王　麗，李陽(yáng)煦，王培法，王曉英，羅陽(yáng)歡，吳　浩

1 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，南京　210044　　2 福州市勘測(cè)院數(shù)字城市研究中心，福州　350003

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基于生態(tài)位和模糊數(shù)學(xué)的冬小麥適宜性評(píng)價(jià)

王麗1,*，李陽(yáng)煦2，王培法1，王曉英1，羅陽(yáng)歡1，吳浩1

1 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，南京2100442 福州市勘測(cè)院數(shù)字城市研究中心，福州350003

為定量評(píng)價(jià)氣象、土壤等要素對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，利用江蘇省及周邊40個(gè)氣象站1980—2010年日氣象資料，選取影響冬小麥品種生長(zhǎng)發(fā)育的主要?dú)庀?如氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)等)和土壤(如土壤厚度、有機(jī)質(zhì)和pH值等)生態(tài)因子，基于生態(tài)位理論和模糊數(shù)學(xué)的方法，依據(jù)冬小麥生長(zhǎng)對(duì)生態(tài)各因子的響應(yīng)關(guān)系建立各生態(tài)因子適宜度模型，借助GIS空間插值和空間分析，計(jì)算江蘇省冬小麥品種的種植適宜度并進(jìn)行等級(jí)劃分。結(jié)果表明：從單要素看，研究區(qū)氣溫適宜度和日照時(shí)數(shù)適宜度都由北往南逐漸降低，降水適宜度由南往北逐漸降低；大部分地區(qū)土壤厚度和土壤有機(jī)質(zhì)適宜，但大部分地區(qū)的pH值適宜度較低；從氣候適宜度看，江蘇省氣候適宜度的范圍為0.68—0.81，中北部大部分區(qū)域適宜度大于0.73，全省的氣候適宜度均適合種植冬小麥，大體上呈現(xiàn)由北往南逐漸減小的變化；從土壤適宜度看，全省中部、南部與西北部大部分區(qū)域適宜度大于0.70，適合種植冬小麥。從綜合適宜度看，全省大部分地區(qū)適宜度為0.50—0.86，適宜于冬小麥生長(zhǎng)。綜合考慮農(nóng)業(yè)氣候資源和土壤資源對(duì)江蘇省冬小麥品種種植的綜合適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為充分利用江蘇省農(nóng)業(yè)生態(tài)資源、指導(dǎo)及科學(xué)制定冬小麥品種區(qū)域種植規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)；按作物品種分生育期多角度的精細(xì)化研究方法和建立的各因子的適宜度模型可為今后作物區(qū)域適宜性評(píng)價(jià)提供一種新的思路，對(duì)同類(lèi)研究具有一定的借鑒作用。

土壤；地理信息系統(tǒng)；作物；模糊數(shù)學(xué)；氣候；生態(tài)適宜度；冬小麥品種

綜合考察光、溫、水等農(nóng)業(yè)氣候資源和土壤資源同作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成所必需條件的匹配性，是作物適宜性評(píng)價(jià)及作物適宜種植區(qū)劃的主要手段，也是農(nóng)業(yè)氣象學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。小麥作為中國(guó)三大主要糧食之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冬小麥和春小麥適宜性評(píng)價(jià)做了大量研究。如Tuan 等[1]，Mendas 等[2]，吳洪顏等[3]，千懷遂等[4]，蒲金涌等[5]，Wang Dacheng等[6]，王琦等[7]對(duì)冬小麥做了適宜性的研究，李自珍等[8]針對(duì)春小麥生態(tài)位適宜度模型進(jìn)行了研究。近年來(lái)，冬小麥適宜性研究由定性向客觀定量化方向發(fā)展，特別在指標(biāo)的選擇上，由傳統(tǒng)的定性方法轉(zhuǎn)向集成多種地理因子的綜合環(huán)境指標(biāo)定量數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。如錢(qián)存鳴等[9]從江蘇不同生態(tài)區(qū)選擇7個(gè)地點(diǎn)，根據(jù)它們的氣候條件、土壤類(lèi)型和品質(zhì)特點(diǎn)，將全省分成3個(gè)品質(zhì)區(qū)域。王龍俊等[10]根據(jù)生態(tài)環(huán)境因子、土壤、小麥消費(fèi)習(xí)慣等將江蘇省分為4個(gè)一級(jí)種植區(qū)，12個(gè)二級(jí)種植區(qū)，并提出框架性區(qū)劃方案。以上研究應(yīng)用少數(shù)的氣候資料觀測(cè)站點(diǎn)，并不能精確反映整個(gè)江蘇的小麥氣候生態(tài)狀況。一些學(xué)者將GIS技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)作物精細(xì)化評(píng)價(jià)中，如代立芹等[11]利用模糊數(shù)據(jù)方法，建立河北省冬小麥各生育期氣候適宜度評(píng)價(jià)模型，并分析了30 a中各生育期氣溫、降水、日照和氣候適宜度的時(shí)空變化特征。馬曉群等[12]對(duì)安徽省冬小麥品種做了生態(tài)氣候適宜性分析和精細(xì)化區(qū)劃。這些研究定量到了空間面上，但主要考慮了氣候?qū)Χ←溕L(zhǎng)的影響，以氣候適宜性評(píng)價(jià)為主。也有少數(shù)學(xué)者綜合考慮了氣候、土壤等多種資源參與評(píng)價(jià)，如李奇峰等[13]利用GIS技術(shù)構(gòu)建評(píng)價(jià)單元，選取氣候、土壤、地形等關(guān)鍵的作物生態(tài)環(huán)境因子，采用空間聚類(lèi)分析法構(gòu)建作物生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)體系。陸洲等[14]采用生態(tài)距離和二次閾值分級(jí)方法解決作物生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)中分級(jí)缺乏物理意義的問(wèn)題，并以北京的冬小麥為例做了驗(yàn)證。上述研究為深入開(kāi)展冬小麥適宜性評(píng)價(jià)提供了較好的研究思路。

江蘇省是中國(guó)重要的冬小麥產(chǎn)區(qū)之一，而影響冬小麥生長(zhǎng)的自然資源要素不僅包括氣候因素、還有土壤以及地形等因素，因此正確認(rèn)識(shí)江蘇省冬小麥種植的自然資源狀況就需要盡可能全面地評(píng)價(jià)江蘇省自然資源各因子與冬小麥生長(zhǎng)需求的匹配程度。目前從模糊數(shù)學(xué)角度全面考慮氣候、土壤中多個(gè)生態(tài)因子進(jìn)行江蘇省冬小麥種植適宜性評(píng)價(jià)的研究較少，從冬小麥具體品種層次上的研究報(bào)道也較少。本文根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的方法和生態(tài)適宜度理論，從冬小麥品種揚(yáng)麥16號(hào)的各生育期的氣候指標(biāo)出發(fā)，綜合考慮農(nóng)業(yè)氣候資源和土壤資源對(duì)江蘇省冬小麥品種的綜合適宜性量化評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域空間上冬小麥品種的適宜性區(qū)劃，以期為充分利用江蘇省生態(tài)資源、指導(dǎo)及科學(xué)制定冬小麥品種區(qū)域種植規(guī)劃提供依據(jù)。

1　研究數(shù)據(jù)及其處理

1.1研究數(shù)據(jù)

由國(guó)家氣候中心提供的江蘇省及周邊40個(gè)氣象站1980—2010年日觀測(cè)資料，包括平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)；江蘇省土壤資料如土層厚度、土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)含量，由南京土壤所提供；從STRM網(wǎng)站下載90 m空間分辨率的數(shù)字高程模型DEM(digital elevation model)；江蘇省冬小麥揚(yáng)麥16號(hào)品種的物候數(shù)據(jù)及產(chǎn)量數(shù)據(jù)，由江蘇省農(nóng)科院提供。

1.2數(shù)據(jù)處理

表1給出了冬小麥品種揚(yáng)麥16的7個(gè)生育期的劃分標(biāo)準(zhǔn)。首先，將江蘇省及周邊40個(gè)氣象站30 a的氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)等氣象數(shù)據(jù)按照表1的生育期整理，并計(jì)算各生育期30 a氣候平均值。其次，為了保證站點(diǎn)氣象資料空間化的精度，對(duì)7個(gè)生育期分別采用反距離加權(quán)平均法(invers distance weight，IDW)、普通克里金(Ordinary Kriging，OK)、協(xié)同克里金(Co-Kriging，CK)以及徑向基函數(shù)(radial basis function，RBF)中的規(guī)則樣條、張力樣條和薄板樣條6種空間插值方法實(shí)現(xiàn)空間化，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行交叉檢驗(yàn)，使用平均絕對(duì)誤差(mean absolute error)和均方根誤差(root mean square error)作為評(píng)價(jià)插值精度的依據(jù)。通過(guò)7個(gè)生育期6種插值方法的結(jié)果對(duì)比可得，氣溫最佳的插值方法為CK，降水最佳的插值方法為OK，日照時(shí)數(shù)插值最佳的方法為RBF的規(guī)則樣條插值。

表1　揚(yáng)麥16號(hào)小麥品種生育期

2　研究方法

2.1適宜性評(píng)價(jià)模型

采用多準(zhǔn)則綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算每個(gè)評(píng)價(jià)單元的綜合適宜度，作物適宜性評(píng)價(jià)模型[15]為：

(1)

式中,IFI為綜合適宜度；Fi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度；Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

[16]，將江蘇省冬小麥的種植適宜性劃分為最適宜(>0.75)、適宜(≥0.5—0.75)、次適宜(≥0.25—0.5)和不適宜(<0.25)4個(gè)等級(jí)。

2.2權(quán)重Wi設(shè)置

作物的生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)是由光照、氣溫、降水、土壤類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)、pH值、氮磷鉀含量等因素共同決定的。對(duì)于某種生物，各因子的重要性不同。根據(jù)最小因素定律，生物的生長(zhǎng)發(fā)育是由數(shù)量最缺的因子決定的[17]?？紤]到不同因子在生態(tài)適應(yīng)評(píng)價(jià)中決定強(qiáng)度的差異，本文采用考慮限制因子的相對(duì)權(quán)重法[18]確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。具體權(quán)重公式(2)如下：

(2)

式中,Wi，含義同上；Ui為評(píng)價(jià)單元一個(gè)因子的隸屬度；Um為評(píng)價(jià)單元中隸屬度最小的因子的隸屬度。該公式表明在評(píng)價(jià)單元格中尋找隸屬度最小的因子，若是小于0.2明顯的限制因子，則賦予較大的相對(duì)權(quán)重，否則由其他因子的限制性共同決定的。

2.3模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)

作物對(duì)某環(huán)境因子的適應(yīng)有很適宜、適宜或不適宜之分，這些都為定性描述，而利用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)的方法可以將各因子對(duì)作物的適宜程度定量化，此隸屬度取值為0—1之間，隸屬度值越大表明作物在該區(qū)域的生態(tài)適應(yīng)性越高。依據(jù)生態(tài)位適宜度理論模型，作物對(duì)生態(tài)資源環(huán)境的要求主要有3類(lèi)型：適宜區(qū)間型(如氣溫，pH值)、越多越好型(如土層厚度)、越低越好型(如土壤污染程度)。

2.3.1氣溫隸屬函數(shù)

氣溫存在適宜區(qū)間，作物光合作用有最低、最適和最高氣溫。對(duì)同一種作物來(lái)說(shuō)，輻射強(qiáng)度的變化，會(huì)導(dǎo)致其同化率的變化，從而引起光合速率的氣溫曲線的變化。同樣，不同環(huán)境氣溫下光合速率反應(yīng)曲線也是不同的。在正常的環(huán)境氣溫下，凈光合速率的最適氣溫不是一點(diǎn)，而是一個(gè)較寬的氣溫區(qū)域。作物通過(guò)光合作用，完成作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的全過(guò)程。氣溫對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響有兩種效應(yīng)：一是氣溫增高時(shí)光化學(xué)過(guò)程加快而使總光合作用強(qiáng)度加強(qiáng)，二是氣溫增高時(shí)呼吸消耗增加。因此凈光合產(chǎn)物在初期隨氣溫增加而加強(qiáng)，而在超過(guò)最適氣溫以后，凈光合產(chǎn)物則隨氣溫增加而降低。以往學(xué)者建立的線形等模型并不能充分表達(dá)氣溫對(duì)作物的影響變化特點(diǎn)，根據(jù)Larcher和Mirza等氣溫與作物光合作用的關(guān)系曲線，氣溫與光合速率反應(yīng)曲線近似呈S型[19-20]，結(jié)合研究地區(qū)實(shí)際情況，據(jù)此建立如式(3)的氣溫隸屬函數(shù)ST：

(3)

式中，T是某一生育期內(nèi)的實(shí)際日平均氣溫(℃)；TL、TH、T2、T1分別為作物在該時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育的下限氣溫、上限氣溫和最適氣溫的上下限(℃)。此處參數(shù)依據(jù)參考資料[21-22]與江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供品種小麥栽培種植資料獲取。

2.3.2日照隸屬函數(shù)

作物利用太陽(yáng)輻射及其自身具有的光合作用功能，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為有機(jī)干物質(zhì)。本文根據(jù)Camilo L.Medina[23]、黃璜[24]的研究，把日照時(shí)數(shù)達(dá)到可照時(shí)數(shù)的70%，即日照百分率70%以上的光照條件作為冬小麥的適宜狀態(tài)。日照時(shí)數(shù)的隸屬函數(shù)SSH為[25]：

(4)

式中，SH為實(shí)際日照時(shí)數(shù)(h)；SH0為日照百分率為 70%的日照時(shí)數(shù)(h)；b為系數(shù)。

2.3.3降水隸屬函數(shù)

評(píng)價(jià)降水對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，按照作物產(chǎn)量與降水量關(guān)系曲線圖[26]，建立作物的降水隸屬函數(shù)SR，計(jì)算公式為：

(5)

式中,R為某生育期內(nèi)的平均降水量(mm)；RL、RH、R2、R1分別為作物在該時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育的下限、上限和最適需水量的上下限(mm)。k=1，n=2。此處參數(shù)依據(jù)參考資料[21-22]與江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供品種小麥栽培種植資料獲取。

2.3.4土壤pH值隸屬函數(shù)

建立土壤pH值的隸屬度函數(shù)SpH，如式(6)：

(6)

式中，pH為實(shí)際土壤pH值；pHSL和 pHSH分別為適宜于作物生長(zhǎng)的下限值和上限值；pHOL和 pHOH分別為作物最佳生長(zhǎng)的下限值和上限值，此處參數(shù)依據(jù)參考資料[21-22]，分別取6.8和7.0。

2.3.5土壤有機(jī)質(zhì)隸屬函數(shù)

土壤有機(jī)質(zhì)隸屬度函數(shù)SOM[27]：

(7)

式中,OM為實(shí)際土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)；OMSL和OMOL分別為作物生長(zhǎng)的土壤有機(jī)質(zhì)含量適宜下限值及最佳下限值(%)，最佳下限值取1.3%。由于土壤有機(jī)質(zhì)因子在最不利情況下，作物仍有可能生存，因此這里將生態(tài)位適宜度模型中的最低適應(yīng)值由 0 換為a，a∈ [ 0，1)。

2.3.6土層厚度隸屬函數(shù)

土層厚度隸屬度函數(shù)SSD[28]：

(8)

式中,SD為實(shí)際土層厚度(cm)；SDOL作物生長(zhǎng)的土層厚度下限，取20cm。

3　結(jié)果與分析

3.1各要素生態(tài)適宜度評(píng)價(jià)

根據(jù)以上氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)等各隸屬函數(shù)及生態(tài)指標(biāo)，可計(jì)算得到不同生育期各因子的適宜度。由氣候因子各生育期的適宜度與相應(yīng)生育期的權(quán)重乘積累和計(jì)算得到氣候因子整個(gè)生育期的適宜度。冬小麥各生育期內(nèi)與生育期間氣象要素的權(quán)重結(jié)合文獻(xiàn)[11]和江蘇省農(nóng)科院品種小麥專(zhuān)家意見(jiàn)，得出整個(gè)生育期上各生育期的相對(duì)權(quán)重(表2)，通過(guò)空間分析的柵格計(jì)算得到整個(gè)生育期的各氣象因子適宜度(圖1)。因?yàn)橥寥栏饕蜃与S生育期的變化很小，可忽略，即只算整個(gè)生育期的土壤各因子的適宜度。

表2　冬小麥各因子各生育期權(quán)重

氣溫適宜度的范圍為0.54—0.81(圖1)，由北往南逐漸降低，但在最南端如昆山、蘇州等地適宜度較高；同一緯度上，東部地區(qū)的適宜度略高于西部地區(qū)；最適宜區(qū)域在江蘇省北部，適宜度較低的區(qū)域在江蘇省南部。由于播種期昆山、吳江地區(qū)適宜度為1，與周邊適宜度相差較大；拔節(jié)期南京、溧水、溧陽(yáng)、宜興和吳江一帶氣溫適宜度為1，與周邊相差較大，使得將各生育期的氣溫取平均值

后，南京與吳江地區(qū)顯得異常。

圖1　江蘇省各因子的適宜度分布圖Fig.1　Distribution of suitability of ecological factors

降水適宜度的范圍為0.25—0.63(圖1)，基本上呈現(xiàn)由南部向北部逐漸降低；高郵、東臺(tái)區(qū)域略低于其南北兩側(cè)；最適宜區(qū)域在江蘇省南部，如無(wú)錫、蘇州等地；適宜度較低的區(qū)域在江蘇省北部，如徐州、連云港。

日照時(shí)數(shù)適宜度的范圍為0.53—0.91(圖1)，江蘇省大部分地區(qū)的日照時(shí)數(shù)都適宜冬小麥的生長(zhǎng)。由北往南逐漸降低；同一緯度上，大部分西部地區(qū)的適宜度略低于東部地區(qū)；最適宜區(qū)域在江蘇省北部，如連云港等；適宜度較低的區(qū)域在江蘇省南部，如蘇州等地。

經(jīng)資料查閱，冬小麥的耕作層深度一般為20cm以上，土壤厚度的最低下限為40cm，計(jì)算的土壤厚度適宜度范圍較大，見(jiàn)圖1。除去河流、湖泊，全省土壤厚度的適宜度大部分為1，即厚度大于40cm；江蘇省的土壤厚度均適宜冬小麥的生長(zhǎng)。

江蘇省土壤pH值的適宜度的范圍見(jiàn)圖1，適宜度大于0.6的區(qū)域占全省的61%。北部、蘇中的西部和東部、蘇南部分地區(qū)pH值適宜度較高，如徐州、宿遷、連云港、蘇州等地；中部與蘇南東部的部分地區(qū)適宜度為0，土壤酸性超出冬小麥適宜范圍。全省有大約50%的面積pH值適宜度大于0.8。

土壤有機(jī)質(zhì)含量的值達(dá)到1.3%為適宜[29]，根據(jù)有機(jī)質(zhì)隸屬函數(shù)，計(jì)算的江蘇省有機(jī)質(zhì)適宜度的范圍見(jiàn)圖1，適宜度大于0.8的區(qū)域占全省64%，大于0.6的區(qū)域占全省75%。大部分地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量較高，中、東南部如蘇州、南通、泰州等地有機(jī)質(zhì)適宜度最高；北部地區(qū)適宜度低于南部，但基本大于0.2，屬于適宜范圍。所以，除水域外，江蘇省大部分地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)適宜冬小麥生長(zhǎng)。

3.2氣候生態(tài)適宜度評(píng)價(jià)和土壤生態(tài)適宜度評(píng)價(jià)

3.2.1冬小麥氣候生態(tài)適宜度

單從氣候的角度考查江蘇省冬小麥品種的適宜性，可用氣候適宜度來(lái)定量評(píng)價(jià)。利用式(1)，首先由各生育期的氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)適宜度和冬小麥生育期內(nèi)權(quán)重計(jì)算得到各生育期氣候適宜度，再將不同生育期氣候適宜度和相應(yīng)的生育期間權(quán)重乘積求和，即得到冬小麥整個(gè)生育期的氣候適宜度范圍為0.68—0.81(圖2)，江蘇省中北部大部分區(qū)域適宜度大于0.73，全省的氣候適宜度均適合種植冬小麥，大體上呈現(xiàn)由北往南逐漸減小的變化。鎮(zhèn)江、南通一帶適宜度略低于其南部與北部，但都大于0.60。

3.2.2冬小麥土壤生態(tài)適宜度

單從土壤的角度考查江蘇省冬小麥品種的適宜性，可用土壤適宜度來(lái)定量評(píng)價(jià)。利用式(1)，綜合土層厚度、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)單因子的適宜度，其中3因子權(quán)重賦值依據(jù)文獻(xiàn)[30]，分別為0.29、0.19和0.52計(jì)算得到江蘇省冬小麥土壤適宜度分布圖3。由圖3看出江蘇省土壤適宜度為0—1，中部、南部與西北部等大部分區(qū)域土壤適宜度大于0.70，適合種植冬小麥，其中0.7以上區(qū)域占全省的82%，適宜度大于0.89的區(qū)域占全省的35.7%，主要分布在長(zhǎng)江、淮河沿岸、太倉(cāng)等區(qū)域?？臻g分布圖上呈現(xiàn)南部?jī)?yōu)于北部的趨勢(shì)。

圖2　 江蘇省氣候適宜度Fig.2　Climatic suitability of Jiangsu Province

圖3　江蘇省土壤適宜度Fig.3　Soil suitability of Jiangsu Province

3.3冬小麥綜合適宜度評(píng)價(jià)

圖4　江蘇省冬小麥綜合適宜度分布圖　Fig.4　Comprehensive suitability for winter wheat in Jiangsu Province

冬小麥的生長(zhǎng)是氣候、土壤等多個(gè)環(huán)境因素的綜合作用，因此全面考慮氣候、土壤等因素的影響更為合理。根據(jù)以上氣溫、降水、光照、土壤類(lèi)型、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH值各因子適宜度，通過(guò)權(quán)重公式(2)可得各因子的權(quán)重圖層，利用式(1)計(jì)算得到冬小麥綜合適宜度空間分布圖4。

從圖4中顏色深淺變化表示種植冬小麥適宜程度的高低。可以看出在各氣候因子綜合作用下江蘇省冬小麥種植適宜度呈現(xiàn)北高南低。依據(jù)文獻(xiàn)[16]將適宜性分為最適宜、適宜、次適宜和不適宜4個(gè)等級(jí)，同時(shí)參考研究區(qū)土地利用圖和冬小麥的產(chǎn)量等調(diào)查資料，做出分級(jí)調(diào)整，由冬小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)將最適宜區(qū)為適宜度0.7以上，適宜度0.65為適宜區(qū)和次適宜區(qū)的分界點(diǎn)，江河湖泊等水域都低于0.45，將適宜度低于0.45的劃為不適宜區(qū)。由圖4可看出江蘇省大部分區(qū)域適宜度為0.50—0.86，適宜種植冬小麥。最適宜的區(qū)域主要在江蘇北部和中部區(qū)域，南部區(qū)域主要為適宜區(qū)，不適宜的區(qū)域主要分布在蘇南的太湖、滆湖，蘇中的高郵湖以及蘇北的洪澤湖、長(zhǎng)江等水域。該分級(jí)結(jié)果和吳洪顏等[3]、金善寶[17]學(xué)者研究結(jié)論相一致。

4　結(jié)論與討論

本文利用多種插值方法對(duì)比選取最佳方法實(shí)現(xiàn)氣象要素的空間化，利用模糊數(shù)學(xué)建立適宜度模型，分析江蘇省冬小麥的氣候、土壤適宜度情況，并將各要素的適宜度賦予權(quán)重，進(jìn)行綜合分析，得到江蘇省冬小麥適宜種植區(qū)劃。結(jié)果表明：

1)江蘇省氣溫適宜度為0.54—0.81，日照適宜度為0.53—0.91，降水適宜度為0.25—0.63，總體上氣候條件較適宜冬小麥生長(zhǎng)。氣溫適宜度總體上呈從北往南逐漸降低的趨勢(shì)；降水適宜度總體上呈現(xiàn)從南往北逐漸降低的趨勢(shì)；日照時(shí)數(shù)適宜度從北往南逐漸降低。

2)江蘇省大部分區(qū)域的土壤厚度能滿(mǎn)足冬小麥的生長(zhǎng)，適宜度為1；土壤有機(jī)質(zhì)基本滿(mǎn)足冬小麥生長(zhǎng)，適宜度大于0.8的區(qū)域占全省64%，大于0.6的區(qū)域占全省75%；土壤pH值適宜度較適宜冬小麥生長(zhǎng)，適宜度大于0.6的區(qū)域占全省的61%。

3)江蘇省冬小麥整個(gè)生育期的氣候適宜度范圍為0.68—0.81，中北部大部分區(qū)域適宜度大于0.73，全省的氣候適宜度均適合種植冬小麥，大體上呈現(xiàn)由北往南逐漸減小的變化。江蘇省土壤適宜度為0—1，中部、南部與西北部等大部分區(qū)域土壤適宜度大于0.7，適合種植冬小麥，其中0.7以上區(qū)域占全省的82%，適宜度大于0.89的區(qū)域占全省的35.7%，主要分布在長(zhǎng)江、淮河沿岸、太倉(cāng)等區(qū)域。空間分布圖上呈現(xiàn)南部?jī)?yōu)于北部的趨勢(shì)。

4)江蘇省冬小麥綜合適宜度看，整個(gè)江蘇省基本都適宜種植冬小麥，空間上看北部與中部最適宜冬小麥生長(zhǎng)，南部較適宜冬小麥生長(zhǎng)，不適宜區(qū)域主要分布在江河湖泊等水體區(qū)域。

本文研究中以冬小麥優(yōu)質(zhì)品種揚(yáng)麥16號(hào)為例，該品種屬于春性中熟小麥品種，在各生態(tài)要素的隸屬度計(jì)算時(shí)，由于缺少該品種準(zhǔn)確的三基點(diǎn)資料，根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)，各氣候要素的三基點(diǎn)參考中熟小麥的三基點(diǎn)資料，土壤pH值、土層厚度以及土壤有機(jī)質(zhì)含量等三基點(diǎn)的取值參考冬小麥大類(lèi)的三基點(diǎn)資料。這可能與該品種的實(shí)際三基點(diǎn)取值有偏差。

致謝：江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供冬小麥資料,范曉梅、孫德勇老師幫助寫(xiě)作，特此致謝。

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Assessment of ecological suitability of winter wheat in Jiangsu Province based on the niche-fitness theory and fuzzy mathematics

WANG Li1,*, LI Yangxu2, WANG Peifa1, WANG Xiaoying1, LUO Yanghuan1, WU Hao1

1SchoolofRemoteSensing,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China2TheResearchCenterofDigitalCity,FuzhouInvestigationandSurveyingInstitute,Fuzhou350003,China

In order to quantitatively evaluate the influence of weather and soil on the growth of wheat crops, we use the day-to-day meteorological data from Jiangsu Province during 19802010, and develop an ecological suitability model of winter wheat on the basis of the niche suitability theory and fuzzy mathematics. The growth suitability of winter wheat in Jiangsu Province is evaluated and the regions in the province are delineated for different degrees of suitability with the aid of GIS spatial interpolation and analysis technologies; the different degrees of suitability assigned included the most suitable, more suitable, suitable, and not suitable. The major ecological factors affecting winter wheat growth such as temperature, precipitation, sunshine, soil depth, organic matter, and pH value were considered during the analysis. The analysis process includes four parts. First, the analysis was performed taking into account every growth period of winter wheat, to gain spatial distribution of meteorological stations during 19802010, using the most suitable method from the six spatial interpolation methods, including IDW, Kriging, and spline. Second, the analysis was conducted using the fuzzy mathematical models and considering the obtained ecoclimatic indices for the crop′s growth period, and the suitability of temperature, precipitation, and sunlight in different growth periods. Third, the weight of each meteorological factor at the different stages, the suitability of temperature, precipitation, and sunlight for the entire life period were calculated for analysis. Lastly, the comprehensive adaptability model for winter wheat was constructed using the relative weight method which determine the weight of all factors, each high suitability degree factor multiplied to reduce its weight while each weak factor multiplied to increase its weight. The integrated suitability values of winter wheat were calculated using this comprehensive adaptability model taking into consideration the previous results that took into account the temperature, precipitation, sunshine, soil thickness, soil pH, and soil organic matter concentration. The conclusions of our research are: 1) The suitability of temperature and sunshine hours gradually decreases from north to south within the study area, while the suitability of rainfall gradually decreases from south to north. 2) The suitability of soil thickness and soil organic matter are higher for crop growth in most of the study area, while the suitability of the soil pH value is low. For climatic suitability, the suitability value of Jiangsu Province varied from 0.68 to 0.81, where the suitability in middle and north area exceeds 0.73. 3) The climate of Jiangsu Province is suitable for the growth of winter wheat, and the suitability value decreases from north to south. Considering soil suitability, the value for middle, south and northwest parts of study area are more than 0.7, which indicates that they are suitable for the growth of winter wheat. 4) The comprehensive suitability degree for most part of research area varies from 0.5 to 0.86, which is considered suitable for the growth of winter wheat. Our research can provide reasonable guidance to the scientific plans for the cultivation of winter wheat in Jiangsu Province. Furthermore, the developed suitability model that considers crop variety and its growth stages provides a new method to the crop ecological suitability evaluation, and can be used in similar researches.

soil; geographic information systems; crops; fuzzy mathematics; climate; ecological suitability; winter wheat varieties

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41175077)；黔科合重大專(zhuān)項(xiàng)([2011]6003)；2014年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃江蘇省級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目(201410300017Z)

2014-12-02; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-10-30

Corresponding author.E-mail: xuer217@163.com

10.5846/stxb201412022394

王麗，李陽(yáng)煦，王培法，王曉英，羅陽(yáng)歡，吳浩.基于生態(tài)位和模糊數(shù)學(xué)的冬小麥適宜性評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(14):4465-4474.

Wang L, Li Y X, Wang P F, Wang X Y, Luo Y H, Wu H.Assessment of ecological suitability of winter wheat in Jiangsu Province based on the niche-fitness theory and fuzzy mathematics.Acta Ecologica Sinica,2016,36(14):4465-4474.