不同播期下我國設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性評價*

張馨宇，張 琪，2※，楊再強，韓佳昊

（1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇南京 210044；2.江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044；3.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044）

0 引言

農(nóng)業(yè)氣候適宜性評價是反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與氣候關(guān)系的專業(yè)性氣候區(qū)劃[1]。合理的農(nóng)業(yè)氣候適宜性區(qū)劃結(jié)果對于農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的制定、減輕氣象災(zāi)害影響、為設(shè)施作物提供最佳的生長條件等具有重要意義[2]。隨著生活水平提高，對高品質(zhì)無公害蔬菜的需求量不斷增加，設(shè)施農(nóng)業(yè)在整個農(nóng)業(yè)中所占地位日趨重要[3]。設(shè)施農(nóng)業(yè)與露地栽培相比具有環(huán)境相對可調(diào)控的特點，不受季節(jié)限制全年皆可生產(chǎn)，但氣象條件直接影響溫室設(shè)施建造成本和生產(chǎn)過程中的調(diào)控成本。若調(diào)控不及時，溫室內(nèi)不利的小氣候條件會引起設(shè)施作物病蟲害[4]，在病蟲害防治過程中使用化肥、農(nóng)藥不僅會增加生產(chǎn)成本還會造成環(huán)境污染。因此氣象條件是布局設(shè)施農(nóng)業(yè)需要考慮的重要因素，對全國進(jìn)行設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性評價是非常有必要的。

我國農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃最早在1931年由竺可楨提出[5]，20世紀(jì)60年代以來全國學(xué)者對其開展了系統(tǒng)的研究[6,7]。近30年來，隨著3S技術(shù)和氣象觀測系統(tǒng)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的空間尺度日趨精細(xì)化[8,9]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃以大田作物為主，較少涉及設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性的研究。目前針對設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性的研究主要有兩類：一類是針對區(qū)域設(shè)施農(nóng)業(yè)最主要的限制氣象因子進(jìn)行的單氣象要素的適宜性研究[10-12]，如張永紅等[10]根據(jù)不同等級大風(fēng)日數(shù)對渭南市設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行了大風(fēng)適宜性評價；李德等[11]構(gòu)建了安徽省設(shè)施農(nóng)業(yè)低溫指數(shù)，并進(jìn)行了氣候適宜性評價。另一類考慮影響設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大風(fēng)、氣溫、日照等多個氣象要素進(jìn)行的綜合適宜性研究，可通過聚類或加權(quán)等數(shù)理統(tǒng)計方法將各氣象要素進(jìn)行綜合[13-16]，如張山清等[13]通過專家打分法確定各氣象要素權(quán)重對天山北坡經(jīng)濟帶進(jìn)行了設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性區(qū)劃；或者如馬力文等[14]認(rèn)為各氣象要素處于同等重要地位，采用集優(yōu)法綜合各氣象要素進(jìn)行適宜性評價。當(dāng)前針對設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性的研究多沿用大田作物的區(qū)劃方法，對設(shè)施農(nóng)業(yè)自身的一些特性如全年皆可生產(chǎn)等關(guān)注不足。

文章以1990—2019年我國693個標(biāo)準(zhǔn)氣象站逐日最高和最低氣溫、最大風(fēng)速、日照時數(shù)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)施農(nóng)業(yè)全年皆可生產(chǎn)的特點，將全年分為12個播期（每月1日移栽），對各個播期我國設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性進(jìn)行評價。番茄是全國各地區(qū)普遍生產(chǎn)的設(shè)施作物類型[17]，采用各地設(shè)施番茄生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)對設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性評價結(jié)果的合理性進(jìn)行簡單檢驗。研究結(jié)果對于指導(dǎo)設(shè)施農(nóng)業(yè)布局，明確不同時間各地設(shè)施農(nóng)業(yè)面臨的主要氣象災(zāi)害類型等具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括1990—2019年我國693個標(biāo)準(zhǔn)氣象站的逐日最高和最低氣溫、日照時數(shù)和最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，空間覆蓋范圍為73°40′E～135°05′E，4°00′N～53°31′N，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）的“中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集（V3.0）”，站點分布如圖1?？紤]到基于省級行政單元不利于說明氣候不適宜地區(qū)的分布情況，按照中國行政區(qū)劃[18]，將我國按行政單元分為東北、華東、華北、中南、西北和西南共六大行政區(qū)域，如圖1。設(shè)施番茄生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)來源于《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益匯編》（2014—2018年），具體包括21個省、直轄市及自治區(qū)的每667m2設(shè)施番茄生產(chǎn)成本費用和固定資產(chǎn)折舊費用，其中各省生產(chǎn)成本如圖1。其中生產(chǎn)成本是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中投入人力、物力所產(chǎn)生的總費用，固定資產(chǎn)折舊費是生產(chǎn)成本的主要組成部分，主要是指建造的大棚骨架、墻體等可長期使用設(shè)備、器具在生產(chǎn)過程中因使用或損耗而產(chǎn)生的費用。

圖1 氣象站點及設(shè)施番茄生產(chǎn)成本空間分布

1.2 研究方案流程

該研究中的全年不同播期設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性評價具體流程見圖2。

圖2 設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性評價流程

（1）判定各生長周期氣象條件是否適宜。通過系統(tǒng)總結(jié)前人關(guān)于設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性的研究，發(fā)現(xiàn)影響我國設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣象要素主要有溫度（高溫、低溫）、日照、大風(fēng)這幾個方面[10,12,19-21]，參考已有研究判定某日各氣象指標(biāo)是否適宜的標(biāo)準(zhǔn)見表1。設(shè)施作物全年皆可種植，多為無限生長型，在設(shè)施內(nèi)的生長周期普遍在半年以上[22]。因此該文假定每月1日移栽，生長周期定為180d，則30年共360個生長周期。根據(jù)每個生長周期內(nèi)某氣象指標(biāo)不適宜的天數(shù)占比來判定該生長周期的該氣象指標(biāo)是否適宜。

表1 氣象指標(biāo)及生長周期是否適宜判定標(biāo)準(zhǔn)

（2）各播期單氣象指標(biāo)的適宜性評價。對低溫、高溫、日照、大風(fēng)這四個方面分別進(jìn)行適宜性評價，根據(jù)某站點30年同一播期的30個生長周期中適宜生長周期的年數(shù)來判定該站點該播期的氣象指標(biāo)的適宜性等級，共分為適宜、較適宜、較不適宜和不適宜4類，對應(yīng)的適宜生長周期年數(shù)分別為27～30年、21～26年、12～20年和少于12年。

（3）全年不同播期設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合氣候適宜性評價。在單氣象指標(biāo)適宜性評價的基礎(chǔ)上，采用集優(yōu)法[14]，4個氣象指標(biāo)無主次之分，根據(jù)某站點4個氣象指標(biāo)適宜性等級的組合情況判定該站點綜合氣候適宜性等級，具體判定方法如表2，共分為適宜、較適宜、不適宜3類。

表2 綜合氣候適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)

（4）氣候適宜性評價結(jié)果檢驗?？紤]到上市時間，設(shè)施番茄主要在8月至次年1月移栽[17]，因此采用設(shè)施番茄生產(chǎn)成本驗證適宜性評價結(jié)果時僅對8月至次年1月的播期的適宜性評價結(jié)果做簡單驗證。任意氣象條件不適宜都會增加溫室設(shè)施建造成本及在生產(chǎn)過程中的調(diào)控成本，因此采用收集到的各地多年平均設(shè)施番茄生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)來驗證綜合氣候適宜性評價結(jié)果。大風(fēng)對設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響主要是損壞設(shè)施本身的棚膜、骨架，而低溫主要會使得當(dāng)?shù)貫榱说钟蜏亟ㄔ毂匦Ч?、造價更高的溫室設(shè)施，因此采用各地多年平均固定資產(chǎn)折舊費檢驗大風(fēng)和低溫這兩個氣象指標(biāo)的適宜性評價結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 全年播期下我國設(shè)施農(nóng)業(yè)各氣象指標(biāo)適宜性評價

全年不同播期下的我國設(shè)施農(nóng)業(yè)低溫、高溫、日照和大風(fēng)的適宜性評價結(jié)果如下。關(guān)于低溫，3—6月開始的播期全國絕大多數(shù)地區(qū)為低溫適宜區(qū)，這個時期種植設(shè)施作物在生育期內(nèi)遭遇的低溫天數(shù)最少；7月至次年2月的播期我國東北、華北和西北地區(qū)以及華東北部和西南北部地區(qū)處于低溫不適宜區(qū)，這些地區(qū)多采用的設(shè)施類型為日光溫室，可抵御低溫帶來的不利影響，但建造成本也更高（圖3）。關(guān)于高溫，2—7月的播期在我國華東南部和中南南部地區(qū)以及西南東部地區(qū)和新疆中南部地區(qū)存在高溫不適宜區(qū)，其余播期全國各地設(shè)施農(nóng)業(yè)較少受到高溫威脅（圖4）。關(guān)于日照，可以看出我國中南地區(qū)、華東南部地區(qū)和西南東部地區(qū)各個播期日照條件不適宜的地區(qū)面積都較大，設(shè)施生產(chǎn)容易遭受寡照的威脅（圖5）。關(guān)于大風(fēng)，受地形影響，青海地區(qū)及內(nèi)蒙古北部地區(qū)全年各播期大風(fēng)不適宜地區(qū)面積都較大，東北地區(qū)在9月至次年3月開始的播期的大風(fēng)較不適宜和較不適宜地區(qū)的面積較大（圖6）。

圖3 1990—2019年不同播期下我國設(shè)施農(nóng)業(yè)低溫氣象指標(biāo)適宜性評價

圖4 1990—2019年不同播期下我國設(shè)施農(nóng)業(yè)高溫氣象指標(biāo)適宜性評價

圖5 1990—2019年不同播期下我國設(shè)施農(nóng)業(yè)日照氣象指標(biāo)適宜性評價

圖6 1990—2019年不同播期下我國設(shè)施農(nóng)業(yè)大風(fēng)氣象指標(biāo)適宜性評價

2.2 全年播期下我國設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合氣候適宜性評價

圖7 為綜合了4個氣象指數(shù)的全年不同播期下我國設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合氣候適宜性評價結(jié)果?？梢钥闯?，在7月至次年2月的開始的播期，設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候不適宜性的地區(qū)主要出現(xiàn)在我國東北、西北和西南的部分地區(qū)以及華北南部地區(qū)，而中南和華東地區(qū)多為較適宜區(qū)。隨著生長周期內(nèi)的天氣轉(zhuǎn)暖，3—6月開始的播期中設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候不適宜的地區(qū)主要分布在我國華東南部地區(qū)以及中南、西北和西南的部分地區(qū)，而東北和華北地區(qū)多處于適宜區(qū)。

圖7 1990—2019年不同播期下全國設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合氣候適宜性評價

根據(jù)綜合氣候適宜性評價中關(guān)于不適宜區(qū)的定義，為了進(jìn)一步分析綜合氣候不適宜主要由哪兩種氣象指標(biāo)不適宜的組合所造成的，統(tǒng)計了大風(fēng)低溫、大風(fēng)高溫、大風(fēng)寡照、低溫寡照和高溫寡照5種雙氣象指標(biāo)同時不適宜的次數(shù)（表3），可以看出大風(fēng)低溫、高溫寡照這兩種同時不適宜組合占比最高，分別是33.53%和41.24%。

表3 綜合氣候不適宜的主要氣象指標(biāo)組合類型

為了進(jìn)一步分析大風(fēng)低溫和高溫寡照這兩類不適宜組合主要發(fā)生的播期和區(qū)域，圖8和圖9中雙因子適宜性等級中適宜、較適宜和不適宜的劃分標(biāo)準(zhǔn)見表4。由大風(fēng)低溫適宜性評價結(jié)果可以看出（圖8），大風(fēng)和低溫這兩個氣象指標(biāo)同時不適宜主要發(fā)生在7月至次年2月開始的播期的我國東北、華北、西北、西南的部分地區(qū)，結(jié)合我國綜合氣候適宜性區(qū)劃結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)是造成這些地區(qū)綜合氣候不適宜的主要原因；其余各個播期，除了青海地區(qū)外全國大部分地區(qū)處于大風(fēng)低溫適宜區(qū)。高溫日照適宜性評價結(jié)果顯示（圖9），高溫寡照主要發(fā)生在我國華東南部、中南南部地區(qū)以及西南部分地區(qū)的2—7月開始的播期，是造成我國這些地區(qū)綜合氣候不適宜的主要因素；9月至次年1月開始的播期，在我國大部分地區(qū)不存在高溫日照不適宜區(qū)。

圖8 1990—2019年不同播期下大風(fēng)低溫雙氣象指標(biāo)適宜性評價

圖9 1990—2019年不同播期下高溫日照雙氣象指標(biāo)適宜性評價

表4 雙氣象指標(biāo)適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)

2.3 設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性評價結(jié)果檢驗

由于設(shè)施番茄多年平均生產(chǎn)成本與固定資產(chǎn)折舊費用為各行政單元內(nèi)的每667m2平均值，因此計算各行政單元內(nèi)所有站點綜合氣候適宜性等級進(jìn)行平均作為該行政單元的綜合氣候適宜性等級，將所有行政單元的生產(chǎn)成本與綜合氣候適宜性等級進(jìn)行相關(guān)分析驗證綜合氣候適宜性評估結(jié)果的合理性，相關(guān)系數(shù)見表5?？梢钥闯?月至次年1月各個播期的適宜性等級與生產(chǎn)成本都呈負(fù)相關(guān)，特別是11月至次年1月開始的播期負(fù)相關(guān)達(dá)到顯著，綜合氣候適宜性較差的地區(qū)設(shè)施番茄生產(chǎn)成本高，可能與不利的氣象條件有關(guān)，驗證了該研究綜合氣候適宜性評估結(jié)果的合理性。此外，由于8月至次年1月的綜合不適宜性主要是由于低溫大風(fēng)這兩種氣象要素指標(biāo)不適宜造成的，因此采用設(shè)施番茄固定資產(chǎn)折舊費與單氣象指標(biāo)中的低溫和大風(fēng)的適宜性等級分別進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表5?？梢钥闯鲈诟鱾€播期低溫適宜性等級與固定資產(chǎn)折舊費都達(dá)到了顯著的負(fù)相關(guān)，大風(fēng)適宜性等級與固定資產(chǎn)折舊費也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，特別是9月至次年1月的播期達(dá)到了顯著，說明低溫、大風(fēng)適宜性較差的行政單元固定資產(chǎn)折舊費較高，可能與這些地區(qū)為抵御大風(fēng)、低溫建造的設(shè)施規(guī)格較高、設(shè)施建造成本高有關(guān)，驗證了單氣象指標(biāo)適宜性評價結(jié)果的合理性。

表5 全年不同播期氣候適宜性與設(shè)施番茄成本費用相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

該文針對影響設(shè)施農(nóng)業(yè)的低溫、高溫、日照和大風(fēng)四個方面，對我國設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行單氣象要素氣候適宜性評價，與前人結(jié)果基本一致。例如：孫楊等[23]研究西北地區(qū)農(nóng)業(yè)資源分布時，指出≤0℃在西北地區(qū)呈現(xiàn)自南向北增加，與低溫氣候適宜性評價結(jié)果基本一致；王艷姣等[24]指出中國發(fā)生≥35℃極端高溫的日數(shù)較多的地區(qū)主要位于新疆中南地區(qū)，而東北地區(qū)發(fā)生日數(shù)較少，與高溫適宜性評價結(jié)果中不適宜地區(qū)主要出現(xiàn)在我國華東南部、中南南部地區(qū)和西南部分地區(qū)以及新疆中南部的結(jié)果相一致；肖風(fēng)勁等[25]發(fā)現(xiàn)中國年平均日照時數(shù)呈現(xiàn)“南少北多”的分布特征，與日照不適宜區(qū)主要分布在我國中南地區(qū)、華東南部地區(qū)和西南東部地區(qū)結(jié)果相一致；孔峰等[26]指出中國年均大風(fēng)日數(shù)的分布情況呈現(xiàn)明顯東南低、西北高的趨勢，其中大風(fēng)日數(shù)的高值區(qū)主要在西藏中部和西部、青海南部、四川西部、新疆東部以及內(nèi)蒙古和甘肅北部，與全年播期中大風(fēng)適宜區(qū)主要出現(xiàn)在華東、中南和西南地區(qū)，大風(fēng)不適宜區(qū)主要出現(xiàn)在青海地區(qū)和內(nèi)蒙古北部地區(qū)的結(jié)果相一致。該研究與以上前人研究結(jié)果相一致，但該研究針對設(shè)施農(nóng)業(yè)本身全年皆可種植的特點，將全年分為12個播期，采用設(shè)施農(nóng)業(yè)中相關(guān)的氣象指標(biāo)對我國設(shè)施農(nóng)業(yè)氣候適宜性進(jìn)行評價，明確各個地區(qū)不同時間的主要災(zāi)害類型，因此該研究結(jié)果更具有指導(dǎo)意義。

在綜合氣候適宜性評價中，該研究中沒有使用以往研究中常用的聚類分析[27]、加權(quán)[28]、專家打分法[29]等數(shù)理統(tǒng)計方法將單氣象指標(biāo)進(jìn)行綜合運算，而是采用集優(yōu)法根據(jù)各個氣象指標(biāo)適宜性等級的組合情況確定綜合氣候適宜性等級，這樣可以較為直觀分析出綜合氣候不適宜的地區(qū)主要由哪些氣象指標(biāo)不適宜造成的，明確各地在不同時間設(shè)施農(nóng)業(yè)需重點防御的氣象災(zāi)害類型。此外，以往氣候適宜性評價或風(fēng)險區(qū)劃的研究都缺少對區(qū)劃結(jié)果合理性的檢驗[6,8,10-16]，該研究采用設(shè)施番茄生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)對適宜性區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行了簡單驗證，結(jié)果合理。該研究從設(shè)施農(nóng)業(yè)不同播期出發(fā)，較以往研究進(jìn)一步明確了各地不同時間面臨的主要氣象限制因素，考慮到基于省級行政單元不利于說明不適宜地區(qū)的分布情況，在研究中采用更具有權(quán)威性的政府文件進(jìn)行行政單元的劃分，劃分后的行政區(qū)域簡單明了，方便說明研究結(jié)果。但研究結(jié)果中某些行政區(qū)域內(nèi)氣候條件差異較大，如在綜合適宜性評價中，位于中南地區(qū)北部的河南省與華北部分地區(qū)氣候條件相似都為不適宜，而與位于中南地區(qū)南部廣西和廣東省的較適宜地區(qū)氣候條件差異較大，今后研究中可以采用不同的區(qū)域劃分方式說明不適宜地區(qū)的分布情況。

3.2 結(jié)論

氣象條件直接影響溫室設(shè)施建造成本和設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的調(diào)控成本，該研究針對設(shè)施農(nóng)業(yè)全年皆可生產(chǎn)的特點，將全年分為12個播期（每月1日移栽），對各個播期下全國設(shè)施農(nóng)業(yè)單氣象指標(biāo)（低溫、高溫、日照、大風(fēng)）的適宜性及綜合氣候適宜性進(jìn)行評估，得到主要結(jié)論如下。

（1）低溫不適宜區(qū)主要分布在我國東北、華北和西北地區(qū)以及華東北部和西南北部地區(qū)7月至次年2月的播期；高溫不適宜區(qū)主要在我國華東南部、中南南部地區(qū)以及西南部分地區(qū)和新疆中南部地區(qū)2—7月的播期；日照和大風(fēng)的不適宜性地區(qū)不隨季節(jié)發(fā)生較大的改變，日照不適宜區(qū)主要分布在我國中南地區(qū)、華東南部地區(qū)和西南東部地區(qū)，大風(fēng)不適宜區(qū)主要出現(xiàn)在我國青海地區(qū)和內(nèi)蒙古北部地區(qū)。

（2）對于3—6月的播期，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合氣候不適宜的區(qū)域主要出現(xiàn)在我國華東南部地區(qū)以及中南、西北和西南的部分地區(qū)，主要由高溫和寡照帶來；對于7月至次年2月的播期，綜合氣候不適宜的區(qū)域主要分布在我國東北、西北和西南的部分地區(qū)以及華北南部地區(qū)，主要由低溫和大風(fēng)造成。

（3）各省設(shè)施番茄的多年平均生產(chǎn)成本與綜合氣候適宜性等級呈負(fù)相關(guān)，固定資產(chǎn)折舊費與低溫、大風(fēng)適宜性等級呈負(fù)相關(guān)，且大多數(shù)播期都達(dá)到了0.05顯著性水平，總體而言評估結(jié)果中氣象條件不適宜的地區(qū)設(shè)施番茄成本費用較高，驗證了氣候適宜性評估結(jié)果的合理性，氣候適宜性評價結(jié)果反映了不同地區(qū)不同時段的氣候差異性，為設(shè)施作物生長提供最優(yōu)氣候條件、合理布局設(shè)施農(nóng)業(yè)提供重要科學(xué)依據(jù)。