基于GIS 的新疆呼圖壁縣棉花精細化氣候區(qū)劃

王雪姣，阿帕爾·肉孜，徐志峰，樊 榮，王向峰，王 森，張山清*

（1.新疆興農網信息中心/新疆農業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 831000；2.昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100；3.呼圖壁縣氣象局，新疆 呼圖壁 831000）

新疆位于中緯度地區(qū)亞歐腹地，是我國典型的內陸干旱、半干旱氣候區(qū)，社會經濟發(fā)展滯后、自然生態(tài)環(huán)境脆弱。20 世紀90 年代以來，新疆氣候“增暖增濕”特征顯著，極端天氣氣候事件增多，已對區(qū)域經濟社會可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境等敏感領域產生了重大影響[1]。新疆是全國棉花種植面積最大的優(yōu)質棉生產基地，2022 年棉花種植規(guī)模達249.7 萬hm2，占全國種植面積的83.2%，總產量539.1 萬t，占全國的比重達到90.2%。多名學者研究表明，氣候變暖使得北疆棉花種植熱量條件增加，棉花宜植區(qū)顯著擴大[2-6]。王雪姣等[2]對新疆棉花物候、產量和品質的氣候響應研究表明，氣候變暖將使新疆棉區(qū)棉花生長發(fā)育速率加快，生育期提前，停止生長時間推遲，有利于干物質積累和產量提高。普宗朝等[3]對烏昌地區(qū)棉花種植區(qū)劃的研究表明，烏昌地區(qū)宜棉區(qū)明顯擴大，次宜棉區(qū)、風險棉區(qū)和不宜棉區(qū)縮小。胡莉婷等[6]對新疆不同熟性棉花種植區(qū)劃的研究表明，中熟、早中熟棉區(qū)的種植面積增加，特早熟棉區(qū)和不適宜區(qū)均減少，早熟棉區(qū)面積變化不明顯。

目前，呼圖壁縣主要種植小麥、棉花、玉米、甜菜、番茄、辣椒等多種農作物，而棉花是呼圖壁縣的主要經濟作物，近20 年，新疆現代智慧種植技術管理水平不斷提高，國家三農政策關注扶持力度加大，推動了呼圖壁縣棉花產業(yè)的飛快發(fā)展。2003 年呼圖壁縣棉花面積為1.85 萬hm2，2013 年增加到3.53 萬hm2，2020 年棉花面積為5.33 萬hm2。當前，由于植棉面積增長速度過快，導致植棉范圍不斷擴大外延，將會超出次宜棉區(qū)或風險棉區(qū)，同時受氣候環(huán)境和地理位置的制約，植棉保證系數不高，從而導致棉花產量低、品質差，效益低[6-7]。由于氣候變暖和影響棉花種植氣候環(huán)境不斷變化，各棉區(qū)氣候環(huán)境發(fā)生了較明顯的變化，對棉花生產布局產生了有利或不利的影響。因此，從合理開發(fā)和高效利用氣候資源角度出發(fā)，制作呼圖壁縣棉區(qū)精細化氣候區(qū)劃，對充分利用當地氣候資源、調整優(yōu)化作物種植布局，推動呼圖壁縣農業(yè)穩(wěn)定發(fā)展、農民持續(xù)增收和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和數據來源

呼圖壁縣隸屬新疆昌吉回族自治州，地處歐亞大陸腹地，總面積9 518 km2。呼圖壁河和雀爾溝河（又名軍塘湖河、土古里克河，紅山河）縱貫縣境。全境呈現山地、平原、沙漠等地貌形態(tài)，南部山地最高海拔為5 290 m，北部沙漠最低海拔為360 m，全境高差為4 930 m。地勢南高北低，南部為高山、丘陵，中部為沖積平原，北部為沙漠。海拔高度相差較大，南北氣候差異明顯，屬溫帶大陸性干旱半干旱氣候，全年日照時數3 000 h 以上，年均降水量約為190 mm，無霜期約為180 d，7 月平均氣溫為25.5 ℃，年較差為41.9 ℃，≥10 ℃積溫穩(wěn)定在3 600 ℃·d 以上，≥20 ℃積溫在2 000 ℃·d 以上，≥15 ℃的持續(xù)日數在133 d以上。

本文采用的氣象資料主要是新疆氣象信息中心提供的呼圖壁縣、烏蘇、炮臺、沙灣、烏蘭烏蘇、莫索灣、石河子、瑪納斯、米泉、蔡家湖、昌吉、小渠子、大西溝、阜康、烏魯木齊等15 個氣象站1980—2020 年的地面氣象觀測資料，觀測資料包括逐日氣溫、日照、降水和初終霜期等。棉花氣候區(qū)劃指標來源于文獻資料和前人研究成果、田間觀測記錄等。地理信息數據由新疆測繪地理信息局提供。

1.2 區(qū)劃指標和研究方法

1.2.1 棉花區(qū)劃指標確定

棉花是喜溫作物，從播種到收獲各個生育期對溫度需求不同，日平均氣溫穩(wěn)定≥10 ℃是棉花適宜播種的溫度指標。苗期的適宜溫度為20～30 ℃，在該范圍內，溫度適當偏高，可促進棉苗早發(fā)、形成壯苗。現蕾到開花期的適宜溫度約為25 ℃，該時期溫度為23～25 ℃，較適宜。花鈴期是棉花整個生長發(fā)育最繁茂的時期，主要是由營養(yǎng)生長階段逐漸轉變到生殖生長階段，該階段的適宜溫度為25～30 ℃，呼圖壁棉區(qū)棉花花鈴期的前期（7 月中旬—8 月上旬）平均氣溫約為25 ℃，較適宜，但花鈴期的中后期（8月中旬以后）平均氣溫均在24 ℃以下，并且9 月上旬平均氣溫降至20 ℃以下，10 月上中旬出現霜凍，夏末秋初氣溫下降快，導致棉花花鈴期較短、熱量不足，是影響呼圖壁縣棉花高產的主要氣候成因[6-8]。

呼圖壁縣光照比較充足，境內呼圖壁河和雀爾溝河縱貫縣境，灌溉水資源供應穩(wěn)定可靠，因此，熱量資源依然是呼圖壁縣棉花生產和種植區(qū)劃的主要氣候因素，熱量資源的多少直接關系棉花產量和品質，而熱量資源的多少主要由地理位置、地勢地形所決定，呼圖壁縣南北高程分布差異很大。因此，本區(qū)劃主要以熱量資源的多少來劃分棉區(qū)。棉花生長發(fā)育要求的熱量指標主要是≥10 ℃的積溫。結合前人研究成果，僅用積溫還不能完全代表棉花對熱量條件的需求，還應考慮最熱月平均氣溫（7 月），最熱月往往是棉花生長發(fā)育最旺盛的花鈴階段，此階段要求的適宜溫度≥25 ℃。

若某區(qū)域≥10 ℃積溫和7 月平均氣溫的要求都已滿足，還需看無霜凍期的長短，因為棉花苗期和吐絮期遭遇霜凍，日最低氣溫< 0 ℃時，氣溫越低，棉苗和棉桃受到傷害越重，可致棉株終止生長。因此，無霜凍期也是棉花種植區(qū)劃中的一個重要因子，在≥l0 ℃積溫、7 月平均氣溫類似的地域，無霜期越長，對植棉越有利；無霜期越短，棉花種植風險越大。結合前人考察、研究結果和田間觀測資料，本文將≥10 ℃積溫、7 月平均氣溫和無霜期作為呼圖壁縣棉花精細化氣候區(qū)劃的區(qū)劃指標[8-13]，≥15 ℃日數和≥20 ℃的積溫作為輔助指標考慮，棉花氣候區(qū)劃指標見表1。

表1 棉花氣候區(qū)劃指標

1.2.2 空間插值方法

依托Arcgis 軟件平臺的空間分析技術[14]，通過重新采樣將1:50 000 的數字高程數據推算出100 m×100 m 分辨率的數字高程，構建氣候要素與地理因子（經度、緯度和海拔高度）的細網格推導模型，再利用反距離加權空間內插（IDW）對實際值和模擬值的差異部分進行修正，得出各氣候要素的空間分布，用以下模型表示區(qū)劃指標與地理因子的關系：

式中：y 為氣候區(qū)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(qū)劃指標的氣候學方程；ε 為差項，稱為地理殘差，氣候學方程與地理因子所擬合的差值表示為：

1.2.3 區(qū)劃指標權重的確定

本文使用Yaahp 軟件的層次分析法[14-15]來獲取棉花氣候區(qū)劃各個指標的權重系數。層次分析法（Analytic Hierarchy Process）是一種綜合定性與定量分析的方法，能將定性因素量化，并通過數學表達來處理人的主觀判斷，一定程度上可減少主觀因素，評估過程更加科學。

1.2.4 氣象要素趨勢分析方法

本文采用氣候傾向率對呼圖壁縣積溫、無霜期、7 月平均氣溫和4—10 月日照時數變化特征進行分析，具體方法見文獻[9-10]。

2 結果與分析

2.1 光照資源

由圖1d 可知，1980—2020 年呼圖壁縣4—10月日照時數以27.5 h/10 a 的速率減少（P<0.01），平均為2 077 h，最大值為2 235 h（2012 年），最小值為1 926 h（2003 年）。呼圖壁縣光能資源豐富，棉花生長季主要為4—10 月，生長季日照時數為1 900～2 200 h，太陽總輻射為3 700～4 000 MJ/m2，光合有效輻射為1 600～1 700 MJ/m2，均位居全疆乃至全國棉區(qū)前列，因此，光照條件總體能夠滿足棉花生長發(fā)育和產量形成的需求[3-4]。

圖1 1980—2020 年≥10 ℃積溫（a）、無霜期（b）、7 月平均氣溫（c）和4—10 月日照時數（d）變化特征

2.2 熱量資源

由圖2a 可知，呼圖壁縣7 月平均氣溫≥26 ℃的區(qū)域，海拔高度低于460 m，主要是北部古爾班通古特沙漠邊廣大區(qū)域（兵團農六師106 團場、芳草湖農場、111 團場、105 團場）；7 月平均氣溫為25～26 ℃的區(qū)域，海拔高度為450～700 m，主要是北部平原地帶（呼圖壁縣、十里店鎮(zhèn)、五工臺鎮(zhèn)、園戶村鎮(zhèn)等多個區(qū)域）；7 月平均氣溫為23～25 ℃的區(qū)域，海拔高度為700～1 000 m，主要是中部平原地帶（獨山子鄉(xiāng)、石梯子鄉(xiāng)等區(qū)域）；7 月平均氣溫為20～23 ℃的區(qū)域，海拔高度為900～1 100 m，主要是丘陵、低山地帶，包括雀爾溝鎮(zhèn)等；7 月平均氣溫為18～20 ℃的區(qū)域，海拔高度為1 000～1 400 m，主要是中低山地帶（雀爾溝鎮(zhèn)北部中山帶）；7 月平均氣溫<18 ℃的區(qū)域，主要是南部海拔高度1 400 m 以上的中、高山地帶，該區(qū)域地勢較高且氣溫較低。由圖2a、2b 可知，≥10 ℃積溫、無霜期的空間分布情況與7 月平均氣溫類似。

圖2 ≥10 ℃積溫（a）、無霜期（b）和7 月平均氣溫（c）的空間分布特征

由圖1a～1c 可知，1980—2020 年≥10 ℃積溫以166.5 ℃·d /10 a 的速率顯著增加（P<0.01），平均值為3 713 ℃·d，最大值為4 323 ℃·d（2012 年），最小值為2 964 ℃·d（1992 年）；無霜期天數以8.1 d/10 a的速率顯著增加（P<0.01），平均值為183 d，最大值為215 d（2009 年），最小值為142 d（1993 年）；7 月平均氣溫以0.4 ℃/10 a 的速率顯著增加（P<0.01），平均值為25.9 ℃，最大值為28.5 ℃（2017 年），最小值為23.1 ℃（2003 年）。

近40 年，呼圖壁縣終霜凍日、穩(wěn)定≥10 ℃的初日明顯提前，≥10 ℃的終日延遲，4 月中旬—7 月中旬氣溫明顯升高，為棉花適期早播、高效利用熱量資源提供了氣候保障[5，15]。按播種期提前4～6 d，棉花出苗、三葉、現蕾和開花期也相應提前3～4 d，不僅可以充分利用適宜的氣溫條件，而且增加棉花生長過程中的≥10 ℃有效積溫80～100 ℃·d，有效彌補中后期熱量資源不足的問題。棉花結鈴、裂鈴和吐絮期階段的時間越長，越多棉鈴就會成熟、裂鈴、吐絮，從而增加棉花產量[9]。氣候變化對棉花發(fā)育期的影響表現為自播種至開花期多呈提早的趨勢，而棉花裂鈴之后的發(fā)育期則多呈推遲的趨勢，從而致使棉花整個生育期延長，生長期的延長意味著能促進棉花多結鈴和長大鈴，為增產和穩(wěn)產打下基礎。另外還須重視并加強棉花中后期田間管理，適期控水、早打頂，防止后期棉株瘋長和貪青晚熟，并預防階段性低溫冷害和高溫熱害，提高棉花產量。

2.3 棉花精細化氣候區(qū)劃

2.3.1 氣候指標因子空間模擬推算模型

為進一步獲取棉花各個氣候指標因子的空間分布概況，本文通過空間插值方法構建了地理信息和區(qū)劃指標相互耦合的數理統(tǒng)計空間模型（表2），并用此模型模擬呼圖壁縣全域氣候指標的空間分布。

表2 棉花氣候區(qū)劃指標的空間推算模型

2.3.2 棉花精細化氣候區(qū)劃

由圖3 可知，適宜棉區(qū)主要分布在呼圖壁縣海拔510 m 以下的北部平原地區(qū)，包括園戶村鎮(zhèn)、兵團農六師111 團、105 團、106 團，以及芳草湖農場的廣大平原地區(qū)，面積為63 萬hm2，占全縣面積的59%。該區(qū)域熱量資源非常充足，其中≥10 ℃積溫在3 600 ℃·d 以上，7 月平均氣溫≥25 ℃，無霜期≥170 d，≥20 ℃積溫在2 000 ℃·d 以上，≥15 ℃持續(xù)日數≥135 d，一般年份能保證獲得80%以上的霜前花。

圖3 呼圖壁縣棉花精細化氣候區(qū)劃

次宜棉區(qū)主要分布在海拔510～650 m 的烏奎高速公路附近地帶，包括呼圖壁鎮(zhèn)、十里店鎮(zhèn)、五工臺鎮(zhèn)和大豐鎮(zhèn)南北兩側的平原地區(qū)，面積為6 萬hm2，占全縣面積的6%。次宜棉區(qū)內≥10 ℃積溫為3 450～3 600 ℃·d，≥20 ℃積溫為1 600～2 000 ℃·d，7 月平均氣溫為24～25 ℃，無霜期為160～170 d，≥15 ℃持續(xù)日數為125～135 d。

風險棉區(qū)主要分布在呼圖壁縣以南海拔650～850 m 的山前傾斜平原。以鐵路為界，鐵路南部風險棉區(qū)包括獨山子鄉(xiāng)、上三工村南部、二十里店村、龍王廟村、寧州戶村、紅山村南部部分在內。風險棉區(qū)≥10 ℃積溫為3 200～3 450 ℃·d，≥20 ℃積溫為1 400～1 600 ℃·d，7 月平均氣溫為23～24 ℃，無霜期為150～160 d，≥15 ℃持續(xù)日數為110～125 d。

不宜棉區(qū)主要分布在海拔850 m 以上區(qū)域。包括石梯子鄉(xiāng)、雀爾溝鎮(zhèn)以南中高山在內。不宜棉區(qū)≥10 ℃積溫在3 200 ℃·d 以下，≥20 ℃積溫在1 400 ℃·d 以下，7 月平均氣溫≤23 ℃，無霜期≤150 d，≥15 ℃持續(xù)日數≤110 d，霜前花在30%以下。

3 結論與討論

通過統(tǒng)計回歸和反距離權重（IDW）等方法對1980—2020 年呼圖壁縣≥10 ℃積溫、無霜期、7 月平均氣溫、≥15 ℃持續(xù)日數、≥20 ℃積溫等因子進行分析，結合前人研究成果，確定了棉花氣候區(qū)劃指標等級，得出呼圖壁縣棉花精細化氣候適宜性區(qū)劃，主要劃分為宜棉區(qū)、次宜棉區(qū)、風險棉區(qū)和不宜棉區(qū)4 個分區(qū)。結果如下：

（1）宜棉區(qū)主要分布在呼圖壁縣海拔510 m 以下的北部平原地區(qū)，包括園戶村鎮(zhèn)、兵團農六師111團場、105 團場、106 團場、芳草湖農場的廣大平原地區(qū)。宜棉區(qū)的北部為古爾班通古特沙漠，緯度高且海拔低，熱量資源豐富，光照充足，氣溫較高，晝夜溫差大，能滿足中早熟陸地棉生長發(fā)育的需要，目前也是呼圖壁縣優(yōu)質棉生產最佳區(qū)域，然而，本區(qū)域春季氣溫回升波動較大，若借助地膜棉栽培技術，可在一定程度上彌補春季積溫不足。但是秋季降溫波動大且速度較快，導致熱量資源不足，仍是影響棉花產量和品質的主要因素。因此，充分利用熱量資源是棉花種植栽培和管理措施的關鍵舉措，同時要加強地膜植棉栽培技術和肥水、病蟲害管理技術來確保4 月苗、5 月蕾、6 月花、7 月桃、8 月絮[9]。有研究表明，氣候變暖使呼圖壁縣棉花播種期逐漸提早，棉花全生育期天數和產量增加明顯，宜植棉的范圍也隨著積溫不斷增加而持續(xù)擴大[5]。新疆棉花種植主要是依靠地表水，尤其是荒漠地區(qū)，以灌溉為主，降水條件遠遠不能滿足棉花生長。從氣候角度分析，忽略水資源的因素，北部沙漠地區(qū)均屬于適宜種植區(qū)。

（2）次適宜區(qū)主要分布在呼圖壁縣海拔510～650 m 的烏奎高速公路附近地帶，包括呼圖壁鎮(zhèn)、十里店鎮(zhèn)、五工臺鎮(zhèn)和大豐鎮(zhèn)南北兩側的平原地區(qū)。該區(qū)熱量資源較適宜棉區(qū)差，年際波動較大，皮棉單產較低。隨著現代棉花栽培技術的完善和管理水平的提高，加之棉花補貼政策導向力度加大，尤其在氣候條件較好的年份，大大地提高了次宜棉區(qū)農戶的植棉積極性，棉花種植區(qū)域不斷擴大。因此，次宜棉區(qū)植棉要選擇早熟品種，地膜覆蓋，結合近期天氣預測預警，確保出苗早、現蕾早、結鈴早、吐絮早。同時根據本地當年氣候年景預測，及時調整種植布局，選用特早熟品種，嚴格控制植棉面積，促進棉花穩(wěn)產、高產。

（3）風險棉區(qū)主要分布在呼圖壁縣海拔650～850 m 的山前傾斜平原。風險棉區(qū)氣候變化劇烈，熱量條件不穩(wěn)定，至今約有一半年份南部風險棉區(qū)≥10 ℃積溫<3 200 ℃，積溫最多和最少年相差約為1 200 ℃。南部風險棉區(qū)無霜凍期較長，但積溫波動很大。風險棉區(qū)的熱量條件的限制因子主要是7 月平均氣溫。≥10 ℃的積溫和無霜期較大的年份往往選擇特早熟品種，而≥10 ℃的積溫和無霜期較小的年份，植棉風險較大，產量不穩(wěn)定，一般氣候年景下，選用特早熟品種，產量和品質尚能保證[5，15]。因此，氣候條件的優(yōu)劣是決定該區(qū)域是否植棉的關鍵，風險棉區(qū)不應提倡植棉。

（4）不宜棉區(qū)主要分布在海拔850 m 以上區(qū)域，包括石梯子鄉(xiāng)、雀爾溝鎮(zhèn)以南中高山在內。

本文通過Arcgis 軟件平臺利用三維二次趨勢面模擬與空間插值相結合等方法，獲取分辨率為100 m×100 m 的氣象因子柵格圖層，通過了0.05 的顯著性檢驗，精度基本滿足縣級氣候區(qū)劃需求。空間插值方法雖然在一定程度彌補站點稀少的不足，但是運用不同的插值方法得出的結果也不同，存在一定的誤差，需要進一步深入研究。同時本文只是選擇常規(guī)氣象站資料，未來可以利用更多的氣象數據，例如自動站氣象資料，從而進一步提高空間分析模型的精度。無霜期延長和有效積溫的增加，使新疆棉花種植品種的熟性發(fā)生了改變，現在各棉區(qū)都種植了比以前生育期更長、產量更高的棉花品種。研究中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，但實際上，新疆綠洲棉田棉花種植還受水資源、土壤類型、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，尤其應充分考慮水資源因素，而昌吉州水資源緊缺，地下水嚴重超采，來水量較少[16]，灌溉保證率低，故棉花種植適宜區(qū)若不能保證灌溉也不能種植。另外，雖然氣候變暖導致新疆熱量資源有所增加，植棉區(qū)范圍擴大，但是氣象災害突發(fā)性、極端性愈加凸顯，大風、冰雹、霜凍等自然災害頻發(fā)，對棉花生產安全威脅較大，故未來需探索將農業(yè)氣象災害影響因素引入氣候適宜性區(qū)劃指標中。因此，研究各類農作物精細化氣候區(qū)劃時，除了氣候環(huán)境和地勢地形以外，還應考慮品種熟性、水資源、土壤類型、農業(yè)氣象災害等多因素[17]。