瑪納斯河流域棉花的分布適宜性及其對未來氣候變化的響應

何 穎, 馬松梅, 楊明鳳, 馬 新, 聶迎彬

(1.石河子大學理學院, 新疆 石河子 832000; 2. 烏蘭烏蘇農業氣象試驗站, 新疆 石河子 832000; 3. 兵團種子管理總站,烏魯木齊 830000; 4. 新疆農墾科學院作物研究所, 新疆 石河子 832000)

【研究意義】全球氣候變化已經對自然與農業生態系統產生廣泛影響，且可能改變生態系統的結構和功能[1-2]。IPCC指出，農業生態系統對氣候變化非常敏感，氣候變化將增加農業生產不穩定性、改變農業種植結構和布局、加劇農業氣象災害[3]。遵循農作物生長生理特點、改變種植結構、調整種植方式，是農業生產適應氣候變化的重要手段，也是人類積極響應全球變暖的具體表現。棉花是關系國計民生的戰略物資，也是我國重要的經濟作物之一，安全穩定的棉花生產是確保國民經濟持續健康發展的基礎。相關研究表明，氣候變化過程中西北地區增溫趨勢高于全國平均水平，氣候變暖可能使棉花生育期縮短、籽棉產量減少，也可能使蒸散發強度和灌溉用水量增加，進而可能增加新疆棉花可持續生產的風險[4]。瑪納斯河流域是新疆主要的棉區之一，因此研究瑪納斯河流域光熱條件對棉花的生長發育和高產具有極其重要的指導意義。【前人研究進展】學者們圍繞農作物適宜種植區與氣候變化的響應開展了相關研究：嚴志丹等[5]基于氣候資料和DTOPSIS法分析塔里木河流域棉花種植適宜性區劃；陳彥等[6]基于GIS技術和小網格推算模型分析福州市馬鈴薯種植的氣候適宜性區劃；李景林等[7]基于線性趨勢分析北疆1961—2012年棉花種植的氣候適宜分區及面積變化。上述研究定量分析了我國不同地區作物種植區的氣候適宜性，對于科學規劃農業種植生產具有重要指導意義。另外，近些年，在氣候變化背景下，基于物種分布模型方法對我國農作物分布適宜性模擬預測研究為我國農作物的種植與科學布局提供了數據支撐。其中，最大熵(MaxEnt)模型是目前使用范圍最廣、精準度較高的建模方法之一，其采用機器學習算法，相對其他物種分布模型，該方法已經被許多研究證實具有準確性高、運算速度快、操作方法簡單等優點[8-9]。近年來，MaxEnt模型廣泛用于我國農作物適宜分布的模擬研究，主要體現在對我國糧食作物小麥、玉米、馬鈴薯和水稻等[10-12]，以及對我國雜糧作物裸燕麥和谷子進行種植氣候適宜性的評價方面，研究均表明MaxEnt模型具有較好的模擬效果[13-14]。新疆是全國最大的商品棉生產基地，棉花的種植面積、調出量及總產量連續多年全國第一[15-16]。近年來，新疆棉花生產在中國的主產區地位進一步加強。瑪納斯河流域是新疆最大的綠洲農耕區，同時也是我國第四大灌溉農業區以及全國作物高產區，是中國著名的棉花和糧食產地[17]，行政區域包括石河子市、沙灣縣和瑪納斯縣，以及新疆生產建設兵團第六師和第八師農牧團場，屬于典型的干旱與半干旱區山地-綠洲-荒漠生態系統，生態環境脆弱敏感。近幾十年，瑪納斯河流域棉花的播種面積占農作物播種總面積的80%以上，產量占新疆棉花總產量的20%左右[18]。【本研究切入點】瑪納斯河流域棉花適宜分布的范圍、適宜性分布等級如何？未來氣候情景下，流域棉花適宜分布的變化趨勢如何？哪些環境因子主要影響了流域棉花的分布適宜性？這一系列問題成為了解瑪納斯河流域棉花種植適宜性及其環境影響因素的瓶頸。【擬解決的關鍵問題】本研究基于瑪納斯河流域的棉花種植記錄及流域的環境數據資料，利用R軟件Hmisc程序包、GIS技術和MaxEnt模型開展瑪納斯河流域棉花分布適宜性模擬與預測研究。旨在達到以下目標：①瑪納斯河流域棉花的適宜分布范圍、分布面積及其空間適宜性特征；②影響瑪納斯河流域棉花分布適宜性的關鍵環境因子及其數值范圍；③瑪納斯河流域棉花的適宜分布對未來氣候變化的響應。本研究在氣候變化情景下，定量開展干旱區流域棉花的分布適宜性評價，是發揮區域自然環境資源優勢、挖掘耕地潛力、實現流域棉花種植區域和規模科學調整的重要途徑。

1 材料與方法

1.1 分布數據來源與處理

瑪納斯河流域棉花種植數據來源于1992—2018年《新疆統計年鑒》、2013—2020年《石河子統計年鑒》，并參考相關文獻[16,19-23]，共獲得85條棉花的種植記錄。首先，通過BIGMAP地圖下載器和新疆地名錄確定詳細地理坐標，然后利用R軟件Hmisc程序包進一步剔除重復和模糊的分布點，并利用GIS分布點制圖以及與研究區遙感影像疊合分析，進一步矯正分布點偏差，最終獲得61條準確有效的種植記錄用于模型的模擬。

1.2 環境數據來源與處理

本研究選取7類環境數據，包括環境能量(1970—2000年，空間分辨率30 s，WorldClim)：潛在蒸散量、年均溫、平均氣溫日較差、最暖月最高溫、最冷月最低溫、最干季平均氣溫、最低氣溫、平均氣溫；逐月氣候(1970—2000年，空間分辨率30 s，WorldClim)：最高氣溫、降水、太陽輻射、風速、水蒸氣壓、溫度季節性變化標準差；氣候季節性(1970—2000年，空間分辨率30 s，WorldClim)：溫度年較差、降雨量季節性變異系數、年平均降雨量、最濕月降雨量；水分可獲得性(1970—2000年，空間分辨率30 s，WorldClim)：最干月降雨量、干旱指數、實際蒸散量；土壤(1971—1981年，空間分辨率約5 km，SRIC-World土壤信息數據庫)：土壤酸堿度、陽離子交換量、土壤有機碳含量；歷史氣候變化(1970—2000年，空間分辨率約5 km，WorldClim)：歷史溫度變化、歷史降雨變化；人類活動(2000年，SEDAC-社會經濟數據應用中心)：人類影響因子、人類足跡指數，共28個環境因子，所有環境因子的空間分辨率重采樣約為1 km，對基準氣候下瑪納斯河流域棉花的適宜分布進行模擬分析。未來氣候:選取2040時段MIROC全球氣候模型數據。共享社會經濟路徑(Shared socio-economic pathways，SSPs)是IPCC描述未來不同社會經濟狀況假設驅動下的新一代排放情景，本研究選擇SSP3代表的溫室氣體排放中間路徑。研究區行政區劃底圖來源于國家基礎地理信息系統網站。

構建模型前，考慮到環境因子間的空間自相關性對模型模擬的影響，利用R軟件Hmisc程序包中的cor函數對環境因子進行Pearson相關性分析[24]，剔除相關性高(大于80%)的變量，最終獲得8個環境因子(圖1)：平均氣溫日較差(Bio2)、土壤酸堿度(pH)、太陽輻射(Srad)、最干月降雨量(Bio14)、陽離子交換量(CEC)、最干季平均氣溫(Bio9)、最冷月最低溫(Bio6)、土壤有機碳含量(Soc)。

圖1 R軟件篩選后用于瑪納斯河流域棉花分布適宜性模擬的環境因子相關性Fig.1 The correlation of environmental factors screened by R software used in simulation of cotton distribution suitability in Manas River basin

1.3 模型構建及環境因子分析

利用最大熵模型MaxEnt 3.4.1對瑪納斯河流域棉花的適宜性分布進行預測。隨機選取75%的樣點數據作為訓練模型，剩余25%的樣點數據用于驗證模型，設置10次重復。采用AUC值評價模型預測的準確性，AUC取值范圍為[0,1]，值為0.8～0.9，表示模型模擬精度較高；值為0.9～1.0，表示模型模擬精度極高[22]。

未來氣候情景僅有WorldClim數據庫提供的氣候數據，考慮到模型模擬時需要不同時段的環境因子相對應，本研究假設篩選的環境因子(土壤酸堿度、太陽輻射、陽離子交換量和土壤有機碳含量)在未來氣候時段不變，利用8個環境因子進行2040時段流域棉花的適宜分布區預測。為方便模型模擬結果的可視化，利用GIS自然斷點法將模型模擬結果劃分為高度適生區、中度適生區、低度適生區及不適生區。

基于MaxEnt模型生成的環境因子貢獻率和置換重要值分析各環境因子對模型模擬的貢獻；利用刀切法(Jackknife)分析各環境因子在建立模型時的重要性，并量化分析環境因子的生態位參數。

2 結果與分析

2.1 瑪納斯河流域棉花的分布適宜性分析

基準氣候及2040時段，最大熵模型的AUC均值分別為0.928和0.904，且模型模擬的適宜區與流域棉花的種植記錄具有較好的吻合(圖 2)，表明模型模擬精度較高，模擬效果較好。基準氣候下，流域棉花的高度、中度和低度適宜分布區分別占流域總面積的9.64%、12.19%和16.80%，主要集中于流域44°～45°N的中部綠洲區(圖2)。其中，棉花的高度適生區主要分布于沙灣縣121團、132團、133團、141團和144團，瑪納斯縣149團、150團以及夾河子水庫和躍進水庫，石河子市北部、石總場以及和布克賽爾蒙古自治縣西部。中度適生區表現出依附高度適生區周圍分布的特點，集中分布于沙灣縣綠洲區南緣及西北部，瑪納斯縣的147團、148團和克拉瑪依市東北部。低度適生區主要分布于綠洲區南部，瑪納斯縣莫索灣西南部和布克賽爾蒙古自治縣的高度破碎化斑塊。

圖2 瑪納斯河流域基于MaxEnt模型的基準氣候下的棉花適宜分布Fig.2 Suitable distribution of cotton simulated by MaxEnt model in reference climate in Manas River basin

從流域行政區劃看，沙灣縣棉花的高度、中度、低度適宜分布區面積占比最大，分別占流域總面積的57.09%、40.17%和34.94%；其次為瑪納斯縣，分別占流域總面積的21.04%、27.32%和24.21%；隨后為和布克賽爾蒙古自治縣，占比分別為8.01%、20.45%和27.76%(表1)。

表1 基準氣候和2040時段瑪納斯河流域行政區的棉花適宜分布區面積及其占比

2.2 影響瑪納斯河流域棉花適宜分布區分布的主導環境因素分析

MaxEnt模型的模擬結果顯示，用于模型模擬的8個因子中，平均氣溫日較差、土壤酸堿度、太陽輻射對流域棉花適宜分布影響較大，累積貢獻率達74.4%(表2)。置換重要性值的結果表明，模擬模型對平均氣溫日較差(39.6%)的依賴性最強(表2)。正規化訓練增益、測試增益及受試者工作特征曲線下面積的檢驗結果也表明，平均氣溫日較差、土壤酸堿度、太陽輻射的貢獻率較高，對模型的模擬結果影響較大(圖3)。

表2 最大熵模型模擬的環境因子貢獻率、置換重要性值和適宜分布區環境因子的數值范圍

圖3 用于MaxEnt模型模擬的8個環境因子的刀切法檢驗Fig.3 Jackknife test for 8 environmental factors simulated by the MaxEnt model

2.3 未來氣候變化對瑪納斯河流域棉花適宜分布的影響

2040時段，瑪納斯河流域棉花的適宜分布區共占流域總面積的37.13%，高度、中度和低度適宜分布區占流域面積的8.42%、13.12%和15.59%。與基準氣候相比，2040時段流域棉花的適宜分布呈明顯的破碎化減少和破碎化增加趨勢，且新增和減少的適宜分布總體呈相間分布的特點，但增減抵消后，流域棉花適宜區減少面積占流域總面積的1.5%，向沙灣縣綠洲區南部與西北部、瑪納斯縣綠洲區南緣、奎屯市綠洲區南緣和克拉瑪依市東北部縮減(圖4)。

圖4 瑪納斯河流域2040時段棉花適宜分布及其與基準氣候相比的變化Fig.4 Suitable distribution of cotton in Manas River basin during 2040 compared with reference climate

3 討 論

3.1 瑪納斯河流域棉花的適宜分布及其環境驅動機制分析

目前，農作物的種植適宜性方面的研究大多僅考慮氣候要素[25]，從環境能量、逐月氣候、氣候季節性、水分可獲得性、土壤、人為活動、歷史氣候變化要素進行較全面考慮的研究較少。本研究利用最大熵模型模擬瑪納斯河流域棉花的適宜分布，從7類環境因子入手，包含絕大多數主導因子的綜合影響，模型模擬結果較準確(AUC>0.9)，且較精細化地模擬流域棉花的適宜分布范圍與空間適宜性特征，量化分析干旱區流域棉花分布的環境適宜性。根據新疆棉花種植分區的氣候指標，結合研究區≥10 ℃積溫、≥20 ℃積溫、7月平均氣溫≥24 ℃數據進行分析[26]，本研究中模型模擬的高度和中度適宜分布區均為宜棉區和次宜棉區，而模型識別的低度適宜區范圍被劃分為高風險棉區，說明模型模擬結果合理，建議降低流域風險棉區和低度適宜區的棉花種植面積。因此，本研究結果可為干旱區流域棉花的區域布局調整提供科學依據。

MaxEnt模型識別的棉花適宜分布區主要集中于流域44°～45°N的中部綠洲區，包括沙灣縣中部，瑪納斯縣44°N以北，石河子市北部、石總場，奎屯市南部及克拉瑪依市東北部，這些區域都是流域年均溫相對較高的地區，這也與棉花喜溫、喜光照習性相符。本研究模擬的棉花高度適生區范圍與流域綠洲棉花的種植區也具有較高的吻合，模型識別到流域棉花的高度適宜分布區一半以上集中于沙灣縣中部，瑪納斯縣149團、150團、夾河子水庫和躍進水庫。本研究所用的83%已知分布記錄也來源于沙灣縣和瑪納斯縣的團場，尤其是121團、132團、147團和149團。相關研究也指出，北疆棉區的棉花種植集中在昌吉州瑪納斯縣和塔城地區沙灣縣，面積約占全疆的30%，且該地州棉花產量位居北疆第一[27]。另外，棉花在石河子市中部和北部存在高度適宜分布區，棉花在這些區域的種植也較集中。然而，流域也有部分棉花種植區位于模型識別的低度適生區，如瑪納斯縣綠洲區142團以南和石河子市152團。棉花生產是自然環境與人文社會經濟的有機結合，不僅受溫度、降水、日照時間、土壤等自然因素的制約，同時也會受機械化技術、種植技術、土地利用、人口遷移、市場經濟水平及農業政策等因素的影響[28]。由于棉花較高的經濟價值，以及人們對其需求量的增加，近年來在瑪納斯縣綠洲區西南部、烏蘇市北部的種植范圍擴大，但從氣候適宜性角度分析，這些區域并不是較適宜棉花種植的區域，而氣候的適宜性降低可能導致農作物的產量下降。

本研究從多角度定量分析平均氣溫日較差、土壤酸堿度、太陽輻射對流域棉花適宜性分布的影響。其中，平均氣溫日較差對流域棉花分布的影響最大，累計貢獻率為33.9%，相關研究也表明新疆棉花生育期受溫度的影響較明顯[24]。在春播階段，氣溫的快速回升且持續穩定，有利于棉花播種期提前，棉花生育進程縮短。新疆棉花種植區采用地膜提高種植區溫度，縮小晝夜溫差，從側面印證了平均氣溫日較差對棉花種植的影響。另外，本研究結果顯示，土壤酸堿度對流域棉花的分布范圍也存在較高限制，流域棉花適宜分布區的土壤酸堿度呈中性。棉田土壤的理化性質、生物屬性很大程度上制約著棉花的產量和品質。近50年西北地區增溫趨勢高于全國平均水平[4]，氣候變暖可能使棉花生育期縮短、籽棉產量減少，也可能使蒸散發強度和灌溉用水量增加，從而增加新疆棉花可持續生產的風險。

3.2 未來氣候變化對瑪納斯河流域棉花分布的影響

考慮未來氣候變化情景，本研究基于干旱區流域現有的棉花種植記錄，預測了2040時段瑪納斯河流域的棉花適生區的分布范圍變化，未來氣候下流域棉花的適宜分布區范圍在整個綠洲區呈顯著破碎化減少和破碎化增加相間分布，尤其是綠洲區東南部、西北部以破碎化減少為主，而綠洲區東北部和南部以破碎化增加為主，說明流域棉花的分布適宜性對未來氣候變化響應靈敏。2040時段，流域棉花的適宜分布區總體呈略微減少趨勢，減少的分布區集中于沙灣縣綠洲區南部與西北部、瑪納斯縣綠洲區南緣、奎屯市綠洲區南緣和克拉瑪依市東北部。相關研究也表明，隨著全球氣候變暖，新疆氣候呈顯著暖干化的變化趨勢，新疆地區無霜期有不同程度的延長，尤其是2000年之后變化趨勢更為顯著，但是新疆主要為灌溉農業，可能將造成未來瑪納斯河流域棉花種植的不穩定性增加，不利于流域棉花種植區域的擴大[29]。而且，氣候變化對棉花生產的影響具有兩面性，一方面，氣候變暖可能會增加棉花生育期極端高溫頻率的發生，導致棉花生長季蒸散發和耗水量增加，棉花生產中的水資源短缺加劇從而對棉花可持續生產造成不利影響[30]；另一方面，氣候變暖會降低棉花生育期極端低溫頻率的發生、減少低溫延遲冷害[31]，這些因素都有利于棉花的生產。

未來氣候變化可能使高緯度地區熱量資源得到改善，喜溫作物的種植界限將北移，促使作物種植結構和品種布局的科學調整。例如，我國春玉米潛在種植北界呈波動式北移，最大上升1.4個緯度[11]。溫度是影響作物生長、產量和發育速度的最重要氣象因子，對棉花產量和纖維品質等都具有重要的影響。IPCC[32]第六次評估報告顯示，近60年來，我國平均地表溫度每10年平均上升0.23 ℃，本世紀末將上升1.3～5.0 ℃，而且隨著氣溫上升，高溫出現的頻率將更高，時間也會更長，這將對農業生產帶來一定風險。因此，利用模型預測干旱區流域棉花在氣候變化下的潛在分布范圍變化，可為實現新疆棉花種植結構和品種布局調整及可持續生產提供科學參考。

4 結 論

本研究從基準氣候和2040時段，對瑪納斯河流域棉花的適宜分布范圍、分布面積及其空間適宜性特征進行分析，明確了影響棉花適宜性分布的主要環境因子，揭示了瑪納斯河流域棉花的適宜分布對未來氣候變化的響應。其中，棉花適宜分布區主要集中在流域44°～45°N的中部綠洲區；平均氣溫日較差、土壤酸堿度和太陽輻射的累積貢獻率達74.4%，是影響棉花適宜分布的主要環境因子；2040時段，瑪納斯河流域棉花的適宜分布范圍總體呈減少趨勢，且沙灣縣、瑪納斯縣、奎屯市和克拉瑪依市減少明顯。另外，新疆棉花處于我國重要的戰略資源，開展新疆棉花的適宜分布對未來氣候變化的響應方面的重點研究具有重大意義。