基于GridMet模型的浙江省水稻种植适宜性区划分析

2020-06-04邱新法李爽爽施国萍

科学技术与工程 2020年11期

蒋茜, 邱新法, 李爽爽, 施国萍

(1.南京信息工程大学地理科学学院，南京 210044；2.南京信息工程大学应用气象学院，南京 210044；3.浙江省气象信息网络中心，杭州 310017)

中国是世界上最大的水稻生产国和消费国[1]。水稻的生长发育受外界因素影响较大，但近年来中国高温热害和低温冻害的频发，导致水稻生长受到一定限制，因此，调整水稻区域分布对提高水稻品质和产量具有重要意义。

目前，已有许多学者对中国水稻种植区划进行研究。从选取的指标上看，早期大多数学者主要着重于研究气候因子对水稻的影响[2-4]。他们选取的指标偏重平均气温、通过10 ℃活动积温、日照时数等。随着研究的逐步深入，学者们开始引入地形因子。Kumhálová等[5]认为，对于作物产量的影响因素的分析非常重要，而地形正是其中影响比较频繁的一个因素。王琛智等[6]分析了地形对水稻生产的影响，研究得出：地形因素对水田分布的空间格局影响最为明显。王姣[7]利用相关分析研究得出高程、坡度、起伏度、地形粗糙指数、地形湿度指数与水稻单产存在显著相关关系。在研究各因素对水稻种植影响的过程中，学者们往往只考虑气候、地形、土壤一方面的因子，或者在研究地形、土壤对水稻种植影响的过程中，只保留少数几个气候因子。因此，首先保证了气候因子的完整性，又引入地形和土壤因子，综合考虑了气候、地形、土壤三方面的多个因子对浙江省水稻种植区划的影响。

从气候要素的空间分布上看，已有的研究多利用GIS的空间内插方法将气象要素空间化[8-9]，该方法简单可行，但未充分考虑气象要素的空间分布，忽略了不同地理环境对气象要素的影响，特别是地形复杂的山区。由于浙江省境内多丘陵，地形复杂，采用GridMet模型，模拟了浙江省起伏地形下各气候要素的空间分布，实现了水稻种植区气象要素的细网格化。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

所用气象资料为浙江省1970—2015年的71个气象观测站的观测资料，其中包括逐日平均气温、最低气温、最高气温、降雨量、相对湿度、风速、日照百分率等气象要素数据以及各站点的经纬度、海拔高度等基础地理数据。1∶25万土地利用现状数据来源于浙江省国土资源厅。土壤数据来源于基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集[10]。

1.2 研究方法

1.2.1 气候要素空间化

由于气象站点的观测数据不能够完全反映气候资源的空间分布特征，所以利用科学的模型GridMet模型，模拟起伏地形下气象要素的空间分布，解决了传统农业区划的粗略性问题，得到精细化的农业气候资源空间分布结果。根据不同的气象要素，选择适宜的方法进行空间化。

1.2.2 农业气候区划方法

农业气候区划的划分方法大致可以分为两大类，一类是传统的经典区划方法，另一类是近年来出现的新的区划方法[11]。现主要采用新区划方法中的权重法，即先选择参评因子，将各因子归一化，然后按照一定的区划原则，将各因子按照相应的方法制作空间分布图，最后将各因子根据权重进行运算叠加，得到最终的区划结果。

1.3 技术路线

水稻种植适宜性区划流程如图1所示。

图1 水稻种植区划流程Fig.1 Process of rice planting regionalization

2 水稻生长适宜条件与区划指标

2.1 水稻生长适宜性条件

2.1.1 气候条件

水稻喜高温、多湿、短日照，对土壤要求不严，水稻土最好。幼苗发芽最适温度为25～30 ℃，最低温度10～12 ℃，最高40 ℃。出苗期最适温度为26～32 ℃，最低温度12～14 ℃，最高温度40～42 ℃。离乳期环境温度>10 ℃，控制浅水层，日照充足。根生长温度为13 ℃，最高36 ℃。茎、叶生长最适温度为17～31 ℃，最低10～12 ℃，最高45～50 ℃。分蘖期日均20 ℃以上，穗分化适温度为30～32 ℃；低温使枝梗和颖花分化延长。抽穗开花期适温度为30～35 ℃，空气相对湿度为70%～80%为宜。灌浆成熟的最适温度：粳稻为20～21 ℃，籼稻为25～28 ℃[12]。

2.1.2 土壤条件

适合水稻生长的土壤类型为水稻土。水稻上的pH应该在6.0～7.5。

2.1.3 地形条件

适合水稻生长的地形条件是海拔高度为 600～700 m、坡度小于20°的区域，其中分布最为集中的区域为5°～15°。

2.1.4 影响因子的初选

初步选择了9个气候因子、2个地形因子和1个土壤因子共计12个因子作为水稻种植的初步评价指标。具体为年平均气温、年日照时数、年降雨量、年平均相对湿度、≥10 ℃活动积温、生长季平均气温、生长季日照时数、生长季降雨量、生长季平均相对湿度、海拔高度、坡度、土壤pH。

2.2 评价体系权重的确定

2.2.1 气候因子筛选

选择了9个气候因子作为评价指标，并采用主成分分析法，定量分析9个气候因子对水稻分布的实质影响，并反映多个气候指标信息的相互关系，选取代表性强且能反映各因子特性的指标，最终达到简化指标数量的目标。利用SPSS 22.0分析软件对9个气候因子作主成分分析，并采用方差最大化正交旋转法(Varimax法)简化对因子的解释，最终得到水稻气候因子的主成分方差贡献率和累积方差贡献率(表1)。其中，前3个主成分的累积贡献率高达89.86%，即反映出89.86%的水稻气候因子指标信息，已能够代表主要影响信息。

表1 水稻气候因子主成分方差贡献率

表2反映了各主因子的载荷系数，其中，每个主因子中只有少数几个变量的载荷系数较大，表明这几个变量与该因子的相关性较强，这些变量能很好地反映该因子的主要信息。第一主因子F1中，年日照时数、年降雨量、生长季日照时数和生长季降雨量的因子载荷系数R较大，这表明这些变量相较于其他变量与主因子F1的相关性更强，这些变量是第一主成分的主要影响因子。第二主成分的影响因子为生长季平均气温、≥10 ℃活动积温和年平均气温。第三主成分的影响因子为年平均相对湿度和生长季平均相对湿度。

表2 主因子载荷系数

为了简化评价指标个数，从3个主成分的高载荷变量中选取因子载荷量大且代表性强的变量作为最终参与评价的气候因子，这些因子分别为主因子F1中的年日照时数、年降雨量，主因子F2中的生长季平均气温、≥10 ℃活动积温，主因子F3中的年平均相对湿度。

由于水稻不同生长期的适宜气温有所不同，对水稻不同生长期的气温因子也进行了主成分分析(表3、表4)。

表3 水稻生长期气温因子主成分方差贡献率

表4 水稻生长期气温主因子载荷系数

2.2.2 气候因子权重确定

根据表1中各因子的方差贡献率确定各气候因子的权重，具体算法如下。

(1)通过方差贡献率确定各主因子Fi的权重

(1)

式(1)中：λi为主因子Fi的方差贡献率(表1)。

(2)各气候因子xi的权重

Wxi=|aij|WFj，i=1，2，3，4，5；j=1，2，3

(2)

式(2)中：j为xi所属的主因子类别；WFj为第j个主因子的权重；aij为表2中气候因子xi所在第j主因子的载荷系数。

(3)对Wxi进行归一化处理：

(3)

式(3)中：Wi为归一化处理之后各气候因子的权重，结果如表5所示。

同上，对水稻生长各时期的气温进行权重归一化处理(表6)。

表5 水稻气候因子权重

表6 水稻生长期气温因子权重

2.2.3 评价体系权重确定

由于各因子对适宜性的影响各不相同，通过综合区划指标判断矩阵[式(4)]，构造层次单排序与层次总排序，并进行一致性检验。

(4)

式(4)中：Z为判断矩阵；bij为gi与gj对目标层的重要程度之比；gi与gj为各因子对目标层的重要程度。

结果表明，排序矩阵通过了一致性检验，在此基础上进行的总排序的一致性检验也通过了检验，说明表7各指标的权重系数分配合理。

表7 水稻种植区划因子权重

2.2.4 评价因子量化处理

结合已有的水稻种植研究成果和当地农户的种植经验，将水稻种植区划因子划分为不适宜、较适宜和适宜3个等级(表8)，水稻生长期的气温因子也划分为3个等级(表9)。

3 水稻种植气候要素空间建模

3.1 气候因子分布式模拟

浙江省地形复杂，多为山地和丘陵，为充分反映复杂地形对气象要素的影响，采用GridMet模型模拟浙江省复杂地形下的气象要素空间分布。

表8 各区划指标等级量化表

表9 水稻生长期适宜温度量化表

3.1.1 日照时间分布式模拟

水稻是喜阳作物，对光照条件要求较高，充足的日照有利于干物质的合成与积累。如果播种、出苗期日照不足，水稻易烂种、烂秧；分蘖期光照不足，则易引发病虫害；幼穗分化期、抽穗开花-灌浆乳熟期光照不足，易造成水稻空壳和籽粒不饱满，降低结实率，导致水稻产量下降。所以准确地模拟复杂地形下日照时间的空间分布显得尤为重要。山区日照时间主要受局地地形起伏和天空状况(云量等)两方面的因素影响，采用文献[13]的研究成果，综合考虑地形和云量等因素，实现浙江省年日照时间的空间化模拟(图2)。

图2 年日照时间空间分布Fig.2 The spatial distribution of theannual sunshine hours

3.1.2 气温和积温分布式模拟

对于山区而言，起伏的地形、坡向、地形遮蔽度、接收到的太阳辐射等因素都能对局地气温产生影响，因此考虑局地地形、太阳辐射和大气状况等因素[14]，建立了复杂地形下浙江省气温空间分布模型，获得了浙江省5—10月平均气温空间分布(图3)，该分布结果能较好地反映气温的宏观分布趋势和局地分布特征。

积温是活动温度的总和，采用李梦洁[15]的研究模型，模拟了复杂地形下积温的空间分布(图4)，该模型反映了积温与地形等要素的关系。

图3 生长季平均气温空间分布Fig.3 The spatial distribution of theaverage temperature in growing seasons

图4 ≥10 ℃活动积温空间分布Fig.4 The spatial distribution of theaccumulated temperature based on 10 ℃

3.1.3 降水分布式模拟

由于地面气象站点受设站条件的制约，中国大多数气象站点多建立在地势平坦的平原地区，而且空间分布不均匀，这导致这些站点的观测数据并不能反映中国复杂地形下月降水的精细化时空分布。因此，采用潘虹等[16]的研究思想，利用中国地面降水数据集，考虑海拔和地形对降水的局地影响，模拟了复杂地形下年降雨量的空间分布(图5)。

3.1.4 相对湿度分布式模拟

水分作为限制作物生长的重要因素之一，对水稻的生长发育、光合作用和渗透调节物质积累等生理生化过程有重要影响。适宜的相对湿度对植物的生长起极大的促进作用。Slavik[17]提出空气中相对湿度的提高会导致植物叶片上气孔的导电性提高，这会使得叶片吸收二氧化碳的能力增强，从而增强植物的光合作用。利用ArcGIS获得了浙江省年平均相对湿度空间分布(图6)。

图6 年平均相对湿度空间分布Fig.6 The spatial distribution of the average relative humidity

3.2 综合区划评估模型

气候指标为上述模型模拟的气象要素的空间分布，利用ArcGIS生成的栅格图；地形指标中的海拔栅格图为数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据图，坡度栅格图从DEM中提取获得。

将各影响因子的栅格数据图根据表7和表8的划分标准，生成各影响因子的栅格等级图，并利用加权求和法计算最终水稻种植适宜性评价结果，其计算公式为

(5)

式(5)中：Ym为栅格m评价指标的综合得分；wn为第n个评价指标的权重系数；Xmn为栅格m在第n个指标上的评价分值。

4 结果分析

4.1 气候适宜性

浙江省水稻种植气候适宜性分布如图7所示，其中，气候适宜区占参评总面积的92.28%，这主要是因为浙江省大部分地区光照充足、降水充沛，满足水稻种植需求。气候较适宜区占7.43%，主要分布在杭州西部、衢州北部和南部、丽水市和台州西南部地区，这些地区虽然降水充足但热量资源和温度资源较浙江其他地区偏少，这对水稻种植产生了一定影响。气候不适宜区占0.29%，主要分布在杭州市西北地区和丽水市西部的遂昌县、中部的龙泉市和南部的庆元县，这些地区虽然降水充足，但年≥10 ℃活动积温普遍小于4 300 ℃·d，且生长季平均气温在15 ℃左右，使得光热资源不满足水稻生长需求，这是这些地区不适宜种植水稻的重要原因。

图7 水稻种植气候适宜性分布Fig.7 The distribution of climate suitability of rice cultivation

4.2 地形适宜性

水稻种植地形适宜性分布如图8所示，地形适宜区占参评面积的56.22%，主要分布在浙江北部，如嘉兴市、湖州市区、德清、安吉、余杭、萧山、绍兴市区、上虞、慈溪、戎湾、镇海、秀洲、江山、衢州、龙游、金华、义乌、永康、兰溪、黄岩、温岭等海拔在200～800 m、坡度在9°～20°的地方。地形较适宜区占25.48%，主要分布在杭州市西部和南部的绝大部分地区、衢州市北部、丽水市、温州市和台州市，这些地区由于境内多山脉，对水稻的种植产生了一定的影响。地形不适宜区占18.3%，主要分布在临安、桐庐、开化、江山市南部、衢州北部和南部、遂昌、松阳、龙泉、庆元、景宁畲族自治县、青田、永嘉、瑞安西部和仙居南部，这些地区海拔过高、坡度较大，热量较少，不适宜种植水稻。

图8 水稻种植地形适宜性分布Fig.8 The distribution of terrain suitability of rice cultivation

4.3 土壤适宜性

水稻种植土壤适宜性分布如图9所示，土壤适宜区占参评总面积的48.34%，在浙江省各市都有分布，但分布密集区在浙江省西部，这些地区土壤pH大多在6～7.5，适合水稻的种植。土壤较适宜区占42.96%，主要分布在嘉兴市、丽水市、台州市、绍兴市和宁波市。土壤不适宜区占8.7%，主要集中分布在浙北嘉兴市的东北部、湖州市的东部、绍兴市的东南部以及宁波市的中部地区，浙江省其他地区也有零星分布，这些地区土壤过碱或过酸，不适宜水稻种植。

图9 水稻种植土壤适宜性分布Fig.9 The distribution of soil suitability of rice cultivation

4.4 水稻种植适宜性

利用ArcGIS的空间分析功能，将空间化的气候适宜性、地形适宜性和土壤适宜性数据进行栅格运算，获得水稻种植适宜性区划图，并将结果图中的城镇工矿居民用地和水域屏蔽，获得最终的水稻种植适宜性分布(图10)。

图10 水稻种植适宜性分布Fig.10 The suitability distribution of rice cultivation

将浙江省水稻种植适宜性区划划分为适宜、较适宜和不适宜。由图可见，浙江省大部分地区适宜种植水稻，只有极少数地区如丽水市西部和南部、临安市西部、台州市南部等部分地区不适宜种植水稻，各区域的基本情况分析如下。

(1)水稻种植适宜区：浙江省水稻种植适宜区面积为60 705.52 km2，占参评面积的60.76%。水稻种植适宜区主要分布在湖州市的长兴、德清和安吉北部，嘉兴市的桐乡、海宁、海盐和秀洲南部，杭州市的余杭、富阳、萧山、桐庐县的大部分地区和淳安县的大部分地区，绍兴市的诸暨、嵊泗、绍兴、上虞和新昌县部分地区，宁波市的余姚、镇海、秀洲的大部分地区和奉化的大部分地区，衢州市的衢州市区、常山、龙游县中部地区和江山市北部地区，金华市的义乌、东阳、永康、金华和武义的北部地区，台州市的黄岩、温岭和临海的大部分地区，温州市的瑞安、平阳和苍南。综合分析这些地区的气候资源、地形条件和土壤状况可以发现，上述地区雨量充足，年降雨量普遍大于800 mm，光照充足，热量资源丰富，满足水稻生长需求。与前人研究结果对比发现，本文研究结果与前人研究结果具有较大的一致性。

(2)水稻种植较适宜区：浙江省水稻种植较适宜区面积为35 802.77 km2，占参评面积的35.84%。水稻种植较适宜区在全省各市都有分布，主要集中在丽水市、台州市和温州市，这些地区的海拔大都在200～800 m，坡度主要在9°～20°，土壤pH大多处于5～6或7.5～8.5。由于海拔和坡度的原因，这些地区的热量资源通常并不是特别充足，对水稻的生长产生了一定影响，所以这些地区较适宜水稻生长。

(3)水稻种植不适宜区：浙江省水稻种植不适宜区面积为3 399.02 km2，占参评面积的3.4%。浙江省水稻种植不适宜区分布较为零散，主要分布在临安西部、遂昌、松阳西部、龙泉西北和东南部、景宁畲族自治县、庆元，且主要分布在这些地区的高海拔地区，这些地区由于海拔过高，导致温度较低，热量资源严重不足，不适宜水稻生长。此外，这些地区坡度普遍偏大，多在25°以上，增加了水稻种植的难度。因此，这些地区不适宜种植水稻。