基于GIS 的新疆沙灣辣椒精細化氣候區劃

王 森，井立軍，劉紀疆，李戰超，張山清

（1.新疆農業氣象臺，烏魯木齊 830002；2.沙灣縣氣象局，新疆 沙灣 832100）

沙灣縣光熱資源豐富，有充足的水源保障。因此，沙灣縣盛產辣椒，其中，安集海鎮生產的辣椒品質優良，2000年被國家農業部（現農業農村部）授予“中國辣椒之鄉”的美譽，并于2004年順利通過自治區無公害農產品辣椒的認證。近年來，沙灣縣不斷加大產業結構調整力度，重點支持以辣椒為主的蔬菜產業，規模種植辣椒已成為沙灣縣特色農業、高效農業中的支柱產業。據新疆統計年鑒可知，2017年沙灣縣辣椒產量為21.2 萬t，種植面積為0.28 萬hm2，但是，受氣候變暖的影響，適宜辣椒種植的氣候因子在改變，其區域氣候環境也發生了較明顯的變化，加之近年來極端災害性天氣頻發，如春季低溫冷害、霜凍、大風寒潮以及夏季高溫天氣給辣椒生產造成不同程度的危害，其中，2003年4月、2006年5月的持續4～5 d 的低溫冷害，2009年4月大風寒潮天氣給沙灣縣辣椒造成不同程度的危害。因此，結合辣椒氣候適宜性指標和地理條件等因子，利用Arc?GIS 軟件制作沙灣縣辣椒精細化種植氣候區劃，對充分利用氣候資源、調整和優化辣椒種植布局、有效規避氣象災害有重要的意義。

Patel等［1］、王森等［2］采用GIS 對甘蔗和大田作物進行了氣候適宜性區劃；朱勇［3］基于GIS 對云南雜交水稻種植進行氣候區劃；張山清等［4-7］基于GIS 對新疆紅棗、杏子、蘋果、棉花等作物進行了氣候適宜性種植區劃；歐陽偉［8］對伊犁墾區制種玉米進行了氣候適宜性區劃；針對廣西早晚水稻低溫冷害和秋季寒露風冷害等災害，何燕等［9-12］采用GIS 進行了氣候災害風險區劃研究；金志鳳等［13，14］基于GIS 利用氣候、土壤和地形等關鍵因子對浙江省茶樹和楊梅栽培進行了氣候適宜性區劃；針對廣西龍眼和寧夏枸杞，蘇永秀等［15］和蘇占勝等［16］分別運用GIS 進行氣候適宜性區劃。

本研究利用沙灣縣1961—2018年的氣候資料數據，通過ArcGIS 和回歸分析等對辣椒種植范圍進行精細化氣候區劃研究，對沙灣縣辣椒生產合理利用氣候資源和優化生產布局具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域及數據來源

1.1.1 研究區域 沙灣縣位于天山中段北麓，準噶爾盆地南緣，地處北緯43°29'—45°20'，東經84°57'—86°09'。東距新疆首府烏魯木齊市185 km，東接兵團第一師石河子市、瑪納斯縣；南依和靜縣、尼勒克縣；西鄰奎屯市、烏蘇市、獨山子區；北連克拉瑪依市和布克賽爾蒙古自治縣。南北長227 km，東西最大寬度達48 km，總面積為13 100 km2（圖1）。

圖1 沙灣縣高程

1.1.2 數據來源 氣象資料為沙灣縣和相鄰縣市15 個氣象站1961—2018年的地面氣象觀測資料，包括7月平均氣溫、≥15 ℃積溫、4—5月最低氣溫≤0 ℃天數、6—8月最高氣溫≥35 ℃天數等，由新疆氣象信息中心提供。沙灣縣辣椒氣候區劃指標來源于文獻資料［8，17-19］。

地理信息資料采用新疆測繪地理信息局提供的1∶50 000 沙灣縣基礎地理背景數據，包含鄉鎮級、鄉鎮級以下行政點、公路、河流和數字高程模型（DEM）等。

1.2 研究方法

利用GIS 技術和細網格模擬分析方法［8］，建立區劃指標因子的空間模擬分析模型，并對其殘差部分進行空間內插訂正，按照災害風險等級指標，利用IDW 插值得到辣椒災害風險區劃，最后將氣候資源分布與災害風險等級先進行重分類，分為1、2、3、4共4 個等級，再運用模糊疊加法進行疊加分析，將沙灣縣辣椒種植區域分為最適宜區、適宜區、次適宜區和不適宜區。

模糊數學法［9］是進行事物分類研究的常用方法，也是農業氣候區劃工作中的常用方法，對7月平均氣溫、≥15 ℃積溫、4—5月最低氣溫≤0 ℃天數、6—8月最高氣溫≥35 ℃天數等指標因子構建模糊隸屬度函數。

2 沙灣縣辣椒氣候資源評價

2.1 光能資源

光照是辣椒生長發育的重要因素。植株同化作用、營養生殖、花芽分化、開花結果、果實膨大等都要依靠光合作用，辣椒全生育期需日照時數為1 600 h以上。沙灣縣辣椒開花、結果、果實膨大期日照時數每日為10～11 h，4—9月日照百分率為66%～75%，5—8月每月日照均達300 h 以上，沙灣縣年日照時數可達2 200～3 200 h（圖2），光照條件完全滿足辣椒生長發育的需要。

圖2 1961—2018年沙灣縣年日照時數變化趨勢

2.2 熱量資源

由表1 可知，在不同生長發育時期，辣椒生長發育對溫度的要求不同，避免遭受高溫日曬、低溫冷害，種子發芽的適宜溫度為25～30 ℃［17］，氣溫<15 ℃時莖葉生長減緩，>35 ℃時幼芽生長受抑制，最低氣溫低于0 ℃時幼芽停止生長；幼苗期適宜溫度為20～26 ℃，若氣溫>26 ℃，幼苗生長迅速，易出現徒長，不利于培育壯苗，<15 ℃影響幼苗生長。苗期對霜凍很敏感，若遇低于0 ℃的溫度使幼苗受到危害。開花坐果期是辣椒生長發育和產量形成的關鍵時期，對溫度變化比較敏感，適宜溫度為17～23 ℃，若<15 ℃，難授粉，易落花、落果；>35 ℃時，不利于花器官的正常發育。盛果期適宜溫度為15～23 ℃，>35 ℃易造成果實灼傷，氣溫低于15 ℃時，影響果實膨大，<8 ℃時果實停止膨大。沙灣縣辣椒在產量和品質形成期的7—8月，平均溫度為23.0～26.3 ℃，日較差大，有利于提高辣椒產量和品質。辣椒從4月中旬終霜期結束后，日平均氣溫升到12～14 ℃，5 cm 地溫穩定在13 ℃以上時，開始移栽定植，至10月中旬初霜期來臨之前完全成熟，辣椒全生育期需≥10 ℃的積溫為3 400～3 800（℃·d），≥15 ℃的積溫為3 000～3 400（℃·d）。

表1 辣椒生育期有利與不利的熱量指標

2.3 水分條件

辣椒根系較弱，對水分反應比較敏感，從播種到收獲，整個生育期需水量為600～900 mm［19］。辣椒苗期需水量較少，為生育期總需水量的8%～10%，幼苗期土壤濕度過大易引起病害；開花坐果期是營養生長和生殖生長并進的旺盛期，是干物質積累最多的時期，期間需水量為生育期總需水量的47%～68%，果實成熟期已進入秋季，氣溫降低，發育期相對穩定，需水量減少，占總需水量的10%左右。沙灣縣境內水源豐富，正常年份能滿足辣椒需水要求［19］。

3 沙灣縣辣椒氣候區劃

3.1 災害風險等級區劃指標確定

沙灣縣春季低溫、霜凍以及夏季高溫是影響辣椒產量和品質的主要限制因子，所以，以最低氣溫小于0 ℃的持續日數、≥35 ℃高溫日數來描述其影響，對低溫危害過程的影響，則需考慮低溫的累積效應。根據災情資料統計，如沙灣縣2003年4月15—19日，低溫持續5 d；2008年4月18—21日，低溫持續4 d；2010年4月10—14日，低溫持續5 d，導致辣椒苗期嚴重受害。≥35 ℃高溫日數出現在辣椒開花坐果期及盛果期的6—8月，此期間連續3 d 以上的高溫會灼傷果實，導致落花落果，如2005年7月8—13日持續出現5 d≥35 ℃高溫，最高氣溫達40.0 ℃，2008年7月12—16日持續出現5 d≥35 ℃高溫，最高氣溫達36.5 ℃，嚴重影響辣椒開花坐果。因此，選擇4—5月最低氣溫≤0 ℃天數和6—8月最高氣溫≥35 ℃天數作為辣椒災害風險區劃指標（表2）。

表2 災害風險等級區劃指標

3.2 沙灣縣辣椒精細化氣候區劃

沙灣縣地形地貌復雜，南北緯度跨度大，經度、緯度、地形、地貌、地勢等地理環境及下墊面特性明顯不同，導致當地氣候差異十分明顯。因此，為了客觀描述辣椒種植布局氣候區劃指標因子在沙灣縣的實際分布情況，應用GIS 技術和數理統計方法建立基于地理信息的氣候區劃指標因子的空間分析模型。

式中，y為區劃指標；φ、λ、h分別代表緯度、經度、海拔高度；函數f（φ，λ，h）稱為區劃指標的氣候學方程；ε為殘差項，稱為綜合地理殘差，可認為φ、λ、h所擬合的氣候學方程如下所示。

在本研究中，函數f采用簡單多元線性回歸模型。利用沙灣縣各個氣象站點的氣候觀測資料數據及對應站點的氣候觀測資料數據和經度、緯度、海拔高度等地理信息數據，應用數理統計中的回歸分析方法，將經度、緯度、海拔高度等地理因子作為自變量，把4—5月最低氣溫≤0 ℃天數和6—8月最高氣溫≥35 ℃天數2 個影響辣椒種植布局的主要氣候要素分布作為因變量，建立對應的氣候區劃指標因子的空間模擬推算模型，

繪制辣椒種植布局2 項氣候區劃因子分布圖，通過GIS 模糊疊加法進行模糊疊加，制作沙灣縣辣椒種植布局精細化氣候區劃（圖3）。

圖3 沙灣縣辣椒種植氣候區劃

4 小結與討論

1）最適宜區。最適宜種植區主要分布在沙灣縣鐵路和烏奎高速公里兩側，包括沙灣縣以南二道灣村、三道灣村，鐵路以北金溝河鎮、烏蘭烏蘇鎮、農八師143 團廣大區域。該區≥10 ℃積溫為3 600～3 800（℃·d），≥15 ℃積溫為3 000～3 200（℃·d），7月平均氣溫為25～26 ℃，熱量資源豐富，較好地滿足了辣椒整個生長期對溫度的需求，4—5月最低氣溫≤0 ℃天數小于3 d，6—8月≥35 ℃天數小于15 d，辣椒春季受低溫危害程度較輕，夏季受高溫影響也輕。該區域是沙灣縣辣椒的重點發展區域，可充分利用氣候資源，選用優良品種，提高該區域辣椒種植的經濟效益。

2）適宜區。適宜種植區主要分布在烏奎高速公路以南少部分區域和中部偏北大部分地區，包括安集海鎮、三道河子鎮、大泉鄉、142 團、144 團、133 團、石南農場。該區≥10 ℃積溫為3 400～3 600（℃·d），≥15 ℃積溫為3 000～3 400（℃·d），7月平均氣溫為24～25 ℃，熱量條件基本能滿足辣椒的生長，春季最低氣溫≤0 ℃天數小于5 d，辣椒苗期受低溫危害影響程度相對較輕，不會對辣椒生長產生較大影響，開花坐果期≥35 ℃天數小于20 d。該區域可充分利用氣候資源，選用優良品種為打造辣椒品牌創造良好條件。

3）次適宜區。次適宜種植區分為兩部分，第一部分主要分布在北部地區，包括四道河子鎮、老沙灣鎮、柳毛灣鎮、商戶地鄉、141 團、122 團。該區≥15 ℃積溫為3 400～3 600（℃·d），夏季高溫天氣多，辣椒盛果期≥35 ℃天數大于20 d，影響辣椒坐果率；第二部分主要分布在南部狹長區域，本區熱量條件略顯不足，春季霜凍較重。該區不適宜大面積發展辣椒生產，應選取耐寒品種，以提高種植效率。

4）不適宜區。不適宜種植區也分為兩部分，一部分主要分布在北部沙漠地區。該區≥15 ℃積溫在3 600（℃·d）以上，7月氣溫在26 ℃以上，高溫天氣多，≥35 ℃天數在25 d 以上，不利于辣椒種植；第二部分主要分布在南部低山和中高山區域，≥15 ℃積溫<2 800（℃·d），7月平均氣溫<23 ℃，該區域熱量條件較差，不能滿足辣椒整個生長期的熱量需要。春季最低氣溫<0 ℃的天數在7 d 以上，辣椒苗期凍害嚴重，應避免在該區域種植辣椒。氣候環境條件在影響辣椒生長發育和產量的所有因素中始終是最重要的因素。

本研究以影響辣椒生長發育和產量的主要關鍵氣候要素為區劃指標，實際上除了氣候因素以外，在實際生產過程中辣椒種植還受土壤類型、種植模式和管理措施等其他因素的影響。目前的辣椒精細化區劃研究中主要考慮氣候條件，還沒有把土壤現狀、土地利用狀況等其他環境條件信息綜合考慮進去。除了受氣候、土壤等生態條件影響外，還受地形地貌、水域、山體、城市居民用地等多種條件的制約，并非氣候條件適宜種植的地方就可用于辣椒生產。因此，研究辣椒等農作物精細化氣候區劃時，結合當地實際情況，在充分運用GIS 基礎上，還應綜合考慮氣候條件、土壤類型、土壤肥力、土地利用規劃狀況等方面的精細化區劃綜合信息，開展農作物種植布局的綜合區劃研究，區劃結果將會更加深化、細化，更為客觀、準確和綜合實用。關于這些方面的綜合研究有待今后進一步探討和不斷完善。