崇左市甘蔗精细化种植农业气候区划研究

李华实，詹莹玉，蒋亚平，郭彬，李露芳

(1崇左市气象局，广西崇左532200；2广西区人工影响天气办公室，广西南宁530227；3鹿寨县气象局，广西柳州450223)

0 引言

崇左市地处低纬度、北回归线以南地区，地理环境和气候条件复杂，属于亚热带季风气候区，夏长冬短，降雨充沛。崇左市甘蔗种植面积为广西最大，其原蔗料和蔗糖生产量约占全国五分之一、广西的三分之一，享有“中国糖都”的美誉。因此，开展崇左市甘蔗气候适宜性区划研究，可为合理利用气候资源以及优化甘蔗种植布局提供科学的决策服务参考。

近年来，国内以及广西区内不少学者利用 GIS技术对农业气候区划进行精细化研究，不少方法和研究结果值得借鉴。黄永璘等[1]根据香蕉气候区划指标把各气候因子推算到1 km×1 km的较高精度栅格上，得到回归模型，并使用ID3决策树方法进行广西香蕉的气候适宜性区划研究，结果整体精度可以达到 92.5%。陈小敏等[2]采用 GIS技术对气候因子进行500 m×500 m精细化网格推算，研究分析出海南香蕉精细化种植气候区划图。苏永秀等[3]通过GIS手段，推演出1 km×1 km较高精度的广西甘蔗种植气候区划图，效果较好。王旭等[4]利用ArcGIS高分辨率网格分析功能，结合RS的图像分析技术，分析得到了黔西南地区火龙果种植气候适宜性研究成果。郭淑敏[5]利用 GIS技术和权重法，对荔枝种植气候区划指标进行1 km×1 km精细化小网格推算，取得较好的广西荔枝种植气候区划研究结果。然而，学者们对崇左市甘蔗种植气候区划研究甚少，或者过去的学者仅利用单一的国家气象观测站的历史气候资料推算整个区域的种植适宜性，显然不够合理科学。因此，为了更合理评估崇左市甘蔗种植气候适宜，本研究拟利用ArcGIS处理技术对全市进行30 m×30 m高精度网格推演出气候区划因子的空间分布，并利用反距离加权插值法(IDW)对回归模型气候区划指标因子进行残差订正，专家打分法得出较科学合理的崇左市甘蔗种植气候适宜性分析研究成果，为崇左市甘蔗种植决策服务提供科学的理论参考。

1 甘蔗种植气候条件与气候区划指标

1.1 崇左甘蔗种植气候条件

甘蔗属于喜温性农作物，耐高温，怕冻害，对温度要求敏感。谭宗琨[6]研究广西大规模种植甘蔗的生长气候条件，分析指出：年稳定通过20℃积温达到4500℃以上，其积温日数超过230 d，年日照时数达到1400 h以上，才能保证蔗糖高效的合成与积累，保证甘蔗蔗糖品质。甘蔗具有怕冻害的特性，罗文质[7]通过分析得出，广西甘蔗生长环境要求 5年1遇最低气温要在0℃以上，避免霜冻影响；1月平均气温需满足 9℃以上，避免糖分的过度消耗，影响甘蔗含糖量，进而影响经济效益。谭宗琨[6]还指出，作为喜温作物，当地同时要满足年平均温度19℃以上，充分保证甘蔗生长发育、蔗糖高效积累的全过程；另外，甘蔗对水分要求也较为敏感，9～10月份降雨量对甘蔗后期发育极其关键，超过140 mm对其后期发育有利。

1.2 甘蔗种植生态区划指标

根据前文甘蔗种植的气候条件，并结合崇左市本地气候特点以及地形特性，本研究拟选取对甘蔗生长较为关键的若干气候因子进行研究，对各气候因子指标的适宜性进行划分，并进行专家评分。所选取的7个气候因子指标依次为：年稳定通过20℃积温、年稳定通过 20℃积温日数、年平均气温、1月平均气温、5年1遇最低气温、9～10月降水量以及年日照时数，对上述各项指标适宜性划分，如表1所示：

表1 崇左市甘蔗种植气候区划指标

2 甘蔗精细化种植农业气候区划方法

2.1 资料与处理方法

气候历史资料来源于广西气象信息中心，同时为了保证数理统计回归模型的精准性，本研究使用崇左市以及周边国家级气象观测站一共 20个站的近30 a (1986～2015年)气候历史资料。地理信息资料采用国家基础地理信息中心提供的 1:2500000广西基础背景数据和对应的广西数字高程数据(DEM)以及经纬度、海拔高度等栅格数据，最后提取出崇左市相应的栅格数据制作区划图。

2.2 区划指标回归模型的建立

崇左市地形较为复杂，具有典型的喀斯特地貌特征，南北、东西海拔高度差异较为明显，局地立体小气候特征较突出。国家气象观测站仅能片面地反映测站附近区域的农业气候资源特征，通过单一国家气象观测站历史气候资料制作的农业种植区划已不能满足现代农业发展的需求。因此，为了更客观的描述崇左市甘蔗种植的7个气候区划指标在不同经纬度以及海拔高度的实际分布，拟用数理统计(SPSS分析工具)建立空间回归模型，以模拟出7个区划指标在无气象观测站的分布状况。建立的气候区划要素指标与地理信息要素(经纬度、海拔高度等)的关系模型表达如下：

方程式中 Y 代表气候区划指标(气候要素)，φ为纬度、λ为经度、н为海拔高度等地理信息因子；而ε则为残差项，表示根据φ, λ, н所模拟出的回归模型方程的残差部分。

利用崇左市以及周边国家气象观测站共 20个台站近30 a (1986～2015年)观测资料，以及对应的经纬度、海拔高度等(φ, λ, н)等地理信息，将年稳定通过20℃积温、年稳定通过20℃积温日数、年平均气温、1月平均气温、5年1遇最低气温、9～10月降水量以及年日照时数作为因变量，利用数理统计方法(SPSS统计分析工具)得到对应的7个回归模拟方程(如表 2所示)。其中年稳定通过 20℃积温、年稳定通过20℃积温日数、年平均气温、1月平均气温等回归统计模型的复相关系数在0.922～0.994之间，显示相关性非常好，F值在 30.423～44.066之间，稳定通过信度0.001的显著性检验；5年1遇最低气温、9～10月降水量、年日照时数等回归统计模型的复相关系数也能在0.633～0.715之间，相关性也较理想，F值在 3.571～5.587之间，稳定通过信度0.1或0.05的显著性检验。总体而言，7个回归统计模型方程式模拟效果较好，可利用它们进行精细化网格区划指标值的模拟。

表2 甘蔗种植气候区划指标空间分布模型方程式

2.3 精细化网格区划指标推算以及制作区划图

第一步：根据表2的7个区划指标回归模拟方程式，利用经纬度、海拔高度等地理信息因子，可以推算得到30 m×30 m精细化格点数据分布值。第二步：将7个区划指标回归模拟方程的每个站点的残差值ε利用反距离加权插值法(IDW)进行插值，得到残差30 m×30 m栅格文件。第三步：将7个推算出的精细化网格数据栅格与7个残差栅格相加，得到残差订正结果。第四步：利用上述第三步得到的残差订正后7个栅格文件按照表1进行分专家打分。第五步：将7个区划指标的栅格文件进行矩阵加法运算，总分为 140的区域为最适宜区，总分在区间[105,140)的区域为适宜区，总分在区间[70,105)的为次适宜区，总分在区间[35,70)的为不适宜区。最后，对不同适宜性区域搭配不同色系，叠加市县边界、名称、图例、标题等，并进行美化，最终完成崇左市甘蔗精细化种植农业气候区划专题图(如图1)。

图1 崇左市甘蔗精细化种植农业气候区划图

3 精细化区划结果分析与讨论

本研究利用了 ArcGIS处理技术对崇左市进行30 m×30 m高精度网格推演出气候区划因子的空间分布，并利用反距离加权插值法(IDW)对回归模型气候区划指标因子进行残差订正，专家打分法得出较科学合理的崇左市甘蔗精细化种植农业气候区划专题图。根据图1分析，全市无明显不适宜气候区，大部属于适宜气候区，表明崇左市热量和光能资源充沛；最适宜气候区主要位于扶绥县南部、宁明县中部和东部偏东地区，此地区能满足甘蔗生长发育的较理想光热资源、降雨条件；次适宜区范围较小，主要位于天等县西部、大新县东北角局部地区、扶绥县北部偏北局部地区、龙州县西南角局部地区以及宁明县东南角局部地区，这些地区光热资源相对较差。

本研究基于高精度的地理信息数据，运用 GIS技术推演出细网格无气象观测站的气候区划指标因子的空间分布，较以往传统的以单一国家气象测站农业种植气候区划手段更为科学合理、可操作性更强、精细化程度更高。但本文未充分考虑其它地理信息因子如坡向、坡度等参与对气候区划指标因子的影响，未充分筛选利用气候区划指标因子相关性较大的地理信息因子参与数理回归建模，以提高文中表2中Y5、Y6和Y7对应的复相关系数，今后的研究中将着力于建立更完善的区划指标和回归方程，并且尝试利用其它方法完善崇左市的农业种植区划理论研究，比如，可以利用高时空分辨的气象卫星融合数据加入到农业种植区划研究中，以进一步提高崇左市甘蔗种植农业气候区划的精度与科学性。