基于GIS 的新疆沙灣市棉花種植精細化氣候區(qū)劃

王雪姣 王森 吉春容 井立軍 高婧 張山清

摘 要： 利用沙灣市及周邊15 個氣象站點1980—2020 年氣候資料和地理信息數(shù)據，通過Arcgis10.0 空間分析技術將新疆維吾爾自治區(qū)1∶50000 高程數(shù)據轉成分辨率為100 m×100 m 的數(shù)字高程，通過地統(tǒng)計回歸和反距離權重等方法構建≥10 °C積溫、無霜期、7 月平均氣溫等指標與地理因子的空間分析推算模型，結合棉花區(qū)劃指標等級，計算得到沙灣市棉花種植精細化氣候區(qū)劃。結果表明，研究區(qū)可劃分為適宜棉區(qū)、次適宜棉區(qū)、風險棉區(qū)和不適宜棉區(qū)4 個分區(qū)。適宜棉區(qū)主要分布在沙灣市海拔490～600 m 的烏奎高速公路北部附近地帶，包括安集海鎮(zhèn)、三道河子鎮(zhèn)、烏蘭烏蘇鎮(zhèn)和蘑菇湖水庫附近的平原地區(qū)；次適宜棉區(qū)主要分布在沙灣市海拔600～700 m 的烏奎高速公路南部附近地帶；風險棉區(qū)主要分布在沙灣市海拔700～800 m 的烏奎高速公路南部的山前傾斜平原；不適宜棉區(qū)主要分布在沙灣市海拔高度800 m 以上的南部山區(qū)。研究成果可為當?shù)剞r業(yè)種植布局調整提供科學依據。

關鍵詞：棉花；GIS；精細化；氣候區(qū)劃；沙灣市

中圖分類號：S162.54文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）08-0038-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.007

0 引言

新疆維吾爾自治區(qū)（簡稱新疆）沙灣市是一個以農業(yè)為主、農牧結合的農業(yè)大縣，水土、光熱資源豐富，是塔城地區(qū)乃至北疆片區(qū)棉花、糧油、蔬菜和林果等生產供應基地，盛產辣椒、紅薯、馬鈴薯、枸杞和蟠桃等多種特色農產品，而棉花是沙灣市的主要經濟作物，近10 年，隨著政策關注力度加大和技術水平的提高，有效推動沙灣市棉花產業(yè)的發(fā)展。據新疆統(tǒng)計局數(shù)據資料，1999 年，沙灣市棉花種植面積2.57 萬hm2， 至2014 年猛增到6.74 萬hm2， 增長2.6 倍，2020 年達到11.96 萬hm2。由于棉花種植面積增長速度過快，棉花種植范圍不斷擴大，部分棉區(qū)可能超出次適宜棉區(qū)或風險棉區(qū)，因受氣候環(huán)境的制約，棉花種植保證系數(shù)不高，產量低、品質差、效益低。氣候變暖和棉區(qū)主要關鍵氣候因子的改變，對棉花生產產生了有利或不利的影響。因此，從合理開發(fā)和利用氣候資源角度出發(fā)，對沙灣市棉區(qū)棉花作精細化氣候區(qū)劃，這對充分利用當?shù)貧夂蛸Y源，因地制宜地調整和優(yōu)化棉花種植布局，促進棉花生產持續(xù)、穩(wěn)定和健康發(fā)展具有十分重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據來源

沙灣市地處天山中段北麓、準格爾盆地南緣，地勢南高北低，自東南向西北傾斜，最低海拔283 m，最高海拔5 237 m，如圖1 所示。境內海拔高度相差較大，南北氣候明顯差異。低山、平原和沙漠地區(qū)屬中溫帶，南部中山和高山地區(qū)屬寒溫帶。降水較少，蒸發(fā)量大，光照充足，熱量豐富，無霜期較長，氣溫日較差大。年平均日照時數(shù)>2 800 h，年均降水量208 mm，年蒸發(fā)量1 500～2 000 mm，無霜期170～190 d，7 月平均氣溫25.9 °C，年較差40.6 °C，≥10 °C 積溫3 700 °C·d左右，≥20 °C 積溫2 200 °C·d 左右，≥15 °C 的持續(xù)日數(shù)140 d 左右。

氣象資料為沙灣市和周邊氣象站點 13 個氣象站1980—2020 年的地面氣象觀測資料，站點包括沙灣市、烏蘇市、炮臺鎮(zhèn)、烏蘭烏蘇鎮(zhèn)，新疆生產建設兵團莫索灣墾區(qū)、蔡家湖鎮(zhèn)，石河子市，昌吉回族自治州昌吉市、瑪納斯縣、呼圖壁縣、阜康市，以及烏魯木齊市、米東區(qū)等。觀測資料包括歷年逐日氣溫（平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫）、無霜期等，由新疆氣象信息中心提供。棉花氣候區(qū)劃指標來源于文獻資料。地理信息資料采用新疆測繪地理信息局提供的1∶50000 沙灣市基礎地理背景數(shù)據，包含鄉(xiāng)鎮(zhèn)級、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級以下行政點、公路、河流和數(shù)字高程模型等。

1.2 研究方法及區(qū)劃指標

1.2.1 空間插值方法

通過Arcgis 空間分析法，將1∶50000 的數(shù)字高程數(shù)據通過重采樣獲得分辨率100 m×100 m 的數(shù)字高程，建立氣候要素與地理因子網格推算模型，獲得空間格點模擬值，再將實際值與模擬值的殘差部分采用反距離加權進行訂正，最終得到各氣候要素空間分布值[1-2]。

1.2.2 區(qū)劃指標權重確定

基于yaahp 軟件利用層次分析法確定影響棉花各區(qū)劃指標因子的權重系數(shù)[3]。

1.2.3 棉花區(qū)劃指標確定

熱量資源的多少直接決定棉花產量的高低和品質的優(yōu)劣，沙灣市又有較穩(wěn)定的灌溉水資源，因此，影響沙灣市棉花生產的主要氣候因素是熱量條件，而熱量資源又受地理位置、地勢地形的影響，沙灣市南北高程分布差異較大。棉花生長發(fā)育要求的熱量指標主要是≥10 °C 積溫，還需考慮最熱月平均氣溫。最熱月平均氣溫是棉花生長發(fā)育最旺盛的花鈴階段要求的適宜溫度，必須>25 °C[4]。若一個地區(qū)≥10 °C 積溫和最熱月（7 月）平均氣溫都已具備，尚須看無霜凍期的長短，棉花苗期和吐絮期間，當日最低氣溫<0 °C 時，輕則凍傷棉苗和棉桃，重則致棉株終止生長。因此，無霜凍期是棉花利用熱量資源的限制因子?！輑0 °C 積溫、最熱月平均氣溫相近的地區(qū)，無霜凍期越長，對棉花種植越有利[5-6]。綜上所述，再結合前人研究結果，選用≥10 °C 積溫、最熱月平均氣溫及無霜凍期作為沙灣市棉花區(qū)劃的氣候指標，將該3 項指標作為主導指標，考慮≥15 °C 的持續(xù)日數(shù)和≥20 °C 的積溫作為輔助指標，如表1 所示[7-10]。

2 結果與分析

2.1 光照條件

棉花喜光，屬短日照作物。光照強、日照時數(shù)多對棉花的光合作用十分有益。沙灣市棉花生育期的4—10 月，日照時數(shù)達到2 000 h，光照條件能夠滿足棉花生長發(fā)育和產量形成的需求。

2.2 溫度條件

棉花在不同生育階段對溫度的需求有差別。苗期較高的溫度有利于棉苗早發(fā)，形成壯苗。沙灣市棉花苗期的平均溫度19～24 °C，較適宜棉花苗期生長。現(xiàn)蕾到開花期適宜溫度25 °C 左右，在不超過30 °C 的情況下，溫度高，則現(xiàn)蕾開花多。棉花現(xiàn)蕾到開花期歷年平均溫度25.9 °C 左右，溫度條件適宜現(xiàn)蕾、開花。花鈴期是棉花由營養(yǎng)生長逐漸轉入生殖生長，是全生育期生長最旺盛的階段，適宜溫度范圍25～30 °C，棉花花鈴期平均氣溫18.0～25.5 °C，夏末秋初氣溫下降快，并且在9 月中旬以后氣溫降至19 °C 以下，導致棉花花鈴期較短、熱量不足，影響開花結鈴和纖維形成。

2.3 水分條件

棉花是一種較耐旱的作物，由于生育期長、葉面積指數(shù)大，需水較多。沙灣市棉花整個生育期間的需水量550～700 mm，而同期降水量只有148 mm 左右，僅為需水量的20% 左右，穩(wěn)定的地表水和地下水資源為棉花適時灌溉，滿足其對水分條件的需求提供保證。

2.4 熱量資源空間分布特征

2.4.1 ≥10 °C 積溫

沙灣市≥10 °C 積溫的空間分異十分明顯，總體呈現(xiàn)“北部平原多，南部山區(qū)少”的分布格局，如圖2所示。根據沙灣市棉花分區(qū)氣候指標（表1）和沙灣市高程分布（圖1）來看，≥10 °C 積溫>3 800 °C·d 的區(qū)域主要在海拔500 m 以下的北部平原地帶；≥10 °C 積溫3 600～3 800 °C·d 的區(qū)域在海拔500～600 m 的中部平原；≥10 °C 積溫3 450～3 600 °C·d 的區(qū)域位于600～700 m 的南部平原地帶；積溫在3 175～3 450 °C·d 的區(qū)域位于700～1 000 m 的南部沖積和洪積平原，海拔1 000 m 以上的山區(qū)≥10 °C 積溫<3 175 °C·d。

2.4.2 7 月平均氣溫

沙灣市最熱月（7 月）平均氣溫的空間分布與≥10 °C積溫相似，也表現(xiàn)為“北部平原高，南部山區(qū)低”的分布格局，如圖3 所示。7 月平均氣溫>26 °C 的區(qū)域主要在海拔<450 m 的北部平原地帶；25～26 °C 的區(qū)域在海拔450～500 m 的區(qū)域內；24～25 °C 的區(qū)域在海拔500～ 600 m 的區(qū)域內； 23～ 24 °C 的區(qū)域在海拔600～800 m 的區(qū)域內；海拔800 m 以上的南部山區(qū)7月平均氣溫<23 °C。

2.4.3 無霜凍期

沙灣市無霜凍期空間分布表現(xiàn)為“北部平原長，南部山區(qū)短”的格局，如圖4 所示。無霜凍期>185 d的區(qū)域主要在海拔高度<600 m 的中北部平原；無霜凍期160～185 d 的區(qū)域在海拔600～1 000 m 的區(qū)域內；無霜凍期150～160 d 的區(qū)域在1 000～1 200 m 的區(qū)域內；海拔1 200 m 以上無霜凍期<150 d。

2.4.4 ≥15 °C 持續(xù)日數(shù)

沙灣市≥15 °C 持續(xù)日數(shù)的空間分布同樣表現(xiàn)為“北部平原長，南部山區(qū)短”的分布格局，如圖5 所示。≥15 °C 持續(xù)日數(shù)>140 d 的區(qū)域主要在海拔高度<450 m 的北部平原；≥15 °C 持續(xù)日數(shù)130～140 d 的區(qū)域在海拔450～ 600 m 的區(qū)域內； ≥15 °C 持續(xù)日數(shù)110～ 130 d 的區(qū)域在600～ 800 m 的區(qū)域內； 海拔800 m 以上≥15 °C 持續(xù)日數(shù)<110 d。

2.4.5 ≥20 °C 積溫

沙灣市≥20 °C 積溫的空間分布同樣表現(xiàn)為“北部平原多，南部山區(qū)少”的分布格局，如圖6 所示?！?0 °C積溫>2 200 °C·d 的區(qū)域主要在海拔高度<400 m 的北部平原；≥20 °C 積溫2000～ 2 200 °C· d 的區(qū)域在海拔400～600 m 的區(qū)域內；≥20 °C 積溫1 400～2000 °C·d的區(qū)域在600～1 000 m 的區(qū)域內；海拔1 000 m 以上≥20 °C 積溫<1 400 °C·d。

3 結果討論

通過對1980—2020 年沙灣市≥10 °C 積溫、無霜期、7 月平均氣溫、≥15 °C 持續(xù)日數(shù)、≥20 °C 積溫等因子的分析，結合棉花區(qū)劃指標等級，最終得到棉花適宜種植精細化區(qū)劃，分為最適宜棉區(qū)、適宜棉區(qū)、次適宜棉區(qū)、風險棉區(qū)和不適宜棉區(qū)5 個分區(qū)。

3.1 最適宜棉區(qū)

主要分布在沙灣市海拔<490 m 的北部平原地區(qū)，包括121 團場、122 團場、132 團場、133 團場、134 團場、135 團場、141 團場、144 團場、四道河子鎮(zhèn)、老沙灣鎮(zhèn)、柳毛灣鎮(zhèn)及大泉鄉(xiāng)的廣大平原地區(qū)，如圖7所示，面積為5 302 km2（包含北部沙漠地區(qū)），占全市面積的39.9%。最適宜棉區(qū)內≥10 °C 積溫>3 800 °C·d， 7 月平均氣溫>26 °C，無霜凍期>185 d，≥20 °C 積溫>2 200 °C·d，≥15 °C 持續(xù)日數(shù)>140 d，一般年份能保證獲得85% 以上的霜前花。

3.2 適宜棉區(qū)

主要分布在沙灣市海拔490～600 m 的烏奎高速公路北部附近地帶，包括安集海鎮(zhèn)、三道河子鎮(zhèn)、烏蘭烏蘇鎮(zhèn)和蘑菇湖水庫附近的平原地區(qū)，如圖7 所示，面積為1 231 km2，占全市面積的9.3%。適宜棉區(qū)內≥10 °C 積溫3 600～3 800 °C·d，≥20 °C 積溫2 000～2 200°C·d，7 月平均氣溫25～26 °C，無霜期l70～185 d，≥15 °C 持續(xù)日數(shù)130～ 140 d。一般年份可保證獲得80%～85% 的霜前花。

3.3 次適宜棉區(qū)

主要分布在沙灣市海拔600～700 m 的烏奎高速公路南部附近地帶，如圖7 所示。面積為520 km2，占全市面積的3.9%。次宜棉區(qū)內≥10 °C 積溫3 450～3 600 °C·d，≥20 °C 積溫1 600～2 000 °C·d，7 月平均氣溫24～25 °C，無霜期l60～170 d，≥15 °C 持續(xù)日數(shù)120～130 d。一般年份可保證獲得60%～80% 的霜前花。

3.4 風險棉區(qū)

主要分布在沙灣市海拔700～800 m 的烏奎高速公路南部的山前傾斜平原，如圖7 所示。面積為536 km2，占全市面積的4.0%。風險棉區(qū)≥10 °C 積溫3 175～3 450 °C·d，≥20 °C 積溫1 400～1 600 °C·d，7 月平均氣溫23～24 °C，無霜期凍150～160 d，≥15 °C 持續(xù)日數(shù)110～ 120 d。一般年份能保證獲得30%～60% 的霜前花。本區(qū)氣候變化劇烈，熱量條件不穩(wěn)定，雖然南部無霜凍期較長，但積溫波動很大，故此區(qū)域種植棉花有風險。

3.5 不適宜棉區(qū)

主要分布在沙灣市海拔高度>800 m 的南部山區(qū)，如圖7 所示。包括博爾通古鄉(xiāng)、西戈壁鎮(zhèn)、東灣鎮(zhèn)、151 團場及南部廣大山區(qū)。面積為5 691 km2，占全市面積的42.9%。不宜棉區(qū)內≥10 °C 積溫<3 175°C·d，≥20 °C 積溫<1 400 °C·d，7 月平均氣溫<23 °C，無霜期凍<150 d 以下，熱量條件不適宜種植棉花。

4 結束語

雖然篩選了與棉花生長發(fā)育關系密切的主要氣候因子作為氣候區(qū)劃指標，而實際上，綠洲棉花種植還受水資源、土壤類型和土地利用等多方面因素的影響，并非氣候環(huán)境適宜，就可以種植棉花。雖然氣候變暖導致新疆熱量資源有所增加，棉花種植區(qū)范圍擴大，但是氣象災害突發(fā)性、極端性愈加凸顯，對棉花生產安全威脅較大，故應探索引入農業(yè)氣象災害影響因素和土地利用資料，制作棉花氣象災害風險區(qū)劃。未來研究各類農作物種植氣候區(qū)劃和氣象災害風險區(qū)劃時，除了充分考慮氣象要素以外，還應考慮水資源、品種熟性、土壤類型和農業(yè)氣象災害等多因素融合，結果將會更加具有科學性、參考性。

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