基于MR-GIS的油橄欖種植氣候適宜性分析

李東穎，周蘇剛，王莉霞，焦永清

（1.天水師范學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 天水 741000；2.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

油橄欖是油料及綠化兼用的多年生常綠喬木，其果實(shí)可榨取高級(jí)食用油(橄欖油)[1]。自我國(guó)引種以來，已經(jīng)產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是油橄欖對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境要求嚴(yán)格，且國(guó)內(nèi)外專家大多認(rèn)為中國(guó)引種油橄欖的最大問題是氣候因素[2]，所以研究油橄欖種植氣候適宜性很有必要。甘肅省隴南地區(qū)是我國(guó)油橄欖引種的主要產(chǎn)區(qū)，以此地區(qū)為例，來研究油橄欖種植的氣候適宜性具有典型性。本研究根據(jù)隴南1980～2014年氣候資料，以≥10℃的積溫、年平均降雨量、空氣相對(duì)濕度、年日照時(shí)數(shù)等4個(gè)氣候因子作為研究指標(biāo)，采用GIS結(jié)合多元回歸方法綜合研究了油橄欖種植區(qū)的氣候適宜性類型，希望有助于油橄欖的生產(chǎn)、科研和全面地評(píng)價(jià)油橄欖在我國(guó)的氣候適宜性，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高果農(nóng)生產(chǎn)效益[3-6]。

1 研究現(xiàn)狀

對(duì)于油橄欖的研究主要是空間區(qū)位、土壤、氣候等影響下其生長(zhǎng)機(jī)理、生物性狀等，還有學(xué)者專門研究適宜油橄欖生長(zhǎng)的地形、土壤、氣候條件，包括多因子綜合或者單因子[2-4]，以及在特殊條件下油橄欖的種植分析，例如油橄欖的抗旱機(jī)理研究[1,7]，主要方法為試驗(yàn)法、GIS技術(shù)、數(shù)理法、調(diào)查法等[1-9]。鑒于以往油橄欖種植的氣候適宜性分析主要是數(shù)理演繹，區(qū)位直觀性不強(qiáng)，雖有部分學(xué)者進(jìn)行區(qū)位分析，但是主要集中于綜合氣候區(qū)位，具有較為模糊的特點(diǎn)，本研究運(yùn)用已有的數(shù)據(jù)對(duì)油橄欖種植的氣候適宜性結(jié)合GIS和多元回歸法進(jìn)行多重區(qū)位分析，可以給種植者提供較為全面的氣候區(qū)位信息，有益于油橄欖種植的全面規(guī)劃等多方面參考。研究方法與插值法比較，可以利用多元回歸模型修正和優(yōu)化結(jié)果，可細(xì)化氣候特征，適合小區(qū)域氣候區(qū)劃分析[1-9]。

2 研究區(qū)概況

隴南位于甘肅省東南部，地處秦巴山區(qū)，轄武都、文縣、成縣等一區(qū)八縣，境內(nèi)高山、河谷、丘陵、盆地交錯(cuò)，氣候垂直分布，地域差異明顯，海拔550～4 187 m，是甘肅省唯一屬于長(zhǎng)江水系并擁有亞熱帶氣候的地區(qū)，區(qū)內(nèi)由南向北有北亞熱帶、暖溫半濕潤(rùn)、高原濕潤(rùn)3種氣候類型，境內(nèi)白龍江、白水江、西漢水、嘉陵江沿江河谷及丘陵地帶多為北亞熱帶半干旱氣候，由于西秦嶺山系的屏障作用及青藏高原東緣岷山山系的阻礙，沿川河谷及緩坡地帶形成了冬暖谷地，為性喜溫暖的油橄欖提供了良好的越冬度夏和生長(zhǎng)結(jié)實(shí)條件，是中國(guó)油橄欖優(yōu)先發(fā)展的優(yōu)勢(shì)區(qū)域。研究行政區(qū)劃及主要河流如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況

3 數(shù)據(jù)來源

本研究氣候數(shù)據(jù)來自國(guó)家氣象信息中心的隴南地區(qū)1980～2014年逐日觀測(cè)資料和當(dāng)?shù)赜烷蠙旆N植基地多年觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括該區(qū)氣溫、降水、日照等，地形數(shù)據(jù)是國(guó)家測(cè)繪局公布的30 m精度DEM。

4 氣候適宜性分析與區(qū)劃實(shí)現(xiàn)

4.1 研究思路

橄欖種植氣候適宜性分析指土地針對(duì)橄欖種植氣候的適宜性進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，涉及了4個(gè)方面的內(nèi)容：①了解橄欖種植地本身的性質(zhì)及其組合（本文著重研究氣候條件）；②了解研究區(qū)土地性質(zhì)和質(zhì)量（本文著重研究地形和氣候）；③了解研究區(qū)土地性質(zhì)或質(zhì)量是否滿足橄欖種植要求（即要進(jìn)行土地質(zhì)量和土地條件的比配）；④比較之后的適宜性判別與定級(jí)[4,8,10-11]。

整個(gè)油橄欖氣候適宜性分析主要涉及適宜性數(shù)據(jù)組織管理，再根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)情進(jìn)行模型篩選，針對(duì)油橄欖種植條件建立相應(yīng)指標(biāo)體系和權(quán)重。將研究區(qū)氣候質(zhì)量與油橄欖種植條件進(jìn)行匹配比較得出適宜性分值，最終為油橄欖種植決策服務(wù)，其研究思路如圖2。

圖2 研究思路

4.2 模 型

油橄欖一定要按照它的生態(tài)習(xí)性選擇適宜的種植地區(qū)，應(yīng)注意地形、土壤、氣候條件。油橄欖喜溫、喜光、怕澇、好氣。在選定研究區(qū)的情況下，基于現(xiàn)狀土地診斷的結(jié)果，研究區(qū)土壤性質(zhì)（包括質(zhì)地、PH、肥力、有機(jī)質(zhì)、圖層厚度、透氣性等因子）在短時(shí)間內(nèi)基本不變，可作為常量；再考察其他兩個(gè)因素，即氣候（光照、降水、溫度）和地形（地勢(shì)、坡度、坡向），它們兩者之間有密切的聯(lián)系。據(jù)此，本文選取了多元回歸模型來研究隴南地區(qū)油橄欖種植適宜性問題[3-4,12-14]：

式中，Y為氣候區(qū)劃因子；φ、λ、T分別表示經(jīng)度、緯度、地形等影響因子。隴南地區(qū)氣候要素的空間變化主要受大地形的影響，由于完成區(qū)劃的區(qū)域范圍較小，因此，氣候要素受經(jīng)緯度的影響就比較小，在區(qū)劃過程中可以忽略不計(jì)，得到地形與氣候之間的關(guān)系模型（式（2））。地形綜合信息可以由海拔因子提取，故而地形模型可轉(zhuǎn)換為式（3），從而得出氣候與地形的多元回歸模型（式（4））。該模型通過插值法進(jìn)行氣候區(qū)劃，可以多模型修正區(qū)劃結(jié)果，細(xì)化氣候特征，使結(jié)果更精確，適合小區(qū)域氣候區(qū)劃分析。

4.3 因子選擇和指標(biāo)確定

通過分析總結(jié)以往的研究成果，結(jié)合當(dāng)?shù)乜萍脊ぷ髡吆凸r(nóng)的種植經(jīng)驗(yàn)，最終選擇≥10℃的積溫、年平均降水量、年日照時(shí)數(shù)和年平均空氣相對(duì)濕度共4項(xiàng)氣候因子作為隴南油橄欖氣候適宜性區(qū)劃的指標(biāo)，并通過研究區(qū)專家和果農(nóng)經(jīng)驗(yàn)打分得出指標(biāo)權(quán)重[3-16]。

表1 油橄欖適宜種植的評(píng)價(jià)要素及指標(biāo)

4.4 油橄欖氣候適宜性分析模型實(shí)現(xiàn)

本研究應(yīng)用隴南市各縣區(qū)近30 a氣象觀測(cè)資料和該區(qū)地形特征，統(tǒng)計(jì)分析得出≥10℃的積溫、年平均降水量、年日照時(shí)數(shù)、年平均空氣濕度與地形之間的多元回歸模型，求出4個(gè)區(qū)劃指標(biāo)的氣候?qū)W方程如表2。

表2 油橄欖氣候適宜性分析模型實(shí)現(xiàn)

從表2可以看出，各方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)在0.615 7～0.896 1之間，從回歸效果來看，積溫與相對(duì)空氣濕度的回歸方程都通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，因此，可以利用它進(jìn)行區(qū)劃指標(biāo)的細(xì)網(wǎng)格推算[17]。

4.5 匹配計(jì)算

本研究利用ArcGIS10.1平臺(tái)[15]，根據(jù)多元回歸模型算出≥10℃的積溫、年平均降水量、年日照時(shí)數(shù)、年平均相對(duì)空氣濕度柵格圖層數(shù)據(jù)，按照油橄欖適宜性區(qū)劃指標(biāo)體系進(jìn)行歸一化處理后，進(jìn)行匹配比較，再將各個(gè)區(qū)劃指標(biāo)的柵格圖層進(jìn)行矩陣加權(quán)疊加運(yùn)算得出該區(qū)氣候適宜性分值，最后按照分值的大小根據(jù)自然斷點(diǎn)分級(jí)法劃分出油橄欖的最適宜、適宜、次適宜和不適宜氣候區(qū)[15,17]，其中圖3a～d是隴南地區(qū)油橄欖種植氣候單因子適宜性區(qū)劃；圖4是綜合氣候適宜性分區(qū)。

圖3 隴南地區(qū)油橄欖種植氣候單因子適宜性區(qū)劃

圖4 隴南地區(qū)油橄欖種植氣候適宜性區(qū)劃

4.6 結(jié) 果

研究結(jié)果表明隴南市的文縣、武都、宕昌白龍江，白水江沿岸海拔在1 300 m以下的河谷及半山區(qū)，是發(fā)展油橄欖生產(chǎn)最具潛力的區(qū)域，該區(qū)域的氣候條件與油橄欖原產(chǎn)地地中海很相似。在隴南市北部的西禮盆地及海拔大于1 600 m的山區(qū)，都不適宜油橄欖生長(zhǎng)，主要原因是這些區(qū)域降水條件和熱量條件受到限制，無法滿足油橄欖生長(zhǎng)需要。

5 結(jié) 論

本文研究區(qū)劃結(jié)果與隴南市油橄欖實(shí)際種植分布區(qū)域基本相符。在整個(gè)區(qū)劃過程中，考慮到小區(qū)域氣候特征，運(yùn)用多元回歸模型，再結(jié)合GIS技術(shù)，直觀地反映出隴南地區(qū)油橄欖氣候適宜性區(qū)劃，可以為研究區(qū)油橄欖種植合理布局提供依據(jù)。不足之處在于：油橄欖氣候適宜性模型（油橄欖種植條件眾多，多因子之間關(guān)系復(fù)雜，且為動(dòng)態(tài)可變的）有待通過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐進(jìn)一步優(yōu)化。