基于GIS的托里縣春玉米氣候適宜性區劃

劉紀疆 ，張山清 ，李盈奎，李新建，李戰超，王 森

1.新疆興農網信息中心，烏魯木齊 830002 2.新疆農業氣象臺，烏魯木齊 830002 3.托里縣氣象局，新疆塔城 834700

玉米是新疆主要的糧食作物之一，托里縣是新疆重要的春玉米生產基地之一，僅2015年托里縣春玉米種植面積7 200 hm2，總產量8.55萬t，是托里縣第一大種植作物[7]-[8]。托里縣氣候多樣，土地資源豐富,加之有較穩定的山區降水和高山冰川積雪融水所匯集的河川徑流和地下水的灌溉，為托里縣種植不同品種熟型的春玉米提供了得天獨厚的氣候資源條件，研究托里縣適宜種植春玉米的氣候區劃，將有助于為當地政府合理規劃春玉米種植區域，提高春玉米產量和質量，實現農業增效和農民增收。

1 研究區域概況和資料來源

1.1 托里縣區域概況

托里縣位于新疆西北部，準噶爾盆地西側、塔額盆地南緣，亞歐大陸地理內心。地處北緯44°58′～46°24′，東經82°28′～85°20′，境內屬準噶爾臺地西緣褶皺帶，由巴爾魯克、瑪依勒、加依爾三大平頂狀山脈組成。境內多山，占全縣總面積的77.68%。地勢南高北低，呈階梯遞降，平均海拔1 500 m。根據地形特征可分為山地、傾斜平原、谷地三種地貌類型（圖1）。屬溫帶大陸性半干旱氣候，全年日照較多，盛行東風、南風，年平均氣溫6.1℃，一年中最熱月份為7月，月平均氣溫為20.9℃；最冷月為12月，平均氣溫為-9.7℃，歷年無霜期為155 d，年降水量為246.9 mm。年平均日照時數為2 803.5 h。

圖1 托里縣高程圖

1.2 資料來源

地理信息數據和氣象數據由新疆維吾爾自治區氣象信息中心提供，基礎地理信息數據包括托里縣及其周邊博樂市、精河縣、沙灣縣、烏蘇市等10個縣的鄉鎮行政邊界和1∶50000（DEM）數字高程數據；氣象數據為上述10個氣象臺站1961～2015年逐日平均氣溫、≥10℃積溫、無霜期日數、≥35℃日數和站點經緯度、海拔高度等資料，春玉米播種面積和產量取自2015年《新疆統計年鑒》和《托里縣統計年鑒》。

2 研究方法

2.1 數據資料的處理

本區劃利用托里縣及其周邊10個氣象臺站1961～2015年的氣象觀測數據，結合地理信息系統(ArcGIS)的精細化（分辨率200 m×200 m）空間插值技術，完成基于1∶50 000（DEM）氣候要素的柵格化數學模型，為提高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殘差訂正相結合)在ArcGIS平臺上對無霜凍期、≥10℃積溫、7月平均氣溫以及7月最高氣溫≥35℃日數進行200 m×200 m柵格點的空間插值模擬[2]-[3]。

2.2 春玉米種植區劃指標的確定

2.2.1 玉米氣候生態條件分析

2.2.1.1 光照

玉米是高光效C4作物,玉米葉片的光飽和點和光合效率都較高，而光補償點很低。日照長，光照強，光合生產潛力高，利于玉米高產。托里縣空氣干燥、云量少，平原地帶玉米生育期（≥10℃期間）日照時數多在1 866 h，高于我國中東部同緯度玉米主產區，因此，光照條件能夠滿足玉米生長發育的需求。

2.2.1.2 溫度

玉米為喜溫作物,10～12℃為適宜的發芽溫度。出苗后，幼苗期可耐-1～-2℃的霜凍。拔節后玉米要求日平均氣溫18℃以上。抽雄、開花期日平均氣溫以20～25℃為宜,最高氣溫高于32～35℃花絲易枯萎，造成受精不全，缺粒禿尖。玉米籽粒灌漿、成熟期，要求日平均氣溫保持在20～24℃比較有利,若氣溫低于16℃或高于25℃將導致籽粒中養分的運轉、積累不能正常進行。托里縣春玉米一般于7月中、下旬開花，8～9月份灌漿、成熟，有些年份玉米花期溫度偏高，對授粉有一定影響，9月份溫度又偏低，易受低溫冷害和霜凍的危害，對玉米產量形成有一定影響。

2.2.1.3 降水

玉米蒸騰系數為260～368，小于小麥、水稻，是水分利用率較高的作物，但由于生育期較長、植株高大，全生育期仍需較多的水分。托里縣玉米生長季降水較少，平均為135 mm,遠遠不能滿足玉米生育期的需水，必須依賴灌溉,因此降水不是制約玉米生長發育的氣候因子。

2.2.2 春玉米種植區劃的思路

根據上述分析表明,托里縣光照充足，種植玉米全部實行灌溉，因此，各地是否適于種植玉米以及品種布局主要決定于熱量條件。玉米生長季氣候的適宜性主要受冷害和高溫的影響[1]。據此，將玉米氣候區劃分為兩級，第一級選擇≥10℃積溫和無霜凍期作為區劃因子，將其劃分為早熟玉米種植區、中熟玉米種植區和晚熟玉米種植區；第二級區劃分適宜、次適宜、不適宜三種類型，仍以≥10℃積溫考察冷害的影響，并以7月平均氣溫、7月最高氣溫≥35℃日數來考察春玉米開花授粉期溫度的適宜程度及高溫的影響。

2.2.3 區劃指標

2.2.3.1 一級區劃

根據不同熟型春玉米生育期的長短及對熱量條件的要求，確定各熟型玉米全年所需的熱量指標（表1）。其中，無霜凍期和≥10℃積溫兩項指標必須同時具備。

表1 春玉米種植一級區劃指標

2.2.3.2 二級區劃

表1給出的各種熟型玉米所需≥10℃積溫的下限(如，早熟春玉米為2 100℃·d)是該熟型玉米所要求的基本熱量條件。但由于玉米成熟期當日平均氣溫降至15℃以下時，即會因形成冷害而影響成熟，因此，某地熱量條件能使玉米品種在日平均氣溫≥15℃的終日到來前成熟，便可免受冷害；反之，若在該界限之后成熟則會遭受一定的冷害。基于以上原因，本區劃將從日平均氣溫15℃降至10℃期間的≥10℃積溫值作為衡量冷害的指標。在當地該值約為150～200℃·d。依此規定：≥10℃積溫若小于所需積溫的下限與200℃·d之和，則為次適宜區；反之，若≥10℃積溫大于下限積溫與200℃·d之和，則為適宜區（表2）。

表2 春玉米種植二級區劃之成熟期冷害影響指標

花期溫度條件及高溫熱害：春玉米開花、授粉期的7月以日平均氣溫20～25℃為宜；18～20℃或25～27℃為次適宜；低于18℃或高于27℃則對開花、授粉極不利，為不適宜。

另外，對春玉米來說，7月最高氣溫≥35℃日數少于10 d為適宜；10～20 d為次適宜；大于20 d為不適宜（表3）。

在判別氣候適宜性時，二級區劃中的成熟期冷害，開花、授粉期的溫度條件及高溫的影響三項指標也必須同時具備。

表3 春玉米種植二級區劃之開花、授粉期溫度適宜程度及高溫影響指標

2.3 春玉米區劃指標氣候要素空間分布

2.3.1 無霜凍期

圖2 1961—2015年托里縣無霜凍期的空間分布

托里縣的無霜凍期表現為“南部長，北部短；平原長，山區短”的空間分布格局（圖2)。以不同熟型玉米對無霜凍期要求(表1)分級的各級無霜凍期的分布情況來看,托里縣南部海拔高度低于1 700 m的山前傾斜平原和丘陵地帶無霜凍期為135～192 d；1 700～2 100 m低山帶為115～135 d，2 100～2 500 m中山帶90～115 d；2 500 m以上高山帶少于90 d。

2.3.2 ≥10℃積溫

托里縣日平均氣溫穩定≥10℃積溫的空間分布總體呈現“南部多,北部少;平原多,山區少”的格局(圖3)。以不同熟型玉米對≥10℃積溫的要求(表1、表2)分級的各級≥10℃積溫的分布情況來看,≥10℃積溫多于2 900℃·d的區域主要在托里縣南部海拔高度低于1 000 m的平原地帶；1 000-1 250 m的山前傾斜平原地帶為2 500～2 900℃·d；1 250～1 450 m的低山、丘陵地帶2 100～2 500℃·d；海拔1 450 m以上的山區≥10℃積溫少于2 100℃·d。

2.3.3 7月平均氣溫

圖3 1961—2015年托里縣≥10℃積溫的空間分布

托里縣7月平均氣溫的空間分布總體呈現“南部高，北部低；平原高，山區低”的特點（圖4）。以春玉米對7月平均氣溫的要求(表3)分級的各級7月平均氣溫的分布情況來看，南部海拔1 100 m以下的平原地帶為20～24℃；1 100～1 400 m的山前傾斜平原和低山丘陵地帶為18～20℃；海拔1 400 m以上的山區7月平均氣溫低于18.0℃。

2.3.4 7月最高氣溫≥35℃日數

圖4 1961—2015年托里縣7月平均氣溫的空間分布

托里縣各地7月最高氣溫≥35℃日數均在5 d以下，其中南部海拔高度低于800 m的低平原為3～4.4 d，海拔800～1 100m的地帶為1～3 d，海拔1 100 m以上幾乎不出現≥35℃的高溫（圖5），這說明托里縣春玉米花期很少受高溫危害的影響。

圖5 1961—2015年托里縣≥35℃日數的空間分布

3 結果與分析

結合不同熟型玉米對≥l0℃積溫和無霜凍期要求的等級標準,在ArcGis10.0平臺上對這兩項氣候要素的柵格數據進行分級、疊加處理,獲得托里縣玉米種植的一級氣候區劃。同理，根據不同熟型玉米成熟期熱量條件以及吐絲開花期溫度條件的適宜程度，在ArcGis10.0平臺上對各指標氣候要素的柵格數據進行分級、疊加處理,完成托里縣玉米種植氣候適宜程度的二級氣候區劃，再將一、二級區劃的圖層進行疊加，即可獲得綜合考慮無霜凍期、≥10℃積溫、7月平均氣溫以及7月最高氣溫≥35℃日數的托里縣玉米種植氣候區劃(圖6)。從中可以看出，托里縣可劃分為早熟、中熟、晚熟春玉米種植區以及玉米不宜種植區4個大區。若再考慮不同熟型春玉米成熟期熱量或溫度條件的適宜程度，托里縣玉米種植氣候區劃共劃分為5個亞區,以下對各分區進行評述。

圖6 1961—2015年托里縣玉米種植農業氣候區劃

3.1 晚熟春玉米適宜種植區

托里縣海拔900m以下的平原地區≥10℃積溫3 100℃·d以上，無霜凍期135～192 d，7月平均氣溫22～24℃，7月最高氣溫≥35℃日數在5 d以下，熱量條件能夠滿足晚熟品種玉米的種植且花期很少遭受高溫危害的影響，成熟期遭受低溫冷害的幾率也較低，因此是托里縣晚熟春玉米適宜種植區。

3.2 中熟春玉米適宜種植區

托里縣中熟春玉米氣候適宜區主要分布在900～1 150 m的山前傾斜平原地帶，本區≥10℃積溫2 700～2 900℃·d，無霜凍期115～135 d，7月平均氣溫21～22℃，7月最高氣溫≥35℃日數在2 d以下，熱量條件能夠滿足中熟品種玉米的種植，且花期遭受高溫危害、成熟期遭受低溫冷害的幾率較低，因此是托里縣中熟春玉米適宜種植區。

3.3 中熟春玉米次適宜種植區

托里縣中熟春玉米次適宜區主要分布在適宜區上部，海拔高度在1 150～1 250m的狹窄范圍內，本區≥10℃積溫2 500～2 700℃·d，無霜凍期115～135 d，7月平均氣溫在20～21℃，氣候條件能基本滿足中熟品種玉米的種植，但成熟期有一定的低溫危害風險。

3.4 早熟春玉米次適宜區

托里縣無早熟春玉米適宜種植區，其次適宜種植區主要分布在海拔高度1 250-1 450 m的低山、丘陵地帶（圖6），本區是托里縣熱量資源最少的玉米種植區，≥10℃積溫2 100～2 500℃·d，無霜凍期115～135 d左右，7月平均氣溫在18～20℃，基本能滿足早熟玉米的種植，但成熟期有遭受低溫危害的風險，部分年份玉米籽粒不能正常成熟。

3.5 玉米不適宜種植區

托里縣海拔1 500 m以上的山區≥10℃積溫不足2 100℃·d，7月平均氣溫低于18℃，難以滿足各種熟型玉米生長發育和籽粒正常成熟對熱量條件的需求，因此是玉米不適宜種植區。

4 結論與討論

（1）對托里縣霜凍期日數、≥10℃積溫、逐日平均氣溫以及最高氣溫≥35℃日數等進行空間分布研究，直觀的用圖形指出了春玉米生長的氣象條件最佳種植區域，大致符合托里縣實際玉米種植區域分布。

（2）本區劃結合經緯度、海拔高度和氣象資料分析得出了春玉米在托里縣的種植適宜區分類，但沒有考慮種植土壤、栽培方法等因素，當地農業部門可參考使用該區劃結果，為科學合理地制定和安排托里縣玉米發展規劃和種植區域,確定適宜的品種熟型，采取趨利避害的生產管理技術措施規劃玉米種植。