基于DEM的荔枝冻害精细化区划——以福建省漳州市为例

苏晓玲，陈志彪，陈志强，龚松柏，黄筱彧，郭湘宇，郭伟斌，朱 艳

(福建师范大学地理科学学院，福州350117)

0 引言

漳州市位于福建省东南部，九龙江下游，东临台湾海峡。漳州是福建荔枝主要产区，气候温和，属南亚热带海洋性季风气候，干湿季分明，雨量充沛，雨热同季。漳州市多年平均气温21.4℃，年日照时数1 883 h，无霜期360 d［1-2］，为荔枝生长提供了丰富的水热资源，但漳州气象灾害频繁，严重影响荔枝产量，其中低温灾害较为常见。如1999年12月下旬，福建遭受了52 a来最严重低温冻害，致使漳州农作物受冻总面积达9万 hm2，直接经济损失达15亿元，其中荔枝 (少量龙眼)受灾面积达3万hm2［3］。由于复杂的小地形环境所形成局地小气候的影响，使荔枝低温灾害因地而异，所以人们更关心非气象记录的地方的低温及荔枝低温冻害的空间分布情况。郭淑敏［4］采用专家打分法对5个农业气候区划指标在广西荔枝种植总体布局中的影响程度进行赋分，最后根据各区划指标对荔枝栽培效果的影响进行分区;刘璐等［5］利用经度、纬度、DEM数据建立极端最低温度小于－8℃日数模型，并在此基础上对低温冻害进行区划;徐宗焕等［6］、吴仁烨等［7］利用公里网X、Y数据、海拔计算多年平均极端最低气温，并进行分区描述;王加义等［8］利用地理三因子及离海距因子，以提升模型拟合精度;郑小琴等［9］利用1月平均最高气温、2月日照时数、8月平均气温、5—8月总雨量模拟冻害等级。本研究利用福建省67个气象站点的观测资料、站点经度、纬度、海拔、离海距数据进行小网格推算越冬期极端最低温度分布模型及4个等级冻害发生频次空间模型的构建，利用均方差决策法确定各荔枝冻害指标权重，在此基础上对漳州荔枝冻害等级分布进行分析，以期为农业生产制定合理规划布局和防灾减灾提供科学依据。

1 材料与方法

本研究所采用的气象观测数据源自福建省气象信息中心，包含全省67个气象观测站1961—2012年52 a来冬季逐日最低气温、气象站经度 (X)、纬度 (Y)与海拔 (H)。地形数据为福建省数字高程图。利用气象资料统计出52 a来历年平均越冬期 (12月—翌年2月)极端最低气温Td，统计冬季逐日日最低气温在－2℃ ＜Td≤0℃、－3℃ ＜Td≤－2℃、－4℃ ＜Td≤－3℃、Td＜ －4℃各个温度段 (分别划分为1级、2级、3级、4级冻害)出现频次P。

1.1 空间推算模型建立

1.1.1 经度、纬度、海拔数据处理

随着经度 (X)、纬度 (Y)与海拔 (H)变化，极端最低气温 (Td)也发生相应的变化。在Arcgis 10.0中建立气象站点图层，添加属性数据包括67个站点经度、纬度、海拔等属性数据，计算越冬期极端最低气温年平均气温。

1.1.2 DEM建立

不规则三角网 (Triangulated Irregular Network，TIN)建立的数字高程模型 (Digital Elevation Model，DEM)模型能充分利用地貌的特征点、线，较好地表示复杂地形［10］，本研究利用福建省50 m等高线图建立逼近地形表面的TIN，再利用TIN转化为DEM模型，基于DEM影像的极端最低气温插值法能够更好体现复杂地形下气温空间分布。

1.1.3 离海距计算

中国把海岸线定义为平均大潮高潮时海陆分界的痕迹线［11］。本研究利用福建省高程图临海边界作为海岸线，在Arcgis 10.0中裁剪沿海界线，根据气象站在栅格数据层中位置，利用欧氏距离法计算各站点到海岸线直线距离［8］，即气象站点离海岸线的直线最短距离。

1.1.4 多年平均越冬期极端最低气温Td模型建立

越冬期极端最低气温可表征年度低温强度，历年平均值反映作物低温冻害状况［12］。以经度、纬度、海拔和离海距作为影响因子，在SPSS16.0中采用逐步回归分析方法，建立福建省多年极端最低气温Td与各个因子的回归方程，以提高漳州市多年极端最低气温Td模型的准确性，得出以下结果方程:

式中X为经度、Y为纬度、H为海拔，该模型相关系数为0.966，通过R=0.01的显著性检验。

1.1.5 4个等级冻害模型建立

从荔枝避寒避冻的角度，把 －2℃≤Td≤0℃、－3℃ ＜Td≤ －2℃、－4℃ ＜Td≤ －3℃、Td＜－4℃作为荔枝越冬期冻害的4个等级，以经度、纬度、海拔和离海距作为自变量，各个等级冻害年平均发生频次为因变量，建立4个等级的福建省荔枝冻害发生频次的逐步回归模型以提高拟合度，再根据漳州市10个气象站点观测数据的均方差决策法确定的4个等级冻害和极端最低气温权重，建立漳州市荔枝冻害空间分布模型。

H1、H2、H3、H4模型相关系数分别为0.856、0.868、0.880和0.878，4个模型都通过R=0.01的显著性检验。

1.2 区划指标权重确定方法

在多指标决策与排序的情况下，各指标相对权重系数的大小取决于在该指标下各方案属性值的相对离散程度，离散程度越大，权系数越大;若某指标下各方案的属性值离散程度为0(即属性值全相等)，则该指标的权系数为0［13］，均方差是确定评价指标离散程度最常用的指标。均方差决策法首先求出各个评价指标无量纲化属性值的均方差，将其归一化，即为各个评价指标权重。

无量纲化:Zij=(Yij－Yjmin)/(Yjmax－Yjmin)，式中i=1，2，3，…，n;j=1，2，3，…，m;Zij为各指标标准值，Yjmax和Yjmin分别为各指标的最大值、最小值。

Gij为各指标标准值，Gj为某指标集。

1.3 冻害综合指数值计算

根据1.2均方差决策法确定多年平均越冬期极端最低气温 (Td)及4个等级冻害空间模型 (H1—H4)权重 (表1)，加权后的5个空间模型相加即为冻害综合指数F(F值在0～1之间)。F=0.2153Td+0.2471H1+0.2892H2+0.2484H3

表1 指标均方差及权重Table 1 The mean squared and weight of grading index

2 结果与分析

2.1 冻害分区图

荔枝是南亚热带多年生常绿果树，性喜高温多湿，温度是荔枝生活重要条件之一，要求冬季有一段利于花芽分化又不遭受冻害的适宜低温［14］，越冬期极端最低气温与不同等级冻害发生频次会影响荔枝树生长，当荔枝遭受1级冻害 (－2℃≤Td≤0℃)时，荔枝出现受冻症状，叶片受冻枯死;当遭受2级冻害 (－3℃≤Td＜－2℃)时，幼树和正在成长的成龄树外枝条受冻;当遭受3级冻害 (－4℃≤Td＜－3℃)时，荔枝主干受冻;当遭受4级冻害(Td＜－4℃ )时，荔枝主枝受冻主干受冻，几乎全部冻死［7，15］，多年来漳州市极端最低气温在－6.38～4.25℃之间，漳州市低温冻害时常发生，尤其1、2级低温冻害，3、4级冻害发生较少，主要出现在中山区和高山区。根据表2将冻害综合指数结果进行重分类 ，分为微冻害区 (0.0≤F＜0.15)、轻度冻害区 (0.15≤F＜0.30)、中度冻害区 (0.30≤F＜0.45)和重度冻害区 (0.45≤F≤1.0)(图1)。由于各个县(市)中心处于水热条件较优越的河谷平原地带，漳州市各个县 (市)中心所在地荔枝冻害综合指数较低，处于微冻害区或轻度冻害区 (表3)。

表2 荔枝冻害等级设定Table 2 Standards of the freezing injury grading

表3 漳州市不同县 (市)荔枝冻害综合指数FTable 3 Integrated F index of the freezing injury of different counties in Zhangzhou

2.2 分区评述

2.2.1 微冻害区

主要分布在漳州市东南部丘陵地带，龙海(不包括西部大尖山)、漳浦 (不包括南部大尖山)、云霄 (不包括与诏安县接壤的乌山山脉)、诏安 (不包括霞葛镇以北及东北部地区)。其中漳浦县、云霄县和诏安县地势由西北向东南倾斜，背靠低山丘陵，南部面海，荔枝低温冻害发生较少且影响较小，漳浦县近52 a来有冻害年份2 a(最严重者出现在1962年，最低温度为 －2.4℃)，云霄近52 a来未出现冻害 (受1999年12月下旬寒潮影响，最低温为0℃)，诏安县有冻害影响 (最严重出现在1999年12月下旬，最低温度－1.3℃)。该区域拥有丰富的光热资源，夏季高温多雨，冬季温暖［2］，越冬期气候条件最佳，从气象条件分析，该区极端最低气温Td≥2℃，1级冻害发生频次较少，是荔枝、龙眼、香蕉等亚热带果树种植最适宜区域，该区域应注重提升荔枝生产质量及提高单位面积产量，种植大面积优质荔枝品种。

2.2.2 轻度冻害区

图1 漳州市荔枝冻害区划Figure 1 Regionalization of freezing injury of Litchi in Zhangzhou

该区域主要分布在长泰县 (不包括东、西、北三面低山丘陵)、芗城区 (比包括天宝大山)、龙文区、南靖县 (不包括龙山镇以西地区)、平和县 (不包括东南部大帽山、西北部大芹山和双尖山)、诏安县东北部地区。其中芗城区和长泰县东北面靠戴云山脉，背靠博平岭山脉，三面环山，荔枝低温冻害影响较最微冻害区大，但其中包含较优避冻区，如拥有典型“马蹄形”避冻地形的芗城区天宝镇的五凤农场及附近地区 (1999年12月下旬的极端最低气温1.4℃);南靖县及平和县背靠博平岭山脉，地势由西北向东南倾斜，东南部地势低洼地区，属荔枝低温冻害影响较小地带。该区域水热条件较优越，冬季较温暖，越冬期气象条件较理想，可满足荔枝生长发育要求，防寒抗冻能力仅次于最适宜区，在大面积种植的同时，应提高越冬期冻害防御能力。

2.2.3 中度冻害区

主要分布在低山区，包括漳浦县南部低山地区、龙海市西部与漳浦县西北部大尖山地带、华安县中部低山区、平和县中部及西南部低山地区。该区热量条件在闽东南地区较差，越冬期气象条件不理想，1、2等级冻害发生频次较高，越冬期极端最低气温－3～0℃，同时防灾减灾能力较弱，属于中度冻害区，且距海越远冻害越严重，该区域不太适宜大面积种植荔枝，可在区域内朝南的有利小地形中小面积种植，应增强冻害防御能力。

2.2.4 重度冻害区

主要分布在中山区和较高山区，包括华安县大部分地区、南靖县龙山镇以西山区、平和县霞寨镇以西山地。该地区热量条件不如前面3个区域，越冬期极端最低气温小于－3℃，2、3等级冻害发生频繁，荔枝冻害发生的影响持续时间长，是越冬期气象条件最差地区，不利于荔枝生产，因此该区不适宜种植荔枝。

3 结论与讨论

采用GIS技术，利用均方差决策法确定漳州市荔枝冻害评价指标，分析漳州市荔枝低温冻害空间分布规律及特征，其区划结果与荔枝实际种植区分布较一致:微冻害区、轻度冻害区主要分布在漳州市东南部及西北部低山丘陵，大致在长泰县枋洋镇—芗城区天宝镇—南靖县山城镇—平和县小溪镇—诏安县霞葛镇连线的东南地区，是漳州市荔枝适宜种植区及主要生产基地;中度冻害区、重度冻害区主要分布在微冻害区以西的中山区和较高山区，低温冻害频发，不利于荔枝的大面积种植。其区划结果与实际调查结果较吻合，如受1999年12月下旬强冷空气影响，漳浦县旧镇镇乌石村海拔500 m荔枝种植区受冻严重，叶片全部脱落、部分骨干枝条冻伤、主干严重受冻、花芽冻死，海拔300 m以下种植区，荔枝受灾较轻，叶片轻微卷曲或少数绿叶变黄、枝条无冻害或晚秋梢冻死、树干无损伤或木质部部分变黄色，部分顶花芽受冻［3］，说明GIS技术结合DEM数据应用于区域内的气象灾害空间分布与分区的合理性，且具有能够精细化反映复杂山区气象灾害空间分布规律的优势。

对越冬期果树低温冻害进行精细化区划与空间分布规律的研究，冻害评价指标的确定是重要环节，而冻害评价指标目前没有统一标准。徐宗焕等［16］、王加义等［17］以极端最低气温平均值为果树寒低温分级指标，刘璐等［5］以越冬期平均低温日数作为区划指标。本研究参考陈家金等［18］对荔枝生长的评估指标，采用均方差决策法确定荔枝冻害各评价指标权重，结合荔枝种植园实地调查，确定荔枝低温冻害评价指标，该指标不仅考虑到越冬期平均极端最低气温对荔枝生长的影响，还充分考虑了不同等级低温冻害发生频次的影响，并且建立越冬期极端最低气温 (Td)及4个等级冻害指标模型均利用经度、纬度、海拔、离海距，进行逐步回归分析，具有良好相关性及统计学意义，以越冬期极端最低气温 (Td)和4个等级冻害发生频次为指标的区划结果精细化反映了漳州市荔枝冻害空间分布特征。本研究在确定荔枝低温冻害评价指标时忽略小地形遮蔽度、坡度、坡向及风速等影响因子，有待今后不断完善，使漳州市荔枝冻害空间分布模型的模拟效果和实用性进一步提高。

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