新疆伊吾縣哈密瓜種植氣候適宜性精細化區(qū)劃

王 森，李 娜，白松竹，吉春容，火勛國，張山清

（1.新疆農業(yè)氣象臺，烏魯木齊 830000；2.淖毛湖氣象站，新疆 哈密 839399；3.哈密氣象臺，新疆 哈密 839000）

新疆哈密瓜含糖量高，口感好，果肉香甜，風味極佳，是瓜果中的珍品［1-3］。哈密瓜喜熱，好光，晝夜溫差大有利于其生長發(fā)育，白天可以充分發(fā)揮光合作用，夜晚的呼吸消耗較小，有利于養(yǎng)分的積累。獨特的氣候和廣袤的土地資源，加之較穩(wěn)定的山區(qū)降水和高山冰川積雪融水所匯集的河川徑流和地下水對綠洲農業(yè)的灌溉，為綠洲平原地區(qū)哈密瓜種植提供了得天獨厚的自然資源條件。伊吾縣屬新疆維吾爾自治區(qū)哈密市，地處新疆維吾爾自治區(qū)東北部，天山東段北麓，為溫帶大陸性干旱氣候，光照充足，熱量豐富，降水稀少，空氣干燥，氣溫日較差大，年平均氣溫11.0℃，極端最高氣溫45.1℃（2004年7月18日），極端最低氣溫-33.9℃（1984年12月25日），年降水量23.2 mm，年平均無霜期196 d，年蒸發(fā)量3 494.9 mm，年日照時數(shù)3 346.6 h。伊吾縣是新疆最大的晚瓜生產基地，2018年全縣種植哈密瓜面積達1 624 hm2。哈密瓜已成為伊吾縣農業(yè)和農村經濟發(fā)展及農民致富奔小康的支柱產業(yè)。

伊吾縣地域廣闊，地形地貌復雜，地勢高差懸殊，氣候類型多樣，各地種植哈密瓜的氣候適宜性不同。對伊吾縣影響哈密瓜生產的主要氣候因素進行分析，結合哈密瓜種植氣候區(qū)劃指標，開展伊吾縣哈密瓜種植氣候適宜性區(qū)劃的研究，對科學制定伊吾縣哈密瓜發(fā)展規(guī)劃和種植計劃，促進哈密瓜生產的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況和氣候資料

伊吾縣地處東天山北麓，東經93°35′—96°23′，北緯42°54′—44°29′。南北寬約175 km，東西長約215 km，邊界線長達274 km，總面積19 519 km2。地勢南高北低，南部為天山山脈，最高海拔4 888 m，中部為洪沖積傾斜平原，最低海拔260 m，北部為淖毛湖戈壁，其中淖毛湖鎮(zhèn)總面積8 589.17 km2。

選用伊吾縣及周邊18個常規(guī)氣象站1986—2018年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)資料以及各站地理坐標和新疆地理信息數(shù)據(jù)。逐日氣象數(shù)據(jù)和地理坐標以及伊吾縣1∶50 000地理信息數(shù)據(jù)由新疆氣象信息中心提供。研究區(qū)域見圖1。

圖1 伊吾縣高程分布

1.2 區(qū)劃指標

新疆氣候條件的多樣性造就了多種熟型的哈密瓜品種，按熟型可分為早熟、中熟和晚熟3大類［11-13］。光、熱等氣候條件是影響哈密瓜生產的關鍵因素，其中日平均氣溫穩(wěn)定≥15℃日數(shù)是決定不同熟型哈密瓜能否種植的基本氣候因子，≥20℃光溫指數(shù)是影響哈密瓜優(yōu)質、高產的主要氣候因子。伊吾縣多樣性的氣候條件為多種熟型哈密瓜品種的種植奠定了基礎。各熟型哈密瓜完成整個生長發(fā)育過程（播種—成熟）對熱量條件的需求用日平均氣溫穩(wěn)定≥15℃日數(shù)（以下簡稱≥15℃日數(shù)）作為判別依據(jù)。由于伊吾縣大陸性氣候強，年際間熱量條件差異較大。從穩(wěn)產高產角度考慮，以80%保證率≥15℃日數(shù)作為哈密瓜種植品種熟型選擇的指標［7］，劃分標準見表1。以≥20℃光溫指數(shù)作為各熟型哈密瓜品質氣候區(qū)劃的指標［7］，劃分標準見表2。

表1 各哈密瓜熟型80%保證率≥15℃日數(shù)（單位：d）

表2 各哈密瓜品質區(qū)≥20℃光溫指數(shù)

1.3 計算方法

采用五日滑動平均法［4］確定各站逐年日平均氣溫穩(wěn)定通過15、20℃的初日和終日，初、終日間的實際日數(shù)為日平均氣溫穩(wěn)定≥15℃、日平均氣溫穩(wěn)定≥20℃日數(shù)；大于20℃初、終日間逐日日照時數(shù)之和為≥20℃期間日照時數(shù)，逐日平均氣溫之和為≥20℃積溫；使用經驗頻率法計算80%保證率的≥15℃日數(shù)［5，6］。日平均氣溫穩(wěn)定≥15℃日數(shù)（D≥15℃）為逐年日平均氣溫穩(wěn)定通過15℃初、終日間的實際日數(shù)。

1）≥20℃光溫指數(shù)［7］（I≥20℃）計算式如下。

式中，S≥20℃為≥20℃初、終日間逐日日照時數(shù)之和；T≥20℃為≥20℃初、終日間逐日平均氣溫之和；D≥20℃為逐年日平均氣溫穩(wěn)定通過20℃初、終日間的實際日數(shù)。

2）使用文獻［7］氣候傾向率的計算方法研究分析伊吾縣1961—2018年氣溫、最高氣溫和最低氣溫的變化特征。

3）用氣候要素的柵格化數(shù)學模型和ArcGIS10.2軟件進行分析，采用宏觀地理因子的三維二次趨勢面模擬與反距離加權殘差訂正相結合的方法［8-10］，對伊吾縣哈密瓜區(qū)劃各氣候要素進行100 m×100 m柵格的空間插值模擬。

式中，ω為各氣候要素的柵格點模擬值；ω（＆，ψ，h）為宏觀地理因子影響的各氣候要素的柵格點模擬值；ε為局部小地形因子和隨機因素對各氣候要素的影響，即殘差項；λ為柵格點的平均經度；ψ為柵格點的平均緯度；h為柵格點的平均海拔高度（100 m）；b0至b9為待定系數(shù)。殘差項ε的柵格點插值模擬采用反距離加權法，具體的插值計算式如下。

式中，ε為氣候要素殘差項的柵格點模擬值；n為用于插值的氣象站點的數(shù)目；εi為第i個氣象站點氣候要素的殘差值；di為插值的柵格點與第i個氣象站點之間的歐氏距離，k為距離的冪。

在ArcGIS 10.2平臺上將經過柵格化空間插值模擬的各指標氣候要素圖層，按照表1、表2的劃分，進行分級并疊加處理，獲得綜合考慮各指標氣候要素的哈密瓜種植氣候適宜性區(qū)劃。

2 結果與分析

2.1 氣溫

伊吾縣1961—2018年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫情況見圖2。1961—2018年伊吾縣年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫以每10年0.26、0.25、0.22℃的傾向率均呈顯著（P＜0.001）增加趨勢。1961—2018年平均氣溫為4.1℃，最高氣溫10.8℃，最低氣溫-1.8℃。氣溫的變化趨勢與新疆哈密瓜種植區(qū)基本一致［7］。

圖2 伊吾縣1961—2018年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫

2.2 80%保證率≥15℃日數(shù)

伊吾縣80%保證率≥15℃日數(shù)的空間分布具有隨海拔高度增高而減少的顯著特點（圖3）。以各熟型哈密瓜所需80%保證率≥15℃日數(shù)的空間分布來看，伊吾縣海拔1 000 m以上的山前傾斜平原至高山帶80%保證率≥15℃日數(shù)不足105 d；海拔700～1 000 m的傾斜平原為105～125 d；海拔450～700 m的平原地帶為125～145 d；海拔450 m以下的縣域中部洪沖積傾斜平原為145～157 d。

圖3 伊吾縣80%保證率≥15℃日數(shù)分布

2.3 ≥20℃光溫指數(shù)

伊吾縣≥20℃光溫指數(shù)的空間分布與≥15℃日數(shù)相似，也表現(xiàn)為隨海拔高度的增高而減少的特點（圖4）。以對哈密瓜品質和產量形成影響程度而劃分的各等級≥20℃光溫指數(shù)（表2）的分布情況來看，≥20℃光溫指數(shù)≥2.3的區(qū)域主要分布在縣域中部海拔高度低于750m的沖積、洪積平原；≥20℃光溫指數(shù)1.8～2.3的區(qū)域在海拔高度750～1 100 m的狹窄帶狀區(qū)域內；海拔高度高于1 100 m的區(qū)域≥20℃光溫指數(shù)＜1.8。

圖4 伊吾縣≥20℃光溫指數(shù)分布

2.4 哈密瓜種植氣候區(qū)劃

綜合考慮各區(qū)劃指標氣候要素和哈密瓜氣候要求，得到伊吾縣哈密瓜種植氣候區(qū)劃，如圖5所示。從各熟型哈密瓜可種植區(qū)域來看，全縣可劃分為晚熟哈密瓜、中熟哈密瓜和早熟哈密瓜最佳種植區(qū)以及哈密瓜不宜種植區(qū)4個大區(qū)?？紤]哈密瓜主要生長發(fā)育階段≥20℃光溫條件的情況，伊吾縣哈密瓜種植氣候區(qū)劃共劃分為5個區(qū)，從區(qū)劃結果可以看出，伊吾縣不存在各品種熟型哈密瓜的一般種植區(qū)。這說明，伊吾縣凡是熱量條件能夠滿足哈密瓜生長發(fā)育（80%保證率≥15℃日數(shù)≥105 d）的地方，≥20℃光溫指數(shù)均≥1.8，這也揭示了伊吾縣哈密瓜品質優(yōu)異的氣候成因。

圖5 伊吾縣哈密瓜種植氣候適宜性精細化區(qū)劃

2.4.1 晚熟哈密瓜最佳種植區(qū) 伊吾縣晚熟哈密瓜最佳種植區(qū)主要分布在海拔450 m以下的淖毛湖鎮(zhèn)中部洪沖積傾斜平原，該地光熱資源豐富，80%保證率≥15℃日數(shù)145～157 d，≥20℃光溫指數(shù)2.8～3.9，氣候條件可滿足晚熟哈密瓜優(yōu)質高產的需要。該區(qū)也是伊吾縣哈密瓜種植最理想的區(qū)域。不利的因素是該區(qū)春夏季多大風，需注意防范。

2.4.2 中熟哈密瓜最佳種植區(qū) 中熟哈密瓜最佳種植區(qū)主要分布在伊吾縣淖毛湖鎮(zhèn)海拔450～700 m的平原地帶，該區(qū)80%保證率≥15℃日數(shù)125～145 d，≥20℃光溫指數(shù)2.5～3.5，氣候條件可滿足中熟哈密瓜優(yōu)質高產的需求。該區(qū)也是伊吾縣淖毛湖鎮(zhèn)哈密瓜種植較理想的區(qū)域之一，春夏季大風同樣是該區(qū)哈密瓜種植不利的因素，需防范。

2.4.3 早熟哈密瓜最佳種植區(qū) 早熟哈密瓜最佳種植區(qū)主要分布在伊吾縣海拔700～850 m的山前傾斜平原地帶，該區(qū)80%保證率≥15℃日數(shù)115～125 d，≥20℃光溫指數(shù)2.3～2.8，氣候條件可滿足早熟哈密瓜優(yōu)質高產的需求，但需防止春季霜凍對哈密瓜苗期生長的影響。

2.4.4 早熟哈密瓜次佳種植區(qū) 早熟哈密瓜次佳種植區(qū)主要分布在伊吾縣海拔850～1 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶，該區(qū)80%保證率≥15℃日數(shù)105～115 d，≥20℃光溫指數(shù)1.8～2.3，熱量條件能滿足早熟哈密瓜的種植，但哈密瓜果實生長期≥20℃光溫指數(shù)稍顯不足，對哈密瓜品質有一定影響。該區(qū)需防范春季終霜凍對哈密瓜苗期生長的影響。

2.4.5 哈密瓜不宜種植區(qū) 伊吾縣海拔1 000 m以上地區(qū)熱量條件匱乏，80%保證率≥15℃日數(shù)不足105 d，不宜種植哈密瓜。

3 小結與討論

3.1 小結

選用伊吾縣及周邊18個常規(guī)氣象站1986—2018年逐日平均氣溫資料、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)資料以及各站地理坐標和新疆地理信息數(shù)據(jù)，采用五日滑動平均法確定各站逐年日平均氣溫穩(wěn)定通過15℃、20℃的初日和終日，初、終日間的實際日數(shù)為≥15℃、≥20℃日數(shù)；≥20℃初、終日間逐日日照時數(shù)之和為≥20℃期間日照時數(shù)，逐日平均氣溫之和為≥20℃積溫；使用經驗頻率法計算80%保證率≥15℃日數(shù)。日平均氣溫穩(wěn)定≥15℃日數(shù)為逐年日平均氣溫穩(wěn)定通過≥15℃初、終日間的實際日數(shù)。

以日平均氣溫穩(wěn)定≥15℃日數(shù)作為哈密瓜種植品種熟型選擇的指標，以≥20℃光溫指數(shù)作為各熟型哈密瓜品質氣候區(qū)劃的指標，進行伊吾縣哈密瓜種植氣候適宜性精細化區(qū)劃。就各熟型哈密瓜可種植區(qū)域來看，全縣可劃分為晚熟哈密瓜、中熟哈密瓜和早熟哈密瓜最佳種植區(qū)以及早熟哈密瓜次佳種植區(qū)、哈密瓜不宜種植區(qū)5個大區(qū)。晚熟哈密瓜最佳種植區(qū)主要分布在海拔450 m以下的淖毛湖鎮(zhèn)中部洪沖積傾斜平原，中熟哈密瓜最佳種植區(qū)主要分布在伊吾縣淖毛湖鎮(zhèn)海拔450～700 m的平原地帶，早熟哈密瓜最佳種植區(qū)主要分布在伊吾縣海拔700～850 m的山前傾斜平原地帶，早熟哈密瓜次佳種植區(qū)主要分布在伊吾縣海拔850～1 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶。伊吾縣海拔1 000 m以上地區(qū)熱量條件匱乏，不宜種植哈密瓜。

3.2 討論

以影響哈密瓜生長發(fā)育的主要氣候要素為區(qū)劃依據(jù)，實際上除了氣候因素以外，生產中哈密瓜種植還受土壤、種植模式和管理措施和地形地貌、水域、山體、城市居民用地等多種條件的影響［14-16］，并非氣候條件適宜種植的地方就可用于哈密瓜生產。因此，應用哈密瓜等農作物精細化氣候區(qū)劃時，要結合當?shù)貙嶋H情況，在充分運用GIS基礎上，綜合考慮氣候條件、土壤類型、土壤肥力、土地利用規(guī)劃狀況等方面的精細化區(qū)劃綜合信息，開展農作物種植布局的綜合研究，結果將會更加深化、細化，更為客觀、準確和綜合實用。