基于温度因子“3S”技术的贵州省木薯种植气候区划

2017-06-11杨龙罗春芳欧珍贵黎青罗亚红雷静

安徽农业科学 2017年21期

杨龙罗春芳欧珍贵黎青罗亚红雷静

摘要根据木薯生长发育对气候条件、海拔等要素的要求，结合贵州省各个县市主要气象站点1995—2014年的气象统计资料，选取贵州省木薯栽培的气象指标（年平均气温、最冷月平均气温、最冷月平均最低气温、≥10 ℃活动积温和日均温≤0 ℃最长连续时数），基于“3S”技术，建立木薯可种植区域热量指标与海拔的回归模型，明确贵州木薯的种植区域，得到种植气候区划。结果表明，贵州省木薯适宜种植区面积126 642.3 hm2，其中优势种植区总面积为114 683.8 hm2，主要分布在南盘江流域、北盘江流域、红水河流域、樟江流域和都柳江流域的17个县市；一般种植区总面积为11 958.4 hm2，主要分布在赤水河流域的赤水市和习水县。

关键词木薯；“3S”技术；温度因子；气候区划；贵州省

中图分类号S127文献标识码A文章编号0517-6611（2017）21-0174-05

Climatic Regionalization of Manihot esculenta Crantz in Guizhou Province Based on the Temperature Factors of “3S” Technology

YANG Long，LUO Chunfang，OU Zhengui* et al（Institute of Subtropical Crops，Guizhou Academy of Agricultural Sciences，Xingyi，Guizhou 562400）

AbstractAccording to the requirements of growth of Manihot esculenta，such as climilate conditions and altitude，and combined with the meteorological statistical data of the main meteorological stations in the counties in Guizhou Province during 1995-2014，we selected the key meteorological index of Manihot esculenta cultivation in Guizhou Province （such as annual average temperature，average temperature in most cold month，the lowest temperature of the most cold month，accumulated temperature above 10 ℃ and duration of daily average temperature below 0 ℃）.Based on "3S" technology，we established the regression model of heat index and latitude of suitable planting areas of Manihot esculenta，definited the planting areas and made clearly the planting climatic zoning of Manihot esculenta in Guizhou Province.Results showed that size of suitable planting area was 126 642.3 hm2， the planting area of Manihot esculenta in Guizhou Province could be divided into the advantageous regions and common regions，the area of advantageous regions was 114 683.8 hm2 and distributed mainly at 17 counties around Nanpan，Beipan，Red，Zhang and Liu river drainage area，the area of common regions was 11 958.4 hm2 and distributed mainly at Chishui City and Xishui County around Chi river drainage area.

Key wordsManihot esculenta Crantz；”3S” technologies；Temperature factors；Climatic regionalization；Guizhou Province

木薯（Manihot esculenta Crantz）屬于大戟科木薯属植物，为三大薯类作物之一。木薯耐旱、耐贫瘠、抗病虫性强，单位面积产量高和淀粉含量高，有“淀粉之王”“地下粮仓”和“特用作物”等美誉[1-4]。木薯种植省工、投入少，在能源酒精、淀粉、粮食、饲料等行业上发挥重要作用，备受全世界关注，从19世纪20年代被传入中国，有近200年种植历史，种植区域由南向北不断拓展，贵州省也有木薯栽培历史[4-6]。近年来，随着木薯能源化、食用化和饲用化的开发利用，木薯需求量持续增加，2014年进口木薯类产品1 056万t，同比增长19.8%[7]。我国木薯产品供不应求，市场缺口巨大，急需扩大种植面积，提高鲜薯总产量，而我国木薯产业优势区域面积有限，加之困扰于台风灾害、品种退化、经济效益低等问题，种植面积有逐年下滑的趋势，因此，木薯北移栽培是扩大种植面积、减少对木薯原料进口依赖程度的良策之一[8]，可把未列入国家木薯规划优势区的贵州热区作为木薯北移栽培的重点省份之一。贵州属于全国8个热区省份之一，全省南亚热带和中亚热带面积占全省面积的69.8%，南亚热带年平均气温在19.0 ℃以上，中亚热带年平均气温为15.0～189 ℃[9]，其中大部分地區均适宜木薯生长。

目前，“3S”技术已经在农业生产、气候区划方面得到广泛应用[10]，陈娟等[11]利用GIS技术对贵州果树进行气候区划，王旭等[12-13]利用GIS和RS技术对贵州省火龙果种植进行了气候区划分析。李海亮等[14]利用GIS分析了1969—2009年世界木薯生产的空间变化、时序变化及变化趋势；苏永秀等[15]、黄建祺[16]运用GIS技术按照木薯种植对气候的适宜性把广西各县分别划为最适宜、次适宜、适宜以及不适宜种植木薯的区域，并提出趋利避害、合理布局木薯生产的对策措施和建议。贵州20世纪60、70年代开始引种木薯，虽然种植历史较早，但存在对木薯发展前景认识不足、研究基础薄弱、种植规模小等问题[6]。因此，笔者在对贵州木薯种植生态适应性调查的基础上，根据贵州的气候、地形、土地利用现状和气象台站近20年的气象统计数据等资料，采用“3S”技术对贵州木薯种植优势区域进行综合、立体气候区划及评价，规划适宜发展木薯的生态区域，为贵州木薯合理布局及农业结构调整提供参考依据。

1资料与方法

1.1地理信息资料

采用贵州省基础地理信息数据库提供的1∶25万贵州基础地理背景数据，贵州境内共有10多幅（块）基础数据图，每一幅（块）主要包括贵州省行政边界、等高线、居民点、水系等14个基础数据资料包；结合2014年的ETA遥感图像（分辨率为30 m）获得贵州省地势、坡度、土壤分布及土地利用类型分类图，包含耕地、林地、草地、水域、建设用地、道路及城镇等信息，通过GPS野外调查验证，进一步修正得到详细的土地利用综合分类图。

1.2气象资料和台站地理信息资料

研究使用的气象资料为贵州省各县（市）主要气象站点1995—2014年的地面观测资料数据，主要包括年均温、最冷月均温和≥10 ℃年积温等要素。气象台站信息资料从气象台站的观测报表记录中读取，包括经度、纬度及海拔等数据参数。

1.3区划的主要气象指标

木薯属于热带作物，原产于亚马逊河流域，主要分布于南北纬30°之间、海拔2 300 m以下的热带或亚热带地区[3]。木薯喜温热、不耐霜，对气候条件特别是对温度有一定要求，大多数木薯生长在年平均气温高于18 ℃的地区，最适宜生长在年平均温度为25～29 ℃，也可以耐受16～38 ℃[17]。木薯发芽出苗的最低温度为14～16 ℃，在14 ℃时生长缓慢，10 ℃以下停止生长，并受寒害[18]。木薯种茎受寒、冻害的临界温度为4～5 ℃，4 ℃以下的温度对木薯种茎具有较大伤害性[19]。木薯在年降雨量600～6 000 mm的地区均可生长，以年降雨量在1 000～2 000 mm最适宜，降雨量低于500 mm，块根趋于木质化，造成减产[3]。

贵州立体气候显著，热量丰富，大部分地区的年降水量在1 100 mm以上，夏季各月平均气温为20～25 ℃，冬季各月平均气温在3～9 ℃[20]。根据欧珍贵等[21-23]在贵州省望谟、兴义、贞丰等县（市）开展的生态适应性研究结果及木薯在罗甸、望谟、册亨、三都、荔波、榕江、从江、兴义等地区的自然生长情况，主要选取年平均气温、最冷月平均气温、≥10 ℃活动积温、最冷月平均最低气温、日均气温≤0 ℃连续时长等指标作为贵州木薯种植区划的主要因子，具體见表1。

1.4区划方法

1.4.1建立气候方程。贵州属于低纬高原山区，热区大多为低热河谷地区，地貌复杂，海拔落差大，旱坡地占95%以上，发展木薯要因地制宜，种植区一般要求坡度小于25°的山地，剔除森林、河流、湖泊、峡谷、建设用地，在保护生态环境的条件下，种植地域可选择耕地、旱坡地、灌草地及不严重的石漠化地区。

贵州地势差异大，由于海拔及下垫面特性不同，气候资源存在明显的空间分布，各县市收集气象站点的气候资料只能反映台站附近区域内的气候概况，不能全面、真实地反映贵州气候资源的立体多样性特征。因此，可通过收集的贵州各地基本气象、地理资料和木薯生长发育对热量条件的要求，结合SPSS统计软件，采用数理统计学方法，建立气象资源的梳理统计模拟模型，应用GIS技术进行小网格资源推算与分析[15]，推算气候区划指标在无测站地区的分布状况，筛选出显著性最强、判定系数最高的热量指标与海拔相关的气象方程。对各组进行统计学处理，即可得到各组结果。

安徽农业科学2017年

1.4.2木薯种植区域的确定。

根据贵州木薯种植气候区划指标，利用相关气象方程可以推算出各流域区域的满足各气象指标值所对应的海拔，各气候指标所对应海拔以下区域范围的重叠部分，即是可种植木薯的气候适宜区域。根据矢量化的贵州省等高线（1∶5 000），生成贵州省数字高程模型（DEM）。利用GIS的空间分析功能确定出贵州省木薯适宜种植的县市。

1.4.3木薯种植气候区划专题图制作。

在矢量化的貴州省等高线的基础上，利用ArcGIS软件生成贵州省DEM栅格数据（分辨率为5 m×5 m）。在ArcGIS三维分析工具的帮助下结合DEM数据，提取贵州省的坡度变率和地形海拔变率2个指标的栅格图层，分别生成贵州省海拔分级图（图1a）和贵州省坡度分级图（图1b）。

该区划采用分辨率为30 m的美国陆地资源卫星ETM遥感图像，选用ETM+的4、3、2波段进行标准假彩色合成。利用RS和GIS软件，通过对遥感图像进行配准、精校正、合并和裁剪等预处理[24]，结合去霾处理、直方图均衡化、直方图匹配等图像处理技术增强图像（图1c）。以野外定点调查和贵州省第二次土地调查数据为基础及贵州省植被分布图为背景数据进行室内人机交互图像辨读解译分析和监督分类。在得到的分类图上进行聚类、去除分析，获取贵州省土地利用状况分布空间数据（经验证分类准确率达到95%以上），通过图像重采样处理技术，得到分辨率为5 m×5 m的贵州省土地利用现状图[22]（图1d）。

运用ArcGIS的裁剪和提取功能，在各专题图上，叠加以县为单位的行政界线，获取包括海拔、坡度和土地利用现状信息在内的各区域的基础信息。以ArcMAP为平台，综合气象指标、地形、土地利用类型等限制因子，对各木薯种植区域与坡度、土地利用现状信息等指标进行空间分类叠加，经栅格数据的逻辑运算，剔除不可种植木薯的地形和土地利用类型因子，得出各流域木薯的优势种植区和一般种植区，给不同区域赋予不同的颜色[24-25]，通过栅格数据合并，得到贵州省木薯种植区域。再叠加乡镇界、贵州省铁路和公路交通网、贵州省水系网、经纬网和制作图例等，制作出贵州省木薯种植气候区划图。同时叠加贵州省铁路公路交通网、水系网、经纬网、乡镇界和图例等，最后输出贵州省木薯种植气候区划专题图（图2）。

2结果与分析

2.1木薯种植区域

根据贵州热区多年的气象数据和木薯生长发育对热量条件的要求，将贵州可能种植木薯的县市按流域划分为6组：①南盘江流域，兴义市、安龙县等；②北盘江流域，镇宁县、关岭县等；③红水河流域，望谟县、罗甸县等；④漳江流域，荔波县等；⑤都柳江流域，从江县、榕江县等；⑥赤水河流域，赤水市、习水县等。根据各流域热量指标年平均气温、最冷月平均气温、最冷月平均最低气温、≥10 ℃活动积温、日均温≤0 ℃最长连续时数及海拔数据进行统计运算，得到气象回归方程，经F检验均达到极显著水平（表2）。结合地形整体海拔在1 200 m以下等限制因子，确定出贵州省适宜木薯种植的区域涉及南盘江流域、北盘江流域、红水河流域、都柳江流域、漳江流域及赤水河流域，主要分布县市为赤水市、仁怀市、兴义市、安龙县、册亨县、贞丰县、望谟县、晴隆县、普安县、兴仁县、关岭县、镇宁县、望谟县、罗甸县、平塘县、荔波县、习水县、紫云县、榕江县、从江县，共计20个。

2.2区划结果

由图2可知，木薯在贵州省气候适应性不完全是纬向分布，充分体现山区地形地貌气候环境的影响。在同纬度条件下，温度随海拔升高而降低，因此，木薯适宜种植区域集中在海拔较低的低热河谷地区，主要包括南盘江、北盘江、红水河、赤水河、都柳江及漳江流域。在不破坏环境和可开发性的原则下，贵州省木薯可种植的土地利用类型主要有坡耕地、农田和灌草地。运用ArcGIS软件查询工具可得到木薯可种植区域的面积。

根据区划结果，贵州省木薯种植适宜区面积共计126 642.2 hm2，主要分布在赤水河流域、南盘江流域、北盘江流域、红水河流域、漳江流域及都柳江流域。其中，赤水河流域种植适宜面积为11 958.4 hm2，占适宜区总面积的944%；南盘江流域种植适宜面积为17 474.9 hm2，占适宜区总面积的13.80%；北盘江流域种植适宜面积为42 467.4 hm2，占适宜区总面积的33.53%；红水河流域种植适宜面积为35 659.0 hm2，占适宜区总面积的28.16%；樟江流域种植适宜面积7 412.0 hm2，占适宜区总面积的5.85%；都柳江流域种植适宜面积11 670.5 hm2，占适宜区总面积的9.22%。

2.2.1优势种植区。木薯优势种植区面积为114 683.8 hm2，占适宜区总面积的90.56%，主要分布在南盘江流域（包括兴义市的三江口镇、沧江乡、洛万乡、泥凼镇和南盘江镇，安龙县的德卧镇和坡脚乡，册亨县的巧马镇、丫他镇、八渡镇、百口乡、双江镇12个乡镇）、北盘江流域（包括贞丰县的白層镇、鲁容乡、鲁贡镇、沙坪乡，关岭县的断桥镇、板贵乡，镇宁县的六马乡、打帮乡、简嘎乡、良田乡，望谟县的乐园镇、坎边乡、王母街道办、平洞街道办、岜饶乡、打尖乡、油迈乡，册亨县的岩架镇、达秧乡19个乡镇）、红水河流域（主要包括望谟县的蔗乡镇、昂武乡、桑郎镇，罗甸县的红水河镇、罗悃镇、风亭镇、木引镇、沫阳镇、茂井镇、边阳镇、逢亭镇、龙坪镇12个乡镇）、樟江流域（主要包括荔波县的朝阳镇、瑶山乡、黎明乡、玉屏街道办4个乡镇）和都柳江流域（主要包括榕江县的古州镇，从江县的下江镇、丙妹镇、西山镇、贯洞镇，黎平县的地坪乡、龙额乡7个乡镇）。

2.2.2一般种植区。一般种植区面积为11 958.4 hm2，占适宜区总面积的9.44%，分布在赤水河流域。赤水河流域木薯生产适宜区主要包括赤水市的复兴镇、天台镇、官渡镇、文化办、金华办、长期镇、长沙镇，习水县的土城镇8个乡镇。

3结论与讨论

该区划以贵州省各县市近20年的气象资料为基础，利用“3S”技术，根据实地考察剔除土地利用等不利因素，考虑到木薯生长发育对热量的要求和木薯越冬的气候条件，区划指标选择较全面的温度因子，应用回归分析曲线模型估计，把气候区划因子反演到海拔指标，直观地反映出气候区划因子随海拔的立体变化特征，为贵州省木薯产业规划和发展提供基础数据。区划把贵州省木薯种植区域划分为优势种植区和一般种植区，其中优势种植区总面积为114 683.8 hm2，占适宜区总面积的90.56%，主要分布在南盘江流域、北盘江流域、红水河流域、樟江流域和都柳江流域的17个县市，一般种植区总面积为11 958.4 hm2，占适宜区总面积的9.44%，主要分布在赤水河流域的赤水市和習水县。

选择适宜的良种、气候条件、土壤及栽培管理技术等是获得木薯优质高产高效的先决条件。随着农业技术和理论的发展，木薯需要的良种、高效栽培技术及其栽培土壤条件均能够被人工改良，而大规模的气候条件改良和控制难以形成。贵州热区面积大，立体气候明显，低热河谷地区雨热充足，无霜期短。因此根据气候条件选择适宜的品种、栽培条件及种植地，是促进贵州木薯生产优质高产的根本途径之一。

该研究通过运用“3S”技术，得出的区划结果与传统气候区划相比更为精细、更符合实际，还能实现气候区划的动态管理。该区划气象资料收集的台站数量少、年限短，而贵州地形地貌复杂，立体小气候明显，因此，气象方程估算的气象要素值与实测值间存在一定差异。该区划所选择的气候因子主要为温度因子，而未考虑降雨条件及光照等气候因子的影响，加上木薯生长发育所需的土壤理化性质等因素的影响，区划结果的准确性有待在今后的研究中不断补充、修正和完善，适时调整种植结构，更利于今后贵州木薯的高产稳产优质和优化布局。

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