云南省细香核桃气候适宜性研究

张志勇,丁春晓,田圆,郑骁喆，董良,王艳霞,周汝良

(西南林业大学林学院，云南 昆明 650224)

云南省细香核桃气候适宜性研究

张志勇,丁春晓,田圆,郑骁喆，董良,王艳霞,周汝良

(西南林业大学林学院，云南 昆明 650224)

利用卫星遥感图像判读细香核桃原产地分布区，利用GIS叠加分析方法采集分布区的年均温、大于10.8℃积温、年均降水、年均空气湿度作为生态适宜性限制因子，构建细香核桃气候适宜性概率模型，并进行栅格地图模拟，制作落实到山头地块的适宜区区划图，并进行空间统计与分析。结果表明：细香核桃适宜区主要分布于保山、大理、临沧、楚雄、红河州、曲靖市等地，面积约为1 335 491 hm2，约占全省土地面积的3.37%，适宜生长的最佳温度为16.4℃，积温为5 350℃,湿度在32%附近。

细香核桃；气候适宜性；地统计分析；概率模型；云南省

云南细香核桃的主要产地在保山市昌宁县，昌宁是全国出名的核桃之乡，已有2 000多年历史。细香核桃的营养价值高，其带来的经济效益十分可观，昌宁县土地资源丰富，土层深厚，土壤肥沃，生态环境好，发展种植业具最佳优势，且昌宁是细香核桃的原产地，无论从经济价值还是营养价值角度来研究昌宁细香核桃种植区的适宜性都具有重要意义。目前在国内，肖良俊等利用云南省核桃主产区的气候因子数据分析得出云南核桃对温度和水分要求较高[1]；樊金拴通过研究得出核桃生长的关键需水时期为4—6月份[2]；邵岩等利用气象站点和水文站点历史气候资料、历史土壤数据，应用GIS技术实现科学合理的云南气候、土壤、地形地貌适宜性区划[3]；罗成荣通过对气候因子和土壤因子的适宜性综合分析，将四川划分为4个核桃栽培区[4]；陈和彦根据云南核桃对立地条件的特定要求,利用ArcGIS软件的叠加分析功能,查找出适宜规划的特定区域,做出分级评价,并制作出规划图[5]；马文婷等通过研究得出生产中建议核桃树栽植在坡度较小、光照充足且土壤肥沃的地域[6]；黄伟娇根据山核桃生产的实际情况,采用GIS技术及数学分析方法对杭州市山核桃种植进行生态适宜性评价[7]；问青青、吴达胜等应用主成分分析、层次分析及模糊数学隶属函数等模糊综合评价模型来预测浙江山核桃潜在的适宜生长区域[8-9]；郭兆夏等利用陕西气象站气象资料和地理信息数据,采用GIS技术对核桃种植区进行气候适宜性区划,采用模糊综合评判的方法得到陕西核桃精细化气候适宜性区划图,并进行分区评述[10]；朱琳[11-13]等分别应用GIS技术进行了陕西苹果、白梨、柑橘、猕猴桃等主要果树的气候适宜性区划研究；熊华利用贵州气候、土壤和地形因子,使用空间分析技术,得出贵州核桃种植气候适宜性区划，进而得出贵州核桃种植生态适宜性区划[14]；金志凤、赵宏波综合考虑4个气候因子以及坡度、坡向、海拔、土壤类型和土壤质地等环境要素,应用层次分析法确定影响因子权重,基于应用统计学方法和地理信息系统,建立山核桃栽培区划的综合评估模型[15-17]。

综合以上学者的研究，通过不同的研究方法可以得出影响核桃生长的主要因子是温度，其次是水分、海拔及坡度、坡向。为探索细香核桃在云南全省适宜生长区域，本文以昌宁细香核桃种植区为研究对象，收集昌宁地区的遥感数据、气象数据和已有的研究结果，采用遥感数据技术、空间分析技术和SPSS工具对遥感图像和气象数据进行处理，用地统计方法建立细香核桃的气温适应性概率模型。建立细香核桃原生产区域的适宜性综合概率模型关系，来预测细香核桃在云南省最适宜种植区域。用概率的方法来表示适宜程度，通过与其生长相关的年均温、积温、年均湿度等气候因子建立相关的概率模型，在一定程度上可以更准确地反映出细香核桃的气候适宜性，比较其他的图层叠加区划方法和隶属函数的区划方法，能更准确地反映出细香核桃适宜区域，通过已经确定的细香核桃分布区，建立相关的概率模型及综合概率的乘积模型，预测细香核桃在云南省适宜种植的区域是本文创新的重点研究。

适地适种是经济林作物栽培种植的一项基本原则，细香核桃是云南省昌宁县本地的优质高产品种，由于气候适宜性条件限制，多次引种种植失败。鉴于此，研究该核桃品种的气候适宜性模型，并利用GIS系统区划了其在云南省的适宜种植区，以期对林农的引种种植提供指导。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

昌宁县地处北纬20°14′～25°12′，位于云南省西部，地处滇西大理、临沧、保山3地结合部，属于保山地区，最高海拔2 875.9 m，最低海拔608 m。属亚热带季风气候。境内年均温15.7℃，极端最高温40.4℃，极端最低温-6℃，年均降雨1 259 mm，无霜期253 d。山区面积占国土总面积的97.05%。干湿季分明，气候类型多样，生物多样性特征明显。

1.2 昌宁细香核桃优质高产地理分布区的数据采集

数据采集主要有昌宁县行政区划矢量数据及云南省保山市昌宁县林业资源二类调查数据。通过购买方式购买昌宁县空间分辨率约为0.54 m的卫星影像数据，收集云南省近20年来131个气象站的历史观测数据，利用空间建模和空间模拟方法，结合多景云南全景的MODIS卫星遥感数据反演的温度场、湿度场，制作了云南100 m分辨率的年均温场，年降雨量场、年均湿度场、≥10.8℃积温的地图，为气候适宜性建模，空间区划、统计分析提供基础数据。

1.3 样区数据解译和采集

利用GIS系统和空间分辨率约为0.54 m的卫星遥感图像，并且参照昌宁县林业资源二类调查数据作为解译标志,依据昌宁县林业资源二类调查数据中细香核桃种植面积最大的小班,确定12个优质高产原生地分布区(图1)。

1.4 气象因子基线数据的集成

利用森林火灾监测预警和扑救指挥数字化技术项目[18-19]同化反演的云南省全境空间分辨率100 m的历史年均温场、年降水场、年均空气湿度、积温等数据,因已经反演好的云南全省的温度、积温、湿度、

图1 原生地分布区域

降水等基线数据已经多次应用到课题中，精度较好，此处不再做反演。从已经模拟好的云南省气象数据中，在ArcGIS中利用昌宁县行政边界矢量数据裁剪出昌宁县的年均温度场、降水场、空气湿度、积温≥10.8℃的模拟基线数据如图2、图3、图4、图5所示。

图2 昌宁县年均温

1.5 地统计分析与概率模型的构建

地统计学是以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具，研究那些在空间分布上既有随机性又有结构性，或空间相关性和依赖性的自然现象的科学。将细香核桃分布有关气象数据调入GIS系统中，进行可视化渲染，与其它地理参考信息进行叠加，调用GIS空间建模和分析工具进行处理。

图3 昌宁县年降水

图4 昌宁县积温

水热条件是核桃生长发育的关键数据。首先利用昌宁县的行政边界矢量数据，分别叠加切割云南省年均温、积温、湿度基线数据，得到昌宁县的年均温、积温、湿度的模拟基线数据如图2，图3、图4、图5所示。

图5 昌宁县湿度

通过上面解译的12个细香核桃原生长区域的面状数据，在ArcGIS软件中利用面转点的处理功能，把12个细香核桃分布的面状数据转化为点数据，最后得到326个点数据，利用得到的326个点数据对昌宁县的年均温、积温、湿度3个气候因子的栅格数据进行提取，分别得到对应点上的年均温、积温、湿度值。

对得到样点的年均温、积温、湿度数值进行分区和频数统计，最后得到适宜性频率分布直方值。对年均温的数值以0.3℃为步长进行分组；对积温的数值以150℃为步长进行分组；对湿度的数值以3%为步长进行分组。用SPSS软件分别对年均温、积温、湿度的度量值和频率值进行统计回归，通过频率分布直方图进行数据建模可得到各因子的适应性概率模型。通过对样本数据及对应数据的处理，由对应频率分布直方图可知图形类似钟行曲线，并由曲线拟合得出昌宁细香核桃与昌宁年均温的函数模型：

P1=A×eB×(t-U)2

式中：t为年均温,P1为昌宁细香核桃生长所需年均温×模型。

同样得出昌宁细香核桃生长与积温≥10.8℃的曲线模型：

P2=A1×eB1×(JW-U1 )2

式中：JW为积温，P2为积温对应概率。

按照上述方法，昌宁细香核桃生长与湿度的模型如下：

P3=A2×eB2×(SD-U2 )2

式中：SD为相对湿度，P3为年均湿度对应概率。

根据生态因子作用的综合性特征可知，各生态因子与其他因子相互作用，而又相互制约，一个因子变化也会影响其他因子变化，尽管生态因子是综合作用的，但各因子的独立作用不同，所以假设以上因子对栽培种植的作用相对独立，依据概率原理，则全部因子的联合作用符合乘积概率，则：

P=P1×P2×P3

式中：P1为年均温，P2为积温，P3为湿度单因子概率适应性函数，P为总体的适宜概率函数。

结合样区数据和专家知识，设计适宜和不适宜的语义表达模型,以样区核桃生长的最低乘积概率值作为适宜与不适宜的临界值进行适宜与不适宜的区划。利用上述模型，在GIS系统中对乘积概率模型进行渲染，然后利用栅格分析统计适宜区与不适宜区面积。

2 结果与分析

2.1 结果检验

通过对样本数据进行曲线拟合得出昌宁细香核桃与昌宁年均温的函数模型：

P1=0.915×e-5.361×(t-16.4)2

式中：t为年均温,P1为昌宁生长所需年均温模型。

在方差结果分析中，其自由度为7，F值=54,从F检验临界值表可知F>F0.01(1，7)=12.246，模型通过F检验，在α=0.01水平上显著相关，该模型R方=0.864。

同样得出昌宁细香核桃与积温≥10.8的曲线模型：

P2=0.968×e-2.229×10-5×(JW-5350)2

式中：JW为积温，P2是积温对应的概率模型,其F=59.4615>F0.01(1，7)=12.246，模型通过检验，R 方=0.89。

按照上述方法，可得昌宁细香核桃与湿度的模型：

P3=0.921×e-0.026×(SD-32)2

式中：SD为相对湿度，P3为地表湿度对应概率,其F=59.25>F0.01(1，7)=12.246，模型通过检验，其R 方=0.923。

全部因子的联合作用乘积概率：

P=P1×P2×P3

利用乘积概率模型，在GIS系统中对乘积概率模型进行云南省栅格计算。依据昌宁县原生地细香核桃的综合适宜性概率乘积模型，使用ArcGIS栅格计算器带入昌宁县和云南省分辨率为100×100 m的年均温、积温以及湿度的栅格数据计算，得出整个昌宁县和云南省分辨率为100×100 m细香核桃适生概率的分布结果如图6和图7所示。

2.2 昌宁细香核桃分布

昌宁细香核桃在昌宁县内的分布情况如图6所示。昌宁细香核桃主要分布在珠街彝族乡、耇街乡、大田坝乡、柯街乡、漭水乡、卡斯乡的少部分、温泉乡的大部分区域、鸡飞乡的大部分区域、更戛乡的东部、湾甸的东部、勐统的小部分区域。

2.3 昌宁细香核桃在云南省适宜生长性分析及预测

从云南省细香核桃适生概率分布图中可知，昌宁细香核桃主要适宜生长在保山市的大部分地区，大理市的南部及东南部，临沧市的东部及北部，楚雄的北部区域及中部，昆明市的北部，玉溪市的东北部，红河州北部，曲靖市的西南部。

2.4 县级适宜生长区域分析

从云南省适宜生长概率预测分布图(图7)可以得出，细香核桃主要适宜生长的地区有保山、施甸、龙陵、永平、腾冲、盈江、巍山、弥渡、南涧、凤庆、宾川、漾濞、永盛、临沧市、云县、沧源、双江、澜沧、南华、楚雄、大姚、永仁、元谋、双柏、牟定、武定、峨山、江川、通海、华宁、石屏、建水、蒙自、文山、丘北、宜良、石林、富明、东川、会泽、富源、师宗等县。

图6 昌宁县细香核桃适生概率Fig.6 FinefragrantwalnutsuitableprobabilityofChangningCounty

图7 云南省细香核桃适生概率

通过对细香核桃适宜生长区域研究，得出在云南省全境内适宜种植细香核桃的面积大约占全省面积的3.37%，约1 335 491 hm2;不适宜的面积约占全省面积的96.63%。

3 结论与讨论

1)利用地统计分析方法建立物种的时态适宜性概率模型，与传统的基于样本数据建模方法相比，综合概率表达比传统回归模型更能体现物种的适宜性。

2)建模方法使用了积温、年均温、湿度气候因子来做气候适宜性分析，所表征的规律更为准确、客观和全面，同时为引种种植到云南全省其他适宜地区省去了传统抽样调查的抽样设计和野外工作，节约了人力物力。

3)研究区域更具体，以昌宁县细香核桃原产地分布区作为样本数据进行采样建模。利用云南行政区域的县级矢量地图叠加，研究结果得知，细香核桃生长适应性与行政规划界线无关，影响细香核桃分布的是积温、年均温、湿度这3个主要气候因子。其次，对于昌宁细香核桃在云南全省的栽培具有指导生产实践的作用。

4)值得注意的是，由于样本区域在同一个县内，降水的变化规律不具明显差异，但可通过研究得知细香核桃最适宜生长的降水范围为1 000～1 200 mm。通过对细香核桃的气候适应性研究得知，在气温为15.5～17.3℃时比较适宜细香核桃生长，生长积温在4 900～5 800℃、湿度在26%～38%时生长较好。

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Climatic Adaptability Division for Walnuts in Yunnan Province

ZHANG Zhiyong, DING Chunxiao, TIAN Yuan, ZHENG Xiaozhe, DONG Liang, WANG Yanxia,ZHOU Ruliang

(College of Forestry, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan)

In this paper, we used satellite remote sensing images to identify the geographical distribution area of the Changning walnuts cultivars, and adapted GIS overlay analysis method to select the annual mean temperature, accumulated temperature higher than 10.8 ℃, and the annual mean air humidity of the distribution area as ecological suitability limiting factor. This study constructed the climate suitability probability model of the cultivars, and carried out the grid map simulation, implemented the appropriate zoning map, and analyzed the spatial statistics. The results showed that the suitable area of Xixiang walnut was mainly distributed in Baoshan, Dali, Lincang, Chuxiong, Honghe and Qujing, was about 1335491 hm2, accounting for about 3% of the province, and the optimum temperature for growth was 16.4 ℃, accumulated temperature was at 5350 ℃, humidity was around 32%.

Changning walnuts; climate suitability; geostatistical analysis; spatial probability model; Yunnan Province

10.3969/j.issn.1671-3168.2017.02.001

2017-03-13；

2017-04-10.

云南省森林灾害预警与控制重点实验室科研开放基金(zk150008)；云南省科技创新人才计划项目(2014HC014).

张志勇(1991-)，男，云南曲靖人，硕士研究生.主要研究方向：资源与环境遥感.Email：zzy952779038@gmail.com

周汝良(1963-)，男，云南祥云人，教授.主要研究方向：森林病虫害的监测预警、林业遥感.Email:zhou_ruliang@163.com

S792.13；S718.512

A

1671-3168(2017)02-0001-06