氣候變暖和覆膜對(duì)新疆不同熟性棉花種植區(qū)劃的影響

胡莉婷，胡 琦，潘學(xué)標(biāo)，馬雪晴，徐 琳，王香茹，張恒恒

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氣候變暖和覆膜對(duì)新疆不同熟性棉花種植區(qū)劃的影響

胡莉婷1,2，胡 琦1※，潘學(xué)標(biāo)1，馬雪晴1，徐 琳1，王香茹2，張恒恒2

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193； 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安陽(yáng) 455000）

利用新疆地區(qū)及外延200 km范圍內(nèi)173個(gè)氣象站點(diǎn)1960－2015年逐日氣溫資料和ANUSPLIN插值軟件，綜合分析了氣候變暖背景下新疆≥10 ℃的有效積溫、無霜凍期和7月平均溫度的時(shí)空變化特征，并結(jié)合地膜增溫效應(yīng)機(jī)制，探討了氣候變暖和覆膜對(duì)不同熟性棉區(qū)種植界限及可種植面積的影響。結(jié)果表明：新疆熱量資源總體呈增加的趨勢(shì)，空間分布呈平原和盆地高（多）于山地。氣候變暖背景下，中熟棉區(qū)、早中熟棉區(qū)的種植面積增加，早熟棉區(qū)的可種植面積變化不明顯，特早熟棉區(qū)和不適宜區(qū)均減少。地膜增溫機(jī)制對(duì)中熟、特早熟棉區(qū)和不宜棉區(qū)的種植界限基本無影響，但對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地區(qū)域各棉區(qū)的種植界限影響顯著，其中準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)早中熟棉區(qū)東擴(kuò)65 km，早熟棉區(qū)東擴(kuò)范圍在0～300 km；地膜增溫機(jī)制下早中熟Ⅱ葉塔次亞棉區(qū)可種植區(qū)域增加了5.47×104km2，早熟和特早熟棉區(qū)分別減少1.4%和1.6%，但對(duì)中熟棉區(qū)種植面積基本無影響。研究能為新疆不同熟性棉花的區(qū)劃和高產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

氣候變暖；棉花；區(qū)劃；地膜；新疆；種植界限

0 引 言

熱量資源是農(nóng)業(yè)氣候資源的重要組成部分，其變化直接影響農(nóng)作物布局、種植制度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。IPCC第五次報(bào)告指出，近百年來全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢(shì)，且2003－2012年平均溫度較1850－1990年上升了0.78 ℃，氣候變暖現(xiàn)象毋庸置疑[3]。近年來，研究學(xué)者越來越重視有關(guān)氣候變暖對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究，有研究表明，氣候變暖，農(nóng)業(yè)熱量資源增加，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響突出表現(xiàn)為作物生長(zhǎng)季延長(zhǎng)、農(nóng)作物種植界限北移[4-5]、適宜種植喜溫作物的范圍擴(kuò)大等[6-7]。

新疆是中國(guó)優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，目前新疆棉花總產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的60%以上[8]。研究表明，隨著氣候變暖，新疆年均氣溫升高、≥10 ℃積溫增加、無霜凍期延長(zhǎng)，對(duì)新疆棉花的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生一定的影響[9-10]。受熱量資源變化的影響，全疆宜棉區(qū)面積增加，次宜棉區(qū)和不宜棉區(qū)減少[11-12]；南疆中熟和早中熟棉區(qū)的面積擴(kuò)大，特早熟和不宜棉區(qū)減少[13]。在實(shí)際生產(chǎn)中，新疆棉花品種繁雜，且部分地區(qū)出現(xiàn)了品種熟性選擇不合理、盲目擴(kuò)大種植面積的問題，嚴(yán)重影響棉花品質(zhì)和產(chǎn)量[14-15]。因此，研究近幾十年來氣候變化對(duì)不同熟性棉花種植區(qū)劃的影響具有較大的積極和現(xiàn)實(shí)意義。覆膜是新疆植棉的關(guān)鍵技術(shù)，至1994年，地膜植棉面積已達(dá)全疆總播種面積的96.67%[16]。有研究表明，地膜覆蓋不僅增加土壤溫度、保墑，還會(huì)對(duì)棉株生長(zhǎng)中所需的氣積溫存有補(bǔ)償?shù)淖饔肹17-20]。全球氣候變暖和地膜植棉技術(shù)都會(huì)影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育中所需的熱量條件，進(jìn)而可能會(huì)影響棉花的種植區(qū)域。然而目前，大多研究者僅對(duì)全球變暖背景下新疆棉花適宜性分區(qū)進(jìn)行研究[11-12,21]，缺乏對(duì)氣候變暖背景下不同熟性棉花種植區(qū)劃變化的研究以及定量分析地膜增溫機(jī)制對(duì)不同熟性棉花種植區(qū)域的影響。本文擬基于ANUSPLIN氣象插值軟件和80%保證率，利用新疆及其鄰近國(guó)內(nèi)外173個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的氣候資料，分析氣候變暖下新疆不同熟性棉花種植區(qū)劃變化特征，并結(jié)合地膜覆蓋增溫效應(yīng)，進(jìn)一步研究不同熟性棉花種植界限變化特征，為新疆地區(qū)棉花品種熟性選擇和合理布局提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)新疆棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的發(fā)展。

1 資料來源及處理方法

1.1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

新疆（34°15′～49°10′N，73°20′～96°25′E）地處亞歐大陸的中部，遠(yuǎn)離海洋，具有典型的大陸性氣候特點(diǎn)，氣溫變化劇烈，日照充足，降水稀少。新疆地貌形態(tài)獨(dú)特復(fù)雜，基本可概括為“三山夾兩盆”，天山橫亙于新疆中部，習(xí)慣上稱天山以北為北疆，以南為南疆，哈密、吐魯番盆地為東疆（圖1）。新疆豐富的光熱資源、廣袤的土地資源以及山地降水和三大山脈的積雪冰川融水所形成的較穩(wěn)定的河流徑流灌溉資源，為棉花種植提供了得天獨(dú)厚的生態(tài)環(huán)境。

注：由于本文研究區(qū)域僅為新疆區(qū)域，故其他地區(qū)的海拔高度沒有顯示。

研究的氣象數(shù)據(jù)包括1960—2015年新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)及其外延200 km范圍的國(guó)內(nèi)外總共173個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣溫資料（平均溫度、最高溫度和最低溫度），其中國(guó)內(nèi)站點(diǎn)88個(gè)，分布于新疆、甘肅和青海，國(guó)外站點(diǎn)85個(gè)，集中在俄羅斯、蒙古、哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦等國(guó)家，數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[22]和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（national oceanic and atmospheric administration，NOAA）全球日值數(shù)據(jù)集 (global surface summary of the day，GSOD)[23]（圖1）。國(guó)外站點(diǎn)僅為空間插值時(shí)使用，其目的是提高氣象要素空間插值的準(zhǔn)確性，降低對(duì)研究區(qū)域邊緣插值的誤差[24]。

數(shù)字高程模型（digital elevation mode，DEM）數(shù)據(jù)來自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）[25]，原始空間分辨率（約900 m）的數(shù)據(jù)經(jīng)過重采樣得到8 km×8 km的柵格數(shù)據(jù)集。

1.2 研究方法

1.2.1 熱量資源計(jì)算方法

有效積溫為一段時(shí)間內(nèi)日平均氣溫與生物學(xué)最低溫度之差的總和，≥10 ℃有效積溫（AT10）是棉花生長(zhǎng)重要的熱量指標(biāo)之一。本文中≥10 ℃有效積溫由棉花生長(zhǎng)季內(nèi)日有效溫度（即日平均溫度減去10 ℃的差值）相加而得，即

式中和分別為棉花生長(zhǎng)季內(nèi)逐日平均氣溫≥10 ℃的起始日期和終止日期，采用5日滑動(dòng)平均法確定；T為≥10 ℃的日平均氣溫，℃。

以日最低溫度≤0 作為霜日出現(xiàn)的指標(biāo)，終霜日至初霜日之間的持續(xù)日數(shù)即為無霜凍期，初終霜日采用5日滑動(dòng)平均法確定。

分別使用氣候傾向率及檢驗(yàn)[26]研究分析新疆地區(qū)1960—2015年≥10 ℃的有效積溫、無霜凍期和7月平均溫度等熱量資源及其顯著水平的時(shí)空變化特征。

1.2.2 保證率計(jì)算

保證率指大于等于或小于等于某要素值出現(xiàn)的可能性或幾率。在進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣候分析或提供農(nóng)業(yè)氣候建議時(shí)，不能只利用氣候要素的多年平均值來分析問題，至少要有80%以上的保證程度，現(xiàn)常用80%保證率為指標(biāo)值。

1.2.3 有效氣積溫補(bǔ)償值推算

肖明等[20,27]在棉田地膜覆蓋增溫效應(yīng)的研究中指出，地膜覆蓋增溫效應(yīng)主要在開花前的苗期和蕾期，并給出了根據(jù)苗期和蕾期的氣溫推算地膜覆蓋下有效氣積溫補(bǔ)償值的計(jì)算方法：

1）根據(jù)≥10 ℃的初日、苗期和蕾期所需的積溫值估算出新疆地區(qū)各年份露地棉苗期、蕾期天數(shù)N1和N2；

2）根據(jù)露地棉苗期、蕾期的逐日平均氣溫及天數(shù)采用試算法估算地膜棉的苗期和蕾期天數(shù)N1和N2，計(jì)算公式如下：

式中為地積溫對(duì)地膜棉有效氣積溫的補(bǔ)償系數(shù)，單位(℃·d) /(℃·d)可省略，苗期=0.843，蕾期=0.207；N和N分別為露地棉和地膜棉的某生育期天數(shù)，d；T和T分別為露地棉和地膜棉某生育期內(nèi)的日平均氣溫，℃。

3）由地膜棉的苗期和蕾期天數(shù)N1和N2估算地膜棉苗期和蕾期的有效氣積溫補(bǔ)償值DATM1和DATM2，公式如下：

式中DATM為某一生育期內(nèi)地膜棉的有效氣積溫補(bǔ)償值，℃·d。

4）由式（4）估算苗期和蕾期有效氣積溫總補(bǔ)償值ΣDATM

ΣDATM=DATM1+DATM2（4）

趙黎等[28]將此計(jì)算過程添加到棉花模型GOSSYM中進(jìn)而建立新的氣象文件，并用該模型對(duì)北疆3個(gè)試點(diǎn)（石河子148團(tuán)、奎屯、瑪納斯）2個(gè)棉花品種的生育期、產(chǎn)量及主要性狀進(jìn)行模擬研究。3個(gè)試點(diǎn)地膜棉苗期天數(shù)模擬值與實(shí)測(cè)值一致；蕾期天數(shù)模擬值與實(shí)測(cè)值擬合率均在90%以上，相對(duì)誤差均在誤差允許范圍內(nèi)，其中1997年石河子148團(tuán)地膜棉蕾期天數(shù)模擬值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差為3.3%，1999年瑪納斯蕾期天數(shù)相對(duì)誤差為3.8%；3個(gè)地區(qū)地膜棉苗期和蕾期天數(shù)模擬值與實(shí)測(cè)值擬合程度較好。說明此計(jì)算過程能夠在不同氣候條件、不同品種熟性下較理想地估算地膜棉地有效氣積溫補(bǔ)償值。

1.2.4 區(qū)劃指標(biāo)

≥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)，其與霜前花產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，該積溫值越高表明棉花生長(zhǎng)期越長(zhǎng)，霜前花產(chǎn)量越高；無霜凍期是表明棉花利用熱量條件的限制因子；而棉花花期需要一定的熱量強(qiáng)度來滿足優(yōu)質(zhì)纖維生長(zhǎng)的熱量需求，即用7月平均溫度作為輔助指標(biāo)[29-31]。為此，綜合前人研究結(jié)果，本文選用的區(qū)劃指標(biāo)為≥10 ℃的有效積溫、無霜凍期和7月平均溫度，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1[29-31]。

表1 新疆棉區(qū)分區(qū)氣候指標(biāo)

1.3 數(shù)據(jù)處理

氣候要素的空間柵格數(shù)據(jù)利用ANUSPLIN軟件插值來獲取。基于ANUSPLIN平臺(tái)，以經(jīng)度和緯度為獨(dú)立自變量，以DEM數(shù)據(jù)為協(xié)變量，對(duì)新疆全區(qū)及外延200 km范圍內(nèi)的國(guó)內(nèi)外173個(gè)氣象站點(diǎn)56 a逐日氣溫資料進(jìn)行插值運(yùn)算，生成新疆地區(qū)1960－2015年逐日氣溫8 km×8 km分辨率的時(shí)間序列柵格數(shù)據(jù)集。ANUSPLIN是基于薄盤樣條理論編寫的針對(duì)氣候數(shù)據(jù)曲面擬合的函數(shù)統(tǒng)計(jì)模型，是運(yùn)用普通薄盤和局部薄盤樣條函數(shù)作為理論的插值方法，能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)表面的空間插值，適用于時(shí)間序列的氣象數(shù)據(jù)；ANUSPLIN除引入普通的樣條自變量外，還允許引入海拔等協(xié)變量[32-33]。該插值方法的總體精度水平優(yōu)于反距離加權(quán)插值法和克里格插值法，且對(duì)于中國(guó)山區(qū)氣溫的插值具有較高精度[34]。柵格數(shù)據(jù)處理均利用Matlab2010軟件實(shí)現(xiàn)。

相關(guān)研究計(jì)算指出，1960－2015年間，1989年為中國(guó)溫帶地區(qū)氣溫突變年份[24]。故本文將1960－2015年分為2個(gè)時(shí)間段（1960－1989年、1990－2015年）研究全球氣候變暖對(duì)新疆不同熟性棉花種植區(qū)域的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱量資源空間分布特征

圖2為80%保證率下≥10 ℃積溫、無霜凍期和7月平均溫度及氣候傾向率的空間分布特征。

圖2 1960－2015年新疆地區(qū)80%保證率下農(nóng)業(yè)熱量資源指標(biāo)、氣候傾向率及其氣候傾向率顯著水平的空間分布

1960－2015年新疆地區(qū)≥10 ℃積溫、無霜凍期和7月平均溫度的空間分布如圖2a～圖2c所示。新疆地區(qū)近56 a≥10 ℃積溫平均為2 700 ℃·d，無霜凍期平均為201.3 d，7月平均溫度為20.0 ℃。新疆各地?zé)崃抠Y源的變化與地勢(shì)密切相關(guān)，有較明顯的區(qū)域性差異，全疆≥10 ℃的積溫、無霜凍期及最熱月7月平均溫度空間分布基本一致，即積溫和7月平均溫度南疆高、北疆低，平原和盆地高、山地低；無霜凍期南疆長(zhǎng)于北疆，平原和盆地長(zhǎng)于山地。塔里木盆地東部、吐魯番盆地和哈密盆地地區(qū)≥10 ℃積溫均大于4 500 ℃·d，無霜凍期均大于200 d，7月平均溫度均大于29 ℃，是新疆地區(qū)熱量資源最豐富的地區(qū)；且以該3個(gè)地區(qū)為中心，積溫、無霜凍期和7月平均溫度的空間分布趨勢(shì)基本一致，即由中心向盆地周邊依次減小。準(zhǔn)噶爾盆地和新疆東北角鴨子泉地區(qū)積溫均位于3 500 ℃·d以上，無霜凍期均>180 d，7月平均溫度均>24.6 ℃，其熱量資源僅次于上述3個(gè)熱量資源最豐富的地區(qū)。由于地勢(shì)海拔較高的原因，阿爾泰山、天山和昆侖山地區(qū)熱量資源較少，積溫均低于3 200 ℃·d，無霜凍期均小于165 d，7月平均溫度均小于23 ℃。

1960－2015年新疆地區(qū)≥10 ℃積溫、無霜凍期和7月平均溫度的氣候傾向率及其顯著水平空間分布如圖2d～圖2i所示。全疆近56 a≥10 ℃積溫氣候傾向率為64.7 ℃·d/10 a，無霜凍期氣候傾向率為3.3 d/10 a，7月平均溫度為0.2 ℃/10 a。結(jié)合表2得，近56 a來新疆積溫基本呈現(xiàn)顯著升高趨勢(shì)，積溫顯著升高的區(qū)域占全疆面積的93.6%，新疆南部、吐魯番盆地、哈密盆地及準(zhǔn)噶爾盆地地區(qū)升高幅度最為明顯，積溫氣候傾向率均大于90.0 ℃·d/10 a，其中哈密盆地及新疆東南地區(qū)庫(kù)姆塔格沙漠的增速最大可達(dá)到195.0 ℃·d/10 a；新疆山區(qū)積溫氣候傾向率基本為負(fù)值，56 a來積溫顯著降低。無霜凍期呈顯著增加趨勢(shì)的面積占全疆84.6%，表現(xiàn)為新疆南部地區(qū)增速明顯，最高可達(dá)15.2 d/10 a；山區(qū)增速均大于3.0 d/10 a，且無霜凍期氣候傾向率高于盆地及平原地區(qū)。7月平均溫度呈顯著增高趨勢(shì)的面積占69.8%，其中0.03%的格點(diǎn)的7月平均溫度顯著降低，集中在塔里木盆地中的和田河流域；新疆南部和東部地區(qū)的增速最大，最大可達(dá)0.9 ℃/10a；56 a來準(zhǔn)噶爾盆地和和塔里木盆地地區(qū)的7月平均溫度基本無變化。3個(gè)農(nóng)業(yè)資源熱量指標(biāo)在塔里木盆地中西部均無顯著變化。

表2 1960－2015年新疆地區(qū)≥10 ℃積溫、無霜凍期和7月平均溫度氣候傾向率不同顯著水平面積占比

2.2 氣候變暖背景下不同熟性棉花種植區(qū)劃

2.2.1 氣候變暖背景下棉花區(qū)劃變化特征

根據(jù)以上區(qū)劃指標(biāo)和方法，分別得出80%保證率下全疆1960－1989年、1990－2015年2個(gè)時(shí)段不同熟性棉花種植區(qū)劃結(jié)果（圖3）。對(duì)比分析了1960－1989年（圖3a）和1990－2015年（圖3b）80%保證率下新疆地區(qū)不同熟性棉花種植區(qū)域的變化。氣候變暖背景下中熟棉區(qū)的種植面積明顯增加；早中熟棉區(qū)的可種植區(qū)域呈增大趨勢(shì)；早熟棉區(qū)的可種植面積變化趨勢(shì)不明顯；特早熟棉區(qū)和不適宜區(qū)的可種植區(qū)域均減小。

注：1989年為中國(guó)溫帶地區(qū)氣溫突變年份[24]。

由圖3和表3可得：

1）中熟棉區(qū)：中熟棉區(qū)是全疆最小的棉區(qū)，1960－1989年該區(qū)僅分布于吐魯番盆地和哈密盆地的部分地區(qū)，可種植面積僅1.49×104km2；1990－2015年時(shí)中熟棉區(qū)不僅在吐魯番盆地、哈密盆地的分布面積明顯擴(kuò)大，而且還分布于塔里木盆地東部羅布泊地區(qū)，其可種植總面積為5.31×104km2；與1960－1989年相比，中熟棉區(qū)面積增加3.82×104km2，占全疆總面積的比率增加2.3%。

2）早中熟棉區(qū)：早中熟棉區(qū)分布較廣，是新疆的最大棉區(qū)，由于該區(qū)經(jīng)緯度跨度大，生態(tài)環(huán)境差異顯著，故又分為2個(gè)次亞區(qū)：葉塔次亞區(qū)和塔哈次亞區(qū)，葉塔次亞區(qū)分布面積顯著大于塔哈次亞區(qū)。在1960－1989年內(nèi)葉塔次亞棉區(qū)可種植面積為44.82×104km2，主要分布于吐魯番盆地、哈密盆地以及塔里木盆地的大部分地區(qū)，此外還零星分布于新疆東北部海拔500 m以下的地區(qū)；1990－2015年內(nèi)葉塔次亞區(qū)增至47.48×104km2，與1960－1989年相比，該棉區(qū)除在吐魯番盆地、哈密盆地和新疆東北部的分布面積明顯擴(kuò)大外，另在準(zhǔn)噶爾盆地西部有大面積出現(xiàn)，其占地面積增加2.66×104km2；此外在兩時(shí)段內(nèi)，該棉區(qū)位于塔里木盆地的分布區(qū)域存在不同，與1960－1989年相比，該棉區(qū)在塔里木盆地的中西部和東部的分布減少，但在南部的分布明顯增加。1960－1989年內(nèi)，塔哈次亞區(qū)分布于準(zhǔn)噶爾盆地的中西部、吐魯番盆地和哈密盆地邊緣、塔里木盆地的北部、東部邊緣及盆地南部和新疆東北部海拔500m以上的地區(qū)，其可種植面積14.61×104km2，1990－2015年內(nèi)該棉區(qū)可種植面積為14.77×104km2，雖在準(zhǔn)噶爾盆地、吐魯番盆地、哈密盆地及塔里木盆地南部的面積明顯減少，但在塔里木盆地中東部、北部以及新疆東北部海拔500 m以上的地區(qū)的面積增加，故兩時(shí)段內(nèi)可種植面積變化較小。

3）早熟棉區(qū)：該棉區(qū)主要分布于北疆和東疆。北疆片位于準(zhǔn)噶爾盆地、塔城區(qū)附近以及新疆東北部海拔500～1 000 m區(qū)域內(nèi)，東疆片位于吐魯番盆地和哈密盆地邊緣500～1 000 m區(qū)域內(nèi)，此外還零星分布在天山南坡的和靜縣附近及塔里木盆地邊緣。兩段時(shí)間內(nèi)，該棉區(qū)可種植面積基本穩(wěn)定在6.97×104km2；在南疆的分布區(qū)域基本無變化，北疆片在準(zhǔn)噶爾盆地南部分布的面積減少，但在準(zhǔn)噶爾盆地的西部及新疆東北部海拔500～1 000 m區(qū)域內(nèi)分布的面積增加。

4）特早熟棉區(qū)：該棉區(qū)主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地、吐魯番盆地、哈密盆地邊緣以及新疆東北部的海拔1 000～1 500 m區(qū)域，此外還零星分布于天山南坡和靜縣附近海拔1 000～1 500 m區(qū)域以及塔里木盆地邊緣。1960－1989年時(shí)該棉區(qū)可種植面積為8.13×104km2，而1990－2015年時(shí)面積為7.64×104km2，減少了0.49×104km2。

5）不適宜棉區(qū)：阿爾泰山、天山及昆侖山脈周邊由于地勢(shì)海拔等因素導(dǎo)致農(nóng)業(yè)熱量資源不足，不適宜種植棉花。兩時(shí)段內(nèi)，不適宜種植區(qū)面積減少6.14×104km2，棉花適宜種植區(qū)域增加，其主要是由于氣候變暖背景下北疆西部伊犁河流域和準(zhǔn)噶爾盆地東部海拔1 000 m以上區(qū)域熱量條件已滿足棉花生長(zhǎng)的需求，故該區(qū)域棉花可種植面積增加。

表3 1960－2015年新疆各棉區(qū)可種植區(qū)域變化

2.2.2 不同熟性棉花區(qū)劃的熱量限制因素

基于區(qū)劃指標(biāo)以及全疆各地區(qū)的平均氣溫，確定全疆各地區(qū)棉花種植區(qū)域的熱量資源限制因素，圖4表示新疆不同熟性棉區(qū)熱量限制因素的空間分布特征。由圖4可知，山區(qū)附近各地?zé)崃抠Y源限定因素較為一致，而盆地和平原等海拔較低的地區(qū)不同熟性棉花種植的限制因素較為復(fù)雜。阿爾泰山、天山和昆侖山脈處由于地勢(shì)海拔較高，氣溫較低，受≥10 ℃積溫、無霜凍期和7月平均溫度3因素共同限制而不適宜種植棉花；除山脈外，三大山區(qū)附近不宜種植棉花的主要限制因素為≥10 ℃積溫和7月平均溫度，且兩熱量因素也是塔里木盆地處絕大部分的早中熟葉塔次亞棉區(qū)的熱量限制因素；全疆受≥10 ℃積溫和無霜凍期兩因素共同限制的地區(qū)較少，主要零星分布于天山和昆侖山區(qū)的不適宜棉區(qū)內(nèi)；塔里木盆地處早中熟塔哈次亞棉區(qū)以及早中熟葉塔次亞棉區(qū)西部、中部和東部的部分區(qū)域主要受7月平均溫度的限制，此外特早熟棉區(qū)的絕大多數(shù)區(qū)域也受此熱量因素的限制；準(zhǔn)噶爾盆地、塔城區(qū)附近、新疆東北部、吐魯番盆地、哈密盆地及塔里木盆地區(qū)域內(nèi)的早中熟塔哈次亞棉區(qū)、早熟棉區(qū)和部分特早熟棉區(qū)主要受≥10 ℃積溫限制。

2.3 地膜增溫機(jī)制下棉花區(qū)劃變化

地膜植棉技術(shù)于20世紀(jì)90年代初基本應(yīng)用于整個(gè)新疆棉區(qū)，本文基于棉區(qū)區(qū)劃指標(biāo)、地膜覆蓋對(duì)有效氣溫的補(bǔ)償值[20,27,35]，定性分析1990—2015年時(shí)80%保證率下新疆地區(qū)不同熟性棉花在考慮地膜增溫效應(yīng)前后，其種植界限和可種植區(qū)域的變化特征。

由圖3b、圖5a和表4可知，地膜覆蓋下氣積溫的補(bǔ)償效應(yīng)機(jī)制對(duì)不同熟性棉區(qū)的可種植區(qū)域面積和種植界限均存在一定影響，且對(duì)其種植界限影響顯著?？紤]地膜增溫效應(yīng)前后，中熟棉區(qū)的可種植面積基本穩(wěn)定在5.31×104km2，其種植界限及區(qū)域無變化；早中熟葉塔次亞棉區(qū)的可種植區(qū)域有明顯的增大趨勢(shì)；早中熟塔哈次亞棉區(qū)、早熟棉區(qū)、特早熟棉區(qū)的可種植區(qū)域和不適宜區(qū)面積均減小，其中不適宜區(qū)變化不明顯，可種植區(qū)域占全疆棉區(qū)的比率僅減少0.1%。

圖4 1960—2015年新疆地區(qū)棉區(qū)熱量限制因素的空間分布

圖5 1990－2015年地膜覆蓋下新疆棉花可種植區(qū)域及種植界限及可種植區(qū)域變化特征

表4 1990－2015年地膜覆蓋下新疆各棉區(qū)可種植區(qū)域變化

早中熟棉區(qū)：早中熟兩次亞棉區(qū)在考慮地膜增溫效應(yīng)前后，其區(qū)域界限和可種植區(qū)域均發(fā)生一定的變化。從圖5b和表4可知，考慮地膜增溫效應(yīng)前后早中熟葉塔次亞棉區(qū)的四大分布區(qū)（準(zhǔn)噶爾盆地、吐魯番盆地及哈密盆地、塔里木盆地和新疆東北部）的區(qū)域界限均有向四周擴(kuò)的變化趨勢(shì)，其中準(zhǔn)噶爾盆地區(qū)域東擴(kuò)趨勢(shì)最大，準(zhǔn)噶爾盆地區(qū)域南擴(kuò)趨勢(shì)次之，平均擴(kuò)大65和30 km；哈密盆地區(qū)域東擴(kuò)趨勢(shì)明顯，變化范圍在10～90 km；新疆東北部的北擴(kuò)范圍在10～40 km；塔里木盆地區(qū)域南擴(kuò)最大為20 km；考慮地膜增溫效應(yīng)后，葉塔次亞棉區(qū)的可種植區(qū)域面積由47.48×104km2增至52.95×104km2，增加了3.3%。從圖5c和表4中可知，考慮地膜增溫效應(yīng)后，塔哈次亞棉區(qū)在準(zhǔn)噶爾盆地的區(qū)域界限向東擴(kuò)的趨勢(shì)較為明顯，平均擴(kuò)大70 km；雖在新疆西北部的塔城區(qū)附近原早熟棉區(qū)現(xiàn)可種植塔哈次亞棉區(qū)，且在新疆東北部地區(qū)處塔哈次亞棉區(qū)的可種植界限稍微向西北方向擴(kuò)大，但吐魯番、哈密地區(qū)南部處（41°N附近）原塔哈次亞棉區(qū)的部分區(qū)域現(xiàn)可種植葉塔次亞棉區(qū)，致使塔哈次亞棉區(qū)可種植區(qū)域略減小，可種植面積由14.77×104km2縮小至14.45×104km2。

早熟棉區(qū)：由圖5d和表4可知，該棉區(qū)在準(zhǔn)噶爾盆地區(qū)域的種植界限有明顯的東擴(kuò)趨勢(shì)，變化范圍在0～300 km，但該區(qū)域內(nèi)東擴(kuò)大的面積較?。辉撁迏^(qū)原可種植區(qū)域（塔城區(qū)附近、新疆東北部海拔500～1 000 m區(qū)域內(nèi)、哈密盆地和塔里木盆地邊緣）的部分區(qū)域現(xiàn)可用來種植早中熟塔哈次亞棉區(qū)，且該些區(qū)域原種植界限無明顯平移外擴(kuò)趨勢(shì)，致使該棉區(qū)可種植區(qū)域面積明顯減少，減少2.32×104km2，減少了1.4%。

特早熟棉區(qū)：由圖3b、圖5a和表4可知，考慮地膜增溫效應(yīng)后，特早熟棉區(qū)的種植界限基本無變化，而原種植區(qū)域的較大部分現(xiàn)可以種植早熟棉花，因而特早熟棉區(qū)的可種植面積減小，可種植面積由7.64×104km2減少至4.98×104km2，減少了1.6%。

3 討 論

前人研究表明，全球氣候變暖背景下，新疆北疆和南疆熱量資源總體各呈現(xiàn)“平原和盆地多，山區(qū)少”的空間分布格局[11,13,36]；絕大部分地區(qū)10 ℃初（終）日提早（推遲），終（初）霜凍日提前（推遲），≥10 ℃積溫持續(xù)天數(shù)和無霜凍期均延長(zhǎng)，積溫增加，棉花適宜種植區(qū)擴(kuò)大[11,16,36-37]，本文研究結(jié)果與前人研究結(jié)論類似。

文中研究表明氣候變暖，熱量資源得到改善，使新疆地區(qū)中熟棉區(qū)和早中熟棉區(qū)的可種植區(qū)域均不同程度的增加，不適宜種植棉花的區(qū)域面積減小，此與李景林等[11-12]認(rèn)為北疆宜棉區(qū)大幅擴(kuò)張，次宜棉區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)棉區(qū)和不宜棉區(qū)不同程度的減小的結(jié)果類似；本文研究得出南疆早中熟棉區(qū)可種植面積增大、早熟棉區(qū)可種植區(qū)域變化不明顯及特早熟棉區(qū)減少等特征，與張山清等[13]得到的南疆棉花區(qū)劃變化較為接近。本文結(jié)果表明，與北疆相比，南疆宜棉區(qū)中不同熟性棉區(qū)的主要熱量資源限制因子除了受≥10 ℃積溫限制外，還受7月平均溫度的限制，這表明在南疆各地制定和規(guī)劃棉花區(qū)劃時(shí)，除要考慮積溫外，還必須高度重視7月平均溫度這一指標(biāo)。

地膜增溫效應(yīng)機(jī)制下早熟和特早熟棉區(qū)可種植區(qū)域減少，中熟棉區(qū)和早中熟棉區(qū)的種植界限變化趨勢(shì)主要為向四周外擴(kuò)，其可種植區(qū)域均不同程度的增加，這與本文及前人研究得出的氣候變暖背景下（1990－2015年與1960－1989年比較）棉區(qū)的種植界限和可種植面積的變化趨勢(shì)類似[11-13,21]，但其主要影響熱量需求相對(duì)較低的特早熟棉區(qū)和早熟棉區(qū)，而對(duì)熱量需求最高的中熟棉區(qū)的種植界限及可種植區(qū)域均無影響，原因可能為地膜增溫效應(yīng)僅作用于棉花生育前期的苗期和蕾期，對(duì)有效氣積溫的補(bǔ)償值有一定的限度[20,27]，不足以使其他棉區(qū)的熱量資源增加至滿足中熟棉花生長(zhǎng)發(fā)育的需求。

本文中棉田地膜增溫公式全部引用肖明等[20,27]的研究結(jié)果，該公式采用試算法由露地棉苗期、蕾期的逐日平均氣溫及天數(shù)來估算地膜棉的苗期和蕾期天數(shù)，進(jìn)而求得地膜棉的有效氣積溫補(bǔ)償值。該計(jì)算過程以土壤溫度與氣溫的相關(guān)關(guān)系為核心，考慮了氣溫變化對(duì)地溫的影響，且在不同年份和不同試點(diǎn)均得到較好的驗(yàn)證，可操作性較強(qiáng)[28]。但未來仍需用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該公式進(jìn)行驗(yàn)證已確保其時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

本文關(guān)于氣候變化和覆膜下新疆棉花可種植區(qū)域變化特征的研究中，對(duì)不同熟性棉花的區(qū)劃為理論計(jì)算的氣候區(qū)劃。在區(qū)劃指標(biāo)中僅考慮了熱量資源因素，而一個(gè)地區(qū)實(shí)際的種植制度不僅取決于熱量資源，同時(shí)受水資源、土壤條件、當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)水平、社會(huì)效益等因素綜合影響，故未來可綜合考慮水資源、土壤條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素，對(duì)棉花種植區(qū)劃進(jìn)行更深入地研究，為新疆棉花區(qū)劃提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

4 結(jié) 論

本文基于柵格計(jì)算了1960－2015年新疆地區(qū)的≥10 ℃積溫、無霜凍期和7月平均溫度，研究了氣候變化背景下新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)熱量資源的時(shí)空變化特征，比較和探討了氣候變暖和覆膜影響下，不同熟性棉花可種植區(qū)的變化特征以及棉花區(qū)劃的熱量資源限制因素，得出以下主要結(jié)論：

1）1960－2015年新疆地區(qū)總體表現(xiàn)為≥10 ℃積溫、無霜凍期和7月平均溫度分別以64.7 ℃·d/10a、3.3 d/10 a和0.2 ℃/10 a的傾向率呈顯著增加趨勢(shì)；全疆熱量資源有較為明顯的區(qū)域性差異，≥10 ℃積溫、無霜凍期和7月平均溫度的變化與地勢(shì)海拔密切相關(guān)，總體呈現(xiàn)南疆高（多）于北疆，平原和盆地高（多）于山地。

2）與1960－1989年相比1990－2015年時(shí)不同熟性棉區(qū)的可種植區(qū)存在不同程度的變化趨勢(shì)，中熟棉區(qū)的種植面積明顯增加3.82×104km2，主要增加區(qū)域位于塔里木盆地東部地區(qū)；早中熟棉區(qū)的可種植區(qū)域有增大趨勢(shì)，早中熟葉塔次亞棉區(qū)可種植區(qū)的增加區(qū)域主要分布于準(zhǔn)噶爾盆地東部、吐魯番盆地南部、哈密盆地南部以及塔里木盆地西部；早熟棉區(qū)的可種植面積變化趨勢(shì)不明顯，特早熟棉區(qū)的可種植面積和不適宜區(qū)的面積均減少。

3）地膜增溫機(jī)制對(duì)中熟、特早熟棉區(qū)和不宜棉區(qū)的種植界限基本無影響，但對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地區(qū)域棉區(qū)的種植界限影響顯著，準(zhǔn)噶爾盆地區(qū)域內(nèi)早中熟葉塔次亞棉區(qū)、塔哈次亞棉區(qū)平均分別東擴(kuò)65和70 km，早熟棉區(qū)東擴(kuò)范圍在0～300 km；地膜增溫機(jī)制下對(duì)中熟和不宜棉區(qū)的種植面積基本無影響，但早中熟葉塔次亞棉區(qū)可種植面積增加5.47×104km2，增加3.3%，特早熟棉區(qū)面積減小1.6%。

4）全疆棉花種植的熱量資源限制因素的空間分布特征為，不宜棉區(qū)大部分受≥10 ℃積溫和7月平均溫度限制，而三大山脈處不宜棉區(qū)還受無霜凍期限制；北疆宜棉區(qū)中不同熟性棉區(qū)的主要熱量資源限制因子為≥10 ℃積溫，南疆主要為≥10 ℃積溫和7月平均溫度兩者共同限制或7月平均溫度單個(gè)因素限制，大部分早中熟塔哈次亞棉區(qū)、早熟棉區(qū)和部分特早熟棉區(qū)受≥10 ℃積溫限制。

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Effects of global warming and plastic mulching on cotton-planting zoning with different matures in Xinjiang

Hu Liting1,2, Hu Qi1※, Pan Xuebiao1, Ma Xueqing1, Xu Lin1, Wang Xiangru2, Zhang Hengheng2

(1.100193; 2.455000)

Xinjiang is a main producing area of cotton in China. This study investigated the effects of global warming and plastic mulching on cotton-planting zoning of different matures in Xinjiang. The climatic data were from 173 meteorological stations during 1960-2015 in temperate zone around Xinjiang within a range of 200 km. The digital elevation mode data were from the United States Geological Survey, which had the resolution about 900 m. We analyzed the spatio-temporal variation of accumulated temperature not less than 10 ℃, frost-free period and mean temperature in July with the aid of ANUSPLIN interpolation software. The cotton-growing area was classified based on these 3 parameters. In addition, the change of planting boundaries and area of different cotton matures were studied with climate change and the compensation effect of plastic mulching. The main results included: 1) the accumulated temperature not less than 10 ℃, frost-free period and mean temperature in July showed an increasing trend in 1960-2015. Regional differences on thermal resources were obvious in Xinjiang. The accumulated temperature not less than 10 ℃, frost-free period and mean temperature in July were closely related to the terrain elevation. The thermal resources wasricher in the southern Xinjiang than those the northern Xinjiang and richer in plain areas than in mountain areas. 2) under global warming, the ratio of planting areas of middle mature and early-middle mature cotton all increased.The area of middle mature cotton region increased by 3.82×104km2, and the main increase areas were located in the eastern part of tarim basin. The increased area of early-middle mature cotton was widely distributed in the eastern Junggar Basin, the southern Turpan Basin, the southern Hami Basin and the western Tarim Basin. But the proportion of planting area of early maturing cotton did not change significantly and exceptional early-mature and unsuitable areas decreased. 3) the accumulated temperature not less than 10oC and mean temperature in July were the main limiting factors in unsuitable planting areas, besides the areas near Tianshan, Altai and Kunlun Mountains were also restricted by frost-free period. The main thermal limiting factors in early-middle mature cotton areas (Taha), early mature cotton areas and most regions of exceptional early-mature were limited by the accumulated temperature not less than 10 ℃. 4) cotton plastic mulching had no significant influence on the planting boundaries of middle mature, early mature and unsuitable planting areas. But it had a significant influence on the planting boundaries of cotton areas in the area of the Junggar basin. With plastic mulching, theplanting boundary of early-middle mature cotton extended 65 km to the east approximately, and that of early mature cotton areas extended 0-300 km to the east. With the plastic mulching, the planting area of early-middle mature cotton (Yeta) increased by 5.47×104km2, some of which was from the former Taha cotton area. In addition, the planting areas of early mature and exceptional early-mature cotton decreased by 1.4% and 1.6% respectively. This study provide an effective method for cotton-planting zoning of different matures in Xinjiang.

global warming; cotton; zoning; plastic mulching; Xinjiang; planting boundaries

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.012

S162.5+4

A

1002-6819(2019)-02-0090-10

2018-08-17

2019-01-01

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0101600）；公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（GYHY201206022）

胡莉婷，博士生，主要從事氣候變化影響和農(nóng)業(yè)作物模型研究。Email：huliting@cau.edu.cn

胡琦，博士，講師，主要從事氣候變化影響評(píng)價(jià)研究。Email：s10020292@cau.edu.cn

胡莉婷，胡 琦，潘學(xué)標(biāo)，馬雪晴，徐 琳，王香茹，張恒恒. 氣候變暖和覆膜對(duì)新疆不同熟性棉花種植區(qū)劃的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(2)：90－99. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.012 http://www.tcsae.org

Hu Liting, Hu Qi, Pan Xuebiao, Ma Xueqing, Xu Lin, Wang Xiangru, Zhang Hengheng. Effects of global warming and plastic mulching on cotton-planting zoning with different matures in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 90－99. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.012 http://www.tcsae.org