基于GIS的达州香椿气候生态适宜性区划

张利平 ,覃绍彬 ,伍文玲 ,钟启琴 ,王明田

（1.四川省达州市气象局，达州 635000；2.四川省大竹县气象局，大竹 635100；3.四川省南充市高坪区气象局，南充 637100；4.南方丘区节水农业研究四川省重点实验室，成都 610066；5.四川省气象台，成都 610072）

引言

香椿又名椿、椿芽、春甜树、春阳树等，多年生落叶乔木，属楝科香椿属[1]，是优良的速生材菜两用树种，具有较高的食药用价值和经济价值[2]。香椿原产于中国，已有2300多年栽培历史，分布广泛，分布区主要位于22°～42°N，100°～125°E；根据分布区自然地形可分为华南型、华中型和华北型3种类型[3]。四川省的香椿主要用途为菜用，多分布于四川盆地和盆周山区。其中，达州市是四川香椿重要分布区之一，其境内大竹县被誉为“中国香椿第一县”，该地区香椿栽培面积大、产量高、品质优，在达州特色农业经济中占有重要地位。

目前，国内外学者在香椿形态与分类[4−9]、生理生化[10]、繁殖与栽培[11−13]和综合利用[14−15]等方面进行了大量研究。在气候生态方面，徐坤等[16]探讨了香椿的光合特性，马东旭等[10]基于MaxEnt模型分析了中国香椿适生区主要气象条件，刘芙蓉等[11]分析了西南地区香椿的潜在地理分布区及气候特点；周桂香等[17]、管磊等[18]研究了四川盆地香椿栽培区划和生长规律，杨玉珍等[19]试验分析了香椿等树种与凤丹（油用牡丹）间作模式下的田间小气候特征。

以往并无基于GIS的达州香椿气候生态适宜性分析与区划的相关研究工作，本文以香椿为研究对象，基于香椿生物学特性和现代高产栽培技术要求，结合达州实际，尤其是“大竹香椿”的气候生态环境与生长状况，在达州香椿气候生态适宜性分析基础上，选取区划指标，开展基于GIS的香椿栽培气候生态区划，可为达州及相似地区的香椿生产、特色气象服务提供科学参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

达州位于四川省东北部，地处大巴山南麓，地跨30.31°～32.34°N，106.66°～108.54°E，海拔高度为222.0～2458.3m（图1）。达州地形复杂、海拔高差大，地势东北高（大巴山区），西南低（盆地丘陵区），森林覆盖率为45.27 %；境内地貌有平坝、台地、浅丘、深丘、低山、中山、山原等7个类型，山地占幅员面积的70.7 %，丘陵和平坝各占28.1 %、1.2 %。北部山势陡峭，为中低山地貌；中南部较为平缓，为平行岭谷地貌。达州区域性气候类型多样，山地农业气候资源十分丰富，

图1 达州地形与气象站点分布

中南部主要为中亚热带湿润季风气候，北部主要为北亚热带-山地中温带的秦巴山地气候。

达州是中国香椿分布区之一，其境内大竹县为香椿主要栽培区。“大竹香椿”是国家地理标志保护产品，栽培历史悠久，经过多年发展，目前已在县域北部建成了以石河-二郎-双拱等镇乡为核心区的产业基地，并在石河镇建有1个母本园（107.31°E，30.88°N，海拔425m）。全县主栽品种为红香椿，露地密植矮化栽培于丘陵台地上，栽培面积约7300hm2，2020年，年产鲜活椿芽约6500吨，产值近2亿元。

1.2 资料来源

气象数据：达州及周边地区15个国家气象站的观测数据，统计时段为1991～2020年，气象站点分布如图1所示，该数据分别来源于四川省气象探测数据中心、重庆市气象科学研究所、陕西省汉中市气象局；文中使用的国内主要香椿产区气象站点的气温、降水量和湿度资料来源于中国气象数据网（http://www.nmic.cn/），如表1所示。

表1 香椿产区主要气象条件

GIS数据：分辨率30m的DEM 高程数据来源于地理空间云（http://www.gscloud.cn/），据此提取经纬度、坡度和坡向；1:100万行政区划边界shp（2017版）和主要河流数据来源于国家基础地理信息中心（http://ngcc.sbsm.gov.cn/ngcc/）。

物候期数据：来源于大竹县农业农村局。“大竹香椿”物候期为：萌芽期3月上中旬，展叶期3月下旬～4月中旬，花期5月下旬～6月中旬，果实成熟期10中下旬，落叶期12月下旬，越冬期12月中旬～2月下旬。3月为椿芽主要采收期，一般可收2～3茬。

1.3 研究方法

1.3.1 线性回归法

运用多元回归法建立热量气象指标的空间分布数理模型[20]，即

式中，Yi为第i项热量气象指标的回归值，δ、φ、h分别代表经度、纬度、海拔高度，ai、bi、ci、di为回归系数和常数。 ω为残差，采用反距离权重法插值订正。

1.3.2 集优法

在ArcGIS 10.2空间分析模块中，首先逐一计算并绘制香椿各个区划指标的空间分布栅格图，然后按区划分级标准重新赋值、两两相乘进行计算，根据最优原则，对计算结果再重新赋值、运算，直至得到区划结果；最后，叠加行政边界和主要河流等信息，制作完成生态气候适宜性区划图[21−23]。

2 结果与分析

2.1 气候生态适宜性

2.1.1 热量

香椿喜温，广泛分布于中国热带至暖温带，在年均气温8.0～23.0℃的地区均可栽培[3]。国内香椿主要分布区的年均气温为11.0～24.0℃、最冷月平均气温为−7.5～10.0℃，生长期（稳定通过10.0℃初终间日数）在200d以上[24]；西南地区适宜区的年均气温为11.7～22.8℃[25]。

冬末春初日均气温>10.0℃时，香椿开始萌动、展叶，生长适温为16.0～30.0℃，以20.0～25.0℃为最适宜，>35.0℃停止生长。萌芽约10d后，地径开始增粗，地径生长速度与气温呈正比，一般7月地径生长速度最高；当日均温≤10.0℃时，逐步停止生长，进入越冬期。香椿耐低温，成龄大树能耐−20.0℃的寒冻，但1年生苗木耐寒性较差，一般≤−10.0℃主干冻死。香椿需要适宜的昼夜温差，早春若气温回升快、空气湿度70%左右、光照多、昼夜温差大，则椿芽萌发早、生长快、品质优良，反之则发芽晚，香气淡。

由国内香椿主要产区的气象条件（表1）可见，年均气温为12.0～20.0℃，1月平均气温≥−3.0℃，与前述研究成果基本一致。比较而言，四川大竹年均气温适中，最冷月气温水平较高，生长期较长，越冬安全，热量条件十分适宜香椿生长发育。

大竹2月下旬～4月的候温变化如图2所示，大竹3月2候以后的候均温≥10.0℃，3月平均气温为12.4℃、昼夜平均温差9.0～11.0℃，有利于椿芽萌发和稳健生长。大竹香椿采收标准为芽长10～15cm，据多年观测，头茬椿芽采收期一般在3月中旬初，最早在2月下旬中，最迟在3月中旬末，要求≥10.0℃有效积温为60.0～70.0℃·d、候均温≥12.0℃。4～8月为香椿树干积极生长期，气温、光照和水分等逐月增加有利于椿树营养积累、开花结果和芽分化。

图2 大竹2月下旬～4月逐候气温

达州1月平均最低气温为−7.5～5.0℃，海拔1000m以下地区最低气温≥−1.0℃，香椿越冬安全。海拔1000m以上中山区的极端最低气温≤−10.0℃，会影响1年生幼树的安全越冬。

达州香椿生长期长度和积温与年均气温呈线性高度相关（相关系数R>0.96）。根据公式（1），建立达州年均气温（Ta） 和稳定通过10.0℃初日（D10）的空间分布模型，绘制出残差订正后的空间分布，如图3所示。

由图3可见，达州年均气温为2.8～18.0℃，中部和南部气温大都≥14.0℃，北部中高山区≤10.0℃。稳定通过10.0℃日期由南至北呈递增趋势，南部河谷区最早在3月上旬，北部高山区最迟在6月下旬。年均气温≥16.0℃的中南部地区入春早，入春后降水和日照基本同步增多，有利于椿芽早发快长，使其产量高、经济价值大；年均气温≤14.0℃的北部低中山区则椿芽萌发迟、产量低、经济效益差。

图3 达州年均气温（a）和稳定通过10.0℃日期（b）空间分布

综上，选取年均气温为香椿热量区划指标，结合气候带划分标准，确定香椿栽培年均气温≥16.0℃为最适宜，14.0～16.0℃为适宜，12.0～14.0℃为次适宜，<12.0℃为不适宜。

2.1.2 水分

香椿喜湿忌涝，水分是影响其分布和椿芽品质的重要生态因子。中国年降水量500～2000mm的地区香椿均可正常生长，西南地区适宜区的年降水量为752～1490mm[24−17]，国内产区最湿月降水量约为100～300mm（见表1）。晴好天气为主且空气相对湿度（RH）约70 %时，椿芽香味浓、品质较优；阴雨天气为主且RH >90 %时，香椿发芽迟缓、香味淡[18]。大竹的年降水量为1240mm，最湿月降水量约200mm，降水条件适宜，但RH略偏高（>80 %），不利于香椿品质提高。

达州各地年均降水量约1100～1300mm，标准差200mm左右；最湿月7月平均降水量约175～200mm；年平均RH为73%～84%，3～4月RH为65%～79%，北部山区RH低于南部丘陵坝区，出产的椿芽品质略优。可见，达州香椿水分条件总体是十分适宜的。

2.1.3 光照

香椿为阳性树种，喜光但忌强光，年日照1000h以上可满足生长需要，光照充足有利于增加椿芽产量、提高其品质和风味。

达州年日照时数约1137～1400h，其中3月为80～100h、4～9月各月为110～210h，北部略多于南部，且随海拔升高略有增多，满足香椿对光照的需要。

2.1.4 立地条件

立地条件是指影响森林形成与生长发育的各种自然环境因子的综合，主要由地形、土壤、水文、生物和人为活动等环境因子组合而成。

中国香椿多为栽培树种，主要分布在海拔1500m以下的山地和平原地区，最高海拔1800m[3]；西南地区香椿广泛分布在海拔200～2900m之间[4]，分布的植被类型主要为针阔混交林、阔叶林、人工纯林和农田防护林，大多生长在山谷、密林、山坡、村旁路边向阳处。据调查，达州北部是香椿自然分布区，栽培区主要分布于海拔800m以下的低山丘陵区，集中分布于中南部海拔500m以下的低山丘陵区，海拔800～1200m低中山区有零星分布。调查结果与上述研究结果基本一致。综合上述分析，确定达州香椿分布海拔的最适宜区为500m以下，适宜区为500～800m，次适宜区为800～1200m，海拔1200m以上为不适宜区。

据调查，香椿栽培大多集中在坡度 <35 °的坡台地上，其中坡度 <25 °的浅丘平坝区立地条件较优、管理和采收方便；坡度 >45 °的山区立地条件差、管理和采收难度大，不适宜规模栽培。不同坡向对香椿长势有一定影响，南向坡优于东西坡向，北坡向相对较差。因此以地形坡度坡向为指标，确定坡度 <25 °、南坡向为最适宜，坡度25～35 °、东西坡向为适宜，坡度35～45 °、北坡向为次适宜，>45 °为不适宜。

香椿为深根性植物，根系发达，适应性较强，对土壤要求不严格，天然林多分布在石灰岩和白云岩山地[9]。从栽培区来看，一般酸性土、中性土、钙质土、微碱性土壤都能生长，在疏松、深厚、肥沃的粘壤土及壤土上生长迅速，pH值5.6～8.6均生长良好[12]，在河湖冲积形成的中性或微碱性土壤上生长更好。达州土壤类型主要有水稻土类、冲积土类、紫色土类、黄壤土类、黄棕壤土类等类别，pH值5.0～7.0，矿物质养分丰富、肥力较高，除水稻土类（稻田）外，其余土类均适宜香椿栽培。

地下水位过高会影响香椿根系正常生长，且易发生根腐病，因此在选址和栽培过程中，应注意与水体保持一定的安全距离和相对高度，将地下水位控制在2m以下为宜。

2.1.5 主要气象灾害

达州春季主要气象灾害是倒春寒和春旱，但对香椿各有利弊，其余季节的气象灾害一般不会影响香椿的正常生长发育。

达州倒春寒多发生在3月上中旬的椿芽头茬萌发采收至二茬生长期内。由于春季气温升高，倒春寒发生后的日均气温多≥5.0℃、极端最低气温多≥0.0℃，加上椿芽抗寒能力和萌发能力强，一般对其产量和品质影响不大，仅个别极端低温年份会导致冷冻灾害、延迟采收期，对椿芽产量和品质有一定不利影响。

达州春旱以一般性春旱为主，中等强度以上春旱极少。春旱期间气温偏高、日照偏多、空气湿度偏小，椿芽萌发采收期偏早且偏长、产量高、品质优，总体对香椿有利。

2.2 生态气候区划

2.2.1 区划指标与分级

综上分析，影响达州香椿栽培的气候因子主要为热量条件，地形和土壤等立地条件也是影响其栽培的重要生态因子，气温与海拔高度相关性密切（R=0.96)，但同时还受经纬度、坡向等因子影响。因此以年均气温、海拔高度和地形坡度、坡向为区划指标，如表2所示。

根据表2中的区划指标，在ArcGIS10.2中，首先对各区划因子进行重新赋值；然后将坡度、坡向、海拔高度两两相乘，对相乘结果重新赋值，0、1、2、3不变，4赋值为2，6、9赋值为3，再与年气温相乘后重新赋值，1、2赋值为1，3、4赋值2，6、9赋值为3，0赋值为4，得到区划结果；最后迭加行政边界、河流等信息，绘制出达州香椿生态气候区划（图4）；统计的各适宜区面积见表2。

图4 达州香椿生态气候区划

表2 达州香椿栽培生态气候区划指标

2.2.2 分区简述

（1）最适宜区：集中分布于中南部的大竹、渠县、达川、通川、开江和宣汉南部海拔高度≤500m的中浅丘平坝河谷区，约占幅员面积的31.9 %。此区属中亚热带气候，年气温≥16.0℃、香椿生长期≥240d，冬暖春早，栽培立地条件优，椿芽产量高、质量优，是香椿产业重点发展区。

（2）适宜区：分散分布于通川西部、宣汉中南部、万源南部和南部平行岭谷区海拔高度为500～800m的低山高丘区，约占幅员面积的26.8 %。此区属北亚热带向山地暖温带的过渡带，年均气温为14.0～16.0℃、香椿生长期约220～240d，冬冷春略早，栽培立地条件良好，椿芽产量较高、质量较优，是香椿适度发展区。

（3）次适宜区：主要分布于北部宣汉、万源海拔高度为800～1200m的半山区，约占幅员面积的26.2 %。此区属山地暖温带，年均气温为12.0～14.0℃，香椿生长期约200～220d，冬寒春迟，栽培立地条件较差，椿芽产量较低，应作为限制发展区，不鼓励发展。

（4）不适宜区：主要分布于北部海拔高度≥1200m的中高山区，约占幅员面积的15.1 %。此区主要属山地中温带、山地寒温带，年均气温≤12.0℃，生长期不足200d，热量条件较差，极端最低气温较低，难以安全越冬，不适宜香椿生长，为生态分布区。

经实地考察，区划结果与香椿实际分布情况基本一致。

3 结论与讨论

本文利用达州及其周边15个气象站资料和国内香椿产区气象资料、GIS资料和物候期资料，从热量、水分、光照、立地条件和气象灾害五个方面分析了达州香椿气候生态适宜性，根据分析结果选取年平均气温、海拔高度、地形坡度坡向作为气候生态区划指标，建立气候因子空间模型，运用集优法开展达州香椿栽培生态气候区划研究，得出如下结论：

（1）达州是香椿生态气候适宜区，栽培适宜区面积接近100万hm2，目前已栽培面积约1%，发展潜力巨大。影响达州香椿栽培分布的主要因子是年均气温和地形条件，影响香椿上市时间和产量的主要气象条件是冬末春初的气温水平和积温变化情况，一般头茬椿芽采收要求≥10.0℃有效积温约60～70℃·d。

（2）达州香椿栽培最适宜分布区在中南部海拔高度500m以下、年均气温≥16℃的中亚热带中浅丘平坝河谷区，面积占比约31.9 %；适宜区主要分布在海拔高度500～800m、年均气温14.0～16.0℃的北亚热带向山地暖温带过渡的低山深丘区，面积占比约26.8 %；次适宜区主要分布在北部海拔高度800～1200m、年均气温12.0～14.0℃的山地暖温带半山区，面积占比约26.2 %；海拔高度≥1200m的北部中山区热量条件差、生长期短，幼树越冬不安全，为不适宜或不适生区，面积占比约15.1 %。

（3）达州南部的大竹、渠县、达川和开江中南部平行岭谷区热量丰富、立地条件总体较优，入春早、气温光照水分匹配良好，应作为香椿规模生产重点发展区；中南部的达川北部、通川、宣汉南部和开江西北部等低山高丘区热量较优、气温光照水分匹配总体良好，但立地条件一般、入春偏迟，可作为香椿适度规模发展区；北部山区立地条件差、热量不足、入春迟、香椿产量低、经济效益欠佳，不宜鼓励发展香椿产业。