基于GIS 的精河縣枸杞種植氣候適應(yīng)性精細(xì)化區(qū)劃

華 燁 ，張祖蓮 ，張山清 *，孫 蕾 ，戎 博 ，李迎春

（1.新疆氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002；3.精河縣氣象局，新疆 博樂833400）

精河縣位于天山北坡，準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，地形呈凹字形，地勢南高北低，南部為天山山區(qū)，北部為艾比湖，中部為博爾塔拉河沖積平原，屬典型的北溫帶大陸性干旱氣候。精河縣光照充足，熱量豐富、降水稀少，空氣干燥，冬夏冷熱懸殊，多大風(fēng)。獨(dú)特的氣候?yàn)榫涌h種植枸杞奠定了基礎(chǔ)，精河縣已有60 余年栽培枸杞的歷史，目前精河枸杞已成為新疆極具地方特色的“名優(yōu)特”農(nóng)產(chǎn)品之一。

枸杞系木本植物，漿果呈鮮紅色，形似紡錘，更似紅瑪瑙墜。精河枸杞曾在種植面積、總產(chǎn)量、出口量和有效營養(yǎng)含量4 個(gè)方面位居全國枸杞主產(chǎn)區(qū)之首。精河縣1998 年被農(nóng)業(yè)部任命為“枸杞之鄉(xiāng)”。精河枸杞在新疆南、北疆均有分布，精河縣地區(qū)栽植面積最大，品質(zhì)最優(yōu)。但由于地形地貌復(fù)雜，地勢高差懸殊，氣候類型多樣，各地種植枸杞的氣候適宜性差異很大。關(guān)于枸杞區(qū)劃研究方面，寧夏馬力文、蘇占勝、崔學(xué)禎等[1-3]從影響枸杞產(chǎn)量和品質(zhì)的農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)，研究了寧夏枸杞氣候區(qū)劃。青海樊光秀[4]從枸杞生長的植物學(xué)特性研究了德令哈地區(qū)枸杞種植氣候適應(yīng)性。徐德源、喻樹龍[5-6]從生態(tài)適宜性方面劃分了新疆枸杞適宜種植區(qū)。但隨著氣候變暖、品種更替以及區(qū)劃技術(shù)方法的提高和氣候資料的豐富[7]，原來的區(qū)劃已經(jīng)不能指導(dǎo)目前精細(xì)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整現(xiàn)狀[8]，因此，本文引入地理信息，通過細(xì)網(wǎng)格推算方法，研究分析精河縣氣候分布規(guī)律，結(jié)合枸杞生長發(fā)育對氣候條件的要求，研究精河縣枸杞種植精細(xì)化氣候區(qū)劃，為科學(xué)規(guī)劃枸杞種植布局，充分合理地利用有利氣候資源優(yōu)勢，規(guī)避不利氣象災(zāi)害的影響，促進(jìn)精河枸杞這一極具地方特色的“紅色”產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選用精河縣及其周邊15 個(gè)氣象站1981—2020年逐日平均氣溫和最低氣溫資料，利用1：50 000 基礎(chǔ)地理信息，提取精河縣的緯度、經(jīng)度、海拔高度、坡度、坡向等地理數(shù)據(jù)，通過重采樣獲得空間分辨率為100 m×100 m。各站氣象數(shù)據(jù)、地理坐標(biāo)的柵格圖層，地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由新疆氣象信息中心提供。研究區(qū)域地形地貌分布見圖1。

圖1 精河縣地形地貌分布

1.2 數(shù)據(jù)分析及區(qū)劃方法

通過分析枸杞種植所需的氣候生態(tài)條件，對每個(gè)劃分氣候指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[9-12]。采用GIS 空間疊置分析法[13]，對精河縣數(shù)字高程DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化[14-16]，提取經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向，空間分辨率為100 m×100 m，基于GIS 空間分析模型，獲取枸杞種植氣候適宜性各氣候指標(biāo)圖層，采用加權(quán)綜合評判法得到精河縣枸杞種植氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃圖。

2 枸杞氣候生態(tài)條件分析

2.1 熱量條件

枸杞樹的物候期一般分為萌芽期、展葉期、新梢生長期、現(xiàn)蕾期、開花期、果熟期、落葉期和休眠期等8 個(gè)階段。年平均氣溫高的地區(qū)比氣溫低的地區(qū)萌芽、開花、果熟等物候期要早，而落葉和休眠期要遲[17-18]。種子發(fā)芽的最適溫度為 20～25 ℃，4 月中旬氣溫達(dá)到10 ℃以上開始展葉，4 月中旬氣溫達(dá)到12 ℃以上春梢生長，5 月上旬氣溫達(dá)到16 ℃以上開始開花，果實(shí)開始發(fā)育。春季現(xiàn)蕾開花期是4 月下旬—7 月上旬，開花最適溫度為17～22 ℃，果實(shí)發(fā)育最適溫度為20～25 ℃。秋季氣溫降到10 ℃以下，果實(shí)生長發(fā)育轉(zhuǎn)緩[20]。從展葉、新稍生長到開花、結(jié)實(shí)所需要的溫度都在10 ℃以上。

枸杞對溫度要求不太嚴(yán)格，具有一定的耐寒性，當(dāng)年平均氣溫為4.4～12.7 ℃，7 月平均氣溫為17.2～26.6 ℃，絕對最高氣溫為 33.9～42.9 ℃，對枸杞的生存和生產(chǎn)沒有影響。但要獲得既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)的枸杞就必須考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，尤其是注意2 個(gè)溫度指標(biāo)：一是≥10 ℃的積溫。枸杞全生育期≥10 ℃積溫在3 450 ℃·d 左右最為適宜，≥10 ℃積溫在3 200～3 700 ℃·d，枸杞一般能獲得正常產(chǎn)量，≥10 ℃積溫在3 200 ℃以下時(shí)，熱量不足引起枸杞減產(chǎn)；二是從展葉到落葉氣溫日較差大，對提高果實(shí)品質(zhì)有利[20]。

2.2 光照條件

喜光是枸杞的生理特性。光照對枸杞果實(shí)干物質(zhì)積累和果實(shí)品質(zhì)影響極為明顯，光照不足不僅影響枸杞生長，而且影響其果實(shí)品質(zhì)。每年3—10 月累計(jì)日照時(shí)數(shù)達(dá)2 081 h，可以充分滿足優(yōu)質(zhì)制干品種的光照生理需求。在枸杞果實(shí)生長發(fā)育期間，平均每天的日照時(shí)數(shù)可以達(dá)到10 h 以上，且該期間光照強(qiáng)度強(qiáng)，極有利于枸杞果實(shí)生長。枸杞全生育期最適宜日照時(shí)數(shù)為1 640 h，日照不是限制枸杞產(chǎn)量的因素。當(dāng)日照時(shí)數(shù)＜1 500 h 時(shí)，全生育期日數(shù)短、積溫少，使枸杞減產(chǎn)；當(dāng)日照時(shí)數(shù)＞1 800 h 時(shí)，與高溫相伴，加速了夏果發(fā)育，延長了夏眠期，產(chǎn)量也會(huì)有所下降[20-22]。精河縣年日照時(shí)數(shù)為 2 500～2 600 h，4—10 月日照百分率為60%～70%。日照能滿足枸杞生長發(fā)育期需求。

2.3 水分條件

枸杞離不開水，又怕水，枸杞最忌地表淹水和表土長期積水，在過濕的土壤中，容易引起樹體死亡。水對枸杞生長的影響因季節(jié)不同而異。春季土壤水分不足時(shí)，影響萌芽和枝葉生長。秋季干旱，使枝條和根系生長提前停止。在花果期，尤其是果熟期，如果土壤水分充足，果實(shí)膨大快，體積大；如果缺水，就會(huì)控制樹體和果實(shí)生長發(fā)育，使樹體生長慢，果實(shí)小，還會(huì)促進(jìn)花柄和果柄離層形成，加重落花落果，降低產(chǎn)量。但在枸杞生長季節(jié)，若陰雨天時(shí)間長，枸杞易得霜霉病和黑果病，紅熟了的果實(shí)會(huì)破裂，從而降低果實(shí)質(zhì)量[20-22]。

2.4 災(zāi)害性天氣

3 月下旬以前為枸杞冬眠期，生理活動(dòng)微弱，耐低溫，但3 月下旬，樹液開始流動(dòng)，此時(shí)發(fā)生大風(fēng)或沙塵天氣，會(huì)加速枸杞枝干的水分散失，損傷新芽；4月大風(fēng)天氣易造成抽干，影響枸杞發(fā)枝。同時(shí)春季大風(fēng)可以吹干枸杞樹嫩葉，吹斷枸杞枝條，損傷果枝嫩梢而失去生長點(diǎn)，使果枝的生長處于極度的抑制。在枸杞花期，大風(fēng)還可造成枸杞大量落花，夏季大風(fēng)往往會(huì)造成枸杞大量落果[20-22]。

3 枸杞種植氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)

精河縣光照充足，種植枸杞對水分條件的需求可通過灌溉得到充分保障，精河縣雖多風(fēng)，但由于枸杞具有較強(qiáng)的抗風(fēng)沙能力，大風(fēng)對其影響相對較小。因此，各地能否種植枸杞以及種植枸杞的氣候適宜性主要決定于枸杞生長期間的熱量條件。另外，枸杞生長季節(jié)，若陰雨天時(shí)間長，枸杞易得霜霉病和黑果病[19]，果實(shí)成熟期若雨水偏多，易造成果實(shí)破裂、腐爛，從而降低果實(shí)質(zhì)量。根據(jù)上述分析，并參考前人有關(guān)研究成果[20-22]，確定精河縣枸杞種植氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)（表1）。

表1 精河縣枸杞種植氣候區(qū)劃指標(biāo)

4 枸杞種植氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)因子的空間分布

4.1 ≥10 ℃積溫分布

精河縣日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃積溫的空間分布總體呈現(xiàn)“平原多，山區(qū)少”的格局（圖2）。海拔190 m 以下的艾比湖流域西北部低平原地帶是精河縣熱量資源最豐富的區(qū)域，≥10 ℃積溫在4 100～4 265 ℃·d。精河縣北部海拔 190～300 m 的平原地帶≥10 ℃積溫為 3 900～4 100 ℃·d，精河縣中部海拔300～500 m 的傾斜平原≥10 ℃積溫為3 700～3 900 ℃·d，海拔 500～1 000 m 的山前沖積平原≥10 ℃積溫為 2 900～3 700 ℃·d，海拔 1 000 m 以上的南部山區(qū)≥10 ℃積溫一般不足2 900 ℃·d 。

圖2 精河縣≥10 ℃積溫分布

4.2 ≥10 ℃日數(shù)分布

精河縣日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的日數(shù)總體呈現(xiàn)“平原多，山區(qū)少”的格局（圖3）。海拔650 m 以下中、北部平原地帶≥10 ℃日數(shù)在170～191 d，650～800 m 的山前沖積平原≥10 ℃日數(shù)為 160～170 d，海拔 800 ～1 000 m 的沖積平原和低山丘陵地帶≥10 ℃日數(shù)為150～160 d，海拔1 000 m 以上的南部山區(qū)≥10 ℃日數(shù)不足150 d。

圖3 精河縣≥10 ℃日數(shù)分布

4.3 ≥10 ℃期間降水量

精河縣≥10 ℃期間降水量的空間分布總體呈中北部平原和南部山區(qū)高山帶少，南部山區(qū)中、低山帶多的格局（圖4）。海拔800 m 以下的中、北部平原地帶，≥10 ℃期間降水量較少，一般在150 mm 以下，其中艾比湖流域南部甚至不足50 mm ；南部海拔2 500 m 以上的中、高山帶雖年降水量較多，但由于日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃的日數(shù)較少，因此≥10 ℃期間降水量也較少，一般在150 mm 以下，其中海拔3 000 m 以上的高山帶甚至不足 50 mm；海拔800～1 500 m 的山前沖積平原和低山丘陵地帶，以及海拔2 000～2 500 m 的中山帶≥10 ℃期間降水量為 150～200 m，海拔 1 500～2 000 m 的中、低山帶≥10 ℃期間降水量較多，為200～216 mm。

圖4 精河≥10 ℃期間的降水量分布

5 枸杞種植精細(xì)化氣候適宜性區(qū)劃

根據(jù)表1 中各區(qū)劃指標(biāo)因子的等級標(biāo)準(zhǔn)，在ArcGis10.0 平臺(tái)上分別對≥10 ℃積溫、≥10 ℃日數(shù)和≥10 ℃期間降水量3 項(xiàng)氣候要素的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分級。再將各指標(biāo)氣候要素的分級圖層進(jìn)行等權(quán)重疊加，即可獲得綜合考慮≥10 ℃積溫、≥10 ℃日數(shù)和≥10 ℃期間降水量3 項(xiàng)氣候要素的精河縣枸杞種植氣候適宜性區(qū)劃。精河縣枸杞種植氣候適宜性區(qū)劃可劃分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū) 4 個(gè)分區(qū)（圖 5）。

圖5 精河縣枸杞種植氣候適宜性區(qū)劃

5.1 最適宜種植區(qū)

精河縣中部海拔400～600 m 的帶狀平原地帶≥10 ℃積溫在 3 400～3 700 ℃·d，≥10 ℃日數(shù)為170～175 d，≥10 ℃期間降水量為 50～150 mm，綜合氣候條件非常利于枸杞優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，因此是精河縣枸杞種植的氣候最適宜區(qū)。

5.2 適宜種植區(qū)

沿最適宜種植區(qū)南北兩側(cè)海拔250～400 m 和600～800 m 的中部平原地帶≥10 ℃積溫在3 200～3 900 ℃·d，≥10 ℃日數(shù)為 160～185 d，≥10 ℃期間降水量為50～160 mm，綜合氣候條件稍遜于最適宜區(qū)，是精河縣枸杞種植的氣候適宜區(qū)。

5.3 次適宜種植區(qū)

精河縣枸杞種植的氣候次適宜區(qū)主要包括兩部分，第一部分是精河縣北部海拔190～250 m 的低平原地帶，該區(qū)域≥10 ℃日數(shù)為175～185 d，≥10 ℃期間降水量為30～130 mm，這兩項(xiàng)氣候指標(biāo)雖總體適于枸杞種植，但≥10 ℃積溫在 4 000～4 100 ℃·d，高于枸杞種植的適宜范圍，因此綜合氣候條件次于適宜種植區(qū)，是精河縣枸杞種植的氣候次適宜區(qū)之一。第二部分是精河縣中南部海拔800～1 000 m 的山前沖積平原和低山丘陵地帶，≥10 ℃積溫在2 900～3 200 ℃·d，≥10 ℃日數(shù)為 150～160 d，熱量條件較枸杞種植的適宜范圍偏低，≥10 ℃期間降水為150～190 mm，綜合氣候條件同樣次于適宜種植區(qū)，是精河縣枸杞種植的另一個(gè)氣候次適宜區(qū)。

5.4 不適宜種植區(qū)

精河縣枸杞種植的氣候不適宜區(qū)由兩部分組成。一是海拔190 m 以下的艾比湖流域西北部低平原地帶，該區(qū)域≥10 ℃日數(shù)為 185～191 d，≥10 ℃期間降水量為50～70 mm，這兩項(xiàng)氣候指標(biāo)總體適于枸杞種植，但≥10 ℃積溫卻高達(dá) 4 100～4 265 ℃·d，明顯高于枸杞種植的適宜范圍，高溫?zé)岷﹁坭降纳L發(fā)育和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)將造成不利影響，因此，是精河縣枸杞種植的氣候不適宜區(qū)之一。二是精河縣南部海拔1 000 m 以上的天山山區(qū)，≥10 ℃積溫在2 900 ℃·d 以下，≥10 ℃日數(shù)少于 150 d，熱量條件難以滿足枸杞正常生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的基本需求，是精河縣枸杞種植的另一個(gè)氣候不適宜區(qū)。

6 結(jié)論

采用影響枸杞生長發(fā)育的氣候生態(tài)條件與地理因子相結(jié)合的方法，基于GIS 空間分析模型獲得精河縣枸杞種植的氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃，得出以下結(jié)論：

（1）受海拔高度影響，氣候要素分布差異明顯，≥10 ℃積溫和≥10 ℃日數(shù)總體呈現(xiàn)“平原多、山區(qū)少”的格局；≥10 ℃期間的降水量總體呈現(xiàn)“中北部平原和南部高山帶少，南部山區(qū)中、低山帶多”的格局。

（2）枸杞最適宜種植區(qū)主要分布在精河縣中部海拔400～600 m 的帶狀平原地帶，該區(qū)能夠滿足枸杞生長需要，有利于枸杞產(chǎn)量的形成，因此該區(qū)可以擴(kuò)大枸杞種植面積，提高枸杞生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。適宜種植區(qū)主要分布在沿最適宜種植區(qū)南北兩側(cè)海拔250～400 m 和海拔 600～800 m 的中部平原地帶，綜合氣候條件稍遜于最適宜區(qū)。兩塊次適宜種植區(qū)分別位于精河縣北部海拔190～250 m 的低平原地帶和中南部海拔800～1 000 m 的山前沖積平原和低山丘陵地帶，前者熱量條件過高，而后者熱量條件又過低且降雨量偏多，均超出了枸杞種植的適宜范圍，對枸杞的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)有不利影響。不適宜區(qū)種植區(qū)分布于海拔190 m 以下的艾比湖流域西北部低平原地帶和精河縣南部海拔1 000 m 以上的天山山區(qū)，前者熱量條件過于富余，而后者又嚴(yán)重匱乏，難以滿足枸杞正常生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的基本需求。

本文區(qū)劃指標(biāo)未考慮6—7 月氣溫日較差對枸杞品質(zhì)的可能影響，今后分析枸杞品質(zhì)區(qū)劃時(shí)應(yīng)引入該因子。另外，精河縣地形地貌復(fù)雜，地勢高差懸殊，但本文基于GIS 的指標(biāo)要素空間分析細(xì)網(wǎng)格推算模型的構(gòu)建只使用了精河縣及其周圍15 個(gè)常規(guī)氣象站資料，未能將加密的自動(dòng)站資料經(jīng)訂正或延長后也引入模型，這對區(qū)劃的客觀性、準(zhǔn)確性造成了一定影響，今后在該領(lǐng)域的研究中加以完善。