基于GIS的達州香椿氣候生態適宜性區劃

張利平 ,覃紹彬 ,伍文玲 ,鐘啟琴 ,王明田

（1.四川省達州市氣象局，達州 635000；2.四川省大竹縣氣象局，大竹 635100；3.四川省南充市高坪區氣象局，南充 637100；4.南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室，成都 610066；5.四川省氣象臺，成都 610072）

引言

香椿又名椿、椿芽、春甜樹、春陽樹等，多年生落葉喬木，屬楝科香椿屬[1]，是優良的速生材菜兩用樹種，具有較高的食藥用價值和經濟價值[2]。香椿原產于中國，已有2300多年栽培歷史，分布廣泛，分布區主要位于22°～42°N，100°～125°E；根據分布區自然地形可分為華南型、華中型和華北型3種類型[3]。四川省的香椿主要用途為菜用，多分布于四川盆地和盆周山區。其中，達州市是四川香椿重要分布區之一，其境內大竹縣被譽為“中國香椿第一縣”，該地區香椿栽培面積大、產量高、品質優，在達州特色農業經濟中占有重要地位。

目前，國內外學者在香椿形態與分類[4?9]、生理生化[10]、繁殖與栽培[11?13]和綜合利用[14?15]等方面進行了大量研究。在氣候生態方面，徐坤等[16]探討了香椿的光合特性，馬東旭等[10]基于MaxEnt模型分析了中國香椿適生區主要氣象條件，劉芙蓉等[11]分析了西南地區香椿的潛在地理分布區及氣候特點；周桂香等[17]、管磊等[18]研究了四川盆地香椿栽培區劃和生長規律，楊玉珍等[19]試驗分析了香椿等樹種與鳳丹（油用牡丹）間作模式下的田間小氣候特征。

以往并無基于GIS的達州香椿氣候生態適宜性分析與區劃的相關研究工作，本文以香椿為研究對象，基于香椿生物學特性和現代高產栽培技術要求，結合達州實際，尤其是“大竹香椿”的氣候生態環境與生長狀況，在達州香椿氣候生態適宜性分析基礎上，選取區劃指標，開展基于GIS的香椿栽培氣候生態區劃，可為達州及相似地區的香椿生產、特色氣象服務提供科學參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

達州位于四川省東北部，地處大巴山南麓，地跨30.31°～32.34°N，106.66°～108.54°E，海拔高度為222.0～2458.3m（圖1）。達州地形復雜、海拔高差大，地勢東北高（大巴山區），西南低（盆地丘陵區），森林覆蓋率為45.27 %；境內地貌有平壩、臺地、淺丘、深丘、低山、中山、山原等7個類型，山地占幅員面積的70.7 %，丘陵和平壩各占28.1 %、1.2 %。北部山勢陡峭，為中低山地貌；中南部較為平緩，為平行嶺谷地貌。達州區域性氣候類型多樣，山地農業氣候資源十分豐富，

圖1 達州地形與氣象站點分布

中南部主要為中亞熱帶濕潤季風氣候，北部主要為北亞熱帶-山地中溫帶的秦巴山地氣候。

達州是中國香椿分布區之一，其境內大竹縣為香椿主要栽培區。“大竹香椿”是國家地理標志保護產品，栽培歷史悠久，經過多年發展，目前已在縣域北部建成了以石河-二郎-雙拱等鎮鄉為核心區的產業基地，并在石河鎮建有1個母本園（107.31°E，30.88°N，海拔425m）。全縣主栽品種為紅香椿，露地密植矮化栽培于丘陵臺地上，栽培面積約7300hm2，2020年，年產鮮活椿芽約6500噸，產值近2億元。

1.2 資料來源

氣象數據：達州及周邊地區15個國家氣象站的觀測數據，統計時段為1991～2020年，氣象站點分布如圖1所示，該數據分別來源于四川省氣象探測數據中心、重慶市氣象科學研究所、陜西省漢中市氣象局；文中使用的國內主要香椿產區氣象站點的氣溫、降水量和濕度資料來源于中國氣象數據網（http://www.nmic.cn/），如表1所示。

表1 香椿產區主要氣象條件

GIS數據：分辨率30m的DEM 高程數據來源于地理空間云（http://www.gscloud.cn/），據此提取經緯度、坡度和坡向；1:100萬行政區劃邊界shp（2017版）和主要河流數據來源于國家基礎地理信息中心（http://ngcc.sbsm.gov.cn/ngcc/）。

物候期數據：來源于大竹縣農業農村局。“大竹香椿”物候期為：萌芽期3月上中旬，展葉期3月下旬～4月中旬，花期5月下旬～6月中旬，果實成熟期10中下旬，落葉期12月下旬，越冬期12月中旬～2月下旬。3月為椿芽主要采收期，一般可收2～3茬。

1.3 研究方法

1.3.1 線性回歸法

運用多元回歸法建立熱量氣象指標的空間分布數理模型[20]，即

式中，Yi為第i項熱量氣象指標的回歸值，δ、φ、h分別代表經度、緯度、海拔高度，ai、bi、ci、di為回歸系數和常數。 ω為殘差，采用反距離權重法插值訂正。

1.3.2 集優法

在ArcGIS 10.2空間分析模塊中，首先逐一計算并繪制香椿各個區劃指標的空間分布柵格圖，然后按區劃分級標準重新賦值、兩兩相乘進行計算，根據最優原則，對計算結果再重新賦值、運算，直至得到區劃結果；最后，疊加行政邊界和主要河流等信息，制作完成生態氣候適宜性區劃圖[21?23]。

2 結果與分析

2.1 氣候生態適宜性

2.1.1 熱量

香椿喜溫，廣泛分布于中國熱帶至暖溫帶，在年均氣溫8.0～23.0℃的地區均可栽培[3]。國內香椿主要分布區的年均氣溫為11.0～24.0℃、最冷月平均氣溫為?7.5～10.0℃，生長期（穩定通過10.0℃初終間日數）在200d以上[24]；西南地區適宜區的年均氣溫為11.7～22.8℃[25]。

冬末春初日均氣溫>10.0℃時，香椿開始萌動、展葉，生長適溫為16.0～30.0℃，以20.0～25.0℃為最適宜，>35.0℃停止生長。萌芽約10d后，地徑開始增粗，地徑生長速度與氣溫呈正比，一般7月地徑生長速度最高；當日均溫≤10.0℃時，逐步停止生長，進入越冬期。香椿耐低溫，成齡大樹能耐?20.0℃的寒凍，但1年生苗木耐寒性較差，一般≤?10.0℃主干凍死。香椿需要適宜的晝夜溫差，早春若氣溫回升快、空氣濕度70%左右、光照多、晝夜溫差大，則椿芽萌發早、生長快、品質優良，反之則發芽晚，香氣淡。

由國內香椿主要產區的氣象條件（表1）可見，年均氣溫為12.0～20.0℃，1月平均氣溫≥?3.0℃，與前述研究成果基本一致。比較而言，四川大竹年均氣溫適中，最冷月氣溫水平較高，生長期較長，越冬安全，熱量條件十分適宜香椿生長發育。

大竹2月下旬～4月的候溫變化如圖2所示，大竹3月2候以后的候均溫≥10.0℃，3月平均氣溫為12.4℃、晝夜平均溫差9.0～11.0℃，有利于椿芽萌發和穩健生長。大竹香椿采收標準為芽長10～15cm，據多年觀測，頭茬椿芽采收期一般在3月中旬初，最早在2月下旬中，最遲在3月中旬末，要求≥10.0℃有效積溫為60.0～70.0℃·d、候均溫≥12.0℃。4～8月為香椿樹干積極生長期，氣溫、光照和水分等逐月增加有利于椿樹營養積累、開花結果和芽分化。

圖2 大竹2月下旬～4月逐候氣溫

達州1月平均最低氣溫為?7.5～5.0℃，海拔1000m以下地區最低氣溫≥?1.0℃，香椿越冬安全。海拔1000m以上中山區的極端最低氣溫≤?10.0℃，會影響1年生幼樹的安全越冬。

達州香椿生長期長度和積溫與年均氣溫呈線性高度相關（相關系數R>0.96）。根據公式（1），建立達州年均氣溫（Ta） 和穩定通過10.0℃初日（D10）的空間分布模型，繪制出殘差訂正后的空間分布，如圖3所示。

由圖3可見，達州年均氣溫為2.8～18.0℃，中部和南部氣溫大都≥14.0℃，北部中高山區≤10.0℃。穩定通過10.0℃日期由南至北呈遞增趨勢，南部河谷區最早在3月上旬，北部高山區最遲在6月下旬。年均氣溫≥16.0℃的中南部地區入春早，入春后降水和日照基本同步增多，有利于椿芽早發快長，使其產量高、經濟價值大；年均氣溫≤14.0℃的北部低中山區則椿芽萌發遲、產量低、經濟效益差。

圖3 達州年均氣溫（a）和穩定通過10.0℃日期（b）空間分布

綜上，選取年均氣溫為香椿熱量區劃指標，結合氣候帶劃分標準，確定香椿栽培年均氣溫≥16.0℃為最適宜，14.0～16.0℃為適宜，12.0～14.0℃為次適宜，<12.0℃為不適宜。

2.1.2 水分

香椿喜濕忌澇，水分是影響其分布和椿芽品質的重要生態因子。中國年降水量500～2000mm的地區香椿均可正常生長，西南地區適宜區的年降水量為752～1490mm[24?17]，國內產區最濕月降水量約為100～300mm（見表1）。晴好天氣為主且空氣相對濕度（RH）約70 %時，椿芽香味濃、品質較優；陰雨天氣為主且RH >90 %時，香椿發芽遲緩、香味淡[18]。大竹的年降水量為1240mm，最濕月降水量約200mm，降水條件適宜，但RH略偏高（>80 %），不利于香椿品質提高。

達州各地年均降水量約1100～1300mm，標準差200mm左右；最濕月7月平均降水量約175～200mm；年平均RH為73%～84%，3～4月RH為65%～79%，北部山區RH低于南部丘陵壩區，出產的椿芽品質略優。可見，達州香椿水分條件總體是十分適宜的。

2.1.3 光照

香椿為陽性樹種，喜光但忌強光，年日照1000h以上可滿足生長需要，光照充足有利于增加椿芽產量、提高其品質和風味。

達州年日照時數約1137～1400h，其中3月為80～100h、4～9月各月為110～210h，北部略多于南部，且隨海拔升高略有增多，滿足香椿對光照的需要。

2.1.4 立地條件

立地條件是指影響森林形成與生長發育的各種自然環境因子的綜合，主要由地形、土壤、水文、生物和人為活動等環境因子組合而成。

中國香椿多為栽培樹種，主要分布在海拔1500m以下的山地和平原地區，最高海拔1800m[3]；西南地區香椿廣泛分布在海拔200～2900m之間[4]，分布的植被類型主要為針闊混交林、闊葉林、人工純林和農田防護林，大多生長在山谷、密林、山坡、村旁路邊向陽處。據調查，達州北部是香椿自然分布區，栽培區主要分布于海拔800m以下的低山丘陵區，集中分布于中南部海拔500m以下的低山丘陵區，海拔800～1200m低中山區有零星分布。調查結果與上述研究結果基本一致。綜合上述分析，確定達州香椿分布海拔的最適宜區為500m以下，適宜區為500～800m，次適宜區為800～1200m，海拔1200m以上為不適宜區。

據調查，香椿栽培大多集中在坡度 <35 °的坡臺地上，其中坡度 <25 °的淺丘平壩區立地條件較優、管理和采收方便；坡度 >45 °的山區立地條件差、管理和采收難度大，不適宜規模栽培。不同坡向對香椿長勢有一定影響，南向坡優于東西坡向，北坡向相對較差。因此以地形坡度坡向為指標，確定坡度 <25 °、南坡向為最適宜，坡度25～35 °、東西坡向為適宜，坡度35～45 °、北坡向為次適宜，>45 °為不適宜。

香椿為深根性植物，根系發達，適應性較強，對土壤要求不嚴格，天然林多分布在石灰巖和白云巖山地[9]。從栽培區來看，一般酸性土、中性土、鈣質土、微堿性土壤都能生長，在疏松、深厚、肥沃的粘壤土及壤土上生長迅速，pH值5.6～8.6均生長良好[12]，在河湖沖積形成的中性或微堿性土壤上生長更好。達州土壤類型主要有水稻土類、沖積土類、紫色土類、黃壤土類、黃棕壤土類等類別，pH值5.0～7.0，礦物質養分豐富、肥力較高，除水稻土類（稻田）外，其余土類均適宜香椿栽培。

地下水位過高會影響香椿根系正常生長，且易發生根腐病，因此在選址和栽培過程中，應注意與水體保持一定的安全距離和相對高度，將地下水位控制在2m以下為宜。

2.1.5 主要氣象災害

達州春季主要氣象災害是倒春寒和春旱，但對香椿各有利弊，其余季節的氣象災害一般不會影響香椿的正常生長發育。

達州倒春寒多發生在3月上中旬的椿芽頭茬萌發采收至二茬生長期內。由于春季氣溫升高，倒春寒發生后的日均氣溫多≥5.0℃、極端最低氣溫多≥0.0℃，加上椿芽抗寒能力和萌發能力強，一般對其產量和品質影響不大，僅個別極端低溫年份會導致冷凍災害、延遲采收期，對椿芽產量和品質有一定不利影響。

達州春旱以一般性春旱為主，中等強度以上春旱極少。春旱期間氣溫偏高、日照偏多、空氣濕度偏小，椿芽萌發采收期偏早且偏長、產量高、品質優，總體對香椿有利。

2.2 生態氣候區劃

2.2.1 區劃指標與分級

綜上分析，影響達州香椿栽培的氣候因子主要為熱量條件，地形和土壤等立地條件也是影響其栽培的重要生態因子，氣溫與海拔高度相關性密切（R=0.96)，但同時還受經緯度、坡向等因子影響。因此以年均氣溫、海拔高度和地形坡度、坡向為區劃指標，如表2所示。

根據表2中的區劃指標，在ArcGIS10.2中，首先對各區劃因子進行重新賦值；然后將坡度、坡向、海拔高度兩兩相乘，對相乘結果重新賦值，0、1、2、3不變，4賦值為2，6、9賦值為3，再與年氣溫相乘后重新賦值，1、2賦值為1，3、4賦值2，6、9賦值為3，0賦值為4，得到區劃結果；最后迭加行政邊界、河流等信息，繪制出達州香椿生態氣候區劃（圖4）；統計的各適宜區面積見表2。

圖4 達州香椿生態氣候區劃

表2 達州香椿栽培生態氣候區劃指標

2.2.2 分區簡述

（1）最適宜區：集中分布于中南部的大竹、渠縣、達川、通川、開江和宣漢南部海拔高度≤500m的中淺丘平壩河谷區，約占幅員面積的31.9 %。此區屬中亞熱帶氣候，年氣溫≥16.0℃、香椿生長期≥240d，冬暖春早，栽培立地條件優，椿芽產量高、質量優，是香椿產業重點發展區。

（2）適宜區：分散分布于通川西部、宣漢中南部、萬源南部和南部平行嶺谷區海拔高度為500～800m的低山高丘區，約占幅員面積的26.8 %。此區屬北亞熱帶向山地暖溫帶的過渡帶，年均氣溫為14.0～16.0℃、香椿生長期約220～240d，冬冷春略早，栽培立地條件良好，椿芽產量較高、質量較優，是香椿適度發展區。

（3）次適宜區：主要分布于北部宣漢、萬源海拔高度為800～1200m的半山區，約占幅員面積的26.2 %。此區屬山地暖溫帶，年均氣溫為12.0～14.0℃，香椿生長期約200～220d，冬寒春遲，栽培立地條件較差，椿芽產量較低，應作為限制發展區，不鼓勵發展。

（4）不適宜區：主要分布于北部海拔高度≥1200m的中高山區，約占幅員面積的15.1 %。此區主要屬山地中溫帶、山地寒溫帶，年均氣溫≤12.0℃，生長期不足200d，熱量條件較差，極端最低氣溫較低，難以安全越冬，不適宜香椿生長，為生態分布區。

經實地考察，區劃結果與香椿實際分布情況基本一致。

3 結論與討論

本文利用達州及其周邊15個氣象站資料和國內香椿產區氣象資料、GIS資料和物候期資料，從熱量、水分、光照、立地條件和氣象災害五個方面分析了達州香椿氣候生態適宜性，根據分析結果選取年平均氣溫、海拔高度、地形坡度坡向作為氣候生態區劃指標，建立氣候因子空間模型，運用集優法開展達州香椿栽培生態氣候區劃研究，得出如下結論：

（1）達州是香椿生態氣候適宜區，栽培適宜區面積接近100萬hm2，目前已栽培面積約1%，發展潛力巨大。影響達州香椿栽培分布的主要因子是年均氣溫和地形條件，影響香椿上市時間和產量的主要氣象條件是冬末春初的氣溫水平和積溫變化情況，一般頭茬椿芽采收要求≥10.0℃有效積溫約60～70℃·d。

（2）達州香椿栽培最適宜分布區在中南部海拔高度500m以下、年均氣溫≥16℃的中亞熱帶中淺丘平壩河谷區，面積占比約31.9 %；適宜區主要分布在海拔高度500～800m、年均氣溫14.0～16.0℃的北亞熱帶向山地暖溫帶過渡的低山深丘區，面積占比約26.8 %；次適宜區主要分布在北部海拔高度800～1200m、年均氣溫12.0～14.0℃的山地暖溫帶半山區，面積占比約26.2 %；海拔高度≥1200m的北部中山區熱量條件差、生長期短，幼樹越冬不安全，為不適宜或不適生區，面積占比約15.1 %。

（3）達州南部的大竹、渠縣、達川和開江中南部平行嶺谷區熱量豐富、立地條件總體較優，入春早、氣溫光照水分匹配良好，應作為香椿規模生產重點發展區；中南部的達川北部、通川、宣漢南部和開江西北部等低山高丘區熱量較優、氣溫光照水分匹配總體良好，但立地條件一般、入春偏遲，可作為香椿適度規模發展區；北部山區立地條件差、熱量不足、入春遲、香椿產量低、經濟效益欠佳，不宜鼓勵發展香椿產業。