林正雨,陳 強(qiáng),鄧良基,李 曉,何 鵬,熊 鷹

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院 成都 611130;2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)研究所 成都 610066;3.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究中心 成都 610066)

氣候資源是發(fā)展農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),溫度上升、日照減少、降水變化等將會(huì)直接打破原有穩(wěn)定的作物-氣候環(huán)境的平衡與協(xié)同,引起作物適宜區(qū)的改變。以氣候變暖為標(biāo)志的全球資源環(huán)境變化已成為共識(shí),根據(jù)IPCC多次評(píng)估報(bào)告發(fā)現(xiàn),1880—2012年,全球平均地表溫度升高了0.85℃,升溫速率是0.12℃·(10a)-1,這幾乎是1880年以來(lái)升溫速率的2倍[1-5]。四川省位于我國(guó)二級(jí)階梯向一級(jí)階梯過(guò)渡地區(qū),氣候類型多樣,地形地貌復(fù)雜。在全球氣候變暖大背景下,四川氣候資源也存在顯著的區(qū)域變化特征。近50 a四川省年均溫以 0.116℃·(10a)-1的線性傾向增暖,年最高氣溫和年最低氣溫在年際波動(dòng)中也呈上升趨勢(shì),線性升溫率分別為0.09℃·(10a)-1、0.13℃·(10a)-1[6]。20世紀(jì)90年代以來(lái)降水量明顯偏少,線性減少率為31.6 mm·(10a)-1,平均降水量除冬季略有增加外,其于各季節(jié)均呈減少趨勢(shì),7—10月降水量的減少是四川盆地年降水量減少的主要原因[7-9]。

近50 a來(lái)的氣候變化已引起了不同作物種植界限的空間變遷,作物適宜區(qū)變化明顯。1980—2000年,氣候變暖使得水稻(Oryza sativa)種植北界已達(dá)52°N左右的呼瑪?shù)貐^(qū),較20世紀(jì)80年代初北移了約4個(gè)緯度,黑龍江省水稻播種范圍向北向東擴(kuò)張,水稻禁區(qū)伊春、黑河也可以種植水稻,中國(guó)國(guó)土面積約 3.9%(約3.7×107hm2)因氣候變暖而適合水稻種植[10-12]。1981—2007年遼寧、河北、山西、陜西、內(nèi)蒙古等地區(qū)冬小麥(Triticum aestivum)的種植北界不同程度北移西擴(kuò),冬小麥種植北界已經(jīng)從長(zhǎng)城沿線推移到了42.5°N的撫順-法庫(kù)-彰武[13-14]。1980—2010年,中國(guó)東北部的玉米(Zea mays)生產(chǎn)空間延伸至小興安嶺北部,玉米播種面積增加約500萬(wàn)hm2[15-16]。中國(guó)蘋(píng)果(Malus pumila)主產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)了由東向西、向西北黃土高原及新疆地區(qū)遷移的現(xiàn)象,且各省蘋(píng)果種植邊界逐漸北移[17]。作物適宜區(qū)變化已對(duì)國(guó)家或地區(qū)的農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平及發(fā)展前景產(chǎn)生深刻的影響。柑橘(Citrus reticulata)作為四川省乃至我國(guó)主要水果產(chǎn)品之一,是農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收重要的產(chǎn)業(yè)支撐。2015年我國(guó)柑橘面積2.5×104km2量 3.66×107t。四川是柑橘的主產(chǎn)區(qū)之一,柑橘生產(chǎn)排名前列,其中面積占比11.08%、產(chǎn)量占比10.37%。在市場(chǎng)預(yù)期利好和四川盆地黃龍病和潰瘍病發(fā)生率較低的背景下,四川柑橘擴(kuò)種明顯加速。由于缺乏科學(xué)的適宜性分析和布局規(guī)劃,四川柑橘在低適宜區(qū)(不適宜區(qū))盲目擴(kuò)張,在高適宜區(qū)更替產(chǎn)業(yè),極大地增加了地區(qū)自然資源的改造成本。因此,揭示在氣候變化下,柑橘適宜分布變化對(duì)四川乃至中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

目前,氣候變化對(duì)柑橘適宜分布的影響研究表現(xiàn)出2個(gè)特點(diǎn)。一是以農(nóng)業(yè)自然綜合區(qū)劃為主的柑橘氣候區(qū)劃研究[18-20]。此類研究的時(shí)間多集中在20世紀(jì)80年代初期,研究劃定的柑橘適宜區(qū)無(wú)法反映出近 30 a的氣候資源變化,其研究結(jié)果已不能完全適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)的需求。二是在環(huán)境變量選取上,早期主要考慮氣候條件,特別是對(duì)極端氣候條件的響應(yīng)出發(fā),確定的關(guān)鍵性氣候指標(biāo)。對(duì)柑橘分布產(chǎn)生影響的環(huán)境變量及其閾值選取也不同,從而導(dǎo)致研究結(jié)果存在較大差異[18,21-22]。為此,本研究基于最大熵模型(MaxEnt)構(gòu)建了柑橘適宜分布與環(huán)境變量的關(guān)系模型,采用受試者工作特征曲線(ROC曲線)檢測(cè)模型精度,通過(guò)刀切法(Jackknife)從環(huán)境變量中識(shí)別出主導(dǎo)因素,并了解主導(dǎo)因素的年際變化(1980—2010年)。其次,采用ArcGIS對(duì)比1980年、2010年四川柑橘適宜分布,以揭示近30 a來(lái)氣候變化背景下,四川省柑橘適宜區(qū)的分布與變化情況,為合理優(yōu)化柑橘生產(chǎn)空間提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

四川省位于中國(guó)西南部(92°21′～108°12′E,26°03′～34°19′N),面積約48.6萬(wàn) km2。是典型的青藏高原和長(zhǎng)江中下游平原的過(guò)渡區(qū)。西部為高原和山區(qū),海拔多在4 000 m以上;東部為盆地、丘陵,海拔多在1 000～3 000 m。四川省氣候復(fù)雜多樣,且地帶性和垂直變化十分明顯,大致可分為3個(gè)氣候區(qū)：1)盆地中亞熱帶濕潤(rùn)氣候,年均溫 16～18℃,積溫 4 000～6 000℃,無(wú)霜期230～340 d,年日照時(shí)間僅1 000～1 400 h,年降雨量1 000～1 200 mm。2)川西南山地亞熱帶半濕潤(rùn)氣候區(qū),年均溫 12～20℃,年日照時(shí)間為2 000～2 600 h,全年有7個(gè)月為旱季,年降水量900～1 200 mm。受焚風(fēng)影響河谷地區(qū)形成典型的干熱河谷氣候。3)川西北高山高原高寒氣候區(qū),氣候垂直變化明顯,總體上以寒溫帶氣候?yàn)橹?河谷干暖,山地冷濕,年均溫 4～12℃,年降水量 500～900 mm,年日照1 600～2 600 h。根據(jù)自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展可分為成都平原區(qū)、川東北地區(qū)、川南地區(qū)、攀西地區(qū)、川西北地區(qū)(圖1)。

圖1 四川省地理分區(qū)圖Fig.1 Geographical regions map of Sichuan Province

1.2 研究方法

最大熵模型的思路是根據(jù)已知樣本對(duì)未知分布的最優(yōu)估計(jì),應(yīng)當(dāng)滿足已知對(duì)該未知分布的限制條件,并使該分布具有最大的熵且不被任何其他條件限制。Phillips等[23]用最大熵原理作統(tǒng)計(jì)推斷工具,構(gòu)建了物種地理尺度上空間分布的生態(tài)位模型,并編寫(xiě)了開(kāi)源軟件MaxEnt。預(yù)測(cè)的結(jié)果是物種存在的相對(duì)概率。該模型在物種分布領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,被證實(shí)為具有最佳預(yù)測(cè)能力和精度的模型[24-26]。在執(zhí)行算法前,假設(shè)研究區(qū)域各網(wǎng)格的物種是等概率均勻分布。由環(huán)境變量定義的特征方程計(jì)算出目標(biāo)地區(qū)概率分布的熵值。然后通過(guò)不斷迭代,將已知物種分布地區(qū)的概率分布不斷增加,這時(shí)目標(biāo)地區(qū)概率分布的最大熵也不斷增加,直至達(dá)到收斂閾值或執(zhí)行到最大迭代次數(shù),此時(shí)得到熵最大的分布即為最優(yōu)分布。MaxEnt采用AUC值作為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確性的指標(biāo)。其取值范圍為0.5～1,AUC值越大,表示模型準(zhǔn)確性越好。其中 0.50～0.60為模型失敗;0.60～0.70為模型較差;0.70～0.80為模型一般;0.80～0.90為模型好;0.90～1.00為模型非常好。一般當(dāng)AUC值＞0.75,可認(rèn)為模型可用[27-28]。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

氣候數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)共享數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(http：//data.cma.cn)提供的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)。該數(shù)據(jù)包含了四川省41個(gè)基本氣象站經(jīng)緯坐標(biāo)、氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等逐日數(shù)據(jù)(圖2)。分別以1976—1984年、2006—2014年的氣候年均值作為41個(gè)氣象臺(tái)站1980年、2010年的氣候資源情況?！?℃積溫、≥10℃積溫、年均溫、花期均溫、最冷月平均氣溫、最熱月平均氣溫采用“多元回歸+殘差I(lǐng)DW插值”。年日照時(shí)數(shù)、≥10℃持續(xù)天數(shù)、年溫差、無(wú)霜期采用 IDW 插值。年降水量、秋季降雨量采用Ordinary Kriging。國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)-土壤科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//soil.geodata.cn)提供了1980年耕層土壤的有機(jī)質(zhì)、pH、氮磷鉀的柵格數(shù)據(jù);1980年的土壤顆粒組成數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn),裁剪后作為1980年四川省土壤肥力屬性數(shù)據(jù)。2010年的耕層土壤肥力和土壤顆粒數(shù)據(jù)來(lái)源于四川省2 697個(gè)土壤采樣點(diǎn)(圖2),通過(guò)普通克里格插值生成空間柵格數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn)提供的 SRTM 90m,裁剪得到四川省 DEM,并經(jīng) ArcGIS10.2的 Spatial Analyst生成坡度和坡向柵格數(shù)據(jù)。氣候、土壤、地形等數(shù)據(jù)均處理為柵格數(shù)據(jù),分辨率 500 m,投影為UTM/WGS84,空間范圍為四川省全域。柑橘實(shí)際分布數(shù)據(jù)主要有2個(gè)來(lái)源。通過(guò)實(shí)地考察,用GPS定位獲得四川省主要柑橘產(chǎn)地(柑橘種植年限≥30 a)經(jīng)緯坐標(biāo)。其他柑橘分布數(shù)據(jù)通過(guò)全球物種多樣性信息庫(kù)(http：//www.gbif.org)查詢補(bǔ)充。去除四川省以外的分布點(diǎn),共獲得柑橘實(shí)際分布點(diǎn)74個(gè),并保存為*.CSV格式。

圖2 四川省柑橘分布、土壤樣點(diǎn)及氣象臺(tái)站分布Fig.2 Distribution of citrus,soil samples and meteorological stations in Sichuan Province

2 結(jié)果與分析

2.1 柑橘適宜區(qū)的主導(dǎo)環(huán)境變量

2.1.1 初始環(huán)境變量貢獻(xiàn)度及年際變化

基于已有的柑橘適宜性研究成果[18-20],篩選出 23個(gè)與四川省柑橘生理生長(zhǎng)相關(guān)的初始環(huán)境變量(表1)。選擇年日照時(shí)數(shù)評(píng)價(jià)柑橘種植時(shí)光照資源情況。選擇年平均氣溫、≥0℃積溫、≥10℃積溫及持續(xù)天數(shù)、最熱月平均氣溫、無(wú)霜期、花期日均溫、年溫差分析柑橘種植時(shí)熱量資源情況。選擇最冷月平均氣溫分析柑橘能否安全越冬。選擇年降水量和秋季降水量分析作物生長(zhǎng)時(shí)的水分供應(yīng)情況。選擇耕層有機(jī)質(zhì)、pH、氮磷鉀等分析土壤對(duì)柑橘種植的供肥情況。選擇海拔、坡度、坡向作為評(píng)價(jià)柑橘種植的地形變量。

表1 影響柑橘適宜分布的初始環(huán)境變量Table 1 Initial environmental variables affecting suitable distribution of citrus

運(yùn)用MaxEnt軟件構(gòu)建四川省柑橘種植分布與初始環(huán)境變量的關(guān)系模型。隨機(jī)選擇75%的柑橘分布數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練樣本,用來(lái)訓(xùn)練模型,25%作為驗(yàn)證樣本。1980年、2010年柑橘分布與初始環(huán)境變量關(guān)系模型的AUC值分別為0.904、0.901,模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)非常好。通過(guò)MaxEnt模型的Jackknife計(jì)算得到初始環(huán)境變量對(duì)柑橘分布的貢獻(xiàn)率如圖3所示。1980年、2010年2個(gè)時(shí)期內(nèi)所有變量對(duì)柑橘分布概率的總貢獻(xiàn)度(with all variable)均在1.2以上。單變量貢獻(xiàn)度(with only variable)影響最大的是海拔,最小是坡向?！?℃積溫、≥10℃積溫、花期日均溫、最冷月均溫、最熱月均溫、年日照時(shí)數(shù)、年均溫、無(wú)霜期對(duì)柑橘分布的影響相對(duì)較高,其單變量貢獻(xiàn)度為0.8～1.0(1980年日照時(shí)數(shù)＞1)。有機(jī)質(zhì)、pH、黏粒含量、沙粒含量、粉粒含量、氮磷鉀等的單變量貢獻(xiàn)度均小于0.6。反映出氣候變量是影響四川省柑橘分布的主要變量。1980年,其他變量對(duì)貢獻(xiàn)度影響(without variable),最大的是年日照時(shí)數(shù),第二是坡度。當(dāng)沒(méi)有這2個(gè)變量時(shí),其他變量對(duì)柑橘分布的解釋降到 1.2以下。說(shuō)明坡度、年日照時(shí)數(shù)包含了其他環(huán)境變量沒(méi)有包含的信息。柑橘生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成受到環(huán)境變量及其組合變化的強(qiáng)烈影響,一個(gè)變量或多個(gè)變量對(duì)柑橘生長(zhǎng)的正效應(yīng)可能被其他變量強(qiáng)化,也可能被減弱,甚至被完全抵消[29]。所以在2010年,這種影響逐漸發(fā)生變化,其他變量對(duì)貢獻(xiàn)度影響均大于 1.2,說(shuō)明在環(huán)境變化下,坡度和年日照時(shí)數(shù)的貢獻(xiàn)作用被其他變量抵消,柑橘種植分布表現(xiàn)出多因素協(xié)同作用影響。

2.1.2 主導(dǎo)環(huán)境變量的篩選

從初始環(huán)境變量對(duì)柑橘分布相對(duì)貢獻(xiàn)度的年際變化來(lái)看(表2),年均溫、年降雨量、坡度、最熱月均溫、無(wú)霜期、黏粒含量、全氮、秋季降雨量、全鉀、砂粒含量、全磷的相對(duì)貢獻(xiàn)率處于增長(zhǎng)趨勢(shì),其他變量處于下降態(tài)勢(shì)。最熱月均溫變化最大,其變幅達(dá)591.67%,其次是黏粒含量和無(wú)霜期,其增幅分別為450.00%、366.67%。年降雨量、粉粒含量、最冷月均溫、pH、≥0℃積溫的變幅也達(dá)到100%。雖然這類柑橘初始環(huán)境變量的相對(duì)貢獻(xiàn)率年際變化相對(duì)明顯,但僅表示其自身變化,不能準(zhǔn)確反映其對(duì)柑橘分布的真實(shí)影響。從相對(duì)貢獻(xiàn)率的均值來(lái)看,對(duì)柑橘分布影響最大的是海拔,其均值為72.20%。其次,年日照時(shí)數(shù)、最熱月均溫、年均溫、年降雨量、坡度、無(wú)霜期對(duì)適宜區(qū)的貢獻(xiàn)逐漸降低,但均值在1.70%～7.15%。土壤肥力變量對(duì)柑橘分布的貢獻(xiàn)整體較低,土壤顆粒組成、氮磷鉀、pH的均值均小于1.00%。值得注意的是坡向、花期日均溫、≥10℃積溫、耕層有機(jī)質(zhì)對(duì)四川柑橘分布相對(duì)貢獻(xiàn)度為0。分析其原因,一是由于柑橘分布采樣點(diǎn)位于平原和丘陵地區(qū),上述環(huán)境變量在該區(qū)域存在較明顯的同質(zhì)性。二是采樣點(diǎn)多為四川柑橘主產(chǎn)區(qū),農(nóng)戶生產(chǎn)管理水平較高,科學(xué)合理地橘園選址、灌溉施肥等因素,減小了坡向、有機(jī)質(zhì)的分布差異。因此,將相對(duì)貢獻(xiàn)率均值大于1%的海拔、年日照時(shí)數(shù)、最熱月均溫、年均溫、年降水量、坡度、無(wú)霜期7個(gè)變量作為四川省柑橘適宜分布的主導(dǎo)環(huán)境變量。海拔、坡度可視為穩(wěn)定變量,其主要通過(guò)對(duì)光、熱、水等資源的再分配影響柑橘分布。因此,主導(dǎo)環(huán)境變量可以概括為以光、熱、水為特征的氣候資源變量。

表2 1980年和2010年初始環(huán)境變量對(duì)四川省柑橘分布的相對(duì)貢獻(xiàn)度Table 2 Relative contribution rates of initial environmental variables to the distribution of citrus in Sichuan Province in 1980 and 2010

2.2 主導(dǎo)環(huán)境變量的時(shí)空變化特征

2.2.1 光照資源時(shí)空變化

柑橘對(duì)光照資源的適宜范圍為1 100～2 200 h,以1 100 h、1 600 h、2 200 h為界點(diǎn),將四川省年日照時(shí)數(shù)分成4個(gè)等級(jí),得到1980年和2010年兩個(gè)時(shí)間截面上年日照時(shí)數(shù)在空間上的分布(圖4)。四川柑橘適宜日照時(shí)數(shù)的區(qū)域覆蓋了省域東部和中部地區(qū)。另外,年日照時(shí)數(shù)從西向東隨經(jīng)度增加逐步減少。比較2個(gè)時(shí)期年日照時(shí)數(shù),整體上年日照時(shí)數(shù)存在降低態(tài)勢(shì)。具體而言,≤1 100 h的低值區(qū)呈現(xiàn)顯著擴(kuò)大趨勢(shì),1980年低值區(qū)僅分布在成都、雅安、樂(lè)山、內(nèi)江的局部地區(qū),到2010年已擴(kuò)張至成都平原區(qū)中部和川南大部分地區(qū)。1 601～2 200 h的區(qū)域變化相對(duì)穩(wěn)定,大部分區(qū)域處于 101°～104°E,但也存在小幅度向西擴(kuò)張趨勢(shì)。≥2 200 h的高值區(qū)主要分布在川西北高原和川西南地區(qū)。但較之1980年,由于受1 601～2 200 h范圍擴(kuò)大的擠壓影響,高值區(qū)影響范圍也呈收縮態(tài)勢(shì)。

2.2.2 溫度時(shí)空變化

受海拔和高山峽谷地形影響,四川省溫度分布呈現(xiàn)顯著的地形垂直特征。川西北地區(qū)的平均海拔最高,因此年均溫和最熱月均溫均低于其他地區(qū)。攀西地區(qū)由于是典型的干熱河谷地區(qū),因此年均溫也是最高區(qū)域(圖5,圖6)。年均溫和最熱月均溫自東向西隨經(jīng)度減小而降低。1980—2010年四川省年均溫度變化格局相對(duì)穩(wěn)定。具體來(lái)看,大于21℃地區(qū)主要集中在攀西地區(qū)且影響范圍變化不大;柑橘適宜年均溫度大致在17～20℃,該適宜溫度覆蓋的范圍擴(kuò)大,且呈現(xiàn)出向北和西南擴(kuò)張的趨勢(shì);在成都平原區(qū)和川東北地區(qū)的山區(qū),17～20℃覆蓋的區(qū)域逐步向高海拔地區(qū)上升?！?℃、0～5℃覆蓋區(qū)域的變化較大,尤其是在川西北高原地區(qū)。對(duì)比1980年,隨著0～5℃在川西北地區(qū)覆蓋范圍不斷擴(kuò)大,促使≤0℃的區(qū)域不斷縮小。

圖4 1980年(a)和2010年(b)四川省年日照時(shí)數(shù)分布與變化Fig 4 Distribution of annual sunshine duration in Sichuan Province in 1980(a)and 2010(b)

圖5 1980年(a)和2010年(b)四川省年均溫度分布Fig.5 Distribution of annual average temperature of Sichuan Province in 1980(a)and 2010(b)

圖6 1980年(a)和2010年(b)四川省最熱月均溫分布Fig.6 Distribution of July average temperature of Sichuan Province in 1980(a)and 2010(b)

最熱月均溫表現(xiàn)出與年均溫相似分布特征。最熱月均溫不宜超過(guò)38℃,否則柑橘果實(shí)和根系會(huì)停止生長(zhǎng),易落葉落果。2個(gè)時(shí)期的最熱月均溫均低于30℃,應(yīng)該說(shuō)大部分地區(qū)最熱月均溫均較符合柑橘適宜要求。受升溫影響,2010年＞26℃的區(qū)域向周邊擴(kuò)張明顯,基本覆蓋了川東北、川南和成都平原區(qū)的大部分地區(qū)。11～20℃的區(qū)域主要集中在川西高原地區(qū),并且逐步向高海拔地區(qū)推進(jìn)。因此,近30 a四川省無(wú)論是年平均氣溫,還是最熱月均溫都存在上升變化。其溫度變化主要體現(xiàn)在空間上,尤其是川西北的高原區(qū)和盆地邊緣的山地區(qū)。

2.2.3 降水時(shí)空變化

四川省大部分地區(qū)年均降水≤1 000 mm(圖7),而柑橘生長(zhǎng)適宜區(qū)的降水量一般≥1 000 mm。因此,四川省整體降水偏少,柑橘分布與生長(zhǎng)受水分供應(yīng)情況制約的較為顯著。年降水量呈現(xiàn)同心圓特征,自內(nèi)向外年降水量逐漸減少,年降水量較多的地區(qū)始終集中在成都平原區(qū)、川南地區(qū)和攀西山地區(qū)的交界處,該處也是我國(guó)著名的“華西雨屏”。800 mm和400 mm等降水量線是劃分旱作農(nóng)業(yè)和水作農(nóng)業(yè)的重要指標(biāo),且在兩個(gè)時(shí)間截面上變化較為明顯。首先,大于800 mm降水量覆蓋區(qū)域明顯縮小,并幾乎退出川南地區(qū);1980—2010年,601～800 mm年降水量的區(qū)域存在逆時(shí)針地?cái)U(kuò)張變化,在川東北地區(qū),其降水邊界從巴中境內(nèi)遷移至廣元中部,從南充東部遷移至西部;在成都平原區(qū),其邊界從德陽(yáng)北部遷移至南部;在川西南地區(qū),其邊界從攀枝花中部遷移至東部。≤400 mm年降水量線整體變化較小,僅在甘孜州境內(nèi)變化較為明顯,呈現(xiàn)出自西向東擴(kuò)張趨勢(shì)。

2.2.4 無(wú)霜期時(shí)空變化

四川省無(wú)霜期自西向東隨經(jīng)度增加依次遞增,隨海拔階梯降低自西北向東南逐步遞增(圖8)。具體而言,成都平原區(qū)、川東北、川南的大部分地區(qū)和攀西局部地區(qū)無(wú)霜期處于251～365 d的高值區(qū)。無(wú)霜期201～250 d地區(qū)主要集中在四川盆地向高原過(guò)渡地區(qū),且年際變化較小。川西北地區(qū)屬于高原寒區(qū),年平均氣溫常年位于0℃以下,致使無(wú)霜期整體較短。在30 a期間,無(wú)霜期 101～200 d地區(qū)表現(xiàn)出顯著擴(kuò)大趨勢(shì),覆蓋了阿壩州、甘孜州大部分地區(qū)。隨著氣溫升高,無(wú)霜期≤100 d的低值區(qū)覆蓋區(qū)域不斷向北收縮。

2.3 柑橘適宜區(qū)時(shí)空變化分析

2.3.1 柑橘適宜區(qū)的時(shí)間分異

圖7 1980年(a)和2010年(b)四川省年降雨量分布Fig.7 Distribution of annual precipitation of Sichuan Province in 1980(a)and 2010(b)

圖8 1980年(a)和2010年(b)四川省無(wú)霜期分布Fig.8 Distribution of frost-free period of Sichuan Province in 1980(a)and 2010(b)

利用主導(dǎo)環(huán)境變量重新建模型,同時(shí)參考 IPCC第5評(píng)估報(bào)告中對(duì)“可能性”的表述,按照作物存在的相對(duì)概率,將四川柑橘分布劃分為4個(gè)等級(jí)：P＜0.3為不適宜區(qū);0.3≤P＜0.5為低適宜區(qū);0.5≤P＜0.7為中適宜區(qū);P≥0.7為高適宜區(qū)。四川省大部分地區(qū)處于不適宜區(qū)(表3),其面積 1980年為35.66萬(wàn) km2、2010年約為35.78 km2,分別占幅員面積的比例為73.39%、73.64%。1980年高適宜區(qū)面積為4.20萬(wàn)km2,2010年約為4.22萬(wàn) km2,占比分別為8.65%、8.68%。1980—2010年,高適宜區(qū)變化較小,僅為0.02萬(wàn)km2,其變化貢獻(xiàn)來(lái)自成都平原區(qū)、川東北地區(qū)和川南地區(qū)。在1980—2010年,眉山市增加了0.07萬(wàn)km2、南充市增加0.06萬(wàn)km2。與此同時(shí),由于川南地區(qū)的宜賓市、川東北丘陵區(qū)的遂寧市分別縮減0.08萬(wàn)km2、0.07萬(wàn)km2,使得高適宜區(qū)總量趨于穩(wěn)定。中適宜區(qū)表現(xiàn)出較大變化,其面積減小0.28萬(wàn)km2(約6.26%),2010年為4.19萬(wàn)km2。其中成都平原區(qū)的綿陽(yáng)市、成都市、德陽(yáng)市、眉山市縮減明顯,分別減小0.17萬(wàn)km2、0.09萬(wàn)km2、0.08萬(wàn)km2、0.06萬(wàn)km2。此外,川東北地區(qū)的巴中市減少0.06萬(wàn)km2。低適宜區(qū)和不適宜區(qū)變化相對(duì)較小,低適宜區(qū)面積增加3.53%,約為4.4萬(wàn)km2,不適宜區(qū)小幅增加了0.11萬(wàn)km2。具體而言,川東北地區(qū)的廣元市、巴中市的低適宜區(qū)面積分別增加0.09萬(wàn)km2、0.06萬(wàn)km2,成都平原區(qū)的德陽(yáng)市、綿陽(yáng)市低適宜區(qū)面積增加0.07萬(wàn)km2、0.05萬(wàn)km2;川東北區(qū)的南充市、達(dá)州市低適宜區(qū)分別減小0.08萬(wàn)km2、0.04萬(wàn)km2。

2.3.2 柑橘適宜區(qū)的空間分異

四川柑橘高適宜區(qū)基本分布在成都平原區(qū)和川南地區(qū)(圖9),集中在川南地區(qū)的內(nèi)江市、自貢市、宜賓市、樂(lè)山市、瀘州市,成都平原區(qū)的成都市、眉山市、資陽(yáng)市。此外,川東北地區(qū)的遂寧市、南充市、廣安市、達(dá)州市也有少量分布。2010年,高適宜區(qū)在川南地區(qū)分布最多,達(dá)到58.29%(表3),其次是成都平原區(qū)約占24.41%。高適宜區(qū)存在自南向北遷移的趨勢(shì),川南地區(qū)宜賓市的高適宜區(qū)面積出現(xiàn)收縮,而川東北地區(qū)的南充市、廣安市、達(dá)州市不斷擴(kuò)張,并擠占中適宜區(qū)。中適宜區(qū)分布在成都平原區(qū)的成都市、德陽(yáng)市、資陽(yáng)市,川東北地區(qū)的遂寧市、南充市、廣安市和達(dá)州市。2010年,川東北地區(qū)中適宜區(qū)約占全部中適宜區(qū)的 47.02%,其次是成都平原區(qū)約占 30.54%。1980—2010年期間,中適宜區(qū)空間變化最為顯著,尤其是在成都平原區(qū)與川東北地區(qū)過(guò)渡地區(qū)。由于中適宜區(qū)轉(zhuǎn)為低適宜區(qū),使中適宜區(qū)的界線從成都平原區(qū)的德陽(yáng)市、綿陽(yáng)市遷移到川東北地區(qū)的遂寧市。此外,川東北地區(qū)的巴中市低山區(qū)的中適宜區(qū)也轉(zhuǎn)為低適宜區(qū)。2010年,低適宜區(qū)主要分布在盆地周邊的山地區(qū)。川東北地區(qū)分布最多約占42.73%。其次,成都平原區(qū)和川南地區(qū)分別占29.54%、21.82%。

2.3.3 柑橘適宜區(qū)的等級(jí)結(jié)構(gòu)變化

為探究四川省柑橘適宜區(qū)變化的具體情況,本文計(jì)算了1980—2010年的柑橘適宜區(qū)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。1980—2010年間,不適宜區(qū)流出面積為2 619.1 km2,流入面積為3 817.6 km2。不適宜區(qū)的流出量主要是轉(zhuǎn)為低適宜區(qū),同時(shí),流入來(lái)源量最多的也是低適宜區(qū)。這表明不適宜區(qū)主要與低適宜區(qū)發(fā)生雙向轉(zhuǎn)化。低適宜區(qū)流入面積為7 768.1 km2,流出面積為6 231.4 km2,流入貢獻(xiàn)最多的是中適宜區(qū),其次是不適宜區(qū);流出量主要轉(zhuǎn)化為不適宜區(qū)和中適宜區(qū)。這表明低適宜區(qū)的雙向轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在與不適宜區(qū)和中適宜區(qū)之間。中適宜區(qū)流入面積為5 546.35 km2,流出面積為8 428.71 km2,流入貢獻(xiàn)最多的是高適宜區(qū),其次是低適宜區(qū);流出量主要轉(zhuǎn)化為低適宜區(qū)。其雙向轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在與低適宜區(qū)和高適宜區(qū)之間。高適宜區(qū)流入面積為3 282.04 km2,流出面積為3 134.86 km2,流入、流出貢獻(xiàn)最多均是中適宜區(qū)。總體來(lái)看,四川柑橘適宜區(qū)等級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化主要是逐級(jí)轉(zhuǎn)化,各等級(jí)的逐級(jí)轉(zhuǎn)化量均達(dá)到99.00%。

2.3.4 柑橘生產(chǎn)現(xiàn)狀響應(yīng)分析

如表5所示,2015年四川省柑橘實(shí)際種植面積0.28萬(wàn) km2,其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 2010年高適宜區(qū)面積4.22萬(wàn) km2,這是因?yàn)楸狙芯恐饕紤]在主導(dǎo)環(huán)境變量及其組合狀態(tài)下柑橘存在的概率,并不涉及生產(chǎn)管理,以及果實(shí)產(chǎn)量品質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),還要考慮灌溉、施肥、技術(shù)、生產(chǎn)成本、市場(chǎng)需求等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素,從而使得實(shí)際生產(chǎn)面積小于高適宜區(qū)。從生產(chǎn)現(xiàn)狀來(lái)看,四川省柑橘種植主要分布在成都平原區(qū)、川南地區(qū)和川東北地區(qū)。成都平原區(qū)種植面積最多,其生產(chǎn)面積約為0.12萬(wàn) km2。對(duì)比高適宜區(qū)和實(shí)際面積,川南地區(qū)具有更大的生產(chǎn)空間容量,其可利用潛力尚有2.38萬(wàn)km2,其次是成都平原區(qū),利用潛力也有0.90萬(wàn)km2。川東北柑橘生產(chǎn)潛力空間最少,為0.66萬(wàn)km2。因此,四川柑橘生產(chǎn)空間宜布局在川南地區(qū)和成都平原區(qū)。

表3 1980年和2010年四川省不同區(qū)域不同類型柑橘適宜區(qū)的面積變化Table 3 Area variation of different citrus suitable areas in different regions of Sichuan Province in 1980 and 2010 104km2

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

MaxEnt軟件基于最大熵原理,以物種分布和環(huán)境變量為基礎(chǔ),利用數(shù)學(xué)模型統(tǒng)計(jì)分析熵最大時(shí)物種的分布狀態(tài),在分布數(shù)據(jù)較少時(shí) MaxEnt模型的預(yù)測(cè)結(jié)果比同類預(yù)測(cè)模型更精確[30-31]。本研究基于最大熵模型構(gòu)建的四川省柑橘種植分布與環(huán)境變量的關(guān)系模型,準(zhǔn)確性達(dá)到“非常好”的標(biāo)準(zhǔn)(AUC值＞0.90)。影響四川省柑橘分布的主導(dǎo)環(huán)境變量有海拔、年日照時(shí)數(shù)、最熱月均溫、年均溫、年降雨量、坡度、無(wú)霜期7個(gè)變量,其累積貢獻(xiàn)率達(dá)96.70%。主導(dǎo)環(huán)境變量主要體現(xiàn)為以光、熱、水為特征的氣候環(huán)境變量。

圖9 1980年(a)和2010年(b)四川省柑橘適宜區(qū)空間分布Fig.9 Spatial distribution of suitable areas for citrus in Sichuan Province in 1980(a)and 2010(b)

表4 1980—2010年四川省柑橘適宜區(qū)轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Transfer matrix of suitable areas for citrus in Sichuan Province from 1980 to 2010 km2

表5 1980年和2010年四川省不同區(qū)域不同類型柑橘適宜區(qū)面積及2015年柑橘生產(chǎn)面積Table 5 Areas of different citrus suitable areas in 1980 and 2010 and production areas in 2015 in different regions of Sichuan Province 104km2

氣候是影響物種分布的最重要因素,氣候升溫將改變區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。本研究表明近30年四川省氣候暖干化的覆蓋區(qū)域呈擴(kuò)大趨勢(shì)。年均溫度17～20℃覆蓋范圍呈現(xiàn)出向北和向西南擴(kuò)張的趨勢(shì);在成都平原區(qū)和川東北地區(qū)的山區(qū),覆蓋區(qū)域海拔上升。2010年最熱月均溫＞26℃的區(qū)域擴(kuò)張明顯,基本覆蓋了川東北、川南和成都平原區(qū)的大部分地區(qū)。降水量的減少主要體現(xiàn)在大于800 mm降水量覆蓋區(qū)域明顯縮小,幾乎退出川南地區(qū)。

作物分布格局的時(shí)空變化則是對(duì)氣候變化最直接的響應(yīng)。根據(jù)存在的相對(duì)概率將四川柑橘適宜區(qū)劃分成4個(gè)等級(jí)。結(jié)果表明在30 a間,在主導(dǎo)環(huán)境變量的變化下,雖然四川柑橘適宜區(qū)空間格局未出現(xiàn)大范圍變化,但呈現(xiàn)出 2個(gè)過(guò)程特征。一是局部地區(qū)的空間調(diào)整。高適宜區(qū)在川南地區(qū)和川東北地區(qū)發(fā)生空間調(diào)整。川南地區(qū)的高適宜區(qū)面積向北收縮,川東北地區(qū)的高適宜區(qū)不斷擴(kuò)張并向北擠占中適宜區(qū)范圍,高適宜區(qū)整體存在向北遷移的趨勢(shì)。中適宜區(qū)在成都平原區(qū)與川東北地區(qū)過(guò)渡地區(qū)發(fā)生空間調(diào)整,中適宜區(qū)界線從成都平原區(qū)的德陽(yáng)市、綿陽(yáng)市向東南方遷移至川東北地區(qū)的遂寧市,研究結(jié)果在省域尺度進(jìn)一步證實(shí)了我國(guó)柑橘適宜區(qū)分布北移趨勢(shì)[29,32]。二是四川柑橘適宜區(qū)結(jié)構(gòu)變化主要表現(xiàn)出逐級(jí)轉(zhuǎn)化特征,較少出現(xiàn)跨級(jí)躍遷。2010年不適宜區(qū)約占73.64%、低適宜區(qū)約占9.06%、中適宜區(qū)約占8.62%、高適宜區(qū)約占8.68%。以高適宜區(qū)為參照,四川省柑橘生產(chǎn)布局還有很大的調(diào)整空間。川南地區(qū)尚擁有2.38萬(wàn)km2的可利用潛力,可加大對(duì)川南地區(qū)生產(chǎn)布局,川東北地區(qū)可利用潛力最少為0.66萬(wàn)km2,應(yīng)在政策上予以調(diào)控。

3.2 討論

生態(tài)位模型的基本原理是根據(jù)每種生物特殊的生存環(huán)境,從目標(biāo)物種已知分布出發(fā),利用數(shù)學(xué)模型歸納或模擬其生態(tài)位需求,然后將其投射到目標(biāo)地區(qū)[30]。因此,環(huán)境變量選取、空間尺度、作物采樣位置等會(huì)影響模型的預(yù)測(cè)能力[33]。本研究中發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：一是環(huán)境變量選取。自然環(huán)境對(duì)作物自然適宜性的影響十分復(fù)雜。本研究選取的23個(gè)初始環(huán)境變量,在預(yù)測(cè)過(guò)程中,由于變量可能包含著同樣的信息會(huì)造成冗余信息的引入,影響預(yù)測(cè)結(jié)果。因此本文首先通過(guò)計(jì)算各變量對(duì)柑橘分布的貢獻(xiàn)度,刪除貢獻(xiàn)度較小的環(huán)境變量,利用主導(dǎo)環(huán)境變量重新建模,提高了預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外,物種限制因子閾值的確定是傳統(tǒng)農(nóng)作物適宜區(qū)研究的核心。本研究通過(guò)考慮所有主導(dǎo)環(huán)境變量的影響,有效降低確定限制因子閾值的主觀性,減小累計(jì)誤差。二是模型的空間尺度。相關(guān)研究表明≥10℃積溫、5—6月均溫對(duì)柑橘含糖量影響較大[34],陽(yáng)坡(南坡)、背風(fēng)坡或高山峽谷的東西向的柑橘色澤鮮艷,果面光滑,糖和維生素 C含量高[35]。柑橘園土壤有機(jī)質(zhì)含量與柑橘產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)存在正相關(guān)[36]。環(huán)境變量存在空間尺度效應(yīng),本研究中由于柑橘分布采樣點(diǎn)的環(huán)境變量存在較明顯的同質(zhì)性,使得坡向、花期日均溫、≥10℃積溫、耕層有機(jī)質(zhì)對(duì)四川柑橘分布相對(duì)貢獻(xiàn)度為0,但并不意味著此類變量對(duì)柑橘生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)影響。三是物種分布采樣點(diǎn)。在模擬物種適宜區(qū)時(shí),一般以當(dāng)前位置點(diǎn)作為分布數(shù)據(jù)變量。因此,在模擬過(guò)去或未來(lái)物種分布時(shí)可能會(huì)忽略過(guò)去或未來(lái)實(shí)際分布點(diǎn)的影響,而造成系統(tǒng)誤差。本研究在柑橘分布采樣時(shí),盡量選擇種植年限≥30 a的柑橘產(chǎn)區(qū),兼顧了柑橘分布的歷史性,減少系統(tǒng)誤差。

致謝:感謝“土壤數(shù)據(jù)中心、國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施、中國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施(http：//soil.geodata.cn)”的土壤數(shù)據(jù)支持。感謝“中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn)的DEM數(shù)據(jù)支持”。感謝來(lái)自“中國(guó)氣象科學(xué)共享數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)”的氣候數(shù)據(jù)支持(http：//data.cma.cn)。