基于GIS的杭州市枇杷气候生态区划

刘 娟，徐海军，姜燕敏

(1.浙江省气象服务中心，浙江 杭州 310016；2.浙江省杭州市余杭区气象局，浙江 杭州 311100；3.浙江省丽水市气象局，浙江 丽水 323000)

枇杷是亚热带常绿果树，属蔷薇科植物，起源于我国西南地区，有较高的经济效益和良好的生态效应[1]。

杭州属于亚热带季风气候区，气候条件比较适宜枇杷的种植，种植枇杷已有近1400年的历史，尤其是余杭塘栖枇杷，因其果形美观、色泽金黄、果大肉厚、汁多味美而享誉省内外，已成为浙江省乃至全国久负盛名的传统特色果品[2]。

近年来，杭州市及其周边地区枇杷种植面积不断扩大，2015年全市枇杷种植面积2438 hm2，总产量达到13111 t。但由于地貌复杂、气候多变等原因，经常造成枇杷产量和质量的波动，如2016年受到年初世纪强寒潮影响，杭州塘栖枇杷减产8成，产量创历年最低。因此，根据本地的气候特点和变化规律，确定枇杷种植的气候适宜性分布可以有效防御气象灾害，提高气候资源的利用效率，有助于对今后的枇杷种植进行科学合理的布局。

GIS技术有强大的空间分析功能，它可以将气候数据、空间数据、地理数据等多源数据进行叠加和综合分析，将区划结果发展为基于相对均质的地理网格单元，显著提高区划结果的精度和准确度，近年来已经成为农业气候区划的有效手段。魏丽[3]、李迎春等[4]分别应用GIS开展了江西优质早稻、井冈山毛竹的种植区划研究；金志凤等建立了基于GIS的浙江杨梅、胡柚等特色作物的气候区划[5-7]；福建的学者对枇杷种植区划开展了较多、较深入的研究，黄国成[9]以极端最低气温值为指标，运用GIS技术对福建优势枇杷产区进行了精细区划和布局分析；张辉等[10]围绕枇杷越冬的限制因子——极端最低气温，基于GIS平台，对福建永泰山区枇杷进行了避冻区划；陈家金等[11]构建了福建枇杷气象灾害综合风险评估指标体系，应用GIS技术制作出风险精细区划图。

本文运用GIS和杭州市地形数据建立了杭州市数字高程模型(DEM)，结合气候要素地理推算模型和细网格推算方法，对杭州市枇杷种植区进行了气候生态区划，以期为今后杭州枇杷种植发展规划提供所需的气候依据。

1 枇杷生长与气象条件的关系

1.1 温度

枇杷喜温暖气候，年平均气温在12 ℃以上即能正常生长，15 ℃以上更适宜。枇杷冬季开花，春季形成果实，以花果越冬，冬春气候条件最能影响枇杷生长[12]。其中，枇杷的花蕾比较耐冻，可耐-7～-5 ℃的低温，而且枇杷开花延续时间长，头批花受冻还有后续花，花发生冻害对枇杷产量影响较小；而幼果受冻时，果实胚或果肉就会出现褐变，果实不能正常生长或停止生长，从而造成枇杷的减产或绝收[13]。因此，枇杷幼果期的低温冻害是影响枇杷生产的主要限制因素。近年来，虽然气候变暖，但阶段性极端降温过程依然多发，极端最低气温低，冻害导致枇杷受损的情况时有发生。

关于枇杷幼果的冻害指标，多数学者认为枇杷幼果冻害的临界温度为-3 ℃[12]。陈惠等[14]根据福建省近5年的枇杷幼果低温箱试验和低温过程山坡地枇杷冻害观测试验结果，结合最低气温(Tmin)和最低气温的持续时间(Td)，给出枇杷幼果冻害的具体等级指标：

轻度：-2.5 ℃

中度：-3.5 ℃3 d；

重度：-4.5 ℃3 d；

极重：Tmin≤-4.5 ℃，Td≤3 d或Tmin≤-3.5 ℃，Td>3 d。

1.2 水分

枇杷喜空气湿润、水分充沛的环境，要求年降雨量在1000 mm以上，且分布较均匀，一般来说，年降雨量在1100～1800 mm对枇杷生长较为适宜。

1.3 光照

枇杷属喜光耐阴树种，对光照要求不严。枇杷的花芽分化期一般出现在7～9月，此时杭州地区一般进入夏季，晴天多雨日少，光照强度基本上能满足枇杷对光照的要求。

2 数据来源

2.1 研究区概述

杭州市地处中国东南沿海，浙江省的西北部，气候属亚热带季风性气候，年温适中，冬寒夏热，春温秋爽，四季分明，光照充足，雨量充沛。年平均气温15～17 ℃，呈南高北低分布。年平均降雨量1100～1600 mm，但在环流和地形影响下，各地降水量和雨日多寡悬殊，其分布趋势一般是自西南向东北递减，自河谷平原和新安江水库区向丘陵山地递增。

杭州地形复杂多样，地势西高东低，东部属浙北平原，地势低平，河网密布，具有典型的“江南水乡”特征；西部属浙西丘陵区，主干山脉有天目山、白际山、昱岭等，最高海拔近1800 m。

2.2 数据来源

气象数据由杭州市气象局提供，包括杭州地区34个自动气象站1981～2015年的逐日基本气象要素数据，包括平均气温、最低气温和降雨量。

地理信息数据采用浙江省基础地理信息中心提供的1∶50000杭州市基础地理数据，在此基础上进行空间分析，提取研究区的坡度与坡向信息。

3 研究方法

3.1 确定气候区划指标，建立空间分析模型

根据枇杷生长与气象条件的关系，枇杷生长易受的气象灾害影响情况，结合杭州枇杷种植实际和前人的研究成果，确定了枇杷种植气候区划指标：(1)热量条件：年平均气温T年；(2)水分条件：年降水量R年；(3)关键气候因子：花果越冬期(12月～次年3月)极端最低气温Tmin、花果越冬期日最低气温≤-3 ℃的低温持续日数FT≤-3。

利用34个气象站的气象资料，整理和计算出上述4个气候区划指标的值。应用SPSS数理统计软件，建立了各气候区划指标与纬度、经度和海拔高度的多元回归模型(表1)。经F检验，均通过了信度为0.01的显著性检验。

为解决区划中气象资料以点代面的问题，需要对气象要素进行细网格推算。为提高插值精度，本文利用混合插值法，即整体插值法和局部插值法的综合，表达式如下：

F=f(φ,λ,h)+ε

式中φ表示纬度，λ表示经度，h表示海拔高度，ε表示残差项；其中

ε=F实测值-f(φ,λ,h)

前期利用多元回归建立的推算模型f(φ,λ,h)能从总体上模拟气象要素的空间分布，但为了提高精度，还必须对各站点气象要素回归后的剩余残差值ε再次进行空间插值，本文采用回归反距离权重法对剩余残差值进行二次空间插值。

表1 气候区划指标的多元回归模型

注：***表示在0.01水平上的显著性。φ表示纬度，λ表示经度，h表示海拔高度。

3.2 评价方法

3.2.1 区域评价模型的构建 本研究评价模型采用的是基于GIS的加权指数求和法。即根据不同区划指标影响强度的差异，给定与该区划指标强度相对应的权重，将区划指标的权重和评价值的乘积之和作为量化指标进行分级。

其评价模型为：

式中:Yi表示评价目标i的得分；Pj表示第j个区划指标的权重；Xij表示评价单元i在区划指标j上的评价值；n表示评价单元数；m表示区划指标数。

3.2.2 区划指标的分级标准 枇杷生长发育和产量的形成不仅受气象因素的影响，同时还受地形等环境条件的制约。研究表明：山地的南向和东南向平缓中下坡，坡度<25°，土层深厚，水分充足，冷空气不易积聚，最适宜枇杷种植。西坡对枇杷生长来说，容易发生旱害和日灼病[7]。

枇杷生长对土壤要求不严，在一般土壤上均能生长结果；枇杷对土壤酸碱度适应范围较广，一般pH值在4.5～8.5之间都能正常生长发育。所以本文暂不考虑土壤条件对枇杷种植的影响。

因此，选定枇杷种植的综合区划指标为4个气候指标和3个地形指标(海拔、坡度、坡向)。为了方便综合区划的精细化，对7个区划指标分为适宜、一般适宜和不适宜3个等级(表2)。

表2 枇杷区划指标的等级量化标准

3.3 区划指标权重的确定

由于各个区划指标对枇杷种植的影响是互相不同的，为了综合考虑多因子的影响，引入层次分析法确定权重Pj。

3.3.1 建立层次结构模型 根据各区划指标对枇杷种植适宜性的影响程度不同，分成3个层次：第1层为目标层，即枇杷种植气候区划层(A)；第2层为因子层(B)，即一级区划指标层(气候B1和地形B2)；第3层为因子层(C)，即二级区划指标层(4个气候指标C1、C2、C3、C4和3个地形指标C5、C6、C7)。

3.3.2 构造判断矩阵 将同一层中各要素相对于上一层而言进行两两比较，对每一层中各因素的相对重要性给出一定的判断，采用1～9比率标度进行定量化，并进行两两因素之间的比较，形成判断矩阵,确定区划判断矩阵。该矩阵满足以下3个特征：

Rij=1

Rij=1/Rji，i,j=1,2,3,…,n

Rij>0，i,j=1,2,3,…,n

各区划指标的权重值如表3。

3.3.3 矩阵随机一致性比率的检验 判断矩阵所求的权重是否合理，需要对判断矩阵进行一致性检验，检验公式为：

RC=CI/RI

其中：RC为判断矩阵的一次性比率，CI为一致性指标，RI为判断矩阵的平均随机一致性指标。CI的计算公式为：CI=(λmax-n)/(n-1),其中，λmax为矩阵的最大特征根。

当RC<0.1时,即认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权重的分配是合理的；否则就需要对判断矩阵进行调整。经计算，RC=0.0053，表明权重的分配是合理的。

在GIS技术平台的支持下，应用其中的空间分析功能模块，将7个综合区划指标适宜性等级图按照相应的权重进行叠加，得到综合指数的分布图。分析综合指数的分布规律，将杭州市枇杷种植气候生态区划确定为适宜、一般适宜和不适宜3个等级(图1)。

表3 综合判断矩阵和各因子权重

图1 杭州市枇杷种植气候生态区划

4 区划结果与分析

整体来看，杭州市东部地区适宜种植枇杷，而西部地区不适宜枇杷种植，其主要原因和杭州市地形分布有关。

杭州市枇杷适宜种植面积有2698.41 km2，占评价区域的16.26%，主要集中在萧山区、余杭区东北部和杭州主城区东北部，这些区域多为钱塘江冲击平原地带，地势较平，河网密集，热量和水分资源充沛，且冬春季节冷空气不易堆积，枇杷越冬条件好，发生冻害的概率较低。

杭州市枇杷种植一般适宜区面积有2700.65 km2，占评价区域的16.27%，主要分布在余杭区西北部、富阳区东部以及桐庐县和建德市沿富春江周边的少量低丘陵地带。这些区域基本能满足枇杷种植的气候要求，像沿富春江流域气候温暖湿润，且海拔相对较低，在正常年份枇杷基本能安全越冬。

但是杭州市将近70%的面积不适宜枇杷种植，这些区域都在杭州西部，具体分布在临安区、淳安县和建德、桐庐的大部分地区，这些区域多山地，海拔较高，冬春季节极端最低气温较低，且低温持续时间较长，枇杷发生中度或重度以上冻害的概率很高。

5 讨论

(1)本研究对枇杷种植区的气候资源进行了细网格推算，打破了以点代面的局限性；在此基础上利用GIS技术进行精细区划，实现了区划结果的定量化，不仅准确地反映了地形对气候的影响，而且也大大提高了区划的精度。

(2)除受低温冻害的影响外，枇杷的生长还受连阴雨、干旱、大风等其他气象灾害的制约。本文仅考虑了低温这一关键气候因子，区划结果有一定的局限性。在以后的研究中将进一步考虑多种气象灾害对枇杷生长发育的综合影响。

(3)枇杷的实际种植生产还应科学选择园地和结合农技措施防寒防冻。丘陵山地选择南向、西向、西南向或东南向为好，避免在山脊、风口或冷空气易沉积的低凹地方栽种枇杷。对局部易遭受冻害的栽培区，生产上可采取种植晚熟品种、推迟开花栽培、多留中后期花和树膛内的花穗、早套袋等措施[16]。

(4)本文区划结果基本上符合杭州市枇杷实际种植现状，但仍然可能存在着少部分地区区划等级与实际不符的现象，例如萧山有部分区域因土壤、地下水位等因素，种植枇杷较少。因此，区划指标的选定和指标的量化分级还需要在实际应用中不断修正与完善，使综合区划结果更加合理、实用。