西藏地区耕地种植紫花苜蓿的气候适宜性区划

2021-09-22杨文才梁军燕曲广鹏王敬龙

甘肃农业大学学报 2021年4期

杨文才,梁军燕,曲广鹏，王敬龙

(1.西藏自治区农牧科学院草业科学研究所,西藏拉萨 850000;2.省部共建青稞和牦牛种质资源与遗传改良国家重点实验室，西藏拉萨 850000;3.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070)

牧草区划是我国农业区划中的重要组成部分之一，种植适宜当地环境条件的牧草，科学建立不同类型的高产、优质人工草地，可以提高草地牧业的生产力，增加当地经济效益和社会效益[1].紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是我国大面积种植的多年生牧草之一，产草量高，有“牧草之王”之称[2-3].紫花苜蓿的营养价值高、适口性好[4]，刈割年限可达5 a左右，甚至更长，生长较迅速，有肥田增产、保持水土等作用[5-6]，并且被广泛地用于栽培草地建设和改善环境.紫花苜蓿喜温暖和半湿润半干旱的气候，在我国的分布范围比较广，并且种植历史相对悠久[7].

气候的热量条件是植物生命活动的基础和能量来源，气候的水分条件是植物生理活动的源泉和构成植物的基本成分[1].十一届三中全会以来，在农业农村部畜牧兽医局的领导下，按照自然生态条件、水、热、土、光、牧草生物学特性及利用方式等原则，首次提出我国《栽培牧草区域规划》，对全国种草起到了显著的指导作用[8].《中国多年生栽培草种区划》中我国苜蓿种植区大体划分为6个区，西藏属于青藏高原苜蓿种植区，适宜种植的苜蓿品种有草原3号杂花苜蓿(MedicagovariaMartyn cv.‘Caoyuan no.3’)、甘农1号杂花苜蓿(MedicagovariaMartyn cv.‘Gannong no.1’)和黄花苜蓿(MedicagofalcataL.)等[8].美国根据苜蓿的秋眠性指导苜蓿的种植区划，以华氏温度为计量单位，划分了10个植物抗寒性气候区，并根据苜蓿的秋眠性指标确定了每个区适宜种植的苜蓿品种[9].这些研究对紫花苜蓿的种植区划划分起到了重要的指导作用.

近年来，针对紫花苜蓿在全国范围内以及我国干旱半干旱地区的适宜性区划研究较多[10-13]，但针对西藏高原地区的研究较少.近年来，西藏地区人工种草呈现快速发展趋势，全区出现集中连片的千亩、万亩人工草地[14]，紫花苜蓿种植面积也逐步扩大，已有多个紫花苜蓿新品种在西藏地区引种试种成功[15-17].2011年西藏地区紫花苜蓿留茬面积达8.85×103km2[1]，其对于全区实现粮改饲、调整农业种植结构、增加农牧民收入和增加饲草供给都有重要的现实意义.随着我国经济的发展、气候的变化以及紫花苜蓿新品种的大量引入，紫花苜蓿在我国的种植区域发生了较大变化.原有的紫花苜蓿种植区划是对我国原有的紫花苜蓿品种和传统紫花苜蓿种植区域的总结，已经不能适应新的发展形势[10].本文基于地理信息系统(geographic information system，GIS)技术，选取 ≥0 ℃年积温、年均温度、年降水量和湿润度[18]4个指标对在西藏地区耕地种植紫花苜蓿的气候适宜性区划进行研究，为西藏地区充分利用土地资源和气候资源，合理布局紫花苜蓿生产提供科学依据.

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

西藏自治区位于青藏高原西南部，地处N 26°50′～36°53′，E 78°25′～99°06′之间.地势由西北向东南倾斜，地形复杂多样，包括高山、高原、河谷和湖盆等.西藏高原是我国太阳辐射最强的地区，日照充足，日照时数由藏东南向藏西北逐渐增多.气候西北严寒干燥，东南温暖湿润.西藏地区平均气温为-2.8～11.9 ℃，温差较大，气温低，积温少，无霜期短.西藏降水量为74.8～901.5 mm之间，降水量东多西少，南多北少，地区分布极不平衡，由东南向西北减少[19].年降水主要集中在6～9月，夏秋雨热同季.西藏的植被从东南向西北依次有森林、草甸、草原和荒漠.土壤主要以高山草原土、高山草甸土、高山寒漠土和亚高山草甸土为主，占全区总土壤类型面积的79.87%.西藏耕地主要分布在雅鲁藏布江中游及其支流的河谷地区，藏东南局部河谷(图1).农作物主要有青稞(HordeumvulgareL var.nudum Hook.f.)、小麦(TriticumaestivumL.)、豌豆(PisumsativumL.)、马铃薯(SolanumtuberosumL.)和油菜(BrassicachinensisL.)等.耕地土壤主要是由山地灌丛草原土、潮土、亚高山草原土和亚高山草甸土等开垦而来[20].

1.2 研究方法

1.2.1 指标选取及权重计算在研究了气象因素对紫花苜蓿生长的影响，并借鉴前人的研究结果[9-11]以及经过多位专家多次讨论的基础上，最终选择年均温度、年降水量、≥0 ℃年积温和湿润度4个指标对紫花苜蓿在西藏耕地的气候适宜性区划进行分析研究，并对指标间的重要性采用层次分析法、构造判断矩阵计算相应指标的权重[21].湿润度(K)采用任继周和胡自治提出综合顺序分类模型，用全年降水量(r)和≥0 ℃年积温(∑θ)之比表示[18].

图1 研究区及气象站点分布Figure 1 Study area and distribution of meteorological stations

(1)

1.2.2 气象数据处理选用西藏自治区及其周边38个气象站的1971～2010年的气温和降水量数据(图1).气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/).本研究将每日的气温和降水量求和后计算该地区年均温度、年降水量、≥0 ℃年积温和湿润度，并在Arc Map平台上进行空间插值[22].插值方法参考前人的研究，积温和湿润度采用反距离插值[23]，年均温度和年降水量采用普通克里格插值[24].

1.2.3 评价指标的分级标准为了客观反映紫花苜蓿的气候适宜性区划，通过查阅文献，在借鉴前人研究[10-11]的基础上，征询多位专家及基层工作者意见后，对所用指标进行分级，并采用四分法进行分值量化.即评分越高，说明该项指标上作物的适宜性越好，当某项指标的测定结果恰好为分级标准中的界限值时，根据风险最小的原则，则应该将该项指标上气候适宜性的得分定为较低的分值，按照分值区间的平均值来计算.分级标准如表1所示.

表1 紫花苜蓿适宜性指标的分级标准

1.2.4 气候适宜性综合评价指数按照表1的紫花苜蓿适宜性指标分级标准进行打分，将所选的4个指标所得分数作为该具体指标的数量评价Ri，然后将所得到的各指标权重Wi进行加权综合，即：

(2)

式中：Hi为气候适宜性综合评价指数.

气候适宜性综合评价指数分为4级，分级标准见表2.

表2 气候适宜性综合指数分级标准

2 结果与分析

2.1 权重计算及分析

2.1.1 构造判断矩阵判断矩阵中所用的标度值是依据Saaty提出的1～9及其倒数作为衡量尺度的标度方法进行填写的[25].根据专家打分，分别计算得出紫花苜蓿的综合气候区划4个指标因子之间的矩阵，如表3所示.

表3 紫花苜蓿4种气候适宜性指标间的判断矩阵

2.1.2 权重计算及分析 1)判断矩阵中每一行元素的乘积Mi：M1=45，M2= 1，M3= 1，M4=1/45；2)Mi的n次方根分别为：2.590，1，1，0.386；3)特征向量Wi为：W=[0.521，0.201，0.201，0.078]T；4)计算最大特征值λmax：(AW)1=2.114，(AW)2=0.808，(AW)3=0.808，(AW)4=0.316，λmax=4.043；5)判断矩阵的一致性检验.

A：计算一致性指标CI：CI= (λmax-n)/n=0.015；B：参考平均随机一致性指标表[24]可知，n为4的判断矩阵，应有的平均随机一致性指标值为RI=0.89；C：计算随机一致性比率CR：CR=CI/RI=0.016.

由此可知，该判断矩阵的CR<0.1，通过一致性检验.所以，年均温度、年降水量、≥0 ℃年积温、湿润度这4个指标的权重分别为：0.201，0.201，0.521，0.078.在4个气候适宜性指标中，≥0 ℃年积温对紫花苜蓿的生长最重要，年降水量和年均温度次之，湿润度的重要性较小.

2.2 气候指标的空间分布

对西藏自治区及其周边38个气象站的1971～2010年的平均气象数据进行空间插值，得到4个气候指标的空间分布格局.西藏的年积温中部低，藏东南和藏西北高(图2-A)；年降水量由东南向西北逐渐减少(图2-B)；年平均气温呈现出东南高西北低的格局(图2-C)；湿润度西北干燥，藏南局部和那曲东部潮湿，藏东南湿润(图2-D).

图2 4种气候指标的空间分布Figure 2 Spatial distribution of four climatic indices

2.3 紫花苜蓿气候单因素适宜性指标分级

按照表1的指标分级标准在Arc Map软件中对4种紫花苜蓿的气候适宜性指标进行重分类，并绘制相应指标的适宜性分级图.年积温大于2 300 ℃的区域，主要分布在西藏藏东和藏南，适宜紫花苜蓿生长，其它区域由于年积温过低，不适宜种植紫花苜蓿(图3-A).年降水量小于300 mm的区域主要分布在藏西北，该区域干旱少雨，不适宜种植紫花苜蓿.藏东南年降水量达500 mm以上，很适宜种植紫花苜蓿.西藏中部年降水量略少于藏东南，在有灌溉条件的区域可以种植，不少地方是西藏传统的农区，适宜种植紫花苜蓿(图3-B).年均温大于5 ℃的区域主要在藏东南，种植紫花苜蓿的适宜性高.西藏中部和南部年均温度在2～5 ℃之间，基本适宜紫花苜蓿.藏西北年均温度低，适宜性次之.藏北年均温度小于-2 ℃，不适宜种植紫花苜蓿(图3-C).西藏中部和东南部气候湿润，种植紫花苜蓿的适宜高.藏西和藏南气候微润，适宜紫花苜蓿.藏西气候微干的区域适宜性次之.藏西气候干旱和极干的区域不适宜紫花苜蓿(图3-D).

图3 紫花苜蓿4种气候适宜性指标空间分布Figure 3 Spatial distribution of four climatic suitability indices of Alfalfa

2.4 紫花苜蓿的气候适宜性区划

在Arc Map软件中按照4种气候适宜性指标的权重计算紫花苜蓿的气候适宜性综合指数，然后按照表2的分级标准对紫花苜蓿的气候适宜性综合指数进行重分类，并与2018年西藏自治区的耕地数据叠加，获取紫花苜蓿在西藏耕地中的种植适宜性区划.具体结果见图4和表4.

从图4可以看出，紫花苜蓿在西藏耕地中的高适宜区较少，在昌都市和林芝市有少量分布；适宜区主要分布在昌都市、林芝市、山南市、拉萨市和日喀则市，次适宜区主要分布在那曲市东部和昌都市西北部.不适宜区主要分布在日喀则的部分区域.对西藏地区耕地种植紫花苜蓿各适宜区进行统计，见表4.高适宜区的面积仅为69.131 km2；适宜区的面积为6 227.211 km2，占耕地面积的81.58%，各地市适宜面积大小依次是昌都市>林芝市>山南市>拉萨市>日喀则市，其中昌都市的适宜面积最大，为2 009.964 km2，林芝市次之，为1 232.488 km2；次适宜区的面积为382.057 km2；不适宜区的面积为954.580 km2，占耕地面积的12.51%，其中日喀则市不适宜的面积最大，为618.294 km2.

图4 紫花苜蓿在西藏耕地中的种植适宜性区划Figure 4 Suitable regionalization of Alfalfa cultivated in farmland in Tibet

表4 紫花苜蓿适宜性区划面积

3 讨论

苜蓿的生长和发育与环境有密切关系，气候和土壤因素是决定苜蓿分布范围和生长发育的最主要因素[26].苏加楷认为影响苜蓿分布的主要气候因素是气温和降水[27].储少林[10]和高菲[9]等则认为年积温和年降水量是影响紫花苜蓿分布的重要因素.本文与上述研究结果一致.温度在高寒或低温地区是限制作物生命活动的最主要因子，水分在干旱地区的作用要大于温度[28].相对于日照和湿润度等气候要素，在西藏地区对于紫花苜蓿来说，年积温和年降水量对其适宜性影响要大很多，且西藏的日照时数普遍充足，对紫花苜蓿的气候适宜性没有明显的限制作用.

作物种植适宜区具有相对性.对于高适宜区，自然条件都很适宜，作物稳产高产，投资省、经济效益高.对于适宜区，作物生态条件存在少量缺陷，但人为采取某些措施后容易弥补，作物生长与产量较好.对于次适宜区，作物生态条件有较大缺陷，产量不够稳定，或者投资较大、产量低，但综合经济效益还是有利.对于不适宜区，自然条件有很大缺陷，技术措施难以改造，经济上或生态上得不偿失[29].本文也是基于这样的观点，把西藏地区耕地种植紫花苜蓿的气候适宜性划分了高适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区.

西藏从1974年引进紫花苜蓿，最早在拉萨、日喀则等地试种，表现良好，以后逐步在拉萨各县、日喀则部分县、山南部分县、昌都部分地区开始种植和推广[8].20世纪90年代末，在林芝引种了杂花苜蓿、黄花苜蓿、杂花苜蓿，经过2 a的观察与测定，3种苜蓿均适宜于林芝气候条件，紫花苜蓿表现最佳[16].在西藏“一江两河”地区，主要包括拉萨、日喀则、山南3个地市，水热条件充裕、光照强、土壤肥沃，经过多年的引种试验，已有多个紫花苜蓿品种能够越冬且能完成生长发育和结实[31].徐丽君[30]建立了基于自然要素的生态适宜性模型，进行中国苜蓿属植物的适宜性区划，分为适宜、次适宜和不适宜，其在研究中指出青藏高原适宜区比较少，西藏地区主要零星分布在日喀则市、拉萨市、山南市、林芝市和昌都市，一些县存在连片的适宜区.本文建立了紫花苜蓿的气候适宜性综合指数模型，将适宜等级图与耕地数据进行叠加，得到紫花苜蓿在西藏地区耕地的种植适宜性区划，适宜区主要分布在昌都市、林芝市、山南市、拉萨市和日喀则市，得到的结果与其基本一致.万帆认为研究作物适宜种植区，将适宜等级与土地利用数据叠加很重要，可以去除不适宜的土地类型，将研究结果限制在合理的土地利用类型，避免土地利用冲突[24].