基于GIS的云南省木薯種植適宜性區(qū)劃

齊偉恒　彭琳　郜魯濤

摘要：通過進(jìn)行木薯種植適宜性區(qū)劃研究，為云南省木薯產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃布局提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)云南省氣候資源特點(diǎn)和木薯對生長環(huán)境的要求，分析確定了影響木薯生長分布的適宜性區(qū)劃指標(biāo)。結(jié)合云南省1 ∶25萬地理信息數(shù)據(jù)、云南省109個氣象站1981—2010年氣候資料，選取年極端最低溫度、年極端最高溫度、年降水量、年平均溫度、全年≥10 ℃活動積溫5個氣候因子，采用層次分析法求取因子權(quán)重，借助地理信息系統(tǒng)（GIS）空間分析技術(shù)對區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格推算，推算出無測站地區(qū)區(qū)劃指標(biāo)的空間分布情況，得出云南省1 km×1 km網(wǎng)格化氣候資源空間分布結(jié)果，按照最適宜生長區(qū)、適宜生長區(qū)、次適宜生長區(qū)和不適宜生長區(qū)對云南省木薯種植進(jìn)行區(qū)域劃分，并制作云南省木薯種植區(qū)劃專題圖。區(qū)劃結(jié)果表明：云南省種植木薯潛力很大，可以進(jìn)一步發(fā)展木薯種植產(chǎn)業(yè)。

關(guān)鍵詞：木薯；GIS；云南省；空間推算模型；區(qū)劃

中圖分類號： S1622；S127文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號：1002-1302（2017）16-0195-03

[HJ14mm]

收稿日期：2016-08-24

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃（編號：2014BAD10B03）。

作者簡介：齊偉恒（1992—），男，黑龍江佳木斯人，碩士研究生，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)。E-mail：2546048153@qqcom。

通信作者：楊林楠，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究。E-mail：lny5400@sinacom。[HJ]

木薯別稱南洋薯、木番薯等，為世界七大作物之一，既是重要的糧食資源，又是重要的工業(yè)原料。發(fā)展非糧木薯能源產(chǎn)業(yè)已成為解決我國能源問題的現(xiàn)實(shí)需求[1-2]。近年來，隨著乙醇等工業(yè)發(fā)展對木薯的需求量日益增大，云南省以其得天獨(dú)厚的氣候資源優(yōu)勢已成為我國木薯的主要種植區(qū)域，開展云南省木薯種植氣候區(qū)劃研究，并為云南省木薯種植提供合理的布局建議，解決盲目種植、增產(chǎn)不增收等問題，對于促進(jìn)云南省木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

目前，云南省木薯區(qū)劃研究以調(diào)查和考察方法為主，對氣候資源豐富、地形地貌復(fù)雜的云南省，無法科學(xué)全面地反映木薯的地理分布和生產(chǎn)狀況。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間分析技術(shù)對區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行細(xì)網(wǎng)格推算是區(qū)劃研究的主要手段，例如文勇軍等開展云南辣木種植生態(tài)適宜性區(qū)劃研究[3]，主要采用氣候因子?xùn)鸥駡D進(jìn)行疊加得到生態(tài)適宜性專題圖；金志鳳等進(jìn)行浙江省茶樹栽培適宜性評價研究，對氣候因子進(jìn)行了細(xì)網(wǎng)格推算[4]；蘇永秀等對廣西木薯種植細(xì)網(wǎng)格氣候區(qū)劃研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立區(qū)劃指標(biāo)和數(shù)學(xué)模型得到區(qū)劃圖[5]。

本研究針對云南省的氣候資源特點(diǎn)和木薯生長發(fā)育的實(shí)際情況，在總結(jié)和分析前人調(diào)查、研究的基礎(chǔ)上，利用GIS空間分析技術(shù)，結(jié)合細(xì)網(wǎng)格推算、反距離權(quán)重插值法等技術(shù)，對云南省木薯進(jìn)行精細(xì)化適宜度分區(qū)研究，以期對云南省木薯的合理種植提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)云南省木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[BT1#][STHZ]1材料與方法

11云南省自然地理狀況

云南省簡稱云或滇，地處中國西南邊陲，位于21°8′32″～29°15′8″N、97°31′39″～106°11′47″E之間，全省東西橫距最大為8649 km，南北縱距最大為900 km，總面積394萬km2，占全國陸地總面積的41%，居全國第8位。在云南省全省地形地貌中，山地約占84%，高原、丘陵約占10%，盆地、河谷約占6%，平均海拔2 000 m左右，最高海拔6 740 m，最低海拔764 m。從整個位置看，云南省北依廣袤的亞洲大陸，南連毗鄰遼闊的太平洋、印度洋的東南亞半島，處在東南季風(fēng)、西南季風(fēng)控制之下，又受西藏高原區(qū)的影響，從而形成了復(fù)雜多樣的自然地理環(huán)境。

低緯度、高海拔的特殊地理位置導(dǎo)致云南省年平均溫度在15～20 ℃之間，能夠滿足木薯對氣候條件的要求，得天獨(dú)厚的自然資源使云南省成為我國木薯的主要產(chǎn)地之一。

但由于云南省各類地貌之間條件差異很大，類型繁雜，地勢北高南低，因而形成了云南省復(fù)雜多樣的氣候類型。由北向南，年平均氣溫5～24 ℃，≥10 ℃活動積溫900～8 220 ℃·d，年降水量500～2 250 mm，最熱月平均氣溫20～28 ℃，最冷月平均氣溫8～10 ℃；南北縱距900 km，涵蓋了我國從海南到東北的大部分氣候類型。氣候類型的復(fù)雜性使得云南省木薯的分布也具有復(fù)雜性。

12數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于云南省109個氣象站，包括云南省逐日基本氣象要素?cái)?shù)據(jù)，資料年限為1981—2010年，此外還有觀測站的海拔、經(jīng)度、緯度等地理屬性數(shù)據(jù)，以及各站點(diǎn)記錄的溫度、降水量、相對濕度、活動積溫等。采用1 ∶25萬云南省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

13研究方法

利用云南省氣候因子數(shù)據(jù)，能夠基本反映云南省氣候資源的分布情況。針對云南省地形復(fù)雜、觀測點(diǎn)數(shù)量有限并且分布不均勻等問題，采用逐步回歸分析法構(gòu)建空間推算模型[8-10]，能夠完全地反映資源的空間分布特征，解決數(shù)據(jù)量不足的問題，得到較準(zhǔn)確的空間分布結(jié)果，達(dá)到客觀準(zhǔn)確地反映氣候資源分布的目的。

131建立空間推算模型本研究以經(jīng)度、緯度、海拔等地理因素作為自變量因子，將氣象數(shù)據(jù)中對木薯生長有主要影響的氣候因子作為因變量。模型表達(dá)式為M=f（λ，φ，h）+ε。其中：M表示對木薯生長有主要影響的氣候因子的實(shí)測值；f為推算值；λ、φ、h分別為經(jīng)度、緯度、海拔因子；ε為殘差，即實(shí)測值與推算值的差值。

以年平均溫度為例構(gòu)建區(qū)劃指標(biāo)空間分析模型：年平均溫度Tave=-0192λ-0542φ-0004h+55025，R2=0706，F(xiàn)=84019。各推算模型R2處于0706～0816之間，選擇的氣候因子與地理因素之間有極高的相關(guān)性，且各個方程均通過了α=001的顯著性檢驗(yàn)，線性回歸效果十分良好。

132篩選木薯區(qū)劃指標(biāo)

相關(guān)科學(xué)研究資料表明，木薯是熱帶和亞熱帶作物，喜高溫，不耐霜雪，耐貧瘠，對土壤要求不高，適宜海拔在2 000 m以下，在生長發(fā)育期間要求熱量豐富，適宜在年平均氣溫18 ℃以上、無霜期在8個月以上、600～6 000 mm 的年降水量地區(qū)生長，在年平均氣溫≥21 ℃、日均溫差6～7 ℃、年降水量1 000～2 000 mm且分布均勻的地區(qū)最適宜生產(chǎn)栽培。發(fā)芽的最低溫度為14～15 ℃，18～20 ℃ 可正常生長，最適宜生長的溫度為25～29 ℃，14 ℃ 以下停止生長，10 ℃以下出現(xiàn)凍害，溫度超過48 ℃停止光合作用[5，9]。

利用層次分析法確定氣候適宜性區(qū)劃因子權(quán)重是常用方法[11-12]。本研究采用層次分析法來確定木薯適宜性區(qū)劃因子權(quán)重，如圖2所示進(jìn)行分層。

本研究參照層次分析法的判斷矩陣標(biāo)度和專家打分的方法，以定量的方式給出了各區(qū)劃因子的相對重要性，最終得到了各個區(qū)劃因子權(quán)重，詳見表1。

計(jì)算結(jié)果表明，一致性比率CR=0043<01，證明判斷矩陣中各因子之間的關(guān)系具有滿意的一致性，通過了檢驗(yàn)。

根據(jù)區(qū)化因子的權(quán)重，再結(jié)合云南省木薯生長發(fā)育對生態(tài)環(huán)境的要求，對影響木薯種植的區(qū)劃因子進(jìn)行等級劃分，可分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)[5]，具體等級指標(biāo)見表2。

2結(jié)果與分析

對均勻分布在云南省各地區(qū)的109個氣象站收集1981—2010年的氣象資料，利用反距離權(quán)重插值法進(jìn)行空間數(shù)據(jù)內(nèi)插等處理后，得到云南省全年≥10 ℃活動積溫、年平均溫度、降水量等區(qū)劃因子?xùn)鸥駡D（圖略）。針對不同的作物和農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)，使用不同的分區(qū)方法，這樣才能使區(qū)劃更具準(zhǔn)確性。在對已有的分區(qū)方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用集優(yōu)法對木薯進(jìn)行適宜性區(qū)劃[14]。

根據(jù)表2所列出的區(qū)劃指標(biāo)、區(qū)劃等級，設(shè)Ai1、Ai2、Ai3、Ai4分別為對應(yīng)的第i個因子所求得的最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)、不適宜區(qū)（i為區(qū)劃因子，且1≤i≤5）。由此可以得到相應(yīng)的區(qū)劃結(jié)果：最適宜區(qū)，S1=A11∩A21∩…∩A51；適宜區(qū)，S2=A12∩A22∩…∩A52；次適宜區(qū)，S3=A13∩A23∩…∩A53；不適宜區(qū)，S4=B14∪B24∪…∪B54。

將得到的分區(qū)分別賦予不同的顏色，并疊加縣邊界、圖例、指北針、經(jīng)緯網(wǎng)等，最終得到了云南省木薯的生態(tài)適宜性區(qū)劃專題圖，如圖3所示。

21最適宜區(qū)和適宜區(qū)

由圖3可看出，云南省木薯種植最適宜區(qū)和適宜區(qū)主要集中在滇南地區(qū)，包括瑞麗、隴川、潞西、盈江、耿馬、瀾滄、勐海[CM（25]、景洪、思茅、勐臘、金平、河口、馬關(guān)、元陽等多個縣（區(qū)），

適宜木薯生長。保山、文山、紅河等地區(qū)，環(huán)境條件適宜，也比較適合木薯生長，在滇北少部分地區(qū)也有比較適合木薯生長的地方，但由于海拔、溫度等因素的影響，分布面積較小。

從區(qū)劃圖可以看出，木薯最適宜生長區(qū)范圍很小，主要在勐臘地區(qū)，這里年平均溫度≥21 ℃，≥10 ℃的年活動積溫 >7 500 ℃·d，年降水量為1 200～2 000 mm。光照充足，熱量豐富，溫度和降水量適宜，各項(xiàng)條件均滿足木薯生長的最適宜條件，是木薯種植重點(diǎn)的發(fā)展區(qū)。

適宜區(qū)包括瑞麗、隴川、潞西、盈江、耿馬、瀾滄、勐海、景洪、思茅、金平、河口、馬關(guān)、元陽等多個縣（區(qū)），適宜木薯生長。該區(qū)域年平均溫度20～21 ℃，≥10 ℃的年活動積溫在 6 500～7 500 ℃·d 之間，年降水量在1 000～1 200 mm之間或 >2 000 mm。該區(qū)氣候條件和最適宜區(qū)比較相對較弱，但光照充足，雨量充沛，仍然可以滿足木薯生長需要，也可以在該區(qū)大面積種植木薯。

22次適宜區(qū)

由圖3可以看出，在適宜區(qū)以北的地區(qū)，包括丘北、廣南、富寧、硯山、石屏、云縣、鳳慶、易門、昌寧、景東等縣（區(qū)）為次適宜區(qū)。該區(qū)年平均溫度在18～20 ℃之間，≥10 ℃的年活動積溫5 500～6 500 ℃·d，降水量在600～1 000 mm。該區(qū)降水較充足，光照較豐富，但不及最適宜區(qū)、適宜區(qū)，可以進(jìn)行木薯種植，但產(chǎn)量、質(zhì)量與最適宜區(qū)、適宜區(qū)相比會有所降低。

23不適宜區(qū)

云南省其他地區(qū)則為不適宜區(qū)，由于熱量、光照等難以滿足木薯生長發(fā)育要求，故在不適宜區(qū)不要盲目發(fā)展木薯種植產(chǎn)業(yè)。

3結(jié)論

根據(jù)云南省的氣候資源特點(diǎn)及木薯生長發(fā)育對環(huán)境的要求，確定了5個氣候因子作為區(qū)劃指標(biāo)，建立空間推算模型；借助GIS空間分析技術(shù)，采用反距離權(quán)重插值法進(jìn)行內(nèi)插，得到各因子的柵格圖，再將每個因子?xùn)鸥駡D進(jìn)行疊加操作，最終得出云南省木薯的生態(tài)適宜性區(qū)劃專題圖；對云南省木薯進(jìn)行精細(xì)化適宜度分區(qū)，以期充分利用當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)氣候資源為木薯的合理種植提供依據(jù)；對云南省木薯生長區(qū)域進(jìn)行劃分，分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)。

本次區(qū)劃選取的數(shù)據(jù)量大，氣象站點(diǎn)基本覆蓋了全云南省，而且選取區(qū)劃因子有一定的科學(xué)依據(jù)，能夠大體反映木薯在云南省不同地區(qū)種植的適宜性，可為云南省木薯種植布局提供科學(xué)建議。

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