基于GIS的海南島芒果氣候適宜性精細化區劃研究

張明潔 張亞杰 張京紅 楊靜 林紹伍

摘 ?要：以海南島18個國家氣象站1966—2019年的日觀測數據為基礎，對海南島18個市（縣）芒果單產的氣象產量與其各生育期氣溫、降水、日照、相對濕度等做相關分析，選取花期平均氣溫、果實發育期平均氣溫、年≥10 ℃積溫作為區劃指標，同時考慮坡度因素的影響，采用集優法基于GIS開展了海南島芒果種植精細化氣候區劃。結果表明，海南島芒果種植氣候適宜區主要分布在昌江、東方、樂東、三亞、陵水、萬寧、瓊海等西部南部和東部市（縣）的沿海鄉（鎮），不適宜區主要分布在五指山大部、白沙南部、昌江南部、樂東東北部、三亞北部、陵水北部等市（縣）地形陡峭的山地，其余為次適宜區。區劃結果可為海南島芒果種植布局規劃和產業結構調整提供科學依據。

關鍵詞：芒果;氣候適宜性;區劃;精細化;海南島

中圖分類號：P49 ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Based on the observation data of 18 national meteorological stations in Hainan from 1966 to 2019， the correlation between meteorological yield of mango per unit area and temperature， precipitation， sunshine and relative humidity of mango in each growth period in 18 cities and counties of Hainan Island was analyzed，and the average temperature at flowering stage， average temperature at fruit development stage and annual accumulated temperature≥10 ℃ were selected as regionalization indexes when the influence of slope factor was considered. Based on GIS， the refined climate regionalization of mango planting in Hainan was carried out by using the method of set optimization. The climate suitable areas for mango planting in Hainan are mainly distributed in the coastal towns of Changjiang， Dongfang， Ledong， Sanya， Lingshui， Wanning， Qionghai， etc. The unsuitable areas are mainly distributed in most of Wuzhishan， south of Baisha， south of Changjiang， northeast of Ledong， north of Sanya and north of Lingshui. And the other areas are sub-suitable areas. The results could provide scientific basis for the planning of mango planting layout and industrial structure adjustment in Hainan Island.

Keywords： mango; climatic suitability; regionalization; fine; Hainan Island

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.12.039

芒果是原產印度的漆樹科常綠大喬木，是著名的熱帶水果之一[1]。中國是世界上收獲面積第二的芒果生產國，芒果產業大規模發展始于20世紀60年代，目前處于調整階段，總體呈增長趨勢，主要分布在海南、云南、廣東、廣西等熱帶亞熱帶省份。氣候條件特別是芒果種植地的小氣候條件是影響芒果產量和品質優劣的重要因素。為了提高芒果產量和品質，開展芒果種植氣候適宜性精細化區劃具有重要意義。

目前，已有部分學者從不同角度，選取氣候適宜性區劃指標，開展了廣東[2]、廣西[3]、貴州[4]、福建[1]、四川攀枝花[5]、云南元陽縣[6]等省或市（縣）的芒果氣候適宜性區劃研究。關于海南芒果的氣候適宜性，王春乙等[7]分離海南芒果寒害減產率，計算不同減產率等級的發生概率，得到寒害產量風險度，對海南芒果寒害風險進行了區劃。郭志鵠等[8]建立海南昌江地區芒果花期氣候適宜性評價指標和模型。然而關于海南芒果種植氣候適宜性的研究尚未見報道。另一方面，雖然海南島氣候資源優越，但地處熱帶北緣，屬熱帶海洋性季風氣候區，雖然面積不大，但各市（縣）氣候條件仍有差別。因此，為了充分利用海南島有利的氣候資源，趨利避害，為海南島芒果種植布局優化和產業結構調整提供科學依據，有必要開展海南島芒果氣候適宜性精細化區劃研究。

本研究利用海南島18個國家氣象站1966—2019年的觀測資料，結合地理信息資料、芒果產量、種植面積資料，根據芒果關鍵生育期對氣候條件的要求，構建海南島芒果氣候適宜性區劃指標體系，同時考慮坡度因素的影響，基于GIS技術開展海南島芒果氣候適宜性區劃精細化研究，為海南島芒果種植布局優化和產業結構調整提供科學參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區概況

海南島地處北緯18°10′～20°10′，東經108°37′～ 111°03′，屬熱帶季風海洋性氣候，年平均氣溫23.1～25.9 ℃，年日照時數1755.2～2547 h，年降水量949.7～2388.1 mm，最冷月平均氣溫17.4～ 21.7 ℃。長夏無冬，降水豐沛，干季、雨季明顯，冬春干旱，夏秋多雨。全島面積約3.43萬km2，地形四周低平，中間高聳，以五指山、鸚歌嶺為隆起核心，向外圍逐級下降，由山地、丘陵、臺地、平原構成環形層狀地貌梯級結構明顯。沿海和內陸氣候條件差異明顯。芒果種植主要分布在三亞、東方、樂東、陵水、昌江等市（縣）。2019年，海南島芒果年末種植面積5.6934萬hm2[9]，收獲面積52.4540萬hm2，總產量的7.5805萬t，單產約2.89 t/hm2，穩居全國第一位。海南島光熱豐富，年平均氣溫高、氣溫年較差小，基本能夠滿足芒果越冬及生長需求的熱量條件。雨量充沛，干濕季節明顯，有利于芒果開花授粉和果實生長發育。但另一方面，臺風頻繁易造成枝條折損和落果，部分地區、部分年份遭遇花期低溫陰雨，導致芒果不能正常開花或開花后授粉受精不良，高溫導致果實灼傷等。芒果對土壤要求不嚴格，海南土壤類型以磚紅壤、赤紅壤、燥紅土為主，適宜芒果種植。

1.2 ?數據來源及處理

所用數據包括氣象數據、芒果種植面積、產量、發育期資料、海南島數字高程模型和行政區劃邊界。其中，氣象數據為海南島18個國家站1966—2019年的日值觀測數據，包括氣溫、降水、日照、相對濕度等，來源于海南省氣象局。芒果種植面積、產量數據來源于1997—2020年的《海南省統計年鑒》。芒果發育期資料來源于實地觀測和文獻查閱。30 m分辨率的dem數據和1∶100萬行政區劃數據來源于國家基礎地理信息中心。

1.3 ?芒果單產的氣象產量分離

芒果產量可分為由社會經濟因素決定的趨勢產量、氣象因素決定的氣象產量和由偶然因素決定的隨機產量[10]。計算公式如下：

ya=yt+yw+

式中：ya、yt、yw、分別為實際產量、趨勢產量、氣象產量和隨機產量（t/hm2），隨機產量可以忽略不計[11]。

研究過程中，采用5年滑動平均法[12]分離出海南島18個市（縣）1996—2019年芒果單產的趨勢產量，進而得到各市（縣）芒果單產的氣象產量。

2 ?結果與分析

2.1 ?區劃指標選取

氣象條件在芒果的整個發育期均發揮著作用，由于各市（縣）氣候條件的差異，加上考慮上市時間等經濟因素的產期調控等人為干預，海南島各市（縣）芒果發育期時間跨度大，即使是同一發育期，時間范圍也很廣：每年11月—翌年2月均有芒果處于花芽分化期，12月—翌年3月均有芒果處于開花期，翌年1—6月為果實發育期，翌年5—7月為果實成熟期。但根據實地觀測和查閱文獻可知，海南島自然生長的芒果在10月下旬—11月進行花芽分化，12月—翌年2月處于開花期，3—5月果實發育成熟。研究過程中，以自然生長的芒果的發育期時間作為海南島芒果的發育期時間。

將18個市（縣）芒果單產的氣象產量與芒果關鍵生育期（花芽分化期、開花期、果實發育期）的氣溫、降水、日照、相對濕度等氣候因子作相關分析（表1）。

通過顯著性水平檢驗的氣候因子有：花期平均氣溫、花期平均最低氣溫、果實發育期平均氣溫、年≥10 ℃積溫。因18個市（縣）花期平均氣溫和花期平均最低氣溫的相關系數在0.910～0.964之間，呈高度相關，故選擇花期平均氣溫、果實發育期平均氣溫、年≥10 ℃積溫作為海南島芒果氣候適宜性區劃的區劃因子。

2.2 ?區劃指標的分級

通過18個市（縣）芒果單產的氣象產量與區劃因子的散點圖（圖1），結合果園實地觀測、文獻查閱和咨詢種植戶、相關專家等方式，來確定各區劃因子的分級界限值，將各區劃因子分為適宜、次適宜、不適宜三個等級。如圖1A所示，海南島芒果花期平均氣溫在15.3～23.0 ℃之間。芒果單產的氣象產量與花期平均氣溫呈顯著正相關關系（P=0.570，通過0.01顯著性水平檢驗），當花期平均氣溫≤19.1 ℃時，芒果單產的氣象產量分布范圍較廣，既有正值也有負值。當花期平均氣溫>19.1 ℃時，芒果單產的氣象產量均為正值。此外，有研究表明，芒果開花最適氣溫為22.0～28.0 ℃，在20.0 ℃以上時開花才能正常授粉受精，小于20.0 ℃則花藥開裂、花粉萌發均受到影響，進而影響結果[13]。小于18.0 ℃時對開花授粉極為不利[14]。因此，認為花期平均氣溫大于等于20.0 ℃時為芒果的氣候適宜區;再結合果園實地觀測和咨詢專家，認為花期平均氣溫在18.0～20.0 ℃之間時為次適宜區，小于18.0 ℃為不適宜區。如圖1B所示，海南島芒果果實發育期平均氣溫在22.1～28.1 ℃之間，芒果單產的氣象產量與果實發育成熟期平均氣溫呈顯著性正相關關系（P=0.453，通過0.05顯著性水平檢驗），當果實發育期平均氣溫小于等于26.7 ℃時，芒果單產的氣象產量分布范圍較廣，正負值均有，當果實發育期平均氣溫大于26.7 ℃時，芒果單產的氣象產量均為正值。因此，認為果實發育期平均氣溫大于26.0 ℃時為芒果的氣候適宜區;在24.0～26.0 ℃之間時為次適宜區，小于24.0 ℃時為不適宜區。如圖1C所示，海南島各市（縣）年≥10 ℃積溫在6655.7～9855.4 ℃。同理，當年≥10 ℃積溫大于9300 ℃時為芒果的氣候適宜區;在8500～9300 ℃之間時為次適宜區，小于8500 ℃為不適宜區。由此得到海南島芒果氣候適宜性區劃指標體系，如表2。

2.3 ?氣候要素的小網格推算

海南島面積約3.54萬km2，建設有18個國家氣象站，相當于每個站代表1884.4 km2的面積。因此，為了客觀描述氣候區劃指標的分布狀況，有必要建立區劃指標與經度、緯度、海拔高度、坡度、坡向等地理因子的空間關系模型，并利用GIS技術對區劃指標進行小網格推算，以滿足芒果氣候適宜性精細化區劃的需求。研究過程中，基于海南島18個國家氣象站1966—2019年的地面觀測資料、30 m×30 m的dem數據提取的經度、緯度、海拔高度、坡度、坡向信息，建立了芒果花期平均氣溫、果實發育期平均氣溫、年≥10 ℃積溫三個區劃指標的空間關系模型，顯著性水平均分別為0.005、0.001和0.001（表3）。坡度、坡向與區劃指標的相關性較小，在建立模型時被剔除。但在進行芒果商業性栽植時，對園地坡度有一定要求，一般坡度應在25°以下[5]，因此，在查閱相關文獻實地調研和咨詢專家的基礎上，將坡度作為區劃因子之一（表2），且坡度小于25°時，為適宜栽植芒果，坡度在25～50°之間時，為次適宜區，大于50°時，為不適宜區。

2.4 ?區劃方法

農業氣候區劃常用的方法有逐步分區法、集優法、模糊數學法、數理統計分區、最大熵模型[15]等方法。在選擇珍貴作物或經濟價值高的果木作物的最優秀種植區時采用集優法，該方法各因子同等重要，無主次之分[16]。本研究采用集優法，根據選取的氣候適宜性區劃指標，開展氣候適宜性精細化區劃研究。區劃遵循的原則：四個區劃指標同為適宜等級時，綜合氣候適宜性判定為適宜;若四個指標中有一個或多個指標在不適宜等級，則綜合氣候適宜性判定為不適宜，其他情況判定為次適宜。

2.5 ?區劃結果

2.5.1 ?單因子區劃結果 ?從花期平均氣溫（圖2A）分布狀況看，瓊海、萬寧、陵水、保亭、三亞、樂東、東方、昌江，五指山的部分地區、屯昌、瓊中、文昌南部的部分鄉（鎮），芒果花期平均氣大于等于20 ℃，為芒果種植的適宜區;五指山大部、陵水北部、白沙南部、瓊中西南部、樂東北部的部分鄉（鎮），花期平均氣溫小于18 ℃，為不適宜區;其余地區花期平均氣溫在18～20 ℃之間，為次適宜區。

從果實發育期平均氣溫（圖2B）看，瓊海大部、萬寧中部東部、陵水、保亭大部、三亞中部南部、樂東除北部、東方、昌江中部北部、白沙西北部、儋州北部、臨高北部的部分鄉（鎮），果實發育期平均氣溫大于等于26 ℃，為適宜區;樂東北部、東方南部、五指山大部、陵水北部、萬寧西北部、瓊中西北部、昌江南部、白沙南部的部分鄉（鎮）果實發育期平均氣溫小于24 ℃，為不適宜區;其余地區為次適宜區。

從年≥10 ℃積溫（圖2C）看，瓊海中部南部、萬寧中部東部、陵水中部南部、保亭中部東部、三亞東部南部、樂東中南部、東方西部、昌江西部北部、儋州北部的部分鄉（鎮）年≥10 ℃積溫超過9300 ℃，為適宜區;五指山大部、陵水北部、萬寧西北部、瓊中西部、昌江東南部、白沙西南部、樂東北部、東方南部的部分鄉（鎮）年≥10 ℃積溫小于8500 ℃，為不適宜區，其余地區為次適宜區。

從坡度因素（圖2D）看，沿海地區和北部地區的平原臺地和部分丘陵均為適宜區，部分丘陵地區為次適宜區，中部和西部的山地為不適宜區。

2.5.2 ?綜合區劃結果 ?（1）適宜區。儋州市海頭鎮西部、昌江縣北部的海尾鎮、昌化鎮、烏烈鎮、十月田鎮、叉河鎮的大部分區域，東方市四更鎮、三家鎮、八所鎮、大田鎮大部、新龍鎮西部、感城鎮西部、板橋鎮西部，樂東縣尖峰鎮西南部、佛羅鎮、鶯歌海鎮南部、黃流鎮、利國鎮南部、九所鎮大部和千家鎮的部分區域，三亞市崖州區南部、天涯區的部分區域、吉陽區西南部、海棠區東部，保亭縣保城鎮、響水鎮、加茂鎮的部分區域，陵水縣英州鎮大部、黎安鎮、三才鎮、椰林鎮大部、隆廣鎮東南部的部分區域、文羅鎮南部東部的部分區域，提蒙鄉南部、光坡鎮南部的部分區域，萬寧市南橋鎮東部、禮記鎮大部、長豐鎮南部、萬城鎮、大茂鎮、和樂鎮、后安鎮和北大鎮東南部、龍滾鎮大部，瓊海市會山鎮東部、龍江鎮、陽江鎮、中原鎮、博鰲鎮、嘉積鎮和潭門鎮大部。該區域面積占海南島面積的13.1%，芒果花期平均氣溫大于等于20 ℃，果實發育期平均氣溫大于等于26 ℃，年≥10 ℃積溫大于9300 ℃，熱量資源豐富，能夠滿足芒果整個生育期對熱量條件的要求。且地形較為平緩，坡度小于25°，有利于排水。根據1996—2020年的海南省統計年鑒，該區域中的東方、樂東、三亞、保亭、陵水芒果種植的年末面積、總產均有較大幅度增長，單產也呈增長趨勢，該區域是海南島發展芒果生產的優勢區域（圖3）。

（2）次適宜區。文昌市、海口市、定安大部部、澄邁縣大部、屯昌縣大部、臨高市、儋州市大部、白沙縣的榮邦鄉、邦溪鎮北部、七坊鎮大部、打安鎮西部、牙叉鎮東南部，昌江縣石祿鎮北部、七叉鎮西部的部分區域，東方市東河鎮西部和天安鄉的部分區域，樂東縣抱由鎮東南部、完成鎮西南部、大安鎮大部和千家鎮、志仲鎮的部分區域，三亞市天涯的部分區域，保亭縣中部和東部的零星區域，瓊中鎮灣嶺鎮、營根鎮的部分區域，萬寧市三更羅鎮西的部分區域，瓊海市萬泉鎮大部、塔洋鎮大部、長坡鎮、大路鎮。該區域面積占海南島面積的53.1%，芒果花期平均氣溫在18～20 ℃之間，果實發育期3—5月平均氣溫在24～26 ℃之間，年≥10 ℃積溫在8500～ 9300 ℃之間，熱量資源略次于適宜區，但仍能滿足芒果生長對熱量條件的要求。坡度在25～50°之間，大部分小于35°，較適宜區坡度增加，在實際種植過程中可將種植行改為等高梯形，利于耕作，間種矮性覆蓋作物保護表層土壤，減輕水土沖刷和土壤養分流失（圖3）。

（3）不適宜區。樂東縣尖峰鎮中部西部、利國鎮北部、千家鎮西北部，東方市板橋鎮東部、江邊鄉大部、天安鄉西部和南部的部分區域、東河鎮東南部，昌江縣王下鄉、七叉鎮東部、石祿鎮東南部，白沙縣南開鄉、青松鄉、元門鄉、細水鄉東部、牙叉鎮西部、七坊鎮南部、邦溪鎮南部，五指山市大部，保亭縣毛感鄉、響水鎮北部、保城鎮北部、什玲鎮北部、新政鎮大部、南里香和三道鎮的部分區域，三亞市崖州區西北部、天涯區中部北部、吉陽區北部，瓊中縣大部，陵水縣本號鎮北部，萬寧市南橋鎮西部南部、禮記鎮西部、三更羅鎮大部和北大鎮西部北部，瓊海市會山鎮西部、石壁鎮北部，定安縣翰林鎮南部，屯昌縣坡心鎮、南坤鎮的部分區域，澄邁縣仁興鎮南部、儋州市南豐鎮、蘭洋鎮的部分區域。該區域面積占海南島面積的33.8%，多為山地，海拔較高，坡度大于50°，地形陡峭，水土沖刷和養分流失嚴重，且不利于耕作，不利于芒果商業化栽培。其中，昌江、樂東、三亞、陵水等市（縣）在花期平均氣溫、果實發育期平均氣溫和年≥10 ℃積溫等氣候條件上均能滿足芒果生產需求，其余地區芒果花期平均氣溫小于18 ℃，果實發育期平均氣溫小于24 ℃，年≥10 ℃積溫小于8500 ℃。芒果花期熱量資源不足，溫度條件難以保證芒果正常開花授粉，對芒果產量和品質影響較大，且果實發育期氣溫也偏低，不利于果實正常生長發育（圖3）。

2.5.3 ?區劃結果驗證 ?從1996—2019年海南各市（縣）芒果歷年平均收獲面積和平均總產看（表4），三亞、東方、樂東、昌江、陵水均排在全島18個市（縣）的前五位，這與芒果種植的氣候適宜區位于這5個市（縣）相一致;白沙、五指山、瓊中、保亭、屯昌、萬寧等位于芒果種植不適宜區的中部和南部市（縣）歷年平均收獲面積和平均總產量排名較靠后。由此可見，海南島芒果種植綜合適宜性氣候區劃在適宜區、次適宜區和不適宜區的分布上與生產實際在種植面積和產量上的分布趨勢是相一致的。

3 ?討論

將芒果單產的氣象產量與花芽分化期、開花期、果實發育期的氣候因子做相關分析，篩選出相關性大且通過顯著性檢驗的花期平均氣溫、果實發育期平均氣溫、年≥10 ℃積溫作為區劃因子，結合區劃指標值與氣象產量的關系等確定區劃指標的分級界限值。同時建立區劃指標與經度、緯度、海拔高度等地理因子的多元回歸方程，在此基礎上疊加坡度因素的影響，基于GIS技術開展了海南島芒果氣候適宜性精細化區劃。結果表明，海南島18個市（縣）氣候適宜性差異明顯，西部南部和東部沿海熱量資源充足、地勢平緩的平原、臺地、丘陵地區是芒果的氣候適宜區，該區域可充分理由氣候資源優勢擴大芒果種植面積，發展芒果生產。西北部、北部沿海和東部、東南部沿海地區，熱量資源略次于適宜區，但仍能滿足芒果生長對熱量條件的要求，坡度較適宜區有所增加，可通過合理安排芒果樹種植行和間種保護土壤水分，進行商業化生產。中部山區芒果花期熱量資源不足、果實發育期氣溫也偏低，嚴重影響芒果產量和品質。東方市東南部、樂東縣東部、三亞市北部、保亭等在氣候條件上基本能夠滿足芒果生產需求，但地形陡峭，土壤養分流失嚴重，不利于芒果商業化生產。區劃結果反映了海南島不同地區氣候條件差異明顯，應充分利用有利的氣候條件和地形條件，避免不理氣候條件的影響，因地制宜、科學規劃，促進海南芒果產業健康發展。

區劃過程中，通過建立區劃指標與經度、緯度和海拔高度的關系模型，將區劃指標推算到30 m×30 m的小網格上，能夠直觀地反映出區劃指標的立體變化特征，使區劃精度較高。雖然海南本島各市（縣）氣候資源存在差異，但相比于國內其他芒果主產區，海南島熱量資源已然相當豐富，在芒果氣候次適宜區，可通過花期調節、品種選育等技術手段和方式，適當推遲花期，避開低溫時段，保證芒果正常開花授粉受精，提高產量和品質。同時，也需注意產期調節應避開臺風多發時段，避免風速過大造成落花落果折枝等。通過與實際芒果種植面積、產量的對比發現，位于芒果種植氣候不適宜區的白沙、五指山、瓊中、保亭等市（縣）其收獲面積和產量在全島18個市（縣）中排名優于位于次適宜的海口、澄邁、定安、文昌、瓊海等市（縣），這可能是由于當地種植戶在芒果生長過程中，對其花期進行調控，減少或避免不利氣候條件的影響，提高芒果產量和品質的結果。此外，本研究的區劃方法采用的是集優法，該方法能夠充分區分出研究區中的氣候適宜區，但在劃分次適宜區和不適宜區時，結果與實際有所出入，今后將考慮改進區劃方法，基于最大熵模型等開展芒果氣候適宜性區劃，進一步提高區劃的精度和實用性。

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責任編輯：崔麗虹