基于GIS的叶城县核桃种植气候适宜性精细化区划

王晓霞，张山清，李战超，刘纪疆，王 森

（1.叶城县气象局，喀什 叶城 844000；2.新疆农业气象台/新疆兴农网信息中心，新疆 乌鲁木齐 830002）

中国是世界第一大核桃生产国[1]，光、热、水等气候条件是决定核桃适宜种植区、影响核桃产量和品质的主要环境因素[2-3]，近年来有关我国各地核桃种植气候适宜性问题的研究受到业内许多学者的关注。郭兆夏等[4]、贺春燕等[5]、魏玉君等[6]、熊华等[7]、金志凤等[8]、韩华柏等[9]根据核桃种植对气候条件的需求，根据各地影响核桃种植的主要气候因素，基于历史气候资料的多年平均值，采取不同的区划技术方法，分别对陕西、甘肃、河南、贵州、浙江、四川等我国核桃主产区核桃种植气候适宜性区划开展了许多研究工作。普宗朝等[10-11]根据新疆核桃种植生态气候条件，结合1961—2015年新疆气候变化的实际，研究了气候变化对核桃种植的影响，研究结果表明，气候变暖使新疆核桃适宜、次适宜种植区趋于扩大，不适宜种植区缩小。上述研究对各地合理规划核桃种植布局，促进核桃产业发展起到了重要作用。但由于其研究大多是从省级行政区域的宏观角度开展的，研究成果的空间分辨率较低，难以满足县级行政区核桃种植精细化气候适宜性区划服务的需求。

叶城县位于新疆维吾尔自治区西南部，南依喀喇昆仑山和昆仑山脉，北接开阔平原，紧连塔克拉玛干大沙漠、叶尔羌河上游，地形南高北低。气候属温带大陆性干旱气候，光照充足，热量丰富，降水稀少，气温日较差大。由于独特的气候，广袤肥沃的土地，加之绿洲平原地带有较丰富的农业灌溉水资源，因此，叶城县是新疆著名的特色林果主产区。其中，叶城县生产的核桃因具有果实营养价值高、保健功效好、适应性强、易于管理、抗干旱、耐瘠薄、经济效益高、生态效益显著等特点，近年来，核桃种植业在叶城县发展异常迅速，2019年叶城县核桃的种植面积达3.867×104hm2，总产量1.38×105t。目前，核桃在叶城县社会经济发展、生态环境保护以及农民脱贫致富中占有举足轻重的地位。进入20世纪90年代以来，随着气候变暖以及核桃新品种更替和管理与栽培技术不断更新，核桃种植区域随之在发生变化。但是，一些区域因忽视气候条件的适宜性而盲目扩大种植面积，或种植区域不合理，导致核桃遭受越冬冻害、高温热害、霜冻危害等农业气象灾害的风险增加，产量低而不稳，品质下降，严重影响了核桃生产的经济、社会效益[2-3，11-12]。因此，研究叶城县核桃种植气候适宜性精细化区划，对充分利用气候资源，合理安排核桃布局，有效规避种植风险是十分必要的。由于新疆南部偏远的叶城县人口稀少、气象监测站网稀疏，且气象站网分布极不均匀，单一气象站的监测数据难以代表整个区域的气候特征。在农业气候资源分析和农业气候区划中，特别是基于GIS的第三次农业气候区划，都需要将气候要素与地形等要素紧密结合起来[13]，因此，进行气候要素栅格化十分必要。在栅格化过程中主要是对无测站栅格点要素值进行推算，推算的栅格数据地域单元越小，精度越高，且数据属性明显，具有位置准确、数据规范、数据结构有利于空间分析[14]，为气候资源的分析和气候区划带来很大优势。目前叶城县基于GIS的百米高分辨率的核桃种植气候适宜性精细化区划研究尚未报道。因此，本文根据核桃的生物学习性及其对气候条件的具体要求，利用1981—2019年叶城县及其周边20个气象站的观测资料，分析影响核桃生长发育的关键气候因子，筛选核桃气候适宜性区划指标和地理因子（高程、纬度、经度、坡度、坡向，空间分辨率为100 m×100 m），建立基于GIS的叶城县百米级高分辨率核桃种植气候适宜性区划因子空间分布模型，采用GIS空间加权综合评判法，对叶城县核桃种植气候适宜性各区划指标进行综合精细化等级分区，以期确定核桃最佳适宜种植空间分布区域，为叶城核桃产业结构调整提供气候依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源与处理

选用叶城县及其周边范围内20个资料序列较长的气象站1981—2019年逐日平均气温和最低气温资料以及各站地理坐标和县级地理信息数据，利用1：50 000基础地理信息，提取叶城县的纬度、经度、海拔高度、坡度、坡向等地理数据，经重采样获得空间分辨率100 m×100 m的地理因子。各站气象数据、地理坐标和县级1：50 000地理信息数据由新疆气象信息中心提供，研究区域见图1。

图1 叶城县高程和乡（镇）行政分布

1.2 数据统计及区划方法

通过分析核桃种植所需的区划指标，对每个气候指标进行标准化处理，采用GIS空间插值分析法[15]，对叶城县数字高程DEM数据进行重采样，提取经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向，空间分辨率为100 m×100 m，而各区划指标因子的栅格化精度必须依赖于DEM的精度，通过基于GIS空间推算模型，获得核桃种植气候适宜性各区划指标因子栅格图层集，再采用加权综合评判法获得叶城县核桃种植气候适宜性精细化区划专题图。

2 结果与分析

2.1 核桃生产与气象条件的关系

2.1.1热量条件

春季日平均气温稳定≥10℃是核桃树陆续进入发芽、展叶、开花和结果的起始临界温度，若春季日平均气温稳定≥10℃之后出现最低气温≤0℃的霜冻（称作终霜冻），将对核桃生长发育造成危害，并且随着终霜冻日迟于≥10℃初日日数的增多，遭受终霜冻危害的风险和强度增大；反之，若终霜冻日早于≥10℃初日，核桃树遭受终霜冻危害的几率较低，且随着终霜冻日早于≥10℃初日日数的增多，遭受终霜冻危害的风险减小[10-11]。核桃从幼果形成到坚果成熟需130 d左右，在此期间气温超过38～40℃，果实易被灼伤，致使核仁发育不良，形成空壳。核桃适宜生长的气候条件为年平均气温9～12℃，夏季极端最高气温在40℃以下，无霜冻期为150～220 d，核桃可忍受的低温在-25～-30℃。核桃正常结果需≥10℃积温＞3 300℃·d，≥10℃持续日数＞160 d，若要形成较好的生产能力则需≥10℃积温＞3 800～4 500℃·d，≥10℃持续日数180 d以上[16-17]。

2.1.2光照条件

核桃是喜光树种，一般要求全年光照时数不少于2 000 h才能保证坚果的正常发育。叶城光照充足，年日照时数为2 500～2 800 h，完全能够满足核桃生长发育对光照条件的要求。

2.1.3水分条件

核桃对水分条件要求较高，一般年降水量500～800 mm才可满足其生长发育的需求。叶城县虽降水稀少，绿洲平原地带年降水量不足60 mm，但核桃对水分条件的需求可通过灌溉得到有效保证，因此，降水不是制约叶城县核桃生长发育的气候因子。

2.2 核桃气候区划指标的确定

影响叶城县核桃种植的气候因素主要是生长期的热量条件、越冬期低温、果实生长期高温以及核桃展叶、开花期的霜冻，而在叶城县光照和自然降水对核桃基本无制约作用。根据上述分析并参考前人有关研究成果[10]，确定≥10℃积温、最低气温≤-25℃日数以及终霜冻日早于≥10℃初日的日数作为叶城县核桃种植气候适宜性判别因子，其等级划分标准见表1。由于各要素对核桃生长发育、产量形成的影响具有不可替代性，因此确定核桃种植气候适宜性时以上3要素必须同时具备，缺一不可。

表1 叶城县核桃种植气候区划指标

2.3 区划指标因子的空间分布模式

区划指标与空间分布模式的关系，采用地理统计方法建立指标因子与站点地理信息（经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向）的空间分析模式，利用GIS空间插值推算出100 m×100 m网格上的指标值，以此满足核桃种植气候精细化区划的需求。叶城县核桃种植气候区划指标与地理要素之间的空间分布模式见表2，经F值检验，各方程都通过0.005的显著性检验，具有较高的可信度。

表2 核桃种植区划指标空间分布模型

2.4 核桃种植气候适宜性精细化方法

基于GIS的精细化空间插值技术，利用各气候区划因子空间分析模式（表2），在ArcGis 10.2平台空间分析模块推导出100 m×100 m网格上各区划因子的模拟值。为精确反映每个网格上的核桃种植气候区划指标值，将20个气象站的实测值与模拟值之间的残差，通过反距离插值法对残差数据进行100 m×100 m栅格化处理，并将残差栅格图层与模拟区划指标栅格图叠加，分别获得经过栅格化空间插值模拟的各指标气候要素图层集，按照表1的核桃种植气候适宜性等级划分标准，分别对其进行分级并将3个图层等权重叠加处理，即可获得综合考虑各指标气候要素分辨率为100 m×100 m细网格上的核桃种植气候适宜性精细化区划图。

2.4.1≥10℃积温空间分布

叶城县1981—2019年≥10℃积温空间分布主要受海拔高度的影响，总体呈现“从南部山区至北部平原随海拔高度的降低逐渐增多”的空间格局（图2）。海拔2 000 m以上的山区≥10℃积温较少，一般不足3 300℃·d；海拔1 700～2 000 m的山前倾斜平原和丘陵地带≥10℃积温为3 300～3 800℃·d；海拔1 700 m以下的平原地带≥10℃积温较多，可达3 800～4 400℃·d。

图2 叶城县≥10℃积温空间分布

2.4.2冬季最低气温≤-25℃日数空间分布

近39年叶城县冬季最低气温≤-25℃日数的空间分布总体呈随海拔高度的降低“由山区向平原逐渐减少”的特点（图3）。海拔2 000 m以上的山区冬季最低气温≤-25℃日数较多，一般在3 d以上；海拔1 400～2 000 m的山前倾斜平原和丘陵地带为0.3～3.0 d；海拔1 400 m以下的平原地带冬季最低气温≤-25℃日数较少，一般在0.3 d以下。

图3 叶城县冬季最低气温≤-25℃日数空间分布

2.4.3终霜冻日早于≥10℃初日的日数空间分布

叶城县终霜冻日早于≥10℃初日日数的空间分布总体呈山区少、平原多的特点（图4）。海拔4 000 m以上的高山带终霜冻日早于≥10℃初日日数一般在8 d以下；海拔4 000 m以下的中、低山以及丘陵、平原地带在8 d以上，其中，海拔1 250～2 500 m的地带终霜冻日早于≥10℃初日日数多达11～16 d。

图4 叶城县终霜冻日早于≥10℃初日日数的空间分布

2.5 核桃种植农业气候区划及其分区评述

根据核桃区划指标（表1），将叶城县≥10℃积温、冬季最低气温≤-25℃日数和终霜冻日早于≥10℃初日日数的栅格数据在ArcGis10.0平台上进行等权重叠加处理，得到叶城县核桃种植精细化区划图（图5）。叶城县核桃种植气候区划总体可分为适宜区、次适宜区和不适宜区3个分区。

图5 叶城县核桃种植气候适宜性区划

2.5.1适宜区

叶城县核桃种植气候适宜区主要分布在叶城县北部海拔低于1 400 m的平原地带，包括依提木孔乡、巴仁乡、乌吉热克乡、夏合甫乡、江格勒斯乡、吐古其乡、铁提乡、恰尔巴格镇、喀格勒克镇、伯西热克乡、洛克乡、加依提勒克乡、依力克其乡、恰萨美其特乡，该区域≥10℃积温在3 900～4 400℃·d，能够满足核桃生长发育和优质高产对热量条件的需求；冬季最低气温≤-25℃日数在0.3 d以下，核桃树遭受越冬冻害的风险很低，安全越冬较有保证；终霜冻日早于≥10℃初日为9～16 d，春季核桃树展叶、开花和结果期遭受霜冻危害的几率也很低，加之该区地处叶尔羌河上游流域，土壤肥沃，灌溉有保障，因此是叶城县发展核桃种植业最理想的区域。

2.5.2次适宜区

叶城县核桃种植气候次适宜区分布在叶城县中部海拔1 400～2 000 m的山前倾斜平原和丘陵地带，包括萨依巴格乡南部区域、宗朗乡，该区域虽终霜冻日早于≥10℃初日在11～16 d，春季核桃树展叶、开花和结果期遭受霜冻危害的几率很低，但由于≥10℃积温只有3 300～3 900℃·d，仅可满足核桃生长发育和产量形成对热量条件的基本需求，且冬季最低气温≤-25℃日数在0.3～3 d，核桃树具有遭受越冬冻害的风险，因此，是叶城县核桃种植气候次适宜区，该区不宜大规模种植核桃。

2.5.3不适宜区

不适宜区主要分布在叶城县南部海拔2 000 m以上的山区，包括乌夏克巴什镇南部区域、柯克亚乡、棋盘乡南部区域、西合休乡，该区域≥10℃积温不足3 300℃·d，难以满足核桃生长发育对热量条件的基本需求，且冬季最低气温≤-25℃日数在3 d以上，核桃树遭受越冬冻害的风险较高，因此，不宜种植核桃。

3 结论

采用影响核桃生长发育的气候关键因子与地理因子相结合的方法，基于GIS空间分析模型获得叶城县核桃种植的气候适宜性精细化区划，得出以下结论：

（1）受海拔高度影响，叶城县气候要素分布差异明显，≥10℃积温的空间分布总体呈“北部平原地区多，南部山区少”的格局；最低气温≤-25℃日数呈由山区向平原逐渐减少的特点；终霜冻日早于≥10℃初日日数的空间分布总体呈山区少、平原多的格局。

（2）核桃种植气候适宜区主要分布在叶城县北部海拔低于1 400 m的平原地带，该区域能够满足核桃生长发育和优质高产对热量条件的需求；同时，核桃树遭受越冬冻害的风险很低，春季核桃树展叶、开花和结果期遭受霜冻危害的几率也很低，因此，该区域是叶城县发展核桃种植业最理想的区域，加之该区地处叶尔羌河上游流域，土壤肥沃，灌溉有保障，应大力发展优质核桃种植面积。

（3）次适宜区主要分布在叶城县中部海拔1 400～2 000 m的山前倾斜平原和丘陵地带，该区域热量条件相对欠佳，仅可满足核桃生长发育的基本需求，且冬季最低气温≤-25℃日数为0.3～3 d，核桃树具有一定的遭受越冬冻害的风险，因此，该区不宜大规模种植核桃。

（4）不适宜区分布在叶城县南部海拔2 000 m以上的山区，该区域核桃树遭受越冬冻害的风险较高，加之热量资源匮乏，不能满足核桃生长发育的需求，因此，该区不宜种植核桃。

4 讨论

（1）叶城县核桃种植适宜区内热量条件能够满足核桃生长发育和优质高产的需求。本文考虑引进了核桃春季花期霜冻灾害因子是终霜冻日早于≥10℃初日的天数，而非前人的4—5月日最低气温≤-2℃日数，因为核桃开花至幼果期出现-1～-2℃低温时，花、果易出现冻害[16]，这种情况只体现在偶尔一次极端天气过程情况下，只是小概率事件，区划考虑的是大概率事件，所以引进终霜冻日早于≥10℃初日的天数，从空间分布可以看出，叶城县晚霜冻出现日期一般比≥10℃初日早2~3候，因此，在适宜区内核桃开花至幼果期遭受春季晚霜冻的风险很小。

（2）本文基于GIS的空间分布模型，建立地理因子与多年平均气象因子之间的关系，采用三维二次趋势面模拟与空间插值相结合等方法，对核桃区划指标因子进行空间化，生成分辨率为100 m×100 m的栅格图层，经F值检验，各方程都通过0.005的显著性检验，具有较高的可信度。其百米精度基本上达到了县级区划需求。由此可见，气象站点数据经过地理信息系统空间化后的栅格数据能有效弥补气象台站稀疏、气候数据缺乏的问题，也为分析复杂地形下气候资源空间分布提供了重要的理论数据。但是，本文只用了多年常规气象站资料，未能将加密的自动站资料引入，今后有待订正和延长自动站资料，增加站点密度是进一步提高推算模型精度的关键。

（3）核桃种植区域的确定虽然气候要素起主导作用，但还与市场波动、种植管理技术、土壤和灌溉条件等因素密不可分[17-20]，因此，在本区划的基础上，统筹考虑当地的土壤和土地利用类型以及栽培管理技术等的综合影响，因地制宜地制定符合实际的核桃种植区划和发展规划，仍是今后核桃种植业发展的主要研究工作。