基于GIS與RS的貴州省芒果種植氣候區(qū)劃

吳小波+韓樹(shù)全+黃海+龔德勇+范建新

摘要：以貴州省各縣主要?dú)庀笈_(tái)站1995—2014年的氣候統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，綜合考慮氣候、海拔、坡度等因子，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）軟件，確定芒果的種植區(qū)域，將不適宜芒果種植的地塊屏蔽，完成貴州省芒果種植氣候區(qū)劃專(zhuān)題圖制作。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，貴州省芒果可種植區(qū)域劃分為優(yōu)勢(shì)種植區(qū)（最適宜區(qū)、適宜區(qū)）和一般種植區(qū)（次適宜區(qū)）?？煞N植區(qū)域主要分布在貴州省南盤(pán)江、北盤(pán)江、紅水河、赤水河流域低熱河谷地帶。優(yōu)勢(shì)種植區(qū)面積為 46 037.4 hm2，占芒果可種植區(qū)域面積的98.86%，主要分布在南盤(pán)江、北盤(pán)江、紅水河低熱河谷地帶海拔203～850 m的區(qū)域；一般種植區(qū)面積為531.07 hm2，占芒果可種植區(qū)域面積的1.14%，分布在赤水河流域海拔210～400 m處。本區(qū)劃可為貴州省芒果產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)（GIS）；遙感（RS）；芒果；氣候區(qū)劃；貴州省

中圖分類(lèi)號(hào)： S127 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）20-0268-04

芒果（Mangifera indica L.）別稱(chēng)檬果、悶果、蜜望、望果等，屬漆樹(shù)科（Anacardiaceae）芒果屬，喜高溫干燥，適應(yīng)性廣，速生易長(zhǎng)，結(jié)果早，壽命長(zhǎng)，易栽培管理。原產(chǎn)于印度、馬來(lái)西亞等熱帶地區(qū)，是一種熱帶亞熱帶常綠果樹(shù)，集“水果、醫(yī)藥、保健”作用為一體，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，有“熱帶果王”的美譽(yù)，發(fā)展前景看好。貴州是典型的溶巖化高原山區(qū)省份，地處我國(guó)云貴高原向廣西丘陵過(guò)渡的斜坡地帶，具有南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶和暖溫帶多種氣候類(lèi)型，是農(nóng)業(yè)部確定的全國(guó)9個(gè)南亞熱作省區(qū)之一。其中，貴州的南盤(pán)江、北盤(pán)江、紅水河、赤水河流域海拔在850 m以下的中低山低熱河谷地區(qū)，大部分屬南亞熱帶氣候。該區(qū)夏、秋多濕，雨熱同季，冬、春干旱少雨，氣候溫暖，干濕季節(jié)明顯，無(wú)霜期長(zhǎng)，比較適宜亞熱帶作物的生產(chǎn)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，貴州先后引進(jìn)桂熱、桂香、紅象牙、紫花、呂宋、金煌、凱特、紅玉等芒果品種在南盤(pán)江、北盤(pán)江和紅水河流域的望謨、冊(cè)亨、貞豐、興義等縣（市）進(jìn)行試種觀察，成功篩選出適宜貴州南亞熱帶地區(qū)發(fā)展的芒果品種。引種成功的芒果品種耐干旱、病蟲(chóng)害少、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良，是貴州山地特色高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的良好經(jīng)濟(jì)作物。因此，在貴州南盤(pán)江、北盤(pán)江、紅水河和赤水河流域的低熱河谷地區(qū)發(fā)展芒果生產(chǎn)具有較大的潛力[1-6]。

近年來(lái)，許多研究學(xué)者把地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）軟件技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國(guó)農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，顯著提高了區(qū)劃的精度，同時(shí)取得了一些可喜的研究成果。王旭等利用GIS和RS技術(shù)對(duì)貴州省火龍果種植進(jìn)行了氣候區(qū)劃分析[6-7]。黃桔梅等基于GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了貴陽(yáng)市主要蔬菜品種的氣候適應(yīng)性區(qū)劃[8]。丁麗佳等和王春林等分別運(yùn)用GIS開(kāi)展了廣東省荔枝種植氣候區(qū)劃和寒害監(jiān)測(cè)預(yù)警研究[9-10]。莫建國(guó)等和楊鵬武等分別利用GIS技術(shù)對(duì)威寧縣和昭通市烤煙種植進(jìn)行了氣候區(qū)劃和氣候區(qū)劃評(píng)估預(yù)測(cè)研究[11-12]。從目前科研和應(yīng)用情況看，關(guān)于貴州省利用GIS和RS軟件技術(shù)進(jìn)行芒果種植氣候區(qū)劃的相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。為此，筆者根據(jù)芒果栽培種植的氣象指標(biāo)，以貴州省近20年（1995—2014年）氣象統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，采用GIS和RS軟件技術(shù)對(duì)貴州省芒果可種植區(qū)域進(jìn)行氣候區(qū)劃研究，旨在充分挖掘芒果生長(zhǎng)的氣候資源優(yōu)勢(shì)和為貴州省芒果產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

地理信息數(shù)據(jù)來(lái)源于貴州省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，主要采集貴州省行政邊界、等高線、鐵路公路交通圖、水系圖等信息資料。土地利用圖采用2008年分辨率為30 m的ETM遙感圖像。氣候及臺(tái)站背景資料主要收集貴州省各縣主要?dú)庀笈_(tái)站1995—2014年氣象資料及站名、站號(hào)、經(jīng)度、緯度、溫度、海拔等數(shù)據(jù)。

1.2 區(qū)劃指標(biāo)

根據(jù)文獻(xiàn)資料收集查閱，結(jié)合專(zhuān)家咨詢和芒果生長(zhǎng)特性，總結(jié)出制約貴州省芒果種植的主要因素是熱量條件，熱量的高低直接影響著芒果栽培適宜程度，關(guān)系著貴州省芒果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成敗。根據(jù)芒果種植對(duì)氣候條件的特殊要求，在貴州省南北盤(pán)江和紅水河流域部分低熱河谷區(qū)試種成功的基礎(chǔ)上，選擇年平均氣溫、最冷月月平均氣溫、≥10 ℃活動(dòng)積溫、≥10 ℃積溫持續(xù)天數(shù)、平均極端最低氣溫、日均氣溫≤0 ℃連續(xù)時(shí)數(shù)等熱量指標(biāo)作為貴州省芒果種植氣候區(qū)劃的區(qū)劃因子。根據(jù)芒果種植對(duì)熱量條件的要求及貴州生產(chǎn)栽培的實(shí)際情況，參考以往的科研成果，建立了劃分芒果適宜種植區(qū)氣候區(qū)劃指標(biāo)體系（表1）。

1.3 地形地類(lèi)限制因子

貴州省地形地貌復(fù)雜，全省地貌包括高原山地、丘陵和盆地3種基本類(lèi)型，其中山地和丘陵面積占全省總土地面積的92.5%。因此，發(fā)展芒果種植，要充分利用山地資源，合理布局，選擇好地形、地勢(shì)適度種植。根據(jù)貴州省芒果生產(chǎn)栽培適應(yīng)性情況，種植區(qū)海拔一般要求在850 m以下，坡度小于25°，適宜栽培的土地類(lèi)型主要有山地、農(nóng)田和灌草地，剔除林地、荒漠山頭、水域、峽谷、坡度>25°的山地、公路及城鎮(zhèn)建設(shè)用地等不可種植區(qū)。

1.4 區(qū)劃方法

1.4.1 氣象方程的建立 貴州省地勢(shì)西高東低，自中部向北、東、南3面傾斜，西部海拔2 000 m左右，中部海拔500 m以下，平均海拔在1 100 m左右。這一地勢(shì)特征使全省水系順地形由西部、中部呈帚狀向北、東、南3面分流，區(qū)域地形地貌類(lèi)型組合也隨之不同，同時(shí)熱量條件也呈現(xiàn)出規(guī)律的分布特征[13]。區(qū)劃將全省潛在的芒果種植區(qū)域進(jìn)行分組，在貴州省各縣主要?dú)庀笈_(tái)站1995—2014年氣象統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，運(yùn)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，同時(shí)采用回歸分析曲線模型進(jìn)行估計(jì)，篩選出各個(gè)種植區(qū)域熱量指標(biāo)與海拔間顯著性最強(qiáng)、判定系數(shù)最高的氣象方程。在氣象方程建立過(guò)程中主要的應(yīng)用模型包括：線性模型、二次項(xiàng)曲線模型、三次項(xiàng)曲線模型、增長(zhǎng)曲線模型、對(duì)數(shù)曲線模型、指數(shù)曲線模型、冪函數(shù)曲線模型、倒數(shù)曲線模型、復(fù)合曲線模型、Logistic曲線模型和S曲線模型。endprint

1.4.2 種植區(qū)域的確定 根據(jù)貴州省芒果種植區(qū)劃氣象指標(biāo)，利用相關(guān)氣象指標(biāo)回歸模型估算出各流域各氣象指標(biāo)值相應(yīng)的海拔高度，即可得到符合各項(xiàng)氣象指標(biāo)的區(qū)域范圍，各區(qū)域范圍的重疊部分，即是適宜芒果種植的區(qū)域。結(jié)合地形地類(lèi)限制因子，確定貴州省適宜種植芒果的縣市。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)劃專(zhuān)題圖制作

在貴州省等高線矢量化的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件生成貴州省DEM數(shù)據(jù)（分辨率為5 m），以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用ArcGIS軟件三維分析工具提取地形海拔變率和坡度變率的柵格圖層，得到貴州省海拔分級(jí)圖和坡度分級(jí)圖（圖略）。本區(qū)劃采用美國(guó)陸地資源衛(wèi)星分辨率為30 m的ETM 遙感圖像，選用ETM+的2、3、4波段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，在GIS和RS軟件的支持下進(jìn)行遙感圖像預(yù)處理，采用直方圖均衡化、直方圖匹配、去霾處理等GIS圖像處理手段增強(qiáng)圖像效果。同時(shí)以野外定點(diǎn)調(diào)查結(jié)果、貴州省DEM數(shù)據(jù)和植被分布圖為背景數(shù)據(jù)，通過(guò)室內(nèi)人機(jī)交互、聚類(lèi)分析、去除分析和數(shù)據(jù)重采樣等處理技術(shù)，得到分辨率為5 m×5 m的貴州省土地利用現(xiàn)狀圖（圖略）。在各專(zhuān)題圖的基礎(chǔ)上，疊加以縣為單位的行政界線，運(yùn)用ArcGIS軟件的裁剪提取工具，獲得適宜種植芒果各流域的基礎(chǔ)信息。綜合各氣象指標(biāo)、地形、地類(lèi)等限制因子，在ArcMAP平臺(tái)上對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行空間分類(lèi)疊加和柵格數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算，得出各流域芒果種植的優(yōu)勢(shì)種植區(qū)和一般種植區(qū)，給不同區(qū)域賦予不同的顏色，通過(guò)柵格數(shù)據(jù)合并，得到貴州省芒果種植區(qū)域。同時(shí)疊加貴州省鐵路公路交通網(wǎng)、水系網(wǎng)、經(jīng)緯網(wǎng)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)界和圖例等，最后輸出貴州省芒果種植氣候區(qū)劃專(zhuān)題圖（圖1）[14-15]。

2.2 芒果種植區(qū)域

根據(jù)貴州省多年氣象資料和芒果生長(zhǎng)栽培特性對(duì)熱量條件的要求，將貴州省可能種植芒果的縣市按流域進(jìn)行劃分：（1）赤水河流域：赤水市、習(xí)水縣、仁懷市；（2）南盤(pán)江流域：興義市、安龍縣、冊(cè)亨縣；（3）北盤(pán)江流域：鎮(zhèn)寧縣、關(guān)嶺縣、晴隆縣、普安縣、紫云縣、冊(cè)亨縣、興仁縣、貞豐縣、望謨縣；（4）紅水河流域：望謨縣、羅甸縣、平塘縣。針對(duì)各流域熱量指標(biāo)、海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，得到的氣象方程經(jīng)F檢驗(yàn)均達(dá)到極顯著水平（表2）。根據(jù)各限制指標(biāo)和相關(guān)氣象方程，結(jié)合地形整體海拔在850 m以下等硬性要求，確定出貴州省芒果適宜種植的縣市為赤水、興義、興仁、安龍、冊(cè)亨、貞豐、關(guān)嶺、鎮(zhèn)寧、望謨、羅甸、平塘，共計(jì)11個(gè)。

2.3 氣候區(qū)劃結(jié)果

貴州省芒果氣候適應(yīng)性不完全是緯向分布，充分體現(xiàn)出山區(qū)地形地貌和局地氣候環(huán)境的影響。在同緯度的條件下，溫度隨海拔升高而降低，因此，芒果適宜種植區(qū)域集中在中低山低熱河谷地區(qū)，主要包括南盤(pán)江、北盤(pán)江、紅水河、赤水河流域（圖1）。在不破壞環(huán)境和可開(kāi)發(fā)性的原則下，貴州省芒果可種植的土地利用類(lèi)型主要有山地、農(nóng)田和灌草地。運(yùn)用ArcGIS軟件查詢工具可得到芒果可種植區(qū)域的面積。具體如下：

（1） 優(yōu)勢(shì)種植區(qū)。優(yōu)勢(shì)種植區(qū)包括最適宜種植區(qū)和適宜種植區(qū)。貴州省芒果優(yōu)勢(shì)種植區(qū)面積為46 037.4 hm2，占芒果可種植區(qū)域面積的98.86%，主要分布地區(qū)為貴州南盤(pán)江、北盤(pán)江和紅水河低熱河谷地帶海拔在203～850 m的區(qū)域，包括興義、安龍、冊(cè)亨、興仁、貞豐、關(guān)嶺、鎮(zhèn)寧、望謨、羅甸、平塘10個(gè)縣（市），各縣（市）適宜種植芒果的區(qū)域有：①興義市海拔718～850 m的三江口鎮(zhèn)、則戎鄉(xiāng)、南盤(pán)江鎮(zhèn)、滄江鄉(xiāng)、泥凼鎮(zhèn)、洛萬(wàn)鄉(xiāng)；②安龍縣海拔418～650 m的棲鳳街道、德臥鎮(zhèn)；③冊(cè)亨縣海拔238～850 m的巧馬鎮(zhèn)、丫他鎮(zhèn)、八渡鎮(zhèn)、弼佑鄉(xiāng)、百口鄉(xiāng)、雙江鎮(zhèn)、達(dá)央鄉(xiāng)、者樓鎮(zhèn)、巖架鎮(zhèn)、慶坪鄉(xiāng)；④興仁縣海拔506～650 m的馬崖鎮(zhèn)；⑤貞豐縣海拔294～750 m的北盤(pán)江鎮(zhèn)、平街鄉(xiāng)、沙坪鄉(xiāng)、白層鎮(zhèn)、者相鎮(zhèn)、連環(huán)鄉(xiāng)、魯容鄉(xiāng)、魯貢鎮(zhèn)；⑥關(guān)嶺縣海拔361～500 m的上關(guān)鎮(zhèn)、八德鄉(xiāng)、新鋪鎮(zhèn)、普利鄉(xiāng)、板貴鄉(xiāng)；⑦鎮(zhèn)寧縣海拔254～550 m的六馬鄉(xiāng)、打幫鄉(xiāng)、沙子鄉(xiāng)、簡(jiǎn)嘎鄉(xiāng)、良田鄉(xiāng)；⑧望謨縣海拔203～800 m的邊饒鎮(zhèn)、石屯鎮(zhèn)、樂(lè)元鎮(zhèn)、平洞街道、王母街道、油邁鄉(xiāng)、樂(lè)旺鎮(zhèn)、大觀鎮(zhèn)、昂武鎮(zhèn)、桑郎鎮(zhèn)、蔗香鎮(zhèn)、麻山鄉(xiāng)；⑨羅甸縣海拔233～700 m 的鳳亭鄉(xiāng)、木引鎮(zhèn)、沫陽(yáng)鎮(zhèn)、紅水河鎮(zhèn)、羅悃鎮(zhèn)、茂井鎮(zhèn)、邊陽(yáng)鎮(zhèn)、逢亭鎮(zhèn)、龍坪鎮(zhèn)；⑩平塘縣海拔414～550 m的甲茶鎮(zhèn)、者密鎮(zhèn)。

（2） 一般種植區(qū)。一般種植區(qū)指次適宜種植區(qū)，貴州省芒果一般種植區(qū)面積為531.07 hm2，占芒果可種植區(qū)域面積的1.14%，分布在赤水河流域，包括赤水市葫市鎮(zhèn)、丙安鄉(xiāng)、復(fù)興鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)、文化辦、市中辦、金華辦、長(zhǎng)期鎮(zhèn)、長(zhǎng)沙鎮(zhèn)、白云鄉(xiāng)海拔在210～400 m的地區(qū)。

3 結(jié)論與討論

貴州省地形地貌復(fù)雜，山地資源豐富，為充分利用山地資源，發(fā)展芒果種植應(yīng)選擇好地形地勢(shì)適度種植。在不破壞環(huán)境和可開(kāi)發(fā)性的前提下，種植區(qū)海拔一般要求在850 m 以下，坡度小于25°，可種植的土地利用類(lèi)型主要有山地、農(nóng)田和灌草地，剔除林地、荒漠山頭、水域、峽谷、坡度>25°的山地、公路及城鎮(zhèn)建設(shè)用地等不可種植區(qū)。區(qū)劃把貴州省芒果可種植區(qū)域劃分為優(yōu)勢(shì)種植區(qū)和一般種植區(qū)，優(yōu)勢(shì)種植區(qū)面積共計(jì)46 037.4 hm2，主要分布在貴州省南盤(pán)江、北盤(pán)江和紅水河低熱河谷地帶海拔203～850 m處，包括興義、安龍、冊(cè)亨、興仁、貞豐、關(guān)嶺、鎮(zhèn)寧、望謨、羅甸、平塘10個(gè)縣（市）。一般種植區(qū)面積為531.07 hm2，分布區(qū)域包括赤水市葫市鎮(zhèn)、丙安鄉(xiāng)、復(fù)興鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)、文化辦、市中辦、金華辦、長(zhǎng)期鎮(zhèn)、長(zhǎng)沙鎮(zhèn)、白云鄉(xiāng)海拔在210～400 m的地區(qū)。

本區(qū)劃以GIS和RS軟件為技術(shù)支撐，運(yùn)用回歸分析曲線模型估計(jì)，結(jié)合熱量指標(biāo)與海拔指標(biāo)，直觀反映出熱量指標(biāo)隨海拔變化的立體特征。在RS軟件技術(shù)的支持下，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀圖，將不適宜芒果種植的地塊屏蔽，確定貴州省芒果種植的優(yōu)勢(shì)種植區(qū)和一般種植區(qū)，同時(shí)保證了芒果種植區(qū)域土地利用的可開(kāi)發(fā)性，更加貼近實(shí)際，可操作性強(qiáng)。區(qū)劃柵格圖分辨率為5 m，可精確地計(jì)算出芒果可種植區(qū)域的面積，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)劃結(jié)果相比，本區(qū)劃結(jié)果更加精細(xì)。但是由于貴州地形地貌和局地氣候環(huán)境的影響，以及區(qū)劃氣象資料年限較短和氣象臺(tái)站數(shù)量有限，因此氣象方程估算的氣象要素值與實(shí)測(cè)值間存在一定差異，區(qū)劃結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步提高。endprint

除氣候因素外，影響貴州省芒果生長(zhǎng)發(fā)育和生產(chǎn)栽培的因素還有很多，如品種、土壤肥力、栽培措施、土壤類(lèi)型、坡度等。本研究著重介紹GIS和RS軟件技術(shù)在芒果種植氣候區(qū)劃中的應(yīng)用，因此，在區(qū)劃過(guò)程中以考慮氣候因子為主。只有將芒果種植區(qū)劃氣候因子與其他影響因子綜合起來(lái)考慮對(duì)芒果生產(chǎn)布局的影響，才能最終完成貴州省芒果的種植區(qū)劃。

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