太仓市露天草莓种植的气候区划

唐 倩, 钟惠平, 陈 粲, 包云轩*

(1.南京信息工程大学气象灾害预报和评估协同创新中心,南京 210044；2.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室,南京 210044；3.太仓市气象局,太仓 215400)

草莓是一种属蔷薇科多年生的草本植物,因为味道可口、营养价值高,在水果市场上一直备受青睐[1]。近年来,中国的草莓产业获得了迅猛发展,总面积和总产量均跃居世界第一位[2]。江苏地处沿海经济发达地区, 是中国优质草莓主要产区之一[3]。苏州太仓凭借其较为丰富的气候资源,积极开展露天草莓的种植,如今草莓已经成为太仓的重要经济作物。草莓的产量和品质在不同的气候条件下差异巨大,从而不合理的布局会造成经济效益的巨大差异,因此在生产上对露天草莓种植进行气候适宜性分区具有重要意义。

农业气候区划是体现气候条件与农业生产之间相互关系的专业性区域划分,它能够帮助人们充分合理地利用当地的气候资源,对农业生产进行合理的布局,进一步优化当地的耕作制度,为引进和推行新作物品种提供依据[4]。随着科技的发展,中外许多学者把地理信息系统(geographic information system,GIS)[5]技术广泛应用于农业气候区划,显著提高了区划的精度,同时取得了很多可喜的研究成果。Irimia等[6]基于GIS分析了地形、气候和土壤等15个参数,对罗马尼亚湖西葡萄酒产区葡萄栽培潜力进行了分析,并划分出不同的葡萄栽培区域,为葡萄栽培分区提供了必要的信息。Falasca等[7]在2014年曾以无霜期、等雨量线和生长期年平均气温为指标,利用GIS技术建立了阿根廷洋麻的农业气候和农业生态区划模型,确定了阿根廷洋麻的潜在生长区域；在2017年又根据当地的气象资料和棕榈树的生物气候要求,利用GIS技术对阿根廷棕桐树的种植区域进行了农业气候分区[8]。Aparecido等[9]利用GIS中的克里格法对各气象站气温和降水进行空间插值,从而得到了米纳斯吉拉斯州红木作物的农业气候分区。王栋等[10]根据气象数据和马铃薯的生长需求,建立了合适的评价指标体系,并在此基础上构建综合评价模型,运用GIS技术对云南省马铃薯的种植进行了气候适宜性区划。He等[11]基于GIS技术,采用一种面向过程的方法精确评估了中国马铃薯生长在时间和空间上的温度适宜性。张波等[12]利用GIS技术,根据贵州的基础气象资料,构建了相应的适宜度模型,并运用相对权重法完成了番茄的气候适宜度评价。王庆莉等[13]根据虫草的生物学特性和当地的农业气候资源分布特征,确定以海拔、年平均气温、年平均降水量、植被、土壤为主导指标,地形坡度为辅助指标,基于GIS技术应用数理统计分析法、集优法对石渠虫草的气候生态适宜性及空间分布进行了分析。

从目前科研和应用情况看来,关于利用GIS技术进行露天草莓种植气候区划的相关研究还鲜有报道。因此,现依据太仓及周边气象站的基本气象资料,分析太仓的农业气候资源,并根据草莓生长对气象条件的要求以及借鉴相关研究成果,选取适宜的气候区划指标,利用GIS技术对太仓市露天草莓种植进行区域划分,为高效地利用当地气候资源,提高草莓经济效益提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

太仓市隶属江苏省苏州市,下辖6个镇和1个经济开发区,地处长江入海口南岸,经纬度为31°20′N～31°45′N、120°58′E～121°20′E。其周边城市的分布情况和本市的行政区划如图1所示。全市总面积为823 km2,市内水域面积为157.04 km2,市内陆地面积为665.96 km2。太仓市地势较为平坦,以吴淞零点为基准面,东部的地面高程为3.5～5.8 m,西部的地面高程2.4～3.8 m。

图1 太仓市地理位置Fig.1 The geographical location of Taicang

1.2 资料来源

气象数据为太仓市气象站和周边6个气象站(常熟、张家港、吴中、东山、吴江、昆山)1971—2010年逐日的平均气温、最高气温、最低气温、降水量和日照时数数据,太仓市的电子地理地图由国家测绘局提供,比例尺为1∶250 000。

1.3 研究方法

1.3.1 气象数据的处理

利用MATLAB、Excel等软件进行气象数据处理,然后再利用ArcGIS软件,根据太仓站及周边气象站的数据插值得到太仓市各乡镇的相关数据,并进行图形输出。ArcGIS中的插值方法采用普通克里金法,标准分类法选择几何分级法。

1.3.2 草莓对气象条件的要求

光照条件:在开花结果期和旺盛生长期,草莓需要12～15 h的长日照,日平均日照时数至少8 h；在花芽分化期,草莓需要10～12 h的短日照。在夏季,当光强太强时,会对草莓产生不利影响,其生长发育被抑制,老叶片容易受到太阳灼伤,新叶片也很难长出[14]。

温度条件:初春当地温在2 ℃时根系便开始活动,10 ℃时形成新根。根系生长最适温度为15～20 ℃[14]。在开花期,草莓适宜的温度为26 ℃左右,温度高于30 ℃时对植株有不利影响,如果此期间遇到-2 ℃的低温,会导致草莓不能受精、结实[15]。在果实膨大期,草莓适宜的温度为12～20 ℃。在果实成熟期,要求白天气温20～25 ℃,夜间低于10 ℃。花芽分化期适宜温度为15～20 ℃。休眠期适宜温度应小于5 ℃[16]。

水分条件:草莓根浅,叶面积大,植株的蒸腾强烈,所以其每个生育期都需要很多的水分。苗期水分供应不足,茎、叶的发育会受到阻碍；结果期水分供应不足,会抑制果实的发育,导致减产和品质的降低。在花芽分化时期,一般要求土壤相对含水量为60%,果实生长和成熟期需达80%以上,其他生长期为70%左右[14-17]。

1.3.3 太仓市农业气候资源分析

1.3.3.1 光照资源及其特点

光照充足有利于植物光合作用,果实积累糖分多,果实品质好[14]。太仓市1971—2010年的年平均日照时数为1 931.1 h,在一年12个月中,8月的总日照时数最多,平均为216.5 h,2月的总日照时数最少,平均为117.7 h；夏季的日照最多,春秋季节次之,冬季最少。全市年日照时数总体上呈南多北少的分布(图2),年总日照时数近40 a呈现下降的趋势(图3)。

图2 1971—2010年太仓市年总日照的空间分布Fig.2 Spatial distribution of annual total sunshine in Taicang City from 1971 to 2010

图3 1971—2010年太仓市年总日照趋势Fig.3 Annual total sunshine trend of Taicang City from 1971 to 2010

草莓开花至花芽分化期间要求日平均日照时数不低于8 h,而太仓市这40 a期间的日平均日照时数为5.9 h,所以对于草莓的生长而言,太仓市的日照资源不是很充足,但是草莓生长季的日照时数占到了太仓市全年总日照的92.8%,这在一定程度上弥补了日照资源的不足。从图2可以看出,太仓南部的日照资源比北部更丰富,相对来说更适宜草莓的生长。

1.3.3.2 热量资源及其特点

温度是确定草莓种植区域布局的首要考虑条件。一般草莓生长的适宜温度为18～25 ℃[14]。太仓市热量条件比较充裕,≥0 ℃的年总活动积温平均为5 844.8 ℃·d,全市40 a平均≥0 ℃的年总活动积温呈南高北低分布(图4),近40 a中≥0 ℃的年总活动积温呈上升趋势(图5)。太仓市年平均气温为16.0 ℃,1月最冷,平均气温为3.6 ℃；7、8月最热,平均气温为27.0 ℃。全市年平均气温呈南高北低分布(图6),近40 a年平均气温呈上升趋势(图7),40 a上升了约2.0 ℃。

图4 1971—2010年太仓市≥0 ℃年平均活动积温空间分布Fig.4 Spatial distribution of ≥0 ℃ annual active accumulated temperature in Taicang City from 1971 to 2010

图5 1971—2010年太仓≥0 ℃年活动积温趋势图Fig.5 Trend chart of ≥0 ℃ annual active accumulated temperature in Taicang City from 1971 to 2010

图6 1971—2010年太仓市年平均气温空间分布Fig.6 Spatial distribution of the annual average temperature of Taicang City from 1971 to 2010

图7 1971—2010年太仓市年平均气温趋势图Fig.7 Annual average temperature trend chart of Taicang City from 1971 to 2010

太仓市草莓开花和结果期的平均气温为18.1 ℃,旺盛生长期为26.5 ℃,花芽分化期为20.6 ℃,这与草莓对温度的要求基本一致。因此,太仓的热量资源能够满足草莓的生长需求。

1.3.3.3 降水资源及其特点

草莓根浅,叶片面积大,植株蒸腾强烈,所以每个生育期都需要很多的水分用以维持植株的蒸腾作用[17]。太仓市1971—2010年期间的平均年降水量为1 042.1 mm,77.8%的年份年降水量在800 mm以上,1991年的降水最多,为1 506.8 mm,1978年的降水最少,为619.1 mm。全市多年平均降水量的特点是东南多西北少(图8),1971—2010年期间呈上升趋势(图9)。

图8 1971—2010年太仓市年降水量的空间分布Fig.8 Spatial distribution of annual precipitation in Taicang City from 1971 to 2010

图9 1971—2010年太仓市年总降水量趋势图Fig.9 Trend chart of total annual precipitation in Taicang City from 1971 to 2010

4月上旬—8月底是草莓的重要生长时期,该时段太仓的降水量为606 mm,为年降水量的58.2%,有足够的水分保证草莓的生长。

综上所述,太仓市的热量资源和降水资源均比较丰富,近40 a均呈上升趋势。这为太仓市扩大草莓的种植面积,提高草莓产量和品质提供了可能。但是太仓市的光照资源不是很充足,近40 a呈下降趋势,这对草莓的生长不利。不过,草莓生长季的日照时数占到了太仓市全年总日照的绝大部分,这在一定程度上弥补了日照资源的不足。总体来看,太仓市的气候条件能够满足草莓的生长需求,且南部地区的资源比北部地区更丰富。

1.3.4 区划方法

借鉴相关的草莓区划研究成果[18],同时考虑草莓生长对气象条件的需求以及太仓的农业气候资源,选取草莓各生育期的气象因子(日照时数、降水量、气温日较差、日平均温度)和主要农业气象灾害(低温霜冻、高温热害、白粉病、灰霉病)为区划指标,并对各指标(表1、表2)分等级赋值[19-20],不适宜、一般适宜、最适宜分别赋值0、1、2。最后将每个地区的赋值加和,并利用ArcGIS中标准分类法的几何分级法,将草莓种植的适宜性结果分为3类:不适宜、一般适宜、最适宜。

表1 露天草莓各生育期的气象因子区划指标Table 1 Meteorological factor zoning indicators for each growing period of open-air strawberries

表2 草莓主要农业气象灾害的区划指标Table 2 Zoning indicators for major agricultural meteorological disasters related to strawberries

2 结果与分析

2.1 草莓生育期的气象因子分析

2.1.1 开始生长期

太仓市的日照时数、降水量、日平均气温均呈

南多北少的分布[图10(a)～图10(c)],日较差呈西大东小的分布[图10(d)]。草莓在开始生长期,对日照无特别需求,日较差的影响也较小,但要有足够的水分。由图10(b)可知,此时太仓市的降水量为104.8～115.7 mm,约占年降水的11%,整个市的降水条件均能满足草莓的需求。该期间,草莓根系开始活动的温度为2～5 ℃,从[图10(c)]可见,太仓市日平均气温为8.18～8.38 ℃,达到了草莓根系开始活动的需求温度。根据图10,计算该时期太仓市各镇(区)的区划得分(表3)。从表3中可知,双凤镇、城厢镇、经济开发区的分数较高,是草莓该时期的最适宜生长区；璜泾镇得分最低,相对来说不适宜草莓的生长；浮桥镇、沙溪镇、浏河镇的得分中等,是草莓生长的一般适宜区。

表3 开始生长期太仓市各镇(区)的区划得分Table 3 Division scores of various towns (districts) in Taicang City during the beginning of the growth period

图10 开始生长期气象因子的空间分布Fig.10 The spatial distribution of the zoning factors during the beginning of the growth period

2.1.2 开花和结果期

从图11中可以看出,在开花和结果期,太仓市的总日照时数呈南多北少的分布[图11(a)],降水呈南部和东部多而北部少的格局,平均气温呈东南高西北低分布[图11(b)、[图11(c)],日较差呈东南小西北大的分布[图11(d)]。在此期间,草莓生长需要充足的日照和水分,因此太仓南部的条件更为优越。该时期草莓适宜的温度范围为12～20 ℃,不利气象条件是晚霜冻。从图11(c)中可以看出,整个太仓市的平均气温范围为18.32～18.39 ℃,且地区之间的温度差异很小,所以整个太仓市的温度都比较适宜草莓的生长。日较差大有利于植物积累更多的干物质,作物的品质会更好,所以太仓北部的日较差条件更有利于草莓的生长。根据表4,璜泾镇、浮桥镇、沙溪镇在该时期最不适宜草莓发育,浏河镇、双凤镇、城厢镇、经济开发区则是草莓生长的一般适宜区。

表4 开花和结果期太仓市各镇(区)的区划得分Table 4 Division scores of various towns (districts) in Taicang City during flowering and fruiting

图11 开花和结果期区划因子的空间分布Fig.11 The spatial distribution of the zoning factors during flowering and fruiting

2.1.3 旺盛生长期

从图12(a)中可以看出,在旺盛生长期,太仓市的日照时数呈南多北少的分布,南部地区的日照条件更适宜草莓的生长。在此期间草莓也需要充足的水分,太仓市的中心区域降水量明显比四周更丰沛[图12(b)],所以中心区域的降水资源更适合草莓的旺盛生长。此时,植株生长的最适温度为15～25 ℃,不利的气象条件是大于30 ℃的高温。根据图12(c),太仓市的温度呈南高北低,且均大于25 ℃小于30 ℃,所以太仓各地的温度均满足草莓生长发育的要求,相对来说,北部的温度更接近适宜温度,更有利于草莓的生长。太仓市的日较差呈北大南小的分布,整个城市不同地区之间的的平均日较差最大仅相差0.15 ℃,地区之间的差距较小[图12(d)]。在这个时期,璜泾镇是草莓生长的不适宜区,双凤镇是草莓生长的一般适宜区,沙溪镇、浮桥镇、浏河镇、城厢镇、经济开发区是草莓生长的最适宜区(表5)。

图12 旺盛生长期区划因子的空间分布Fig.12 The spatial distribution of the zoning factors during the prosperous growth period

表5 旺盛生长期太仓市各镇(区)的区划得分Table 5 Division scores of various towns (districts) in Taicang City during the prosperous growth period

2.1.4 花芽分化期

在花芽分化期,草莓每天适宜的日照时数为10～12 h,不利气象条件为大于12 h的长日照。从图13(a)中可以看出,太仓市该时期的总日照时数呈南多北少的分布,且均未达到长日照的条件,但相对来说南部的日照资源更丰富。该时期,草莓对水分的要求不高。根据图13(b),太仓市的降水量为152.0～162.0 mm,约占年总降水量的15%,所以整个太仓市的水分条件均可以满足草莓的生长需求。此时草莓的适宜温度为15～20 ℃,从图13(c)可以看出,各地气温均略大于20 ℃,但相对来说,璜泾镇、沙溪镇和浮桥镇北部的温度更接近适宜温度,更有利于草莓的花芽分化。由图13(d)可以看出,太仓市的日较差是中心及南部大,其他地区较小,但是地区之间的差距较小。由表6中可知,璜泾镇的气候条件不适宜草莓的花芽分化,浮桥镇、浏河镇是草莓发育的一般适宜区,沙溪镇、双凤镇、城厢镇、经济开发区的气候条件最适宜草莓的花芽分化。

图13 花芽分化期区划因子的空间分布Fig.13 The spatial distribution of the zoning factors during flower bud differentiation

表6 花芽分化期太仓市各镇(区)的区划得分Table 6 Division scores of various towns (districts) in Taicang City during flower bud differentiation

2.1.5 休眠期

在草莓休眠期,不利气象条件是长日照。由图14(a)可知,此时太仓市的日照时数均未达到长日照条件,且均能满足草莓的休眠需求。从图14(b)可知,此时太仓市的降水量呈南多北少的分布,但此时草莓对水分的要求较低,各地降水条件均适宜草莓的休眠。休眠期适宜温度是5 ℃以下,不利气象条件是高温。从图14(c)可知,太仓的温度均高于5 ℃,总体呈现南高北低的分布,但相对来说,北部的温度更接近适宜温度,更有利于草莓的休眠。此时,日较差的影响相对较小,根据图14(d)可得,日较差呈中心及南部大、其他地区小的分布。根据表7,整个太仓市均比较适宜草莓的休眠。

表7 休眠期太仓市各镇(区)的区划得分Table 7 Division scores of various towns (districts) in Taicang City during dormancy

图14 休眠期区划因子的空间分布Fig.14 The spatial distribution of the zoning factors during dormancy

2.2 主要农业气象灾害分析

2.2.1 低温霜冻

草莓喜温又耐寒,但耐寒有限。草莓在开花期,最不耐低温,若长时间遭遇霜冻,雌蕊无法受精,影响果实形成。霜冻是气温陡降到0 ℃以下,使植物遭受冻害甚至死亡的气象灾害[21]。

以各站点12月—次年5月气温<0 ℃的天数占该期间总天数的比例作为当地低温霜冻的发生概率(表8),太仓市各乡镇的插值结果如图15所示。从图15中可知,璜泾镇北部发生低温冻害的概率最大,沙溪镇和浮桥镇的发生概率为中等,沙溪镇、浮桥镇以南的地区的概率最低。如此分布的原因是太仓市温度的空间分布呈南高北低,所以北部地区发生低温的概率大于南部地区。该时期是草莓休眠、生长和开花结果时期,低温霜冻天气不能满足草莓生长所需的温度,阻碍雌蕊受精,影响产量,所以沙溪镇、浮桥镇以南地区更适合草莓的生长。

表8 太仓及周边气象站低温霜冻的发生概率Table 8 Occurrence probability of low temperature frost at Taicang and surrounding meteorological stations

图15 太仓市草莓低温霜冻的发生概率分布Fig.15 Occurrence probability distribution of strawberry low temperature frost in Taicang City

2.2.2 高温热害

夏季高温干燥,光照强度大,草莓的生长会受到限制,新叶难长出,老叶易发生灼烧。6—9月是草莓的旺盛生长期,该时期草莓生长的不利条件是大于30 ℃的高温[14]。

以各站点6—9月温度≥30 ℃的天数占该期间总天数的比例作为当地高温热害的发生概率(表9),太仓市各乡镇的插值结果如图16所示。从图16中可知,璜泾镇、沙溪镇和浮桥镇北部发生高温热害的概率最小,南部的城厢镇、浏河镇、经济开发区南部的发生概率最大,其他地区的概率为中等。如此分布也是由于太仓市温度的空间分布呈南高北低,所以南部地区发生高温的概率大于北部地区。所以,在夏季,璜泾镇、沙溪镇和浮桥镇北部发生高温热害的概率最小,最有利于草莓的生长。

图16 太仓市草莓高温热害的发生概率分布Fig.16 Occurrence probability distribution of strawberry high temperature heat damage in Taicang City

表9 太仓及周边气象站高温热害的发生概率Table 9 Occurrence probability of high temperature heat damage at Taicang and surrounding meteorological stations

2.2.3 天气因素滋生的草莓病害

在草莓的整个生育期间,白粉病都可能发生,当温度在15～25 ℃时容易发生病害[22]。太仓处于长江中下游平原,该地区白粉病的高发期是2月下旬—5月上旬和10下旬—12月。灰霉病也是常见的草莓病害,当温度在20～25 ℃时容易发生病害[23],发病盛期为3—4月。

以2—5月、10—12月温度为15～25 ℃的天数占总天数的比例作为白粉病的发生概率,以3—4月温度为20～25 ℃的天数占总天数的比例作为灰霉病的发生概率(表10),太仓市各乡镇的插值结果如图17、图18所示。从图17可知,璜泾镇发生白粉病的概率最低,沙溪镇和浮桥镇的发生概率中等,其他地区均很高。从图18可知,太仓市灰霉病的发生概率普遍比较低,璜泾镇、沙溪镇、浮桥镇西部的发生概率最低,其他地区为中等。

表10 太仓及周边气象站白粉病、灰霉病的发生概率Table 10 Occurrence probability of powdery mildew and gray mold at Taicang and surrounding meteorological stations

图17 太仓市草莓白粉病的发生概率分布Fig.17 Occurrence probability distribution of strawberry powdery mildew in Taicang City

图18 太仓市草莓灰霉病的发生概率分布Fig.18 Occurrence probability distribution of strawberry gray mold in Taicang City

2.3 太仓市草莓种植气候区划

最后将每个地区的赋值进行加和(表11),并利用ArcGIS软件进行空间插值,选择几何分级法进行分类,最终得到露天草莓种植的气候区划图,如图19所示。从图19中可以看出,璜泾镇和浮桥镇北部地区不适宜种植草莓,沙溪镇中部、浮桥镇南部、浏河镇中部和西部地区是草莓种植的一般适宜区,而经济开发区、城厢镇、双凤镇、沙溪镇南部是草莓种植的最适宜区。

图19 太仓市草莓种植的气候区划分布Fig.19 Distribution of climate zones for strawberry planting in Taicang City

表11 太仓市各乡镇(区)草莓种植的区划最终得分Table 11 The final scores of the strawberry planting in each town (district) of Taicang City

3 结论

利用太仓气象站及周边6个常规气象站1971—2010年气温、降水和日照等基础气象资料,根据露天草莓对气象条件的要求,并考虑太仓市的农业气候资源,选取草莓各生育期的气象因子(日照时数、降水量、气温日较差、日平均温度)和主要农业气象灾害(低温霜冻、高温热害、白粉病、灰霉病)为区划指标,运用ArcGIS软件进行普通克里金空间插值和几何分级,对太仓市露天草莓种植区划进行了研究,最后得到以下结论。

(1)太仓市农业气候资源的主要特点是:以总日照时数为表征的光照资源近40 a虽呈下降趋势,但基本能满足草莓生长的需求；以日平均气温≥0 ℃的活动积温为表征的热量资源比较丰富,能较好地满足草莓生长的需求,且近40 a呈上升趋势；以年降水量为表征的降水资源对草莓生长有足够的供应,且近40 a也呈上升趋势；整个太仓市均是南部地区的农业气候资源比北部地区更好。总体来看,太仓市的气候条件能够满足草莓的生长需求。

(2)影响太仓市露天草莓生长的主要农业气象灾害有冬春季的低温霜冻、夏季的高温热害、春秋季的白粉病和春季的灰霉病。除了低温霜冻的发生概率是北部地区高于南部地区外,其他灾害的发生概率均是南部地区高于北部地区。

(3)太仓市草莓种植的气候区划结果表明,璜泾镇和浮桥镇北部地区是草莓种植的不适宜区,沙溪镇中部、浮桥镇南部、浏河镇中部和西部地区是草莓种植的一般适宜区,而经济开发区、城厢镇、双凤镇、沙溪镇南部是草莓种植的最适宜区。

研究结果可以为太仓市露天草莓种植布局的调整和产品品质的提升提供一定的气象依据。根据区划结果,建议太仓市将露天草莓种植区集中在经济开发区、城厢镇、双凤镇和沙溪镇南部,并且可以种植一些对气象条件较为严格的高品质草莓品种；在太仓市其他地区,可以选择种植抗病性、抗寒性、抗热性较好的草莓品种。

目前的农业气候区划研究中,多将日平均气温、最低/最高气温、年平均气温、≥10 ℃活动积温、年降水量等[7-10,24-25]气象因子纳入区划指标,鲜少有将农业气象灾害因素也纳入气候区划指标,而本文基于GIS技术的空间分析功能,不仅分析了气象因子对草莓生长发育及产量形成的影响,还考虑了农业气象灾害对草莓种植的影响,这样可以更充分地利用气象信息,更突出灾害对作物生长的影响,得出更加精确详细的区划结果。

本文的气候区划只考虑了气象因素,但在实际生产中,不同地区草莓的生长发育还与草莓品种、土壤、生物环境、栽培技术等其他因素有关。因此,在以后的工作中,会考虑结合其他影响露天草莓生长的因子,开展更准确的多因子影响的露天草莓区划研究。