李華實，詹瑩玉，蔣亞平，郭彬，李露芳

(1崇左市氣象局，廣西崇左532200；2廣西區(qū)人工影響天氣辦公室，廣西南寧530227；3鹿寨縣氣象局，廣西柳州450223)

0 引言

崇左市地處低緯度、北回歸線以南地區(qū)，地理環(huán)境和氣候條件復雜，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，夏長冬短，降雨充沛。崇左市甘蔗種植面積為廣西最大，其原蔗料和蔗糖生產量約占全國五分之一、廣西的三分之一，享有“中國糖都”的美譽。因此，開展崇左市甘蔗氣候適宜性區(qū)劃研究，可為合理利用氣候資源以及優(yōu)化甘蔗種植布局提供科學的決策服務參考。

近年來，國內以及廣西區(qū)內不少學者利用 GIS技術對農業(yè)氣候區(qū)劃進行精細化研究，不少方法和研究結果值得借鑒。黃永璘等[1]根據香蕉氣候區(qū)劃指標把各氣候因子推算到1 km×1 km的較高精度柵格上，得到回歸模型，并使用ID3決策樹方法進行廣西香蕉的氣候適宜性區(qū)劃研究，結果整體精度可以達到 92.5%。陳小敏等[2]采用 GIS技術對氣候因子進行500 m×500 m精細化網格推算，研究分析出海南香蕉精細化種植氣候區(qū)劃圖。蘇永秀等[3]通過GIS手段，推演出1 km×1 km較高精度的廣西甘蔗種植氣候區(qū)劃圖，效果較好。王旭等[4]利用ArcGIS高分辨率網格分析功能，結合RS的圖像分析技術，分析得到了黔西南地區(qū)火龍果種植氣候適宜性研究成果。郭淑敏[5]利用 GIS技術和權重法，對荔枝種植氣候區(qū)劃指標進行1 km×1 km精細化小網格推算，取得較好的廣西荔枝種植氣候區(qū)劃研究結果。然而，學者們對崇左市甘蔗種植氣候區(qū)劃研究甚少，或者過去的學者僅利用單一的國家氣象觀測站的歷史氣候資料推算整個區(qū)域的種植適宜性，顯然不夠合理科學。因此，為了更合理評估崇左市甘蔗種植氣候適宜，本研究擬利用ArcGIS處理技術對全市進行30 m×30 m高精度網格推演出氣候區(qū)劃因子的空間分布，并利用反距離加權插值法(IDW)對回歸模型氣候區(qū)劃指標因子進行殘差訂正，專家打分法得出較科學合理的崇左市甘蔗種植氣候適宜性分析研究成果，為崇左市甘蔗種植決策服務提供科學的理論參考。

1 甘蔗種植氣候條件與氣候區(qū)劃指標

1.1 崇左甘蔗種植氣候條件

甘蔗屬于喜溫性農作物，耐高溫，怕凍害，對溫度要求敏感。譚宗琨[6]研究廣西大規(guī)模種植甘蔗的生長氣候條件，分析指出：年穩(wěn)定通過20℃積溫達到4500℃以上，其積溫日數(shù)超過230 d，年日照時數(shù)達到1400 h以上，才能保證蔗糖高效的合成與積累，保證甘蔗蔗糖品質。甘蔗具有怕凍害的特性，羅文質[7]通過分析得出，廣西甘蔗生長環(huán)境要求 5年1遇最低氣溫要在0℃以上，避免霜凍影響；1月平均氣溫需滿足 9℃以上，避免糖分的過度消耗，影響甘蔗含糖量，進而影響經濟效益。譚宗琨[6]還指出，作為喜溫作物，當?shù)赝瑫r要滿足年平均溫度19℃以上，充分保證甘蔗生長發(fā)育、蔗糖高效積累的全過程；另外，甘蔗對水分要求也較為敏感，9～10月份降雨量對甘蔗后期發(fā)育極其關鍵，超過140 mm對其后期發(fā)育有利。

1.2 甘蔗種植生態(tài)區(qū)劃指標

根據前文甘蔗種植的氣候條件，并結合崇左市本地氣候特點以及地形特性，本研究擬選取對甘蔗生長較為關鍵的若干氣候因子進行研究，對各氣候因子指標的適宜性進行劃分，并進行專家評分。所選取的7個氣候因子指標依次為：年穩(wěn)定通過20℃積溫、年穩(wěn)定通過 20℃積溫日數(shù)、年平均氣溫、1月平均氣溫、5年1遇最低氣溫、9～10月降水量以及年日照時數(shù)，對上述各項指標適宜性劃分，如表1所示：

表1 崇左市甘蔗種植氣候區(qū)劃指標

2 甘蔗精細化種植農業(yè)氣候區(qū)劃方法

2.1 資料與處理方法

氣候歷史資料來源于廣西氣象信息中心，同時為了保證數(shù)理統(tǒng)計回歸模型的精準性，本研究使用崇左市以及周邊國家級氣象觀測站一共 20個站的近30 a (1986～2015年)氣候歷史資料。地理信息資料采用國家基礎地理信息中心提供的 1:2500000廣西基礎背景數(shù)據和對應的廣西數(shù)字高程數(shù)據(DEM)以及經緯度、海拔高度等柵格數(shù)據，最后提取出崇左市相應的柵格數(shù)據制作區(qū)劃圖。

2.2 區(qū)劃指標回歸模型的建立

崇左市地形較為復雜，具有典型的喀斯特地貌特征，南北、東西海拔高度差異較為明顯，局地立體小氣候特征較突出。國家氣象觀測站僅能片面地反映測站附近區(qū)域的農業(yè)氣候資源特征，通過單一國家氣象觀測站歷史氣候資料制作的農業(yè)種植區(qū)劃已不能滿足現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的需求。因此，為了更客觀的描述崇左市甘蔗種植的7個氣候區(qū)劃指標在不同經緯度以及海拔高度的實際分布，擬用數(shù)理統(tǒng)計(SPSS分析工具)建立空間回歸模型，以模擬出7個區(qū)劃指標在無氣象觀測站的分布狀況。建立的氣候區(qū)劃要素指標與地理信息要素(經緯度、海拔高度等)的關系模型表達如下：

方程式中 Y 代表氣候區(qū)劃指標(氣候要素)，φ為緯度、λ為經度、н為海拔高度等地理信息因子；而ε則為殘差項，表示根據φ, λ, н所模擬出的回歸模型方程的殘差部分。

利用崇左市以及周邊國家氣象觀測站共 20個臺站近30 a (1986～2015年)觀測資料，以及對應的經緯度、海拔高度等(φ, λ, н)等地理信息，將年穩(wěn)定通過20℃積溫、年穩(wěn)定通過20℃積溫日數(shù)、年平均氣溫、1月平均氣溫、5年1遇最低氣溫、9～10月降水量以及年日照時數(shù)作為因變量，利用數(shù)理統(tǒng)計方法(SPSS統(tǒng)計分析工具)得到對應的7個回歸模擬方程(如表 2所示)。其中年穩(wěn)定通過 20℃積溫、年穩(wěn)定通過20℃積溫日數(shù)、年平均氣溫、1月平均氣溫等回歸統(tǒng)計模型的復相關系數(shù)在0.922～0.994之間，顯示相關性非常好，F(xiàn)值在 30.423～44.066之間，穩(wěn)定通過信度0.001的顯著性檢驗；5年1遇最低氣溫、9～10月降水量、年日照時數(shù)等回歸統(tǒng)計模型的復相關系數(shù)也能在0.633～0.715之間，相關性也較理想，F(xiàn)值在 3.571～5.587之間，穩(wěn)定通過信度0.1或0.05的顯著性檢驗?？傮w而言，7個回歸統(tǒng)計模型方程式模擬效果較好，可利用它們進行精細化網格區(qū)劃指標值的模擬。

表2 甘蔗種植氣候區(qū)劃指標空間分布模型方程式

2.3 精細化網格區(qū)劃指標推算以及制作區(qū)劃圖

第一步：根據表2的7個區(qū)劃指標回歸模擬方程式，利用經緯度、海拔高度等地理信息因子，可以推算得到30 m×30 m精細化格點數(shù)據分布值。第二步：將7個區(qū)劃指標回歸模擬方程的每個站點的殘差值ε利用反距離加權插值法(IDW)進行插值，得到殘差30 m×30 m柵格文件。第三步：將7個推算出的精細化網格數(shù)據柵格與7個殘差柵格相加，得到殘差訂正結果。第四步：利用上述第三步得到的殘差訂正后7個柵格文件按照表1進行分專家打分。第五步：將7個區(qū)劃指標的柵格文件進行矩陣加法運算，總分為 140的區(qū)域為最適宜區(qū)，總分在區(qū)間[105,140)的區(qū)域為適宜區(qū)，總分在區(qū)間[70,105)的為次適宜區(qū)，總分在區(qū)間[35,70)的為不適宜區(qū)。最后，對不同適宜性區(qū)域搭配不同色系，疊加市縣邊界、名稱、圖例、標題等，并進行美化，最終完成崇左市甘蔗精細化種植農業(yè)氣候區(qū)劃專題圖(如圖1)。

圖1 崇左市甘蔗精細化種植農業(yè)氣候區(qū)劃圖

3 精細化區(qū)劃結果分析與討論

本研究利用了 ArcGIS處理技術對崇左市進行30 m×30 m高精度網格推演出氣候區(qū)劃因子的空間分布，并利用反距離加權插值法(IDW)對回歸模型氣候區(qū)劃指標因子進行殘差訂正，專家打分法得出較科學合理的崇左市甘蔗精細化種植農業(yè)氣候區(qū)劃專題圖。根據圖1分析，全市無明顯不適宜氣候區(qū)，大部屬于適宜氣候區(qū)，表明崇左市熱量和光能資源充沛；最適宜氣候區(qū)主要位于扶綏縣南部、寧明縣中部和東部偏東地區(qū)，此地區(qū)能滿足甘蔗生長發(fā)育的較理想光熱資源、降雨條件；次適宜區(qū)范圍較小，主要位于天等縣西部、大新縣東北角局部地區(qū)、扶綏縣北部偏北局部地區(qū)、龍州縣西南角局部地區(qū)以及寧明縣東南角局部地區(qū)，這些地區(qū)光熱資源相對較差。

本研究基于高精度的地理信息數(shù)據，運用 GIS技術推演出細網格無氣象觀測站的氣候區(qū)劃指標因子的空間分布，較以往傳統(tǒng)的以單一國家氣象測站農業(yè)種植氣候區(qū)劃手段更為科學合理、可操作性更強、精細化程度更高。但本文未充分考慮其它地理信息因子如坡向、坡度等參與對氣候區(qū)劃指標因子的影響，未充分篩選利用氣候區(qū)劃指標因子相關性較大的地理信息因子參與數(shù)理回歸建模，以提高文中表2中Y5、Y6和Y7對應的復相關系數(shù)，今后的研究中將著力于建立更完善的區(qū)劃指標和回歸方程，并且嘗試利用其它方法完善崇左市的農業(yè)種植區(qū)劃理論研究，比如，可以利用高時空分辨的氣象衛(wèi)星融合數(shù)據加入到農業(yè)種植區(qū)劃研究中，以進一步提高崇左市甘蔗種植農業(yè)氣候區(qū)劃的精度與科學性。