连云港市灌南县葡萄种植气象灾害分析和气候区划

任曙霞，郝 玲，董京铭，胡冬莉，魏怡坤

（1连云港市气象局，江苏 连云港 222006；2山东农业大学，山东 泰安 271001）

0 引言

连云港市灌南县位于江苏省东部沿海南部地区灌河流域下游，地属平原。东临黄海(33°59′—34°27′N，119°07′—119°48′E)，总面积1029.88 km2，下辖11个乡镇，225个行政村，总人口77.52万人。具有季风特点的海洋性气候，温和湿润，寒暑相宜，四季分明。冬、夏漫长，气温、雨量等要素在时间和地域分布上不平衡，形成雨热同季的气候。由于处于海陆相对过渡带，受海陆风的影响，具有明显的不稳定性的气候特征，气候灾害频发。葡萄属暖温带植物，在生长发育期要求足够多的热量，葡萄虽然是一种适应性强的果树，但适宜的光照、温度、水分等生长环境，会使葡萄生长旺盛，结果更多，果实的口味会好，农民收益好。因此，合理而有效地利用当地的气候资源、寻找适合的小气候、良好的土壤、选择园地还需考虑水源的位置，保证旱能灌，涝能排，对葡萄产业的发展有着重要的意义。连云港灌南县作为新兴发展起来的葡萄高标准示范园产区受到广泛关注。据了解，灌南县在田楼、张店、堆沟、李集等乡镇新建葡萄基地1300 hm2，葡萄的采摘期可延伸到5个月以上。其中灌南县田楼镇“源硕”牌葡萄，具有品牌优势，严格控制成穗数、穗粒数及穗形，夏黑、阳光玫瑰、红提等不仅品种优质，而且具有无公害品牌，产品畅销上海、浙江、南京、青岛等大中城市。葡萄设施农业的大规模发展，农民对气象农业区划的需求越来越高。连云港市主要气象灾害暴雨、大风、雷暴、高温、干旱、冰雹、低温冻害、连阴雨。葡萄设施生产受气象条件、气象灾害的制约，农民不能很好发挥特色作物的品牌效应，做精做强特色农产品。如何合理利用天气和气候条件，因地制宜、因作物制宜，着眼特色作物在不同生育期对气象条件的要求，避免和防止农业气象灾害，合理配置农业生产，提高高效农业生产效率成为当前亟待解决的问题。

许多专家学者对特色地区的特色作物生态气候适宜性及其区划作了大量研究[1-6]，莫建国等[7]研究了干旱灾害对红心猕猴桃生长发育的影响。叶丽君等[8]研究红阳猕猴桃种植的气候区划指标时，仅考虑了≥0℃年活动积温和年平均气温2个指标。李红英等[9]基于GIS研究了中国北方干红酒用葡萄品种生态区划。

上述研究成果在局地（如地、市）实际应用中指导性较弱。本文研究分析灌南地区葡萄种植的光、热、水等气候条件，数据完整，研究连云港灌南适宜葡萄推广种植的气候指标，层次分析法把复杂的气候问题层次化，揭示灌南地区发展葡萄生产的气候适宜度，对灌南地区葡萄产业园进行气候区划，以期为灌南县葡萄产业的高质量发展提供依据。

1 资料与方法

1.1 基本资料

连云港灌南县基本站点信息如表1，气象资料来自灌南年区域自动气象站逐日气温、降水资料为研究基础，利用灌南17个观测站站点共30年逐旬、逐月、逐年温度、降水、日照资料，其中有16个自动观测站，年限2008—2017年；1:25万的连云港市基础地理背景数据由国家基础地理信息中心提供，运用GIS将1:25万等高线数据转成高分辨率(100 m×100 m)的数字地形模型(DEM)。

表1 连云港灌南县基本站点信息

1.2 试验方法

1.2.1 地理信息系统(GIS)信息数据和技术 地理信息系统，是一种非常重要的空间分析系统。由它产生GIS技术，它包含了处理地理信息的各种功能。

利用ArcGIS技术，从美国地理信息中心网站提取连云港边界、高程等数据，制作连云港市灌南县乡镇行政区划图和地理分布图。数据的处理和图件的制作主要是运用Microsoft Excel软件。

1.2.2 层次分析法 目前在综合评价中确定权重最广泛，层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）[10-11]是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。该方法是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初提出的一种层次权重决策分析方法。

这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法。尤其适合于对决策结果难于直接准确计量的场合。通过两两比较，从而进行一个层次中重要因素的排列，得到目标要素的总顺序，即权重，从而为决策提供确定性的依据[12]。

运用层次分析法有很多优点，其中最重要的一点就是简单明了。层次分析法不仅适用于存在不确定性和主观信息的情况，还允许以合乎逻辑的方式运用经验、洞察力和直觉。层次能够认真地考虑和衡量指标的相对重要性[13-14]。

在分析过程中，把特色农作物适宜性为层次分析的总目标。其计算步骤如下。

（1）建立层次结构模型。将有关的各个因素分解成若干层次，同一层和分层的诸因素相互作用。

（2）构造成对比较阵。从层次结构模型的第2层开始成对比较法。

（3）经过专家咨询打分，计算权向量并做一致性检验。对于每一个成对比较阵计算最大特征根及对应特征向量，做一致性检验。若检验通过，特征向量（归一化后）即为权向量：若不通过，需重新构造成对比较阵。

（4）计算组合权向量并做组合一致性检验。即可获得因子的权重系数；并利用一致性和随机一致性指标作一致性检验。公式如式(1) ～(2)所示。

式中，Vi为连云港特色作物生长适宜程度，xi*为第i个因子的初始化值，采用公式(2)进行。xi表示各指标序列中的每一项，Wi为第i个因子的权重。Vi值越大，连云港特色作物不利生长的综合程度越高，不适宜程度越高；Vi值越小，连云港特色作物不利生长的综合程度越小，适宜程度越高。

1.3 主要研究对象

此基础上，对连云港市灌南县的主要特色作物葡萄进行生育期分析，为葡萄在连云港市灌南县是否高品质提供气象保障。主要研究对象：

（1）对灌南县葡萄生长的受影响的气象因子进行筛选及排序；

（2）根据不同气象因子进行权重比重，设定葡萄在灌南的区划指标；

（3）运用GIS对一县一品的特色农作物进行种植区划。

对灌南特色农作物葡萄进行生育期的分析，确定影响葡萄不同生育期影响的气象因子（降水量、年平均气温、日照时数、极端最低气温等气象要素），提取影响关键生育期主要特色农作物生长和发育的气象因子。找出主要特色作物不同生育阶段的定量灾害指标，为研究主要特色农作物生育期适应气象模型研究和高效农作物农业气象灾害风险区划奠定基础。

在确定影响该特色农作物生长的气象因子和不同生育阶段的定量灾害指标在特色作物生长因素所占的比重时，直接考虑各因子对该因素的影响程度。找出葡萄生育期关键气象因子在生育期中的作用，为划出葡萄气候区划指标提供依据。

根据连云港市主要特色农作物种植技术报告，结合气象条件，确定关键生育期气象因子的适宜值。通过层次分析法(AHP)确定各气象因子对产量和品质形成的贡献的比重，并进行叠加计算，总排序权重自上而下地将单准则下的权重进行合成。基于GIS，按照不同权重将气候区划因子的叠加，以综合值为指标，将气候要素内插或推算到一定空间分辨率的细网格点上，在此基础上建立模糊隶属度函数，最后通过加权，用ArcGIS绘制主要特色农作物种植区适宜性区划图，划分不同特色作物农业气候区。据此求得连云港市一县一品的特色农作物主产区、次产区以及基本不产区。最终所得到的区划结果，不仅较准确地反映出目前特色作物实际的种植区域分布情况，而且为充分利用气候资源，优化调整特色农作物种植布局，进一步发展连云港特色农作物生产提供依据。

2 结果与分析

2.1 气候区划指标的筛选

葡萄在自然条件生长中主要的因素是气候和土壤条件。合理利用小气候和土壤，选择园地还需考虑水源的位置，保证旱能灌，涝能排。对葡萄产业的发展有着重要的意义。

2.1.1 葡萄生长的温度条件 葡萄属暖温带植物，在生长发育期要求足够多的热量，不同成熟期的品种需活动积温在2100 ～3500℃之间。葡萄生长的温度影响着葡萄生长发育的全过程，直接决定产量和品质。葡萄能否安全越冬主要取决于冬季极端最低气温和最冷月平均气温。欧亚种群品种的充实芽眼可忍受短时间-20 ～-18℃的低温，充分充实的1年生枝可忍受短时间的-22℃的低温，多年生蔓在-20℃左右即受冻害。葡萄的根系不耐低温。欧亚种群品种的根系在-4℃时即受冻害，在-6℃时经2天左右即可冻死。灌南县冬季平均气温2.1℃，最低的一月份平均气温0.6℃，极端最低气温-14.3℃，出现在1990年2月1日。灌南全年稳定通过0℃的积温5207℃。葡萄生长期最适宜的温度为20 ～25℃，开花期最适宜气温为25 ～30℃，鲜食或制干品种成熟期要求温度28 ～32℃。灌南县夏季平均气温25.5℃，由此来看灌南的冬季温度和全年生长条件能满足葡萄生长需要。但是一些极端高低温可对葡萄生长、开花和结果存在着不利影响。

2.1.2 葡萄生长日照条件 葡萄是喜光植物，灌南年日照时数在2454 h，全年日照百分率51%左右。光照条件基本能够满足葡萄生长需求。但光照太强时葡萄发生日灼病，而日照不足时，易造成开花期花冠脱落不良，受精率低；花芽分化期花芽分化不良，单性果多；生长期植株徒长，节间长。

2.1.3 葡萄生长水分条件 葡萄耐旱忌湿，年降水量500 ～800 mm即可满足其生长需求[15]。灌南地处江苏北部，属温带季风气候，年降水量883 mm，年度降水分布极不均衡。最大年降雨量1482.7 mm，出现在1974年。最小年降雨量480.9 mm，出现在1988年。总体来说，水分供大于求，但年际波动大，易旱易涝。从降水的时间分布看，灌南县一年中的降水量主要集中在7—8月，占全年总降雨量的49.7%，暴雨次数占全年的70.1%。雨热同季，对葡萄的成熟收获有利，但夏季强降水等雨水过多，降水集中，地势低洼，排水不易通畅等因素，会影响浆果质量，还易发生病害。

2.1.4 葡萄生长主要气象灾害引发病害及其防治 灌南县基本气象条件适宜葡萄生长季的热量条件，但是春霜冻、干旱、湿渍害、连阴雨、大风、强降温、强对流天气等不利气象灾害频发，对葡萄生育期间的生长和品质起到了关键作用。葡萄生育期间易发生的气象灾害，生育期间灾害的防治措施如表2。葡萄生育期间主要气象灾害容易引发的病害及防控方案如表3。

表2 灌南葡萄生育期主要气象灾害及防控方案（以生育期为线索）

表3 灌南葡萄生育期主要气象灾害引发的病害及防控方案（以主要病害为线索）

2.2 气候区划指标的筛选

2.2.1 灌南县葡萄气候区划适宜指标的确定 葡萄生长气候适宜性，即影响葡萄正常生长发育和品质形成的气象因子，正常生长与生长季的气候条件有关，葡萄品质形成取决于成熟期气象条件。从以上表格获知，葡萄生长期主要气象灾害对不同生长阶段的品质影响采取的相应防护措施。根据葡萄生育期主要气象灾害和气象灾害而引发的病虫害及防控方案，找出葡萄生育关键期，4月是葡萄果树萌芽期关键期，日平均气温低于10 ～12℃则不能正常生长。期间温度起伏大，葡萄果树萌芽易受霜冻；5月葡萄果树降水量多导致开花迟，花期延长，不利于果树坐果。8月是葡萄品质形成的关键时期，此时阴雨天多，果实着色不良，糖少酸多，香味不浓；台风暴雨易落果。强降水多，易发生裂果对浆果发育和成熟不利。

层次分析方法是将葡萄生长期间可能受到多种气象灾害复杂的问题层次化，能够综合分析处理多种气象灾害影响因素，为最佳方案的选择提供依据。葡萄的高产高品质决定最优的气象条件，经专家打分，给予不同权重系数，得出表4是葡萄的气候适宜性区划指标。这些指标表征具备葡萄栽培的热量水分条件：（1）4月葡萄果树萌芽期平均气温(℃)给定值范围，平均气温(℃)表征4月葡萄萌芽期气温适宜度。（2）5月葡萄果树开花期降水量Rm给定值范围，Rm表征葡萄果树在开花期的水分适宜度；（3）8月蓝莓果实成熟期雨量值Rm在给定值范围。Rm表征蓝莓果树在夏季果实成熟期的水分适宜度。经专家评分，确定区划指标4月平均气温(℃)、5月降水量(Rm)、8月降水量(Rm)、权重系数分别为0.4、0.4、0.2。把这些指标分别分3个等级，分别是适宜、次适宜和不适宜，适宜是指葡萄商业性栽培的气候生态条件，表征具备葡萄栽培的充足的热量和水分资源，不但能够安全越冬和生长，且能确保有较高较稳的产量，栽培商业价值明确；次适宜是基于“基本气候生态条件”而确定，指热量水分条件基本能够安全越冬存活，但不能保证稳产高产。不适宜是指热量水分条件不能确保安全越冬存活，或能存活但不能保证产量。

表4 连云港市灌南县葡萄种植气候区划指标

2.2.2 灌南县蓝莓气候区划结果分析 运用ArcGIS，对区划适宜性区划指标绘制指标图，分别是4月平均气温(℃)（图1），5月降水量R（图2），8月降水量R（图3），分别作图表示，给予不同权重系数，进行加权分析、作图，给不同的区域赋予不同的颜色，并将适宜、次适宜和不适宜的区划图拼接在一起形成完整的区划图，再迭加县或区的行政边界、经纬网，制作图例等，制作完成灌南县葡萄种植气候区划图（图4），区划结果可精确到100 m×100 m细网格点上。

图1 灌南县2008—2017年4月平均温度空间分布图（单位℃）

图2 灌南县2008—2017年5月平均降水量空间分布图（单位mm）

图3 灌南县2008—2017年8月平均降水量空间分布图（单位mm）

图4 灌南县葡萄种植适应性区划等级图

区划结果表明，最适宜种植区：灌南县葡萄最适宜栽培气候区主要包括中北部地区，主要有张店、北陈集、三口。次适宜区有孟兴庄、汤沟、李集。次适宜种植区：区划结果分析与评述表明在张店、北陈集、三口可发展葡萄特色农作物种植产业。不适宜种植区：新集部分、新安、花园、百禄等南部和东部地区不适宜发展葡萄种植产业。葡萄每一个物候期对光、温、水等气候因子要求严格，本区地势较低洼，春季易发生霜冻，夏季强降水易涝，不宜盲目种植。在适宜区内建立优质的葡萄种植基地，避免不同生育期的气象灾害，在提高产量的同时，注重产品的品质，打造精品，提高经济效益，增加种植户的收入。

3 结论与讨论

本研究灌南葡萄是灌南县主要的特色农产品，选取4月平均气温(℃)、5月降水量(Rm)、8月降水量(Rm)共3个气象因子作为灌南葡萄的气候适宜区划指标，运用ArcGIS，对区划适宜性区划指标绘制指标图，分别作图表示，给予不同权重系数，以不同生育期气象灾害受损严重原则，将每个指标分为3级，对应适宜、次适宜、不适宜3个气候区。得出葡萄种植最适宜的区域是在该县城中北部为主的地区。县城东部靠近大海，风速较大，不利于开花授粉，土壤含碱性大，不适宜葡萄种植，不提倡在该区域推广种植。南部地势低洼，葡萄容易受冻害，强降水易积涝，不利于其体眠期和开花授粉，种植时应选择背风向阳地带。

本区划选取的指标涵盖了葡萄全生育期的热量、水分、光照、越冬、生殖生长关键期、品质形成期的气候条件，本区划指标更全面，实用性高，计算相对简单，且利用GIS系统，实现区域特色作物葡萄的种植区划，进而合理布局该县农作物的种植结构、规避种植风险，可为灌南发展葡萄产业提供可靠的气候依据。本方法实际应用中指导性较强，也为其他经济作物发展的气候条件提供参考依据。