基于GIS的福州市金鉆鳳梨氣候適宜性精細區劃

李新妹 關 輝 陳 昉 蘇榮瑞 林瑞坤 孫朝鋒

(1.福州市智慧氣象行業技術創新中心，福建 福州 350008；2.福州市氣象服務中心，福建 福州 350008；3.民航福建空管分局氣象臺，福建 福州 350212；4.福建省氣象服務中心，福建 福州 350008)

1 概述

金鉆鳳梨為鳳梨科鳳梨屬植物，是多年生單子葉常綠草本果樹。鳳梨原產于中、南美洲，北至北美加勒比海沿岸的美洲大陸熱帶地區[1]，耐陰，也需要適當的光照條件，一般不能直接暴露在直射陽光下。鳳梨最適宜溫度為夜溫16～18℃，晝溫20～32℃，且晝夜溫差應在12～15℃[2]。不同栽培技術、不同生長階段需要的溫度條件不同，大多數品種的鳳梨在15℃以下生長緩慢，10℃以下基本停止生長，5℃是受寒害臨界溫度。鳳梨耐旱性強，但其生長發育期間仍需適量水分，年降雨量1000～1500mm最為適合。

氣候適宜性是綜合反映光、溫、水等氣象條件對農作物生長發育的適宜程度[3]。農作物在氣候條件適宜的條件下能夠正常生長發育，且產量高、品質優；反之，則產量低、品質差[4]。氣候適宜性一般依據生態學理念、模糊數學方法進行研究，建立農作物氣候適宜性模型[5]，預測未來農作物生長的氣候條件，從而對農作物的種植進行科學規劃、合理布局。福州市屬典型的亞熱帶海洋性季風氣候，雨量充沛，陽光充足，年平均降雨量1400～1700mm，年平均日照1500～1700小時，年平均氣溫19～20℃。降水條件總體上滿足金鉆鳳梨生長，福州金鉆鳳梨生長主要面臨的農業氣象問題是越冬低溫霜凍與寒害。

為了科學規劃福州市金鉆鳳梨生產布局，促進農業農村經濟發展，經過調研、考察和分析研究，確定福州市金鉆鳳梨種植的氣候精細區劃指標，計算各氣候適宜性區劃指標的權重系數，并建立氣候適宜性區劃指標地理推算模型，利用GIS地理信息系統技術，分析得出金鉆鳳梨精細化氣候適宜性區劃。

2 數據方法

本文利用福州及周邊19個國家氣象觀測站1971—2020年逐日氣溫要素數據，根據農業相似性原則，在多次實地考察調研的基礎上，選取80%保證率年極端最低氣溫、1月平均氣溫、≥10℃年活動積溫3個因子作為金鉆鳳梨精細化氣候適宜性區劃指標，采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)[6-8]計算區劃指標因子權重系數。選用經度、緯度、海拔高度3個因子與氣候要素建立回歸方程，根據回歸方程計算各網格點的氣象要素值[9-10]，氣候區劃指標地理推算見式(1)。

I=a+b×x+c×y+d×dem

(1)

式(1)中，I為區劃指標值，dem為海拔高度，x為經度，y為緯度，a、b、c、d為回歸系數。

采用加權綜合評價法[11]計算氣候適宜性指數，見式(2)。

(2)

式(2)中，P為氣候適宜性指數，φ(βi)為第i個指標氣候隸屬度，i為評價指標數，αi為相應指標的權重。

3 結果與分析

3.1 氣候精細區劃指標

根據金鉆鳳梨生物學特性、種植技術及對環境條件的要求，≥10℃年活動積溫為適宜金鉆鳳梨生長的熱量條件指標；1月平均氣溫和80%保證率的年極端最低氣溫為限制金鉆鳳梨(低溫、寒凍害)的指標。福州市金鉆鳳梨氣候適宜性精細區劃指標劃分為適宜區、次適宜區和不適宜區[12]，如表1所示。其中適宜區的80%保證率的年極端最低氣溫不低于1.9℃，1月平均氣溫不低于12℃，≥10℃年活動積溫不低于7000℃·d。

表1 福州市金鉆鳳梨種植的氣候精細區劃指標

3.2 氣候區劃指標權重

采用AHP計算得出80%保證率年極端最低氣溫、1月平均氣溫、≥10℃年活動積溫3個區劃指標因子權重系數分別為0.715、0.218、0.067，如表2所示。80%保證率的年極端最低氣溫的權重最大，≥10℃年活動積溫的權重最小。

表2 福州市金鉆鳳梨氣候適宜性區劃指標權重

3.3 氣候區劃指標地理推算模型

通過將各個氣象站點區劃指標值序列與站點經度、緯度、海拔高度進行多元回歸分析[7]，利用R軟件建立相應的地理推算模型，各區劃指標地理推算模型均通過0.05水平的顯著性檢驗，如表3所示。

表3 福州市臺灣金鉆鳳梨氣候適宜性區劃指標地理推算模型

3.4 氣候適宜性指數與區劃等級

以各個氣象觀測站點為評估單元，利用上述區劃指標及權重，基于 GIS 空間分析模型，獲取金鉆鳳梨種植的氣候適宜性各區劃指標圖層[12]，采用加權綜合評價法計算氣候適宜性指數，如表4所示。綜合評價值以滿足金鉆鳳梨適宜生長的界限為依據，結合福州金鉆鳳梨種植區分布狀況的實地調查[13]，確定出適宜、次適宜、不適宜3個區域等級，據此制作福州金鉆鳳梨氣候適宜性精細化區劃圖。

表4 福州市及其他代表站點的臺灣金鉆鳳梨氣候適宜性指數(歸一化)

3.5 氣候適宜性區劃結果分析

3.5.1 年極端最低氣溫

從福州市各縣(市、區)80%保證率年極端最低氣溫看，高于1.9℃的區域主要分布于福清沿海；-1.0～1.9℃的區域主要分布在福清北部、長樂東部、連江和羅源沿海、閩侯及福州市區等；低于-1.0℃的區域主要分布于永泰、閩清、閩侯、羅源、連江、福州晉安區等中高海拔地區。

3.5.2 1月平均氣溫

從福州市各縣(市、區)1月平均氣溫看，高于12℃的區域出現在福清南部沿海地區；10～12℃的區域主要分布在福清北部及長樂大部分地區，福州、永泰、閩清、閩侯城區、連江及羅源沿海地區；低于10℃的區域主要分布在永泰、閩清、閩侯、羅源、連江、福州晉安區等海拔高度高于500m的山區。

3.5.3 ≥10℃年活動積溫

從福州市各縣(市、區)≥10℃年活動積溫看，福州市日平均氣溫穩定≥10℃年活動積溫總體上呈沿海多、山區少的特點[12]，海拔高度100m以下的福清、長樂、福州城區及永泰、閩清、閩侯、連江城區等，即低平地帶是福州市熱量資源最豐富的區域，≥10℃年活動積溫在7000℃·d以上；≥10℃年活動積溫為6500～7000℃·d的區域主要分布在海拔高度在100～200m的城區周邊及羅源沿海地區；≥10℃年活動積溫低于6500℃·d區域主要分布在永泰、閩清、閩侯、羅源、福州晉安區等中高海拔地區。

3.5.4 氣候適宜性精細區劃

從福州市各縣(市、區)區劃的結果來看，福州市金鉆鳳梨氣候適宜性精細區劃可分為適宜、次適宜和不適宜3個區，如圖1所示。

圖1 福州市金鉆鳳梨氣候適宜性精細區劃

①適宜區：福州市福清南部沿海海拔高度低于100m區域，熱量條件好，年極端最低氣溫高于1.9℃，1月平均氣溫高于12℃，≥10℃年積溫高于7000℃·d。光照充足、雨量充沛，氣候條件十分利于金鉆鳳梨優質高產，與金鉆鳳梨的原產地氣候最為相似，是福州市金鉆鳳梨引種的適宜區域。

②次適宜區：該區面積較大，在福州市各縣(市、區)均有分布，主要位于適宜區北部的福清大部分地區、長樂、連江-羅源沿海、福州南部城郊及海拔高度在200m以下的永泰、閩清、閩侯、連江縣城城郊。主要氣候特點為80%保證率年極端最低氣溫為-1.0～1.9℃，1月平均氣溫為10～12℃，≥10℃年積溫為6500～7000℃·d。盡管不是金鉆鳳梨種植的適宜區，為了規模化、產業化種植，福州市多處地區可作為金鉆鳳梨引種氣候次適宜區。

③不適宜區：永泰、閩清、閩侯、羅源、連江、福州晉安等海拔高度高于200m的地區多為不適宜金鉆鳳梨引種區，該區域80%保證率年極端最低氣溫低于-1.0℃，1月平均氣溫低于10℃，≥10℃年積溫低于6500℃·d，熱量條件難以滿足現有種植模式下金鉆鳳梨正常的生長和發育需求，容易受到越冬低溫霜凍與寒害威脅，且人員稀少，不利于金鉆鳳梨這一水果作物的規模化管理和經營，為不適宜種植區。

4 結束語

氣象因素在海拔高度的影響下呈現出分布不均、差異明顯的特征。滿足金鉆鳳梨生長發育條件的區域多分布在福州市福清南部沿海的低平區域；而高海拔山區則多因氣溫較低易受寒凍害影響不適宜引種。金鉆鳳梨生長過程還受到其他自然災害及環境因子的影響，多因子之間關系復雜，且動態可變。建議福州市在引種金鉆鳳梨過程中，在考慮農業氣象因子的同時，還應結合土壤、病蟲害等其他因素進行綜合分析，進一步優化其氣候適宜性模型。