基于GIS的棉花氣候適宜性區(qū)劃

張永紅，李星敏，葛徽衍，李博文，周 輝，朱延年，賀文麗

(1.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2.渭南市氣象局，陜西渭南 714000；3.陜西省氣象科學(xué)研究所,西安 710014；4.武漢大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢 430079；5.陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，西安 710014；6.陜西省經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)臺(tái),西安 710014)

基于GIS的棉花氣候適宜性區(qū)劃

張永紅1，2，李星敏3，葛徽衍2，李博文4，周 輝5，朱延年3，賀文麗6

(1.南京信息工程大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2.渭南市氣象局，陜西渭南 714000；3.陜西省氣象科學(xué)研究所,西安 710014；4.武漢大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，武漢 430079；5.陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心，西安 710014；6.陜西省經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)臺(tái),西安 710014)

摘 要：采用陜西1981—2010年30 a的氣候資料,以8月上旬平均氣溫、8月下旬—10月中旬降水量、5月中旬—6月上旬日照、生育期大于≥10 ℃的活動(dòng)積溫4個(gè)因子作為陜西棉花氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)。利用GIS空間分析及制圖功能，在實(shí)現(xiàn)區(qū)劃指標(biāo)空間化基礎(chǔ)上，采用模糊綜合評(píng)判方法，對(duì)陜西棉花氣候適宜性進(jìn)行區(qū)劃，陜西省棉花生態(tài)氣候適宜性區(qū)劃圖分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)。陜西棉花氣候適宜區(qū)主要分布于關(guān)中中東部及沿黃河的灘地，在適宜區(qū)內(nèi),應(yīng)根據(jù)秋季降水預(yù)測(cè)情況，選擇棉花中早熟品種，以避免秋霖危害。

關(guān)鍵詞：GIS；棉花；生態(tài)氣候；適宜性區(qū)劃；陜西

棉花是喜熱喜光作物，氣候干燥且灌溉水源充足的地區(qū)最適宜種植棉花，裂鈴?fù)滦跏斋@時(shí)期忌多雨。20世紀(jì)80年代中期,國(guó)家及陜西省分別組織完成了全國(guó)和陜西的棉花氣候資源區(qū)劃[1-2], 近年來，隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整，陜西果樹和設(shè)施瓜果面積增加，加之氣候變化的影響，棉花種植區(qū)域由原來的較適宜區(qū)、次適宜區(qū)向適宜區(qū)集中，迫切需要進(jìn)行棉花氣候適宜性區(qū)劃研究。根據(jù)陜西氣候生態(tài)特點(diǎn)，重新對(duì)棉花適宜種植區(qū)進(jìn)行區(qū)劃，對(duì)提高棉花產(chǎn)量、品質(zhì)和效益，降低風(fēng)險(xiǎn)和損失有積極作用。隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，觀測(cè)資料日益豐富，農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的技術(shù)與方法也取得了很大進(jìn)展，大大提高了區(qū)劃結(jié)果的精細(xì)化程度。為了科學(xué)、合理地利用陜西農(nóng)業(yè)氣候資源，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局，達(dá)到趨利避害、防災(zāi)減災(zāi)的目的，根據(jù)最近30 a的氣候資料，在進(jìn)行棉花氣候適宜性分析基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)，對(duì)陜西棉花氣候適宜性進(jìn)行區(qū)劃，為實(shí)現(xiàn)陜西棉花可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)采用1981—2010年陜西省96個(gè)氣象觀測(cè)站觀測(cè)資料和2008—2010年相關(guān)自動(dòng)氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)。地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括了陜西省1∶25萬高程數(shù)字模型DEM數(shù)據(jù)和各區(qū)縣的行政邊界。

2 結(jié)果與分析

2.1 指標(biāo)確定和區(qū)劃方法

2.1.1 區(qū)劃指標(biāo) 棉花生長(zhǎng)過程中受到多種氣象因子的影響，經(jīng)過查閱文獻(xiàn)和資料[3-7]，選取可能影響棉花產(chǎn)量的20個(gè)氣候因子，用逐步回歸法，篩選出11個(gè)氣候因子，然后針對(duì)這11個(gè)因子，采用因子分析法，篩選出與棉花產(chǎn)量波動(dòng)高度相關(guān)的4個(gè)因子：8月上旬平均氣溫、8月下旬—10月中旬降水量、生育期≥10 ℃的活動(dòng)積溫、5月中旬—6月上旬日照時(shí)數(shù)作為棉花氣候區(qū)劃指標(biāo)。

(1)8月上旬平均氣溫 8月上旬溫度與產(chǎn)量成反相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.436 2，此時(shí)是陜西省的盛夏高溫階段，高溫易引起蕾花鈴脫落。

(2)8月下旬—10月中旬降水量 降水與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)-0.423 1。8月下旬至10月中旬，棉花進(jìn)入裂鈴?fù)滦跗冢敲藁ń?jīng)濟(jì)產(chǎn)量形成的重要階段，吐絮收獲時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。晴朗、微風(fēng)、干燥的氣候條件能促進(jìn)伏前桃和早伏桃纖維伸長(zhǎng)和加厚，以及晚伏桃和早秋桃的繼續(xù)增大，促進(jìn)成熟。陜西關(guān)中和陜南棉花裂鈴?fù)滦蹼A段，若出現(xiàn)秋霖天氣，陰雨綿綿，低溫寡照，將致使棉花病害增多，棉桃脫落，棉桃霉?fàn)€，僵瓣率增大，鈴重減輕，霜后花增多。據(jù)研究[6]，由于秋雨影響，爛鈴率高達(dá)40%，棉鈴發(fā)育遲緩霜后花為44%。

(3)5月中旬—6月上旬日照 5月中旬—6月上旬日照時(shí)數(shù)與棉花產(chǎn)量呈反相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.355 4。棉花為短日照作物，5月中旬—6月上旬正值陜西關(guān)中棉花的現(xiàn)蕾期，是棉花從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的過渡期，也是陜西初夏干旱和高溫同時(shí)出現(xiàn)的時(shí)期。研究表明[7]，棉花第一個(gè)蕾的形成，需要19 ℃以上的日平均氣溫，這一時(shí)期溫度條件一般可以滿足棉花的生長(zhǎng)發(fā)育需求，但棉花對(duì)光照比較敏感，較多和較強(qiáng)的光照對(duì)幼蕾有較大影響，直徑小于1 cm的蕾，對(duì)光照極為敏感，在高溫強(qiáng)光下幾小時(shí)就會(huì)萎蔫。

(4)≥10 ℃的活動(dòng)積溫 ≥10 ℃積溫與產(chǎn)量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.283 6。研究表明[8-13]，熱量是影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)最基本最重要的氣候條件，熱量條件越好，棉花的生長(zhǎng)期越長(zhǎng),開花結(jié)鈴越多，品質(zhì)越好，因此≥10 ℃積溫是評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)植棉有利程度的重要指標(biāo)。陜西棉花氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)見表1。

建立各區(qū)劃因子的隸屬函數(shù)上述隸屬函數(shù)模型中，x1為8月上旬平均氣溫，x2為8月下旬—10月中旬降水量，x3為5月中旬—6月上旬日照時(shí)數(shù)，x4為≥10 ℃ 的活動(dòng)積溫。

(1)

(2)

(3)

(4)

根據(jù)各指標(biāo)對(duì)棉花產(chǎn)量影響程度，確定4個(gè)因子權(quán)重分別為0.291，0.282，0.189，0.237。

2.1.2 區(qū)劃方法 采用模糊綜合評(píng)判法，利用GIS技術(shù)，在區(qū)劃指標(biāo)空間化基礎(chǔ)上[14-16]，根據(jù)要素隸屬函數(shù)，建立單因子評(píng)價(jià)柵格圖層；利用GIS空間分析功能，將各指標(biāo)因子評(píng)價(jià)柵格圖進(jìn)行疊加，得到棉花氣候區(qū)劃綜合評(píng)價(jià)柵格圖，對(duì)綜合評(píng)價(jià)圖按0.0～0.36，0.37～0.61，0.62～0.94，0. 95～1分為不適宜區(qū)、次適宜區(qū)、較適宜區(qū)、適宜區(qū)4個(gè)區(qū)域(見圖1)。

2.2 區(qū)劃結(jié)果分區(qū)評(píng)述

2.2.1 適宜區(qū) 該區(qū)位于關(guān)中中東部，包括渭南市大荔、臨渭區(qū)、富平、蒲城南部、華縣、華陰、潼關(guān)北部沿渭河一帶和韓城的西南部分、合陽和澄城的南部，西安市高陵、臨潼、閻良、周至和戶縣的北部及藍(lán)田西北部，咸陽市的秦都區(qū)、武功、興平、涇陽、禮泉和乾縣的南部和楊凌。在寶雞市陳倉區(qū)、蔡家坡、眉縣沿渭河一帶有零星適宜區(qū)。另外在丹江下游的河谷地帶丹鳳和商南有零星適宜區(qū)。該區(qū)氣候條件較好，熱量資源富裕，雨量適中，8月上旬平均氣溫在25.6～26.8 ℃，8月下旬—10月上旬降水總量151～196 mm，5月下旬—6月中旬的日照時(shí)數(shù)為177～232 h，≥10 ℃活動(dòng)積溫為4 253～4 553 ℃·d。該區(qū)夏季氣溫高，日照充足，秋霖較輕，有利于棉桃成熟、吐絮，品質(zhì)較優(yōu)。不利的氣候條件是春季干旱，夏、伏旱頻繁，盛夏炎熱，易引起棉花蕾鈴脫落。

表1 陜西棉花氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)

圖1 陜西省棉花生態(tài)氣候適宜性區(qū)劃圖

2.2.2 較適宜區(qū) 該區(qū)沿適宜區(qū)的外圍分布，主要分布在長(zhǎng)安區(qū)北部和咸陽的東部，韓城的東南部、合陽和澄城的中部零星地帶，扶風(fēng)的南部。另外在商洛的商南東南部、安康的旬陽一帶也有零星較適宜區(qū)。該區(qū)總體降水適中，氣溫適宜，8月上旬平均氣溫25.1～26.8 ℃，8月下旬—10月上旬降水總量160～203 mm，5月下旬—6月中旬的日照時(shí)數(shù)為163～232 h，≥10 ℃活動(dòng)積溫為4 057～4 265 ℃·d。不利的氣候條件是春季低溫干旱，夏季伏旱，秋季有中等秋霖，影響棉花后期成熟。陜南東部棉區(qū)氣溫較高為26.0～27.5 ℃，降水200～270 mm，5月下旬—6月中旬的日照時(shí)數(shù)為156～170 h，≥10 ℃活動(dòng)積溫為4 450～4 590 ℃·d，該區(qū)熱量充足，但秋季降水多，棉花霉?fàn)€鈴增加。

2.2.3 次適宜區(qū) 該區(qū)位于關(guān)中西部、北部和陜南中部。包括寶雞的隴縣、千陽、鳳翔、岐山、麟游、陳倉區(qū)，咸陽的永壽、彬縣、旬邑、長(zhǎng)武、淳化，銅川的耀縣、宜君，延安的黃陵、黃龍、富縣、洛川南部，渭南的白水、澄城、合陽北部、韓城的東北部。8月上旬平均氣溫21.1～24.7 ℃，8月下旬—10月上旬降水總量156～198 mm，5月下旬—6月中旬的日照時(shí)數(shù)為184～273 h，≥10 ℃活動(dòng)積溫為2 940～4 145 ℃·d。該區(qū)降水適中，但氣溫低，熱量不足，受伏旱、秋霖影響，產(chǎn)量不穩(wěn)。另外陜南沿漢江河谷地帶的勉縣、城固、西鄉(xiāng)、洋縣，安康的石泉、漢陰和紫陽以及商洛的商州、洛南和丹鳳也有零星次適宜棉區(qū)。該區(qū)8月上旬平均氣溫25.1～25.7 ℃，8月下旬—10月上旬降水總量200～235 mm，5月下旬—6月中旬的日照時(shí)數(shù)為164～184 h，≥10 ℃活動(dòng)積溫為4 000～4 400 ℃·d。該區(qū)熱量較充足，但日照不足，降水多，成為影響棉花種植的主要限制因子。

2.2.4 不適宜區(qū) 本區(qū)包括陜北和秦巴山區(qū)。陜北不適宜區(qū)包括甘泉、宜川以北的延安和榆林的大部分地區(qū)。陜北地區(qū)8月上旬平均氣溫在21.5～23.8 ℃，8月下旬—10月上旬降水總量80～149 mm，5月下旬—6月中旬的日照時(shí)數(shù)為250～280 h，≥10 ℃活動(dòng)積溫為3 050～3 500 ℃·d。這些地區(qū)地勢(shì)高寒,氣候冷涼，熱量條件不能滿足棉花生長(zhǎng)發(fā)育的需要。陜南不適宜區(qū)為漢中的寧強(qiáng)、南鄭、鎮(zhèn)巴、留壩、佛坪，安康的寧陜、鎮(zhèn)坪、柞水和山陽。該區(qū)8月上旬平均氣溫在23.1～23.8 ℃，8月下旬—10月上旬降水總量246～318 mm，5月下旬—6月中旬的日照時(shí)數(shù)為171～246 h，生育期≥10 ℃活動(dòng)積溫為3 700～4 600 ℃·d。該區(qū)熱量基本滿足，但降水多，不適宜棉花生長(zhǎng)發(fā)育。

3 結(jié)論與討論

3.1 陜西棉花氣候適宜區(qū)位于關(guān)中東部及沿黃河的灘地，與目前的最佳種植區(qū)基本相符。從與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)部門的座談與調(diào)查反饋的意見表來看,認(rèn)為區(qū)劃的分區(qū)結(jié)果基本合理。

3.2 根據(jù)區(qū)劃結(jié)果,漢中、安康盆地個(gè)別地方在適宜范圍內(nèi),雖然這些地區(qū)總體熱量條件較好,但因秋霖影響，棉花產(chǎn)量低且不穩(wěn)，加之近年來農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，棉花種植主要集中在關(guān)中的中東部，漢中、安康適宜小規(guī)模的棉花種植，不宜大面積發(fā)展棉花生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)農(nóng)林作物氣候區(qū)劃協(xié)作組.中國(guó)農(nóng)林作物氣候區(qū)劃[M].北京：氣象出版社，1987：67-76.

[2] 陜西省農(nóng)牧廳，陜西省農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì).陜西省種植業(yè)資源與區(qū)劃[M].西安：陜西科技出版社，1988：389-400.

[3] 張永紅，葛徽衍.影響陜西棉花產(chǎn)量的氣象因素分析[J].中國(guó)棉花，2004，31(2)：19-20.

[4] 葛徽衍，張永紅.棉花秋桃理論估產(chǎn)與實(shí)產(chǎn)偏差的氣象因子分析[J].中國(guó)棉花, 1997,24(8)：16-17.

[5] 張永紅，葛徽衍，胡淑蘭.陜西關(guān)中棉花三桃要素與氣象條件關(guān)系研究[J].中國(guó)棉花,2003, 30(4)：16-17.

[6] 葉殿秀.關(guān)中棉花產(chǎn)量波動(dòng)的某些特征及高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，1996，17(4)：12-14.

[7] 李化龍.棉花生理現(xiàn)蕾期與氣候現(xiàn)蕾期同步效應(yīng)分析[J].中國(guó)棉花，1991(2)：24.

[8] 李迎春，謝國(guó)輝，李新建，等.基于GIS的新疆阿克蘇地區(qū)棉花區(qū)劃[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2007,28(4)：450-452.

[9] 葛徽衍,張永紅,肖科麗,等.棉花氣象預(yù)報(bào)服務(wù)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2000,21(3)：15-18.

[10] 張永紅,李湘閣,葛徽衍,等.氣候變化對(duì)陜西棉花產(chǎn)量影響的情景分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2006,27(2)：111-113.

[11] 張永紅,賈金海,葛徽衍. 棉花氣候分析及評(píng)價(jià)信息服務(wù)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)棉花,2005(7)：19-20.

[12] 葛徽衍,張永紅,胡淑蘭.大荔氣候與棉花生育[J].陜西氣象,2002(S1)：19-20.

[13] 張永紅.氣候變化對(duì)陜西省棉花生產(chǎn)的影響[D]. 南京：南京氣象學(xué)院，2003.

[14] 朱琳，朱延年，陳明斌，等.基于GIS陜南商洛地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源垂直分層[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18(1)：110-115.

[15] 郭兆夏，李星敏，朱琳，等.基于GIS的陜西省年降水量空間分布特征分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2010，31(S1)：121-123.

[16] 林忠輝，莫興國(guó)，李宏軒，等.中國(guó)陸地區(qū)域氣象要素的空間插值[J].地理學(xué)報(bào),2002,57(1)：47-56.

中圖分類號(hào)：S162.2

A

文章編號(hào)：1006-4354(2013)05-0029-04

收稿日期：2013-05-21

作者簡(jiǎn)介：張永紅(1967—)，女，陜西鳳翔人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)氣候資源利用研究。

基金項(xiàng)目：陜西省“13115”科技創(chuàng)新工程重大科技專項(xiàng) (2009ZDKG-08)；科技部公益性行業(yè)項(xiàng)目(GYHY200806021)； 江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(JKLAM) 開放課題(JKLAM201207)