从土壤气候视角解析农业文化遗产地的自然禀赋——以宽城传统板栗栽培系统为例

谭凯炎，闵庆文，邬定荣

（1中国气象科学研究院，北京100081；2中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101）

0 引言

板栗在中国分布非常广泛，从东北平原到东南沿海皆有种植[1]，据联合国粮农组织(FAO)统计，中国板栗种植面积和产量均居世界首位。河北省宽城满族自治县地处燕山深处，是燕山板栗的典型分布区，板栗栽培历史悠久，现存最老的板栗古树树龄逾700年，百年以上板栗古树10万余株，宽城板栗品质优良，被誉为“东方之珠”，不仅深受国内消费者欢迎，还远销海外。宽城传统板栗栽培系统被认定为第二批中国重要农业文化遗产并正在申报全球重要农业文化遗产。根植千年的农业生产系统固有其历史渊源以及经济社会和技术发展的选择，但同时必然受到地形、土壤、水文、气候以及微生物等自然环境因素的制约及其综合影响。分析评价农业文化遗产系统的土壤气候条件有助于全面认识农业遗产系统的天然禀赋和不足，以期为农业文化遗产系统的保护和利用以及合理利用生态气候资源提供科学依据。

板栗的栽培分布及其产量与品质受土壤地球化学和气候条件的约束和影响[2]。前人对板栗与栽培条件关系的研究多集中于土壤特性、施肥和管理对板栗产量及品质的影响[3-8]。研究表明，板栗适合生长于偏酸性土壤，在一定的pH范围内，板栗品质随pH增加而下降[9]，土壤有机质含量增加有利于提高板栗产量和品质[3-4,6,10]，土壤氮磷钾含量均对板栗产量有显著的影响[8,11]，土壤中的微量元素除一定程度影响板栗生长发育和产量外还与板栗品质密切相关[9]。土壤性质和肥力显著影响着板栗产量和品质，同时立地气候条件也是决定板栗栽培可行性及其产量品质高低的重要因素[12-13]。关于板栗产量和品质与气候因子关系及气候适宜性评价的研究还较少。郭文利[14]利用相关气候指标及土壤pH采用地理信息系统及指标叠加的方法制作了北京怀柔和密云等地优质板栗细网格农业气候区划，于长文[15]对河北青龙历年板栗品质进行了气候认证，此外尚未见更多的全面评价区域板栗栽培土壤气候条件及其适宜性的研究报道。本研究依据影响燕山板栗产量品质的生态气候指标，利用历史气象观测资料和土壤取样分析资料对宽城板栗栽培系统的土壤气候条件及其适宜性进行全面分析，并给出宽城板栗栽培气候适宜性综合评价的空间分布。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

宽城满族自治县位于燕山山脉东段，县域面积约1952 km2，平均海拔300～500 m，地理坐标在40°17′—40°45′N和118°10′—119°10′E之间。宽城县隶属温带半干旱半湿润季风性气候，土壤主要为棕壤和褐土，2017年板栗种植面积3.7万hm2，产量4.3万t。本研究还涉及宽城县周边的迁西、遵化、兴隆、青龙和承德5县，上述地区同属燕山板栗种植区。

1.2 数据来源

县气象站1987—2016年气候数据来自于中国气象科学数据共享网，宽城县14个自动气象站2013—2017年观测数据来自于中国气象科学研究院信息中心。为分析研究区及周边区域板栗林土壤特性及肥力，于2018年10月专门开展区域板栗林土壤取样测试分析，分别在宽城、迁西、兴隆、遵化、青龙和承德各县的10、4、2、4、4、1个板栗种植代表性地段取样，每个地段随机选4点，每个样点先去掉表土，再从0～20 cm土层取土样，然后4个点混合成一个样品，土样分析委托北京农林科学院植物营养与资源研究所完成。

1.3 数据分析方法

1.3.1 综合气候适宜性评价 采用DTOPSIS(dynamic technique for order preference by similarity to ideal solution)分析法[16]，首先由研究区内及周边自动气象站的5年平均气象要素值和燕山板栗适宜气候指标集建立气象条件矩阵Aij，i为气象站和指标集编号，j为气象要素编号，如式(1)所示。

对各要素按正向指标和逆向指标进行无量纲化处理，使其成为可相互比较的规范化矩阵，如式(2)所示。

确定各要素权重Wj，建立决策矩阵R，Rij=Wj×Dij。然后求取各气象要素的正理想解和负理想解，如式(3)～(4)所示。

再采用欧几里德范数作为距离的测定，计算各站点与正理想解的距离，如式(5)所示，和与负理想解的距离如式(6)所示。

最后由式(7)计算得到各站综合气象条件接近正理想解并远离负理想解的程度Ci，C值介于0～1之间，值越大表示适宜性程度越高，它们与指标集的C值比较反映了各站的板栗气候适宜性。

由各站综合气候适宜性评价值与站点经纬度及高度线性回归方程推算到1 km×1 km细网格上，得到宽城县板栗综合气候适宜性评价空间分布。

1.3.2 参考作物潜在蒸散 参考作物潜在蒸散根据联合国粮农组织推荐的潜在蒸散公式计算，如式(8)。

式中，ET0为潜在蒸散量(mm/d)；Δ为饱和水汽压-温度曲线的斜率(kPa/℃)；Rn为地表净辐射[MJ/(m2⋅d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2⋅d)]；es为饱和水汽压(kPa)；T为平均气温(℃)；ea为实际水汽压(kPa)；U2为2 m高风速(m/s)，由10 m风速换算；γ为干湿表常数。

1.3.3 数据分析 采用Excel软件进行数据统计分析，用Excel和Origin软件制作统计分析图；采用ArcGIS制作板栗综合气候适宜性评价空间分布图。

2 结果与分析

2.1 宽城板栗栽培系统的土壤适宜性

2.1.1 宽城板栗林土壤特性及与相邻地区比较 通过取样分析，测定了宽城县及相邻燕山板栗产区板栗林土壤的pH、有机质与氮磷钾含量和微量元素含量。如图1所示，宽城及相邻板栗主产地栗林土壤均属于适宜种植板栗的微酸性土壤，0～20 cm土壤的平均pH 5.85～6.84之间，处于板栗种植适宜pH 4～7范围内，宽城栗林土壤pH 5.45～6.44之间，均值pH 6.11，基本位于最适于板栗的pH 5～6区间[9]。宽城栗林土壤平均有机质含量达20.8 g/kg，全氮含量1.38 g/kg，高于燕山板栗栽培区其他各县。其他肥力参数和微量元素含量如表1，微量元素中，宽城的Mg、Fe、Mn、B含量较高，其他元素含量居中。

图1 燕山板栗林土壤pH、有机质及全氮含量

表1 燕山板栗林土壤肥力及微量元素含量 mg/kg

2.1.2 宽城县板栗种植主要乡镇栗林土壤肥力及微量元素 如图2和表2所示，在宽城县的主要板栗栽培乡镇中，大多数乡镇土壤有机质在20 g/kg以上，全氮含量在1.3 g/kg以上，相互间差异很小，磷钾含量差异稍大，微量元素含量空间分布也有较大的差别。总的来说宽城土壤肥力普遍较高，微量元素含量丰富，只有东大地乡土壤有机质和N、P、K含量明显偏低，同时其Fe、Mn、Cu、Zn、B含量在所有乡镇中也最少。

图2 宽城县主要乡镇栗林土壤有机质含量

表2 宽城县主要乡镇栗林土壤肥力及微量元素含量

2.2 宽城板栗栽培系统的气候特征及其适宜性

2.2.1 宽城板栗栽培的气候特征 根据宽城县气象站1987—2016年观测资料统计得到宽城县板栗栽培的基本气候特征如表3。板栗是强喜光植物，生育期间要求充足的光照，燕山板栗结果树从发芽到成熟需要日照时数1100～1300 h[13]，地处华北北部的宽城站全年日照充足，板栗生长季（3—10月）平均日照时数近1700 h，完全满足板栗生长成熟对光照的需要；燕山板栗从萌芽到果实成熟需要≥10℃积温3000～3500℃[17]，宽城站全年≥10℃积温多年平均值3623℃，≥80%保证率的积温值为3437℃，可见全年热量条件可以满足板栗生长成熟的需要；当年极端最低气温低于-30℃时，板栗幼树和新梢在越冬休眠期会受冻害，即板栗发生冻害的温度为-30℃[17]，宽城站近30年来年极端最低气温-25.5℃，可以确保板栗不受越冬冻害；宽城站板栗生长季降水量多年平均值为601 mm，高于板栗从萌芽到成熟的最低需水量500 mm[13]，但气候上达到80%保证率的降水量为495.7 mm，并且年际变率达20%，表明部分年份降水量低于板栗生长季需水量，可能限制或影响板栗的生长和产量。宽城站板栗成熟期（9月）气温日较差多年平均值12.7℃，高于京津冀地区9月平均日较差11.9℃[18]，也高于板栗栽培9月日较差适宜指标 12℃[14]。

表3 宽城板栗栽培的基本气候特征

为揭示宽城板栗生长季水分供需特征及对板栗生长的影响，根据联合国粮农组织推荐的参考作物潜在蒸散公式计算了宽城站板栗生长季各月近10年（2007—2016年）潜在蒸散量，其与同期降水量比较如图3。由图可见，板栗生长季中7月降水量远多于需水量，9月水分供需基本平衡，其他各月降水量均低于蒸散量。图3表明，宽城板栗果实成长阶段水分供应基本适宜，但春季生长阶段水分供应严重不足，3—5月降水满足度分别为14%、33%、35%。

图3 宽城站板栗生长季各月水分供需（2007—2016年平均）

2.2.2 宽城板栗栽培气候适宜性综合评价及其空间分布 根据前人相关研究结果，选取与板栗生长、产量形成及品质密切相关的4个气候因子，以≥10℃积温代表板栗生长成熟的热量条件，1月平均气温代表越冬条件，9月日较差代表果实成熟期品质形成天气条件，3—10月降水量代表板栗生育期自然水分供应条件，利用宽城气象站及域内14个自动气象站观测资料，采用DTOPSIS分析法综合评价宽城板栗栽培系统的气候适宜性，并以满足板栗生长成熟并有利于形成良好品质的适宜气候指标集作为比较的基准，其中，≥10℃积温取燕山板栗从萌芽到果实成熟需要的3000～3500℃的中值[17]；1月平均气温取-8.5℃[13-14]；9月日较差取12℃[14]，这也是京津冀地区9月份日较差多年平均值[18]；3—10月降水量取板栗从萌芽到成熟的基本需水量500 mm[1,13]。求取各站点和指标集对理想解的相对接近度，它们与基准的比较作为气候适宜性评价结果，高于基准为适宜，低于基准为不适宜。根据专家经验，4个气候因子的权重分别取0.25、0.2、0.25、0.3。计算结果见表4，板栗栽培适宜指标集对应的综合评价值为0.35。分析发现，各站点的气候适宜性评价值与站点的地理经纬度和高度具有显著的多元线性相关关系，由15个站点数据经多元回归分析得到综合气候适宜性评价值与经纬度及高度的回归关系如式(9)所示。

表4 宽城县各站点板栗气候适宜性综合评价

式中，C为综合气候适宜性评价值，X为纬度(d)，Y为经度(d)，Z为高度(m)。

根据式(9)和地理信息数据推算出宽城县1 km×1 km网格点板栗栽培综合气候适宜性评价值(C)，图4为宽城县板栗栽培综合气候适宜性评价细网格分布图。宽城县的西南区域综合气候条件非常适宜于板栗栽培，具有生产高产优质板栗的气候潜力，而北部和中部部分区域综合气候适宜性评价值低于0.35，不适合板栗栽培，这与目前板栗种植分布格局基本吻合。

图4 宽城县板栗综合气候适宜性评价空间分布

3 结论

宽城板栗栽培系统的土壤酸碱度非常适宜板栗生长，土壤有机质丰富，氮钾含量较高、土壤中富含铁、镁、锰、锌等微量元素。宽城板栗主要栽培区域光照充足、全年热量条件完全满足板栗生长结实需要，生长季降水量基本达到板栗生长需水要求但分配不均匀，果实成熟期气温日较差较大，综合气候条件优于板栗栽培适宜指标。宽城板栗栽培系统具有适宜板栗生长的土壤气候环境，具备栽培高产优质板栗的条件和潜力，春季降水量偏少是宽城板栗产量的限制因素，适当的春季灌溉可较大幅度地促进宽城板栗高产优质潜力的发挥。

4 讨论

板栗虽然分布广泛，但其地域性较强，品质差异明显，这与各地土壤地球化学特性密切相关。现有研究表明，在一定的pH范围内，板栗品质随着土壤pH的下降而上升，最适宜区间为pH 5～6[3,9]。土壤有机质能促进板栗增产，降低板栗果实含水量，提高板栗的可溶性糖和蛋白质含量，土壤有机质增加有利于板栗产量和品质的提高[4,6,10,19]。宽城传统板栗栽培系统的栗林土壤pH处于最适宜范围，有机质含量远高于燕山板栗产区的其他地方，且栽培区域内土壤肥力分布比较均匀，这为板栗栽培提供了良好的土壤条件。宽城栗林土壤的Fe、Mn、Mg等微量元素含量很高，这可能与宽城板栗的风味有关，但微量元素与板栗品质的关系尚不清楚。

气候是影响板栗生长、产量和品质的重要因素。宽城地处华北北部，接近板栗栽培北界[1]，冬季最低气温在-16℃以下，春季干旱少雨，但宽城全年光照充足，满足喜光树种板栗的高日照需求，同时全年热量资源超过了当地板栗树种生长成熟的热量要求，极端最低气温高于板栗幼树和新梢的受冻温度，发生越冬冻害概率很小，板栗果实成熟期的9月气温日较差很大，非常有利于板栗果实中积累可溶性糖分，提高板栗风味品质。在当地气候背景下，生长季总的降水量基本可以满足板栗生长的需要，但年内分布极不均匀。萌芽期水分对于板栗产量至关重要，3—4月的降水量与板栗产量有显著正相关关系[9]，当地萌芽至开花阶段降水满足度较低，遇上干旱年份，会较大程度限制板栗的营养生长，导致结棚数减少，产量降低[20]。因此，春季降水量偏少是宽城板栗产量提高的主要限制因素，进行适当春季灌溉，特别是微型喷灌措施可以明显提高板栗的产量和品质[21]。当地每年7月降水量大大超过板栗需水量，对于燕山坡地板栗林而言，7月较强降水可造成严重水土流失，修建挡水设施可以大幅减少水土流失[22]，并为板栗果实生长蓄积水分。对宽城板栗气候适宜性综合评价结果表明，宽城现有板栗主要种植乡镇均为气候适宜区域，但山区不同地形地貌显著影响着局地小气候条件，导致局地光温水条件的差异[23]，因此，更精细化的分析评价还需要结合地形的影响。

本研究在评价综合气候适宜性时基于已有对板栗与气候条件关系的认识选取了4个气候因子，根据前人的研究，板栗花期连阴雨天气是造成板栗减产的一个重要原因，分析宽城历史气候资料发现，这一灾害性天气在当地极少发生，因此在适宜性评价中未加考虑。在气候适宜性综合评价中各个因子影响权重分配为经验赋值，随着板栗气象条件关系研究的深入将使权重分配更加合理。研究中，通过采用自动气象站观测数据，提高了气象数据的空间代表性，但由于数据年份较少，其气候代表性稍差，同时，由于土壤取样分析样点有限，没有全面反映区域的土壤肥力和微量元素含量情况，因此，研究结果有待更多观测数据的验证。