基于GIS的托里县春玉米气候适宜性区划

2018-02-15刘纪疆张山清李盈奎李新建李战超

新疆农业科技 2018年4期

刘纪疆，张山清，李盈奎，李新建，李战超，王森

1.新疆兴农网信息中心，乌鲁木齐 830002 2.新疆农业气象台，乌鲁木齐 830002 3.托里县气象局，新疆塔城 834700

玉米是新疆主要的粮食作物之一，托里县是新疆重要的春玉米生产基地之一，仅2015年托里县春玉米种植面积7 200 hm2，总产量8.55万t，是托里县第一大种植作物[7]-[8]。托里县气候多样，土地资源丰富,加之有较稳定的山区降水和高山冰川积雪融水所汇集的河川径流和地下水的灌溉，为托里县种植不同品种熟型的春玉米提供了得天独厚的气候资源条件，研究托里县适宜种植春玉米的气候区划，将有助于为当地政府合理规划春玉米种植区域，提高春玉米产量和质量，实现农业增效和农民增收。

1 研究区域概况和资料来源

1.1 托里县区域概况

托里县位于新疆西北部，准噶尔盆地西侧、塔额盆地南缘，亚欧大陆地理内心。地处北纬44°58′～46°24′，东经82°28′～85°20′，境内属准噶尔台地西缘褶皱带，由巴尔鲁克、玛依勒、加依尔三大平顶状山脉组成。境内多山，占全县总面积的77.68%。地势南高北低，呈阶梯递降，平均海拔1 500 m。根据地形特征可分为山地、倾斜平原、谷地三种地貌类型（图1）。属温带大陆性半干旱气候，全年日照较多，盛行东风、南风，年平均气温6.1℃，一年中最热月份为7月，月平均气温为20.9℃；最冷月为12月，平均气温为-9.7℃，历年无霜期为155 d，年降水量为246.9 mm。年平均日照时数为2 803.5 h。

图1 托里县高程图

1.2 资料来源

地理信息数据和气象数据由新疆维吾尔自治区气象信息中心提供，基础地理信息数据包括托里县及其周边博乐市、精河县、沙湾县、乌苏市等10个县的乡镇行政边界和1∶50000（DEM）数字高程数据；气象数据为上述10个气象台站1961～2015年逐日平均气温、≥10℃积温、无霜期日数、≥35℃日数和站点经纬度、海拔高度等资料，春玉米播种面积和产量取自2015年《新疆统计年鉴》和《托里县统计年鉴》。

2 研究方法

2.1 数据资料的处理

本区划利用托里县及其周边10个气象台站1961～2015年的气象观测数据，结合地理信息系统(ArcGIS)的精细化（分辨率200 m×200 m）空间插值技术，完成基于1∶50 000（DEM）气候要素的栅格化数学模型，为提高气候要素空间分布式模拟的精度,采用混合插值法(宏观地理因子的三维二次趋势面模拟与反距离加权残差订正相结合)在ArcGIS平台上对无霜冻期、≥10℃积温、7月平均气温以及7月最高气温≥35℃日数进行200 m×200 m栅格点的空间插值模拟[2]-[3]。

2.2 春玉米种植区划指标的确定

2.2.1 玉米气候生态条件分析

2.2.1.1 光照

玉米是高光效C4作物,玉米叶片的光饱和点和光合效率都较高，而光补偿点很低。日照长，光照强，光合生产潜力高，利于玉米高产。托里县空气干燥、云量少，平原地带玉米生育期（≥10℃期间）日照时数多在1 866 h，高于我国中东部同纬度玉米主产区，因此，光照条件能够满足玉米生长发育的需求。

2.2.1.2 温度

玉米为喜温作物,10～12℃为适宜的发芽温度。出苗后，幼苗期可耐-1～-2℃的霜冻。拔节后玉米要求日平均气温18℃以上。抽雄、开花期日平均气温以20～25℃为宜,最高气温高于32～35℃花丝易枯萎，造成受精不全，缺粒秃尖。玉米籽粒灌浆、成熟期，要求日平均气温保持在20～24℃比较有利,若气温低于16℃或高于25℃将导致籽粒中养分的运转、积累不能正常进行。托里县春玉米一般于7月中、下旬开花，8～9月份灌浆、成熟，有些年份玉米花期温度偏高，对授粉有一定影响，9月份温度又偏低，易受低温冷害和霜冻的危害，对玉米产量形成有一定影响。

2.2.1.3 降水

玉米蒸腾系数为260～368，小于小麦、水稻，是水分利用率较高的作物，但由于生育期较长、植株高大，全生育期仍需较多的水分。托里县玉米生长季降水较少，平均为135 mm,远远不能满足玉米生育期的需水，必须依赖灌溉,因此降水不是制约玉米生长发育的气候因子。

2.2.2 春玉米种植区划的思路

根据上述分析表明,托里县光照充足，种植玉米全部实行灌溉，因此，各地是否适于种植玉米以及品种布局主要决定于热量条件。玉米生长季气候的适宜性主要受冷害和高温的影响[1]。据此，将玉米气候区划分为两级，第一级选择≥10℃积温和无霜冻期作为区划因子，将其划分为早熟玉米种植区、中熟玉米种植区和晚熟玉米种植区；第二级区划分适宜、次适宜、不适宜三种类型，仍以≥10℃积温考察冷害的影响，并以7月平均气温、7月最高气温≥35℃日数来考察春玉米开花授粉期温度的适宜程度及高温的影响。

2.2.3 区划指标

2.2.3.1 一级区划

根据不同熟型春玉米生育期的长短及对热量条件的要求，确定各熟型玉米全年所需的热量指标（表1）。其中，无霜冻期和≥10℃积温两项指标必须同时具备。

表1 春玉米种植一级区划指标

2.2.3.2 二级区划

表1给出的各种熟型玉米所需≥10℃积温的下限(如，早熟春玉米为2 100℃·d)是该熟型玉米所要求的基本热量条件。但由于玉米成熟期当日平均气温降至15℃以下时，即会因形成冷害而影响成熟，因此，某地热量条件能使玉米品种在日平均气温≥15℃的终日到来前成熟，便可免受冷害；反之，若在该界限之后成熟则会遭受一定的冷害。基于以上原因，本区划将从日平均气温15℃降至10℃期间的≥10℃积温值作为衡量冷害的指标。在当地该值约为150～200℃·d。依此规定：≥10℃积温若小于所需积温的下限与200℃·d之和，则为次适宜区；反之，若≥10℃积温大于下限积温与200℃·d之和，则为适宜区（表2）。

表2 春玉米种植二级区划之成熟期冷害影响指标

花期温度条件及高温热害：春玉米开花、授粉期的7月以日平均气温20～25℃为宜；18～20℃或25～27℃为次适宜；低于18℃或高于27℃则对开花、授粉极不利，为不适宜。

另外，对春玉米来说，7月最高气温≥35℃日数少于10 d为适宜；10～20 d为次适宜；大于20 d为不适宜（表3）。

在判别气候适宜性时，二级区划中的成熟期冷害，开花、授粉期的温度条件及高温的影响三项指标也必须同时具备。

表3 春玉米种植二级区划之开花、授粉期温度适宜程度及高温影响指标

2.3 春玉米区划指标气候要素空间分布

2.3.1 无霜冻期

图2 1961—2015年托里县无霜冻期的空间分布

托里县的无霜冻期表现为“南部长，北部短；平原长，山区短”的空间分布格局（图2)。以不同熟型玉米对无霜冻期要求(表1)分级的各级无霜冻期的分布情况来看,托里县南部海拔高度低于1 700 m的山前倾斜平原和丘陵地带无霜冻期为135～192 d；1 700～2 100 m低山带为115～135 d，2 100～2 500 m中山带90～115 d；2 500 m以上高山带少于90 d。

2.3.2 ≥10℃积温

托里县日平均气温稳定≥10℃积温的空间分布总体呈现“南部多,北部少;平原多,山区少”的格局(图3)。以不同熟型玉米对≥10℃积温的要求(表1、表2)分级的各级≥10℃积温的分布情况来看,≥10℃积温多于2 900℃·d的区域主要在托里县南部海拔高度低于1 000 m的平原地带；1 000-1 250 m的山前倾斜平原地带为2 500～2 900℃·d；1 250～1 450 m的低山、丘陵地带2 100～2 500℃·d；海拔1 450 m以上的山区≥10℃积温少于2 100℃·d。

2.3.3 7月平均气温

图3 1961—2015年托里县≥10℃积温的空间分布

托里县7月平均气温的空间分布总体呈现“南部高，北部低；平原高，山区低”的特点（图4）。以春玉米对7月平均气温的要求(表3)分级的各级7月平均气温的分布情况来看，南部海拔1 100 m以下的平原地带为20～24℃；1 100～1 400 m的山前倾斜平原和低山丘陵地带为18～20℃；海拔1 400 m以上的山区7月平均气温低于18.0℃。

2.3.4 7月最高气温≥35℃日数

图4 1961—2015年托里县7月平均气温的空间分布

托里县各地7月最高气温≥35℃日数均在5 d以下，其中南部海拔高度低于800 m的低平原为3～4.4 d，海拔800～1 100m的地带为1～3 d，海拔1 100 m以上几乎不出现≥35℃的高温（图5），这说明托里县春玉米花期很少受高温危害的影响。

图5 1961—2015年托里县≥35℃日数的空间分布

3 结果与分析

结合不同熟型玉米对≥l0℃积温和无霜冻期要求的等级标准,在ArcGis10.0平台上对这两项气候要素的栅格数据进行分级、叠加处理,获得托里县玉米种植的一级气候区划。同理，根据不同熟型玉米成熟期热量条件以及吐丝开花期温度条件的适宜程度，在ArcGis10.0平台上对各指标气候要素的栅格数据进行分级、叠加处理,完成托里县玉米种植气候适宜程度的二级气候区划，再将一、二级区划的图层进行叠加，即可获得综合考虑无霜冻期、≥10℃积温、7月平均气温以及7月最高气温≥35℃日数的托里县玉米种植气候区划(图6)。从中可以看出，托里县可划分为早熟、中熟、晚熟春玉米种植区以及玉米不宜种植区4个大区。若再考虑不同熟型春玉米成熟期热量或温度条件的适宜程度，托里县玉米种植气候区划共划分为5个亚区,以下对各分区进行评述。

图6 1961—2015年托里县玉米种植农业气候区划

3.1 晚熟春玉米适宜种植区

托里县海拔900m以下的平原地区≥10℃积温3 100℃·d以上，无霜冻期135～192 d，7月平均气温22～24℃，7月最高气温≥35℃日数在5 d以下，热量条件能够满足晚熟品种玉米的种植且花期很少遭受高温危害的影响，成熟期遭受低温冷害的几率也较低，因此是托里县晚熟春玉米适宜种植区。

3.2 中熟春玉米适宜种植区

托里县中熟春玉米气候适宜区主要分布在900～1 150 m的山前倾斜平原地带，本区≥10℃积温2 700～2 900℃·d，无霜冻期115～135 d，7月平均气温21～22℃，7月最高气温≥35℃日数在2 d以下，热量条件能够满足中熟品种玉米的种植，且花期遭受高温危害、成熟期遭受低温冷害的几率较低，因此是托里县中熟春玉米适宜种植区。

3.3 中熟春玉米次适宜种植区

托里县中熟春玉米次适宜区主要分布在适宜区上部，海拔高度在1 150～1 250m的狭窄范围内，本区≥10℃积温2 500～2 700℃·d，无霜冻期115～135 d，7月平均气温在20～21℃，气候条件能基本满足中熟品种玉米的种植，但成熟期有一定的低温危害风险。

3.4 早熟春玉米次适宜区

托里县无早熟春玉米适宜种植区，其次适宜种植区主要分布在海拔高度1 250-1 450 m的低山、丘陵地带（图6），本区是托里县热量资源最少的玉米种植区，≥10℃积温2 100～2 500℃·d，无霜冻期115～135 d左右，7月平均气温在18～20℃，基本能满足早熟玉米的种植，但成熟期有遭受低温危害的风险，部分年份玉米籽粒不能正常成熟。