1.1.1 尊重牧草生物学特性 牧草的生物学特性涉及到牧草的生长、发育过程, 以及这个过程与环境的关系, 不同牧草生物学特性也不同。主要栽培牧草适宜性区划将围绕牧草的生物学特性进行, 所得结果也反映出牧草与环境的关系^[16]。

1.1.2 联系牧草实际生产现状 牧草实际种植情况反映了牧草的适宜性, 区划的结果也要联系实际生产现状, 才能为生产服务。主要栽培牧草适宜性以我国目前大面积种植、发展前景广阔的栽培牧草为对象, 联系实际进行牧草适宜性区划^[16]。

1.1.3 体现牧草长期发展前景 牧草生产、利用过程中, 受到政策、市场、牧草特性、气候等因素的影响可能导致牧草实际种植情况发生较大变化, 牧草适宜性区划要反映这个特点, 选择经济效益、社会效益及生态效益较高的牧草, 保证牧草种植的连续性、发展的健康性, 避免生产起伏产生的负面影响^[16]。

1.1.4 结合行政区划 以往关于多年生牧草区划的研究大多反映了牧草对自然条件的适宜性, 主要针对气候条件进行划分研究, 均未能与行政区划单位结合, 而规划和指导农牧业生产的部门多以行政区划的单位为基础, 为方便牧草区划的推广与使用, 本研究中将在考虑气候因素的基础上, 结合行政区划进行描述与区域划分。

1)草业自然条件, 如温度、地形、地貌、降水、土壤pH以及海拔等环境因素和草业经济条件在同一地区内有共同性; 2)草业生产特点和草种的发展方向在同一地区有类似性, 主要的障碍因素及重大技术改造措施和建设途径的相对一致性; 3)保持县(旗)级行政区域的完整性。

1)以自然条件、气候及生态经济功能的异同为划分一级区界限的基本依据, 并在自然条件相类似的情况下, 尽量与行政区划界限相吻合; 2)二级区划分以区域海拔、地形、地貌、地表水资源、土壤类型等作为主要划分依据。

农业区划涉及的指标较多, 选用指标多则太复杂, 少则不能反映真实情况。多年生牧草区划基于牧草生物学特性, 所确定的主导因素主要体现了与牧草生长、发育及推广有关的各项因素, 共建立了两级指标体系。一级指标选择温度、降水量和土壤作为主导因子, 温度因子采用年平均极端高温、年平均极端低温和年平均温度, 降水量因子选用年平均降水量, 土壤因子选择土壤pH, 二级指标体系主要包括海拔、地形、地貌、地表水资源、土壤类型等, 根据不同牧草的生物学特性选择使用。

植物的生长是以一系列的生理生化活动为基础, 这些生理生化活动受到温度的影响, 每种植物的生长都有温度的三基点, 即最低温度、最适温度和最高温度, 温度三基点与植物的原产地有关; 水分是植物体的重要组成部分, 是植物生存的物质条件, 植物体的许多生理活动都必须在水分的参与下才能进行, 水分影响着植物的形态结构、生长发育、繁殖和种子传播等, 因此自然降水影响着植物的生长和景观; 土壤是植物生长的基质和营养库, 土壤提供植物生活的空间、水分和必需的矿质元素。在此基础上建立一级指标体系, 包括温度、水分、土壤, 建立温度适宜性、水分适宜性和土壤适宜性, 从而确定牧草全国尺度上的分布。温度指标选择年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温3个指标, 水分选择年降水量为指标, 土壤以土壤pH为指标。

适宜性评价模型指标主要包括极端低温适宜性模型(T_min)、极端高温适宜性模型(T_max)、平均温度适宜性模型(T_avg)、水分适宜性模型(P)以及土壤酸碱度适宜性模型(pH); 模拟结果主要分为3个水平:适宜、次适宜及不适宜, 详细表达式如表1所列。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 基于自然要素的分布适宜性评价模型 Table 1 The distribution suitability evaluation model based on the natural elements 模型名称 Model name 适宜 Suitable 次适宜 Secondarily suitable 不适宜 Unsuitable 极端低温Tmin L(tmin)≥ G(tmin) - L(tmin)< G(tmin) 极端高温Tmax L(tmax)≤ G(tmax) - L(tmax)> G(tmax) 平均温度Tavg Gmin1≤ Lt≤ Gmax1 Gmin2≤ Lt< Gmin1 Gmax1< L(t)≤ Gmax2 Lt< Gmin2 L(t)> Gmax2 水分P G(tmin1)≤ L(t)≤ G(Pmax1) G(Pmin2)≤ L(t)< G(Pmax2) G(Pmax1)< L(t)≤ G(Pmax2) L(t)< G(P(tmin2) L(t)> G(Pmax2) 土壤酸碱度pH G(pHmin)≤ L(pH)≤ G(pHmax) - L(pH)< G(pHmin) L(pH)> G(pHmax)

表1 基于自然要素的分布适宜性评价模型 Table 1 The distribution suitability evaluation model based on the natural elements

其中, T_min为极端低温, L(t_min)为区域最低气温, G(t_min)为牧草能够忍受最低气温; T_max为极端高温, L(t_max)为区域最高气温, G(t_max)为牧草能够忍受最高气温; T_avg为平均气温, Lt为区域平均气温, G_max1为牧草适宜最高平均气温, G_min1为牧草适宜最低平均气温, G_max2为牧草次适宜最高平均气温, G_min2为牧草次适宜最低平均气温; P为平均降水量, L(t)为区域年平均降水量, G(P_max1)为牧草适宜最高年平均降水量, G(P_min1)为牧草适宜最低年平均降水量, G(P_max2)为牧草次适宜最高年平均降水量, G(P_min2)为牧草次适宜最低年平均降水量; pH为土壤酸碱性, L(pH)为区域土壤pH, G(pH_min)为牧草能够忍受的最低土壤pH, G(pH_max)为牧草能够忍受的最高土壤pH。

根据一级指标体系获得牧草适宜性模型的表达式为:

Fitness(T)=T_min× T_max× T_avg× P× pH。

通过收集牧草相关资料^{[17, 18, 19, 20, 21, 22]}, 如气候资料、牧草资料、自然资源资料等, 气候资料包括温度、降水量等; 自然资源资料包括土地利用资料、草地分布资料、水资源分布资料等; 牧草资料包括牧草植物学特征、生物学特性、栽培技术等。获得资料后, 通过牧草适宜性模型利用ArcInfo Workstation计算获得牧草全国尺度上的适宜性分布图。

二级指标体系主要是对一级指标体系建立的分布图在区域尺度上的深入修订, 包括海拔高度、地形、地貌、地表水资源、土壤类型等, 这些指标根据不同牧草的生物学特性确定使用不同的指标。确定二级指标体系后, 使用ArcGIS叠加分析获得牧草的适宜性分布图。

以温度、水分、土壤等自然要素的空间数据库为基础, 通过GIS的地统计学分析方法, 以牧草生物学特性为系统标准获得牧草的适宜性分布图, 通过模型可以利用连续数据和离散数据, 可以合并不同变量之间的交互作用, 相对任意的加入对最终分类有用的特征, 为减小遗漏误差, 将GIS与牧草适宜性模型、专家经验、室外调查进行耦合, 通过专家经验、室外验证及调整模型参数最终建立牧草适宜性分布图。以紫花苜蓿为例说明紫花苜蓿适宜性分布图的制作过程, 主要包括模型初模拟、模型再模拟及精度验证、模拟图区域修订3个过程。

2.3.1 模型初模拟 紫花苜蓿适宜性广泛, 喜温暖、半干燥、半湿润的气候条件和干燥疏松、排水良好且高钙质的土壤。温度、降水及土壤酸碱度是影响紫花苜蓿分布的主导因子, 影响着紫花苜蓿在全国尺度上的分布, 图1是根据紫花苜蓿生物学特性模拟的初步分布图。

图1

Fig. 1

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	图1 紫花苜蓿初模拟适宜性分布图Fig. 1 Simulation of suitability distribution map of Medicago sativa in China

2.3.2 模拟图修订、参数修订及再模拟 模型再模拟过程首先进行模拟图修订及模型参数修订。通过生物学特性确定的模拟图在分布上可能存在一定的问题, 为确定牧草分布图在全国尺度上的准确性, 通过专家咨询、室外调查进行耦合, 进行牧草分布图的修订。室外调查一般包括普查、路线调查和典型调查, 根据多年生牧草区划原则、方法及实际工作的效果, 主要采用路线调查和典型调查, 路线调查是根据初步完成的牧草分布图, 针对有争议或不确定的分区界线进行实地调查, 从而对分布图进行调整和校正; 典型调查是针对牧草具有代表性的点进行调查, 通过对代表点的分析获得区域的信息。最后在分布图的基础上通过数据提取, 确定牧草适宜性指标的阈值, 最后进行模拟图的再模拟。图2是紫花苜蓿修订图, 在此图上提取了紫花苜蓿的适宜性参数阈值, 确定参数阈值后再进行第2次紫花苜蓿适宜性分布图的模拟。

图2

Fig. 2

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	图2 紫花苜蓿适宜性分布修订图Fig. 2 Revised suitability distribution map of Medicago sativa in China

2.3.3 精度验证 通过牧草适宜性模拟图的再次模拟, 需要对获得的模拟图精度进行验证, 本研究以紫花苜蓿的适宜性模拟图为例介绍温度、水分精度验证。1)紫花苜蓿的温度适宜性验证:图3是紫花苜蓿修订分布图中次适宜地区不同极端高温占有的栅格数量, 模型设定的极端最高温度为39 ℃, 紫花苜蓿适宜性模拟图中极端高温小于39 ℃的空间栅格数量占样本总量的99.02%; 模型设定的极端最低温度为-41 ℃, 极端低温低于-41 ℃的空间栅格数量占总样本数量的98.07%(图3)。模型设定的适宜生长的年平均温度为2~16 ℃, 区间的空间栅格数量占总样本数量的83.26%(图4); 模型设定的年均温-4~2 ℃为低温次适宜, 16~18 ℃为高温次适宜, 0~18 ℃占总样本数量的72.82%(图4)。

图3

Fig. 3

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	图3 紫花苜蓿次适宜区极端高温、极端低温分布图Fig. 3 Extreme high temperature and low temperature distribution map of the secondarily suitable regions of Medicago sativa in China

图4

Fig. 4

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	图4 紫花苜蓿适宜区及次适宜区年均温分布图Fig. 4 Annual average temperature in suitable and the secondarily suitable regions of Medicago sativa in China

2)紫花苜蓿对水分的适宜性验证:紫花苜蓿对年降水量的最低要求为300 mm, 在更干旱地区则需要灌溉条件才能适应, 年降水量超过1 300 mm紫花苜蓿适宜性差, 模型设定的紫花苜蓿适宜的年降水量350~1 000 mm, 这个区间的空间栅格数量占总样本数量的87.46%(图5); 300~350 mm和900~1 300mm为模型设定的次适宜范围, 300~1 300 mm年降水量占总样本数量的89.64%(图5)。

图5

Fig. 5

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	图5 紫花苜蓿适宜性修订图适宜区及次适宜区年降水量分布图Fig. 5 Annual precipitation distribution map of the suitable and secondarily suitable regions of Medicago sativa in China

2.3.4 模拟图区域修订 一级指标体系通过模型确定牧草全国尺度上的分布, 而二级指标的某些因子则在小环境中影响着牧草的分布。如:山体、湖泊、沼泽及有林地(指郁闭度> 30%的天然林和人工林, 包括用材林、经济林、防护林等成片林地, 下同)都不利于紫花苜蓿种植, 西北干旱区由于其温度、土壤条件适宜, 只是年降水量太少, 只要有河流分布的地区, 在河流周围都适宜种植紫花苜蓿, 青藏高原由于海拔较高, 气候寒冷, 高海拔地区都不适宜种植紫花苜蓿(图6)。

图6

Fig. 6

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	图6 紫花苜蓿适宜性分布最终模拟图Fig. 6 Diagram showing simulated suitability distribution of Medicago sativa

3.1.1 紫花苜蓿对温度的适宜性 紫花苜蓿适宜性评价模型设定的极端最高温度为39 ℃, 极端最低温度为-41 ℃; 适宜生长的年平均温度为2~16 ℃, 年均温-4~2 ℃为低温次适宜, 年均温16~18 ℃为高温次适宜。

3.1.2 紫花苜蓿对水分的适宜性 紫花苜蓿适宜性评价模型设定的年降水量最低要求为300 mm, 年降水量超过1 300 mm紫花苜蓿适宜性差, 紫花苜蓿适宜的年降水量为350~900 mm, 300~350和900~1 300 mm降水量为次适宜范围。

3.1.3 紫花苜蓿对土壤的适宜性 紫花苜蓿对土壤要求不严, 土壤pH是土壤因素中对紫花苜蓿影响最大的因子, 紫花苜蓿喜中性或碱性土壤, 以土壤pH 7~8为适宜, 土壤pH 5以下不能生长^[23]; 土壤pH 9以上碱性太重不能生长, 碱性土壤中的重度盐碱地通过GIS图层叠加去除不适宜地区。

3.1.4 紫花苜蓿对其他因子的适宜性 温度、降水及土壤酸碱度是影响紫花苜蓿分布的主导因子, 影响着紫花苜蓿在全国范围上的分布, 而某些因子则在小环境中影响紫花苜蓿的分布。山体、湖泊、沼泽及有林地都不利于紫花苜蓿种植, 西北干旱区由于其温度、土壤条件适宜, 只是年降水量太少, 只要有河流分布的地区, 在河流周围都适宜种植紫花苜蓿, 青藏高原由于海拔较高、气候寒冷, 因此高海拔地区都不适宜种植紫花苜蓿。

3.2.1 杂花苜蓿对温度的适宜性 杂花苜蓿适宜性评价模型设定的极端最高温度为39 ℃, 极端最低温度为-42 ℃; 适宜生长的年平均温度为-4~16 ℃, 年均温-5~-4 ℃为低温次适宜, 年均温16~18 ℃为高温次适宜。

3.2.2 杂花苜蓿对水分的适宜性 杂花苜蓿适宜性评价模型设定的年降水量最低要求为100 mm, 在更干旱地区则需要灌溉条件才能种植, 年降水超过1 300 mm时杂花苜蓿适宜性差, 杂花苜蓿适宜的年降水量为150~900 mm, 100~150和900~1 300 mm为次适宜范围。

3.2.3 杂花苜蓿对土壤的适宜性 此部分内容与紫花苜蓿相似, 故不再详述。

3.2.4 杂花苜蓿对其他因子的适宜性 此部分内容与紫花苜蓿相似, 故不再详述。

根据气候及相关数据, 通过GIS技术计算获得苜蓿的适宜性分布图(图7、8)。紫花苜蓿在全国尺度上的适宜区主要分布在东北区的西部、内蒙古区东南部、华北区大部、黄土高原区大部及西北区部分区域; 次适宜区主要分布在内蒙古区部分区域、长江中下游区中部及西南部分区域。杂花苜蓿在全国尺度上的适宜区主要分布在东北区的西部、内蒙古区中部、华北区大部、黄土高原区大部及西北区部分区域; 次适宜区主要分布在长江中下游区中部及西南部分区域。

东北区苜蓿的适宜区主要集中在黑龙江、吉林、辽宁的中西部及黑龙江东部部分市(县)。黑龙江省适宜区主要包括齐齐哈尔市、大庆市、绥化市及哈尔滨市, 以及黑龙江东部的鹤岗市、双鸭山市、鸡西市及佳木斯市等。主要沿讷河市市区、海伦市、庆安县、宾县一线以西, 以及萝北县、汤原县、勃利县、鸡东县一线以东的区域。吉林省适宜区主要包括白城市、松原市、长春市、吉林市等, 主要沿舒兰市市区、蛟河市市区、桦甸市市区、辉南县、柳河县一线以西的区域。辽宁省适宜区主要包括朝阳市、阜新市、辽阳市、葫芦岛市、锦州市、盘锦市、鞍山市、营口市、大连市等, 主要沿昌图县、开原市市区、沈阳市市区、鞍山市市区、海城市市区、庄河市市区、东港市市区一线以西的区域。

内蒙古区苜蓿的适宜区主要集中在东部的赤峰市、通辽市及兴安盟等, 西部的乌兰察布盟、呼和浩特市、鄂尔多斯市等, 主要沿赤峰市、林西县、阿鲁科尔沁旗、扎鲁特、科尔沁右翼中旗、突泉县、扎赉特旗一线以东的区域, 以及商都县、卓资县、呼和浩特市、东胜市沿线以南的区域, 另黄河贯穿乌海市、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市等, 这部分区域气候干燥、天然降水量少, 但有黄河作为水源, 此区域在主干河流建立20 km的缓冲带作为苜蓿的适宜区。

西北区干旱少雨, 年降水量少, 如没有灌溉条件, 苜蓿很难生长^[25]。除新疆伊犁地区、昌吉回族自治州部分地区能满足苜蓿生长的降水量外, 其他地区基本上都不满足, 但西北为我国苜蓿主产区, 温度、土壤等都适宜苜蓿的生长^[26], 在绿洲区及有水源地区都为适宜区。西北绿洲区主要呈零散分布, 甘肃省主要集中在河西走廊, 新疆主要集中在伊犁地区、昌吉回族自治区及塔里木盆地周边地区。同时在主干河流建立缓冲带作为苜蓿的适宜区。

青藏高原区适宜区比较少。青海省主要分布在西宁市、海东地区、黄南藏族自治州及海南藏族自治州部分地区, 主要集中在互助土族自治县、西宁市市区、湟中县、平安县、共和县、贵南县、兴海县、化隆回族自治县、循化撒拉族自治县、同仁县、尖扎县等部分地区; 西藏自治区主要分布在日喀则地区、拉萨市、山南地区、林芝地区及昌都地区小范围零星适宜, 日喀则市区、萨迦县、南木林县、达孜县、默竹工卡县、拉萨市区、堆龙德庆县、贡嘎县、扎囊县、乃东县、琼结县、桑日县、曲松县、洛隆县、昌都县、察雅县、贡觉县等地存在连片的适宜区。

华北区苜蓿适宜区分布在河北省北部张家口市和承德市的坝上以南的地区, 主要是张北县、崇礼县、赤城县、丰宁满族自治县、隆化县、围场满族蒙古族自治县沿线以南的地区, 南至河南省驻马店市、信阳市等, 主要沿桐柏县、泌阳县、遂平县、汝南县、正阳县、息县、淮滨县一线以北的区域。

黄土高原大部分地区都适宜种植苜蓿^[27], 但甘肃省兰州市和白银市的部分地区年降水量少, 不适合种植苜蓿; 其他大部分的不适宜区域为有林地及非利用土地等。

华中区苜蓿适宜区分布在安徽省、江苏省北部, 湖北省西北部^[28]。安徽省适宜区主要包括阜阳市、宿州市、蚌埠市、淮南市、滁州市等, 主要沿阜南县、颍上县、长丰县、定远县、明光市市区沿线以北的区域。江苏省适宜区主要包括连云港市、宿迁市、淮阴市、盐城市等, 主要沿盱眙县、宝应县、阜宁县、滨海县一线以北的区域。湖北省适宜区主要在十堰市、襄樊市、随州市等, 主要在随州市市区、钟祥市市区、荆门市市区、南漳县、保康县、房县、竹溪县沿线以北。

西南区适宜区主要分布在云南省北部^[29], 包括迪庆藏族自治州、丽江市、大理白族自治州、楚雄自治州、昆明市、曲靖市及昭通市等地区, 主要沿德钦县、维西傈僳族自治县、云龙县、巍山彝族回族自治县、楚雄市市区、通还县、石林彝族自治县、马龙县、宣威市市区一线以北的区域。贵州省主要分布在毕节市, 包括威宁彝族回族苗族自治县、赫章县、毕节市市区、金沙县、黔西县、大方县都有大范围的适宜区, 另在施秉县、黄平县、石阡县、余庆县、镇远县也存在一部分适宜区。四川省的适宜区主要在成都市、德阳市、遂宁市、绵阳市南部呈集中分布^[30], 绵阳市及广元市北部与甘肃省的陇南地区, 陕西省汉中市、安康地区北部都为适宜区。

东北区苜蓿次适宜区主要分布在讷河市市区、克山县、五大连池市市区、北安市市区、绥棱县一带。内蒙古区苜蓿次适宜区主要是沿莫力达瓦达斡尔族自治旗、阿荣旗、扎兰屯市市区、科尔沁右翼前旗、科尔沁右翼中旗、扎鲁特旗、阿鲁科尔沁旗、巴林左旗、西乌珠穆沁旗、多伦县、正镶白旗、察哈尔右翼后旗、土默特右旗、达拉特旗、伊金霍洛旗、伊金霍洛旗、乌审旗、鄂托克前旗一带。华北区苜蓿次适宜区主要在河北省坝上地区, 主要在康保县、沽源县、丰宁满族自治县、围场满族蒙古族自治县一带, 河南省主要分布在驻马店市、信阳市, 主要是固始县、潢川县、光山县、罗山县、确山县、桐柏县沿线以南的区域。华中区苜蓿次适宜区主要在安徽省、江苏省南部, 湖北省西南部, 湖南省西部等, 江苏省次适宜区主要在盱眙县、金湖县、阜宁县、射阳县沿线以南, 安徽省主要是霍邱县、寿县、肥东县、滁州市来安县沿线以南, 湖北省主要分布在东南部、西南部, 东南部主要是京山县、安陆市、孝昌县、红安县、罗田县、蕲春县一带, 西南部主要是宜昌市, 湖南省主要是石门县、桃源县、桃江县、新化县、新邵县、邵阳县、新宁县以西的区域。西南区苜蓿次适宜区主要分布在四川省盆地, 贵州省中部至东部, 云南省中部, 四川省主要分布在巴中市、广元市南部、绵阳市中部、南充市、成都市西部、雅安市、资阳市北部等。重庆市主要分布在北部、东南部, 贵州省主要是水城县、大方县、织金县、清镇市、息烽县、仁怀市市区以东的大部分区域。云南省主要是保山市、临沧市、红河哈尼族彝族自治州、曲靖市分布着大量但不集中的次适宜区。其他地区次适宜分布呈零星状, 没有形成大面积的次适宜区。

苜蓿的不适宜区主要分布在东北区黑龙江省北部, 吉林省和辽宁省的东部, 内蒙区中部至北部, 西北区大部分干旱区, 青藏高原大部分区域, 华中湖北省、安徽省南部, 湖南省东部, 华南区几乎全部区域。