通过GIS的技术对广西金花茶进行气候生态适宜区的划分

    引言
   
    金花茶是山茶科（Theaceae）山茶属（Camellia）金花茶组（CamelliaSect.ChrysanthaChang）植物的总称，是茶花家族中唯一花瓣金黄色的珍稀物种，在国际上享有“植物界大熊猫”和“茶族皇后”的美誉，具有很高的观赏价值和药用价值。广西是目前世界上金花茶物种资源最丰富的地区，是金花茶组植物的地理分布中心，被誉为“金花茶的故乡”.伴随社会经济的发展，国内外对金花茶的需求不断增加，金花茶的市场培育和推广种植越来越受到重视，其栽培区域逐步扩大，但受经度、纬度、海拔高度等因素的影响，各地气象条件有所不同，如果盲目发展不适合本地种植的农作物，一旦发生气象灾害，很可能造成严重的经济损失。因此，在广西全区进行金花茶气候生态适宜性区划，对于趋利避害、充分利用当地气候资源，优化生产布局，促进金花茶产业的发展具有十分重要的意义。
   
    自20世纪70年代以来，国内外学术界对于金花茶的研究一直是热点。许多学者已经对金花茶的分类学、群落学、细胞学、形态解剖学、杂交育种、引种驯化、开发利用等方面进行了一系列研究报道。但有关金花茶气候研究方面的报道很少，从气候角度探讨金花茶的生态适宜性问题未见报道。因此，本研究根据金花茶生长发育对气候条件的需求，结合前人调查、研究成果进行综合分析，确定气候适宜度区划指标，应用GIS技术和近50年气候资料，对广西金花茶种植适宜度进行精细化分区，以期为金花茶种植的合理布局提供建议。
   
    研究区概况及资料。
   
    研究区概况广西地处中国南疆，介于20°54'-26°26'N与104°29'-112°04'E之间，土地面积23.67×104km2,为云贵高原向东南沿海丘陵过度地带，具有周高中低、形似盆地，山地多、平原少，岩溶广布的独特地形地貌特点。广西属中、南亚热带季风气候区，年平均气温16.5~23.1℃，极端最低气温-8.4~2.9℃，极端最高气温33.7~42.2℃，年平均霜日0~15天；年平均降水量1086.3~2754.5mm;年平均日照时数1168.7~2219.4h;年平均相对湿度74%~83%.
   
    据调查，金花茶植物的地理分布区，集中于广西南部、西南部和越南北部交界的狭长地带上，地理分布范围约在20°32'-23°53'N,104°-108°56'E;主要集中分布在广西防城、东兴、龙州、邕宁、宁明、扶绥、崇左和凭祥等县市，其次为隆安、大新、天等、武鸣、平果、田东和钦州等地。一般金花茶的垂直分布，主要在海拔50~650m之间的丘陵低山、台地，以120~350m高度较为常见。
   
    资料来源与处理
   
    本研究使用的气候资料来源于广西区气象档案馆，为广西90个地面气象站的观测数据，资料年限为1961-2010年。
   
    地理信息资料采用国家基础地理信息中心提供的1:25万广西基础地理背景数据。该数据是标准通用的ARC/INFO的E00格式数据，以分幅图形式分块地存放在不同文件中，涉及广西范围的共有20多个图幅。
   
    因此，在资料处理上首先利用笔者二次开发的基于SuperMapObject（5.0）的GIS区划应用软件，对E00资料进行格式转换，再通过拼接、对栅格数据重采样、对矢量数据进行分层和筛选及裁剪等系列处理，最终提取出以下区划所需的地理信息：（1）广西县以上行政边界；（2）广西市、县、乡政府所在地位置和名称；（3）广西主要河流、铁路和公路；（4）广西数字高程模型（DEM）及经度、纬度、海拔高度等栅格数据，所有栅格数据网格距均为1km×1km.
   
    结果与分析。
   
    金花茶气候生态适宜性区划。金花茶生长发育与气候条件的关系金花茶植物属热带性树种，为喜暖热潮湿、喜荫耐荫植物。目前已被发现和命名的金花茶物种有40多种，不同种的生育期不尽相同，种间与不同生育期对气候条件的需求也有所不同，为便于叙述，笔者选取金花茶组植物中的1个种--金花茶（CamellianitidissimaChi）为主要研究对象，在金花茶组植物中，金花茶是数量最多、分布面积最大的种类。
   
    据研究，金花茶在不同的生育阶段要求温度也不同，种子萌芽出土和植株萌动要求旬温在11℃左右；植株营养生长期多在夏、秋2季，要求气温较高，适宜气温在19~25℃之间；现蕾期要求的气温最高，约在26℃以上；开花期多在冬、春季，要求气温偏低，适宜气温在13~19℃之间。金花茶对热量要求较高，但对低温仍有较强适应性，原产地可忍耐-3℃短暂低温；原生于石灰岩石山的种类引种到土山的酸性土上也能正常生长，同时能耐短期的-5.5℃低温天气而未受冻害。
   
    金花茶长期生长在荫沟湿谷或溪旁边坡森林环境下，形成喜荫好湿特性。金花茶营养生长期要求水分条件较高，花期需水较少，若花期降雨过多易造成落花。
   
    金花茶对光照要求不高，不能忍受直射光的照射，天然分布在荫蔽的森林环境下，若在荫蔽较差环境下种植，会出现生长不良，叶色变黄，甚至逐渐枯萎死亡。基于GIS的广西金花茶气候生态适宜性区划为了进一步了解金花茶自然生长的适宜气候条件，表1给出了广西金花茶主要分布区的气候概况。
   
    由表1可知，广西金花茶的主要分布地区，年平均气温20.6℃（天等）~22.7℃（东兴）；12-3月开花期平均气温14.2℃（天等）~16.8℃（东兴）；年极端最低气温-2.2℃（大新）~2.3℃（东兴）；年平均霜日0.2天（东兴）~3.5天（大新）。年相对湿度76.8%（崇左）~81.7%（东兴）；6-11月营养生长期降水量805.1mm（宁明）~2109.8mm（东兴）；12-3月开花期降水量102.7mm（田东）~209.4mm（防城）。年平均日照时数1534.7h（天等）~1775.3h（田东）。广西金花茶主要分布地区的气候条件可作为划分金花茶适宜气候区的重要参考。
   
    生长发育对气候条件的需求，结合前人调查、研究成果进行综合分析，选取与金花茶生长发育与品质较为密切的年平均气温、年极端最低气温、年平均霜日数、开花期平均气温、开花期降水量5个关键气候因子作为区划指标（见表2）。在5个关键气候因子中，前4个是影响金花茶正常生长、安全越冬的主要因子，后1个因子为影响金花茶品质的重要因素。金花茶是喜潮湿的植物，广西各地年平均相对湿度为74%~82%,空气湿度较大，能满足生长发育需要；广西各地6-11月降水量为685.5~2109.8mm,大部地区在800mm以上，基本上都能满足金花茶营养生长期的需要；金花茶对光照要求不高，且不能忍受直射光的照射。因此，相对湿度、6-11月营养生长期降水量和日照均未作为区划的指标因子。
   
    建立区划指标的空间分析模型金花茶只有在适宜的气候条件下才能正常生长发育、品质好，而气候资源由于纬度、海陆分布以及地形地貌与下垫面性质的不同，存在明显的空间差异。广西境内海拔200m以上的丘陵、山地面积约占全区总陆地面积的71%,气候资源具有立体多样性特征。而广西在总面积为23.67×104km2的陆地上仅分布90个气象台站，相当于每个气象站点的观测数据代表了周围2630km2区域面积上的气象资料，且海拔在200m以上的气象站只有24个，800m以上的仅1个站，显然这90个气象站的气候资料不能全面、真实地反映广西气候资源的分布情况。
   
    为了客观描述金花茶各个气候区划指标因子在广西的实际分布，有必要建立区划因子的空间分析模型，以便更精细地推算出无观测站点的气候区划因子的分布状况。
   
    气候区划指标因子与地理因子的空间分析模型可表达为公式（1）。Y=f（φ，λ，h）+ε……（1）式中：Y为气候区划因子；φ、λ、h分别为纬度、经度、海拔高度等地理因子；f（φ，λ，h）函数称为区划指标的气候学方程；ε为综合地理残差，可看作φ、λ、h所拟合的气候学方程的残差部分，即公式（2）。ε=Y（实测值）-f（φ，λ，h）……（2）根据区域站点实测的气象数据，采用逐步回归、多元回归方法，分别建立区划指标因子与地理因子的空间关系模型，并对模型进行统计检验。利用广西90个气象站点的气候资料和对应站点的经度、纬度、海拔高度等地理信息数据，经统计筛选得5个气候区划指标因子的空间推算模型，即5个区划因子的气候学方程，结果见表3.由表3可知，各方程的复相关系数在0.831~0.966之间，F值为64.091~395.157,从回归效果看，所有模型均通过0.001的显着性检验，表明方程回归效果好，应用它可进行区划指标因子的小网格推算。
   
    区划指标的小网格推算和专题图制作
   
    根据上述各气候区划指标因子的空间推算方程，可推算出每个气候区划因子在千米网格点上的值，再利用公式（2）进行残差订正计算。
   
    （1）在GIS系统里提取1km×1km网格的纬度φ、区划指标因子年平均霜日数年极端最低气温年平均气温花期平均气温花期降雨量模型表达式。经度λ、海拔高度h、坡向β等地理数据和广西的省级、县级边界以及县级以上行政点等矢量数据；将提取的地理数据分别代入各气候区划因子推算方程中，得出1km×1km网格点上各气候区划因子的推算值，生成千米网格的5个气候区划指标的栅格图。
   
    （2）利用反距离权重插值法，即用公式（2），以广西90个气象站点的残差值为样本，对残差值进行空间插值计算，内插出1km×1km网格点上的残差分布值，生成千米网格的残差栅格图。
   
    （3）将1km×1km网格点上的各气候区划指标栅格图与残差栅格图进行迭加运算，得到广西金花茶5个气候区划指标1km×1km网格的实际分布图。共5幅图（图略）。
   
    （4）利用上述5个区划指标分布图，采用专家打分法，按照表2中的指标分级打分，即每一分级指标都赋予一定的分值，如指标年平均气温（Ty），当Ty在21.0~23.0之间给予分值为20分，Ty在19.0~21.0或23.0~25.0之间给予分值10分，Ty<19.0或>25.0时给予分值5分；其他指标的打分按此类推，然后进行叠加处理得到总分，再依据5个指标总分数的大小将金花茶划分为适宜、次适宜和不适宜3个气候区。最后，对不同的划分区域赋予不同颜色，并叠加县边界、经纬网和制作图例等，最终制作出广西金花茶的气候生态适应性区划图（见图1）。
   
    结果。
   
    适宜区本区主要分布于广西沿海一带、桂东南和桂西南海拔较低的地区，包括北海、防城港、玉林、贵港4市大部，崇左、南宁2市西南部，左、右江河谷部分地区，以及都安、大化、横县、宾阳等县的局部区域。该区年平均气温为21.4~22.8℃、年极端最低气温为-2.0~2.8℃、年平均霜日数为0~3天、12-3月开花期平均气温为14.3~16.8℃、12-3月开花期降水量为102.7~209.4mm.总体上看，本区热量资源丰富，寒害及霜冻天气少，越冬条件较好，气候条件适宜金花茶的生长；开花期雨量较少，有利于成花及供观赏，故可建立大面积的金花茶商品生产基地，以充分利用该区优越的气候资源，进一步提高金花茶种植的经济效益。
   
    次适宜区本区包括广西南宁、梧州2市南部，崇左市东部和北部，钦州市东北部，百色市城区，以及田阳、平果、上思、容县、平南、容县等县的部分区域。该区年平均气温为20.6~23.2℃，大部地区在21~23℃之间；年极端最低气温为-4.1~2.9℃，大部地区>-2.0℃；年平均霜日数为0~5.5天；12-3月开花期平均气温为13.7~17.0℃，大部在14~17℃之间；12-3月开花期降水量为86.8~265.8mm,其中百色、田阳降水量不足100mm,梧州市大部、宾阳、上林、马山降水量降水量>210mm.本区的气候条件虽不及适宜区，但热量资源仍较充足，寒凉天气比较少，气候条件仍能满足金花茶生长发育的需要，但该区部分地区有些年份的霜日偏多，应注意天气变化，在霜冻天气过程中，应切实加强金花茶防寒工作。另外，金花茶花期需水量虽较少，但百色、田阳等地的降水量仍偏少，种植金花茶，尚需加强保水和灌溉措施；梧州市大部、宾阳、上林、马山降水量略偏多，容易造成落花，应做好一定的保护措施。
   
    总而言之，该区不宜大规模栽培，只能选择冬季温暖、霜冻少的小气候环境进行中、小规模种植。
   
    不适宜区本区分布在广西北部，以及南部海拔高度较高的山区，包括桂林市、柳州市、贺州市、河池市、来宾市的大部，百色市高山地区，以及天等、大新、都安、马山等县东部的部分区域。该区各地年平均气温为16.7~20.9℃，大部地区>19℃；年极端最低气温为-8.4~-1.0℃；年平均霜日数为1.3~14.0天，大部3~8天；12-3月开花期平均气温为8.0~14.4℃，大部<13℃；12-3月开花期降水量为84.4~391.8mm,其中百色市北部山区降水量偏少，而桂林、贺州、柳州3市大部降水量偏多。总体而言，该区热量资源不足，寒害及霜冻天气较多，越冬条件欠佳，对金花茶的生长发育不利；特别是开花期气温偏低、降水量偏多或不足，均会对金花茶的品质及其观赏价值产生不利影响，因此，该区不宜盲目发展金花茶生产。
   
    结论与讨论
   
    （1）本区划引入GIS技术，采用气候与地形相结合的方法，将广西金花茶气候生态种植区划分为适宜、次适宜和不适宜区，为优化金花茶生产的合理布局和产业发展提供了科学依据。
   
    （2）利用GIS制作的1km×lkm细网格金花茶气候区划图，能够直观地反映出区划指标随地理位置和海拔高度的立体变化特征，所得的区划结果更细致、更精确，也更符合广西金花茶的实际分布；GIS的应用也为高新技术在金花茶种植区划研究与服务领域提供了新的途径和方法。
   
    （3）气候资源由于纬度、海陆分布以及地形地貌与下垫面性质的不同而存在明显的空间分布差异。本区划在建立区划指标推算模型时，考虑了纬度、经度、海拔高度等地理因子的影响。因此，其结果与实际情况较为相符合。
   
    （4）金花茶喜荫好湿、忌长期阳光直射，在荫蔽条件差的环境下会出现生长不良，叶色变黄，甚至枯萎死亡。因此，在推广种植和栽培管理中，应为金花茶建立遮荫棚，荫棚四周配植常绿阔叶乔木和攀缘植物，形成一个相似于原产地环境的生长环境。
   
    （5）在影响金花茶生长的诸多环境条件中，气候条件始终是最重要的影响因素。因此，本区划主要选择对金花茶生长发育有重要影响的5个气候因子作为区划的指标因子，但是对于土壤类型、土壤肥力等状况以及影响金花茶品质的其他因子考虑得较少，有待在今后的研究中不断地补充、修正和完善。

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