气候变暖和覆膜对新疆不同熟性棉花种植区划的影响

胡莉婷，胡 琦，潘学标，马雪晴，徐 琳，王香茹，张恒恒



气候变暖和覆膜对新疆不同熟性棉花种植区划的影响

胡莉婷1,2，胡 琦1※，潘学标1，马雪晴1，徐 琳1，王香茹2，张恒恒2

（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193； 2. 中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，安阳 455000）

利用新疆地区及外延200 km范围内173个气象站点1960－2015年逐日气温资料和ANUSPLIN插值软件，综合分析了气候变暖背景下新疆≥10 ℃的有效积温、无霜冻期和7月平均温度的时空变化特征，并结合地膜增温效应机制，探讨了气候变暖和覆膜对不同熟性棉区种植界限及可种植面积的影响。结果表明：新疆热量资源总体呈增加的趋势，空间分布呈平原和盆地高（多）于山地。气候变暖背景下，中熟棉区、早中熟棉区的种植面积增加，早熟棉区的可种植面积变化不明显，特早熟棉区和不适宜区均减少。地膜增温机制对中熟、特早熟棉区和不宜棉区的种植界限基本无影响，但对准噶尔盆地区域各棉区的种植界限影响显著，其中准噶尔盆地内早中熟棉区东扩65 km，早熟棉区东扩范围在0～300 km；地膜增温机制下早中熟Ⅱ叶塔次亚棉区可种植区域增加了5.47×104km2，早熟和特早熟棉区分别减少1.4%和1.6%，但对中熟棉区种植面积基本无影响。研究能为新疆不同熟性棉花的区划和高产提供科学依据。

气候变暖；棉花；区划；地膜；新疆；种植界限

0 引 言

热量资源是农业气候资源的重要组成部分，其变化直接影响农作物布局、种植制度和农业生产[1-2]。IPCC第五次报告指出，近百年来全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，且2003－2012年平均温度较1850－1990年上升了0.78 ℃，气候变暖现象毋庸置疑[3]。近年来，研究学者越来越重视有关气候变暖对农业生产的影响研究，有研究表明，气候变暖，农业热量资源增加，对农业生产的影响突出表现为作物生长季延长、农作物种植界限北移[4-5]、适宜种植喜温作物的范围扩大等[6-7]。

新疆是中国优质棉生产基地，目前新疆棉花总产量占全国总产量的60%以上[8]。研究表明，随着气候变暖，新疆年均气温升高、≥10 ℃积温增加、无霜冻期延长，对新疆棉花的生长发育产生一定的影响[9-10]。受热量资源变化的影响，全疆宜棉区面积增加，次宜棉区和不宜棉区减少[11-12]；南疆中熟和早中熟棉区的面积扩大，特早熟和不宜棉区减少[13]。在实际生产中，新疆棉花品种繁杂，且部分地区出现了品种熟性选择不合理、盲目扩大种植面积的问题，严重影响棉花品质和产量[14-15]。因此，研究近几十年来气候变化对不同熟性棉花种植区划的影响具有较大的积极和现实意义。覆膜是新疆植棉的关键技术，至1994年，地膜植棉面积已达全疆总播种面积的96.67%[16]。有研究表明，地膜覆盖不仅增加土壤温度、保墒，还会对棉株生长中所需的气积温存有补偿的作用[17-20]。全球气候变暖和地膜植棉技术都会影响棉花生长发育中所需的热量条件，进而可能会影响棉花的种植区域。然而目前，大多研究者仅对全球变暖背景下新疆棉花适宜性分区进行研究[11-12,21]，缺乏对气候变暖背景下不同熟性棉花种植区划变化的研究以及定量分析地膜增温机制对不同熟性棉花种植区域的影响。本文拟基于ANUSPLIN气象插值软件和80%保证率，利用新疆及其邻近国内外173个观测站点的气候资料，分析气候变暖下新疆不同熟性棉花种植区划变化特征，并结合地膜覆盖增温效应，进一步研究不同熟性棉花种植界限变化特征，为新疆地区棉花品种熟性选择和合理布局提供科学依据，促进新疆棉花高产稳产的发展。

1 资料来源及处理方法

1.1 研究区域概况及数据来源

新疆（34°15′～49°10′N，73°20′～96°25′E）地处亚欧大陆的中部，远离海洋，具有典型的大陆性气候特点，气温变化剧烈，日照充足，降水稀少。新疆地貌形态独特复杂，基本可概括为“三山夹两盆”，天山横亘于新疆中部，习惯上称天山以北为北疆，以南为南疆，哈密、吐鲁番盆地为东疆（图1）。新疆丰富的光热资源、广袤的土地资源以及山地降水和三大山脉的积雪冰川融水所形成的较稳定的河流径流灌溉资源，为棉花种植提供了得天独厚的生态环境。

注：由于本文研究区域仅为新疆区域，故其他地区的海拔高度没有显示。

研究的气象数据包括1960—2015年新疆维吾尔自治区内及其外延200 km范围的国内外总共173个气象站点逐日气温资料（平均温度、最高温度和最低温度），其中国内站点88个，分布于新疆、甘肃和青海，国外站点85个，集中在俄罗斯、蒙古、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦等国家，数据来源于中国气象数据网[22]和美国国家海洋和大气管理局（national oceanic and atmospheric administration，NOAA）全球日值数据集 (global surface summary of the day，GSOD)[23]（图1）。国外站点仅为空间插值时使用，其目的是提高气象要素空间插值的准确性，降低对研究区域边缘插值的误差[24]。

数字高程模型（digital elevation mode，DEM）数据来自美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）[25]，原始空间分辨率（约900 m）的数据经过重采样得到8 km×8 km的栅格数据集。

1.2 研究方法

1.2.1 热量资源计算方法

有效积温为一段时间内日平均气温与生物学最低温度之差的总和，≥10 ℃有效积温（AT10）是棉花生长重要的热量指标之一。本文中≥10 ℃有效积温由棉花生长季内日有效温度（即日平均温度减去10 ℃的差值）相加而得，即

式中和分别为棉花生长季内逐日平均气温≥10 ℃的起始日期和终止日期，采用5日滑动平均法确定；T为≥10 ℃的日平均气温，℃。

以日最低温度≤0 作为霜日出现的指标，终霜日至初霜日之间的持续日数即为无霜冻期，初终霜日采用5日滑动平均法确定。

分别使用气候倾向率及检验[26]研究分析新疆地区1960—2015年≥10 ℃的有效积温、无霜冻期和7月平均温度等热量资源及其显著水平的时空变化特征。

1.2.2 保证率计算

保证率指大于等于或小于等于某要素值出现的可能性或几率。在进行农业气候分析或提供农业气候建议时，不能只利用气候要素的多年平均值来分析问题，至少要有80%以上的保证程度，现常用80%保证率为指标值。

1.2.3 有效气积温补偿值推算

肖明等[20,27]在棉田地膜覆盖增温效应的研究中指出，地膜覆盖增温效应主要在开花前的苗期和蕾期，并给出了根据苗期和蕾期的气温推算地膜覆盖下有效气积温补偿值的计算方法：

1）根据≥10 ℃的初日、苗期和蕾期所需的积温值估算出新疆地区各年份露地棉苗期、蕾期天数N1和N2；

2）根据露地棉苗期、蕾期的逐日平均气温及天数采用试算法估算地膜棉的苗期和蕾期天数N1和N2，计算公式如下：

式中为地积温对地膜棉有效气积温的补偿系数，单位(℃·d) /(℃·d)可省略，苗期=0.843，蕾期=0.207；N和N分别为露地棉和地膜棉的某生育期天数，d；T和T分别为露地棉和地膜棉某生育期内的日平均气温，℃。

3）由地膜棉的苗期和蕾期天数N1和N2估算地膜棉苗期和蕾期的有效气积温补偿值DATM1和DATM2，公式如下：

式中DATM为某一生育期内地膜棉的有效气积温补偿值，℃·d。

4）由式（4）估算苗期和蕾期有效气积温总补偿值ΣDATM

ΣDATM=DATM1+DATM2（4）

赵黎等[28]将此计算过程添加到棉花模型GOSSYM中进而建立新的气象文件，并用该模型对北疆3个试点（石河子148团、奎屯、玛纳斯）2个棉花品种的生育期、产量及主要性状进行模拟研究。3个试点地膜棉苗期天数模拟值与实测值一致；蕾期天数模拟值与实测值拟合率均在90%以上，相对误差均在误差允许范围内，其中1997年石河子148团地膜棉蕾期天数模拟值与实测值相对误差为3.3%，1999年玛纳斯蕾期天数相对误差为3.8%；3个地区地膜棉苗期和蕾期天数模拟值与实测值拟合程度较好。说明此计算过程能够在不同气候条件、不同品种熟性下较理想地估算地膜棉地有效气积温补偿值。

1.2.4 区划指标

≥10 ℃积温是评价一个地区植棉有利程度的重要指标，其与霜前花产量呈正相关关系，该积温值越高表明棉花生长期越长，霜前花产量越高；无霜冻期是表明棉花利用热量条件的限制因子；而棉花花期需要一定的热量强度来满足优质纤维生长的热量需求，即用7月平均温度作为辅助指标[29-31]。为此，综合前人研究结果，本文选用的区划指标为≥10 ℃的有效积温、无霜冻期和7月平均温度，具体划分标准见表1[29-31]。

表1 新疆棉区分区气候指标

1.3 数据处理

气候要素的空间栅格数据利用ANUSPLIN软件插值来获取。基于ANUSPLIN平台，以经度和纬度为独立自变量，以DEM数据为协变量，对新疆全区及外延200 km范围内的国内外173个气象站点56 a逐日气温资料进行插值运算，生成新疆地区1960－2015年逐日气温8 km×8 km分辨率的时间序列栅格数据集。ANUSPLIN是基于薄盘样条理论编写的针对气候数据曲面拟合的函数统计模型，是运用普通薄盘和局部薄盘样条函数作为理论的插值方法，能同时进行多个表面的空间插值，适用于时间序列的气象数据；ANUSPLIN除引入普通的样条自变量外，还允许引入海拔等协变量[32-33]。该插值方法的总体精度水平优于反距离加权插值法和克里格插值法，且对于中国山区气温的插值具有较高精度[34]。栅格数据处理均利用Matlab2010软件实现。

相关研究计算指出，1960－2015年间，1989年为中国温带地区气温突变年份[24]。故本文将1960－2015年分为2个时间段（1960－1989年、1990－2015年）研究全球气候变暖对新疆不同熟性棉花种植区域的影响。

2 结果与分析

2.1 热量资源空间分布特征

图2为80%保证率下≥10 ℃积温、无霜冻期和7月平均温度及气候倾向率的空间分布特征。

图2 1960－2015年新疆地区80%保证率下农业热量资源指标、气候倾向率及其气候倾向率显著水平的空间分布

1960－2015年新疆地区≥10 ℃积温、无霜冻期和7月平均温度的空间分布如图2a～图2c所示。新疆地区近56 a≥10 ℃积温平均为2 700 ℃·d，无霜冻期平均为201.3 d，7月平均温度为20.0 ℃。新疆各地热量资源的变化与地势密切相关，有较明显的区域性差异，全疆≥10 ℃的积温、无霜冻期及最热月7月平均温度空间分布基本一致，即积温和7月平均温度南疆高、北疆低，平原和盆地高、山地低；无霜冻期南疆长于北疆，平原和盆地长于山地。塔里木盆地东部、吐鲁番盆地和哈密盆地地区≥10 ℃积温均大于4 500 ℃·d，无霜冻期均大于200 d，7月平均温度均大于29 ℃，是新疆地区热量资源最丰富的地区；且以该3个地区为中心，积温、无霜冻期和7月平均温度的空间分布趋势基本一致，即由中心向盆地周边依次减小。准噶尔盆地和新疆东北角鸭子泉地区积温均位于3 500 ℃·d以上，无霜冻期均>180 d，7月平均温度均>24.6 ℃，其热量资源仅次于上述3个热量资源最丰富的地区。由于地势海拔较高的原因，阿尔泰山、天山和昆仑山地区热量资源较少，积温均低于3 200 ℃·d，无霜冻期均小于165 d，7月平均温度均小于23 ℃。

1960－2015年新疆地区≥10 ℃积温、无霜冻期和7月平均温度的气候倾向率及其显著水平空间分布如图2d～图2i所示。全疆近56 a≥10 ℃积温气候倾向率为64.7 ℃·d/10 a，无霜冻期气候倾向率为3.3 d/10 a，7月平均温度为0.2 ℃/10 a。结合表2得，近56 a来新疆积温基本呈现显著升高趋势，积温显著升高的区域占全疆面积的93.6%，新疆南部、吐鲁番盆地、哈密盆地及准噶尔盆地地区升高幅度最为明显，积温气候倾向率均大于90.0 ℃·d/10 a，其中哈密盆地及新疆东南地区库姆塔格沙漠的增速最大可达到195.0 ℃·d/10 a；新疆山区积温气候倾向率基本为负值，56 a来积温显著降低。无霜冻期呈显著增加趋势的面积占全疆84.6%，表现为新疆南部地区增速明显，最高可达15.2 d/10 a；山区增速均大于3.0 d/10 a，且无霜冻期气候倾向率高于盆地及平原地区。7月平均温度呈显著增高趋势的面积占69.8%，其中0.03%的格点的7月平均温度显著降低，集中在塔里木盆地中的和田河流域；新疆南部和东部地区的增速最大，最大可达0.9 ℃/10a；56 a来准噶尔盆地和和塔里木盆地地区的7月平均温度基本无变化。3个农业资源热量指标在塔里木盆地中西部均无显著变化。

表2 1960－2015年新疆地区≥10 ℃积温、无霜冻期和7月平均温度气候倾向率不同显著水平面积占比

2.2 气候变暖背景下不同熟性棉花种植区划

2.2.1 气候变暖背景下棉花区划变化特征

根据以上区划指标和方法，分别得出80%保证率下全疆1960－1989年、1990－2015年2个时段不同熟性棉花种植区划结果（图3）。对比分析了1960－1989年（图3a）和1990－2015年（图3b）80%保证率下新疆地区不同熟性棉花种植区域的变化。气候变暖背景下中熟棉区的种植面积明显增加；早中熟棉区的可种植区域呈增大趋势；早熟棉区的可种植面积变化趋势不明显；特早熟棉区和不适宜区的可种植区域均减小。

注：1989年为中国温带地区气温突变年份[24]。

由图3和表3可得：

1）中熟棉区：中熟棉区是全疆最小的棉区，1960－1989年该区仅分布于吐鲁番盆地和哈密盆地的部分地区，可种植面积仅1.49×104km2；1990－2015年时中熟棉区不仅在吐鲁番盆地、哈密盆地的分布面积明显扩大，而且还分布于塔里木盆地东部罗布泊地区，其可种植总面积为5.31×104km2；与1960－1989年相比，中熟棉区面积增加3.82×104km2，占全疆总面积的比率增加2.3%。

2）早中熟棉区：早中熟棉区分布较广，是新疆的最大棉区，由于该区经纬度跨度大，生态环境差异显著，故又分为2个次亚区：叶塔次亚区和塔哈次亚区，叶塔次亚区分布面积显著大于塔哈次亚区。在1960－1989年内叶塔次亚棉区可种植面积为44.82×104km2，主要分布于吐鲁番盆地、哈密盆地以及塔里木盆地的大部分地区，此外还零星分布于新疆东北部海拔500 m以下的地区；1990－2015年内叶塔次亚区增至47.48×104km2，与1960－1989年相比，该棉区除在吐鲁番盆地、哈密盆地和新疆东北部的分布面积明显扩大外，另在准噶尔盆地西部有大面积出现，其占地面积增加2.66×104km2；此外在两时段内，该棉区位于塔里木盆地的分布区域存在不同，与1960－1989年相比，该棉区在塔里木盆地的中西部和东部的分布减少，但在南部的分布明显增加。1960－1989年内，塔哈次亚区分布于准噶尔盆地的中西部、吐鲁番盆地和哈密盆地边缘、塔里木盆地的北部、东部边缘及盆地南部和新疆东北部海拔500m以上的地区，其可种植面积14.61×104km2，1990－2015年内该棉区可种植面积为14.77×104km2，虽在准噶尔盆地、吐鲁番盆地、哈密盆地及塔里木盆地南部的面积明显减少，但在塔里木盆地中东部、北部以及新疆东北部海拔500 m以上的地区的面积增加，故两时段内可种植面积变化较小。

3）早熟棉区：该棉区主要分布于北疆和东疆。北疆片位于准噶尔盆地、塔城区附近以及新疆东北部海拔500～1 000 m区域内，东疆片位于吐鲁番盆地和哈密盆地边缘500～1 000 m区域内，此外还零星分布在天山南坡的和静县附近及塔里木盆地边缘。两段时间内，该棉区可种植面积基本稳定在6.97×104km2；在南疆的分布区域基本无变化，北疆片在准噶尔盆地南部分布的面积减少，但在准噶尔盆地的西部及新疆东北部海拔500～1 000 m区域内分布的面积增加。

4）特早熟棉区：该棉区主要分布于准噶尔盆地、吐鲁番盆地、哈密盆地边缘以及新疆东北部的海拔1 000～1 500 m区域，此外还零星分布于天山南坡和静县附近海拔1 000～1 500 m区域以及塔里木盆地边缘。1960－1989年时该棉区可种植面积为8.13×104km2，而1990－2015年时面积为7.64×104km2，减少了0.49×104km2。

5）不适宜棉区：阿尔泰山、天山及昆仑山脉周边由于地势海拔等因素导致农业热量资源不足，不适宜种植棉花。两时段内，不适宜种植区面积减少6.14×104km2，棉花适宜种植区域增加，其主要是由于气候变暖背景下北疆西部伊犁河流域和准噶尔盆地东部海拔1 000 m以上区域热量条件已满足棉花生长的需求，故该区域棉花可种植面积增加。

表3 1960－2015年新疆各棉区可种植区域变化

2.2.2 不同熟性棉花区划的热量限制因素

基于区划指标以及全疆各地区的平均气温，确定全疆各地区棉花种植区域的热量资源限制因素，图4表示新疆不同熟性棉区热量限制因素的空间分布特征。由图4可知，山区附近各地热量资源限定因素较为一致，而盆地和平原等海拔较低的地区不同熟性棉花种植的限制因素较为复杂。阿尔泰山、天山和昆仑山脉处由于地势海拔较高，气温较低，受≥10 ℃积温、无霜冻期和7月平均温度3因素共同限制而不适宜种植棉花；除山脉外，三大山区附近不宜种植棉花的主要限制因素为≥10 ℃积温和7月平均温度，且两热量因素也是塔里木盆地处绝大部分的早中熟叶塔次亚棉区的热量限制因素；全疆受≥10 ℃积温和无霜冻期两因素共同限制的地区较少，主要零星分布于天山和昆仑山区的不适宜棉区内；塔里木盆地处早中熟塔哈次亚棉区以及早中熟叶塔次亚棉区西部、中部和东部的部分区域主要受7月平均温度的限制，此外特早熟棉区的绝大多数区域也受此热量因素的限制；准噶尔盆地、塔城区附近、新疆东北部、吐鲁番盆地、哈密盆地及塔里木盆地区域内的早中熟塔哈次亚棉区、早熟棉区和部分特早熟棉区主要受≥10 ℃积温限制。

2.3 地膜增温机制下棉花区划变化

地膜植棉技术于20世纪90年代初基本应用于整个新疆棉区，本文基于棉区区划指标、地膜覆盖对有效气温的补偿值[20,27,35]，定性分析1990—2015年时80%保证率下新疆地区不同熟性棉花在考虑地膜增温效应前后，其种植界限和可种植区域的变化特征。

由图3b、图5a和表4可知，地膜覆盖下气积温的补偿效应机制对不同熟性棉区的可种植区域面积和种植界限均存在一定影响，且对其种植界限影响显著。考虑地膜增温效应前后，中熟棉区的可种植面积基本稳定在5.31×104km2，其种植界限及区域无变化；早中熟叶塔次亚棉区的可种植区域有明显的增大趋势；早中熟塔哈次亚棉区、早熟棉区、特早熟棉区的可种植区域和不适宜区面积均减小，其中不适宜区变化不明显，可种植区域占全疆棉区的比率仅减少0.1%。

图4 1960—2015年新疆地区棉区热量限制因素的空间分布

图5 1990－2015年地膜覆盖下新疆棉花可种植区域及种植界限及可种植区域变化特征

表4 1990－2015年地膜覆盖下新疆各棉区可种植区域变化

早中熟棉区：早中熟两次亚棉区在考虑地膜增温效应前后，其区域界限和可种植区域均发生一定的变化。从图5b和表4可知，考虑地膜增温效应前后早中熟叶塔次亚棉区的四大分布区（准噶尔盆地、吐鲁番盆地及哈密盆地、塔里木盆地和新疆东北部）的区域界限均有向四周扩的变化趋势，其中准噶尔盆地区域东扩趋势最大，准噶尔盆地区域南扩趋势次之，平均扩大65和30 km；哈密盆地区域东扩趋势明显，变化范围在10～90 km；新疆东北部的北扩范围在10～40 km；塔里木盆地区域南扩最大为20 km；考虑地膜增温效应后，叶塔次亚棉区的可种植区域面积由47.48×104km2增至52.95×104km2，增加了3.3%。从图5c和表4中可知，考虑地膜增温效应后，塔哈次亚棉区在准噶尔盆地的区域界限向东扩的趋势较为明显，平均扩大70 km；虽在新疆西北部的塔城区附近原早熟棉区现可种植塔哈次亚棉区，且在新疆东北部地区处塔哈次亚棉区的可种植界限稍微向西北方向扩大，但吐鲁番、哈密地区南部处（41°N附近）原塔哈次亚棉区的部分区域现可种植叶塔次亚棉区，致使塔哈次亚棉区可种植区域略减小，可种植面积由14.77×104km2缩小至14.45×104km2。

早熟棉区：由图5d和表4可知，该棉区在准噶尔盆地区域的种植界限有明显的东扩趋势，变化范围在0～300 km，但该区域内东扩大的面积较小；该棉区原可种植区域（塔城区附近、新疆东北部海拔500～1 000 m区域内、哈密盆地和塔里木盆地边缘）的部分区域现可用来种植早中熟塔哈次亚棉区，且该些区域原种植界限无明显平移外扩趋势，致使该棉区可种植区域面积明显减少，减少2.32×104km2，减少了1.4%。

特早熟棉区：由图3b、图5a和表4可知，考虑地膜增温效应后，特早熟棉区的种植界限基本无变化，而原种植区域的较大部分现可以种植早熟棉花，因而特早熟棉区的可种植面积减小，可种植面积由7.64×104km2减少至4.98×104km2，减少了1.6%。

3 讨 论

前人研究表明，全球气候变暖背景下，新疆北疆和南疆热量资源总体各呈现“平原和盆地多，山区少”的空间分布格局[11,13,36]；绝大部分地区10 ℃初（终）日提早（推迟），终（初）霜冻日提前（推迟），≥10 ℃积温持续天数和无霜冻期均延长，积温增加，棉花适宜种植区扩大[11,16,36-37]，本文研究结果与前人研究结论类似。

文中研究表明气候变暖，热量资源得到改善，使新疆地区中熟棉区和早中熟棉区的可种植区域均不同程度的增加，不适宜种植棉花的区域面积减小，此与李景林等[11-12]认为北疆宜棉区大幅扩张，次宜棉区、风险棉区和不宜棉区不同程度的减小的结果类似；本文研究得出南疆早中熟棉区可种植面积增大、早熟棉区可种植区域变化不明显及特早熟棉区减少等特征，与张山清等[13]得到的南疆棉花区划变化较为接近。本文结果表明，与北疆相比，南疆宜棉区中不同熟性棉区的主要热量资源限制因子除了受≥10 ℃积温限制外，还受7月平均温度的限制，这表明在南疆各地制定和规划棉花区划时，除要考虑积温外，还必须高度重视7月平均温度这一指标。

地膜增温效应机制下早熟和特早熟棉区可种植区域减少，中熟棉区和早中熟棉区的种植界限变化趋势主要为向四周外扩，其可种植区域均不同程度的增加，这与本文及前人研究得出的气候变暖背景下（1990－2015年与1960－1989年比较）棉区的种植界限和可种植面积的变化趋势类似[11-13,21]，但其主要影响热量需求相对较低的特早熟棉区和早熟棉区，而对热量需求最高的中熟棉区的种植界限及可种植区域均无影响，原因可能为地膜增温效应仅作用于棉花生育前期的苗期和蕾期，对有效气积温的补偿值有一定的限度[20,27]，不足以使其他棉区的热量资源增加至满足中熟棉花生长发育的需求。

本文中棉田地膜增温公式全部引用肖明等[20,27]的研究结果，该公式采用试算法由露地棉苗期、蕾期的逐日平均气温及天数来估算地膜棉的苗期和蕾期天数，进而求得地膜棉的有效气积温补偿值。该计算过程以土壤温度与气温的相关关系为核心，考虑了气温变化对地温的影响，且在不同年份和不同试点均得到较好的验证，可操作性较强[28]。但未来仍需用试验数据对该公式进行验证已确保其时效性和准确性。

本文关于气候变化和覆膜下新疆棉花可种植区域变化特征的研究中，对不同熟性棉花的区划为理论计算的气候区划。在区划指标中仅考虑了热量资源因素，而一个地区实际的种植制度不仅取决于热量资源，同时受水资源、土壤条件、当地的经济水平、社会效益等因素综合影响，故未来可综合考虑水资源、土壤条件、社会经济等因素，对棉花种植区划进行更深入地研究，为新疆棉花区划提供科学依据，实现棉花高产稳产。

4 结 论

本文基于栅格计算了1960－2015年新疆地区的≥10 ℃积温、无霜冻期和7月平均温度，研究了气候变化背景下新疆地区农业热量资源的时空变化特征，比较和探讨了气候变暖和覆膜影响下，不同熟性棉花可种植区的变化特征以及棉花区划的热量资源限制因素，得出以下主要结论：

1）1960－2015年新疆地区总体表现为≥10 ℃积温、无霜冻期和7月平均温度分别以64.7 ℃·d/10a、3.3 d/10 a和0.2 ℃/10 a的倾向率呈显著增加趋势；全疆热量资源有较为明显的区域性差异，≥10 ℃积温、无霜冻期和7月平均温度的变化与地势海拔密切相关，总体呈现南疆高（多）于北疆，平原和盆地高（多）于山地。

2）与1960－1989年相比1990－2015年时不同熟性棉区的可种植区存在不同程度的变化趋势，中熟棉区的种植面积明显增加3.82×104km2，主要增加区域位于塔里木盆地东部地区；早中熟棉区的可种植区域有增大趋势，早中熟叶塔次亚棉区可种植区的增加区域主要分布于准噶尔盆地东部、吐鲁番盆地南部、哈密盆地南部以及塔里木盆地西部；早熟棉区的可种植面积变化趋势不明显，特早熟棉区的可种植面积和不适宜区的面积均减少。

3）地膜增温机制对中熟、特早熟棉区和不宜棉区的种植界限基本无影响，但对准噶尔盆地区域棉区的种植界限影响显著，准噶尔盆地区域内早中熟叶塔次亚棉区、塔哈次亚棉区平均分别东扩65和70 km，早熟棉区东扩范围在0～300 km；地膜增温机制下对中熟和不宜棉区的种植面积基本无影响，但早中熟叶塔次亚棉区可种植面积增加5.47×104km2，增加3.3%，特早熟棉区面积减小1.6%。

4）全疆棉花种植的热量资源限制因素的空间分布特征为，不宜棉区大部分受≥10 ℃积温和7月平均温度限制，而三大山脉处不宜棉区还受无霜冻期限制；北疆宜棉区中不同熟性棉区的主要热量资源限制因子为≥10 ℃积温，南疆主要为≥10 ℃积温和7月平均温度两者共同限制或7月平均温度单个因素限制，大部分早中熟塔哈次亚棉区、早熟棉区和部分特早熟棉区受≥10 ℃积温限制。

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Effects of global warming and plastic mulching on cotton-planting zoning with different matures in Xinjiang

Hu Liting1,2, Hu Qi1※, Pan Xuebiao1, Ma Xueqing1, Xu Lin1, Wang Xiangru2, Zhang Hengheng2

(1.100193; 2.455000)

Xinjiang is a main producing area of cotton in China. This study investigated the effects of global warming and plastic mulching on cotton-planting zoning of different matures in Xinjiang. The climatic data were from 173 meteorological stations during 1960-2015 in temperate zone around Xinjiang within a range of 200 km. The digital elevation mode data were from the United States Geological Survey, which had the resolution about 900 m. We analyzed the spatio-temporal variation of accumulated temperature not less than 10 ℃, frost-free period and mean temperature in July with the aid of ANUSPLIN interpolation software. The cotton-growing area was classified based on these 3 parameters. In addition, the change of planting boundaries and area of different cotton matures were studied with climate change and the compensation effect of plastic mulching. The main results included: 1) the accumulated temperature not less than 10 ℃, frost-free period and mean temperature in July showed an increasing trend in 1960-2015. Regional differences on thermal resources were obvious in Xinjiang. The accumulated temperature not less than 10 ℃, frost-free period and mean temperature in July were closely related to the terrain elevation. The thermal resources wasricher in the southern Xinjiang than those the northern Xinjiang and richer in plain areas than in mountain areas. 2) under global warming, the ratio of planting areas of middle mature and early-middle mature cotton all increased.The area of middle mature cotton region increased by 3.82×104km2, and the main increase areas were located in the eastern part of tarim basin. The increased area of early-middle mature cotton was widely distributed in the eastern Junggar Basin, the southern Turpan Basin, the southern Hami Basin and the western Tarim Basin. But the proportion of planting area of early maturing cotton did not change significantly and exceptional early-mature and unsuitable areas decreased. 3) the accumulated temperature not less than 10oC and mean temperature in July were the main limiting factors in unsuitable planting areas, besides the areas near Tianshan, Altai and Kunlun Mountains were also restricted by frost-free period. The main thermal limiting factors in early-middle mature cotton areas (Taha), early mature cotton areas and most regions of exceptional early-mature were limited by the accumulated temperature not less than 10 ℃. 4) cotton plastic mulching had no significant influence on the planting boundaries of middle mature, early mature and unsuitable planting areas. But it had a significant influence on the planting boundaries of cotton areas in the area of the Junggar basin. With plastic mulching, theplanting boundary of early-middle mature cotton extended 65 km to the east approximately, and that of early mature cotton areas extended 0-300 km to the east. With the plastic mulching, the planting area of early-middle mature cotton (Yeta) increased by 5.47×104km2, some of which was from the former Taha cotton area. In addition, the planting areas of early mature and exceptional early-mature cotton decreased by 1.4% and 1.6% respectively. This study provide an effective method for cotton-planting zoning of different matures in Xinjiang.

global warming; cotton; zoning; plastic mulching; Xinjiang; planting boundaries

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.012

S162.5+4

A

1002-6819(2019)-02-0090-10

2018-08-17

2019-01-01

国家重点研发计划（2017YFD0101600）；公益性行业科研专项（GYHY201206022）

胡莉婷，博士生，主要从事气候变化影响和农业作物模型研究。Email：huliting@cau.edu.cn

胡琦，博士，讲师，主要从事气候变化影响评价研究。Email：s10020292@cau.edu.cn

胡莉婷，胡 琦，潘学标，马雪晴，徐 琳，王香茹，张恒恒. 气候变暖和覆膜对新疆不同熟性棉花种植区划的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(2)：90－99. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.012 http://www.tcsae.org

Hu Liting, Hu Qi, Pan Xuebiao, Ma Xueqing, Xu Lin, Wang Xiangru, Zhang Hengheng. Effects of global warming and plastic mulching on cotton-planting zoning with different matures in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 90－99. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.012 http://www.tcsae.org