基于GIS技术的山西忻州精细化酥梨气候区划

李斌　江铭诺　龙步菊

摘 要：根据酥梨生长发育对气候条件的要求，分析并确定了山西省忻州市种植酥梨合理布局的关键气候因子和气候区划评分标准，即年平均气温、1月份平均气温、夏季（6—8月）平均最低气温和年降水量4个关键气候因子，以此作为划分山西忻州酥梨种植布局的气候区划指标。为了消除边缘效应的影响，采用忻州市15个气象台站和周边县市16个气象台站1981—2010年的气候资料及对应站点的地理基础信息数据，应用趋势面和多元回归分析方法建立气候区划指标因子的空间模拟推算模型，并利用GIS技术对气候区划要素进行细网格推算和残差订正计算。最后通过重分类方法评判、赋分制作出山西忻州酥梨气候区划图，划分出最适宜、次适宜和不适宜的3个种植区。这样做，为忻州趋利避害合理发展酥梨生产，进一步科学地优化农业产业结构，合理布局酥梨种植提供了参考依据。

关键词：GIS技术；酥梨；气候区划；气候因子

中图分类号：S661.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.013

酥梨原产于安徽砀山，称为砀山酥梨，在我国四大梨系统中归为白梨系统，是古老的地方优良品种。研究表明，在陕西渭北、山西和新疆，酥梨的栽培品质、外观均优于原产地。

山西省忻州市是全国梨树生产的优质区域，忻定盆地的原平素有“酥梨基地”之称，梨树的种植历史悠久。由于气候、土壤等条件适宜，忻州所产酥梨汁甜色黄、酥脆质优，曾多次参加全国展评，并屡获殊荣。截至2010年底，全市酥梨产值占梨总产值的82.7%.梨树已经成为繁荣全市农村经济、增加农民收入的重要产业之一。

山西省忻州市位于山西省中北部，境内地形复杂，且变化起伏较大，各区域气象要素差异明显，因此，对忻州全市进行酥梨气候区划具有十分重要而明显的意义。本文在赵政阳等完成的大范围粗略梨树区划的基础上，分析、研究了酥梨适宜生长的条件，确定了区划指标，并建立了相应的气候学推算模型。利用GIS技术实现精细化的酥梨气候区划，能够帮助忻州趋利避害，合理发展酥梨生产，进一步科学地优化农业产业结构，合理布局酥梨种植。

1 资料数据与区划要素分析

1.1 研究数据

采用忻州全市15个气象观测站和周边16个气象观测站1981—2010年的气象观测资料，包括年平均气温、年平均降水量和一月平均气温等，以及各台站经度、纬度、海拔高度数据。由于五台山气象观测站（53588）迁站的原因，该台站只使用1998-01—2010-12的气象观测资料。忻州市各主要站点的基本情况如表1所示。

1.2 地理信息资料

地理基础数据包括了忻州市1∶25万高程数字模型DEM数据和各区县的行政边界。

1.3 酥梨生长适宜气候条件分析

1.3.1 温度对酥梨生长与品质的影响

已有研究结果表明，酥梨不喜温，冬季能耐-25～-23 ℃的低温，适宜酥梨生长的年平均气温为8.5～14.0 ℃。当1月平均气温为-9～0 ℃时，既可使酥梨安全越冬，又能使酥梨冬季得到充足的休眠。如果1月平均气温略显偏高，则会导致果树冬季休眠不充分，影响果实的品质和产量。当生长季6—8月的平均最低气温为15.1～19.0 ℃时，有利于酥梨糖分的积累。6—8月的气温日较差越大，夜温越低，越有利于果实着色和糖分的积累。

1.3.2 水分对酥梨生长和品质的影响

酥梨主产区的年降水量多为500～900 mm，降水不足时，可加以灌溉补充。酥梨耐湿性差，当空气相对湿度大于75%时，果实容易出现虫害，且果面不够光洁。忻州市大部分地区空气相对湿度小于75%，所以，适宜酥梨种植。忻州市有灌溉条件地区的酥梨产量优于没有灌溉条件地区，降水偏多对酥梨的产量和品质均有影响。

1.3.3 光照对酥梨生长与品质的影响

酥梨喜光，年需日照1 600～1 700 h。良好的光照有利于花芽的形成，果实着色和果实品质的提高。在忻州市，除了忻定盆地的年日照时数略微偏少外，其他大部分地区年日照时数在2 600 h以上，各区域的年均日照时数在2 400.4～2 803.7 h之间，光照条件充足，能够满足喜光酥梨的需求。

1.4 酥梨农业气候区划指标

根据酥梨的气候适应性进行分析，并结合张国秀等的研究结果，判断影响忻州酥梨生长发育的气候条件是热量和水分。热量指标有年平均气温、1月平均气温、夏季（6—8月）的平均最低气温。忻州属于中温带大陆性季风气候，具有雨热同期的气候特点。统计、分析忻州各地逐月降水资料可知，在梨树生长季（4—10月）各地的降水量占全年比重的90%以上，因此，水分指标采用年降水量具有很好的代表性。年平均气温和年降水量反映了当地基本的热量条件和水分状况。1月平均气温为最冷月的平均气温，它可以反映当地果树和作物越冬期间的热量条件；夏季（6—8月）平均最低气温可以反映当地夏季的夜温是否有利于酥梨糖分的储存。当年平均气温在8.5～14.0 ℃，年降水量在551～900 mm，1月平均气温为-9～0 ℃，夏季（6—8月）平均最低气温在15.1～19.0 ℃时，最适合酥梨的生长。由于年降水量对酥梨生长的影响比其他3个因子要大，所以，在评分时，赋予的分数基数最大，其适宜区间赋分为45分，其余3个因子适宜区间赋分为15～25分。已有研究表明，当年平均气温小于6.4 ℃或者大于等于15.5 ℃时，均不能满足酥梨的正常生长发育。当年平均气温不在这个区间时，赋予0分。根据线性插值原理，当年均气温处于最适宜年均气温以上或以下，且位于可生长范围年平均气温的区间时，赋予15分；当年均气温处于适宜区间时，赋予25分，其他3个指标的数值范围和评分标准以此类推。具体的区划指标和评分标准如表2所示。

2 区划方法与过程

2.1 气温空间化方法

从王怀清等在2011年所作的1998—2007年全国651个基本、基准站气温插值模型结果中可知，趋势面法估算的结果比较好地反映了局部地形对酥梨种植的影响。本文根据其研究结果综合分析，结合孟庆香等的研究，采用普通多元线性回归法和趋势面法加残差内插（Kriging）的综合法对忻州全市的热量资源进行细网格推算。

2.2 降水空间化方法

与气温空间化方法类似，降水空间化方法的主要机理是，利用多种数学模型来拟合未采样点的降水信息。沈红等采用“逐步回归的趋势面模拟+残差内插”法建立黄土高原地区降水空间分布的数学模型，用于模拟整个黄土高原降水量的空间分布。综合上述方法，本文采用普通多元线性回归法和趋势面法加残差内插（Kriging）的综合法对忻州全市的降水资源进行细网格推算。

2.3 推算模型与空间网格化

2.3.1 热量及其资源小网格推算模型

根据最小二乘法原理，利用SPSS软件进行多元线性回归分析，并对各参数进行显著性检验，保留对因变量贡献大的自变量。复相关系数R越大，表明要素（变量）之间的相关程度越密切；拟合度系数R2是测定回归方程拟合优度的重要指标，R2越大，方程的拟合度就越高。最后对该拟合方程进行显著性F检验，检验该拟合方程是否达到α=0.01的显著性水平。如果达到，将该拟合方程作为热量资源区划指标的气候学方程；如果未到达，则进行趋势面分析，将f（λ，φ，h）展开成如下三元二次趋势面方程，即：

从表3中可以看出，各方程的拟合度系数R2在0.816～0.942之间，F值为16.27～137.72，方程均通过了α=0.01的显著性检验。这表明，方程回归效果比较好，可用其进行热量资源区划指标的小网格推算。

2.3.2 降水资源小网格推算模型

类似于热量及其资源小网格推算模型的建立方法，建立降水的宏观趋势项。根据忻州市年降水量的分布特点，将忻州分为忻定盆地和高寒山区2个分区，分区域建立降水与经、纬、高计算模型，各模型的复相关系数R在0.76以上，均达到了0.01的显著水平。表4为各区域以及全市的年降水估算模型和误差。

2.4 区划指标的小网格推算及专题图制作

2.4.1 区划指标的小网格推算

根据上述4个区划指标的5个推算方程，可以推算出每个区划指标在90 m×90 m网格点上的分布值，再利用式（2）进行残差订正计算。

2.4.2 山西忻州酥梨气候区划图的制作

利用相关计算得到的4个区划指标的栅格图像数据，综合郭兆夏等的研究结果，利用ArcGIS的重分类功能，根据表2将4幅图进行重新赋值，最后将4个重新赋值后的区划指标的栅格图利用栅格计算器进行矩阵加法运算，获得一个总体分值。当总分值为75～100分时，所有指标达到适宜或最适宜，为适宜区。依此类推，当总分值为50～75分时，为次适宜区，其他为不适宜区。给不同的区域赋予不同的颜色，并迭加县边界、制作图例，完成山西忻州酥梨农业气候区划图，如图1所示。

3 区划结果分析

3.1 适宜区

本区主要分布在忻定原盆地、代县县城一带，此区分布连片，海拔高度800～1 100 m，年平均气温8.0～14 ℃，年降水量500～750 mm，年日照时数1 800～2 500 h，1月平均气温-10.0～-6.5 ℃，6—8月相对湿度67%～74%，本区光、热、水气候条件均处于适宜酥梨生长的最优范围，且土壤和灌溉条件好，是忻州市酥梨种植的最佳区域。该区生产的酥梨果型端正，果色好，含糖量高，品质优异。

3.2 次适宜区

该区主要分布在黄河沿河一带和忻定原盆地附近的低山丘陵。此区海拔900～1 400 m，年平均气温7.0～11.0 ℃，年降水340～470 mm，年日照时数2 410～2 800 h，1月平均气温为-8.2～-6.3 ℃。本区光照条件充足，热量资源尚可，但降水量少，如果能解决灌溉用水问题，则适宜酥梨产业的发展。

3.3 不适宜区

忻州西部的五寨、岢岚、宁武、神池、静乐县大部地区和沿黄三县的高寒黄土丘陵山区、西部五台、繁峙大于2 000 m的高寒山区均为酥梨不适宜种植区。对于这些不适区而言，光照条件充足，但降水不足，气温偏低，不能满足酥梨的正常生长需要。而五台地区的高寒山区气温低，热量条件严重不足，再加上山势陡峭，酥梨无法生长，不适宜发展酥梨产业。

4 结论与建议

本文根据酥梨生长发育对气候条件提出的要求，将年平均气温、1月份平均气温、夏季（6—8月）平均最低气温和年降水量作为划分山西忻州酥梨种植布局的气候区划指标，建立起相应的气候学推算模型。利用GIS技术可以分析复杂地形的气候资源，并进行精细化的气候区划，大大提高了山区农业气候资源的利用率。酥梨耐寒喜温，忻州市忻定原盆地的光、热、水资源能很好地满足酥梨的生长需求，为酥梨适宜种植区。该区可大力发展酥梨产业，扩大产业规模。黄河沿河一带和忻定原盆地附近的低山丘陵为酥梨次适宜种植区，由于降水量偏少，所以，该区应保证果树的灌溉。除此之外，忻州其他地区因为热量偏低、降水偏少，不利于优质酥梨的生长，不宜盲目引种酥梨。此外，影响忻州酥梨生产的主要气象灾害是果树花期冻害，因此，要加强对果树花期的管理，重视天气预报、预警信息，增强防御果树花期冻害意识，普及防御果树花期冻害技术和方法。

参考文献

[1]康迎伟.提高忻州“酥梨”品质的十项措施[J].北方果树，2011（6）：26-27.

[2]师源凰，张威，李玫.忻州市农业气候资源及主要农业气象灾害分析[J].现代农业科技，2013（3）：291-293.

[3]朱敏嘉，茅彧，王涛，等.山西主要气候资源探析[J].山西农业科学，2010，38（7）：77-79.

[4]张荃梅.忻州市优势产业梨生产现状及发展方向[J].山西农业科学，2009，37（6）：92-93.

[5]程慧，李亮，宋怀磊，等.山西果树产业区划问题研究[J].安徽农业科学，2014，42（3）：675-676.

[6]张卉，程永明，杨梅红.五台山站气候资料均一性检验及气候变化趋势分析[J].中国农学通报，2016，32（7）：168-173.

[7]赵政阳，李丙智，冯月秀，等.黄土高原果树栽培[M].西安：陕西科学技术出版社，1994：197-283.

[8]陈尚谟，黄寿波，温福光.果树气象学[M].北京：气象出版社，1988：313-317.

[9]伊兴凯，徐义流，张金云，等.黄河故道地区砀山酥梨需冷量的研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版）， 2013，41（9）.

[10]周青，辛昌旺.气象条件对酥梨糖分积累影响的研究[J].气象，1991，17（1）：47-49.

[11]张国秀.中国农林作物气候区划[M].北京：气象出版社，1997：160-173

[12]郑景云，卞娟娟，尹云鹤，等.中国1951—1980 年及1981—2010 年的气候区划[J].地理研究，2013，32（6）：987-997.

[13]王怀清，殷剑敏，辜晓青，等.中国热量资源精细化估算[J].气象，2011，37（10）：1283-1291.

[14]孟庆香，刘国彬，杨勤科.基于GIS的黄土高原气象要素空间插值方法[J].水土保持研究，2010，17（1）：10-14.

[15]沈红，刘文兆.基于宏观地理因子估算黄土高原地区降水资源空间分布[J].干旱地区农业研究，2011，29（1）：237-241.

[16]赵婷，杨旭艳.黄土高原降水量空间插值方法研究[J].地下水，2012，34（2）：189-191.

[17]徐建华.计量地理学[M].北京：高等教育出版社，2006：47-119.

[18]郭兆夏，李星敏，朱琳，等.基于GIS技术的陕西白梨气候区划[J].果树学报，2010，27（5）：698-702.

[19]高龙.基于GIS的广西火龙果种植气候区划研究[D].南宁：广西大学，2014.

[20]杨红雁，冀爱青.祁县酥梨花期冻害分析及防御对策[J].山西果树，2012，147（3）：37-38.

〔编辑：白洁〕.