氣候變暖對新疆不同秋眠級紫花苜蓿種植適宜性的影響

普宗朝，張山清

（1. 新疆烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；2. 新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002）

紫花苜蓿(Medicago sativa)具有抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、適口性好的特點(diǎn)，素有“牧草之王”之稱，是全世界種植面積最大的優(yōu)良牧草[1]。紫花苜蓿品種多樣，不同品種的紫花苜蓿對氣候條件的要求及適應(yīng)性不同[2]。秋眠性(fall dormancy)是指不同品種苜蓿在秋季日照長度變短、氣溫下降時(shí)其形態(tài)和生產(chǎn)能力表現(xiàn)出的不同的變化特征。依據(jù)這些反應(yīng)特征，Hanson 等[3]將苜蓿品種分為9 個(gè)等級，并確定了每個(gè)秋眠級的標(biāo)準(zhǔn)對照苜蓿品種，其中1、2、3 級屬秋眠類型，4、5、6 級屬半秋眠類型，7、8、9 級為非秋眠類型。Sm ith[4]、Larson 和Sm ith[5]研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿的秋眠性與其再生性、生產(chǎn)力、耐寒性等高度相關(guān)，其中，秋眠類型的苜?？购詮?qiáng)，但產(chǎn)量低、再生慢；非秋眠類型苜?？篃嵝詮?qiáng)、產(chǎn)量高、再生快，但抗寒性能差。由于秋眠性具有獨(dú)特且十分重要的生物學(xué)指示意義，因此，世界各地將秋眠性作為苜蓿品種特性評定的第一指標(biāo)，在苜蓿種植品種的選擇、引進(jìn)以及越冬抗寒能力鑒定中得到廣泛應(yīng)用[6]。美國、加拿大等苜蓿種植大國應(yīng)用秋眠性對苜蓿種植進(jìn)行氣候區(qū)劃，并預(yù)測其抗寒性，為苜蓿的引種和品種布局提供科學(xué)依據(jù)[3]。盧欣石[2]以秋眠性指標(biāo)為依據(jù)，將經(jīng)過國家審定的23 個(gè)紫花苜蓿品種劃分為秋眠性和極秋眠性類型，并提出了不同秋眠性紫花苜蓿在中國的適宜種植區(qū)域。朱萬斌[7]采用秋眠性指標(biāo)探討了紫花苜蓿品種區(qū)劃，認(rèn)為熱量和降水量是影響中國紫花苜蓿分布的關(guān)鍵因子，并根據(jù)田間試驗(yàn)給出不同秋眠級品種完成1～3茬所需要的積溫。諸多學(xué)者基于苜蓿的秋眠性氣候指標(biāo)，利用中國各地年積溫 ≥ 0、 ≥ 5 或 ≥ 10 ℃·d界限，以及冬季最低氣溫和年降水量等氣候因子，結(jié)合地理信息技術(shù)對全國紫花苜蓿綜合氣候區(qū)劃進(jìn)行了初步研究，劃定了不同秋眠級紫花苜蓿的適宜種植區(qū)域[8-12]。另有學(xué)者對北疆10 個(gè)不同秋眠級紫花苜蓿引進(jìn)品種的產(chǎn)量與營養(yǎng)品質(zhì)的研究表明，紫花苜蓿秋眠級與粗蛋白含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P ＜ 0.001)，并指出石河子墾區(qū)最適宜種植的紫花苜蓿為秋眠級4 級和5 級品種[13]。

以氣候變暖為主要特征的全球變化已成為不爭的事實(shí)[14]。在此背景下，1951 年以來中國氣候也呈明顯的變暖趨勢[15]。氣候變暖使中國大部分地區(qū)熱量資源增多，農(nóng)業(yè)氣候帶北移，作物生長季延長[16]，各地適宜種植的農(nóng)作物及其品種也發(fā)生了相應(yīng)的變化[17-19]，但迄今有關(guān)氣候變化對中國紫花苜蓿種植影響的研究還很少見。新疆地處歐亞大陸腹地，光照充足，熱量豐富，氣溫日較差大，平原綠洲地帶雖降水稀少，但天山、阿爾泰山和昆侖山區(qū)較豐沛的降水及高山冰川、積雪融水形成的徑流為綠洲農(nóng)業(yè)提供了較穩(wěn)定的灌溉水資源保障[19-20]。獨(dú)特的氣候和生態(tài)條件以及廣袤的土地資源，使新疆成為我國紫花苜蓿種植歷史最悠久、種植規(guī)模最大的地區(qū)之一[21]。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，新疆農(nóng)業(yè)種植由傳統(tǒng)的“糧–經(jīng)”二元結(jié)構(gòu)向“糧–經(jīng)–飼”三元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，紫花苜蓿的種植進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，2015 年全疆紫花苜蓿種植面積達(dá)35.167 7 × 104hm2，總產(chǎn)量6.008 44 × 108kg[22]，居全國前列。但由于幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜，氣候類型多樣，新疆各地種植紫花苜蓿的氣候適宜性及其品種類型不同。另外，自1961 年以來，受全球氣候變暖的影響，新疆氣候總體呈顯著的“暖濕化”趨勢，并且20 世紀(jì)90 年代末期以來氣候變暖的速率進(jìn)一步加快[17-19]，氣候變暖必將對新疆紫花苜蓿的種植也產(chǎn)生廣泛而深刻的影響。近年來，作為全國紫花苜蓿區(qū)劃的一部分，新疆紫花苜蓿區(qū)劃在一些學(xué)者的研究[8-12]中有過粗略體現(xiàn)，但作為獨(dú)立的省(區(qū))級專項(xiàng)區(qū)劃至今仍未系統(tǒng)開展，而有關(guān)氣候變化對新疆紫花苜蓿種植適宜性影響的研究更是鮮見報(bào)道。因此，在分析影響新疆紫花苜蓿種植的主要?dú)夂蛞蛩貢r(shí)空變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合紫花苜蓿的秋眠性氣候指標(biāo)，就氣候變化對新疆不同秋眠級紫花苜蓿種植氣候適宜性的影響及其分區(qū)進(jìn)行研究和分析，以期為適應(yīng)氣候變化，科學(xué)制定新疆紫花苜蓿種植發(fā)展規(guī)劃和品種布局，促進(jìn)紫花苜蓿產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆位于中國西北邊陲，坐標(biāo)73°40 ? 96°18′ E，34°25′ ? 48°10′ N，面積166.49 × 104km2，是中國陸地面積最大的省級行政區(qū)，其地形可概括為“三山夾二盆”，北部阿爾泰山，南部為昆侖山系，天山橫亙于中部，準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地分別位于阿爾泰山與天山之間以及天山與昆侖山之間。習(xí)慣上將天山以南稱作南疆，天山以北為北疆，吐魯番盆地、哈密盆地為東疆。新疆地勢高差懸殊，最低點(diǎn)吐魯番艾丁湖海拔?155 m，最高點(diǎn)喀喇昆侖山脈的主峰喬戈里峰海拔8 611 m。由于深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，新疆屬典型的溫帶大陸性氣候，日照充足，晝夜溫差大，降水稀少，氣候干燥。獨(dú)特的氣候，廣袤的土地資源，使新疆成為我國重要的糧、棉、特色林果和畜牧業(yè)生產(chǎn)基地。

1.2 資料來源

選取新疆氣象信息中心(http://10.185.89.55/cim issapiweb/)提供的新疆境內(nèi)102 個(gè)氣象站1961?2019 年逐日平均氣溫、最低氣溫資料以及各站地理坐標(biāo)和新疆地理信息數(shù)據(jù)資料(圖1)。

1.3 不同秋眠級紫花苜蓿氣候適宜性指標(biāo)

圖 1 新疆海拔高度及氣象站點(diǎn)分布Figure 1 The distribution of elevation and 102 meteorological stations in Xinjiang

影響紫花苜蓿種植的因素較多，既有品種、栽培技術(shù)、土壤和灌溉條件等農(nóng)業(yè)因素，還與生長季熱量、越冬期的低溫以及降水量等氣候因素密不可分，其中，氣候條件是影響不同秋眠級紫花苜蓿種植的基礎(chǔ)性因素[1-3]。新疆降水稀少，紫花苜蓿對水分條件的需求主要通過灌溉得到有效保障，因此，本研究僅考慮紫花苜蓿生長期的熱量條件及越冬期的低溫作為其種植氣候適宜性判別因子。由于日均氣溫(Tmean) ≥ 5 ℃是紫花苜蓿生長的界限溫度[7-8,23]，因此，以 ≥ 5 ℃積溫作為評價(jià)新疆紫花苜蓿生長期熱量條件的氣候因子，另以冬季最低氣溫(Tmin)作為判別紫花苜蓿越冬安全性的氣候因子[2-3]。由于新疆 ≥ 5 ℃積溫和冬季最低氣溫的年際波動(dòng)和年代際變化都較大，若以 ≥ 5 ℃積溫和冬季最低氣溫的多年平均值作為判別紫花苜蓿生長季熱量條件和越冬安全性的指標(biāo)，則只有50%成功的把握，因此，從穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)角度考慮，本研究采用80%保證率的 ≥ 5 ℃積溫作為新疆紫花苜蓿生長期熱量指標(biāo)因子，90%保證率的冬季最低氣溫作為紫花苜蓿越冬期的低溫指標(biāo)因子[17-19,24-25]，參考關(guān)于紫花苜蓿種植氣候適宜性指標(biāo)的研究結(jié)果[7-11]，并結(jié)合新疆實(shí)際情況，確定各秋眠級紫花苜蓿種植適宜氣候指標(biāo)及其等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)。由于以上兩項(xiàng)氣候指標(biāo)對紫花苜蓿種植的影響是相互獨(dú)立的，具有不可替代性，因此，必須同時(shí)具備。

表 1 新疆不同秋眠級紫花苜蓿種植氣候適宜性指標(biāo)Table 1 The climatic suitability indices for different fall dormancy grades alfalfa p lanting in Xinjiang

1.4 各指標(biāo)氣候要素的統(tǒng)計(jì)方法

1) ≥ 5 ℃積溫：采用5 日滑動(dòng)平均法[25]確定各年份日平均氣溫穩(wěn)定通過 ≥ 5 ℃的初日和終日，≥5 ℃初、終日間逐日平均氣溫之和為 ≥ 5 ℃活動(dòng)積溫，簡稱 ≥ 5 ℃積溫。

2) 冬季最低氣溫：上年秋末冬初日平均氣溫穩(wěn)定 ＜ 0 ℃的初日至當(dāng)年冬末春初日平均氣溫穩(wěn)定 ＜0 ℃的終日為冬季[26]，期間出現(xiàn)的最低氣溫，稱作冬季最低氣溫。

結(jié)合醫(yī)院管理要求：從環(huán)境來看，干凈整潔，無污染源，具有獨(dú)立性，流水線工作，管理為封閉式，不會受到外界影響。合理劃分回收污染物品和清潔物品的包裝及無菌物品發(fā)放區(qū)域，利用強(qiáng)制性通過方式規(guī)定污染區(qū)、清潔區(qū)和無菌區(qū)路線，禁止逆行。

3) 80%保證率 ≥ 5 ℃積溫和90%保證率冬季最低氣溫：由于熱量要素服從正態(tài)分布[25]，根據(jù)正態(tài)分布中保證率與隨機(jī)變量的關(guān)系，利用研究時(shí)段內(nèi)各站 ≥ 5 ℃積溫和冬季最低氣溫序列多年平均值與序列的樣本標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算80%保證率 ≥ 5 ℃積溫和90%保證率冬季最低氣溫值[25]。

4) 缺失或不連續(xù)資料的插補(bǔ)：對少數(shù)因建站較晚、遷站或資料缺測，導(dǎo)致1961?2019 年 ≥ 5 ℃積溫或冬季最低氣溫序列不完整、不連續(xù)的站點(diǎn)，以臨近的天氣氣候條件及地形條件基本相似且資料序列完整的站作為基本站[27]，利用與基本站氣候要素的線性回歸關(guān)系(P ＜ 0.001)進(jìn)行插補(bǔ)或延長[27]，以獲取完整的 ≥ 5 ℃積溫和冬季最低氣溫資料序列。

1.5 各指標(biāo)氣候要素變化趨勢分析方法

用線性傾向率[28]對1961?2019 年新疆 ≥ 5 ℃積溫和冬季最低氣溫的變化趨勢進(jìn)行分析。由于1961 年以來新疆各熱量要素的變化具有階段性差異[19]，主要表現(xiàn)為，20 世紀(jì)60 年代至70 年代 ≥ 5 ℃積溫和冬季最低氣溫均為近50 多年最低；80 年代至90 年代冬季最低氣溫顯著升高，而 ≥ 5 ℃積溫變化不大；進(jìn)入21 世紀(jì)以來，≥ 5 ℃積溫顯著升高，而冬季最低氣溫卻又略呈降低趨勢。因此，為明確不同階段各指標(biāo)要素的變化對不同秋眠級紫花苜蓿種植的影響，將1961?2019 年劃分為1961?1980年(時(shí)段Ⅰ)、1981?2000 年(時(shí)段Ⅱ)和2001?2019 年(時(shí)段Ⅲ)3 個(gè)研究時(shí)間段進(jìn)行對比分析。

1.6 各指標(biāo)氣候要素的柵格化數(shù)學(xué)模型

新疆地域遼闊，地形地貌復(fù)雜，地勢高差懸殊，氣候類型多樣[19-20,26]，但氣象站點(diǎn)稀疏且分布不均(圖1)，為提高各指標(biāo)氣候要素空間分布式模擬的精度，采用混合插值法(宏觀地理因子的三維二次趨勢面模擬與反距離加權(quán)殘差訂正相結(jié)合)對各研究時(shí)段80%保證率 ≥ 5 ℃積溫和90%保證率冬季最低氣溫進(jìn)行500 m × 500 m 柵格點(diǎn)的空間插值模擬[17-19]，計(jì)算公式：

式中： w 為各要素的柵格點(diǎn)模擬值； w(λ,φ,h)為宏觀地理因子影響的各要素的柵格點(diǎn)模擬值； ε為局部小地形因子和隨機(jī)因素對各要素的影響，即殘差項(xiàng)； λ為柵 格 點(diǎn)的平均經(jīng)度(°)； φ為柵格點(diǎn)的平均緯度(°)；h為柵格點(diǎn)的平均海拔高度(m)；b0, b1, b2,··· ,b9為待定系數(shù)。 ε的柵格點(diǎn)插值模擬采用反距離加權(quán)法，插值計(jì)算公式：

式中： ε為指標(biāo)要素殘差項(xiàng)的柵格點(diǎn)模擬值；n 為用于插值的氣象站點(diǎn)的數(shù)目； εi為第i 個(gè)氣象站點(diǎn)指標(biāo)要素的殘差值；di為插值的柵格點(diǎn)與第i 個(gè)氣象站點(diǎn)之間的歐氏距離；k 為距離的冪。

1.7 不同秋眠級紫花苜蓿種植氣候適宜性分析

在ArcGIS 10.5 平臺上將經(jīng)過空間插值模擬的不同時(shí)段各指標(biāo)氣候要素的柵格化圖層進(jìn)行分級和疊加處理，即可獲得新疆不同時(shí)段各秋眠級紫花苜蓿種植氣候適宜性區(qū)劃圖，并對其進(jìn)行分區(qū)評述。

2 結(jié)果與分析

2.1 各指標(biāo)氣候要素變化趨勢

2.1.1 ≥ 5 ℃積溫

圖 2 1961?2019 年新疆 ≥ 5 ℃積溫變化Figure 2 Change of the ≥ 5 ℃ accumulated tem perature in Xinjiang from 1961 to 2019

2.1.2 冬季最低氣溫

1961?2019 年新疆冬季最低氣溫總體以0.63 ℃·10 a?1的傾向率呈極顯著(P ＜ 0.001)上升趨勢(圖3)，59 年來升高了3.7 ℃。就3 個(gè)時(shí)段全疆平均冬季最低氣溫的變化情況來看(表2)，時(shí)段Ⅰ最低，為?26.3 ℃，較59 年平均值偏低1.8 ℃；時(shí)段Ⅱ升至?23.3 ℃，較時(shí)段Ⅰ升高了3.0 ℃，比59 年平均值偏高1.2 ℃，升溫明顯；進(jìn)入21 世紀(jì)以來，時(shí)段Ⅲ冬季最低氣溫又略有降低，為?23.8 ℃，較時(shí)段Ⅱ降低了0.5 ℃，但仍較59 年平均偏高0.7 ℃。3 個(gè)時(shí)段90%保證率冬季最低氣溫的變化與冬季最低氣溫平均值的變化基本一致，即時(shí)段Ⅰ的90%保證率最低氣溫最低，為?29.9 ℃，比59 年的90%保證率最低氣溫低1.2 ℃；時(shí)段Ⅱ升至?27.0 ℃，較時(shí)段Ⅰ升高了2.9 ℃，比59年的90%保證率最低氣溫偏高1.7 ℃；時(shí)段Ⅲ略有降低，為?27.8 ℃，較時(shí)段Ⅱ降低了0.8 ℃，但仍較59 年的90%保證率最低氣溫偏高0.9 ℃。比較各時(shí)段90%保證率冬季最低氣溫與同期冬季最低氣溫平均值可以看出，前者較后者偏低3.7～4.0 ℃。

2.2 各氣候指標(biāo)空間分布及其變化

2.2.1 80%保證率 ≥ 5 ℃積溫

新疆80%保證率 ≥ 5 ℃積溫的空間分布總體呈現(xiàn)“南疆多，北疆少；平原和盆地多，山區(qū)少”的特點(diǎn)(圖4)。時(shí)段Ⅰ(1961–1980 年)，80%保證率 ≥ 5 ℃積溫多于5 000 ℃·d (5 000～5 841 ℃·d)的區(qū)域僅在東疆的吐魯番盆地、哈密盆地腹地有少量分布；南疆的塔里木盆地、東疆的吐魯番盆地和哈密盆地大部以及北疆的準(zhǔn)噶爾盆地西南緣局部為4 000～5 000 ℃·d；準(zhǔn)噶爾盆地大部，塔里木盆地、吐魯番盆地和哈密盆地周邊山前傾斜平原為3 000～4 000 ℃·d；準(zhǔn)噶爾盆地周邊山前傾斜平原及塔里木盆地、吐魯番盆地和哈密盆地周邊低山丘陵地帶為2 300～3 000 ℃·d；阿爾泰山和天山山區(qū)以及昆侖山的中、高山帶不足2 300 ℃·d。時(shí)段Ⅱ(1981–2000 年)與時(shí)段Ⅰ相比，80%保證率 ≥ 5 ℃積溫的空間分布格局變化不大，其中，80%保證率 ≥ 5 ℃積溫多于5 000 ℃·d(5 000～5 940 ℃·d)和4 000～5 000 ℃·d 的區(qū)域略有擴(kuò) 大，而3 000～4 000 ℃·d 和2 300～3 000 ℃·d 以及不足2 300 ℃·d 的區(qū)域略有減小。時(shí)段Ⅲ(2001?2019 年)較時(shí)段Ⅱ，各等級80%保證率 ≥ 5 ℃積溫區(qū)的海拔上限抬升了100～200 m，因此，80%保證率 ≥ 5 ℃積溫多于5 000 ℃·d (5 000～6 178 ℃·d)和4 000～5 000 ℃·d 的區(qū)域向高海拔或高緯度方向明顯的擴(kuò)張，而3 000～4 000 ℃·d 及2 300～3 000 ℃·d 的區(qū)域明顯減小，不足2 300 ℃·d 的區(qū)域向高海拔方向略有壓縮。新疆沒有80%保證率 ≥ 5 ℃積溫6 300 ℃·d 以上區(qū)域出現(xiàn)。

表 2 1961?2019 年不同時(shí)期新疆紫花苜蓿種植氣候區(qū)劃指標(biāo)要素值Table 2 Climatic regionalization index value of alfalfa in different periods in Xinjiang from 1961 to 2019

圖 3 1961?2019 年新疆冬季最低氣溫變化Figure 3 Change of w inter m inimum tem perature from 1961 to 2019 in Xinjiang

2.2.2 90%保證率冬季最低氣溫

圖 5 1961?2019 年新疆90%保證率冬季最低氣溫空間分布Figure 5 The spatial distribution of guarantee rate 90%w inter m inimum tem perature from 1961 to 2019 in Xinjiang

新疆90%保證率冬季最低氣溫的空間分布總體呈現(xiàn)“南疆高，北疆低；平原高，山區(qū)低”的特點(diǎn)，另外，準(zhǔn)噶爾盆地腹地受冬季“冷湖”效應(yīng)的影響[26]，也是冬季最低氣溫的低值區(qū)(圖5)。時(shí)段Ⅰ，塔里木盆地和吐魯番盆地大部高于?23.3 ℃ (?23.3～?16.4 ℃)；塔里木盆地和吐魯番盆地周邊山前傾斜平原和低山帶、哈密盆地大部、伊犁河谷以及準(zhǔn)噶爾盆地西部和東部低平原地帶為?31.7～?23.3 ℃；北疆北部、西部，準(zhǔn)噶爾盆地腹地，以及天山和昆侖山中高山帶為?40.0～?31.7 ℃；阿爾泰山區(qū)以及天山和昆侖山的高山帶低于?40.0 ℃。時(shí)段Ⅱ與時(shí)段Ⅰ相比，除昆侖山高山帶90%保證率冬季最低氣溫略有降低，其?40.0 ℃～?31.7 ℃和低于?40.0 ℃的區(qū)域略有擴(kuò)大外，全疆大部90%保證率冬季最低氣溫呈上升趨勢，升幅在0.1～3.0 ℃，受其影響，各等級90%保證率冬季最低氣溫區(qū)的海拔上限抬升了100～300 m，90%保證率冬季最低氣溫高于?23.3 ℃ (?23.3～?13.6 ℃)和?31.7～?23.3 ℃的區(qū)域明顯擴(kuò)大，而?40.0～?31.7 ℃和低于?40.0 ℃的區(qū)域明顯向高海拔或高緯度方向壓縮。時(shí)段Ⅲ與時(shí)段Ⅱ相比，全疆90%保證率冬季最低氣溫的空間分布格局變化不大，但各地仍略有變化，其中，北疆沿天山西部、伊犁河谷以及天山、昆侖山高山帶升溫0.1～1.5 ℃，全疆其余大部降溫0.2～2.0 ℃，受其影響，北疆北部，天山、阿爾泰山以及昆侖山區(qū)90%保證率冬季最低氣溫?40.0～?31.7 ℃和低于?40.0 ℃的區(qū)域有所減小，?31.7～?23.3 ℃的區(qū)域有所擴(kuò)大，而高于?23.3 ℃(?23.3～?13.0 ℃)的區(qū)域變化不大。全疆沒有90%保證率冬季最低氣溫高于?12.0 ℃·d 的區(qū)域。

2.3 不同秋眠級紫花苜蓿氣候適宜性區(qū)劃

2.3.1 秋眠級4～6 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)

時(shí)段Ⅰ，該秋眠級紫花苜蓿適宜種植區(qū)在塔里木盆地以及吐魯番盆地的腹地(圖6)，面積51.677 5 ×104km2，占新疆總面積的31%。時(shí)段Ⅱ，該秋眠級紫花苜蓿適宜種植區(qū)在塔里木盆地變化不明顯，但在吐魯番盆地明顯擴(kuò)大，另在哈密盆地也有一定規(guī)模的出現(xiàn)，其面積增至56.459 4 × 104km2，增大了4.781 9 ×104km2，占比增大到34%。時(shí)段Ⅲ，該區(qū)在塔里木盆地、吐魯番盆地和哈密盆地均進(jìn)一步擴(kuò)大，其面積增至62.702 6 × 104km2，較時(shí)段Ⅱ擴(kuò)大了6.243 2 ×104km2，占比增大到38% (表3)。

該種植區(qū)屬暖溫帶氣候區(qū)[19]，是新疆熱量資源最豐富的區(qū)域，80%保證率 ≥ 5 ℃積溫在4 000 ℃·d以上，吐魯番盆地和哈密盆地腹地可達(dá)5 000 ℃·d以上(但不足6 300 ℃·d)，積溫條件能夠滿足秋眠級4～6 級的半秋眠性紫花苜蓿的種植，其中，吐魯番盆地和哈密盆地腹地甚至能滿足秋眠級7～8 級的非秋眠性紫花苜蓿的種植?？墒怯捎谠摲N植區(qū)90%保證率冬季最低氣溫雖高于?23.3 ℃，但低于?12.0 ℃，因此，只能種植秋眠級4～6 級的半秋眠性紫花苜蓿品種。

圖 6 1961?2019 年新疆紫花苜蓿秋眠級及適宜氣候區(qū)劃Figure 6 The climatic zoning of fall dormancy grades and suitable alfalfa variety from 1961 to 2019 in Xinjiang

對比可以看出，90%保證率冬季最低氣溫?23.3 ℃以上區(qū)域普遍較80%保證率 ≥ 5 ℃積溫4 000 ℃·d以上的區(qū)域大，按照“木桶短板定律”，秋眠級4～6 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)的分布主要取決于80%保證率 ≥ 5 ℃積溫，而90%保證率冬季最低氣溫對其影響不大。3 個(gè)時(shí)段的秋眠級4～6 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)與同時(shí)期80%保證率 ≥ 5 ℃積溫4 000 ℃·d 以上區(qū)域的一致性和吻合度遠(yuǎn)高于90%保證率冬季最低氣溫?23.3 ℃以上區(qū)域，也證明了這一點(diǎn)。近59 年新疆秋眠級4～6 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)擴(kuò)大的成因主要是，氣候變暖使80%保證率 ≥ 5 ℃積溫4 000 ℃·d 以上區(qū)域總體向高海拔、高緯度方向擴(kuò)張，與此同時(shí)90%保證率冬季最低氣溫?23.3 ℃以上的區(qū)域也明顯擴(kuò)大。秋眠級4～6級紫花苜蓿適宜種植區(qū)光熱氣候資源豐富，紫花苜蓿生長季長，收獲茬次多(可收獲4～5 茬)，產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)，因此，是新疆紫花苜蓿種植最理想的區(qū)域。

表 3 新疆不同時(shí)期紫花苜蓿秋眠級及適宜種植品種區(qū)域面積Table 3 The statistics result of all dormancy grades and suitable alfalfa variety p lanting area in different periods

2.3.2 秋眠級2～3 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)

時(shí)段Ⅰ，秋眠級2～3 級的紫花苜蓿適宜種植區(qū)主要分布在塔里木盆地周邊山前傾斜平原、吐魯番盆地和哈密盆地大部、伊犁河谷以及準(zhǔn)噶爾盆地西部和東部的低平原地帶(圖6)，面積33.906 5 × 104km2，占新疆總面積的20%。時(shí)段Ⅱ較時(shí)段Ⅰ，2～3 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)在塔里木盆地、吐魯番盆地和哈密盆地有所減小，但在北疆卻明顯擴(kuò)大，具體表現(xiàn)為：準(zhǔn)噶爾盆地原先秋眠級1～2 級的適宜種植區(qū)大部被2～3 級適宜種植區(qū)所覆蓋，全疆秋眠級2～3 級的紫花苜蓿適宜種植區(qū)面積增至38.066 6 × 104km2，較時(shí)段Ⅰ增大了4.160 1 × 104km2，占比增大到23%，增大3 個(gè)百分點(diǎn)。時(shí)段Ⅲ與時(shí)段Ⅱ相比，該秋眠級紫花苜蓿適宜種植區(qū)在北疆變化不大，南疆和東疆略有減小，其面積略降至36.366 6 × 104km2，較時(shí)段Ⅱ縮小了1.700 0 × 104km2，占比降至22% (表3)。

該種植區(qū)大部屬中溫帶氣候區(qū)[19]，80%保證率≥ 5 ℃積溫3 000～4 200 ℃·d，90%保證率冬季最低氣溫?31.7 ℃～?23.3 ℃，氣候條件適合秋眠級2～3 級的紫花苜蓿種植，年收獲3～4 茬。對照3 個(gè)時(shí)段秋眠級2～3 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)與同時(shí)段80%保 證 率 ≥ 5 ℃積 溫3 000～4 200 ℃·d 和90%保證率冬季最低氣溫?31.7～?23.3 ℃區(qū)域的分布，可以看出該秋眠級紫花苜蓿適宜種植區(qū)及其變化主要受90%保證率冬季最低氣溫的影響，80%保證率 ≥ 5 ℃積溫對其影響不大。時(shí)段Ⅱ較時(shí)段Ⅰ因90%保證率冬季最低氣溫顯著升高，全疆尤其是北疆90%保證率冬季最低氣溫?31.7～?23.3 ℃的區(qū)域明顯擴(kuò)大，因此，秋眠級2～3 級的紫花苜蓿適宜種植區(qū)也明顯擴(kuò)大；時(shí)段Ⅲ較時(shí)段Ⅱ的90%保證率冬季最低氣溫略有降低，因此，全疆2～3 級秋眠級紫花苜蓿的適宜種植區(qū)也略有縮小。

2.3.3 秋眠級1～2 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)

時(shí)段Ⅰ，秋眠級1～2 級的紫花苜蓿適宜種植區(qū)主要分布在北疆北部、西部，準(zhǔn)噶爾盆地腹地以及天山和昆侖山中、低山帶(圖6)，面積25.709 6 × 104km2，占新疆總面積的15%。時(shí)段Ⅱ較時(shí)段Ⅰ，該區(qū)明顯減小，主要表現(xiàn)為，時(shí)段Ⅰ準(zhǔn)噶爾盆地大部秋眠級1～2 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)至?xí)r段Ⅱ已被秋眠級2～3 級所取代，全疆秋眠級1～2 級適宜種植區(qū)面積縮小至17.354 6 × 104km2，較時(shí)段Ⅰ減小了8.355 ×104km2，占比減小到10%。時(shí)段Ⅲ較時(shí)段Ⅱ，該秋眠級的適宜種植區(qū)的分布和面積變化不大(表3)。

該種植區(qū)屬中溫帶和寒溫帶過渡氣候區(qū)[19]，熱量條件相對匱乏，80%保證率 ≥ 5 ℃積溫2 300～3 000 ℃·d，冬季氣溫較低，90%保證率冬季最低氣溫?40.0～?31.7 ℃，綜合氣候條件僅適合秋眠級1～2 級紫花苜蓿的種植，年收獲2～3 茬。

對照3 個(gè)時(shí)段秋眠級1～2 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)與同期80%保證率 ≥ 5 ℃積溫2 300～3 000 ℃·d和90%保證率冬季最低氣溫?40.0～?31.7 ℃區(qū)域的分布，可以看出該秋眠級紫花苜蓿適宜種植區(qū)的分布主要受90%保證率冬季最低氣溫的影響，而80%保證率 ≥ 5 ℃積溫的變化對其影響不大。時(shí)段Ⅰ至?xí)r段Ⅱ因90%保證率冬季最低氣溫顯著升高，北疆及天山山區(qū)90%保證率冬季最低氣溫?40.0～?31.7 ℃的區(qū)域明顯縮小，因此，秋眠級1～2 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)也明顯減??；時(shí)段Ⅲ較時(shí)段Ⅱ的90%保證率冬季最低氣溫變化不大，因此該秋眠級紫花苜蓿的適宜種植區(qū)也穩(wěn)定少變。

2.3.4 紫花苜蓿不宜種植區(qū)

阿爾泰山、天山和昆侖山區(qū)大部屬寒溫帶和亞寒帶，高海拔區(qū)域?qū)俑呱胶畮夂騾^(qū)[19]，熱量資源嚴(yán)重匱乏，80%保證率 ≥ 5 ℃積溫不足230 0 ℃·d，難以滿足紫花苜蓿生長發(fā)育對熱量條件的基本需求，加之冬季嚴(yán)寒，90%保證率冬季最低氣溫低于?40.0 ℃，紫花苜蓿安全越冬沒有保障，因此，該區(qū)域不適宜紫花苜蓿的種植(圖6)?？梢钥闯鲎匣ㄜ俎２贿m宜種植區(qū)及其變化主要受80%保證率 ≥ 5 ℃積溫的影響，時(shí)段Ⅰ至?xí)r段Ⅱ因各山區(qū)80%保證率 ≥ 5 ℃積溫少于2 300 ℃·d 的區(qū)域變化不大，因此該區(qū)也穩(wěn)定少變；時(shí)段Ⅲ較時(shí)段Ⅱ80%保證率 ≥ 5 ℃積溫少于2 300 ℃·d 的區(qū)域總體向高海拔收縮，因此，紫花苜蓿不宜種植區(qū)也有所減小(表3)。

3 討論與結(jié)論

自20 世紀(jì)60 年代以來國內(nèi)外關(guān)于紫花苜蓿的秋眠性以及不同秋眠級紫花苜蓿種植對氣候條件要求的研究已漸趨成熟[2-7]，基于此，近年來以秋眠性氣候指標(biāo)為依據(jù)的紫花苜蓿種植氣候適宜性區(qū)劃逐漸受到業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注[1,8-12]，區(qū)劃方法多是利用研究區(qū)有限的氣象站點(diǎn)的歷史氣候資料，在GIS平臺上采用反距離加權(quán) (IDW)或克里金(Kriging)法[8-12]分別對各指標(biāo)氣候要素進(jìn)行柵格化空間插值，將分級后的各指標(biāo)氣候要素的柵格化圖層進(jìn)行疊加處理，獲得區(qū)劃圖，由于IDW、Kriging 空間插值法未能考慮海拔高度、緯度、經(jīng)度等地理因素對氣候要素的影響[29]，因此，區(qū)劃結(jié)果大多較為粗糙[8-12]，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)發(fā)展對紫花苜蓿種植精細(xì)化氣候區(qū)劃的需求。本研究采用宏觀地理因子的三維二次趨勢面模擬與反距離加權(quán)殘差訂正相結(jié)合的混合插值法[17-19,29]對各指標(biāo)氣候要素進(jìn)行柵格化空間插值，充分考慮了新疆“三山夾兩盆”的復(fù)雜地貌對氣候要素的影響，并兼顧局地氣候的分布特點(diǎn)，因此，各指標(biāo)氣候要素的空間插值模擬精度較高，區(qū)劃結(jié)果更加精細(xì)、科學(xué)。

本研究基于紫花苜蓿氣候區(qū)劃指標(biāo)和區(qū)劃方法研究工作的結(jié)果[7-12]，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以及ArcGIS的空間插值技術(shù)，結(jié)合新疆氣候特點(diǎn)，就氣候變暖背景下近59 年新疆不同秋眠級紫花苜蓿種植適宜性的變化進(jìn)行了初步研究，得出以下主要結(jié)論。1)影響新疆紫花苜蓿種植的主要?dú)夂蛞厥?0%保證率 ≥ 5 ℃積溫和90%保證率冬季最低氣溫，兩項(xiàng)氣候要素的空間分布總體呈現(xiàn)“南疆多(高)，北疆少(低)；平原多(高)，山區(qū)少(低)”的特點(diǎn)，在綜合作用下，秋眠級4～6 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)主要在南疆的塔里木盆地以及東疆的吐魯番盆地和哈密盆地；秋眠級2～3 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)分布在塔里木盆地、吐魯番盆地和哈密盆地周邊的山前傾斜平原，伊犁河谷以及準(zhǔn)噶爾盆地西部和東部的低平原地帶；秋眠級1～2 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)在北疆北部、西部，準(zhǔn)噶爾盆地腹地以及天山和昆侖山中低山帶；阿爾泰山、天山和昆侖山區(qū)大部為不適宜種植區(qū)。此區(qū)劃結(jié)果與北疆地區(qū)主要種植“阿爾岡金”、“胖多”、“金皇后”等秋眠級2～3 級的紫花苜蓿品種[30]以及南疆地區(qū)多種植秋眠級4～6 級的半秋眠性品種新疆“大葉苜?！盵21]的實(shí)際一致，這說明此區(qū)劃值得信賴。2)氣候變暖使近59 年新疆80%保證率 ≥ 5 ℃積溫和90%保證率冬季最低氣溫呈顯著增多或升高趨勢，受其影響，新疆秋眠級4～6 級和2～3 級紫花苜蓿適宜種植區(qū)域呈擴(kuò)大趨勢，而秋眠級1～2 級適宜種植區(qū)以及不宜種植區(qū)呈減小趨勢，這對新疆紫花苜蓿種植的發(fā)展具有重要實(shí)際意義。

需要指出的是，在實(shí)際生產(chǎn)中，紫花苜蓿種植區(qū)域的確定不僅受生長季熱量條件、冬季最低氣溫的影響，同時(shí)還與土壤、灌溉條件及冬季積雪等因素密不可分[1,7-12]。因此，在本研究工作基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮自然、社會和經(jīng)濟(jì)因素的綜合影響，制定更加符合新疆生產(chǎn)實(shí)際的紫花苜蓿種植區(qū)劃和發(fā)展規(guī)劃，是今后的主要研究工作之一。另外，未來隨著氣候的繼續(xù)變暖[14-15]以及紫花苜蓿新品種的培育和引進(jìn)[31]，新疆紫花苜蓿種植氣候適宜性區(qū)劃也須隨之適時(shí)更新和完善。