基于气候适宜度的南方柑橘种植精细化气候区划

刘 聪 李凯伟 张继权* 杨月婷 魏思成 王春乙

1)(东北师范大学环境学院， 长春 130117) 2)(中国气象科学研究院， 北京 100081)

引 言

柑橘原产于我国云贵高原，是一种既有较高经济和社会效益的作物，又有较高营养价值的健康食品[1]。柑橘种植业是部分农村地区的支柱产业之一，主要从罐头加工、果汁生产及贸易出口等方面为我国带来巨大收益，同时也在农民脱贫致富和移民安置中起不可或缺的作用[2]。然而，第3次气候变化国家评估报告指出：全球气候变化以气候变暖为主要特征，导致热量资源增多，出现农业气候带发生偏移、作物生长季延长等现象[3-5]，对农业种植制度、作物布局产生重要影响[6-8]。由于我国部分地区常忽视气候条件的适宜性而盲目扩大种植面积，导致柑橘常遭受高温热害、低温冻害影响，产量减少、经济效益降低[9]。因此，开展气候适宜性区划为柑橘的科学种植及合理布局提供参考。

目前，关于柑橘气候适宜性区划已有一定研究。赵彤[2]利用生长特点和实际种植情况，结合地理信息系统(GIS)技术，选取日照、气温、总辐射及相对湿度4个指标进行叠加分析，对重庆市甜橙和宽皮柑橘进行气候区划。蒋亚平等[10]选取年日照时数、历史极端最低气温值等区划指标，基于GIS技术提出广西崇左宽皮柑橘种植适宜性区划方法。王宝等[11]根据生产实际，选取上、下限温度作为区划指标并采用精细化小网格气候资源分析方法，分析云南玉溪市柑橘种植区的气候适宜性。上述研究多集中于某一发育期，但对全生育期研究较为有限，区划结果不够精细，并且研究区多为柑橘的小范围种植区，不具有宏观意义[12-16]。近年，基于气候适宜度的经济作物精细化气候区划的应用范围越来越广泛，主要侧重于番茄、棉花等作物，但涉及柑橘的研究较少[12-15]。本研究旨在利用综合适宜度评价模型探究1960—2019年气候变化对柑橘种植气候适宜性的影响，并进行种植区划，为适应气候变化提供指导和依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

依据我国柑橘实际种植情况，选择四川、重庆、湖北、安徽、江苏、浙江、云南、贵州、湖南、江西、广西、广东、福建作为研究区[17]，面积约为4.74×106km2，地形地貌复杂多样，主要地形有长江中下游平原、云贵高原、四川盆地等，属亚热带气候，气温较高，且南季风带来的降水丰沛，雨热同期，雨季持续时间长。年平均气温为13～20℃，年降水量为800～2000 mm，年日照时数为1000～2000 h[17]。据统计，2019年我国的柑橘总产量达到4.58×107t，而研究区的柑橘产量约占该年全国总产量的98.3%[18]，是我国柑橘的主产区。

1.2 数据来源

气象数据为1960—2019年研究区内361个气象站(图1)逐日温度、年降水量和日照时数等，源于国家气象信息中心。地理信息数据源自中国科学院资源环境科学与数据中心(http:∥www.resdc.cn/Default.aspx)提供的行政边界、DEM高程等。

图1 研究区气象站分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in target area

1.3 研究方法

1.3.1 气象数据处理

Anusplin是一种基于样条插值理论的针对气候曲面拟合的专用软件，可引入多个影响因子进行气象要素空间插值[19]，利用其对1960—2019年柑橘生长季的气象数据进行空间内插，得到分辨率为1 km×1 km的气象因子数据集。

1.3.2 适宜度模型的建立

根据文献[1,12,17,20]的研究，将南方柑橘划分为6个发育期(表1)。温度、降水量和日照时数是决定柑橘能否正常生长发育的必要条件，为定量分析研究区气候条件对柑橘种植适宜度的影响，结合相关研究[21-22]并引入各发育期温度、降水、日照适宜度模型对柑橘种植适宜性进行定量分析。

1.3.2.1 温度适宜度函数

适宜的温度是影响柑橘生长发育的主要因素之一。赵彤[2]研究表明，最适宜柑橘生长的温度范围为16～23℃。温度过低或过高都会使得果实的品质受到影响，温度过高会降低开花与坐果率，温度过低则会使其正常生长的平衡性遭到破坏[23-24]。参考文献[17]，温度适宜度的计算公式如下：

(1)

(2)

式(1)中F(t)为某发育期的温度适宜度，t为平均温度(单位：℃)，tl，th和t0分别为下限、上限和适宜温度(单位：℃)，结合有关研究成果[1,12,17,20]确定柑橘各发育期时间和三基点温度(表1)。

表1 南方柑橘种植区各发育期时间和温度指标[1,12,17,20]Table 1 Growth stages and temperature indexes in southern citrus growing area(from Reference [1,12,17,20])

1.3.2.2 降水适宜度函数

柑橘喜湿，水分含量过低会使柑橘生长缓慢，土壤水分含量过多又会造成柑橘根系受损、产量减少[25]。降水适宜度函数[12,26-28]如下：

(3)

ETc=Kc×ET0。

(4)

式(3)中，F(r)为某发育期的水分适宜度，r和ETc分别为柑橘该发育期降水量和需水量(单位：mm)，l为柑橘发育期降水量与需水量的比值(l=0.9和1.2 分别为旱与正常、涝与正常的分界线[12])，Kc为柑橘作物系数(表1)，ET0为作物参考蒸散量(单位：mm·d-1)，采用国际粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith方法计算。

1.3.2.3 日照适宜度函数

光照是否充足对果树的叶片薄厚、果实大小及含酸量有直接影响，与柑橘产量和品质密切相关[29]。在柑橘生长发育期间，充足的光照可使花朵和果实更加强韧，提高开花与坐果率[30]，研究表明[31]，当日照时数达到可日照时数的55%及以上时，作物达到对光照反应的适宜状态，因此采用下式计算日照适宜度：

(5)

式(5)中，F(s)为柑橘某发育期日照适宜度，s为日照时数(单位：h)，L0为可日照时数(单位：h)，计算方法参照下式：

(6)

式(6)中，Φ为地理纬度，δ为赤纬，γ为蒙气差，a为时角。

1.3.2.4 柑橘生长季温度、降水、日照适宜度函数

在柑橘各发育期温度、降水、日照适宜度函数的基础上，计算柑橘6个发育期各气象要素适宜度的平均值即为柑橘生长季温度、降水、日照适宜度函数(式(7)),利用自然断点法对3种要素适宜度的空间分布格局进行探究。

(7)

式(7)中，F(x)为柑橘生长季的某单一要素适宜度，F(xi)为柑橘第i个发育期的某单一要素适宜度。

1.3.2.5 综合适宜度函数

柑橘能否正常生长发育与气候条件关系密切，单一的气候因子可能有利于果实生长，但2个因子甚至多个因子的联合可能会产生拮抗作用。为探究温度、降水和日照时数对气候适宜度的共同影响，构建综合适宜度模型：

(8)

F={F1,F2,…,F6},

(9)

Fc=min(F)。

(10)

其中，Fi，F(ti)，F(ri)，F(si)分别为柑橘第i个发育期的综合、温度、降水以及日照适宜度，F为各发育期综合适宜度的集合，柑橘生长季的综合适宜度(Fc)为F的最小值。

1.3.3 气候区划结果验证

近年由于极端天气的增多，南方柑橘耐热性及耐冻性降低，高温热害和低温冻害频发，是否发生气象灾害是评价气候适宜度高低的必要条件之一[32-34]。因此，对柑橘高温热害和低温冻害的概率及空间分布特征进行探究，验证气候区划结果的准确性。

1.3.3.1 高温热害概率

根据研究区内历次灾害实地调查及文献[35]，依据极端最高气温Tc及持续时间划分柑橘成灾等级指标(表2)，并在统计不同等级高温热害发生频次的基础上计算高温热害概率。

表2 高温热害等级划分[35]Table 2 Classification of high temperature heat damage(from Reference [35])

1.3.3.2 低温冻害概率

由于越冬期间经常出现气温较低的同时伴随持续降水的现象，导致柑橘冻害的产生。根据有关研究[34]，选取越冬期(12月—次年2月)极端最低气温Td(单位：℃)、越冬期最长持续降水日数Dr(单位：d)、越冬期日最低气温不高于-1.5℃最长持续日数Dc(单位：d)作为气象因子。不同气象因子导致柑橘冻害程度存在差异，将各气象因子进行分级(表3)，并构建多元线性回归模型，计算柑橘冻害指数(式(11))。

I=a1f(x1)+a2f(x2)+a3f(x3)。

(11)

式(11)中，I为冻害指数；f(x1)，f(x2)，f(x3)为Td，Dr，Dc所处级别对应的级数；a1,a2,a3为Td，Dr，Dc的影响系数。

表3 气象因子级别划分[36]Table 3 Classification of meteorological factors(from Reference [36])

本文将a1,a2,a3总和记为10，结合典型冻害年份实况及相关研究[36]将Td，Dr，Dc分别取值为6，1，3，最后依据冻害指数，采用特尔菲分级法对冻害等级进行划分(表4)。

表4 低温冻害等级划分Table 4 Classification of low temperature freezing damage

2 结果分析

2.1 研究区气候资源分布

研究区日照、降水及热量资源精细化插值结果如图2所示：日照时数由四周向中心递减，范围为959.75～2648.19 h；年降水量及大于等于10℃积温均由东南向西北递减，二者范围分别为219.00～2658.47 mm，0～8854.94 ℃·d。研究区的大部分区域可满足柑橘正常生长发育所需的气候资源条件。

2.2 温度适宜度空间分布

图3表明温度适宜度的范围为0～1。除四川西部外，大部分地区温度适宜度较高。四川西部多为高原和山区，海拔多在4000 m以上，以寒温带气候为主，不适宜柑橘的种植。总体而言，前、后30年温度适宜度的空间分布格局并未发生明显变化。

2.3 降水适宜度空间分布

降水适宜度如图4所示，其范围为0.30～0.82。降水高适宜区集中在四川省北部、湖北省局部地区。低适宜区较为分散，主要分布在福建、广东、广西的大部分区域以及江西、湖南、四川、云南等地的部分区域。从年际变化看，后30年适宜度高值区的面积减小约11%，其中安徽和江苏变化显著，高值区基本消失。低值区的面积扩大约42%，主要为广西、江西的北部地区，其原因可能是气候变化导致降水异常，适宜度降低[6,37]。

图2 1960—2019年柑橘研究区日照、 降水及热量资源分布Fig.2 Distribution of light， precipitation and heat resources for citrus in target area from 1960 to 2019

图3 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究区温度适宜度空间分布Fig.3 Distribution of temperature suitability for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

图4 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究区降水适宜度空间分布Fig.4 Distribution of rainfall suitability for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

2.4 日照适宜度空间分布

由日照适宜度(图5)看，其范围为0.44～0.94。适宜度较高的地区主要分布在四川西部、湖北、安徽、江苏大部分地区，适宜度较低的地区主要分布在四川东部、贵州省的大部分地区。由于日照时数较低，柑橘制造有机养分不足，花朵和果实容易脱落，日照适宜性较差[38]。与前30年的区划结果相比，后30年适宜度高值区的面积扩大约16%，集中在四川海拔较高的区域。低值区的面积减小约22%，主要在云南省的西部。发生改变的原因可能为全球变暖使高纬度地区热量资源改善，潜在发育期延长[5]。

图5 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究区日照适宜度空间分布Fig.5 Distribution of sunshine suitability for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

2.5 气候区划结果

依据生长季综合适宜度，使用自然断点法将南方柑橘种植适宜性分为4个等级：不适宜(0

最适宜区为四川东部、云南南部、广西、湖北和重庆大部分区域，多为亚热带季风气候，年降水量为1300～1500 mm，年日照时数为1200～2000 h。热量充足、光照适宜、雨量充沛。

图6 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究区气候区划Fig.6 Climatic division for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

适宜及次适宜区主要集中在研究区中部，如贵州、湖南、江西的大部分区域，年降水量高于1500 mm，年日照时数为1200～1780 h。阴雨时数多，光照资源不够丰富，是该区适宜度略低的原因。

不适宜区分布在研究区的西北和东北部。西北部地区的气候条件为寒冷、冬长、基本无夏、日照充足，虽然光照资源较为丰富，但降水量较低。东北部地区不满足柑橘正常生长发育的热量条件，适宜度较低。自1990年以来，最适宜种植区面积减小约29%。不适宜种植区面积扩大约34%。气候变化使得喜温作物种植界限北移，改变了柑橘种植结构和品种布局[9]。

2.6 区划结果验证

柑橘研究区高温热害概率分布显示：1990年以来，部分地区的高温热害概率有升高的趋势，如广西东部、广东北部以及江西、浙江、福建部分地区。对比图6与图7可知，高温热害概率升高的区域与气候适宜度降低的区域基本吻合，证明气候区划结果的准确性。发生这种变化的根本原因是气候变暖使过去60年的年平均气温上升，而年降水量和年日照时数却有所下降[39]。

图7 1960—1989年、1990—2019年柑橘研究区高温热害概率分布Fig.7 Probability distribution of high temperature heat damage for citrus in target area during 1960-1989 and 1990-2019

由图8可以看到，柑橘冻害高发区分布在研究区北部，如四川西部，江苏大部分区域；冻害低发区集中在研究区南部，如云南、广西、广东省的大部分区域，在湖北以及重庆也略有分布。冻害概率分布格局与气候区划结果具有较高关联性。

图8 1960—2019年柑橘研究区冻害概率分布Fig.8 Probability distribution of freezing injury for citrus in target area during 1960-2019

3 结论与讨论

本文基于气候适宜度函数对南方柑橘种植区展开精细化气候区划，利用研究区1960—2019年高温热害及低温冻害概率分布对评价结果进行验证，结果表明：

1) 研究区温度、降水、日照适宜度具有明显的空间异质性。温度适宜度呈由西向东递增趋势,研究区降水适宜度呈由北向南递减的趋势,日照适宜度呈东高西低的空间分布特征。

2) 利用自然断点法将柑橘种植适宜性分为4个等级：不适宜(0

3) 验证结果显示：气候区划结果与南方柑橘种植分布相符合，且与高温热害、低温冻害概率的关联性较高。

本研究表明：重庆西北部地区为柑橘种植的最适宜栽培地区。而魏兴萍[40]则认为重庆市西南部地区是柑橘的最适宜栽培地区。产生差异的原因可能是后者只选取温度气象因子对重庆市柑橘种植区进行划分，而本文构建了温度、降水、日照三者的综合适宜度模型对研究区进行气候区划，反映不同气象因子对气候适宜度的影响。谭宗琨等[41]研究显示：广西北部气候适宜度略低，与本研究的气候区划结果相符，但其基于物候期对果实品质形成影响的差异性，赋予相应时段气候要素影响权重进行分区评述。因此，今后的研究应考虑不同发育期对气候适宜性的影响。

由于不同柑橘品种及立地条件对气候适宜性的响应存在差异，本文缺少相关的差异性分析。目前该方面的研究较为少见，多为依据果实品质对种植区进行区划[41]。忽略这种差异会影响种植规划的实用性。因此，以后的研究将充分考虑这2个因素对柑橘气候适宜性的影响，提高研究成果的应用价值。此外，全球气候变化背景下作物气候适宜性区划研究越来越受到人们关注[39]，气候变化是导致作物种植结构、生理性状及产量发生改变的原因，应多结合未来气候变化情景数据对柑橘进行气候区划的研究，以便为南方柑橘种植和生产投入提供科学依据。