基于GIS的葉城縣核桃種植氣候適宜性精細化區(qū)劃

王曉霞，張山清，李戰(zhàn)超，劉紀疆，王 森

（1.葉城縣氣象局，喀什 葉城 844000；2.新疆農業(yè)氣象臺/新疆興農網信息中心，新疆 烏魯木齊 830002）

中國是世界第一大核桃生產國[1]，光、熱、水等氣候條件是決定核桃適宜種植區(qū)、影響核桃產量和品質的主要環(huán)境因素[2-3]，近年來有關我國各地核桃種植氣候適宜性問題的研究受到業(yè)內許多學者的關注。郭兆夏等[4]、賀春燕等[5]、魏玉君等[6]、熊華等[7]、金志鳳等[8]、韓華柏等[9]根據核桃種植對氣候條件的需求，根據各地影響核桃種植的主要氣候因素，基于歷史氣候資料的多年平均值，采取不同的區(qū)劃技術方法，分別對陜西、甘肅、河南、貴州、浙江、四川等我國核桃主產區(qū)核桃種植氣候適宜性區(qū)劃開展了許多研究工作。普宗朝等[10-11]根據新疆核桃種植生態(tài)氣候條件，結合1961—2015年新疆氣候變化的實際，研究了氣候變化對核桃種植的影響，研究結果表明，氣候變暖使新疆核桃適宜、次適宜種植區(qū)趨于擴大，不適宜種植區(qū)縮小。上述研究對各地合理規(guī)劃核桃種植布局，促進核桃產業(yè)發(fā)展起到了重要作用。但由于其研究大多是從省級行政區(qū)域的宏觀角度開展的，研究成果的空間分辨率較低，難以滿足縣級行政區(qū)核桃種植精細化氣候適宜性區(qū)劃服務的需求。

葉城縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，南依喀喇昆侖山和昆侖山脈，北接開闊平原，緊連塔克拉瑪干大沙漠、葉爾羌河上游，地形南高北低。氣候屬溫帶大陸性干旱氣候，光照充足，熱量豐富，降水稀少，氣溫日較差大。由于獨特的氣候，廣袤肥沃的土地，加之綠洲平原地帶有較豐富的農業(yè)灌溉水資源，因此，葉城縣是新疆著名的特色林果主產區(qū)。其中，葉城縣生產的核桃因具有果實營養(yǎng)價值高、保健功效好、適應性強、易于管理、抗干旱、耐瘠薄、經濟效益高、生態(tài)效益顯著等特點，近年來，核桃種植業(yè)在葉城縣發(fā)展異常迅速，2019年葉城縣核桃的種植面積達3.867×104hm2，總產量1.38×105t。目前，核桃在葉城縣社會經濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護以及農民脫貧致富中占有舉足輕重的地位。進入20世紀90年代以來，隨著氣候變暖以及核桃新品種更替和管理與栽培技術不斷更新，核桃種植區(qū)域隨之在發(fā)生變化。但是，一些區(qū)域因忽視氣候條件的適宜性而盲目擴大種植面積，或種植區(qū)域不合理，導致核桃遭受越冬凍害、高溫熱害、霜凍危害等農業(yè)氣象災害的風險增加，產量低而不穩(wěn)，品質下降，嚴重影響了核桃生產的經濟、社會效益[2-3，11-12]。因此，研究葉城縣核桃種植氣候適宜性精細化區(qū)劃，對充分利用氣候資源，合理安排核桃布局，有效規(guī)避種植風險是十分必要的。由于新疆南部偏遠的葉城縣人口稀少、氣象監(jiān)測站網稀疏，且氣象站網分布極不均勻，單一氣象站的監(jiān)測數據難以代表整個區(qū)域的氣候特征。在農業(yè)氣候資源分析和農業(yè)氣候區(qū)劃中，特別是基于GIS的第三次農業(yè)氣候區(qū)劃，都需要將氣候要素與地形等要素緊密結合起來[13]，因此，進行氣候要素柵格化十分必要。在柵格化過程中主要是對無測站柵格點要素值進行推算，推算的柵格數據地域單元越小，精度越高，且數據屬性明顯，具有位置準確、數據規(guī)范、數據結構有利于空間分析[14]，為氣候資源的分析和氣候區(qū)劃帶來很大優(yōu)勢。目前葉城縣基于GIS的百米高分辨率的核桃種植氣候適宜性精細化區(qū)劃研究尚未報道。因此，本文根據核桃的生物學習性及其對氣候條件的具體要求，利用1981—2019年葉城縣及其周邊20個氣象站的觀測資料，分析影響核桃生長發(fā)育的關鍵氣候因子，篩選核桃氣候適宜性區(qū)劃指標和地理因子（高程、緯度、經度、坡度、坡向，空間分辨率為100 m×100 m），建立基于GIS的葉城縣百米級高分辨率核桃種植氣候適宜性區(qū)劃因子空間分布模型，采用GIS空間加權綜合評判法，對葉城縣核桃種植氣候適宜性各區(qū)劃指標進行綜合精細化等級分區(qū)，以期確定核桃最佳適宜種植空間分布區(qū)域，為葉城核桃產業(yè)結構調整提供氣候依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源與處理

選用葉城縣及其周邊范圍內20個資料序列較長的氣象站1981—2019年逐日平均氣溫和最低氣溫資料以及各站地理坐標和縣級地理信息數據，利用1：50 000基礎地理信息，提取葉城縣的緯度、經度、海拔高度、坡度、坡向等地理數據，經重采樣獲得空間分辨率100 m×100 m的地理因子。各站氣象數據、地理坐標和縣級1：50 000地理信息數據由新疆氣象信息中心提供，研究區(qū)域見圖1。

圖1 葉城縣高程和鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）行政分布

1.2 數據統計及區(qū)劃方法

通過分析核桃種植所需的區(qū)劃指標，對每個氣候指標進行標準化處理，采用GIS空間插值分析法[15]，對葉城縣數字高程DEM數據進行重采樣，提取經度、緯度、海拔高度、坡度、坡向，空間分辨率為100 m×100 m，而各區(qū)劃指標因子的柵格化精度必須依賴于DEM的精度，通過基于GIS空間推算模型，獲得核桃種植氣候適宜性各區(qū)劃指標因子柵格圖層集，再采用加權綜合評判法獲得葉城縣核桃種植氣候適宜性精細化區(qū)劃專題圖。

2 結果與分析

2.1 核桃生產與氣象條件的關系

2.1.1熱量條件

春季日平均氣溫穩(wěn)定≥10℃是核桃樹陸續(xù)進入發(fā)芽、展葉、開花和結果的起始臨界溫度，若春季日平均氣溫穩(wěn)定≥10℃之后出現最低氣溫≤0℃的霜凍（稱作終霜凍），將對核桃生長發(fā)育造成危害，并且隨著終霜凍日遲于≥10℃初日日數的增多，遭受終霜凍危害的風險和強度增大；反之，若終霜凍日早于≥10℃初日，核桃樹遭受終霜凍危害的幾率較低，且隨著終霜凍日早于≥10℃初日日數的增多，遭受終霜凍危害的風險減小[10-11]。核桃從幼果形成到堅果成熟需130 d左右，在此期間氣溫超過38～40℃，果實易被灼傷，致使核仁發(fā)育不良，形成空殼。核桃適宜生長的氣候條件為年平均氣溫9～12℃，夏季極端最高氣溫在40℃以下，無霜凍期為150～220 d，核桃可忍受的低溫在-25～-30℃。核桃正常結果需≥10℃積溫＞3 300℃·d，≥10℃持續(xù)日數＞160 d，若要形成較好的生產能力則需≥10℃積溫＞3 800～4 500℃·d，≥10℃持續(xù)日數180 d以上[16-17]。

2.1.2光照條件

核桃是喜光樹種，一般要求全年光照時數不少于2 000 h才能保證堅果的正常發(fā)育。葉城光照充足，年日照時數為2 500～2 800 h，完全能夠滿足核桃生長發(fā)育對光照條件的要求。

2.1.3水分條件

核桃對水分條件要求較高，一般年降水量500～800 mm才可滿足其生長發(fā)育的需求。葉城縣雖降水稀少，綠洲平原地帶年降水量不足60 mm，但核桃對水分條件的需求可通過灌溉得到有效保證，因此，降水不是制約葉城縣核桃生長發(fā)育的氣候因子。

2.2 核桃氣候區(qū)劃指標的確定

影響葉城縣核桃種植的氣候因素主要是生長期的熱量條件、越冬期低溫、果實生長期高溫以及核桃展葉、開花期的霜凍，而在葉城縣光照和自然降水對核桃基本無制約作用。根據上述分析并參考前人有關研究成果[10]，確定≥10℃積溫、最低氣溫≤-25℃日數以及終霜凍日早于≥10℃初日的日數作為葉城縣核桃種植氣候適宜性判別因子，其等級劃分標準見表1。由于各要素對核桃生長發(fā)育、產量形成的影響具有不可替代性，因此確定核桃種植氣候適宜性時以上3要素必須同時具備，缺一不可。

表1 葉城縣核桃種植氣候區(qū)劃指標

2.3 區(qū)劃指標因子的空間分布模式

區(qū)劃指標與空間分布模式的關系，采用地理統計方法建立指標因子與站點地理信息（經度、緯度、海拔高度、坡度、坡向）的空間分析模式，利用GIS空間插值推算出100 m×100 m網格上的指標值，以此滿足核桃種植氣候精細化區(qū)劃的需求。葉城縣核桃種植氣候區(qū)劃指標與地理要素之間的空間分布模式見表2，經F值檢驗，各方程都通過0.005的顯著性檢驗，具有較高的可信度。

表2 核桃種植區(qū)劃指標空間分布模型

2.4 核桃種植氣候適宜性精細化方法

基于GIS的精細化空間插值技術，利用各氣候區(qū)劃因子空間分析模式（表2），在ArcGis 10.2平臺空間分析模塊推導出100 m×100 m網格上各區(qū)劃因子的模擬值。為精確反映每個網格上的核桃種植氣候區(qū)劃指標值，將20個氣象站的實測值與模擬值之間的殘差，通過反距離插值法對殘差數據進行100 m×100 m柵格化處理，并將殘差柵格圖層與模擬區(qū)劃指標柵格圖疊加，分別獲得經過柵格化空間插值模擬的各指標氣候要素圖層集，按照表1的核桃種植氣候適宜性等級劃分標準，分別對其進行分級并將3個圖層等權重疊加處理，即可獲得綜合考慮各指標氣候要素分辨率為100 m×100 m細網格上的核桃種植氣候適宜性精細化區(qū)劃圖。

2.4.1≥10℃積溫空間分布

葉城縣1981—2019年≥10℃積溫空間分布主要受海拔高度的影響，總體呈現“從南部山區(qū)至北部平原隨海拔高度的降低逐漸增多”的空間格局（圖2）。海拔2 000 m以上的山區(qū)≥10℃積溫較少，一般不足3 300℃·d；海拔1 700～2 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶≥10℃積溫為3 300～3 800℃·d；海拔1 700 m以下的平原地帶≥10℃積溫較多，可達3 800～4 400℃·d。

圖2 葉城縣≥10℃積溫空間分布

2.4.2冬季最低氣溫≤-25℃日數空間分布

近39年葉城縣冬季最低氣溫≤-25℃日數的空間分布總體呈隨海拔高度的降低“由山區(qū)向平原逐漸減少”的特點（圖3）。海拔2 000 m以上的山區(qū)冬季最低氣溫≤-25℃日數較多，一般在3 d以上；海拔1 400～2 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶為0.3～3.0 d；海拔1 400 m以下的平原地帶冬季最低氣溫≤-25℃日數較少，一般在0.3 d以下。

圖3 葉城縣冬季最低氣溫≤-25℃日數空間分布

2.4.3終霜凍日早于≥10℃初日的日數空間分布

葉城縣終霜凍日早于≥10℃初日日數的空間分布總體呈山區(qū)少、平原多的特點（圖4）。海拔4 000 m以上的高山帶終霜凍日早于≥10℃初日日數一般在8 d以下；海拔4 000 m以下的中、低山以及丘陵、平原地帶在8 d以上，其中，海拔1 250～2 500 m的地帶終霜凍日早于≥10℃初日日數多達11～16 d。

圖4 葉城縣終霜凍日早于≥10℃初日日數的空間分布

2.5 核桃種植農業(yè)氣候區(qū)劃及其分區(qū)評述

根據核桃區(qū)劃指標（表1），將葉城縣≥10℃積溫、冬季最低氣溫≤-25℃日數和終霜凍日早于≥10℃初日日數的柵格數據在ArcGis10.0平臺上進行等權重疊加處理，得到葉城縣核桃種植精細化區(qū)劃圖（圖5）。葉城縣核桃種植氣候區(qū)劃總體可分為適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)3個分區(qū)。

圖5 葉城縣核桃種植氣候適宜性區(qū)劃

2.5.1適宜區(qū)

葉城縣核桃種植氣候適宜區(qū)主要分布在葉城縣北部海拔低于1 400 m的平原地帶，包括依提木孔鄉(xiāng)、巴仁鄉(xiāng)、烏吉熱克鄉(xiāng)、夏合甫鄉(xiāng)、江格勒斯鄉(xiāng)、吐古其鄉(xiāng)、鐵提鄉(xiāng)、恰爾巴格鎮(zhèn)、喀格勒克鎮(zhèn)、伯西熱克鄉(xiāng)、洛克鄉(xiāng)、加依提勒克鄉(xiāng)、依力克其鄉(xiāng)、恰薩美其特鄉(xiāng)，該區(qū)域≥10℃積溫在3 900～4 400℃·d，能夠滿足核桃生長發(fā)育和優(yōu)質高產對熱量條件的需求；冬季最低氣溫≤-25℃日數在0.3 d以下，核桃樹遭受越冬凍害的風險很低，安全越冬較有保證；終霜凍日早于≥10℃初日為9～16 d，春季核桃樹展葉、開花和結果期遭受霜凍危害的幾率也很低，加之該區(qū)地處葉爾羌河上游流域，土壤肥沃，灌溉有保障，因此是葉城縣發(fā)展核桃種植業(yè)最理想的區(qū)域。

2.5.2次適宜區(qū)

葉城縣核桃種植氣候次適宜區(qū)分布在葉城縣中部海拔1 400～2 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶，包括薩依巴格鄉(xiāng)南部區(qū)域、宗朗鄉(xiāng)，該區(qū)域雖終霜凍日早于≥10℃初日在11～16 d，春季核桃樹展葉、開花和結果期遭受霜凍危害的幾率很低，但由于≥10℃積溫只有3 300～3 900℃·d，僅可滿足核桃生長發(fā)育和產量形成對熱量條件的基本需求，且冬季最低氣溫≤-25℃日數在0.3～3 d，核桃樹具有遭受越冬凍害的風險，因此，是葉城縣核桃種植氣候次適宜區(qū)，該區(qū)不宜大規(guī)模種植核桃。

2.5.3不適宜區(qū)

不適宜區(qū)主要分布在葉城縣南部海拔2 000 m以上的山區(qū)，包括烏夏克巴什鎮(zhèn)南部區(qū)域、柯克亞鄉(xiāng)、棋盤鄉(xiāng)南部區(qū)域、西合休鄉(xiāng)，該區(qū)域≥10℃積溫不足3 300℃·d，難以滿足核桃生長發(fā)育對熱量條件的基本需求，且冬季最低氣溫≤-25℃日數在3 d以上，核桃樹遭受越冬凍害的風險較高，因此，不宜種植核桃。

3 結論

采用影響核桃生長發(fā)育的氣候關鍵因子與地理因子相結合的方法，基于GIS空間分析模型獲得葉城縣核桃種植的氣候適宜性精細化區(qū)劃，得出以下結論：

（1）受海拔高度影響，葉城縣氣候要素分布差異明顯，≥10℃積溫的空間分布總體呈“北部平原地區(qū)多，南部山區(qū)少”的格局；最低氣溫≤-25℃日數呈由山區(qū)向平原逐漸減少的特點；終霜凍日早于≥10℃初日日數的空間分布總體呈山區(qū)少、平原多的格局。

（2）核桃種植氣候適宜區(qū)主要分布在葉城縣北部海拔低于1 400 m的平原地帶，該區(qū)域能夠滿足核桃生長發(fā)育和優(yōu)質高產對熱量條件的需求；同時，核桃樹遭受越冬凍害的風險很低，春季核桃樹展葉、開花和結果期遭受霜凍危害的幾率也很低，因此，該區(qū)域是葉城縣發(fā)展核桃種植業(yè)最理想的區(qū)域，加之該區(qū)地處葉爾羌河上游流域，土壤肥沃，灌溉有保障，應大力發(fā)展優(yōu)質核桃種植面積。

（3）次適宜區(qū)主要分布在葉城縣中部海拔1 400～2 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶，該區(qū)域熱量條件相對欠佳，僅可滿足核桃生長發(fā)育的基本需求，且冬季最低氣溫≤-25℃日數為0.3～3 d，核桃樹具有一定的遭受越冬凍害的風險，因此，該區(qū)不宜大規(guī)模種植核桃。

（4）不適宜區(qū)分布在葉城縣南部海拔2 000 m以上的山區(qū)，該區(qū)域核桃樹遭受越冬凍害的風險較高，加之熱量資源匱乏，不能滿足核桃生長發(fā)育的需求，因此，該區(qū)不宜種植核桃。

4 討論

（1）葉城縣核桃種植適宜區(qū)內熱量條件能夠滿足核桃生長發(fā)育和優(yōu)質高產的需求。本文考慮引進了核桃春季花期霜凍災害因子是終霜凍日早于≥10℃初日的天數，而非前人的4—5月日最低氣溫≤-2℃日數，因為核桃開花至幼果期出現-1～-2℃低溫時，花、果易出現凍害[16]，這種情況只體現在偶爾一次極端天氣過程情況下，只是小概率事件，區(qū)劃考慮的是大概率事件，所以引進終霜凍日早于≥10℃初日的天數，從空間分布可以看出，葉城縣晚霜凍出現日期一般比≥10℃初日早2~3候，因此，在適宜區(qū)內核桃開花至幼果期遭受春季晚霜凍的風險很小。

（2）本文基于GIS的空間分布模型，建立地理因子與多年平均氣象因子之間的關系，采用三維二次趨勢面模擬與空間插值相結合等方法，對核桃區(qū)劃指標因子進行空間化，生成分辨率為100 m×100 m的柵格圖層，經F值檢驗，各方程都通過0.005的顯著性檢驗，具有較高的可信度。其百米精度基本上達到了縣級區(qū)劃需求。由此可見，氣象站點數據經過地理信息系統空間化后的柵格數據能有效彌補氣象臺站稀疏、氣候數據缺乏的問題，也為分析復雜地形下氣候資源空間分布提供了重要的理論數據。但是，本文只用了多年常規(guī)氣象站資料，未能將加密的自動站資料引入，今后有待訂正和延長自動站資料，增加站點密度是進一步提高推算模型精度的關鍵。

（3）核桃種植區(qū)域的確定雖然氣候要素起主導作用，但還與市場波動、種植管理技術、土壤和灌溉條件等因素密不可分[17-20]，因此，在本區(qū)劃的基礎上，統籌考慮當地的土壤和土地利用類型以及栽培管理技術等的綜合影響，因地制宜地制定符合實際的核桃種植區(qū)劃和發(fā)展規(guī)劃，仍是今后核桃種植業(yè)發(fā)展的主要研究工作。