基于GIS的棉花气候适宜性区划

2013-12-18张永红李星敏葛徽衍李博文朱延年贺文丽

陕西气象 2013年5期

张永红，李星敏，葛徽衍，李博文，周辉，朱延年，贺文丽

(1.南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室，南京 210044；2.渭南市气象局，陕西渭南 714000；3.陕西省气象科学研究所,西安 710014；4.武汉大学资源环境学院，武汉 430079；5.陕西省农业遥感信息中心，西安 710014；6.陕西省经济作物气象服务台,西安 710014)

基于GIS的棉花气候适宜性区划

张永红1，2，李星敏3，葛徽衍2，李博文4，周辉5，朱延年3，贺文丽6

摘要：采用陕西1981—2010年30 a的气候资料,以8月上旬平均气温、8月下旬—10月中旬降水量、5月中旬—6月上旬日照、生育期大于≥10 ℃的活动积温4个因子作为陕西棉花气候适宜性区划指标。利用GIS空间分析及制图功能，在实现区划指标空间化基础上，采用模糊综合评判方法，对陕西棉花气候适宜性进行区划，陕西省棉花生态气候适宜性区划图分为适宜区、较适宜区、次适宜区和不适宜区。陕西棉花气候适宜区主要分布于关中中东部及沿黄河的滩地，在适宜区内,应根据秋季降水预测情况，选择棉花中早熟品种，以避免秋霖危害。

关键词：GIS；棉花；生态气候；适宜性区划；陕西

棉花是喜热喜光作物，气候干燥且灌溉水源充足的地区最适宜种植棉花，裂铃吐絮收获时期忌多雨。20世纪80年代中期,国家及陕西省分别组织完成了全国和陕西的棉花气候资源区划[1-2], 近年来，随着经济结构调整，陕西果树和设施瓜果面积增加，加之气候变化的影响，棉花种植区域由原来的较适宜区、次适宜区向适宜区集中，迫切需要进行棉花气候适宜性区划研究。根据陕西气候生态特点，重新对棉花适宜种植区进行区划，对提高棉花产量、品质和效益，降低风险和损失有积极作用。随着地理信息系统的发展，观测资料日益丰富，农业气候区划的技术与方法也取得了很大进展，大大提高了区划结果的精细化程度。为了科学、合理地利用陕西农业气候资源，进一步优化产业结构和布局，达到趋利避害、防灾减灾的目的，根据最近30 a的气候资料，在进行棉花气候适宜性分析基础上，利用GIS技术，对陕西棉花气候适宜性进行区划，为实现陕西棉花可持续发展提供科学依据。

1 资料与数据

气象数据采用1981—2010年陕西省96个气象观测站观测资料和2008—2010年相关自动气象站的观测数据。地理基础数据包括了陕西省1∶25万高程数字模型DEM数据和各区县的行政边界。

2 结果与分析

2.1 指标确定和区划方法

2.1.1 区划指标棉花生长过程中受到多种气象因子的影响，经过查阅文献和资料[3-7]，选取可能影响棉花产量的20个气候因子，用逐步回归法，筛选出11个气候因子，然后针对这11个因子，采用因子分析法，筛选出与棉花产量波动高度相关的4个因子：8月上旬平均气温、8月下旬—10月中旬降水量、生育期≥10 ℃的活动积温、5月中旬—6月上旬日照时数作为棉花气候区划指标。

(1)8月上旬平均气温 8月上旬温度与产量成反相关，相关系数为-0.436 2，此时是陕西省的盛夏高温阶段，高温易引起蕾花铃脱落。

(2)8月下旬—10月中旬降水量降水与产量呈负相关，相关系数-0.423 1。8月下旬至10月中旬，棉花进入裂铃吐絮期，是棉花经济产量形成的重要阶段，吐絮收获时间相对较长。晴朗、微风、干燥的气候条件能促进伏前桃和早伏桃纤维伸长和加厚，以及晚伏桃和早秋桃的继续增大，促进成熟。陕西关中和陕南棉花裂铃吐絮阶段，若出现秋霖天气，阴雨绵绵，低温寡照，将致使棉花病害增多，棉桃脱落，棉桃霉烂，僵瓣率增大，铃重减轻，霜后花增多。据研究[6]，由于秋雨影响，烂铃率高达40%，棉铃发育迟缓霜后花为44%。

(3)5月中旬—6月上旬日照 5月中旬—6月上旬日照时数与棉花产量呈反相关，相关系数为-0.355 4。棉花为短日照作物，5月中旬—6月上旬正值陕西关中棉花的现蕾期，是棉花从营养生长向生殖生长的过渡期，也是陕西初夏干旱和高温同时出现的时期。研究表明[7]，棉花第一个蕾的形成，需要19 ℃以上的日平均气温，这一时期温度条件一般可以满足棉花的生长发育需求，但棉花对光照比较敏感，较多和较强的光照对幼蕾有较大影响，直径小于1 cm的蕾，对光照极为敏感，在高温强光下几小时就会萎蔫。

(4)≥10 ℃的活动积温 ≥10 ℃积温与产量呈正相关，相关系数0.283 6。研究表明[8-13]，热量是影响棉花产量和品质最基本最重要的气候条件，热量条件越好，棉花的生长期越长,开花结铃越多，品质越好，因此≥10 ℃积温是评价一个地区植棉有利程度的重要指标。陕西棉花气候适宜性区划指标见表1。

建立各区划因子的隶属函数上述隶属函数模型中，x1为8月上旬平均气温，x2为8月下旬—10月中旬降水量，x3为5月中旬—6月上旬日照时数，x4为≥10 ℃ 的活动积温。

(1)

(2)

(3)

(4)

根据各指标对棉花产量影响程度，确定4个因子权重分别为0.291，0.282，0.189，0.237。

2.1.2 区划方法采用模糊综合评判法，利用GIS技术，在区划指标空间化基础上[14-16]，根据要素隶属函数，建立单因子评价栅格图层；利用GIS空间分析功能，将各指标因子评价栅格图进行叠加，得到棉花气候区划综合评价栅格图，对综合评价图按0.0～0.36，0.37～0.61，0.62～0.94，0. 95～1分为不适宜区、次适宜区、较适宜区、适宜区4个区域(见图1)。

2.2 区划结果分区评述

2.2.1 适宜区该区位于关中中东部，包括渭南市大荔、临渭区、富平、蒲城南部、华县、华阴、潼关北部沿渭河一带和韩城的西南部分、合阳和澄城的南部，西安市高陵、临潼、阎良、周至和户县的北部及蓝田西北部，咸阳市的秦都区、武功、兴平、泾阳、礼泉和乾县的南部和杨凌。在宝鸡市陈仓区、蔡家坡、眉县沿渭河一带有零星适宜区。另外在丹江下游的河谷地带丹凤和商南有零星适宜区。该区气候条件较好，热量资源富裕，雨量适中，8月上旬平均气温在25.6～26.8 ℃，8月下旬—10月上旬降水总量151～196 mm，5月下旬—6月中旬的日照时数为177～232 h，≥10 ℃活动积温为4 253～4 553 ℃·d。该区夏季气温高，日照充足，秋霖较轻，有利于棉桃成熟、吐絮，品质较优。不利的气候条件是春季干旱，夏、伏旱频繁，盛夏炎热，易引起棉花蕾铃脱落。

表1 陕西棉花气候适宜性区划指标

图1 陕西省棉花生态气候适宜性区划图

2.2.2 较适宜区该区沿适宜区的外围分布，主要分布在长安区北部和咸阳的东部，韩城的东南部、合阳和澄城的中部零星地带，扶风的南部。另外在商洛的商南东南部、安康的旬阳一带也有零星较适宜区。该区总体降水适中，气温适宜，8月上旬平均气温25.1～26.8 ℃，8月下旬—10月上旬降水总量160～203 mm，5月下旬—6月中旬的日照时数为163～232 h，≥10 ℃活动积温为4 057～4 265 ℃·d。不利的气候条件是春季低温干旱，夏季伏旱，秋季有中等秋霖，影响棉花后期成熟。陕南东部棉区气温较高为26.0～27.5 ℃，降水200～270 mm，5月下旬—6月中旬的日照时数为156～170 h，≥10 ℃活动积温为4 450～4 590 ℃·d，该区热量充足，但秋季降水多，棉花霉烂铃增加。

2.2.3 次适宜区该区位于关中西部、北部和陕南中部。包括宝鸡的陇县、千阳、凤翔、岐山、麟游、陈仓区，咸阳的永寿、彬县、旬邑、长武、淳化，铜川的耀县、宜君，延安的黄陵、黄龙、富县、洛川南部，渭南的白水、澄城、合阳北部、韩城的东北部。8月上旬平均气温21.1～24.7 ℃，8月下旬—10月上旬降水总量156～198 mm，5月下旬—6月中旬的日照时数为184～273 h，≥10 ℃活动积温为2 940～4 145 ℃·d。该区降水适中，但气温低，热量不足，受伏旱、秋霖影响，产量不稳。另外陕南沿汉江河谷地带的勉县、城固、西乡、洋县，安康的石泉、汉阴和紫阳以及商洛的商州、洛南和丹凤也有零星次适宜棉区。该区8月上旬平均气温25.1～25.7 ℃，8月下旬—10月上旬降水总量200～235 mm，5月下旬—6月中旬的日照时数为164～184 h，≥10 ℃活动积温为4 000～4 400 ℃·d。该区热量较充足，但日照不足，降水多，成为影响棉花种植的主要限制因子。

2.2.4 不适宜区本区包括陕北和秦巴山区。陕北不适宜区包括甘泉、宜川以北的延安和榆林的大部分地区。陕北地区8月上旬平均气温在21.5～23.8 ℃，8月下旬—10月上旬降水总量80～149 mm，5月下旬—6月中旬的日照时数为250～280 h，≥10 ℃活动积温为3 050～3 500 ℃·d。这些地区地势高寒,气候冷凉，热量条件不能满足棉花生长发育的需要。陕南不适宜区为汉中的宁强、南郑、镇巴、留坝、佛坪，安康的宁陕、镇坪、柞水和山阳。该区8月上旬平均气温在23.1～23.8 ℃，8月下旬—10月上旬降水总量246～318 mm，5月下旬—6月中旬的日照时数为171～246 h，生育期≥10 ℃活动积温为3 700～4 600 ℃·d。该区热量基本满足，但降水多，不适宜棉花生长发育。