不同播期下我国设施农业气候适宜性评价*

张馨宇，张 琪，2※，杨再强，韩佳昊

（1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京 210044；2.江苏省农业气象重点实验室，南京 210044；3.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京 210044）

0 引言

农业气候适宜性评价是反映农业生产与气候关系的专业性气候区划[1]。合理的农业气候适宜性区划结果对于农业发展规划的制定、减轻气象灾害影响、为设施作物提供最佳的生长条件等具有重要意义[2]。随着生活水平提高，对高品质无公害蔬菜的需求量不断增加，设施农业在整个农业中所占地位日趋重要[3]。设施农业与露地栽培相比具有环境相对可调控的特点，不受季节限制全年皆可生产，但气象条件直接影响温室设施建造成本和生产过程中的调控成本。若调控不及时，温室内不利的小气候条件会引起设施作物病虫害[4]，在病虫害防治过程中使用化肥、农药不仅会增加生产成本还会造成环境污染。因此气象条件是布局设施农业需要考虑的重要因素，对全国进行设施农业气候适宜性评价是非常有必要的。

我国农业气候区划最早在1931年由竺可桢提出[5]，20世纪60年代以来全国学者对其开展了系统的研究[6,7]。近30年来，随着3S技术和气象观测系统的发展，农业气候区划的空间尺度日趋精细化[8,9]。传统农业气候区划以大田作物为主，较少涉及设施农业气候适宜性的研究。目前针对设施农业气候适宜性的研究主要有两类：一类是针对区域设施农业最主要的限制气象因子进行的单气象要素的适宜性研究[10-12]，如张永红等[10]根据不同等级大风日数对渭南市设施农业进行了大风适宜性评价；李德等[11]构建了安徽省设施农业低温指数，并进行了气候适宜性评价。另一类考虑影响设施农业生产的大风、气温、日照等多个气象要素进行的综合适宜性研究，可通过聚类或加权等数理统计方法将各气象要素进行综合[13-16]，如张山清等[13]通过专家打分法确定各气象要素权重对天山北坡经济带进行了设施农业气候适宜性区划；或者如马力文等[14]认为各气象要素处于同等重要地位，采用集优法综合各气象要素进行适宜性评价。当前针对设施农业气候适宜性的研究多沿用大田作物的区划方法，对设施农业自身的一些特性如全年皆可生产等关注不足。

文章以1990—2019年我国693个标准气象站逐日最高和最低气温、最大风速、日照时数的数据为基础，结合设施农业全年皆可生产的特点，将全年分为12个播期（每月1日移栽），对各个播期我国设施农业气候适宜性进行评价。番茄是全国各地区普遍生产的设施作物类型[17]，采用各地设施番茄生产成本数据对设施农业气候适宜性评价结果的合理性进行简单检验。研究结果对于指导设施农业布局，明确不同时间各地设施农业面临的主要气象灾害类型等具有重要意义。

1 数据与方法

1.1 数据来源

研究数据包括1990—2019年我国693个标准气象站的逐日最高和最低气温、日照时数和最大风速数据，空间覆盖范围为73°40′E～135°05′E，4°00′N～53°31′N，数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/）的“中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集（V3.0）”，站点分布如图1。考虑到基于省级行政单元不利于说明气候不适宜地区的分布情况，按照中国行政区划[18]，将我国按行政单元分为东北、华东、华北、中南、西北和西南共六大行政区域，如图1。设施番茄生产成本数据来源于《全国农产品成本收益汇编》（2014—2018年），具体包括21个省、直辖市及自治区的每667m2设施番茄生产成本费用和固定资产折旧费用，其中各省生产成本如图1。其中生产成本是设施农业生产过程中投入人力、物力所产生的总费用，固定资产折旧费是生产成本的主要组成部分，主要是指建造的大棚骨架、墙体等可长期使用设备、器具在生产过程中因使用或损耗而产生的费用。

图1 气象站点及设施番茄生产成本空间分布

1.2 研究方案流程

该研究中的全年不同播期设施农业气候适宜性评价具体流程见图2。

图2 设施农业气候适宜性评价流程

（1）判定各生长周期气象条件是否适宜。通过系统总结前人关于设施农业气候适宜性的研究，发现影响我国设施农业生产的气象要素主要有温度（高温、低温）、日照、大风这几个方面[10,12,19-21]，参考已有研究判定某日各气象指标是否适宜的标准见表1。设施作物全年皆可种植，多为无限生长型，在设施内的生长周期普遍在半年以上[22]。因此该文假定每月1日移栽，生长周期定为180d，则30年共360个生长周期。根据每个生长周期内某气象指标不适宜的天数占比来判定该生长周期的该气象指标是否适宜。

表1 气象指标及生长周期是否适宜判定标准

（2）各播期单气象指标的适宜性评价。对低温、高温、日照、大风这四个方面分别进行适宜性评价，根据某站点30年同一播期的30个生长周期中适宜生长周期的年数来判定该站点该播期的气象指标的适宜性等级，共分为适宜、较适宜、较不适宜和不适宜4类，对应的适宜生长周期年数分别为27～30年、21～26年、12～20年和少于12年。

（3）全年不同播期设施农业综合气候适宜性评价。在单气象指标适宜性评价的基础上，采用集优法[14]，4个气象指标无主次之分，根据某站点4个气象指标适宜性等级的组合情况判定该站点综合气候适宜性等级，具体判定方法如表2，共分为适宜、较适宜、不适宜3类。

表2 综合气候适宜性评价标准

（4）气候适宜性评价结果检验。考虑到上市时间，设施番茄主要在8月至次年1月移栽[17]，因此采用设施番茄生产成本验证适宜性评价结果时仅对8月至次年1月的播期的适宜性评价结果做简单验证。任意气象条件不适宜都会增加温室设施建造成本及在生产过程中的调控成本，因此采用收集到的各地多年平均设施番茄生产成本数据来验证综合气候适宜性评价结果。大风对设施农业的影响主要是损坏设施本身的棚膜、骨架，而低温主要会使得当地为了抵御低温建造保温效果更好、造价更高的温室设施，因此采用各地多年平均固定资产折旧费检验大风和低温这两个气象指标的适宜性评价结果。

2 结果与分析

2.1 全年播期下我国设施农业各气象指标适宜性评价

全年不同播期下的我国设施农业低温、高温、日照和大风的适宜性评价结果如下。关于低温，3—6月开始的播期全国绝大多数地区为低温适宜区，这个时期种植设施作物在生育期内遭遇的低温天数最少；7月至次年2月的播期我国东北、华北和西北地区以及华东北部和西南北部地区处于低温不适宜区，这些地区多采用的设施类型为日光温室，可抵御低温带来的不利影响，但建造成本也更高（图3）。关于高温，2—7月的播期在我国华东南部和中南南部地区以及西南东部地区和新疆中南部地区存在高温不适宜区，其余播期全国各地设施农业较少受到高温威胁（图4）。关于日照，可以看出我国中南地区、华东南部地区和西南东部地区各个播期日照条件不适宜的地区面积都较大，设施生产容易遭受寡照的威胁（图5）。关于大风，受地形影响，青海地区及内蒙古北部地区全年各播期大风不适宜地区面积都较大，东北地区在9月至次年3月开始的播期的大风较不适宜和较不适宜地区的面积较大（图6）。

图3 1990—2019年不同播期下我国设施农业低温气象指标适宜性评价

图4 1990—2019年不同播期下我国设施农业高温气象指标适宜性评价

图5 1990—2019年不同播期下我国设施农业日照气象指标适宜性评价

图6 1990—2019年不同播期下我国设施农业大风气象指标适宜性评价

2.2 全年播期下我国设施农业综合气候适宜性评价

图7 为综合了4个气象指数的全年不同播期下我国设施农业综合气候适宜性评价结果。可以看出，在7月至次年2月的开始的播期，设施农业气候不适宜性的地区主要出现在我国东北、西北和西南的部分地区以及华北南部地区，而中南和华东地区多为较适宜区。随着生长周期内的天气转暖，3—6月开始的播期中设施农业气候不适宜的地区主要分布在我国华东南部地区以及中南、西北和西南的部分地区，而东北和华北地区多处于适宜区。

图7 1990—2019年不同播期下全国设施农业综合气候适宜性评价

根据综合气候适宜性评价中关于不适宜区的定义，为了进一步分析综合气候不适宜主要由哪两种气象指标不适宜的组合所造成的，统计了大风低温、大风高温、大风寡照、低温寡照和高温寡照5种双气象指标同时不适宜的次数（表3），可以看出大风低温、高温寡照这两种同时不适宜组合占比最高，分别是33.53%和41.24%。

表3 综合气候不适宜的主要气象指标组合类型

为了进一步分析大风低温和高温寡照这两类不适宜组合主要发生的播期和区域，图8和图9中双因子适宜性等级中适宜、较适宜和不适宜的划分标准见表4。由大风低温适宜性评价结果可以看出（图8），大风和低温这两个气象指标同时不适宜主要发生在7月至次年2月开始的播期的我国东北、华北、西北、西南的部分地区，结合我国综合气候适宜性区划结果，可以发现是造成这些地区综合气候不适宜的主要原因；其余各个播期，除了青海地区外全国大部分地区处于大风低温适宜区。高温日照适宜性评价结果显示（图9），高温寡照主要发生在我国华东南部、中南南部地区以及西南部分地区的2—7月开始的播期，是造成我国这些地区综合气候不适宜的主要因素；9月至次年1月开始的播期，在我国大部分地区不存在高温日照不适宜区。

图8 1990—2019年不同播期下大风低温双气象指标适宜性评价

图9 1990—2019年不同播期下高温日照双气象指标适宜性评价

表4 双气象指标适宜性评价标准

2.3 设施农业气候适宜性评价结果检验

由于设施番茄多年平均生产成本与固定资产折旧费用为各行政单元内的每667m2平均值，因此计算各行政单元内所有站点综合气候适宜性等级进行平均作为该行政单元的综合气候适宜性等级，将所有行政单元的生产成本与综合气候适宜性等级进行相关分析验证综合气候适宜性评估结果的合理性，相关系数见表5。可以看出8月至次年1月各个播期的适宜性等级与生产成本都呈负相关，特别是11月至次年1月开始的播期负相关达到显著，综合气候适宜性较差的地区设施番茄生产成本高，可能与不利的气象条件有关，验证了该研究综合气候适宜性评估结果的合理性。此外，由于8月至次年1月的综合不适宜性主要是由于低温大风这两种气象要素指标不适宜造成的，因此采用设施番茄固定资产折旧费与单气象指标中的低温和大风的适宜性等级分别进行相关分析，结果见表5。可以看出在各个播期低温适宜性等级与固定资产折旧费都达到了显著的负相关，大风适宜性等级与固定资产折旧费也呈现负相关，特别是9月至次年1月的播期达到了显著，说明低温、大风适宜性较差的行政单元固定资产折旧费较高，可能与这些地区为抵御大风、低温建造的设施规格较高、设施建造成本高有关，验证了单气象指标适宜性评价结果的合理性。

表5 全年不同播期气候适宜性与设施番茄成本费用相关性

3 讨论与结论

3.1 讨论

该文针对影响设施农业的低温、高温、日照和大风四个方面，对我国设施农业进行单气象要素气候适宜性评价，与前人结果基本一致。例如：孙杨等[23]研究西北地区农业资源分布时，指出≤0℃在西北地区呈现自南向北增加，与低温气候适宜性评价结果基本一致；王艳姣等[24]指出中国发生≥35℃极端高温的日数较多的地区主要位于新疆中南地区，而东北地区发生日数较少，与高温适宜性评价结果中不适宜地区主要出现在我国华东南部、中南南部地区和西南部分地区以及新疆中南部的结果相一致；肖风劲等[25]发现中国年平均日照时数呈现“南少北多”的分布特征，与日照不适宜区主要分布在我国中南地区、华东南部地区和西南东部地区结果相一致；孔峰等[26]指出中国年均大风日数的分布情况呈现明显东南低、西北高的趋势，其中大风日数的高值区主要在西藏中部和西部、青海南部、四川西部、新疆东部以及内蒙古和甘肃北部，与全年播期中大风适宜区主要出现在华东、中南和西南地区，大风不适宜区主要出现在青海地区和内蒙古北部地区的结果相一致。该研究与以上前人研究结果相一致，但该研究针对设施农业本身全年皆可种植的特点，将全年分为12个播期，采用设施农业中相关的气象指标对我国设施农业气候适宜性进行评价，明确各个地区不同时间的主要灾害类型，因此该研究结果更具有指导意义。

在综合气候适宜性评价中，该研究中没有使用以往研究中常用的聚类分析[27]、加权[28]、专家打分法[29]等数理统计方法将单气象指标进行综合运算，而是采用集优法根据各个气象指标适宜性等级的组合情况确定综合气候适宜性等级，这样可以较为直观分析出综合气候不适宜的地区主要由哪些气象指标不适宜造成的，明确各地在不同时间设施农业需重点防御的气象灾害类型。此外，以往气候适宜性评价或风险区划的研究都缺少对区划结果合理性的检验[6,8,10-16]，该研究采用设施番茄生产成本数据对适宜性区划结果进行了简单验证，结果合理。该研究从设施农业不同播期出发，较以往研究进一步明确了各地不同时间面临的主要气象限制因素，考虑到基于省级行政单元不利于说明不适宜地区的分布情况，在研究中采用更具有权威性的政府文件进行行政单元的划分，划分后的行政区域简单明了，方便说明研究结果。但研究结果中某些行政区域内气候条件差异较大，如在综合适宜性评价中，位于中南地区北部的河南省与华北部分地区气候条件相似都为不适宜，而与位于中南地区南部广西和广东省的较适宜地区气候条件差异较大，今后研究中可以采用不同的区域划分方式说明不适宜地区的分布情况。

3.2 结论

气象条件直接影响温室设施建造成本和设施农业生产过程中的调控成本，该研究针对设施农业全年皆可生产的特点，将全年分为12个播期（每月1日移栽），对各个播期下全国设施农业单气象指标（低温、高温、日照、大风）的适宜性及综合气候适宜性进行评估，得到主要结论如下。

（1）低温不适宜区主要分布在我国东北、华北和西北地区以及华东北部和西南北部地区7月至次年2月的播期；高温不适宜区主要在我国华东南部、中南南部地区以及西南部分地区和新疆中南部地区2—7月的播期；日照和大风的不适宜性地区不随季节发生较大的改变，日照不适宜区主要分布在我国中南地区、华东南部地区和西南东部地区，大风不适宜区主要出现在我国青海地区和内蒙古北部地区。

（2）对于3—6月的播期，我国设施农业综合气候不适宜的区域主要出现在我国华东南部地区以及中南、西北和西南的部分地区，主要由高温和寡照带来；对于7月至次年2月的播期，综合气候不适宜的区域主要分布在我国东北、西北和西南的部分地区以及华北南部地区，主要由低温和大风造成。

（3）各省设施番茄的多年平均生产成本与综合气候适宜性等级呈负相关，固定资产折旧费与低温、大风适宜性等级呈负相关，且大多数播期都达到了0.05显著性水平，总体而言评估结果中气象条件不适宜的地区设施番茄成本费用较高，验证了气候适宜性评估结果的合理性，气候适宜性评价结果反映了不同地区不同时段的气候差异性，为设施作物生长提供最优气候条件、合理布局设施农业提供重要科学依据。