基于GIS的鳳丹牡丹在重慶地區(qū)栽植適應(yīng)性評(píng)價(jià)

朱恒星，戴前莉，彭月，唐佳佳，張宏

(重慶市林業(yè)科學(xué)研究院，重慶400036)

?

基于GIS的鳳丹牡丹在重慶地區(qū)栽植適應(yīng)性評(píng)價(jià)

朱恒星，戴前莉，彭月，唐佳佳，張宏

(重慶市林業(yè)科學(xué)研究院，重慶400036)

摘要：利用Arc-GIS 9.3軟件，分別從海拔、降雨量、坡度、坡向等因子角度結(jié)合鳳丹牡丹適生條件，經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)模型建立、因子標(biāo)準(zhǔn)化、專家打分確定因子權(quán)重對(duì)鳳丹牡丹在重慶地區(qū)的栽植做適應(yīng)性評(píng)價(jià)，并就不同因子制作適宜分級(jí)圖。結(jié)果表明，海拔因子、坡度因子和年均溫度因子的評(píng)價(jià)結(jié)果類似，鳳丹牡丹在渝東南和渝東北的適應(yīng)性較高；而降雨量因子和土壤酸堿度因子的適宜分級(jí)圖有一定的相似性。各因子權(quán)重分配后得出鳳丹牡丹在渝地區(qū)適應(yīng)性較高的地區(qū)主要集中在渝東北的城口、巫溪、巫山和奉節(jié)一帶以及南川地區(qū)。這與實(shí)際的引種栽植試驗(yàn)結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：鳳丹牡丹；Arc-GIS 9.3軟件；適應(yīng)性評(píng)價(jià)；海拔；降雨量;坡度；年均溫度；土壤酸堿度

油用牡丹，芍藥科(Paeoniaceae)芍藥屬(Paeonia)牡丹組多年生灌木，結(jié)實(shí)能力強(qiáng)，能夠用來(lái)生產(chǎn)種籽、加工食用牡丹籽油的牡丹類型。目前，在中國(guó)具有良好油用表現(xiàn)的主要為鳳丹牡丹(PaeoniaostiiT.Hong et J.X.Zhang)和紫斑牡丹(PaeoniarockiiT.Hong & J.J.Li)[1]。其中，鳳丹牡丹系屬江南牡丹品種群[2]，因主要分布于安徽省銅陵鳳凰山和南陵西山一帶而得名[3]，具有植株高大、根系淺、耐濕熱、花量大、結(jié)實(shí)多、萌蘗少、生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)、病蟲(chóng)害少的特點(diǎn)[4]。目前，在山東、河南、安徽、湖北、重慶等地均有鳳丹牡丹的栽植[2]。

鳳丹牡丹喜相對(duì)溫暖濕潤(rùn)的氣候，耐高溫多濕，種植海拔范圍為50～1 500m，年均氣溫13℃～25℃，可短期耐受高溫。極限最低溫度為-12℃，年降水量500mm地區(qū)能正常生長(zhǎng)，適于在黏性不重、排水良好的沙壤、黃壤以及紫色土中生長(zhǎng)，pH5.5～8.5、坡度10°～45°均可生長(zhǎng)，以15°～25°緩坡最好。

本文利用Arc-GIS 9.3軟件，應(yīng)用海拔、濕度、坡度、坡向等數(shù)據(jù)結(jié)合鳳丹牡丹適生氣候條件，對(duì)鳳丹牡丹在重慶地區(qū)的栽植做適應(yīng)性評(píng)價(jià)，為其種植基地選擇及科學(xué)布局提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

重慶市地處內(nèi)陸西南部，28°10′～32°13′N，105°17′～110°11′E，長(zhǎng)江上游地區(qū)。境內(nèi)地貌以丘陵、山地為主，其中山地占62.20%，丘陵占27.22%，臺(tái)地及平原僅占10.58%。全境最高海拔2 796.8m，最低海拔73.1m，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫16～18℃，常年降雨量1 000～1 450mm，溫暖濕潤(rùn)。各地受地形、海拔等因子的影響大，氣候垂直差異大，立體氣候明顯[5]。重慶境內(nèi)多亞熱帶氣候條件下形成的黃壤和紅壤，但地貌條件復(fù)雜，又有垂直變化和區(qū)域差異，土壤類型豐富多樣[6]。

2數(shù)據(jù)收集與處理

本研究所需材料的紙質(zhì)圖件掃描后導(dǎo)入GIS系統(tǒng)，統(tǒng)一坐標(biāo)系配準(zhǔn)后，保存到GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中。氣象數(shù)據(jù)以氣象站臺(tái)為統(tǒng)計(jì)單位，分別統(tǒng)計(jì)溫度、降雨量和日照時(shí)數(shù)。地理信息數(shù)據(jù)中的矢量數(shù)據(jù)主要為森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)等。柵格數(shù)據(jù)主要為數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)，為國(guó)際地球科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)下載的ARSTER DEM產(chǎn)品，分辨率為30m×30m。

3適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1評(píng)價(jià)依據(jù)

近年來(lái)，“3S”技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)方面，其在某種程度上滿足了農(nóng)林業(yè)的精準(zhǔn)要求，對(duì)自然資源的開(kāi)發(fā)利用，合理調(diào)整農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)種植結(jié)構(gòu)，有效指導(dǎo)農(nóng)林業(yè)發(fā)展起到積極作用。本文基于Arc-GIS 9.3軟件，進(jìn)行鳳丹牡丹在重慶地區(qū)的栽植適應(yīng)性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)內(nèi)容主要從以下8個(gè)方面著手。

(1)溫度鳳丹牡丹適宜年均溫度13～20℃，可短期耐受35℃高溫。

(2)濕度降雨量影響濕度，鳳丹牡丹耐旱怕漬[5]。

(3)坡度一般坡度越小，越適宜栽植。

(4)坡向喜陽(yáng)，耐日曬[6]，多生長(zhǎng)在陽(yáng)坡。

(5)光照鳳丹牡丹喜光照充足。

(6)海拔海拔主要影響花期，一般隨海拔增加，花期相應(yīng)推遲。

(7)土壤酸堿度鳳丹牡丹栽植土壤酸堿度一般為pH 5.5～8.5。

(8)土壤有機(jī)質(zhì)一般有機(jī)質(zhì)含量高、土壤養(yǎng)分好，適宜鳳丹牡丹生長(zhǎng)。

3.2評(píng)價(jià)單元

為了方便圖形的空間疊加和面積統(tǒng)計(jì)，綜合考慮各因子數(shù)據(jù)間的統(tǒng)一性、各因子作用分值的計(jì)算精度、軟硬件的性能狀況等，最終評(píng)價(jià)單元確定為1km×1km。

3.3評(píng)價(jià)模型

4適應(yīng)性評(píng)價(jià)過(guò)程

4.1數(shù)據(jù)庫(kù)建立

紙質(zhì)圖件掃描后，利用Arc-GIS 9.3進(jìn)行數(shù)字化。

(1)氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局2013年重慶市內(nèi)氣象站點(diǎn)的坐標(biāo)、各站點(diǎn)的地面日均氣溫、日降雨量、日照時(shí)間。經(jīng)克里金插值等處理后，得到重慶市平均氣溫、降雨量和日照的平均數(shù)據(jù)。

1.1 室驗(yàn)說(shuō)明：以下兩項(xiàng)試驗(yàn)使用的測(cè)試液配方均為EIAJ RC-2364標(biāo)準(zhǔn)中皮膜耐壓測(cè)試液；高氣壓水煮后的皮膜耐壓測(cè)試方法亦采用EIAJ RC-2364方法。

(2)地形數(shù)據(jù)

來(lái)源于國(guó)際科學(xué)共享數(shù)據(jù)平臺(tái)的ASTER DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，精度為30m，從中提出評(píng)價(jià)區(qū)的DEM數(shù)據(jù)。利用其空間分析功能，得出評(píng)價(jià)區(qū)的坡度、坡向等數(shù)據(jù)。

(3)土壤數(shù)據(jù)

來(lái)源于掃描數(shù)字化的重慶市土壤圖。

4.2因子的標(biāo)準(zhǔn)化

本文主要采取以下幾種方法將評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)化至0～1之間。

(1)正向因子量化

Sr=(Xr-Xmin)/(Xmax-Xmin),式中，Xr為研究區(qū)內(nèi)任意評(píng)價(jià)單元的因子r的實(shí)際值，Xmax、Xmin分別為研究區(qū)內(nèi)該因子的最大值和最小值。

Sr=(1-Xr/Xmax)×100,式中，Xr為研究區(qū)內(nèi)任意評(píng)價(jià)單元的因子r的實(shí)際值，Xmax為研究區(qū)內(nèi)該因子的最大值。

(3)分級(jí)取值量化

這類因子的需求范圍存在一個(gè)適宜區(qū)間，過(guò)多或過(guò)少都會(huì)成為限制因素。但是在適宜區(qū)間內(nèi)，適宜程度很難用數(shù)理公式來(lái)表達(dá)其變化規(guī)律，需要遵循評(píng)價(jià)依據(jù)劃分成不同的級(jí)別。

(4)定性因子量化

定性因子一般很難用連續(xù)的數(shù)值來(lái)描述或表達(dá)，其量化或需用間接的方法或?qū)嶋H經(jīng)驗(yàn)加以判斷。

4.3權(quán)重的確定

本文采用特爾斐法確定各參評(píng)因子的權(quán)重，參與打分的專家共計(jì)有18人，包括長(zhǎng)期在林業(yè)一線的技術(shù)人員、高校教師和研究院所科研人員，涉及專業(yè)有土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、植物學(xué)、森林培育學(xué)和林學(xué)。因子的權(quán)重見(jiàn)表1。

表1　因子的權(quán)重表

本文中，采用負(fù)向因子量化的有坡度和海拔，采用分級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)的因子為坡向(表2)。鳳丹牡丹生長(zhǎng)生態(tài)適應(yīng)程度評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2　分級(jí)取值量化表

表3　鳳丹牡丹生長(zhǎng)生態(tài)適應(yīng)程度評(píng)價(jià)表

5綜合評(píng)述

5.1分因子評(píng)述

由以上評(píng)價(jià)方法、指標(biāo)得到鳳丹牡丹在重慶地區(qū)的適宜因子分級(jí)圖，具體包含海拔因子、坡度因子、坡向因子、平均溫度因子、光照因子、降雨量因子、土壤酸堿度因子和有機(jī)質(zhì)含量因子。

其中，對(duì)于海拔因子(圖1)，最適宜鳳丹牡丹栽植的地區(qū)主要分布在渝東北和渝東南“兩翼地區(qū)”的城口、巫溪、巫山、奉節(jié)、云陽(yáng)、萬(wàn)州和南川、武隆、彭水、石柱、黔江、酉陽(yáng)、秀山等地，這些區(qū)縣地形以山地為主，海拔范圍為73.1～2 796.8m，海拔高差為2 723.7m。對(duì)于坡度因子(圖2)，鳳丹牡丹適生坡度在45°以下均可，15°～25°緩坡最好，與海拔因子類似，最適宜鳳丹牡丹栽植的地區(qū)主要分布在渝東北地區(qū)的開(kāi)縣、云陽(yáng)、奉節(jié)、萬(wàn)州、忠縣和豐都以及渝東南的綦江、南川、武隆、彭水、黔江、酉陽(yáng)、秀山。

圖1　鳳丹牡丹分布海拔因子適宜分級(jí)圖

圖2　鳳丹牡丹分布坡度因子適宜分級(jí)圖

對(duì)于坡向因子(圖3)，鳳丹牡丹喜光照充足的陽(yáng)坡，因此，南坡最適宜，但南偏東和南偏西坡也因有相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的光照，同樣適宜鳳丹牡丹栽植。對(duì)于年均溫度因子(圖4)，重慶年平均氣溫16℃～18℃，最適宜鳳丹牡丹栽植，但部分地區(qū)因海拔、緯度等因素年平均溫度出現(xiàn)差異，如長(zhǎng)江河谷的巴南、綦江等地較高，渝東北海拔較高的城口相對(duì)較低。本文中含渝北、北碚、渝中、九龍坡、南岸、巴南等在內(nèi)的“主城九區(qū)”以及璧山區(qū)對(duì)鳳丹牡丹的適宜性最低，南川最南部、涪陵北部和萬(wàn)州對(duì)鳳丹牡丹的適宜性次之，最適宜鳳丹牡丹栽植的主要位于渝東北的城口、巫溪、巫山、奉節(jié)、梁平和渝東南的秀山、酉陽(yáng)、彭水、武隆、石柱在內(nèi)的“兩翼地區(qū)”以及江津南部、永川南部和涪陵南部地區(qū)。

圖3　鳳丹牡丹分布坡向因子適宜分級(jí)圖

圖4　鳳丹牡丹分布年均溫因子適宜分級(jí)圖

對(duì)于降雨量因子(圖5)，重慶市平均降水較豐富，且降水多集中在5-9月，從圖5可知，重慶大部分地區(qū)適宜進(jìn)行鳳丹牡丹栽植，其中最適宜地區(qū)為潼南、大足、榮昌、永川和銅梁地區(qū)，秀山、酉陽(yáng)和黔江東南部適應(yīng)性較低，其余區(qū)縣的適應(yīng)性介于二者之間。對(duì)于光照因子(圖6)，重慶地區(qū)年均光照時(shí)數(shù)為適應(yīng)性最高的地區(qū)位于渝東北的城口、巫溪、巫山和奉節(jié)，榮昌、大足、潼南西部和綦江、彭水南部適應(yīng)性相對(duì)較低。

圖5　鳳丹牡丹分布降雨量因子適宜分級(jí)圖

Fig.5Suitability classification figure on mean annual

precipitation factor ofP.ostiiT.Hong et J.X.Zhang

圖6　鳳丹牡丹分布光照因子適宜分級(jí)圖

factor ofP.ostiiT.Hong et J.X.Zhang

對(duì)于土壤酸堿度因子(圖7)，由于鳳丹牡丹適宜土壤酸堿度范圍為5.5～8.5，相對(duì)適應(yīng)性較廣，因此重慶地區(qū)僅少部分地區(qū)如黔江北部、武隆北部和最南部、石柱中部偏東的狹長(zhǎng)帶以及城口、巫溪最北部的狹長(zhǎng)地帶、潼南、大足、永川、江津、綦江、南川等的少部分地區(qū)的土壤不適宜栽植鳳丹牡丹，可能需要后期土壤改良等措施。對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)含量因子(圖8)，僅忠縣、豐都、梁平和潼南西北部等的部分地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量尚未達(dá)到適宜鳳丹牡丹栽植的要求。

圖7　鳳丹牡丹分布土壤酸堿度因子適宜分級(jí)圖

圖8　鳳丹牡丹分布有機(jī)質(zhì)因子適宜分級(jí)圖

5.2綜合因子評(píng)述

各因子進(jìn)行權(quán)重分配后，對(duì)鳳丹牡丹在重慶地區(qū)的栽植適應(yīng)性作綜合因子評(píng)價(jià)。由圖9可以看出，適應(yīng)性較高的地區(qū)主要集中在渝東北的城口、巫溪、巫山和奉節(jié)一帶以及南川的部分地區(qū)。這與實(shí)際的引種栽植試驗(yàn)結(jié)果一致。此外，南川和豐都現(xiàn)尚有保存完好的20世紀(jì)60年代引種的鳳丹牡丹，結(jié)實(shí)表現(xiàn)良好，表明這兩個(gè)地方的綜合因子條件完全能適宜鳳丹牡丹栽植，這與圖中結(jié)果相符。

圖9　鳳丹牡丹生長(zhǎng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)指數(shù)

綜上所述，重慶地區(qū)含渝東南和渝東北在內(nèi)的大部分地區(qū)適宜鳳丹牡丹栽植，但對(duì)鳳丹牡丹適應(yīng)性最高的地區(qū)主要集中在渝東北地區(qū)。在分因子評(píng)價(jià)中，除光照、溫度、降雨量等人為不可控因素外，土壤酸堿度、土壤有機(jī)質(zhì)含量均可以通過(guò)后期土壤改良、增施有機(jī)肥等措施增加土壤的可利用性，減弱土壤因子對(duì)鳳丹牡丹生長(zhǎng)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]李育材.中國(guó)油用牡丹工程的戰(zhàn)略思考[J].中國(guó)工程科學(xué),2014,16(10):58-63.

[2]周琳,王雁.我國(guó)油用牡丹開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展對(duì)策[J].世界林業(yè)研究,2014,7(1):68-71.

[3]覃逸明,黃雨清,聶劉旺,等.鳳丹種胚組培苗的自毒作用研究[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2009,23(1):75-79.

[4]董兆磊.‘鳳丹’(Paeoniaostii_‘Feng Dan’)生殖生物學(xué)的初步研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué),2010.

[5]丁博.重慶市自然保護(hù)區(qū)景觀格局變化研究——以重慶市6個(gè)市級(jí)自然保護(hù)區(qū)為例[D].重慶：西南大學(xué),2013.

[6]陳杰華.重慶市農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)及固氮潛力研究[D].重慶：西南大學(xué),2013.

[7]張濤,高天姝,白瑞英,等.油用牡丹利用與研究進(jìn)展[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,32(2):143-149.

[8]王蓮英,袁濤.中國(guó)牡丹與芍藥[M].北京:金盾出版社,1999:45.

Evaluation of Paeonia ostii T.Hong et J.X.Zhang’s Cultivation Adaptability in Chongqing Area Based on Arc-GIS

ZHU Heng-xing,DAI Qian-li,PENG Yue,TANG Jia-jia,ZHANG Hong

(Chongqing Academy of Forestry,Chongqing 400036，P.R.China)

Abstract:Cultivation adaptability of P.ostii T.Hong et J.X.Zhang in Chongqing area were evaluated and the appropriate classification figures of different factors were developed based on evaluation modelling,standardization of influence factors,and expert scoring from different factors such as altitude, precipitation,slope and aspect by using Arc-GIS 9.3 software.The evaluation of altitude,slope and annual average temperature factors had similar results that this species had higher adaptability for cultivation in southeast and northeast of Chongqing,while the evaluation of mean annual precipitation and soil pH factors showed similarity to some extent in appropriate classification figures.The most suitable areas for P.ostii ’cultivation were mainly distributed in Wuxi,Wushan,Fengjie and Kaixian that located in northeast Chongqing based on factor-weight distribution evaluation.This result was consisted with actual field experiments of species introduction and cultivation.

Key words:Paeonia ostii;Arc-GIS 9.3;adaptability evaluation;altitude;mean annual precipitation,slope;mean annual temperature;soil pH

中圖分類號(hào)：S 685.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-8246(2016)02-0140-06

通訊作者簡(jiǎn)介：張宏(1963-)男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事油用牡丹引種、繁殖及育種方面的研究。E-mail:371125316@qq.com

第一作者簡(jiǎn)介：朱恒星(1984-)男，高級(jí)工程師，博士，主要從事油用牡丹引種、繁殖、推廣及遺傳育種方面的研究。E-mail:starring85@sina.com

基金項(xiàng)目：重慶市油用牡丹產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究(渝林科研2014-9)。

*收稿日期：2015-09-16