芒果是原产印度的漆树科常绿大乔木,是著名的热带水果之一[1]。中国是世界上收获面积第二的芒果生产国,芒果产业大规模发展始于20世纪60年代,目前处于调整阶段,总体呈增长趋势,主要分布在海南、云南、广东、广西等热带亚热带省份。气候条件特别是芒果种植地的小气候条件是影响芒果产量和品质优劣的重要因素。为了提高芒果产量和品质,开展芒果种植气候适宜性精细化区划具有重要意义。
目前,已有部分学者从不同角度,选取气候适宜性区划指标,开展了广东[2]、广西[3]、贵州[4]、福建[1]、四川攀枝花[5]、云南元阳县[6]等省或市（县）的芒果气候适宜性区划研究。关于海南芒果的气候适宜性,王春乙等[7]分离海南芒果寒害减产率,计算不同减产率等级的发生概率,得到寒害产量风险度,对海南芒果寒害风险进行了区划。郭志鹄等[8]建立海南昌江地区芒果花期气候适宜性评价指标和模型。然而关于海南芒果种植气候适宜性的研究尚未见报道。另一方面,虽然海南岛气候资源优越,但地处热带北缘,属热带海洋性季风气候区,虽然面积不大,但各市（县）气候条件仍有差别。因此,为了充分利用海南岛有利的气候资源,趋利避害,为海南岛芒果种植布局优化和产业结构调整提供科学依据,有必要开展海南岛芒果气候适宜性精细化区划研究。
本研究利用海南岛18个国家气象站1966—2019年的观测资料,结合地理信息资料、芒果产量、种植面积资料,根据芒果关键生育期对气候条件的要求,构建海南岛芒果气候适宜性区划指标体系,同时考虑坡度因素的影响,基于GIS技术开展海南岛芒果气候适宜性区划精细化研究,为海南岛芒果种植布局优化和产业结构调整提供科学参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
海南岛地处北纬18°10′~20°10′,东经108°37′~ 111°03′,属热带季风海洋性气候,年平均气温23.1~25.9 ℃,年日照时数1755.2~2547 h,年降水量949.7~2388.1 mm,最冷月平均气温17.4~ 21.7 ℃。长夏无冬,降水丰沛,干季、雨季明显,冬春干旱,夏秋多雨。全岛面积约3.43万km2,地形四周低平,中间高耸,以五指山、鹦歌岭为隆起核心,向外围逐级下降,由山地、丘陵、台地、平原构成环形层状地貌梯级结构明显。沿海和内陆气候条件差异明显。芒果种植主要分布在三亚、东方、乐东、陵水、昌江等市（县）。2019年,海南岛芒果年末种植面积5.6934万hm2[9],收获面积52.4540万hm2,总产量的7.5805万t,单产约2.89 t/hm2,稳居全国第一位。海南岛光热丰富,年平均气温高、气温年较差小,基本能够满足芒果越冬及生长需求的热量条件。雨量充沛,干湿季节明显,有利于芒果开花授粉和果实生长发育。但另一方面,台风频繁易造成枝条折损和落果,部分地区、部分年份遭遇花期低温阴雨,导致芒果不能正常开花或开花后授粉受精不良,高温导致果实灼伤等。芒果对土壤要求不严格,海南土壤类型以砖红壤、赤红壤、燥红土为主,适宜芒果种植。
1.2 数据来源及处理
所用数据包括气象数据、芒果种植面积、产量、发育期资料、海南岛数字高程模型和行政区划边界。其中,气象数据为海南岛18个国家站1966—2019年的日值观测数据,包括气温、降水、日照、相对湿度等,来源于海南省气象局。芒果种植面积、产量数据来源于1997—2020年的《海南省统计年鉴》。芒果发育期资料来源于实地观测和文献查阅。30 m分辨率的dem数据和1:100万行政区划数据来源于国家基础地理信息中心。
1.3 芒果单产的气象产量分离
2 结果与分析
2.1 区划指标选取
气象条件在芒果的整个发育期均发挥着作用,由于各市（县）气候条件的差异,加上考虑上市时间等经济因素的产期调控等人为干预,海南岛各市（县）芒果发育期时间跨度大,即使是同一发育期,时间范围也很广：每年11月—翌年2月均有芒果处于花芽分化期,12月—翌年3月均有芒果处于开花期,翌年1—6月为果实发育期,翌年5—7月为果实成熟期。但根据实地观测和查阅文献可知,海南岛自然生长的芒果在10月下旬—11月进行花芽分化,12月—翌年2月处于开花期,3—5月果实发育成熟。研究过程中,以自然生长的芒果的发育期时间作为海南岛芒果的发育期时间。
将18个市（县）芒果单产的气象产量与芒果关键生育期（花芽分化期、开花期、果实发育期）的气温、降水、日照、相对湿度等气候因子作相关分析（表1）。
表1 气候因子与单产气象产量的相关性Tab. 1 Correlation between climatic factors and meteorological yield per unit area |
| 因子 Factor | 相关系数 Correlation coefficient | 因子 Factor | 相关系数 Correlation coefficient | 因子 Factor | 相关系数 Correlation coefficient |
|---|---|---|---|---|---|
| 花芽分化期 平均气温 | 0.402 | 花期降水量 | -0.314 | 年极端最 高气温 | 0.366 |
| 花芽分化期平 均最低气温 | 0.337 | 花期日照 时数 | -0.199 | 年极端最 低气温 | -0.391 |
| 花芽分化期 降水量 | -0.151 | 花期平均 相对湿度 | 0.341 | 年≥10 ℃ 积温 | 0.559* |
| 花芽分化期 日照时数 | 0.264 | 果实发育期 平均气温 | 0.453* | 年6级以上大风日数 | 0.109 |
| 花期平均 气温 | 0.487* | 果实发育期 降水量 | -0.126 | ||
| 花期平均 最低气温 | 0.570** | 果实发育期 日照时数 | -0.109 |
注：*表示在0.05水平显著相关,**表示在0.01水平上极显著相关。 | |
Note: * means significant correlation at 0.05 level, ** means extremely significant correlation at 0.01 level. |
通过显著性水平检验的气候因子有：花期平均气温、花期平均最低气温、果实发育期平均气温、年≥10 ℃积温。因18个市（县）花期平均气温和花期平均最低气温的相关系数在0.910~0.964之间,呈高度相关,故选择花期平均气温、果实发育期平均气温、年≥10 ℃积温作为海南岛芒果气候适宜性区划的区划因子。
2.2 区划指标的分级
通过18个市（县）芒果单产的气象产量与区划因子的散点图（图1）,结合果园实地观测、文献查阅和咨询种植户、相关专家等方式,来确定各区划因子的分级界限值,将各区划因子分为适宜、次适宜、不适宜三个等级。如图1A所示,海南岛芒果花期平均气温在15.3~23.0 ℃之间。芒果单产的气象产量与花期平均气温呈显著正相关关系（P=0.570,通过0.01显著性水平检验）,当花期平均气温≤19.1 ℃时,芒果单产的气象产量分布范围较广,既有正值也有负值。当花期平均气温>19.1 ℃时,芒果单产的气象产量均为正值。此外,有研究表明,芒果开花最适气温为22.0~28.0 ℃,在20.0 ℃以上时开花才能正常授粉受精,小于20.0 ℃则花药开裂、花粉萌发均受到影响,进而影响结果[13]。小于18.0 ℃时对开花授粉极为不利[14]。因此,认为花期平均气温大于等于20.0 ℃时为芒果的气候适宜区;再结合果园实地观测和咨询专家,认为花期平均气温在18.0~20.0 ℃之间时为次适宜区,小于18.0 ℃为不适宜区。如图1B所示,海南岛芒果果实发育期平均气温在22.1~28.1 ℃之间,芒果单产的气象产量与果实发育成熟期平均气温呈显著性正相关关系（P=0.453,通过0.05显著性水平检验）,当果实发育期平均气温小于等于26.7 ℃时,芒果单产的气象产量分布范围较广,正负值均有,当果实发育期平均气温大于26.7 ℃时,芒果单产的气象产量均为正值。因此,认为果实发育期平均气温大于26.0 ℃时为芒果的气候适宜区;在24.0~26.0 ℃之间时为次适宜区,小于24.0 ℃时为不适宜区。如图1C所示,海南岛各市（县）年≥10 ℃积温在6655.7~9855.4 ℃。同理,当年≥10 ℃积温大于9300 ℃时为芒果的气候适宜区;在8500~9300 ℃之间时为次适宜区,小于8500 ℃为不适宜区。由此得到海南岛芒果气候适宜性区划指标体系,如表2。
图1 海南岛芒果单产的气象产量与气候因子的关系A：花期平均气温;B：果实发育期平均气温;C：年≥10 ℃积温。 Fig. 1 Relationship between meteorological yield and climatic factors of mango yield per unit area in Hainan A: Average temperature in flowering period; B: Average temperature during fruit development; C: Annual accumulated temperature ≥ 10 ℃. |
2.3 气候要素的小网格推算
海南岛面积约3.54万km2,建设有18个国家气象站,相当于每个站代表1884.4 km2的面积。因此,为了客观描述气候区划指标的分布状况,有必要建立区划指标与经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向等地理因子的空间关系模型,并利用GIS技术对区划指标进行小网格推算,以满足芒果气候适宜性精细化区划的需求。研究过程中,基于海南岛18个国家气象站1966—2019年的地面观测资料、30 m×30 m的dem数据提取的经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向信息,建立了芒果花期平均气温、果实发育期平均气温、年≥10 ℃积温三个区划指标的空间关系模型,显著性水平均分别为0.005、0.001和0.001（表3）。坡度、坡向与区划指标的相关性较小,在建立模型时被剔除。但在进行芒果商业性栽植时,对园地坡度有一定要求,一般坡度应在25°以下[5],因此,在查阅相关文献实地调研和咨询专家的基础上,将坡度作为区划因子之一（表2）,且坡度小于25°时,为适宜栽植芒果,坡度在25~50°之间时,为次适宜区,大于50°时,为不适宜区。
表2 海南岛芒果气候适宜性区划指标及界限值Tab. 2 Climatic suitability regionalization index and limit value of mango in Hainan |
| 区划指标 Regionalization index | 适宜区 Suitable area | 次适宜区 Sub-suitable area | 不适宜区 Unsuitable area |
|---|---|---|---|
| 花期平均气温/℃ | Th≥20 | 18≤Th<20 | Th<18 |
| 果实发育期平均气温/℃ | Tg≥26 | 24≤Tg<26 | Tg<24 |
| 年≥10 ℃积温/℃ | T≥9300 | 8500≤T<9300 | T<8500 |
| 坡度/° | P≤25 | 25<P≤50 | P>50 |
表3 区划指标的小网格推算模型Tab. 3 Small grid calculation model of regionalization index |
| 区划指标 Regionalization index | 推算模型 Calculation model | R | F |
|---|---|---|---|
| 花期平均气温 | Y=-0.119X1-1.891X1- 0.005X3+69.554 | 0.894 | 18.515 |
| 果实发育期平 均气温 | Y=-0.348X1-0.537X2- 0.004X3+74.507 | 0.865 | 13.924 |
| 年≥10 ℃积温 | Y=-80.298X1-267.99X2- 1.797X3+74.507 | 0.856 | 12.811 |
注：X1、X2、X3分别代表经度、纬度、海拔高度。 | |
Note: X1, X2 and X3 represent longitude, latitude and altitude respectively |
2.4 区划方法
2.5 区划结果
2.5.1 单因子区划结果 从花期平均气温（图2A）分布状况看,琼海、万宁、陵水、保亭、三亚、乐东、东方、昌江,五指山的部分地区、屯昌、琼中、文昌南部的部分乡（镇）,芒果花期平均气大于等于20 ℃,为芒果种植的适宜区;五指山大部、陵水北部、白沙南部、琼中西南部、乐东北部的部分乡（镇）,花期平均气温小于18 ℃,为不适宜区;其余地区花期平均气温在18~20 ℃之间,为次适宜区。
从果实发育期平均气温（图2B）看,琼海大部、万宁中部东部、陵水、保亭大部、三亚中部南部、乐东除北部、东方、昌江中部北部、白沙西北部、儋州北部、临高北部的部分乡（镇）,果实发育期平均气温大于等于26 ℃,为适宜区;乐东北部、东方南部、五指山大部、陵水北部、万宁西北部、琼中西北部、昌江南部、白沙南部的部分乡（镇）果实发育期平均气温小于24 ℃,为不适宜区;其余地区为次适宜区。
从年≥10 ℃积温（图2C）看,琼海中部南部、万宁中部东部、陵水中部南部、保亭中部东部、三亚东部南部、乐东中南部、东方西部、昌江西部北部、儋州北部的部分乡（镇）年≥10 ℃积温超过9300 ℃,为适宜区;五指山大部、陵水北部、万宁西北部、琼中西部、昌江东南部、白沙西南部、乐东北部、东方南部的部分乡（镇）年≥10 ℃积温小于8500 ℃,为不适宜区,其余地区为次适宜区。
从坡度因素（图2D）看,沿海地区和北部地区的平原台地和部分丘陵均为适宜区,部分丘陵地区为次适宜区,中部和西部的山地为不适宜区。
2.5.2 综合区划结果 （1）适宜区。儋州市海头镇西部、昌江县北部的海尾镇、昌化镇、乌烈镇、十月田镇、叉河镇的大部分区域,东方市四更镇、三家镇、八所镇、大田镇大部、新龙镇西部、感城镇西部、板桥镇西部,乐东县尖峰镇西南部、佛罗镇、莺歌海镇南部、黄流镇、利国镇南部、九所镇大部和千家镇的部分区域,三亚市崖州区南部、天涯区的部分区域、吉阳区西南部、海棠区东部,保亭县保城镇、响水镇、加茂镇的部分区域,陵水县英州镇大部、黎安镇、三才镇、椰林镇大部、隆广镇东南部的部分区域、文罗镇南部东部的部分区域,提蒙乡南部、光坡镇南部的部分区域,万宁市南桥镇东部、礼记镇大部、长丰镇南部、万城镇、大茂镇、和乐镇、后安镇和北大镇东南部、龙滚镇大部,琼海市会山镇东部、龙江镇、阳江镇、中原镇、博鳌镇、嘉积镇和潭门镇大部。该区域面积占海南岛面积的13.1%,芒果花期平均气温大于等于20 ℃,果实发育期平均气温大于等于26 ℃,年≥10 ℃积温大于9300 ℃,热量资源丰富,能够满足芒果整个生育期对热量条件的要求。且地形较为平缓,坡度小于25°,有利于排水。根据1996—2020年的海南省统计年鉴,该区域中的东方、乐东、三亚、保亭、陵水芒果种植的年末面积、总产均有较大幅度增长,单产也呈增长趋势,该区域是海南岛发展芒果生产的优势区域（图3）。
（2）次适宜区。文昌市、海口市、定安大部部、澄迈县大部、屯昌县大部、临高市、儋州市大部、白沙县的荣邦乡、邦溪镇北部、七坊镇大部、打安镇西部、牙叉镇东南部,昌江县石禄镇北部、七叉镇西部的部分区域,东方市东河镇西部和天安乡的部分区域,乐东县抱由镇东南部、完成镇西南部、大安镇大部和千家镇、志仲镇的部分区域,三亚市天涯的部分区域,保亭县中部和东部的零星区域,琼中镇湾岭镇、营根镇的部分区域,万宁市三更罗镇西的部分区域,琼海市万泉镇大部、塔洋镇大部、长坡镇、大路镇。该区域面积占海南岛面积的53.1%,芒果花期平均气温在18~20 ℃之间,果实发育期3—5月平均气温在24~26 ℃之间,年≥10 ℃积温在8500~ 9300 ℃之间,热量资源略次于适宜区,但仍能满足芒果生长对热量条件的要求。坡度在25~50°之间,大部分小于35°,较适宜区坡度增加,在实际种植过程中可将种植行改为等高梯形,利于耕作,间种矮性覆盖作物保护表层土壤,减轻水土冲刷和土壤养分流失（图3）。
（3）不适宜区。乐东县尖峰镇中部西部、利国镇北部、千家镇西北部,东方市板桥镇东部、江边乡大部、天安乡西部和南部的部分区域、东河镇东南部,昌江县王下乡、七叉镇东部、石禄镇东南部,白沙县南开乡、青松乡、元门乡、细水乡东部、牙叉镇西部、七坊镇南部、邦溪镇南部,五指山市大部,保亭县毛感乡、响水镇北部、保城镇北部、什玲镇北部、新政镇大部、南里香和三道镇的部分区域,三亚市崖州区西北部、天涯区中部北部、吉阳区北部,琼中县大部,陵水县本号镇北部,万宁市南桥镇西部南部、礼记镇西部、三更罗镇大部和北大镇西部北部,琼海市会山镇西部、石壁镇北部,定安县翰林镇南部,屯昌县坡心镇、南坤镇的部分区域,澄迈县仁兴镇南部、儋州市南丰镇、兰洋镇的部分区域。该区域面积占海南岛面积的33.8%,多为山地,海拔较高,坡度大于50°,地形陡峭,水土冲刷和养分流失严重,且不利于耕作,不利于芒果商业化栽培。其中,昌江、乐东、三亚、陵水等市（县）在花期平均气温、果实发育期平均气温和年≥10 ℃积温等气候条件上均能满足芒果生产需求,其余地区芒果花期平均气温小于18 ℃,果实发育期平均气温小于24 ℃,年≥10 ℃积温小于8500 ℃。芒果花期热量资源不足,温度条件难以保证芒果正常开花授粉,对芒果产量和品质影响较大,且果实发育期气温也偏低,不利于果实正常生长发育（图3）。
2.5.3 区划结果验证 从1996—2019年海南各市（县）芒果历年平均收获面积和平均总产看（表4）,三亚、东方、乐东、昌江、陵水均排在全岛18个市（县）的前五位,这与芒果种植的气候适宜区位于这5个市（县）相一致;白沙、五指山、琼中、保亭、屯昌、万宁等位于芒果种植不适宜区的中部和南部市（县）历年平均收获面积和平均总产量排名较靠后。由此可见,海南岛芒果种植综合适宜性气候区划在适宜区、次适宜区和不适宜区的分布上与生产实际在种植面积和产量上的分布趋势是相一致的。
表4 1996—2019年海南岛芒果种植平均总产量、平均收获面积Tab. 4 Average total output and average harvest area of mango in Hainan Island from 1996 to 2019 |
| 排名 Ranking | 市（县） City and county | 总产量 Total output/t | 市（县） City and county | 收获面积 Harvest area/hm2 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 三亚 | 124 731.7 | 三亚 | 9600.0 |
| 2 | 乐东 | 47 661.9 | 东方 | 6014.7 |
| 3 | 东方 | 46 264.9 | 乐东 | 5441.6 |
| 4 | 昌江 | 18 682.4 | 昌江 | 2866.1 |
| 5 | 陵水 | 18 018.3 | 陵水 | 1714.7 |
| 6 | 儋州 | 7278.5 | 儋州 | 743.0 |
| 7 | 保亭 | 4109.9 | 五指山 | 401.0 |
| 8 | 白沙 | 2128.2 | 保亭 | 391.5 |
| 9 | 万宁 | 1745.7 | 白沙 | 257.3 |
| 10 | 五指山 | 1179.2 | 万宁 | 219.8 |
| 11 | 海口 | 852.6 | 海口 | 97.2 |
| 12 | 澄迈 | 850.6 | 澄迈 | 91.0 |
| 13 | 屯昌 | 674.8 | 屯昌 | 82.9 |
| 14 | 琼海 | 414.1 | 临高 | 53.2 |
| 15 | 定安 | 249.9 | 琼中 | 47.3 |
| 16 | 琼中 | 203.3 | 琼海 | 43.3 |
| 17 | 文昌 | 147.0 | 定安 | 23.2 |
| 18 | 临高 | 142.3 | 文昌 | 16.7 |
3 讨论
将芒果单产的气象产量与花芽分化期、开花期、果实发育期的气候因子做相关分析,筛选出相关性大且通过显著性检验的花期平均气温、果实发育期平均气温、年≥10 ℃积温作为区划因子,结合区划指标值与气象产量的关系等确定区划指标的分级界限值。同时建立区划指标与经度、纬度、海拔高度等地理因子的多元回归方程,在此基础上叠加坡度因素的影响,基于GIS技术开展了海南岛芒果气候适宜性精细化区划。结果表明,海南岛18个市（县）气候适宜性差异明显,西部南部和东部沿海热量资源充足、地势平缓的平原、台地、丘陵地区是芒果的气候适宜区,该区域可充分理由气候资源优势扩大芒果种植面积,发展芒果生产。西北部、北部沿海和东部、东南部沿海地区,热量资源略次于适宜区,但仍能满足芒果生长对热量条件的要求,坡度较适宜区有所增加,可通过合理安排芒果树种植行和间种保护土壤水分,进行商业化生产。中部山区芒果花期热量资源不足、果实发育期气温也偏低,严重影响芒果产量和品质。东方市东南部、乐东县东部、三亚市北部、保亭等在气候条件上基本能够满足芒果生产需求,但地形陡峭,土壤养分流失严重,不利于芒果商业化生产。区划结果反映了海南岛不同地区气候条件差异明显,应充分利用有利的气候条件和地形条件,避免不理气候条件的影响,因地制宜、科学规划,促进海南芒果产业健康发展。
区划过程中,通过建立区划指标与经度、纬度和海拔高度的关系模型,将区划指标推算到30 m×30 m的小网格上,能够直观地反映出区划指标的立体变化特征,使区划精度较高。虽然海南本岛各市（县）气候资源存在差异,但相比于国内其他芒果主产区,海南岛热量资源已然相当丰富,在芒果气候次适宜区,可通过花期调节、品种选育等技术手段和方式,适当推迟花期,避开低温时段,保证芒果正常开花授粉受精,提高产量和品质。同时,也需注意产期调节应避开台风多发时段,避免风速过大造成落花落果折枝等。通过与实际芒果种植面积、产量的对比发现,位于芒果种植气候不适宜区的白沙、五指山、琼中、保亭等市（县）其收获面积和产量在全岛18个市（县）中排名优于位于次适宜的海口、澄迈、定安、文昌、琼海等市（县）,这可能是由于当地种植户在芒果生长过程中,对其花期进行调控,减少或避免不利气候条件的影响,提高芒果产量和品质的结果。此外,本研究的区划方法采用的是集优法,该方法能够充分区分出研究区中的气候适宜区,但在划分次适宜区和不适宜区时,结果与实际有所出入,今后将考虑改进区划方法,基于最大熵模型等开展芒果气候适宜性区划,进一步提高区划的精度和实用性。