基于GIS的鄂东南枇杷种植生态适宜性精细化区划

魏华兵，陈正洪，罗 翔，肖 运，罗 昱，张 鹏

（1.湖北省咸宁市气象局，湖北 咸宁 437100；2.湖北省气象局，湖北 武汉 430074；3.湖北省通山县气象局，湖北 通山 437600；4.湖北省通山县农业局，湖北 通山 437600）

引言

枇杷（Eriobotrya japonica lindl）属于蔷薇科植物，原产于我国西南地区［1］，其果实营养丰富，叶片及其他废弃部位含有丰富的活性功能成分，可用于生物、医疗、食品等行业［2-4］，具有较高的经济价值。另外，枇杷是常绿小乔木，绿化生态效益良好，在我国南方广泛种植。鄂东南种植枇杷有近400 a的历史，拥有地理标志的“隐水枇杷”是湖北省优质特色果品，2019年种植面积达2130 hm2，年产鲜果4.8万t，产值2.2亿元人民币。为促进乡村特色产业发展，当地政府在2020年提出扩大枇杷产业种植面积倍增计划。鄂东南属于我国长江流域枇杷种植区，境内地形地貌复杂，海拔落差较大（最高处1656 m，最低处28 m），局地小气候差异明显，高产优质的枇杷栽培与气候条件密切相关。因此，开展鄂东南枇杷种植的生态适宜性精细化区划研究，对于促进当地枇杷产业的持续发展具有重要意义。

通常，枇杷在年平均气温大于或等于12.0℃、年降水量1000.0 mm以上的地区均可以正常生长发育［5］，但枇杷主产区丰产年的年平均气温在15.0℃以上、年降水量约1400.0 mm且月分配较为均匀［6］。在农作物高产优质栽培中，除了全生育期需要充分满足农业气候资源条件外，各生长阶段光、热、水等气候条件的适宜性及气象灾害影响程度、种植区生态环境的差异对农作物产量和品质的影响也至关重要［7］。研究表明，枇杷在不同物候期的适宜温度条件不同，气温在10.0℃以上开始发芽，20.0℃左右适宜花粉萌发［8］，而果实产量和品质形成关键期（5—6月）的适宜气温为15.0～25.0℃，气温过高不适宜枇杷生长，且果实在采摘前15 d如遇高温晴热天气，易发生日灼病［9-10］。足量开花是保证枇杷丰产稳产的前提，枇杷花芽分化期需要适度干旱条件来促进花芽分化［11］，鄂东南枇杷花芽分化期集中在8—10月，按轻度气象干旱标准［12］推算的适宜降雨量为200.0～300.0 mm。枇杷花和幼果不耐寒，花期和幼果期的低温冻害（最低气温分别小于或等于-6.0、-3.0℃）是威胁枇杷产量和品质的重要气象灾害［13-14］，品种的抗寒性是枇杷良种选育的重要因素［15］。枇杷最忌积水，长江流域是我国多雨区，故枇杷多栽培在丘陵坡地上，但生态高效种植和机械作业的坡度不宜超过25°［16-17］，且偏南的平缓坡地，冷空气不易积聚，而北坡多低温冻害，西坡易发生旱害和日灼病［18］。因此，坡度和坡向是枇杷生态环境的重要条件。

借助ArcGIS强大空间分析功能，能够快速分析种植区域地理环境和气候资源的空间差异，GIS（geographic information system）技术广泛应用于农业气候精细化区划［19-25］，明显提高了区划精度。因此，本文在前人研究基础上，结合鄂东南枇杷生产实际，利用湖北省国家及区域气象站观测资料和DEM（digitial elevation model）数据，构建细网格的枇杷气候生态适宜性指标空间分布模型，借助GIS技术开展枇杷种植的生态适宜性精细化区划研究，以期为鄂东南枇杷产业发展的面积倍增和种植结构调整提供技术参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省东南部、长江中下游南岸、幕阜山北麓，地理位置介于113°32′E—114°58′E、29°02′N—30°19′N之间，辖嘉鱼、崇阳、通城、通山、赤壁、咸安6个县（市、区），地处山地-丘陵-平原过渡带，地势南高北低（图1）。该区域气候温和、降水充沛、光照充足、四季分明、无霜期长，属于亚热带季风湿润气候；年平均气温17.4℃，年平均最高、最低气温分别为22.2、13.7℃，平均年降水量1640.4 mm，平均年日照时数1577.2 h，年平均风速1.6 m·s-1，年平均相对湿度76%。境内有富水、陆水、金水、黄盖湖四大水系，面积30 hm2以上的湖泊19个、河流246条，大小泉眼遍布各处，为枇杷生长提供了充足的水源；可利用的土地面积34.4万hm2，土壤以红壤、黄棕壤及其改性土壤为主，pH值为5.5～6.7，土层水热条件优越，有机质累积深厚，自然肥力较高，适宜枇杷生长。

图1 鄂东南地理位置及地形分布Fig.1 The geographical location and topography distribution of southeastern Hubei Province

1.2 资 料

所用资料为研究区1991—2020年6个国家气象站和2011—2020年135个区域气象站（区域站大约按5 km的间距布局）逐日平均气温、降水数据（来源于湖北省气象信息中心）、DEM数据（空间分辨率为30 m）以及嘉鱼、崇阳、通城、通山、赤壁、咸安6个县（市、区）行政边界数据（地图投影方式为Mercator）。其中，行政边界数据是基于湖北省地理信息公共服务平台标准地图服务网站下载的审图号为鄂S（2018）009号的标准地图制作，底图无修改。

1.3 研究方法

1.3.1 枇杷适宜性指标及分级标准

根据枇杷生长发育及产量品质形成对地形和气候生态环境的要求，选取年平均气温（Tave-y）、年最低气温（Tmin-y）、≥10.0℃活动积温（AT10）、最低气温≤-3.0℃的日数（Dlt-3）、5月平均气温≥25.0℃的日数（Dht25-M）、8—10月降水量（RA-O）、年降水量（Ry）和坡向（A）、坡度（S）作为鄂东南枇杷适宜性指标，结合前人研究成果［5-6，8-13］和实际调查，确定其适宜性分级标准（表1）。

表1 鄂东南枇杷适宜性指标及分级标准Tab.1 The suitability indexes of loquat and their grading standard in southeastern Hubei Province

1.3.2 区域站资料延长方法

通常，气候研究使用的资料年限在30 a及以上，本文采用回归分析方法［26］，对区域站气温和降水量资料进行延长处理，回归方程如下：

式中：Xn、Xr分别为参考站（距离区域站最近的国家站）和区域站气候要素时间序列和分别为参考站和区域站气候要素序列的平均值；r为两站气候要素序列的相关系数；σn、σr分别为两站气候要素序列的均方差。

1.3.3 气候要素保证率计算方法

为了保证农业稳产，农业气候区划指标常采用一定保证率下的气候要素值。通常，气候要素的频数分布服从正态分布或偏态分布，采用分布理论计算给定保证率下的气候值作为区划指标更合理，平均值类的气候指标一般采用正态分布，而极值类的气候指标则采用耿贝尔分布。计算公式如下［27］：

式中：Xp为p保证率下的气候要素指标；xˉ为均值；δ为标准差；φp为保证率系数。

1.3.4 气候适宜性指标空间分布模型

多元线性回归分析方法常用于气候指标空间模拟研究［28］，其公式如下：

式中：X为气候要素指标；λ为经度；φ为纬度；h为海拔高度；a0、a1、a2、a3为回归系数；ε为残差。

1.3.5 综合生态适宜度模型

为了综合评价生态适宜性指标对枇杷生长过程的影响，采用基于系统科学理论的综合生态适宜度方法进行评价［20］，其模型公式如下：

式中：S为综合生态适宜度；i为生态适宜性指标；zi为i指标的适宜度取值（不适宜、次适宜和适宜分别取1、2、3）；wi为i指标的权重，采用层次分析法计算得到［29］。

2 结果与分析

2.1 枇杷地形适宜性指标空间分布

利用ArcGIS的地理分析功能，从鄂东南DEM数据中提取坡向和坡度（图2）。根据枇杷地形适宜性分级标准（表1），偏东、偏南坡（坡度＞3°～10°）为适宜区，偏西坡（坡度＞10°～25°）为次适宜区，北坡（坡度≤3°或＞25°）为不适宜区。从图2看出，鄂东南坡度大体由西北向东南增大，西北部大部分区域及中部山间盆地和河谷区域的坡度较小，为适宜区；西北部湖泊周边和平原区域坡度小，坡向对枇杷种植影响不大，而中部和南部山区180°附近的适宜坡向区域较多，270°以上不利的西坡、北坡区域较少。

图2 鄂东南枇杷地形适宜性指标空间分布Fig.2 The spatial distribution of loquat planting topographic suitability indicators in southeastern Hubei Province

2.2 枇杷气候适宜性指标空间分布

采用多元线性回归分析方法，构建了鄂东南枇杷7个气候适宜性指标空间分布模型，各模型决定系数R2在0.51～0.90之间，F值为21.07～394.85，均通过了α=0.05的显著性检验（表2）。

表2 鄂东南枇杷气候适宜性指标空间分布模型Tab.2 Spatial distribution model of loquat climatic suitability indexes in southeastern Hubei Province

利用ArcGIS的地图代数功能，将鄂东南经度、纬度、海拔高度栅格数据分别代入枇杷气候适宜性指标空间分布模型，得到上述7个指标的空间分布（图3）。可以清楚地看出，年平均气温、年最低气温、≥10.0℃活动积温和5月平均气温≥25.0℃的日数大体上均呈现由西北向东南减少的分布趋势，而最低气温≤-3.0℃的日数、年降水量和8—10月降水量则呈现由西北向东南增加的分布趋势。这种空间分布特征与鄂东南海拔高度由北向南增加有关，反映了年最低气温越低其低温日数也越多、年平均气温越低其热量条件也越差的一般规律。在气温和热量条件上，西北部优于东南部，但西北部5月平均气温≥25.0℃的日数较多，缩短了枇杷果实的有效生长期，不利于枇杷单果重和产量的提高；在降水条件上，东南部年降水量优于西北部，但在需水量少的8—10月花芽分化期西北部的降水条件更适宜枇杷生长发育。

图3 鄂东南地区枇杷种植气候适宜性指标空间分布（a）年平均气温，（b）年最低气温，（c）≥10.0℃活动积温，（d）最低气温≤-3.0℃的日数，（e）5月平均气温≥25.0℃的日数，（f）年降水量，（g）8—10月降水量Fig.3 The spatial distribution of climatic suitability indicators of loquat planting in southeastern Hubei Province（a）annual average temperature，（b）annual minimum temperature，（c）active accumulative temperature greater than or equal to 10.0℃，（d）days with the minimum temperature less than or equal to-3.0℃，（e）days with average temperature greater than or equal to 25.0℃in May，（f）annual precipitation，（g）precipitation from August to October

2.3 枇杷综合生态适宜性区划

采用层次分析法计算上述各适宜性指标的权重（表3），然后根据公式（4）计算鄂东南枇杷综合生态适宜度，并按照自然断点法划分为不适宜区、次适宜区、适宜区、最适宜区4个等级，得到鄂东南枇杷综合生态适宜性区划图（图4）。

图4 鄂东南枇杷综合生态适宜性区划Fig.4 Comprehensive ecological suitability zoning of loquat in southeastern Hubei Province

表3 鄂东南枇杷生态适宜性指标权重Tab.3 The weight of loquat ecological suitability indexes in southeastern Hubei Province

（1）最适宜区

最适宜区的综合生态适宜度为2.60～3.00，占研究区总面积的23.0%，主要分布在嘉鱼、赤壁、咸安沿江和沿湖区域，其海拔高度多在100 m以下，保证率80%的年平均气温在17.0℃以上，≥10.0℃活动积温超过5500.0℃，年最低气温在-6.0℃以上，最低气温≤-3.0℃的日数小于5 d，8—10月降水量为200.0～300.0 mm，年降水量在1300.0～1600.0 mm之间。最适宜区枇杷种植的气候条件优越，但5月平均气温≥25.0℃的日数略有偏多（多为8～10 d），可以种植早熟品种，避开5月下旬后的高温风险，早上市的枇杷也利于提高经济效益。另外，成片区域的坡度多低于3°，适宜建设规模化种植园，并建议畅通排水沟渠或增设排水设施。

（2）适宜区

适宜区的综合生态适宜度为2.20～2.59，分布范围最广，占总面积的60.8%，主要分布在中部至南部乡镇，其海拔高度多在100～250 m之间，保证率80%的年平均气温在16.1～17.0℃之间，≥10.0℃活动积温为5000.0～5500.0℃，年最低气温为-6.9～-6.0℃，最低气温≤-3.0℃的日数为5～8 d，8—10月降水量为300.0～350.0 mm，年降水量为1500.0～1600.0 mm。适宜区坡地的排水条件优越，枇杷种植的气候条件较好，且5月平均气温≥25.0℃的日数多在5～8 d，利于枇杷大果的形成，适宜种植中熟品种，还可以利用丘陵和低矮山地海拔高度差异的立体气候优势，发展综合品质优异的枇杷种植区。由于低温天数略多，存在一定的低温风险，该区域发展早熟品种需考虑采取栽培技术或设施避冻［30］。

（3）次适宜区

次适宜区的综合生态适宜度在1.80～2.19之间，其面积最小，占总面积的6.6%，主要分布在同适宜区相接的中部和南部山地。次适宜区海拔高度多在251～450 m之间，保证率80%的年平均气温为14.0～16.0℃，≥10.0℃活动积温接近于5000.0℃，年最低气温为-8.0～-7.0℃，最低气温≤-3.0℃的日数为9～12 d，8—10月降水量为350.0～400.0 mm，年降水量为1600.0～1800.0 mm。整体来看，该区域海拔相对较高，热量、降水等条件虽能满足枇杷生长发育，但低温天数较多，致使大规模种植风险较大，少量种植可以考虑中晚熟品种，充分利用高海拔区域有利于果实可溶性固形物、三萜类物质生成积累的较大气温日较差和低温环境优势［31-32］，发展营养价值和功能价值俱佳的枇杷。

（4）不适宜区

不适宜区的综合生态适宜度在1.20～1.79之间，占总面积的9.6%，主要分布在中部和南部海拔450 m以上的山区。其保证率80%的年平均气温在14.0℃以下，≥10.0℃活动积温小于4500.0℃，年最低气温低于-8.0℃，最低气温≤-3.0℃的日数在12 d以上，8—10月降水量、年降水量分别在400.0、1800.0 mm以上。该区域海拔高，冬季频繁出现低温，枇杷花果极易遭受冻害，不适宜枇杷规模化种植。

3 讨论与结论

3.1 讨论

利用种植现状对作物区划结果进行验证是普遍使用的方法之一［22］。调查发现，枇杷在鄂东南各乡镇广为种植，其中通山县大畈镇连片种植区的面积最大，该镇大坑村、鸡口山村、官塘村等14个行政村枇杷种植园的海拔高度都在300 m以下，园区多是坡度20°及以下的东南向或南向丘陵坡地。另外，海拔高度在250 m以上的区域枇杷坐果率不高；在冬季低温时，北坡枇杷的花和幼果受冻情况严重。通山县大畈镇处于枇杷生态区划的适宜区，枇杷园的布局现状及种植情况与区划结果较为一致，初步验证了本文区划结果的客观性。

在作物气候区划中，区划指标往往选取对其生长发育影响显著的气候变量。本文在前人研究基础上还考虑了对枇杷产量和品质形成有重要影响的8—10月降水量、5月平均气温≥25.0℃的日数等水热条件指标，但未考虑光照条件，其原因：一是枇杷属喜光耐阴树种，对光照要求不严；二是在需要较长日照条件的花芽分化期，正是鄂东南由盛夏转初秋的时节，天气晴多雨少，平均月日照时数在450 h以上，完全能够满足枇杷对光照的需求。

气象要素与地理空间信息相结合，是作物精细化区划的常用方法［19-25］。相比于基于国家自动气象站的多源融合格点（10 km）资料［20］，本文使用的约5 km网格湖北省区域气象站观测资料更贴近生产实际。另外，对于无资料区域的气候指标空间分布，本文借鉴了多元线性回归模型推算方法［22，24-25］，得到的7个气候指标空间分布方程都通过了显著性检验。其中，年平均气温和≥10.0℃活动积温回归方程的拟合优度（决定系数）接近1，其他指标的拟合优度均超过了0.5，说明拟合结果能够反映气候指标在鄂东南空间分布上的客观规律，但对具体点的拟合值还存在一定差异，还需要在今后研究中完善。

3.2 结 论

（1）从热量条件来看，整体上鄂东南西北部优于东南部，但东南部枇杷果实的有效生长期更长；从降水条件来看，东南部年降水量优于西北部，但西北部8—10月降雨少，更利于花芽分化。从地形条件来看，西北部大部区域及中部、南部山间盆地和河谷的坡度较小，坡向对这些区域枇杷种植影响不大，枇杷适宜区面积较大；坡向对枇杷种植影响较大的中部和东南部坡地，适宜的南坡或偏南坡枇杷分布较多。整体来看，影响鄂东南枇杷种植生态适宜性的主要因素是年最低气温和最低气温≤-3.0℃的日数。

（2）从综合生态适宜性区划结果来看，鄂东南枇杷生态最适宜区和适宜区累计面积占总面积的80.0%以上，枇杷种植有很大的发展空间。因此，可以充分利用鄂东南西北沿江、湖滨连片区域良好的热量条件，通过发展枇杷早熟品种增加经济效益；在中部、东南部海拔高度低于250 m的中熟枇杷适宜种植区，利用丘陵山地的立体气候优势，合理布局具有一定规模的高品质枇杷种植园，形成优质枇杷种植的集聚地。