云南省檸檬種植生態(tài)適宜性精細(xì)化區(qū)劃分析*

張明達(dá)，劉平英，胡雪瓊，段長(zhǎng)春

(1.云南省氣候中心，昆明 650034； 2.云南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，昆明 650034； 3.云南省氣象科學(xué)研究所，昆明 650034)

0 引言

檸檬是蕓香科柑橘屬常綠小喬木植物，生性畏寒、溫度不宜過(guò)熱，喜冬暖夏涼的氣候條件，在溫暖的中亞熱帶和南亞熱帶最適宜種植。檸檬在食品、醫(yī)藥、化工[1]等方面的應(yīng)用價(jià)值極高，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)供不應(yīng)求。檸檬全身都是寶，果汁中含有豐富的檸檬酸、多種維生素和礦物質(zhì)，是重要的天然香料、食品和工業(yè)原料，果皮中含有大量類酮和果膠，種子中含有維生素E和脂肪油，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值也極大。中國(guó)是全球檸檬產(chǎn)量的第三大國(guó)，年產(chǎn)量?jī)H次于阿根廷和美國(guó)，主要分布在四川、云南、重慶、廣西等地，云南產(chǎn)量位居全國(guó)第二。云南檸檬種植區(qū)屬于典型的南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，擁有干熱區(qū)、濕熱區(qū)不同的氣候類型，發(fā)展檸檬優(yōu)勢(shì)條件獨(dú)具特色。在德宏、保山、大理、臨滄、景洪等地均有規(guī)?；N植，德宏檸檬精油中檸檬醛的含量高達(dá)41%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)和意大利的種植產(chǎn)品。云南檸檬春花秋熟果8月上旬上市，錯(cuò)季節(jié)生產(chǎn)的秋花春熟果3—7月上市[2]，具有發(fā)展檸檬反季果的天然優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，檸檬產(chǎn)業(yè)已成為云南農(nóng)民脫貧致富的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)業(yè)。但由于歷史原因及產(chǎn)業(yè)布局等問(wèn)題，云南省的檸檬種植尚未達(dá)到其應(yīng)有的規(guī)模[3]。

傳統(tǒng)的作物種植適宜性區(qū)劃，僅關(guān)注作物與氣候因子之間的關(guān)系[4]，忽視了分布區(qū)內(nèi)其他生態(tài)要素的變化對(duì)作物的影響[5]，對(duì)綜合性生態(tài)適宜性區(qū)劃研究較少[6]。隨著氣象、土壤和地理信息等數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率和精細(xì)度不斷提高，以及3S技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用GIS技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行精細(xì)化種植區(qū)劃[7]已經(jīng)成為當(dāng)前作物種植區(qū)劃的主要研究方法[8]，比如在中藥材生態(tài)適宜性研究和種植區(qū)選取方面，就著重關(guān)注了氣象和土壤因子的協(xié)同作用[9-10]。生態(tài)適宜性研究就是借助生態(tài)學(xué)因子的適宜程度進(jìn)行評(píng)估，從可持續(xù)發(fā)展的角度體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的本底條件，直接反映作物適宜生長(zhǎng)種植的情況，并給出符合生態(tài)學(xué)規(guī)律的評(píng)價(jià)和區(qū)劃[11]。文章開(kāi)展檸檬種植生態(tài)適宜性研究，對(duì)提高氣象為高原特色農(nóng)業(yè)服務(wù)質(zhì)量，找準(zhǔn)種植空間分布、地理位置、種植區(qū)面積及生態(tài)適宜性因子優(yōu)劣評(píng)價(jià)等空間信息，對(duì)檸檬種植、生產(chǎn)等信息化管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化、科學(xué)管理有重要作用，可為地方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供可靠的參考依據(jù)[12-14]。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究所用氣象數(shù)據(jù)包括云南省125個(gè)地面氣象觀測(cè)站自1986—2015年連續(xù)30年氣象觀測(cè)資料，選取與檸檬種植和生長(zhǎng)緊密相關(guān)的年平均氣溫、年降水量、年日照時(shí)數(shù)、年10℃活動(dòng)積溫及1月平均氣溫等氣候要素的歷年平均值，作為氣候因子適宜性區(qū)劃指標(biāo)。地理信息數(shù)據(jù)采用云南省1： 25萬(wàn)數(shù)字高程模型(DEM)，其中包括經(jīng)度、緯度、海拔等地理信息，應(yīng)用GIS技術(shù)提取了小網(wǎng)格經(jīng)度、緯度、坡度、坡向等柵格數(shù)據(jù)，用于區(qū)劃指標(biāo)的空間化處理，作為地形地貌因子適宜性區(qū)劃指標(biāo)。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(Harmonized World Soil Database version 1.2)(HWSD1.2)，中國(guó)境內(nèi)數(shù)據(jù)源為1995年第二次全國(guó)土地調(diào)查的1： 100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)包括土壤名稱、質(zhì)地、容重、有機(jī)質(zhì)、酸堿度等要素，作為土壤理化性質(zhì)適宜性區(qū)劃指標(biāo)。為避免模型建模過(guò)程中各個(gè)指標(biāo)量級(jí)不同導(dǎo)致的影響，對(duì)各區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其值處于0和1之間，以消除量綱的影響。

1.2 生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

采用德?tīng)柗品◤臍夂?、土壤理化性質(zhì)、地形地貌特征3個(gè)方面確定了10個(gè)生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)。參照中國(guó)精細(xì)化農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃制作標(biāo)準(zhǔn)，將生態(tài)適宜性區(qū)劃結(jié)果劃分為3個(gè)等級(jí)， 1級(jí)為適宜、2級(jí)為次適宜、3級(jí)為不適宜。各生態(tài)因子適宜性評(píng)價(jià)及區(qū)劃指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

檸檬的生長(zhǎng)適宜性主要受到氣候、土壤狀況和地形條件的影響。作為多年生植物，對(duì)氣候因子的敏感度要求較通常一年生植物要更加復(fù)雜，更依賴于穩(wěn)定的氣候條件。其中，氣候因子主要包括年平均氣溫、1月平均氣溫(低溫)、年降水量、年10℃活動(dòng)積溫、年日照時(shí)數(shù)。溫度是檸檬生長(zhǎng)發(fā)育、空間分布及產(chǎn)量品質(zhì)的主要控制因素，最適宜在冬季較暖、夏季無(wú)酷熱且氣溫平穩(wěn)的地區(qū)種植。檸檬尤其對(duì)低溫的耐受能力較弱，對(duì)開(kāi)花期的掛果率影響嚴(yán)重[15]。降水偏少將導(dǎo)致檸檬掛果率降低，單果質(zhì)量下降[16]。積溫主要對(duì)檸檬果實(shí)品質(zhì)影響較大，果實(shí)生長(zhǎng)期內(nèi)積溫不足將導(dǎo)致有機(jī)酸、維生素C及含糖量下降。日照時(shí)數(shù)與檸檬的含酸量、含糖量關(guān)系密切，日照短導(dǎo)致葉片變薄、萌芽、發(fā)枝率降低、坐果率下降、果皮粗、果皮厚[17]。

土壤理化性質(zhì)和地形地貌因子不僅與檸檬的種植生產(chǎn)息息相關(guān)，對(duì)于科學(xué)選址也具有重要的意義。土壤理化性質(zhì)因子主要包括土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量和土壤質(zhì)地。檸檬植株根系淺，對(duì)土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的吸收能力較低，因此適宜在土層深厚(1m左右)、質(zhì)地疏松、有機(jī)質(zhì)豐富、pH在5.5～6.5的微酸性土壤為最好，土壤酸堿性影響檸檬對(duì)礦質(zhì)元素和養(yǎng)分的吸收和利用[18]。地形地貌因子主要包括坡度和坡向，雖然不直接影響檸檬的生長(zhǎng)，但會(huì)影響日照條件、土層厚度、土壤溫度及微生物種群和數(shù)量。檸檬在平地、丘陵和坡地都適宜栽培，選取在坡地種植同時(shí)有利于緩解資源環(huán)境壓力，其中南坡為適宜，東西坡為次適宜，北坡為不適宜。

2 研究方法

2.1 氣候因子細(xì)網(wǎng)格推算

針對(duì)檸檬生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)中的氣候因子，利用1986—2015年云南省125個(gè)氣象站氣象數(shù)據(jù)均值，基于多元線性回歸分析法將逐月及年氣候要素和各觀測(cè)站的緯度、經(jīng)度和海拔高度建立細(xì)網(wǎng)格推算模型，再進(jìn)行殘差訂正及空間內(nèi)插[19]，然后在ArcGIS環(huán)境下，生成各氣候因子的精細(xì)化空間分布。各項(xiàng)氣候要素的線性回歸方程均通過(guò)顯著水平為0.001的檢驗(yàn)，各方程相關(guān)系數(shù)均在0.6～0.9之間，具有較好的回歸趨勢(shì)和相關(guān)性(表2)。

表1 檸檬生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)及區(qū)劃指標(biāo)

要素評(píng)價(jià)指標(biāo)適宜次適宜不適宜氣候因子年平均氣溫(℃)≥18(18～17]≤17年10℃積溫(d·℃)≥6 500(6 500～5 500]≤5 5001月平均氣溫(℃)≥8(8～7]≤7年降水量(mm)≥1 400(1 400～1 000]≤1 000年日照時(shí)數(shù)(h)≥1 200(1 200～1 000]≤1 000土壤因子pH≤5.5(5.5～6.5]>6.5有機(jī)質(zhì)含量(%)>3(3～2]<2土壤質(zhì)地壤土、黏土沙壤土、黏壤土沙質(zhì)土地形因子坡度(°)[0, 25)[25～30)≥30坡向(°)[0～ 45)(315～359][45～ 135)(225～315][135～225]

表2 檸檬氣候適宜性因子空間分析模型

氣候資源要素推算方程R值F值P值年平均氣溫Tave=53.258-0.552?φ-0.159?λ-0.004?h0.941311.443<0.001年平均降水量Rave=8 322.297-88.034?φ-47.734?λ-0.124? h0.66759.109<0.001年平均日照時(shí)數(shù)Save=11 680.053-93.834?φ-76.213?λ+0.287? h0.64558.695<0.00110℃積溫Ta=211 69.163-244.423?φ-69.225?λ-1.624? h0.884144.153<0.0011月平均氣溫T1=72.664-1.121?φ-0.290?λ-0.004? h0.917211.164<0.001 注:其中λ為經(jīng)度(°),φ為緯度(°),h為海拔高度(m),Tave 為年平均氣溫(℃),Rave 為年平均降水量(mm),Save 為年平均日照時(shí)數(shù)(h),Ta為≥10℃積溫(d·℃),T1為1月平均氣溫(℃)

表3 檸檬生態(tài)適宜性層次分析

要素氣候因子權(quán)重土壤因子權(quán)重地形因子權(quán)重組合權(quán)重年平均氣溫0.352 430000.144 127年10℃積溫0.267 092000.109 2281月平均氣溫0.202 418000.048 042年降水量0.089 031000.048 042年日照時(shí)數(shù)0.089 031000.160 245pH00.539 61500.048 531土壤質(zhì)地00.163 42400.088 186有機(jī)物含量00.296 96100.114 397坡度000.70.049 027坡向000.30.190 176綜合權(quán)重0.539 6150.296 9610.163 4241

2.2 層次分析法確定生態(tài)因子權(quán)重

采用層次分析法(AHP)的Satty標(biāo)度法確定權(quán)重系數(shù)判斷矩陣[20-21]。圍繞生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)目標(biāo)層，首先建立氣候、地形地貌、土壤理化3個(gè)準(zhǔn)則層因子，再構(gòu)建每個(gè)準(zhǔn)則層內(nèi)10個(gè)生態(tài)適宜性指標(biāo)層的判斷矩陣，通過(guò)兩兩比較判斷同一層次中每個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性，建立評(píng)價(jià)因子判斷矩陣，再進(jìn)行層次排序和一致性檢驗(yàn)，最終形成權(quán)重特征向量值(表3)。

2.3 層次單排序、總排序的一致性檢驗(yàn)

根據(jù)一致性指標(biāo)CI，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI和一致性比例CR，計(jì)算CR=CI/RI。當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣一致性滿意； 否則調(diào)整判斷矩陣。該研究層次氣候因子單排序CR值為0.03，土壤理化性質(zhì)因子單排序CR值為0.008，地形地貌因子單排序CR值為0.008，生態(tài)適宜性層次總排序CR值為0.008，各個(gè)層次排序的CR值都<0.1，因此各判斷矩陣均具有滿意一致性。

3 結(jié)果與分析

從氣候適宜性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，云南省檸檬種植的適宜區(qū)主要分布在滇西南的德宏、臨滄、西雙版納，滇東南的紅河南部及文山東部，還包括怒江、瀾滄江和金沙江周邊的河谷地區(qū)，云南北部的元謀縣由于溫度條件極佳，也是適宜種植區(qū)。這些地方的平均氣溫、降水量、積溫和日照等條件都非常適合檸檬生長(zhǎng)。昭通北部、保山、紅河北部、文山中部及賓川、華坪等地區(qū)光熱條件也較好，但降水條件和低溫條件適宜性較差，為次適宜種植區(qū)。昆明南部、玉溪南部和楚雄南部也主要受到降水條件的限制，種植條件次適宜。其余云南中部及北部地區(qū)不適宜開(kāi)展檸檬種植(圖1)。

圖1 云南省檸檬種植氣候適宜性區(qū)劃 圖2 云南省檸檬種植土壤適宜性區(qū)劃

圖3 云南省檸檬種植地形地貌適宜性區(qū)劃 圖4 云南省檸檬種植生態(tài)適宜性區(qū)劃

從土壤理化性質(zhì)適宜性指標(biāo)看，迪慶、怒江、麗江北部、昆明及曲靖等地土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，大理及楚雄土壤中含沙量較大，土壤質(zhì)地偏差，昆明南部、曲靖、玉溪北部及大理中部等地的土壤pH偏堿性，這些地區(qū)不適宜檸檬種植。楚雄西部、大理南部、紅河及昭通北部土壤pH偏酸性，但土壤質(zhì)地較差，為檸檬種植次適宜區(qū)，文山、臨滄、德宏及西雙版納等地土壤黏性高、有機(jī)質(zhì)含量多、土壤pH偏酸性，為檸檬種植適宜區(qū)(圖2)。

從地形地貌因子指標(biāo)來(lái)看，德宏、大理、昆明、曲靖、文山及西雙版納等地種植適宜性較強(qiáng)，為檸檬種植適宜區(qū)。迪慶、怒江、麗江中部、昆明北部等地及高黎貢山、哀牢山等橫斷山脈地區(qū)，地形起伏度較大，土地開(kāi)墾難度大，為檸檬種植不適宜區(qū)。疊加各地的坡向信息，北向坡地為不適宜種植，東、西向坡地為次適宜種植區(qū)，南向坡地為適宜種植區(qū)，獲得檸檬種植地形地貌適宜性分區(qū)(圖3)。

綜合考慮氣候、土壤理化性質(zhì)及地形地貌3個(gè)生態(tài)適宜性因子來(lái)看。云南省檸檬種植適宜區(qū)主要分布在德宏大部、臨滄西部、普洱大部、西雙版納大部、紅河南部及文山東部等地，占全省國(guó)土總面積的37.8%。保山、大理南部、麗江東部及省內(nèi)主要江河河谷地區(qū)氣候條件適宜，但土壤條件較差； 楚雄、玉溪南部、紅河北部、曲靖南部氣候條件較差，但土壤理化性質(zhì)條件較好，這些地區(qū)種植條件次適宜，占全省國(guó)土面積的33.7%。迪慶、怒江、麗江西部、昆明東部、昭通南部及曲靖等地不適宜開(kāi)展檸檬種植，占全省國(guó)土面積的28.5%(圖4)。

4 結(jié)論與討論

隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展不斷的精細(xì)化，大尺度的種植適宜性分區(qū)已經(jīng)不能滿足高原特色農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。尤其是在云南高原地區(qū)，地形復(fù)雜，立體氣候特征明顯，再加上山區(qū)氣象觀測(cè)站點(diǎn)較少，觀測(cè)時(shí)間序列較短，很難用于生態(tài)資源的分析和評(píng)價(jià)。因此，在云南高原山區(qū)復(fù)雜地形條件下開(kāi)展生態(tài)因子精細(xì)化推算非常必要[22]。

適宜的生態(tài)環(huán)境條件對(duì)檸檬的種植、生長(zhǎng)和穩(wěn)定高產(chǎn)具有十分重要的作用[23]。該研究結(jié)合氣候、土壤理化性質(zhì)和地形地貌3個(gè)生態(tài)適宜性因子，獲得云南省檸檬種植生態(tài)適宜性區(qū)劃結(jié)果。德宏、普洱、西雙版納、臨滄西部、紅河南部及文山東部等地是云南檸檬種植適宜區(qū)，最適宜開(kāi)展規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化檸檬種植，這與相關(guān)檸檬種植分布研究成果相同[24]，計(jì)算得出的生態(tài)適宜性分布區(qū)域與實(shí)際種植生產(chǎn)實(shí)況完全吻合。保山、楚雄、大理南部、麗江東部、玉溪南部、紅河北部、曲靖南部等地是檸檬種植次適宜區(qū)，這些地區(qū)的部分縣市可以開(kāi)展連片種植，如大理賓川、麗江華坪等地區(qū)。迪慶、怒江、麗江西部、昆明、昭通及曲靖等地不適宜開(kāi)展檸檬種植。

云南省具有豐富的氣候、土壤和地質(zhì)地貌類型，生態(tài)因子搭配復(fù)雜，可以大力發(fā)展的水果種植品種豐富。該研究采用的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方法可以借鑒用于其他高原特色水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展，充分利用云南高原特色熱區(qū)資源優(yōu)勢(shì)，實(shí)施產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，有利于促進(jìn)農(nóng)民增收、產(chǎn)業(yè)增收，為云南“橋頭堡”建設(shè)、國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展，高原邊疆少數(shù)民族地區(qū)民族團(tuán)結(jié)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)做出貢獻(xiàn)。