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

進入21世紀后，赤峰市設施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，特別是2016年以來，設施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，面積逐年增加，截至2018年末，全市設施農(nóng)業(yè)面積累計達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，設施農(nóng)業(yè)已儼然成為赤峰市一張亮麗的名片。

設施農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益高，但投入資金多，風險大，當遇有氣象災害，損失尤為嚴重。近年來，由于氣候變暖，致使極端氣候事件頻發(fā)、多發(fā)[2]，《中國氣候變化藍皮書(2019)》指出：氣候系統(tǒng)變暖趨勢進一步持續(xù)，中國極端天氣氣候事件趨多趨強，氣候風險水平呈上升趨勢，這給設施農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患。近年來，針對設施農(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棚室設施的危害，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壓，得出了各區(qū)域日光溫室遭受大風危害的臨界風壓和風速指標。陳宇等[4]確立了農(nóng)業(yè)設施受大風影響的致災指標，為設施農(nóng)業(yè)大風天氣的預報預警提供依據(jù)。黃川容[5]、張波[6]對中國北方日光溫室分別從風災、雪災的風險和預警技術進行了分析和研究。張淑杰等[7]基于日光溫室番茄實際低溫凍害發(fā)生及影響因素分析，構建日溫差指數(shù)，確定了遼寧地區(qū)日光溫室番茄果實膨大期低溫凍害的指標，建立了日光溫室溫度預報模型。王瓊等[8]認為低溫凍害和寡照對日光溫室蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)有較大影響。馬成芝等[9]研究認為大棚內(nèi)青椒病蟲害的發(fā)生與氣象條件密切相關。孫立德等[10]研究了北方日光溫室精細化農(nóng)用天氣預報及綜合調(diào)控技術，使日光溫室管理更加科學化。胥慧敏等[11]從資源稟賦、經(jīng)濟區(qū)位、生產(chǎn)條件、生態(tài)保護4個方面構建評價體系，對河南省各地市設施農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿M行了評價。

目前，從氣候資源和氣象災害兩方面綜合進行設施農(nóng)業(yè)適宜種植區(qū)劃的研究未見諸于文獻。隨著設施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)前景被普遍看好，如果跟風建設，盲目擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，增加資金投入，而不針對具體地形下氣候特征進行分析研究，就有可能因氣候條件不適宜，氣象災害多發(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，從易于導致設施農(nóng)業(yè)受災的氣象條件出發(fā)，基于GIS技術和地形條件，開展設施農(nóng)業(yè)適宜種植區(qū)劃研究，以期為設施農(nóng)業(yè)科學化種植提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

赤峰市14個國家氣象觀測站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)，來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(www.resdc.cn)。

1.2 區(qū)劃因子

農(nóng)業(yè)氣候指標體系的建立是農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃工作的核心與基礎[12-14]。影響設施農(nóng)業(yè)的氣候要素主要分為兩類，一類是會對設施農(nóng)業(yè)設施造成損壞的氣象災害，如大風、冰雹、大（暴）雪等；另一類是對設施農(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。

大風會掀翻棚膜，使棚室鋼架結(jié)構變形；冰雹會直接造成棚膜受損，間接導致棚室內(nèi)溫度下降、蔬菜受害；如果不能及時清除積雪，可能會壓垮棚室，損失更是毀滅性的。這3種氣象災害對設施農(nóng)業(yè)的設施造成的損壞最為嚴重，因此，選取年大風日數(shù)、年冰雹次數(shù)、年大雪及以上降雪次數(shù)3個氣象要素作為影響棚室設施的氣候區(qū)劃因子。設施農(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。

設施農(nóng)業(yè)通過光照來為棚室增溫，因此，光照長度是設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為重要的氣象要素，直接關系到某地是否能夠發(fā)展設施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)；氣溫的高低，可以衡量某地熱量資源的豐富程度，對于設施農(nóng)業(yè)，主要依據(jù)冬季的熱量（溫度）條件來確定棚室建設中保溫材料和措施的規(guī)格，這也直接關系到成本投入的多少。因此，選取年日照時數(shù)、冬季平均最低氣溫2個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

每個區(qū)劃因子設定一個底限值，若某個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)相關文獻[5-7,10]，結(jié)合赤峰市近年來氣象條件（災害）對設施農(nóng)業(yè)的影響，設定各區(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的精細化氣候區(qū)劃，需要將離散的氣象要素數(shù)據(jù)，插值到空間任意點上。對于溫度類氣象要素，由于與地理信息密切相關，可采用回歸分析建立推算模型進行空間插值。對于與地理信息相關不顯著的氣象要素，采用能夠引入地形作為協(xié)變量的薄盤樣條法進行空間插值，能顯著提高空間插值的客觀性和準確性。

表1 設施農(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，然后將要素圖層進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，包括年日照時數(shù)和冬季平均最低氣溫；另一類是氣象災害，包括年大風日數(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)劃因子的權重，運用GIS的空間分析功能進行疊加分析，針對每一個區(qū)劃因子中的不適宜區(qū)進行剔除處理。確定區(qū)劃分級界限，進行設施農(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

分別將年日照時數(shù)和冬季平均最低氣溫進行空間插值，見圖1和2。

由圖1可見，赤峰市年日照時數(shù)均在2700 h以上，日照資源非常充足，各地均高于設施農(nóng)業(yè)對日照的最低要求。赤峰市中部和東北部的日照時數(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)展設施農(nóng)業(yè)，因為棚室內(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 年日照時數(shù)分布

圖2 冬季平均最低氣溫分布

2.2 氣象災害要素分布特征

分別將年大風日數(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)進行空間插值，見圖3～6。

由圖3～6可知，赤峰市年大風日數(shù)在北部山區(qū)較多，由于大風易損壞棚室，不適宜開展設施農(nóng)業(yè)建設；赤峰市年冰雹次數(shù)不多，且多以局地為主，對設施農(nóng)業(yè)影響??；受特殊地形的影響，赤峰市大雪及以上量級降雪多出現(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)展設施農(nóng)業(yè)。

2.3 設施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃與分析

將以上諸因子進行歸一化，運用層次分析法，確定年日照時數(shù)和冬季平均最低氣溫權重分別為0.60和0.40，年大風日數(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)的權重分別為0.25、0.25、0.20和0.30。運用GIS分別計算綜合氣候資源因子和綜合氣象災害因子，再分別將這2個因子進行歸一化，運用層次分析法，確定2個因子的權重分別為0.70和0.30。再進行柵格計算，然后將不滿足設施農(nóng)業(yè)最基本條件的區(qū)域直接剔除，得到設施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖層。根據(jù)各因子的實際分布，確定設施農(nóng)業(yè)適宜區(qū)和次適宜區(qū)的分級界限為0.80，將設施農(nóng)業(yè)分為3級，得到赤峰市設施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃圖（圖7）。

由圖7可見，赤峰市設施農(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，加之影響設施農(nóng)業(yè)的氣象災害相對較少，比較適合發(fā)展設施農(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，氣象災害多發(fā)，不適宜設施農(nóng)業(yè)建設。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，氣象災害相對稍多，設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定性稍差，應慎重發(fā)展設施農(nóng)業(yè)。

圖3 年大風日數(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。但設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣象災害更為敏感，影響更加顯著，如果遭遇氣象災害，損壞是嚴重的，損失是慘重的。因此，進行設施農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃時，在考慮滿足設施農(nóng)業(yè)對光、熱條件需求的前提下，還需要重點考慮對設施農(nóng)業(yè)影響較大的氣象災害的分布特征[25]。對于氣象災害多發(fā)且無法規(guī)避的地區(qū)，應避免開展設施農(nóng)業(yè)建設，比如冰雹、大風多發(fā)區(qū)；對于可以通過采取適當措施，且不會過多增加成本就可以防御的氣象災害少發(fā)區(qū)，可以考慮適當開展設施農(nóng)業(yè)建設，比如冬季極端低溫較低，但持續(xù)時間并不太長的地區(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，直接關系到最終區(qū)劃結(jié)果的準確性。溫度或與溫度相關的氣象要素，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，可以建立統(tǒng)計模型來空間化，但其余大部分氣象要素不能用統(tǒng)計方法構建模型。而常用的地統(tǒng)計插值方法，如克里金法、反距離權重法、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，能夠客觀地表達氣候要素的空間分布，使得插值準確性得以提升。

圖7 赤峰市設施農(nóng)業(yè)精細化氣候區(qū)劃

3.3 局地災害性天氣分析

在設施農(nóng)業(yè)建設規(guī)劃時，不能僅分析鄰近氣象站點的數(shù)據(jù)，還需要開展實地調(diào)查和歷史災情普查，以確保對設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響大，且局地性強的災害性天氣發(fā)生頻率和強度不高。例如，冰雹具有較強的局地性，如果僅采用氣象站點的冰雹觀測數(shù)據(jù)，肯定會存在一定程度的遺漏，應結(jié)合民政部門的災情數(shù)據(jù)進行綜合分析，以避免在冰雹易發(fā)區(qū)進行設施農(nóng)業(yè)建設而增加潛在風險。

3.4 區(qū)劃指標的適用范圍

本氣候區(qū)劃分析針對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象開展的分析，如果棚室的結(jié)構或保溫措施不同[31]，或所種植的蔬菜品種對氣候條件有更嚴苛的要求，則需要重新界定區(qū)劃指標。本研究所確定的以年日照時數(shù)、冬季平均最低氣溫為設施農(nóng)業(yè)氣候資源區(qū)劃指標，和以年大風日數(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)為設施農(nóng)業(yè)氣象災害區(qū)劃指標，是針對本研究區(qū)氣候特點以及本地設施農(nóng)業(yè)棚室結(jié)構而選擇的，若推廣到氣候條件與本研究區(qū)差異較大，或棚室結(jié)構及其保溫性能差異較大的其它地區(qū)，需要結(jié)合當?shù)厍闆r進行適當調(diào)整。

4 結(jié)論

本研究綜合考慮了氣候資源和氣象災害兩個方面，進行了赤峰市設施農(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段熱量的保持。從影響設施農(nóng)業(yè)的氣象災害看，西部和北部地區(qū)是氣象災害的易發(fā)區(qū)，不利于發(fā)展設施農(nóng)業(yè)。從設施農(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，氣象災害相對較少，適宜發(fā)展設施農(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，氣象災害多發(fā)，不適宜設施農(nóng)業(yè)建設。綜合考慮土地利用類型，赤峰市適合開展設施農(nóng)業(yè)建設。