基于DEM的荔枝凍害精細(xì)化區(qū)劃
——以福建省漳州市為例

蘇曉玲，陳志彪，陳志強(qiáng)，龔松柏，黃筱彧，郭湘宇，郭偉斌，朱 艷

(福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州350117)

0 引言

漳州市位于福建省東南部，九龍江下游，東臨臺(tái)灣海峽。漳州是福建荔枝主要產(chǎn)區(qū)，氣候溫和，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，干濕季分明，雨量充沛，雨熱同季。漳州市多年平均氣溫21.4℃，年日照時(shí)數(shù)1 883 h，無(wú)霜期360 d［1-2］，為荔枝生長(zhǎng)提供了豐富的水熱資源，但漳州氣象災(zāi)害頻繁，嚴(yán)重影響荔枝產(chǎn)量，其中低溫災(zāi)害較為常見(jiàn)。如1999年12月下旬，福建遭受了52 a來(lái)最嚴(yán)重低溫凍害，致使漳州農(nóng)作物受凍總面積達(dá)9萬(wàn) hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)15億元，其中荔枝 (少量龍眼)受災(zāi)面積達(dá)3萬(wàn)hm2［3］。由于復(fù)雜的小地形環(huán)境所形成局地小氣候的影響，使荔枝低溫災(zāi)害因地而異，所以人們更關(guān)心非氣象記錄的地方的低溫及荔枝低溫凍害的空間分布情況。郭淑敏［4］采用專(zhuān)家打分法對(duì)5個(gè)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃指標(biāo)在廣西荔枝種植總體布局中的影響程度進(jìn)行賦分，最后根據(jù)各區(qū)劃指標(biāo)對(duì)荔枝栽培效果的影響進(jìn)行分區(qū);劉璐等［5］利用經(jīng)度、緯度、DEM數(shù)據(jù)建立極端最低溫度小于－8℃日數(shù)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)低溫凍害進(jìn)行區(qū)劃;徐宗煥等［6］、吳仁燁等［7］利用公里網(wǎng)X、Y數(shù)據(jù)、海拔計(jì)算多年平均極端最低氣溫，并進(jìn)行分區(qū)描述;王加義等［8］利用地理三因子及離海距因子，以提升模型擬合精度;鄭小琴等［9］利用1月平均最高氣溫、2月日照時(shí)數(shù)、8月平均氣溫、5—8月總雨量模擬凍害等級(jí)。本研究利用福建省67個(gè)氣象站點(diǎn)的觀測(cè)資料、站點(diǎn)經(jīng)度、緯度、海拔、離海距數(shù)據(jù)進(jìn)行小網(wǎng)格推算越冬期極端最低溫度分布模型及4個(gè)等級(jí)凍害發(fā)生頻次空間模型的構(gòu)建，利用均方差決策法確定各荔枝凍害指標(biāo)權(quán)重，在此基礎(chǔ)上對(duì)漳州荔枝凍害等級(jí)分布進(jìn)行分析，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制定合理規(guī)劃布局和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

本研究所采用的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)源自福建省氣象信息中心，包含全省67個(gè)氣象觀測(cè)站1961—2012年52 a來(lái)冬季逐日最低氣溫、氣象站經(jīng)度 (X)、緯度 (Y)與海拔 (H)。地形數(shù)據(jù)為福建省數(shù)字高程圖。利用氣象資料統(tǒng)計(jì)出52 a來(lái)歷年平均越冬期 (12月—翌年2月)極端最低氣溫Td，統(tǒng)計(jì)冬季逐日日最低氣溫在－2℃ ＜Td≤0℃、－3℃ ＜Td≤－2℃、－4℃ ＜Td≤－3℃、Td＜ －4℃各個(gè)溫度段 (分別劃分為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)凍害)出現(xiàn)頻次P。

1.1 空間推算模型建立

1.1.1 經(jīng)度、緯度、海拔數(shù)據(jù)處理

隨著經(jīng)度 (X)、緯度 (Y)與海拔 (H)變化，極端最低氣溫 (Td)也發(fā)生相應(yīng)的變化。在Arcgis 10.0中建立氣象站點(diǎn)圖層，添加屬性數(shù)據(jù)包括67個(gè)站點(diǎn)經(jīng)度、緯度、海拔等屬性數(shù)據(jù)，計(jì)算越冬期極端最低氣溫年平均氣溫。

1.1.2 DEM建立

不規(guī)則三角網(wǎng) (Triangulated Irregular Network，TIN)建立的數(shù)字高程模型 (Digital Elevation Model，DEM)模型能充分利用地貌的特征點(diǎn)、線，較好地表示復(fù)雜地形［10］，本研究利用福建省50 m等高線圖建立逼近地形表面的TIN，再利用TIN轉(zhuǎn)化為DEM模型，基于DEM影像的極端最低氣溫插值法能夠更好體現(xiàn)復(fù)雜地形下氣溫空間分布。

1.1.3 離海距計(jì)算

中國(guó)把海岸線定義為平均大潮高潮時(shí)海陸分界的痕跡線［11］。本研究利用福建省高程圖臨海邊界作為海岸線，在Arcgis 10.0中裁剪沿海界線，根據(jù)氣象站在柵格數(shù)據(jù)層中位置，利用歐氏距離法計(jì)算各站點(diǎn)到海岸線直線距離［8］，即氣象站點(diǎn)離海岸線的直線最短距離。

1.1.4 多年平均越冬期極端最低氣溫Td模型建立

越冬期極端最低氣溫可表征年度低溫強(qiáng)度，歷年平均值反映作物低溫凍害狀況［12］。以經(jīng)度、緯度、海拔和離海距作為影響因子，在SPSS16.0中采用逐步回歸分析方法，建立福建省多年極端最低氣溫Td與各個(gè)因子的回歸方程，以提高漳州市多年極端最低氣溫Td模型的準(zhǔn)確性，得出以下結(jié)果方程:

式中X為經(jīng)度、Y為緯度、H為海拔，該模型相關(guān)系數(shù)為0.966，通過(guò)R=0.01的顯著性檢驗(yàn)。

1.1.5 4個(gè)等級(jí)凍害模型建立

從荔枝避寒避凍的角度，把 －2℃≤Td≤0℃、－3℃ ＜Td≤ －2℃、－4℃ ＜Td≤ －3℃、Td＜－4℃作為荔枝越冬期凍害的4個(gè)等級(jí)，以經(jīng)度、緯度、海拔和離海距作為自變量，各個(gè)等級(jí)凍害年平均發(fā)生頻次為因變量，建立4個(gè)等級(jí)的福建省荔枝凍害發(fā)生頻次的逐步回歸模型以提高擬合度，再根據(jù)漳州市10個(gè)氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的均方差決策法確定的4個(gè)等級(jí)凍害和極端最低氣溫權(quán)重，建立漳州市荔枝凍害空間分布模型。

H1、H2、H3、H4模型相關(guān)系數(shù)分別為0.856、0.868、0.880和0.878，4個(gè)模型都通過(guò)R=0.01的顯著性檢驗(yàn)。

1.2 區(qū)劃指標(biāo)權(quán)重確定方法

在多指標(biāo)決策與排序的情況下，各指標(biāo)相對(duì)權(quán)重系數(shù)的大小取決于在該指標(biāo)下各方案屬性值的相對(duì)離散程度，離散程度越大，權(quán)系數(shù)越大;若某指標(biāo)下各方案的屬性值離散程度為0(即屬性值全相等)，則該指標(biāo)的權(quán)系數(shù)為0［13］，均方差是確定評(píng)價(jià)指標(biāo)離散程度最常用的指標(biāo)。均方差決策法首先求出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)量綱化屬性值的均方差，將其歸一化，即為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。

無(wú)量綱化:Zij=(Yij－Yjmin)/(Yjmax－Yjmin)，式中i=1，2，3，…，n;j=1，2，3，…，m;Zij為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，Yjmax和Yjmin分別為各指標(biāo)的最大值、最小值。

Gij為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，Gj為某指標(biāo)集。

1.3 凍害綜合指數(shù)值計(jì)算

根據(jù)1.2均方差決策法確定多年平均越冬期極端最低氣溫 (Td)及4個(gè)等級(jí)凍害空間模型 (H1—H4)權(quán)重 (表1)，加權(quán)后的5個(gè)空間模型相加即為凍害綜合指數(shù)F(F值在0～1之間)。F=0.2153Td+0.2471H1+0.2892H2+0.2484H3

表1 指標(biāo)均方差及權(quán)重Table 1 The mean squared and weight of grading index

2 結(jié)果與分析

2.1 凍害分區(qū)圖

荔枝是南亞熱帶多年生常綠果樹(shù)，性喜高溫多濕，溫度是荔枝生活重要條件之一，要求冬季有一段利于花芽分化又不遭受凍害的適宜低溫［14］，越冬期極端最低氣溫與不同等級(jí)凍害發(fā)生頻次會(huì)影響荔枝樹(shù)生長(zhǎng)，當(dāng)荔枝遭受1級(jí)凍害 (－2℃≤Td≤0℃)時(shí)，荔枝出現(xiàn)受凍癥狀，葉片受凍枯死;當(dāng)遭受2級(jí)凍害 (－3℃≤Td＜－2℃)時(shí)，幼樹(shù)和正在成長(zhǎng)的成齡樹(shù)外枝條受凍;當(dāng)遭受3級(jí)凍害 (－4℃≤Td＜－3℃)時(shí)，荔枝主干受凍;當(dāng)遭受4級(jí)凍害(Td＜－4℃ )時(shí)，荔枝主枝受凍主干受凍，幾乎全部?jī)鏊溃?，15］，多年來(lái)漳州市極端最低氣溫在－6.38～4.25℃之間，漳州市低溫凍害時(shí)常發(fā)生，尤其1、2級(jí)低溫凍害，3、4級(jí)凍害發(fā)生較少，主要出現(xiàn)在中山區(qū)和高山區(qū)。根據(jù)表2將凍害綜合指數(shù)結(jié)果進(jìn)行重分類(lèi) ，分為微凍害區(qū) (0.0≤F＜0.15)、輕度凍害區(qū) (0.15≤F＜0.30)、中度凍害區(qū) (0.30≤F＜0.45)和重度凍害區(qū) (0.45≤F≤1.0)(圖1)。由于各個(gè)縣(市)中心處于水熱條件較優(yōu)越的河谷平原地帶，漳州市各個(gè)縣 (市)中心所在地荔枝凍害綜合指數(shù)較低，處于微凍害區(qū)或輕度凍害區(qū) (表3)。

表2 荔枝凍害等級(jí)設(shè)定Table 2 Standards of the freezing injury grading

表3 漳州市不同縣 (市)荔枝凍害綜合指數(shù)FTable 3 Integrated F index of the freezing injury of different counties in Zhangzhou

2.2 分區(qū)評(píng)述

2.2.1 微凍害區(qū)

主要分布在漳州市東南部丘陵地帶，龍海(不包括西部大尖山)、漳浦 (不包括南部大尖山)、云霄 (不包括與詔安縣接壤的烏山山脈)、詔安 (不包括霞葛鎮(zhèn)以北及東北部地區(qū))。其中漳浦縣、云霄縣和詔安縣地勢(shì)由西北向東南傾斜，背靠低山丘陵，南部面海，荔枝低溫凍害發(fā)生較少且影響較小，漳浦縣近52 a來(lái)有凍害年份2 a(最嚴(yán)重者出現(xiàn)在1962年，最低溫度為 －2.4℃)，云霄近52 a來(lái)未出現(xiàn)凍害 (受1999年12月下旬寒潮影響，最低溫為0℃)，詔安縣有凍害影響 (最嚴(yán)重出現(xiàn)在1999年12月下旬，最低溫度－1.3℃)。該區(qū)域擁有豐富的光熱資源，夏季高溫多雨，冬季溫暖［2］，越冬期氣候條件最佳，從氣象條件分析，該區(qū)極端最低氣溫Td≥2℃，1級(jí)凍害發(fā)生頻次較少，是荔枝、龍眼、香蕉等亞熱帶果樹(shù)種植最適宜區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)注重提升荔枝生產(chǎn)質(zhì)量及提高單位面積產(chǎn)量，種植大面積優(yōu)質(zhì)荔枝品種。

2.2.2 輕度凍害區(qū)

圖1 漳州市荔枝凍害區(qū)劃Figure 1 Regionalization of freezing injury of Litchi in Zhangzhou

該區(qū)域主要分布在長(zhǎng)泰縣 (不包括東、西、北三面低山丘陵)、薌城區(qū) (比包括天寶大山)、龍文區(qū)、南靖縣 (不包括龍山鎮(zhèn)以西地區(qū))、平和縣 (不包括東南部大帽山、西北部大芹山和雙尖山)、詔安縣東北部地區(qū)。其中薌城區(qū)和長(zhǎng)泰縣東北面靠戴云山脈，背靠博平嶺山脈，三面環(huán)山，荔枝低溫凍害影響較最微凍害區(qū)大，但其中包含較優(yōu)避凍區(qū)，如擁有典型“馬蹄形”避凍地形的薌城區(qū)天寶鎮(zhèn)的五鳳農(nóng)場(chǎng)及附近地區(qū) (1999年12月下旬的極端最低氣溫1.4℃);南靖縣及平和縣背靠博平嶺山脈，地勢(shì)由西北向東南傾斜，東南部地勢(shì)低洼地區(qū)，屬荔枝低溫凍害影響較小地帶。該區(qū)域水熱條件較優(yōu)越，冬季較溫暖，越冬期氣象條件較理想，可滿足荔枝生長(zhǎng)發(fā)育要求，防寒抗凍能力僅次于最適宜區(qū)，在大面積種植的同時(shí)，應(yīng)提高越冬期凍害防御能力。

2.2.3 中度凍害區(qū)

主要分布在低山區(qū)，包括漳浦縣南部低山地區(qū)、龍海市西部與漳浦縣西北部大尖山地帶、華安縣中部低山區(qū)、平和縣中部及西南部低山地區(qū)。該區(qū)熱量條件在閩東南地區(qū)較差，越冬期氣象條件不理想，1、2等級(jí)凍害發(fā)生頻次較高，越冬期極端最低氣溫－3～0℃，同時(shí)防災(zāi)減災(zāi)能力較弱，屬于中度凍害區(qū)，且距海越遠(yuǎn)凍害越嚴(yán)重，該區(qū)域不太適宜大面積種植荔枝，可在區(qū)域內(nèi)朝南的有利小地形中小面積種植，應(yīng)增強(qiáng)凍害防御能力。

2.2.4 重度凍害區(qū)

主要分布在中山區(qū)和較高山區(qū)，包括華安縣大部分地區(qū)、南靖縣龍山鎮(zhèn)以西山區(qū)、平和縣霞寨鎮(zhèn)以西山地。該地區(qū)熱量條件不如前面3個(gè)區(qū)域，越冬期極端最低氣溫小于－3℃，2、3等級(jí)凍害發(fā)生頻繁，荔枝凍害發(fā)生的影響持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，是越冬期氣象條件最差地區(qū)，不利于荔枝生產(chǎn)，因此該區(qū)不適宜種植荔枝。

3 結(jié)論與討論

采用GIS技術(shù)，利用均方差決策法確定漳州市荔枝凍害評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析漳州市荔枝低溫凍害空間分布規(guī)律及特征，其區(qū)劃結(jié)果與荔枝實(shí)際種植區(qū)分布較一致:微凍害區(qū)、輕度凍害區(qū)主要分布在漳州市東南部及西北部低山丘陵，大致在長(zhǎng)泰縣枋洋鎮(zhèn)—薌城區(qū)天寶鎮(zhèn)—南靖縣山城鎮(zhèn)—平和縣小溪鎮(zhèn)—詔安縣霞葛鎮(zhèn)連線的東南地區(qū)，是漳州市荔枝適宜種植區(qū)及主要生產(chǎn)基地;中度凍害區(qū)、重度凍害區(qū)主要分布在微凍害區(qū)以西的中山區(qū)和較高山區(qū)，低溫凍害頻發(fā)，不利于荔枝的大面積種植。其區(qū)劃結(jié)果與實(shí)際調(diào)查結(jié)果較吻合，如受1999年12月下旬強(qiáng)冷空氣影響，漳浦縣舊鎮(zhèn)鎮(zhèn)烏石村海拔500 m荔枝種植區(qū)受凍嚴(yán)重，葉片全部脫落、部分骨干枝條凍傷、主干嚴(yán)重受凍、花芽?jī)鏊?，海?00 m以下種植區(qū)，荔枝受災(zāi)較輕，葉片輕微卷曲或少數(shù)綠葉變黃、枝條無(wú)凍害或晚秋梢凍死、樹(shù)干無(wú)損傷或木質(zhì)部部分變黃色，部分頂花芽受凍［3］，說(shuō)明GIS技術(shù)結(jié)合DEM數(shù)據(jù)應(yīng)用于區(qū)域內(nèi)的氣象災(zāi)害空間分布與分區(qū)的合理性，且具有能夠精細(xì)化反映復(fù)雜山區(qū)氣象災(zāi)害空間分布規(guī)律的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)越冬期果樹(shù)低溫凍害進(jìn)行精細(xì)化區(qū)劃與空間分布規(guī)律的研究，凍害評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定是重要環(huán)節(jié)，而凍害評(píng)價(jià)指標(biāo)目前沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。徐宗煥等［16］、王加義等［17］以極端最低氣溫平均值為果樹(shù)寒低溫分級(jí)指標(biāo)，劉璐等［5］以越冬期平均低溫日數(shù)作為區(qū)劃指標(biāo)。本研究參考陳家金等［18］對(duì)荔枝生長(zhǎng)的評(píng)估指標(biāo)，采用均方差決策法確定荔枝凍害各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合荔枝種植園實(shí)地調(diào)查，確定荔枝低溫凍害評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)不僅考慮到越冬期平均極端最低氣溫對(duì)荔枝生長(zhǎng)的影響，還充分考慮了不同等級(jí)低溫凍害發(fā)生頻次的影響，并且建立越冬期極端最低氣溫 (Td)及4個(gè)等級(jí)凍害指標(biāo)模型均利用經(jīng)度、緯度、海拔、離海距，進(jìn)行逐步回歸分析，具有良好相關(guān)性及統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，以越冬期極端最低氣溫 (Td)和4個(gè)等級(jí)凍害發(fā)生頻次為指標(biāo)的區(qū)劃結(jié)果精細(xì)化反映了漳州市荔枝凍害空間分布特征。本研究在確定荔枝低溫凍害評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)忽略小地形遮蔽度、坡度、坡向及風(fēng)速等影響因子，有待今后不斷完善，使漳州市荔枝凍害空間分布模型的模擬效果和實(shí)用性進(jìn)一步提高。

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