魏華兵，陳正洪，羅 翔，肖 運，羅 昱，張 鵬

（1.湖北省咸寧市氣象局，湖北 咸寧 437100；2.湖北省氣象局，湖北 武漢 430074；3.湖北省通山縣氣象局，湖北 通山 437600；4.湖北省通山縣農(nóng)業(yè)局，湖北 通山 437600）

引言

枇杷（Eriobotrya japonica lindl）屬于薔薇科植物，原產(chǎn)于我國西南地區(qū)［1］，其果實營養(yǎng)豐富，葉片及其他廢棄部位含有豐富的活性功能成分，可用于生物、醫(yī)療、食品等行業(yè)［2-4］，具有較高的經(jīng)濟價值。另外，枇杷是常綠小喬木，綠化生態(tài)效益良好，在我國南方廣泛種植。鄂東南種植枇杷有近400 a的歷史，擁有地理標志的“隱水枇杷”是湖北省優(yōu)質(zhì)特色果品，2019年種植面積達2130 hm2，年產(chǎn)鮮果4.8萬t，產(chǎn)值2.2億元人民幣。為促進鄉(xiāng)村特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展，當?shù)卣?020年提出擴大枇杷產(chǎn)業(yè)種植面積倍增計劃。鄂東南屬于我國長江流域枇杷種植區(qū)，境內(nèi)地形地貌復雜，海拔落差較大（最高處1656 m，最低處28 m），局地小氣候差異明顯，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的枇杷栽培與氣候條件密切相關。因此，開展鄂東南枇杷種植的生態(tài)適宜性精細化區(qū)劃研究，對于促進當?shù)罔凌水a(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

通常，枇杷在年平均氣溫大于或等于12.0℃、年降水量1000.0 mm以上的地區(qū)均可以正常生長發(fā)育［5］，但枇杷主產(chǎn)區(qū)豐產(chǎn)年的年平均氣溫在15.0℃以上、年降水量約1400.0 mm且月分配較為均勻［6］。在農(nóng)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培中，除了全生育期需要充分滿足農(nóng)業(yè)氣候資源條件外，各生長階段光、熱、水等氣候條件的適宜性及氣象災害影響程度、種植區(qū)生態(tài)環(huán)境的差異對農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響也至關重要［7］。研究表明，枇杷在不同物候期的適宜溫度條件不同，氣溫在10.0℃以上開始發(fā)芽，20.0℃左右適宜花粉萌發(fā)［8］，而果實產(chǎn)量和品質(zhì)形成關鍵期（5—6月）的適宜氣溫為15.0～25.0℃，氣溫過高不適宜枇杷生長，且果實在采摘前15 d如遇高溫晴熱天氣，易發(fā)生日灼病［9-10］。足量開花是保證枇杷豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提，枇杷花芽分化期需要適度干旱條件來促進花芽分化［11］，鄂東南枇杷花芽分化期集中在8—10月，按輕度氣象干旱標準［12］推算的適宜降雨量為200.0～300.0 mm。枇杷花和幼果不耐寒，花期和幼果期的低溫凍害（最低氣溫分別小于或等于-6.0、-3.0℃）是威脅枇杷產(chǎn)量和品質(zhì)的重要氣象災害［13-14］，品種的抗寒性是枇杷良種選育的重要因素［15］。枇杷最忌積水，長江流域是我國多雨區(qū)，故枇杷多栽培在丘陵坡地上，但生態(tài)高效種植和機械作業(yè)的坡度不宜超過25°［16-17］，且偏南的平緩坡地，冷空氣不易積聚，而北坡多低溫凍害，西坡易發(fā)生旱害和日灼?。?8］。因此，坡度和坡向是枇杷生態(tài)環(huán)境的重要條件。

借助ArcGIS強大空間分析功能，能夠快速分析種植區(qū)域地理環(huán)境和氣候資源的空間差異，GIS（geographic information system）技術廣泛應用于農(nóng)業(yè)氣候精細化區(qū)劃［19-25］，明顯提高了區(qū)劃精度。因此，本文在前人研究基礎上，結(jié)合鄂東南枇杷生產(chǎn)實際，利用湖北省國家及區(qū)域氣象站觀測資料和DEM（digitial elevation model）數(shù)據(jù)，構(gòu)建細網(wǎng)格的枇杷氣候生態(tài)適宜性指標空間分布模型，借助GIS技術開展枇杷種植的生態(tài)適宜性精細化區(qū)劃研究，以期為鄂東南枇杷產(chǎn)業(yè)發(fā)展的面積倍增和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供技術參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省東南部、長江中下游南岸、幕阜山北麓，地理位置介于113°32′E—114°58′E、29°02′N—30°19′N之間，轄嘉魚、崇陽、通城、通山、赤壁、咸安6個縣（市、區(qū)），地處山地-丘陵-平原過渡帶，地勢南高北低（圖1）。該區(qū)域氣候溫和、降水充沛、光照充足、四季分明、無霜期長，屬于亞熱帶季風濕潤氣候；年平均氣溫17.4℃，年平均最高、最低氣溫分別為22.2、13.7℃，平均年降水量1640.4 mm，平均年日照時數(shù)1577.2 h，年平均風速1.6 m·s-1，年平均相對濕度76%。境內(nèi)有富水、陸水、金水、黃蓋湖四大水系，面積30 hm2以上的湖泊19個、河流246條，大小泉眼遍布各處，為枇杷生長提供了充足的水源；可利用的土地面積34.4萬hm2，土壤以紅壤、黃棕壤及其改性土壤為主，pH值為5.5～6.7，土層水熱條件優(yōu)越，有機質(zhì)累積深厚，自然肥力較高，適宜枇杷生長。

圖1 鄂東南地理位置及地形分布Fig.1 The geographical location and topography distribution of southeastern Hubei Province

1.2 資 料

所用資料為研究區(qū)1991—2020年6個國家氣象站和2011—2020年135個區(qū)域氣象站（區(qū)域站大約按5 km的間距布局）逐日平均氣溫、降水數(shù)據(jù)（來源于湖北省氣象信息中心）、DEM數(shù)據(jù)（空間分辨率為30 m）以及嘉魚、崇陽、通城、通山、赤壁、咸安6個縣（市、區(qū)）行政邊界數(shù)據(jù)（地圖投影方式為Mercator）。其中，行政邊界數(shù)據(jù)是基于湖北省地理信息公共服務平臺標準地圖服務網(wǎng)站下載的審圖號為鄂S（2018）009號的標準地圖制作，底圖無修改。

1.3 研究方法

1.3.1 枇杷適宜性指標及分級標準

根據(jù)枇杷生長發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)形成對地形和氣候生態(tài)環(huán)境的要求，選取年平均氣溫（Tave-y）、年最低氣溫（Tmin-y）、≥10.0℃活動積溫（AT10）、最低氣溫≤-3.0℃的日數(shù)（Dlt-3）、5月平均氣溫≥25.0℃的日數(shù)（Dht25-M）、8—10月降水量（RA-O）、年降水量（Ry）和坡向（A）、坡度（S）作為鄂東南枇杷適宜性指標，結(jié)合前人研究成果［5-6，8-13］和實際調(diào)查，確定其適宜性分級標準（表1）。

表1 鄂東南枇杷適宜性指標及分級標準Tab.1 The suitability indexes of loquat and their grading standard in southeastern Hubei Province

1.3.2 區(qū)域站資料延長方法

通常，氣候研究使用的資料年限在30 a及以上，本文采用回歸分析方法［26］，對區(qū)域站氣溫和降水量資料進行延長處理，回歸方程如下：

式中：Xn、Xr分別為參考站（距離區(qū)域站最近的國家站）和區(qū)域站氣候要素時間序列和分別為參考站和區(qū)域站氣候要素序列的平均值；r為兩站氣候要素序列的相關系數(shù)；σn、σr分別為兩站氣候要素序列的均方差。

1.3.3 氣候要素保證率計算方法

為了保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)，農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標常采用一定保證率下的氣候要素值。通常，氣候要素的頻數(shù)分布服從正態(tài)分布或偏態(tài)分布，采用分布理論計算給定保證率下的氣候值作為區(qū)劃指標更合理，平均值類的氣候指標一般采用正態(tài)分布，而極值類的氣候指標則采用耿貝爾分布。計算公式如下［27］：

式中：Xp為p保證率下的氣候要素指標；xˉ為均值；δ為標準差；φp為保證率系數(shù)。

1.3.4 氣候適宜性指標空間分布模型

多元線性回歸分析方法常用于氣候指標空間模擬研究［28］，其公式如下：

式中：X為氣候要素指標；λ為經(jīng)度；φ為緯度；h為海拔高度；a0、a1、a2、a3為回歸系數(shù)；ε為殘差。

1.3.5 綜合生態(tài)適宜度模型

為了綜合評價生態(tài)適宜性指標對枇杷生長過程的影響，采用基于系統(tǒng)科學理論的綜合生態(tài)適宜度方法進行評價［20］，其模型公式如下：

式中：S為綜合生態(tài)適宜度；i為生態(tài)適宜性指標；zi為i指標的適宜度取值（不適宜、次適宜和適宜分別取1、2、3）；wi為i指標的權重，采用層次分析法計算得到［29］。

2 結(jié)果與分析

2.1 枇杷地形適宜性指標空間分布

利用ArcGIS的地理分析功能，從鄂東南DEM數(shù)據(jù)中提取坡向和坡度（圖2）。根據(jù)枇杷地形適宜性分級標準（表1），偏東、偏南坡（坡度＞3°～10°）為適宜區(qū)，偏西坡（坡度＞10°～25°）為次適宜區(qū)，北坡（坡度≤3°或＞25°）為不適宜區(qū)。從圖2看出，鄂東南坡度大體由西北向東南增大，西北部大部分區(qū)域及中部山間盆地和河谷區(qū)域的坡度較小，為適宜區(qū)；西北部湖泊周邊和平原區(qū)域坡度小，坡向?qū)﹁凌朔N植影響不大，而中部和南部山區(qū)180°附近的適宜坡向區(qū)域較多，270°以上不利的西坡、北坡區(qū)域較少。

圖2 鄂東南枇杷地形適宜性指標空間分布Fig.2 The spatial distribution of loquat planting topographic suitability indicators in southeastern Hubei Province

2.2 枇杷氣候適宜性指標空間分布

采用多元線性回歸分析方法，構(gòu)建了鄂東南枇杷7個氣候適宜性指標空間分布模型，各模型決定系數(shù)R2在0.51～0.90之間，F(xiàn)值為21.07～394.85，均通過了α=0.05的顯著性檢驗（表2）。

表2 鄂東南枇杷氣候適宜性指標空間分布模型Tab.2 Spatial distribution model of loquat climatic suitability indexes in southeastern Hubei Province

利用ArcGIS的地圖代數(shù)功能，將鄂東南經(jīng)度、緯度、海拔高度柵格數(shù)據(jù)分別代入枇杷氣候適宜性指標空間分布模型，得到上述7個指標的空間分布（圖3）。可以清楚地看出，年平均氣溫、年最低氣溫、≥10.0℃活動積溫和5月平均氣溫≥25.0℃的日數(shù)大體上均呈現(xiàn)由西北向東南減少的分布趨勢，而最低氣溫≤-3.0℃的日數(shù)、年降水量和8—10月降水量則呈現(xiàn)由西北向東南增加的分布趨勢。這種空間分布特征與鄂東南海拔高度由北向南增加有關，反映了年最低氣溫越低其低溫日數(shù)也越多、年平均氣溫越低其熱量條件也越差的一般規(guī)律。在氣溫和熱量條件上，西北部優(yōu)于東南部，但西北部5月平均氣溫≥25.0℃的日數(shù)較多，縮短了枇杷果實的有效生長期，不利于枇杷單果重和產(chǎn)量的提高；在降水條件上，東南部年降水量優(yōu)于西北部，但在需水量少的8—10月花芽分化期西北部的降水條件更適宜枇杷生長發(fā)育。

圖3 鄂東南地區(qū)枇杷種植氣候適宜性指標空間分布（a）年平均氣溫，（b）年最低氣溫，（c）≥10.0℃活動積溫，（d）最低氣溫≤-3.0℃的日數(shù)，（e）5月平均氣溫≥25.0℃的日數(shù)，（f）年降水量，（g）8—10月降水量Fig.3 The spatial distribution of climatic suitability indicators of loquat planting in southeastern Hubei Province（a）annual average temperature，（b）annual minimum temperature，（c）active accumulative temperature greater than or equal to 10.0℃，（d）days with the minimum temperature less than or equal to-3.0℃，（e）days with average temperature greater than or equal to 25.0℃in May，（f）annual precipitation，（g）precipitation from August to October

2.3 枇杷綜合生態(tài)適宜性區(qū)劃

采用層次分析法計算上述各適宜性指標的權重（表3），然后根據(jù)公式（4）計算鄂東南枇杷綜合生態(tài)適宜度，并按照自然斷點法劃分為不適宜區(qū)、次適宜區(qū)、適宜區(qū)、最適宜區(qū)4個等級，得到鄂東南枇杷綜合生態(tài)適宜性區(qū)劃圖（圖4）。

圖4 鄂東南枇杷綜合生態(tài)適宜性區(qū)劃Fig.4 Comprehensive ecological suitability zoning of loquat in southeastern Hubei Province

表3 鄂東南枇杷生態(tài)適宜性指標權重Tab.3 The weight of loquat ecological suitability indexes in southeastern Hubei Province

（1）最適宜區(qū)

最適宜區(qū)的綜合生態(tài)適宜度為2.60～3.00，占研究區(qū)總面積的23.0%，主要分布在嘉魚、赤壁、咸安沿江和沿湖區(qū)域，其海拔高度多在100 m以下，保證率80%的年平均氣溫在17.0℃以上，≥10.0℃活動積溫超過5500.0℃，年最低氣溫在-6.0℃以上，最低氣溫≤-3.0℃的日數(shù)小于5 d，8—10月降水量為200.0～300.0 mm，年降水量在1300.0～1600.0 mm之間。最適宜區(qū)枇杷種植的氣候條件優(yōu)越，但5月平均氣溫≥25.0℃的日數(shù)略有偏多（多為8～10 d），可以種植早熟品種，避開5月下旬后的高溫風險，早上市的枇杷也利于提高經(jīng)濟效益。另外，成片區(qū)域的坡度多低于3°，適宜建設規(guī)?；N植園，并建議暢通排水溝渠或增設排水設施。

（2）適宜區(qū)

適宜區(qū)的綜合生態(tài)適宜度為2.20～2.59，分布范圍最廣，占總面積的60.8%，主要分布在中部至南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其海拔高度多在100～250 m之間，保證率80%的年平均氣溫在16.1～17.0℃之間，≥10.0℃活動積溫為5000.0～5500.0℃，年最低氣溫為-6.9～-6.0℃，最低氣溫≤-3.0℃的日數(shù)為5～8 d，8—10月降水量為300.0～350.0 mm，年降水量為1500.0～1600.0 mm。適宜區(qū)坡地的排水條件優(yōu)越，枇杷種植的氣候條件較好，且5月平均氣溫≥25.0℃的日數(shù)多在5～8 d，利于枇杷大果的形成，適宜種植中熟品種，還可以利用丘陵和低矮山地海拔高度差異的立體氣候優(yōu)勢，發(fā)展綜合品質(zhì)優(yōu)異的枇杷種植區(qū)。由于低溫天數(shù)略多，存在一定的低溫風險，該區(qū)域發(fā)展早熟品種需考慮采取栽培技術或設施避凍［30］。

（3）次適宜區(qū)

次適宜區(qū)的綜合生態(tài)適宜度在1.80～2.19之間，其面積最小，占總面積的6.6%，主要分布在同適宜區(qū)相接的中部和南部山地。次適宜區(qū)海拔高度多在251～450 m之間，保證率80%的年平均氣溫為14.0～16.0℃，≥10.0℃活動積溫接近于5000.0℃，年最低氣溫為-8.0～-7.0℃，最低氣溫≤-3.0℃的日數(shù)為9～12 d，8—10月降水量為350.0～400.0 mm，年降水量為1600.0～1800.0 mm。整體來看，該區(qū)域海拔相對較高，熱量、降水等條件雖能滿足枇杷生長發(fā)育，但低溫天數(shù)較多，致使大規(guī)模種植風險較大，少量種植可以考慮中晚熟品種，充分利用高海拔區(qū)域有利于果實可溶性固形物、三萜類物質(zhì)生成積累的較大氣溫日較差和低溫環(huán)境優(yōu)勢［31-32］，發(fā)展營養(yǎng)價值和功能價值俱佳的枇杷。

（4）不適宜區(qū)

不適宜區(qū)的綜合生態(tài)適宜度在1.20～1.79之間，占總面積的9.6%，主要分布在中部和南部海拔450 m以上的山區(qū)。其保證率80%的年平均氣溫在14.0℃以下，≥10.0℃活動積溫小于4500.0℃，年最低氣溫低于-8.0℃，最低氣溫≤-3.0℃的日數(shù)在12 d以上，8—10月降水量、年降水量分別在400.0、1800.0 mm以上。該區(qū)域海拔高，冬季頻繁出現(xiàn)低溫，枇杷花果極易遭受凍害，不適宜枇杷規(guī)模化種植。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

利用種植現(xiàn)狀對作物區(qū)劃結(jié)果進行驗證是普遍使用的方法之一［22］。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，枇杷在鄂東南各鄉(xiāng)鎮(zhèn)廣為種植，其中通山縣大畈鎮(zhèn)連片種植區(qū)的面積最大，該鎮(zhèn)大坑村、雞口山村、官塘村等14個行政村枇杷種植園的海拔高度都在300 m以下，園區(qū)多是坡度20°及以下的東南向或南向丘陵坡地。另外，海拔高度在250 m以上的區(qū)域枇杷坐果率不高；在冬季低溫時，北坡枇杷的花和幼果受凍情況嚴重。通山縣大畈鎮(zhèn)處于枇杷生態(tài)區(qū)劃的適宜區(qū)，枇杷園的布局現(xiàn)狀及種植情況與區(qū)劃結(jié)果較為一致，初步驗證了本文區(qū)劃結(jié)果的客觀性。

在作物氣候區(qū)劃中，區(qū)劃指標往往選取對其生長發(fā)育影響顯著的氣候變量。本文在前人研究基礎上還考慮了對枇杷產(chǎn)量和品質(zhì)形成有重要影響的8—10月降水量、5月平均氣溫≥25.0℃的日數(shù)等水熱條件指標，但未考慮光照條件，其原因：一是枇杷屬喜光耐陰樹種，對光照要求不嚴；二是在需要較長日照條件的花芽分化期，正是鄂東南由盛夏轉(zhuǎn)初秋的時節(jié)，天氣晴多雨少，平均月日照時數(shù)在450 h以上，完全能夠滿足枇杷對光照的需求。

氣象要素與地理空間信息相結(jié)合，是作物精細化區(qū)劃的常用方法［19-25］。相比于基于國家自動氣象站的多源融合格點（10 km）資料［20］，本文使用的約5 km網(wǎng)格湖北省區(qū)域氣象站觀測資料更貼近生產(chǎn)實際。另外，對于無資料區(qū)域的氣候指標空間分布，本文借鑒了多元線性回歸模型推算方法［22，24-25］，得到的7個氣候指標空間分布方程都通過了顯著性檢驗。其中，年平均氣溫和≥10.0℃活動積溫回歸方程的擬合優(yōu)度（決定系數(shù)）接近1，其他指標的擬合優(yōu)度均超過了0.5，說明擬合結(jié)果能夠反映氣候指標在鄂東南空間分布上的客觀規(guī)律，但對具體點的擬合值還存在一定差異，還需要在今后研究中完善。

3.2 結(jié) 論

（1）從熱量條件來看，整體上鄂東南西北部優(yōu)于東南部，但東南部枇杷果實的有效生長期更長；從降水條件來看，東南部年降水量優(yōu)于西北部，但西北部8—10月降雨少，更利于花芽分化。從地形條件來看，西北部大部區(qū)域及中部、南部山間盆地和河谷的坡度較小，坡向?qū)@些區(qū)域枇杷種植影響不大，枇杷適宜區(qū)面積較大；坡向?qū)﹁凌朔N植影響較大的中部和東南部坡地，適宜的南坡或偏南坡枇杷分布較多。整體來看，影響鄂東南枇杷種植生態(tài)適宜性的主要因素是年最低氣溫和最低氣溫≤-3.0℃的日數(shù)。

（2）從綜合生態(tài)適宜性區(qū)劃結(jié)果來看，鄂東南枇杷生態(tài)最適宜區(qū)和適宜區(qū)累計面積占總面積的80.0%以上，枇杷種植有很大的發(fā)展空間。因此，可以充分利用鄂東南西北沿江、湖濱連片區(qū)域良好的熱量條件，通過發(fā)展枇杷早熟品種增加經(jīng)濟效益；在中部、東南部海拔高度低于250 m的中熟枇杷適宜種植區(qū)，利用丘陵山地的立體氣候優(yōu)勢，合理布局具有一定規(guī)模的高品質(zhì)枇杷種植園，形成優(yōu)質(zhì)枇杷種植的集聚地。