基于ArcGIS的中国草坪生态气候区划研究

刘卓成,韩烈保

(北京林业大学草坪研究所，北京 100083)

随着国内城市化进程的加快与城市绿化标准的提高，草坪业迎来了良好的发展条件[1]。选用适宜的草种及品种，让草坪在更加自然的状态下生长，是草坪发展的新思路[2-4]。我国地域辽阔，气候差异大，有必要根据草坪草对气候条件的适应性，为合理种植草坪草提供气候依据[5]。

草坪气候区划在国外发展很早，草坪从业者和科学家对所在国家及地区的草坪气候区划进行理论和实际研究。20世纪90年代，美国草坪科学家James B B[6]在其所著的《Turf Management for Golf Courses》中，依据年均温、年均降水量、最热月平均温度、最冷月平均温度、最热月湿度、最冷月湿度6项气候指标并结合其综合分析结果，将美国版图划分为10个草坪气候带。国内关于草坪气候区划的研究发展较晚。胡叔良[7]对我国草坪区划研究进行了最初探索，提出按地区发展草业及地被植物的参考名录。洪绂曾[8]以年平均气温、年降水量、>0 ℃积温为指标，将一些常见草本植物在全国的种植区划分为适宜区、可以种植区和不宜种植区三大类区域。韩烈保[9]选用James B B提出的6项气候指标，在全国范围内进行了区划，初步形成了中国草坪气候区划。在此基础上，闫静[10]进一步探讨了气候指标的选择和区划的方法，并对我国草坪气候区做了更加详尽的划分和说明。

我国气候情况与其他国家差异较大，国内包括多种气候类型，对于国外和国内局部地区的研究成果无法直接应用。本研究在前人研究成果的基础上，结合草坪草生物学特性，制作完善的气候区划表，并运用地理信息系统，将区划结果精细化，形成更具时效性的气候区划图，以期形成对中国草坪业生产具有参考价值的理论成果。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究所使用的气象数据均来自中国气象(www.data.cma.cn)，选取全国183个气象台站的数据气候。其中年均温和年均降水量数据检索自中国地面累年值年值数据集和中国地面国际交换站气候资料年值数据集，取1981-2010年30年内年均值；7月平均温度、1月平均温度、7月湿度和1月湿度检索自中国地面累年值年值数据集(1981-2010年)和中国地面国际交换站气候资料月值数据集，取1981-2010年30年内月均值。

本研究所参考的草坪草种及品种特性资料均来自 “美国草坪草评价系统(National Turfgrass Evaluation Program))”，其网站域名为www.ntep.org。

1.2 气候区划表参考资料

James B B[6]在其著作的《Turf Management for Golf Courses》中进行了美国草坪生态气候区划[6]，将美国划分为10个草坪生态气候区，依据区内气候特点使用干湿、冷热对其进行描述和命名(表1)。美国地处北半球中纬度地区，其领土面积、东西跨度、纬度区域与我国相似，其草坪科学研究和草坪业生产中的气候区划标准对我国的气候区划工作具有较大的参考作用。然而，海洋季风和山脉的分布对局部地区的气候具有显著的影响，中美局部特殊气候类型具有很大的差异。因此，本研究参考借鉴美国区划标准，同时需要根据我国实际情况对其进行修正和添加。

1999年韩烈保[9]在《草坪草种及其品种》中对中国草坪气候生态区进行了划分(表2)。

本研究以此标准为参考，借鉴James B B的美国区划标准中比较完善的理论，结合我国实际气象数据，制定本研究所使用的区划表。

1.3 中国草坪生态气候区划图的绘制

在ArcGIS软件中，以中国县界图为底图，将所使用气象数据中的气象站按其地理位置标记在图中，形成点数据(图1)，并使用Access2010将每个点的6项气象数据赋值到点数据中。在ArcGIS中按照气候区划表(表3)对点的气候数据进行筛选，根据气候区划标准，将其中的气候带类型分为9类(图2)，按照图2中同一类型的点所在的区域，使用选择工具进行选择划分，最后对边际附近的区域细节进行修饰，形成中国草坪生态气候区划图。

1.4 数据分析

采用Excel 2016、Access2010、SPSS 19.0软件处理和分析实验数据。气候区划图绘制和气象数据分析采用ArcGIS 10.2进行。

2 结果与讨论

2.1 气候区划指标的选择

国内的农业气候区划研究中，指标的选取主要以热量、水分和特定时间节点的气候为主[11-13]，如钟秀丽等[14]统计得出了计算小麦拔节后遭遇霜冻温度风险度(F)的经验方程，以F为指标对黄淮麦区小麦霜冻区进行了气候区划；陈同英[15]选取了年均气温、≥10 ℃活动积温以及年均降水量3个指标，使区划结果更趋合理。

表1 美国草坪生态气候区划指标及标准[6]Table 1 Summary of representative weather conditions for the major climatic zones in America

草坪草不同于普通农作物，其对气候的适应性更多取决于极端温度，且每种草坪草对环境温度的适应范围都是特定的。因此，环境温度对草坪草适应程度的影响通过年均温和极端冷热月份的平均温度来体现比较合理。草坪作为人工植被，不完全依赖于自然降水，在特殊条件下，极度干燥的地区也可以建植并维护需水量大的高质量草坪。但是，完全或主要依赖人工灌水需要花费可观的人工成本和消耗大量的机械、能源和水资源，不符合当今低碳环保、自然节约的草坪建植理念。空气湿度对草坪草的成长也起到至关重要的作用。空气过于干燥时，草坪植物将难以保持鲜嫩翠绿，草坪颜色黄淡，甚至发生黄梢和枯萎；而空气湿度长时间保持在较高的水平时，草坪的病害发生率将显着升高[16]。综合考虑，本研究的气候区划依据年均温、年均降水量、最热月气温、最冷月气温、最热月湿度、最冷月湿度6项气象指标，进行综合分析，并根据6个因子的共同作用对我国草坪生态气候带进行划分。

2.2 气候区划表制定依据

2.2.1寒冷潮湿带与寒冷半干旱带 我国东北部大兴安岭以东地区，受来自西太平洋的湿润气流影响，具有冬季寒冷、年均降水量较大的气候特点，与美国北部地区的寒冷潮湿带(Cool-humid)和寒冷潮湿太平洋气候带(Cool-humid Pacific)相似。由此区域向西，向着远离海洋的方向，受湿润气流影响逐渐减弱，降水量减少，气候更加干燥。此类型可以参考美国海岸山脉间的差异主要体现在年降水量和湿度指标上，根据我国实际气象数据，确定降水以东大面积内陆地区的寒冷半干旱(Cool-semiarid)气候。寒冷潮湿和寒冷半干旱这两种气候类型分界值修订为降水量为500 mm、1月湿度为50%。

表2 中国草坪气候生态区划指标及标准(1999年)[9]Table 2 Summary of representative weather conditions for the climatic zones in China(1999)

2.2.2寒冷干旱带与寒冷半干旱带 深入内陆大兴安岭以西、内蒙古中部以及西北大部分地区降水量继续减少，当年均降水量低于400 mm时，仅靠自然降水无法维持草坪草的正常生长，此区域可划分为寒冷干旱带。干旱程度类似于美国的温暖干旱带(Warm-arid)，主要位于西南部沙漠地区，不同之处是美国该气候区纬度低、温度高。因此，参考美国此气候区，结合我国北方地区气候特点，将此二者间分界值修订为降水量400 mm。

2.2.3青藏高原带 青藏高原气候带具有极端温差大、雨期较短、相对干旱的气候特点，且内部气候存在极大差异，故在美国乃至全世界范围内均没有贴切的参考对象。因此，本研究对青藏高原带气象标准的制定参考1981-2010年中国气候区划中对高原亚寒带、高原温带和高原亚热带的区划[17]，将此3种气候类型的气象指标中的1月气温、7月气温和年降水量3项进行整理，制定为本研究中青藏高原带区划标准。

2.2.4“北过渡带”与“南过渡带” 中国和美国中部地区均存在一个草坪应用的特殊地带，此地带不利于冷季型草和暖季型草的生长。我国冬季寒冷的气候特征限制了暖季型草坪草种向北的适用范围，强盛的夏季季风环流又限制了冷季型草坪草向南的适用范围，我国草坪过渡地带地域广阔，可以进一步划分为北过渡地带和南过渡地带[18]，将暖温带和北亚热带的划分标准作为南、北过渡带的分界。

2.2.5北过渡带与寒冷半干旱带 北过渡带与寒冷半干旱带间的差别在于冷季型草越夏的问题，所以将最热月冷季型草生长受到影响的温度(21 ℃)作为该气候带的分界值。此外还可以用寒冷潮湿带降水量下限500 mm作为降水量的分界值。结合该地区气象数据实际情况，将其分界值制定为7月平均温度21 ℃、降水量 500 mm。

图1 中国主要气象站分布Fig. 1 Distribution of major climate stations in China

2.2.6温暖潮湿带与南过渡带 与南过渡带相比，温暖潮湿带主要存在暖季型草坪草越冬和草坪绿期的问题。相似地，可以参考美国草坪气候区划中的半干旱过渡带(Transitional Semiarid)与温暖潮湿带(Warm-humid)，其分界值为年均温16 ℃、1月平均温度1 ℃、7月平均温度25 ℃。根据我国该地区实际气象数据进行调整后，其分界值制定为年均温16 ℃、1月平均温度3 ℃。

2.2.7温暖潮湿带与热带亚热带 我国南地区夏季普遍高温，温暖潮湿带与热带亚热带在7月平均温度指标上存在重叠。位于北回归线(23°26′ N)附近的区域气候带区划标准与美国同纬度地区相似，可参考其区划标准中的温暖潮湿带(Warm-humid)与热带亚热带(Warm-tropical)，该区之间分界值为1月平均温度10 ℃、7月平均气温27.7 ℃。我国该地区气候数据与美国同纬度地区差异不大，将其分界值制定为1月平均温度9 ℃、7月平均气温28 ℃。

2.2.8云贵高原带 我国云贵高原地区地形特殊，同时受到印度洋暖湿气流的影响，形成了温和湿润的气候类型。该气候带区划标准依据中国热带、亚热带西部地区热量带划分[19]中对“云贵高原冷凉区”的界定进行制定。

综上所述，本研究依据年均温、年均降水量、7月平均温度、1月平均温度、7月湿度、1月湿度6项气象指标将我国划分成9个草坪生态气候带，分别为青藏高原带、寒冷半干旱带、寒冷潮湿带、寒冷干旱带、北过渡带、云贵高原带、南过渡带、温暖潮湿带和热带亚热带。气候区划表如表3所列。

2.3 区划图的制作

依据表3中国草坪生态气候区划表中的划分标准，基于全国气象台站气象数据，按照前文所述制图方法，完成中国草坪生态气候区划图，如图3所示。

2.4 各气候带气候特点及草坪业发展条件

2.4.1青藏高原带 青藏高原带主要包括西藏、新疆南部、青海高原和四川省西部高原地区。该气候带地形、地貌复杂，气候多寒冷干旱，日超充足，极端温度差异大。草坪养护的主要问题降水少、绿期短。在具有人工灌溉条件的地区适宜种植一些耐寒的冷季型草坪草，如草地早熟禾(Poapratensis)、高羊茅(Festucaarundinace)、紫羊茅(Festucarubra)、匍匐剪股颖(Agrostisstolonifera)、白三叶(Trifoliumrepens)、小冠花(Coronillavaria)等。该地区不易发生草坪病虫害，这是草坪业发展的优势。

图2 中国主要气象站点气候分类Fig. 2 Weather of major climate stations classification in China

2.4.2寒冷半干旱带 寒冷半干旱带包括东北、华北及西北地区，并位于年均降水线400 mm以南的地区。该气候带气候寒冷，降水量较少，雨热分布集中。干旱是限制该地区草坪业发展的重要因素，可以种植耐寒抗旱的冷季型草坪草，包括早熟禾属(Poa)、羊茅属(Festuca)草坪草及匍匐剪股颖、野牛草(Buchloedactyloides)、白三叶和小冠花等。孙碧徽等[20]研究发现，多年生黑麦草(Loliumperenne)“星辰SLT(Brightstar SLT)”品种在低温胁迫下失水速率慢，光合能力稳定，适宜在寒冷地区种植。

2.4.3寒冷潮湿带 寒冷潮湿带主要位于我国东北大兴安岭以东地区，包括黑龙江省、吉林省、辽宁省大部及内蒙古自治区部分地区。该带主要有冬夏两季，春秋季很短。冬季漫长寒冷，夏季凉爽多雨。该带气候特点与北欧地区相似，适合种植大多数冷季型草坪草，其中表现比较好的有草地早熟禾、紫羊茅和白三叶。

2.4.4寒冷干旱带 寒冷干旱带包括黑龙江省北部、内蒙古中西部以及西北地区大部分地区。干旱少雨，大部分地区年均降水量低于300 mm，蒸发量大。在有特殊需要时，可投入较高成本种植抗旱耐寒的冷季型草坪草。王竞红等[21]研究发现，施用浓度为200 mg·L-1的多效唑可以提高多年生黑麦草“轰炸机(Bomber)”品种的抗旱性，证明应用适当方法能够在该干旱地区顺利开展草坪养护工作。

2.4.5北过渡带 北过渡带包括我国中部地区的部分区域及华北大部分地区。该带受来自西太平洋的海洋季风和欧亚大陆季风的影响，表现出典型的温带季风气候，夏季高温高湿，冬季寒冷干燥，雨热同期。冷季型草在夏季高温、潮湿的条件下常滋生各种病害、虫害，如夏季斑枯病(Magnaporthe-poae)、蛴螬(HolotrichiadiomphaliaBates)等；暖季型草越冬较为困难，冬季常发生休眠甚至死亡的现象，绿期短。王艳等[22]研究表明，外施6-BA、H2O2等可以有效控制或防止结缕草叶片中活性氧的积累和氧化伤害的发生,从而提高其抗寒性。因此在较高养护水平下，草地早熟禾、高羊茅、多年生黑麦草、日本结缕草(Zoysiajaponica)、细叶结缕草(Z.tenuifolia)均可在此种植。

表3 中国草坪生态气候区划表(2016年)Table 3 Summary of representative weather conditions for the climatic zones in China

2.4.6云贵高原带 云贵高原带包括云南省、贵州省大部分及周边省份的部分高原边际地区。该带冬暖夏凉，气候温和，是我国最适宜发展草坪业的地区之一。该地区适宜种植的草坪草种很多，包括草地早熟禾、高羊茅、多年生黑麦草和匍匐剪股颖等冷季型草以及中华结缕草(Z.sinica)、沟叶结缕草(Z.matrella)、和马蹄金(Dichondrarepens)等暖季型草。

2.4.7南过渡带 南过渡带由两部分组成，即成都平原和华中、华东的部分地区。其气候特点和草坪业发展中的问题与北过渡带相似，只是较之夏季更加温热潮湿，冬季稍温暖，降水充足，部分地区不依赖人工灌水也可以种植草坪。该带的草种选择与北过渡带相似，相对更倾向于使用暖季型草，如日本结缕草、中华结缕草和狗牙根(Cynodondactylon)等。此外，王连喜等[23]研究表明，我国常用白三叶品种大都来源于我国四川省和南美等地区，适宜我国大部分地区种植，可为过渡带地区草坪草种的选择问题提供解决方案。

2.4.8温暖潮湿带 温暖潮湿带包括长江流域及以南、北回归线以北的地区。气候温暖，雨水充足，非常适合草坪草的生长发育。与南过渡带夏季气候相似，但冬天气候温和，不会给暖季型草的越冬带来压力，因此可选用更多种对养护水平要求较低的暖季型草，如假俭草(Eremochloaophiuroides)、地毯草(Axonopuscompressus)等。

2.4.9热带亚热带 热带亚热带为北回归线及以南的东南沿海地区，包括海南、广东、广西、台湾等省份的大部分地区。该带雨水充足，空气湿度大，温度常年较高，四季不分明，有利于暖季型草坪草的生长发育。该地区适宜的草种大都为暖季型草，如狗牙根、结缕草、假俭草、地毯草、钝叶草(Stenotaphrumhelferi)、两耳草(Paspalumconjugatum)和马蹄金等。

图3 中国草坪生态气候区划Fig. 3 Climatic regionalization for turf grass in China

本研究中，草坪气候区划图中南北过渡带、寒冷潮湿带、温暖潮湿带及热带亚热带之间的界限相比韩烈保[9]和闫静[10]的研究均有不同程度向北移动的现象，这一点可能与近十几年来全球气温的升高有关。

本研究参考国外该领域先进成果[6]，结合我国实际气候特点及近年来变化(www.data.cma.cn)，同时参考国内对草坪气候区划的研究成果[9-10]，对区划标准进行补充、修正和合理化，制定出较为完善，更具时效性的区划标准，并使用地理信息系统将其呈现为中国草坪生态气候区划图，使气候带之间的界限更加清晰具体(精确到行政县)，区划标准更加完善，为生产实践与科学研究提供了一定的参考价值。

本研究采用的指标分级方法具有操作简单、结果简明、易于推广的优势，但分级标准存在机械化的问题，依赖与研究者的经验和知识，结果具有一定主观性较[24]。近年来在许多学者开始使用聚类分析法[25-26]、模糊数学法[27]等数理方法进行农业气候区划，取得了很好的效果。任璇等[28]研究了协同克里格法Cokriging、反距离加权法IDW和ANUSPLIN法3种空间插值方法对新疆地区降水和气温插值结果的影响，发现提高气象要素的插值精度有利于新疆草地NNP的估算，在今后可以将此类方法应用于草坪气候区划的研究中。

3 结论

本研究将我国划分成9个草坪生态气候带，分别为青藏高原带、寒冷半干旱带、寒冷潮湿带、寒冷干旱带、北过渡带、云贵高原带、南过渡带、温暖潮湿带和热带亚热带，制定出更具时效性的中国草坪生态气候区划表，绘制了更精确(精确到行政县)的区划图。

其中，云贵高原带、温暖潮湿带和热带亚热带气候温和，水热充足，适合种植结缕草、狗牙根等暖季型草坪草。寒冷潮湿带气候条件与冷季型草坪草发源地北欧地区气候相似，适合种植耐寒的冷季型草种。青藏高原带、寒冷半干旱带、寒冷干旱带的草坪种植受干旱因素限制，问题的主要解决方式有提供灌溉水源、培育耐寒抗旱的草坪草品种和研发提高抗旱性的养护方案。南北过渡带可种植的草种丰富，但对养护水平的要求较高，一般可采用“交播”技术进行种植，或培育越冬能力较强的暖季型草坪草品种，以及选用豆科等其他非禾本科草坪草种进行补充。

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