指标有年平均气温、积温、年降水量、3—5月降水量（春雨）、年日照时数、年相对湿度等。对云龙县的这些气候要素进行细网格推算，即通过各个指标站的散点气象数据，结合水文学、生态学和气象学等学科理论，选用小网格推算模型或空间直接内插法建立各个气候要素推算模型，基于GIS技术生成任意空间尺度上各个气象要素的时空分布状况。本文的年平均气温、积温等要素采用小网格推算模型，年降水量、3—5月降水量、年相对湿度等要素采用空间直接内插法，年日照时数采用经空间内插的日照百分率与地理可照时数之积进行估算。

    3.2.1 ? ?指标站确定。选用云龙县气象站和11个乡镇六要素自动气象站，共有12个指标站，其地理位置信息和相关气象要素值见表1。

    3.2.2 ? ?年平均气温推算。影响山地温度分布的因素较多，包括宏观地理条件、海拔、地形因素、下垫面性质以及大气状况[8]。就年平均气温而言，主要与海拔高度和太阳总辐射直接相关，其中海拔是主要因子，各网格点上的坡向、地形遮蔽等因素已经间接反映在太阳总辐射中。利用指标站的年平均气温随海拔高度、太阳总辐射的变化建立气温推算模型：

    T=a+b×h+c×Q

    式中，T为年平均气温，h为海拔高度，Q为太阳总辐射，a、b、c为回归系数。

    在小区域（比如一个乡镇）范围内的近似计算时，可以采用主因子法，并将太阳总辐射项修正到a、b 2个回归系数当中。使用指标站的海拔高度及表1中的年平均氣温数据，做一元线性回归分析，即可建立云龙县年平均气温细网格推算的简化模型：

    T=26.183-0.006 1h

    式中，T为年平均气温，h为海拔高度。

    通过该简化模型，运用GIS技术，可以得到云龙县年平均气温分布图（图1）。

    3.2.3 ? ?≥10 ℃积温推算。积温是用来研究作物生长发育对热量的要求、评价热量资源、合理安排作物布局和进行农业气候区划的一种指标，尤其是复杂地形下的≥10 ℃积温对农、林、牧业的规划布局十分重要。使用指标站的位置信息及表1中的≥10 ℃积温数据，可以建立云龙县≥10 ℃积温在山区细网格下的推算模型：

    ΣT≥10 ℃=24 076.195-90.590λ-257.235？准-1.871h

    式中，ΣT≥10 ℃为≥10 ℃活动积温，h为海拔高度，λ为经度，？准为纬度。推算模型的复相关系数R达到0.938。

    3.2.4 ? ?年降水量推算。年降水量的推算采用空间插值方法，也就是通过利用已有的散点降水量数据，经过空间插值生成任意空间尺度上的降水量的空间分布状况。

    本文使用的空间插值计算方法：在一个半径上限固定但可自动伸缩的信息圆内，对于任一欲插值的网格点，选择与其距离最近、对其影响最大的N个测站作为信息来源。对测点降水与海拔进行回归建模，同时考虑测站方位的影响而引入距离、方位权重，依托地理信息系统技术（GIS）、移动开窗技术集成实现并完成对降水的空间插值[9-10]。

    信息圆内相对于插值点的搜索半径，其大小依赖于站点密度[11]。就是说搜索半径是一个变化的量，其随格点周围测站分布密度的不同而变化。不同方位的站点对插值点的影响除了距离因素之外，其所处方位也将对插值结果产生影响，也就是说距离相同但空间位置不同的实测站点，其对预插值点的影响就有差异[11]。因此，插值过程中需要计算距离权重和方位权重。

    在估计降水时，对参与估值的站点的降水与海拔高程进行加权最小二乘回归分析：

    式中，Wi综合考虑方位和距离的权重系数。f=β0+β1（Z-Zi），要求| f |<1.0，并规定当| f |>0.95时，| f |=0.95。

    使用指标站的位置信息及表1中的年降水量数据，运用以上的降水量空间插值计算方法，即可得出山区细网格下云龙县年降水量分布图（图3）。

    3.2.5 ? ?春雨（3—5月降水量）推算。使用指标站的位置信息及表1中的3—5月降水量数据，运用以上3.2.4中的空间插值计算方法，即可得出山区细网格下云龙县3—5月降水量分布图（图4）。

    3.2.6 ? ?年日照时数推算。在复杂地形条件下，由于受季节、云量、海拔、坡度和坡向等地形因子以及周围地形相互遮蔽的影响，导致日照时数的时空变异显著。

    复杂地形下的月日照时数推算采用半球视域算法[12]，依次计算出基于DEM数据的1—12月的地理可照时数，再建立实际可照时数与地理可照时数的估算方法，推算出实际日照时数空间分布数据。即采用建立日照时数与地理可照时数、海拔高度、经度、纬度和总云量的多元回归统计模型[13]，理论推算模型如下：

    可照时数与纬度关系密切，实际日照时数与云量分布、天空状况和地形因子等有关。本项目因研究区域较小，就全年平均值而言各地云量分布、天空状况差异较小。天空状况和云量尚不能数字化，乡镇区域自动气象站还没有日照观测项目，故日照时数利用其周边地面气象站经内插的日照百分率与地理可照时数之积进行估算。本文选用大理州12个县市、怒江州泸水市和兰坪县、保山市隆阳区共15个气象站的日照时数。通过这种方法，即可得到云龙县年日照时数分布图（图5）。

    3.2.7 ? ?云龙县麦地湾梨气候资源综合分析。根据麦地湾梨的特性，分别采用图1～5分析麦地湾梨对各个气象要素的适应性，即可得出云龙县麦地湾梨气候资源分布情况，具体见表2。

    3.3 ? ?云龙县麦地湾梨种植气候适宜性区划

    3.3.1 ? ?区划指标确定。直接影响到麦地湾梨生长的气候要素有年平均气温、≥10 ℃积温、年降水量、3—5月降水量、年日照时数、年相对湿度等，其中主要影响因子为年平均气温、年降水量、年日照时数（即作物生长的光、温、水三大气象要素）。在本次区划中，综合考虑云龙县的气候特点和麦地湾梨的生理习性，同时兼顾资料数据的精确性和区划过程的可操作性，经过主因子分析方法，把平均气温、年降水量、年日照时数确定为区划因子，其具体气候适宜性区划指标见表3。

    3.3.2 ? ?单因子气候适宜性分布图。分别采用云龙县优质麦地湾梨气候适宜性区划主要指标（表3）中的相应指标，基于DEM数据，运用GIS技术，得到云龙县麦地湾梨各个区划因子的气候适宜性分布图（图6、7、8）。

    3.3.3 ? ?云龙县麦地湾梨种植气候适宜性区划结果。基于DEM数据，运用GIS技术，把3个区划因子（年平均气温、年降水量、年日照时数）的气候适宜性分布图进行图层叠加，并参考年相对湿度、≥10 ℃积温、春雨（3—5月降水量）等气象要素分布情况适当修正，得到云龙县麦地湾梨种植气候适宜性区划图（图9）。

    （1）最适宜区。年平均气温为12～14 ℃，≥10 ℃积温3 000～3 500 ℃，年降水量900～1 100 mm，3—5月降水量140～160 mm，年日照时数1 900～2 100 h，海拔2 100～2 300 m。占全县总面积的5%左右，主要分布在关坪乡、团结乡、诺邓镇、宝丰乡、功果桥镇。

    （2）适宜区。年平均气温11～12 ℃或14～16 ℃，≥10 ℃积温2 500～3 000 ℃或3 500～4 000 ℃，年降水量800～900 mm或1 100～1 200 mm，3—5月降水量120～140 mm或160～180 mm，年日照时数1 800～1 900 h或2 100～2 200 h，海拔1 900～2 100 m或2 300～2 500 m。占全县总面积的20%左右，主要分布在白石镇、关坪乡、团结乡、诺邓镇、宝丰乡、功果桥镇、苗尾乡、漕涧镇和民建乡。

    （3）次适宜区。年平均气温10～11 ℃或16～17 ℃，≥10 ℃积温2 000～2 500 ℃或4 000～4 500 ℃，年降水量700～800 mm或1 200～1 300 mm，3—5月降水量100～120 mm或180～200 mm，年日照时数1 600～1 800 h，海拔1 800～1 900 m或2 500～2 600 m。占全县总面积的15%左右，主要分布在检槽乡、长新乡和漕涧镇。

    （4）不适宜区。年平均气温>17 ℃或<10 ℃，≥10 ℃的积温>4 500 ℃或<2 000 ℃，年降水量>1 300 mm或<700 mm，3—5月降水量>200 mm或<100 mm，年日照时数>2 200 h或<1 600 h，海拔<1 800 m或>2 600 m。占全县总面积的60%左右，主要是低热河谷地区、高寒山区和集镇区，所有乡镇都有分布。

    3.3.4 ? ?云龙县麦地湾梨气候适宜区面积的粗略估算。在发展特色经济林果的过程中，既不能占用耕地面积，也不能影响城镇规划，更不能先毁林再栽植经济林果，故在估算适宜区面积时应将相应的部分扣除。上述云龙县麦地湾梨气候适宜性区划结果中，最适宜区基本与城镇规划区不重合，适宜区与区域内的城镇规划区有重合。在本文粗略估算中，区域内耕地所占百分率取全县平均值，即采用全县总耕地面积（2019年为168.74 km2）除以全县国土面积（4 400.95 km2），称之为耕地占用率（约为3.83%）;区域内林地所占百分率，直接取全县平均森林覆盖率（67.52%）;适宜区内城镇规划面积所占百分率取全县平均值，即采用全县城镇规划区面积（2019年为20.85 km2）除以全县国土面积，即为城镇规划区占用率（约为0.47%）。

    最适宜区可种植面积估算：

    估算面积=国土面积×最适宜区所占百分率×（1-耕地占用率-森林覆盖率）≈6 870 hm2

    适宜区可种植面积估算：

    估算面积=国土面积×适宜区所占百分率×（1-耕地占用率-森林覆盖率-城镇规划区占用率）≈27 360 hm2

    经过粗略估算，云龙县麦地湾梨种植气候最适宜区内可种植面积为6 870 hm2左右，适宜区可种植面积为27 360 hm2左右，共计34 230 hm2左右。

    4 ? ?结论与讨论

    （1）通过种植气候适宜性区划综合分析，云龙县麦地湾梨最适宜区和适宜区占全县总面积的25%左右，可种植面积约为34 230 hm2，发展种植特色经济林果麦地湾梨具有较大潜力。其中，最适宜区占5%左右，粗略估算面积为6 870 hm2左右，主要分布在关坪乡、团结乡、诺邓镇、宝丰乡、功果桥镇;适宜区占20%左右，粗略估算面积为27 360 hm2左右，主要分布在白石镇、关坪乡、团结乡、诺邓镇、宝丰乡、功果桥镇、苗尾乡、漕涧镇和民建乡。

    （2）本区划着眼于麦地湾梨种植的气候适宜性，没有深入研究土壤、地貌、地质、地物、村镇分布、基础设施、土地利用等情况，在具体应用过程中需要综合考虑这些因素。

    （3）合理布局梨园、种植基地，应将梨园和种植基地安排在干旱、冰雹、大风低风险区，尽量避开高风险区和较高风险区。

    （4）强化科学管理，增强气象灾害风险防范意识。重视麦地湾梨干旱风险防范，要加强水利工程建设，通过开展人工降雨增加区域降水量，出现干旱的年份要适当推迟梨树修剪期。关注春季低温、春雨偏多的年份，在充分利用自然降水的同时，特别要注意防范伴随而来的倒春寒和晚霜冻。

    （5）农业部门、梨园管理者、种植基地应与气象部门长期合作，建立气候变化监测网络和灾害预警系统，大力推进气象灾害风险管理，正确分析和评价气象条件对麦地湾梨种植带来的影响，开展专题气象服务技术研究，加强跟踪气象服务，及时将重要气象预警信息传递给梨园、种植基地、种植合作社。

    5 ? ?参考文献

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