基于GIS 的新疆沙灣市棉花種植精細化氣候區劃

王雪姣 王森 吉春容 井立軍 高婧 張山清

摘 要： 利用沙灣市及周邊15 個氣象站點1980—2020 年氣候資料和地理信息數據，通過Arcgis10.0 空間分析技術將新疆維吾爾自治區1∶50000 高程數據轉成分辨率為100 m×100 m 的數字高程，通過地統計回歸和反距離權重等方法構建≥10 °C積溫、無霜期、7 月平均氣溫等指標與地理因子的空間分析推算模型，結合棉花區劃指標等級，計算得到沙灣市棉花種植精細化氣候區劃。結果表明，研究區可劃分為適宜棉區、次適宜棉區、風險棉區和不適宜棉區4 個分區。適宜棉區主要分布在沙灣市海拔490～600 m 的烏奎高速公路北部附近地帶，包括安集海鎮、三道河子鎮、烏蘭烏蘇鎮和蘑菇湖水庫附近的平原地區；次適宜棉區主要分布在沙灣市海拔600～700 m 的烏奎高速公路南部附近地帶；風險棉區主要分布在沙灣市海拔700～800 m 的烏奎高速公路南部的山前傾斜平原；不適宜棉區主要分布在沙灣市海拔高度800 m 以上的南部山區。研究成果可為當地農業種植布局調整提供科學依據。

關鍵詞：棉花；GIS；精細化；氣候區劃；沙灣市

中圖分類號：S162.54文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）08-0038-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.007

0 引言

新疆維吾爾自治區（簡稱新疆）沙灣市是一個以農業為主、農牧結合的農業大縣，水土、光熱資源豐富，是塔城地區乃至北疆片區棉花、糧油、蔬菜和林果等生產供應基地，盛產辣椒、紅薯、馬鈴薯、枸杞和蟠桃等多種特色農產品，而棉花是沙灣市的主要經濟作物，近10 年，隨著政策關注力度加大和技術水平的提高，有效推動沙灣市棉花產業的發展。據新疆統計局數據資料，1999 年，沙灣市棉花種植面積2.57 萬hm2， 至2014 年猛增到6.74 萬hm2， 增長2.6 倍，2020 年達到11.96 萬hm2。由于棉花種植面積增長速度過快，棉花種植范圍不斷擴大，部分棉區可能超出次適宜棉區或風險棉區，因受氣候環境的制約，棉花種植保證系數不高，產量低、品質差、效益低。氣候變暖和棉區主要關鍵氣候因子的改變，對棉花生產產生了有利或不利的影響。因此，從合理開發和利用氣候資源角度出發，對沙灣市棉區棉花作精細化氣候區劃，這對充分利用當地氣候資源，因地制宜地調整和優化棉花種植布局，促進棉花生產持續、穩定和健康發展具有十分重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域和數據來源

沙灣市地處天山中段北麓、準格爾盆地南緣，地勢南高北低，自東南向西北傾斜，最低海拔283 m，最高海拔5 237 m，如圖1 所示。境內海拔高度相差較大，南北氣候明顯差異。低山、平原和沙漠地區屬中溫帶，南部中山和高山地區屬寒溫帶。降水較少，蒸發量大，光照充足，熱量豐富，無霜期較長，氣溫日較差大。年平均日照時數>2 800 h，年均降水量208 mm，年蒸發量1 500～2 000 mm，無霜期170～190 d，7 月平均氣溫25.9 °C，年較差40.6 °C，≥10 °C 積溫3 700 °C·d左右，≥20 °C 積溫2 200 °C·d 左右，≥15 °C 的持續日數140 d 左右。

氣象資料為沙灣市和周邊氣象站點 13 個氣象站1980—2020 年的地面氣象觀測資料，站點包括沙灣市、烏蘇市、炮臺鎮、烏蘭烏蘇鎮，新疆生產建設兵團莫索灣墾區、蔡家湖鎮，石河子市，昌吉回族自治州昌吉市、瑪納斯縣、呼圖壁縣、阜康市，以及烏魯木齊市、米東區等。觀測資料包括歷年逐日氣溫（平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫）、無霜期等，由新疆氣象信息中心提供。棉花氣候區劃指標來源于文獻資料。地理信息資料采用新疆測繪地理信息局提供的1∶50000 沙灣市基礎地理背景數據，包含鄉鎮級、鄉鎮級以下行政點、公路、河流和數字高程模型等。

1.2 研究方法及區劃指標

1.2.1 空間插值方法

通過Arcgis 空間分析法，將1∶50000 的數字高程數據通過重采樣獲得分辨率100 m×100 m 的數字高程，建立氣候要素與地理因子網格推算模型，獲得空間格點模擬值，再將實際值與模擬值的殘差部分采用反距離加權進行訂正，最終得到各氣候要素空間分布值[1-2]。

1.2.2 區劃指標權重確定

基于yaahp 軟件利用層次分析法確定影響棉花各區劃指標因子的權重系數[3]。

1.2.3 棉花區劃指標確定

熱量資源的多少直接決定棉花產量的高低和品質的優劣，沙灣市又有較穩定的灌溉水資源，因此，影響沙灣市棉花生產的主要氣候因素是熱量條件，而熱量資源又受地理位置、地勢地形的影響，沙灣市南北高程分布差異較大。棉花生長發育要求的熱量指標主要是≥10 °C 積溫，還需考慮最熱月平均氣溫。最熱月平均氣溫是棉花生長發育最旺盛的花鈴階段要求的適宜溫度，必須>25 °C[4]。若一個地區≥10 °C 積溫和最熱月（7 月）平均氣溫都已具備，尚須看無霜凍期的長短，棉花苗期和吐絮期間，當日最低氣溫<0 °C 時，輕則凍傷棉苗和棉桃，重則致棉株終止生長。因此，無霜凍期是棉花利用熱量資源的限制因子。≥l0 °C 積溫、最熱月平均氣溫相近的地區，無霜凍期越長，對棉花種植越有利[5-6]。綜上所述，再結合前人研究結果，選用≥10 °C 積溫、最熱月平均氣溫及無霜凍期作為沙灣市棉花區劃的氣候指標，將該3 項指標作為主導指標，考慮≥15 °C 的持續日數和≥20 °C 的積溫作為輔助指標，如表1 所示[7-10]。

2 結果與分析

2.1 光照條件

棉花喜光，屬短日照作物。光照強、日照時數多對棉花的光合作用十分有益。沙灣市棉花生育期的4—10 月，日照時數達到2 000 h，光照條件能夠滿足棉花生長發育和產量形成的需求。

2.2 溫度條件

棉花在不同生育階段對溫度的需求有差別。苗期較高的溫度有利于棉苗早發，形成壯苗。沙灣市棉花苗期的平均溫度19～24 °C，較適宜棉花苗期生長。現蕾到開花期適宜溫度25 °C 左右，在不超過30 °C 的情況下，溫度高，則現蕾開花多。棉花現蕾到開花期歷年平均溫度25.9 °C 左右，溫度條件適宜現蕾、開花。花鈴期是棉花由營養生長逐漸轉入生殖生長，是全生育期生長最旺盛的階段，適宜溫度范圍25～30 °C，棉花花鈴期平均氣溫18.0～25.5 °C，夏末秋初氣溫下降快，并且在9 月中旬以后氣溫降至19 °C 以下，導致棉花花鈴期較短、熱量不足，影響開花結鈴和纖維形成。

2.3 水分條件

棉花是一種較耐旱的作物，由于生育期長、葉面積指數大，需水較多。沙灣市棉花整個生育期間的需水量550～700 mm，而同期降水量只有148 mm 左右，僅為需水量的20% 左右，穩定的地表水和地下水資源為棉花適時灌溉，滿足其對水分條件的需求提供保證。

2.4 熱量資源空間分布特征

2.4.1 ≥10 °C 積溫

沙灣市≥10 °C 積溫的空間分異十分明顯，總體呈現“北部平原多，南部山區少”的分布格局，如圖2所示。根據沙灣市棉花分區氣候指標（表1）和沙灣市高程分布（圖1）來看，≥10 °C 積溫>3 800 °C·d 的區域主要在海拔500 m 以下的北部平原地帶；≥10 °C 積溫3 600～3 800 °C·d 的區域在海拔500～600 m 的中部平原；≥10 °C 積溫3 450～3 600 °C·d 的區域位于600～700 m 的南部平原地帶；積溫在3 175～3 450 °C·d 的區域位于700～1 000 m 的南部沖積和洪積平原，海拔1 000 m 以上的山區≥10 °C 積溫<3 175 °C·d。

2.4.2 7 月平均氣溫

沙灣市最熱月（7 月）平均氣溫的空間分布與≥10 °C積溫相似，也表現為“北部平原高，南部山區低”的分布格局，如圖3 所示。7 月平均氣溫>26 °C 的區域主要在海拔<450 m 的北部平原地帶；25～26 °C 的區域在海拔450～500 m 的區域內；24～25 °C 的區域在海拔500～ 600 m 的區域內； 23～ 24 °C 的區域在海拔600～800 m 的區域內；海拔800 m 以上的南部山區7月平均氣溫<23 °C。

2.4.3 無霜凍期

沙灣市無霜凍期空間分布表現為“北部平原長，南部山區短”的格局，如圖4 所示。無霜凍期>185 d的區域主要在海拔高度<600 m 的中北部平原；無霜凍期160～185 d 的區域在海拔600～1 000 m 的區域內；無霜凍期150～160 d 的區域在1 000～1 200 m 的區域內；海拔1 200 m 以上無霜凍期<150 d。

2.4.4 ≥15 °C 持續日數

沙灣市≥15 °C 持續日數的空間分布同樣表現為“北部平原長，南部山區短”的分布格局，如圖5 所示。≥15 °C 持續日數>140 d 的區域主要在海拔高度<450 m 的北部平原；≥15 °C 持續日數130～140 d 的區域在海拔450～ 600 m 的區域內； ≥15 °C 持續日數110～ 130 d 的區域在600～ 800 m 的區域內； 海拔800 m 以上≥15 °C 持續日數<110 d。

2.4.5 ≥20 °C 積溫

沙灣市≥20 °C 積溫的空間分布同樣表現為“北部平原多，南部山區少”的分布格局，如圖6 所示。≥20 °C積溫>2 200 °C·d 的區域主要在海拔高度<400 m 的北部平原；≥20 °C 積溫2000～ 2 200 °C· d 的區域在海拔400～600 m 的區域內；≥20 °C 積溫1 400～2000 °C·d的區域在600～1 000 m 的區域內；海拔1 000 m 以上≥20 °C 積溫<1 400 °C·d。

3 結果討論

通過對1980—2020 年沙灣市≥10 °C 積溫、無霜期、7 月平均氣溫、≥15 °C 持續日數、≥20 °C 積溫等因子的分析，結合棉花區劃指標等級，最終得到棉花適宜種植精細化區劃，分為最適宜棉區、適宜棉區、次適宜棉區、風險棉區和不適宜棉區5 個分區。

3.1 最適宜棉區

主要分布在沙灣市海拔<490 m 的北部平原地區，包括121 團場、122 團場、132 團場、133 團場、134 團場、135 團場、141 團場、144 團場、四道河子鎮、老沙灣鎮、柳毛灣鎮及大泉鄉的廣大平原地區，如圖7所示，面積為5 302 km2（包含北部沙漠地區），占全市面積的39.9%。最適宜棉區內≥10 °C 積溫>3 800 °C·d， 7 月平均氣溫>26 °C，無霜凍期>185 d，≥20 °C 積溫>2 200 °C·d，≥15 °C 持續日數>140 d，一般年份能保證獲得85% 以上的霜前花。

3.2 適宜棉區

主要分布在沙灣市海拔490～600 m 的烏奎高速公路北部附近地帶，包括安集海鎮、三道河子鎮、烏蘭烏蘇鎮和蘑菇湖水庫附近的平原地區，如圖7 所示，面積為1 231 km2，占全市面積的9.3%。適宜棉區內≥10 °C 積溫3 600～3 800 °C·d，≥20 °C 積溫2 000～2 200°C·d，7 月平均氣溫25～26 °C，無霜期l70～185 d，≥15 °C 持續日數130～ 140 d。一般年份可保證獲得80%～85% 的霜前花。

3.3 次適宜棉區

主要分布在沙灣市海拔600～700 m 的烏奎高速公路南部附近地帶，如圖7 所示。面積為520 km2，占全市面積的3.9%。次宜棉區內≥10 °C 積溫3 450～3 600 °C·d，≥20 °C 積溫1 600～2 000 °C·d，7 月平均氣溫24～25 °C，無霜期l60～170 d，≥15 °C 持續日數120～130 d。一般年份可保證獲得60%～80% 的霜前花。

3.4 風險棉區

主要分布在沙灣市海拔700～800 m 的烏奎高速公路南部的山前傾斜平原，如圖7 所示。面積為536 km2，占全市面積的4.0%。風險棉區≥10 °C 積溫3 175～3 450 °C·d，≥20 °C 積溫1 400～1 600 °C·d，7 月平均氣溫23～24 °C，無霜期凍150～160 d，≥15 °C 持續日數110～ 120 d。一般年份能保證獲得30%～60% 的霜前花。本區氣候變化劇烈，熱量條件不穩定，雖然南部無霜凍期較長，但積溫波動很大，故此區域種植棉花有風險。

3.5 不適宜棉區

主要分布在沙灣市海拔高度>800 m 的南部山區，如圖7 所示。包括博爾通古鄉、西戈壁鎮、東灣鎮、151 團場及南部廣大山區。面積為5 691 km2，占全市面積的42.9%。不宜棉區內≥10 °C 積溫<3 175°C·d，≥20 °C 積溫<1 400 °C·d，7 月平均氣溫<23 °C，無霜期凍<150 d 以下，熱量條件不適宜種植棉花。

4 結束語

雖然篩選了與棉花生長發育關系密切的主要氣候因子作為氣候區劃指標，而實際上，綠洲棉花種植還受水資源、土壤類型和土地利用等多方面因素的影響，并非氣候環境適宜，就可以種植棉花。雖然氣候變暖導致新疆熱量資源有所增加，棉花種植區范圍擴大，但是氣象災害突發性、極端性愈加凸顯，對棉花生產安全威脅較大，故應探索引入農業氣象災害影響因素和土地利用資料，制作棉花氣象災害風險區劃。未來研究各類農作物種植氣候區劃和氣象災害風險區劃時，除了充分考慮氣象要素以外，還應考慮水資源、品種熟性、土壤類型和農業氣象災害等多因素融合，結果將會更加具有科學性、參考性。

參考文獻

王森，張山清，劉紀疆，等．基于GIS 的呼圖壁縣制種玉米精細化氣候區劃[J]．沙漠與綠洲氣象，2021，15（4）：130-137．

WANG Sen，ZHANG Shanqing，LIU Jijiang，et al．Fine climate divisionof maize seed production in Hutubi County Based on GIS[J]．Desert and Oasis Meteorology，2021，15（4）：130-137．

張山清，普宗朝，李景林，等．氣候變暖背景下南疆棉花種植區劃的變化[J]．中國農業氣象，2015，36（5）：594-601．

ZHANG Shanqing， PU Zongchao， LI Jinglin， et al． Cotton-plantingzoning change in southern xinjiang under the background of global warming[J]． Chinese Journal of Agrometeorology， 2015， 36（ 5） ： 594-601．

胡莉婷，胡琦，潘學標，等．氣候變暖和覆膜對新疆不同熟性棉花種植區劃的影響[J]．農業工程學報，2019，35（2）：90-99．

HU Liting， HU Qi， PAN Xuebiao， et al． Effects of global warmingand plastic mulching on cotton-planting zoning with different matures inXinjiang[J]．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2019，35（2）：90-99．

王雪姣．氣候變化對新疆棉花物候、產量和品質的影響與適應措施[D]．北京：中國農業大學，2015．

WANG Xuejiao． Impact and adaptation of climate change on cottonphenology， yield and fiber quality in Xinjiang[D]． Beijing： ChinaAgricultural University，2015．

普宗朝，張山清，賓建華，等．氣候變暖對新疆烏昌地區棉花種植區劃的影響[J]．氣候變化研究進展，2012，8（4）：257-264．

PU Zongchao， ZHANG Shanqing， BIN Jianhua， et al． Impact ofglobal warming on cotton-planting zoning in the Urumqi-Changji Regionof Xinjiang[J]．Progressus Inquisitiones DE Mutatione Climatis，2012，8（4）：257-264．

普宗朝，張山清，賓建華．氣候變暖對新疆烏昌地區棉花產量的影響：以瑪納斯、呼圖壁縣為例[J]．干旱區資源與環境，2012，26（10）：28-35．［6］

PU Zongchao，ZHANG Shanqing，BIN Jianhua．The impact of globalwarming to cotton yield in Changji Region of Xinjiang-Manasi and Hutubicounties[J]． Journal of Arid Land Resources and Environment，2012，26（10）：28-35．

姚源松．新疆棉花區劃新論[J]．中國棉花，2001（2）：2-5．徐培秀，梅方權，唐志發．中國棉花區劃研究[J]．地理研究，1983（1）：12-22．

王森，王雪姣，郭燕云，等．基于生理發育時間的新疆棉區熱量資源時空變化特征[J]．貴州農業科學，2021，49（8）：143-149．

WANG Sen， WANG Xuejiao， GUO Yanyun， et al． Temporal-spatialvariation characteristics of heat resources in Xinjiang cotton-growingarea based on physiological development time[J]．Guizhou AgriculturalSciences，2021，49（8）：143-149．

黃秋霞，傅瑋東，胡啟瑞，等．北疆主要植棉區熱量資源變化及對棉花產量的影響[J]．中國棉花，2021，48（8）：4-12，32．

HUANG Qiuxia， FU Weidong， HU Qirui， et al． Analysis on thechange of thermal resources and its effect on cotton yield in main cottonareas in Northern Xinjiang[J]．China Cotton，2021，48（8）：4-12，32．