基于GIS的云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區(qū)劃

王棟　李文峰　齊偉恒

摘要：氣候環(huán)境是影響馬鈴薯生長發(fā)育的至關(guān)重要因素之一，為了對云南省的馬鈴薯種植進行氣候適宜性區(qū)劃，以云南省境內(nèi)125個氣象監(jiān)測站測得的溫度、降水、日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)和云南省地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合前人對馬鈴薯生長的生理生態(tài)研究成果，通過專家打分法和層次分析法等技術(shù)手段建立了云南省馬鈴薯種植氣候適宜性評價指標體系。該評價體系包括“生育期平均氣溫”“生育期降雨量”“生育期日照時數(shù)”“云南省7月平均氣溫”和“云南省地理海拔高度”5個評價指標，將每個指標劃分為“最適宜區(qū)”“適宜區(qū)”和“次適宜區(qū)”3個區(qū)域。在該評價體系的基礎(chǔ)上構(gòu)建了綜合評價模型，運用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，對云南省馬鈴薯種植的氣候適宜性進行了區(qū)域劃分。結(jié)果顯示，馬鈴薯最適宜種植區(qū)占云南省的24.6%，適宜區(qū)占56.1%，次適宜區(qū)占13.9%。研究結(jié)果可為云南省馬鈴薯科學種植規(guī)劃提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)（GIS）；馬鈴薯；適宜性；云南省；區(qū)劃

中圖分類號： S162.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）15-0185-05

云南省地處我國的西南邊陲，位于21°8′32″～29°15′8″N、97°31′39″～106°11′47″E之間，是人類文明重要的發(fā)祥地之一，廣闊的地域面積造就了生態(tài)環(huán)境的多種多樣。當?shù)氐淖匀粴夂驐l件適宜馬鈴薯的生長發(fā)育，是中國馬鈴薯五大主產(chǎn)區(qū)之一[1]。自從馬鈴薯傳入云南之后，人們對其種植因地制宜，創(chuàng)造了多種多樣的耕作制度，積累了豐富的馬鈴薯栽培經(jīng)驗，形成了各具特色的地方食品。在云南省內(nèi)，馬鈴薯既被當作糧食又被當作菜品，深受人們的喜愛。由于云南省特殊的立體氣候，幾乎周年均可生產(chǎn)，并且云南的馬鈴薯生產(chǎn)周期較短，當出現(xiàn)了糧食危機的時候，馬鈴薯便首當其沖地作為備糧備荒的主要糧食作物[2]。由此可見，馬鈴薯對于云南省乃至全國糧食安全方面起著舉足輕重的作用。

據(jù)2013年的“中國馬鈴薯大會報告”資料中顯示，云南省所產(chǎn)馬鈴薯的總產(chǎn)量占全國馬鈴薯總產(chǎn)量的8%。經(jīng)查閱《云南農(nóng)業(yè)年鑒》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2013年的主要糧食總產(chǎn)量中，玉米約734.2萬t，稻谷約667.9萬t，豆類約131.4萬t，小麥約80.5萬t，薯類約207.6萬t（按折糧計算），薯類當中馬鈴薯約194.5萬t（按折糧計算）。2014年，云南省的馬鈴薯種植面積達56.4萬hm2，占全省糧食種植總面積的18.76%。馬鈴薯已逐漸發(fā)展為云南省繼玉米、水稻之后的第三大糧食戰(zhàn)略作物。馬鈴薯作為重要的糧食、蔬菜和加工原料，對云南省農(nóng)業(yè)農(nóng)村的經(jīng)濟發(fā)展以及農(nóng)民增收致富起著至關(guān)重要的作用。按生產(chǎn)周期劃分，在云南省主要有大春馬鈴薯、小春馬鈴薯和冬季馬鈴薯3種，就其播種面積來看，以上三者分別占66.1%、18.5%和15.4%，按其產(chǎn)量計算，分別占云南省馬鈴薯總產(chǎn)量的66.3%、9.6%和14.1%。本研究將云南省境內(nèi)的大春一季作馬鈴薯作為研究對象，對其在云南省種植的氣候適宜性進行研究。

目前，國內(nèi)外關(guān)于馬鈴薯的最適生長發(fā)育氣候條件、馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力等方面的研究比較多，諸如李亞杰等[3]、秦玉芝等[4]、黃沖平[5]、姚玉璧等[6]對馬鈴薯的整個生長發(fā)育狀態(tài)進行深入研究，并取得了豐碩的成果。他們普遍認為，海拔、溫度和光照等氣象因子是影響馬鈴薯生長發(fā)育的關(guān)鍵因子。林念萍等[7]、苗慶林等[8]、李瑞等[9]通過使用層次分析法針對不同研究對象解決了相關(guān)區(qū)劃問題，均取得了比較科學完善的成果。在此類研究的基礎(chǔ)上，王連喜等使用GIS技術(shù)對寧夏回族自治區(qū)馬鈴薯種植氣候進行了區(qū)劃[10]；李麗純等對福建省的馬鈴薯氣候減產(chǎn)進行了風險分析和區(qū)劃[11]；白美蘭等對內(nèi)蒙古烏蘭察布盟地區(qū)的馬鈴薯優(yōu)良品種種植進行了區(qū)劃[12]；高永剛等對黑龍江省馬鈴薯氣候生產(chǎn)力特征進行了區(qū)劃[13]。以上專家學者的研究表明，GIS技術(shù)在農(nóng)作物種植氣候區(qū)劃方面已經(jīng)發(fā)展得相對比較完善，但是，在作為全國馬鈴薯五大主產(chǎn)區(qū)之一的云南省范圍內(nèi)，將GIS技術(shù)與馬鈴薯種植農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃及適應(yīng)性評價相結(jié)合的研究卻鮮有報道。云南省馬鈴薯種植生產(chǎn)的現(xiàn)狀仍是以農(nóng)戶分散種植為主，適宜與不適宜種植、種植效果好壞僅憑經(jīng)驗判斷，缺乏一個科學的區(qū)分依據(jù)。本研究將通過采集云南省氣象監(jiān)測站點收集到的平均氣溫、降水量、日照時數(shù)等氣候要素數(shù)據(jù)，結(jié)合云南省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等資料，建立云南省馬鈴薯種植的氣候區(qū)劃評價指標體系，構(gòu)建基于空間專題數(shù)據(jù)庫的適應(yīng)性評價模型，對云南省馬鈴薯種植的氣候適宜性進行區(qū)域劃分，以期為云南省馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的布局規(guī)劃提供科學參考。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)采集

本研究中所用到的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)是1 ∶25萬的云南省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要包括以下5個方面：（1）云南省各地州及縣的政府所在地圖層；（2）云南省縣級及以上行政區(qū)邊界圖層；（3）云南省境內(nèi)125個氣象監(jiān)測站點所在地的經(jīng)緯度；（4）云南省數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)；（5）各柵格數(shù)據(jù)。

云南省氣象局提供的氣象數(shù)據(jù)是本研究所使用的氣象資料主要來源。數(shù)據(jù)主要包括云南省全境125個氣象監(jiān)測站測得的2015年溫度、積溫、降水、日照時數(shù)等數(shù)據(jù)資料（圖1）。

1.2數(shù)據(jù)處理

借鑒前人對馬鈴薯生長的生理生態(tài)研究成果，結(jié)合云南省實際的馬鈴薯種植生產(chǎn)狀況，按照各氣象因子對馬鈴薯生長發(fā)育的不同影響程度，將所收集到的溫度、積溫、降水、日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)分時間段進行整理。通過對所獲取數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的篩選和補充等前期工作后，得到研究中所用到的各項數(shù)據(jù)。

為了得到一個完整連續(xù)的表面，從而給區(qū)劃研究提供必要的空間數(shù)據(jù)可視化支撐，研究人員通常使用空間插值的方法來對空間數(shù)據(jù)進行完善。在ArcGIS平臺上，通過插值運算所生成的表面通常可以使用多種方法來實現(xiàn)，諸如反距離權(quán)重插值法、樣條函數(shù)插值法、克里金插值法、自然鄰域插值法，以及趨勢面插值法等[14]。克里金插值法是一種基于統(tǒng)計學的插值方法。克里金插值法的基本原理是，根據(jù)相鄰的變量的值利用變異函數(shù)揭示出的區(qū)域化變量，使用其內(nèi)在聯(lián)系來估計空間變量數(shù)值。用克里金插值法進行插值的主要步驟如圖2所示。endprint

1.3研究方法

為得到更加客觀且更加準確的結(jié)果，在本研究中采用層次分析法對各評價指標進行了分析。層次分析法（analytic hierarchy process，簡稱AHP）是20世紀70年代初美國運籌學家T.L.Saaty教授提出的，通過使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論以及多目標綜合評價的方法得出一種層次權(quán)重決策分析方法。層次分析法的核心是通過決策專家豐富的研究經(jīng)驗針對研究對象進行定量判斷。這一方法大大提高了決策依據(jù)評判的準確性，在缺乏大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)且結(jié)構(gòu)較為復雜的情況下具有很好的可行性。這是一種靈活便捷并且具有較高實用價值的多標準決策法。使用層次分析法確定評價指標權(quán)重的基礎(chǔ)是通過比較同一層次內(nèi)各個指標之間的相對重要性，來進行綜合指標權(quán)重的計算[15]。層次分析法廣泛應(yīng)用于生態(tài)安全、環(huán)境規(guī)劃、區(qū)域承載力、化學品環(huán)境性能評價等眾多領(lǐng)域[16]。

2結(jié)果與分析

2.1云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區(qū)劃評價指標體系

馬鈴薯原產(chǎn)于南美洲安第斯山區(qū)，喜冷涼氣候。通過我國的生產(chǎn)實踐證明， 在高海拔（≥1 000 m）山區(qū)其品質(zhì)優(yōu)、產(chǎn)量高。池再香等通過對春薯進行平均氣象產(chǎn)量與春薯種植期氣候因子的關(guān)系進行分析，得到在貴州西部區(qū)域春薯的氣候適宜性區(qū)劃指標主要有生育期的平均氣溫、≥10 ℃活動積溫、晝夜平均溫差、日照時數(shù)、降水量、7月平均氣溫、5—7月降水量以及其所處的海拔高度[17]。苗百嶺等通過使用相關(guān)分析和回歸分析等方法，分區(qū)域?qū)﹃幧胶底鲄^(qū)影響馬鈴薯生長發(fā)育及其產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子進行分析，確定了馬鈴薯生長季節(jié)平均溫差、生長季降水量為該區(qū)域影響馬鈴薯生長發(fā)育的氣候區(qū)劃指標。分析結(jié)果顯示，通過顯著性水平檢驗的主要有5個氣候因子，分別是6月降水量、7月降水量、8月降水量、8月日照時數(shù)和8月平均氣溫[18]。宋學峰等通過研究發(fā)現(xiàn)，影響馬鈴薯產(chǎn)量相關(guān)程度最高的氣候因子分別有結(jié)薯期溫度、降水量、日照時數(shù)和風速。利用以上因子與馬鈴薯的產(chǎn)量進行單相關(guān)分析，結(jié)果表明，以上氣候因子與馬鈴薯產(chǎn)量一般呈線性關(guān)系。其中，還發(fā)現(xiàn)了平均氣溫與產(chǎn)量呈正相關(guān)；穩(wěn)產(chǎn)與產(chǎn)量呈負相關(guān)等一系列相關(guān)關(guān)系[19]。孫文堂等研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)薯期平均溫度、平均最高溫度、降水量等氣候因子與馬鈴薯產(chǎn)量之間具有相當高的相關(guān)性[20]。研究表明，馬鈴薯在環(huán)境氣溫4 ℃以上便可萌芽，在萌發(fā)期對水分和光照需求較少，因而此階段內(nèi)影響其發(fā)芽的主要環(huán)境因子是溫度，而且這也是決定馬鈴薯能否獲得高產(chǎn)的先決條件。結(jié)薯期溫度對馬鈴薯塊莖大小起著決定性的作用，在15～19 ℃范圍內(nèi)最適宜馬鈴薯塊莖膨大，而當溫度超過21 ℃，馬鈴薯塊莖將退化嚴重[21]。

通過對前人研究工作的分析和借鑒得知，馬鈴薯薯塊在氣溫4 ℃時便開始萌芽，此間最適宜溫度為5～7 ℃。塊莖形成的最適宜溫度為16～20 ℃，當氣溫低于2 ℃或高于30 ℃的時候，馬鈴薯塊莖停止膨大。當降水量不低于 500 mm 時才能滿足馬鈴薯生育期生長發(fā)育的生理需要，其最適宜的降水量為800～1 100 mm。關(guān)于光照因素，當整個生育期日照時數(shù) 1 000 h 左右最適宜馬鈴薯生長。經(jīng)過從事馬鈴薯研究的數(shù)位專家評議后，最終決定本研究從“生育期（3—9月）平均氣溫”“生育期（3—9月）降水量”“生育期（3—9月）日照時數(shù)”“云南省7月平均氣溫”和“云南省地理海拔高度”5個影響馬鈴薯的主要氣候因子對馬鈴薯的生長發(fā)育影響情況進行分析，并得出“云南省馬鈴薯種植的氣候適宜性區(qū)劃指標”（表1）。

將采集到的云南省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和云南省氣象局提供的氣象數(shù)據(jù)通過GIS平臺，運用克里金插值的方法作出各因子的柵格圖，再對柵格圖進行重分類作出影響馬鈴薯生長發(fā)育各要素的分布圖（圖3）。

2.2云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區(qū)劃評價模型

2.2.1求取各評價指標權(quán)重

將選取的5個區(qū)劃指標運用兩兩對比的方法構(gòu)建區(qū)劃因子權(quán)重判斷矩陣。其中，用1～9的標度來表示各個因子之間的重要性。本研究運用專家打分的方法，通過聘請10位云南省從事馬鈴薯研究的專家，依托專家對馬鈴薯多年研究的經(jīng)驗積累，經(jīng)逐項判斷后對矩陣進行填充。

一致性。因而，確定權(quán)重為：海拔因素占0.401 9，日照時數(shù)因素占0.207 9，降水量因素占0.197 8，7月平均溫度因素占0133 9，生育期平均溫度因素占0.058 5。

2.2.2指標的無量綱化

作物生態(tài)適宜性評價的一個相當重要的步驟就是數(shù)據(jù)的無量綱化。由于專家打分法具有一定的主觀性，因而，通過無量綱化計算，改變量綱對因子的影響，使得所有評價因子都處于同一水平線，從而再進行比較就會使結(jié)果更加科學、更加規(guī)范。這一步驟為整個評價結(jié)果的精確度及正確性提供了保障。

對各指標進行無量綱化處理，利用公式計算出柵格數(shù)據(jù)的無量綱值Fij：

2.2.3綜合評價模型

本研究的區(qū)劃依據(jù)是構(gòu)建云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區(qū)劃綜合評價模型，通過使用層次分析法計算各區(qū)劃指標的權(quán)重值，利用前面所做工作得到的數(shù)據(jù)進行加權(quán)求和：

式中：S表示云南省馬鈴薯種植氣候適宜性評價的綜合得分；fi表示的是無量綱處理后的因子量化值，Wi表示各因子所占的權(quán)重。

2.3云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區(qū)劃

利用ArcGIS中柵格計算器進行圖層的疊加計算分析，根據(jù)影響馬鈴薯生長發(fā)育的各氣候因子權(quán)重，通過求加權(quán)和評價模型對其適應(yīng)性得分計算，最終生成各相關(guān)因子的云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區(qū)劃專題圖（圖4）。

由圖4及相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，云南省種植馬鈴薯的最適宜氣候區(qū)域主要分布在滇東北區(qū)域和滇西北高海拔生態(tài)區(qū)域以及滇西的部分區(qū)域，主要有宣威縣、尋甸縣、馬龍縣、富源縣、陸良縣、沾益縣、騰沖縣、石林縣、會澤縣等36個縣域，根據(jù)區(qū)劃的統(tǒng)計結(jié)果，此區(qū)域合計10.43萬km2，占據(jù)云南省總面積的24.6%；云南省種植馬鈴薯的氣候適宜區(qū)域主要分布在滇東區(qū)域和滇西區(qū)域范圍內(nèi)，主要有祿勸縣、祿豐縣、昌寧縣、鳳慶縣、云縣、武定縣、開遠縣等55個縣域，根據(jù)區(qū)劃的統(tǒng)計結(jié)果，此區(qū)域合計23.81萬km2，占據(jù)云南省總面積的561%；除以上的最適宜區(qū)和適宜區(qū)之外，剩下的區(qū)域大都在次適宜區(qū)范圍內(nèi)，其分布大都在滇中地區(qū)。主要有德欽縣、香格里拉、維西縣、鹽津縣、元謀縣、洱源縣等29個縣域，統(tǒng)計結(jié)果顯示，此區(qū)域合計8.17萬km2，占云南省總面積的19.3%。endprint

3討論與結(jié)論

3.1討論

為了研究馬鈴薯在云南省適宜生長的氣候區(qū)域，本研究以GIS技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計方法為技術(shù)支撐，以云南省馬鈴薯生長生理狀態(tài)、云南省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和云南省氣象數(shù)據(jù)為研究分析的對象，對影響云南省馬鈴薯種植的氣候條件進行分析，對馬鈴薯種植的適宜性進行了區(qū)域劃分。通過一系列的數(shù)理計算及空間數(shù)據(jù)分析得到云南省馬鈴薯種植氣候適宜性區(qū)劃專題圖。經(jīng)查閱云南省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒，整理相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：曲靖馬鈴薯播種面積7.053萬hm2，占當?shù)丶Z食種植面積的14.48%，占全省馬鈴薯種植面積的31.15%，單產(chǎn)19043 t/hm2；大理馬鈴薯播種面積0.613萬hm2，占當?shù)丶Z食種植面積的2.15%，占全省馬鈴薯種植面積的2.70%，單產(chǎn)13.118 t/hm2；迪慶馬鈴薯播種面積0.317萬hm2，占當?shù)丶Z食種植面積的6.09%，占全省馬鈴薯種植面積的1.40%，單產(chǎn)12.953 t/hm2。將以上數(shù)據(jù)與本研究專題圖進行比對，可以發(fā)現(xiàn)本研究中對區(qū)域的劃分與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)吻合，這些地區(qū)的實際生產(chǎn)種植狀況與本研究的最適宜區(qū)和次適宜區(qū)都基本成正比，氣候最適宜區(qū)播種面積和產(chǎn)量都較大，適宜區(qū)的種植面積和產(chǎn)量均處于一般水平，而次適宜區(qū)的播種面積產(chǎn)量相對較少，進一步驗證了本研究的實用性。

但是，通過數(shù)據(jù)和圖像的對比也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如昭通市馬鈴薯播種面積9.325萬hm2，占當?shù)丶Z食種植面積的2184%，占全省馬鈴薯種植面積的41.20%，單產(chǎn) 11.408 t/hm2。從本研究的專題圖上看到，昭陽、彝良、鎮(zhèn)雄等縣約占昭通一小半地域，處于氣候最適宜種植區(qū)，但還有大半土地是適宜區(qū)和次適宜區(qū)。實際的生產(chǎn)狀況與本研究有一定的出入。由此可以認為，土壤類型、種植技術(shù)和人文環(huán)境等非氣候因素對馬鈴薯的種植也有一定的影響。

3.2結(jié)論

本研究通過對影響云南省馬鈴薯種植生產(chǎn)的氣候因子以及云南省的經(jīng)緯度、海拔等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合當?shù)剞r(nóng)民的生產(chǎn)實際，運用專家打分和層次分析法對所分析的數(shù)據(jù)進行處理，確定了研究中的區(qū)劃指標，使得整個區(qū)劃結(jié)果更加客觀，更加合理。通過定量劃分對馬鈴薯種植的氣候適宜性進行精細化的區(qū)域劃分，其中最適宜種植區(qū)有 10.43萬km2，占據(jù)云南省總面積的24.6%；適宜種植區(qū)有23.81萬km2，占據(jù)云南省總面積的56.1%；次適宜區(qū)約有817萬km2，占云南省總面積的19.3%。通過采用GIS技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計方法，結(jié)合云南省特殊的地理條件、豐富的氣候類型以及馬鈴薯生長發(fā)育對環(huán)境的要求，科學合理地對云南省馬鈴薯種植業(yè)進行氣候區(qū)劃，充分利用云南省的氣候資源，降低選址的盲目性，可提高馬鈴薯的質(zhì)量和產(chǎn)量，為馬鈴薯在云南省種植的進一步擴大化和資源的可持續(xù)利用提供了一定的理論依據(jù)。

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