基于GIS 的新疆沙湾市棉花种植精细化气候区划

王雪姣 王森 吉春容 井立军 高婧 张山清

摘 要： 利用沙湾市及周边15 个气象站点1980—2020 年气候资料和地理信息数据，通过Arcgis10.0 空间分析技术将新疆维吾尔自治区1∶50000 高程数据转成分辨率为100 m×100 m 的数字高程，通过地统计回归和反距离权重等方法构建≥10 °C积溫、无霜期、7 月平均气温等指标与地理因子的空间分析推算模型，结合棉花区划指标等级，计算得到沙湾市棉花种植精细化气候区划。结果表明，研究区可划分为适宜棉区、次适宜棉区、风险棉区和不适宜棉区4 个分区。适宜棉区主要分布在沙湾市海拔490～600 m 的乌奎高速公路北部附近地带，包括安集海镇、三道河子镇、乌兰乌苏镇和蘑菇湖水库附近的平原地区；次适宜棉区主要分布在沙湾市海拔600～700 m 的乌奎高速公路南部附近地带；风险棉区主要分布在沙湾市海拔700～800 m 的乌奎高速公路南部的山前倾斜平原；不适宜棉区主要分布在沙湾市海拔高度800 m 以上的南部山区。研究成果可为当地农业种植布局调整提供科学依据。

关键词：棉花；GIS；精细化；气候区划；沙湾市

中图分类号：S162.54文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）08-0038-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.007

0 引言

新疆维吾尔自治区（简称新疆）沙湾市是一个以农业为主、农牧结合的农业大县，水土、光热资源丰富，是塔城地区乃至北疆片区棉花、粮油、蔬菜和林果等生产供应基地，盛产辣椒、红薯、马铃薯、枸杞和蟠桃等多种特色农产品，而棉花是沙湾市的主要经济作物，近10 年，随着政策关注力度加大和技术水平的提高，有效推动沙湾市棉花产业的发展。据新疆统计局数据资料，1999 年，沙湾市棉花种植面积2.57 万hm2， 至2014 年猛增到6.74 万hm2， 增长2.6 倍，2020 年达到11.96 万hm2。由于棉花种植面积增长速度过快，棉花种植范围不断扩大，部分棉区可能超出次适宜棉区或风险棉区，因受气候环境的制约，棉花种植保证系数不高，产量低、品质差、效益低。气候变暖和棉区主要关键气候因子的改变，对棉花生产产生了有利或不利的影响。因此，从合理开发和利用气候资源角度出发，对沙湾市棉区棉花作精细化气候区划，这对充分利用当地气候资源，因地制宜地调整和优化棉花种植布局，促进棉花生产持续、稳定和健康发展具有十分重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域和数据来源

沙湾市地处天山中段北麓、准格尔盆地南缘，地势南高北低，自东南向西北倾斜，最低海拔283 m，最高海拔5 237 m，如图1 所示。境内海拔高度相差较大，南北气候明显差异。低山、平原和沙漠地区属中温带，南部中山和高山地区属寒温带。降水较少，蒸发量大，光照充足，热量丰富，无霜期较长，气温日较差大。年平均日照时数>2 800 h，年均降水量208 mm，年蒸发量1 500～2 000 mm，无霜期170～190 d，7 月平均气温25.9 °C，年较差40.6 °C，≥10 °C 积温3 700 °C·d左右，≥20 °C 积温2 200 °C·d 左右，≥15 °C 的持续日数140 d 左右。

气象资料为沙湾市和周边气象站点 13 个气象站1980—2020 年的地面气象观测资料，站点包括沙湾市、乌苏市、炮台镇、乌兰乌苏镇，新疆生产建设兵团莫索湾垦区、蔡家湖镇，石河子市，昌吉回族自治州昌吉市、玛纳斯县、呼图壁县、阜康市，以及乌鲁木齐市、米东区等。观测资料包括历年逐日气温（平均气温、日最高气温、日最低气温）、无霜期等，由新疆气象信息中心提供。棉花气候区划指标来源于文献资料。地理信息资料采用新疆测绘地理信息局提供的1∶50000 沙湾市基础地理背景数据，包含乡镇级、乡镇级以下行政点、公路、河流和数字高程模型等。

1.2 研究方法及区划指标

1.2.1 空间插值方法

通过Arcgis 空间分析法，将1∶50000 的数字高程数据通过重采样获得分辨率100 m×100 m 的数字高程，建立气候要素与地理因子网格推算模型，获得空间格点模拟值，再将实际值与模拟值的残差部分采用反距离加权进行订正，最终得到各气候要素空间分布值[1-2]。

1.2.2 区划指标权重确定

基于yaahp 软件利用层次分析法确定影响棉花各区划指标因子的权重系数[3]。

1.2.3 棉花区划指标确定

热量资源的多少直接决定棉花产量的高低和品质的优劣，沙湾市又有较稳定的灌溉水资源，因此，影响沙湾市棉花生产的主要气候因素是热量条件，而热量资源又受地理位置、地势地形的影响，沙湾市南北高程分布差异较大。棉花生长发育要求的热量指标主要是≥10 °C 积温，还需考虑最热月平均气温。最热月平均气温是棉花生长发育最旺盛的花铃阶段要求的适宜温度，必须>25 °C[4]。若一个地区≥10 °C 积温和最热月（7 月）平均气温都已具备，尚须看无霜冻期的长短，棉花苗期和吐絮期间，当日最低气温<0 °C 时，轻则冻伤棉苗和棉桃，重则致棉株终止生长。因此，无霜冻期是棉花利用热量资源的限制因子。≥l0 °C 积温、最热月平均气温相近的地区，无霜冻期越长，对棉花种植越有利[5-6]。综上所述，再结合前人研究结果，选用≥10 °C 积温、最热月平均气温及无霜冻期作为沙湾市棉花区划的气候指标，将该3 项指标作为主导指标，考虑≥15 °C 的持续日数和≥20 °C 的积温作为辅助指标，如表1 所示[7-10]。

2 结果与分析

2.1 光照条件

棉花喜光，属短日照作物。光照强、日照时数多对棉花的光合作用十分有益。沙湾市棉花生育期的4—10 月，日照时数达到2 000 h，光照条件能够满足棉花生长发育和产量形成的需求。

2.2 温度条件

棉花在不同生育阶段对温度的需求有差别。苗期较高的温度有利于棉苗早发，形成壮苗。沙湾市棉花苗期的平均温度19～24 °C，较适宜棉花苗期生长。现蕾到开花期适宜温度25 °C 左右，在不超过30 °C 的情况下，温度高，则现蕾开花多。棉花现蕾到开花期历年平均温度25.9 °C 左右，温度条件适宜现蕾、开花。花铃期是棉花由营养生长逐渐转入生殖生长，是全生育期生长最旺盛的阶段，适宜温度范围25～30 °C，棉花花铃期平均气温18.0～25.5 °C，夏末秋初气温下降快，并且在9 月中旬以后气温降至19 °C 以下，导致棉花花铃期较短、热量不足，影响开花结铃和纤维形成。

2.3 水分条件

棉花是一种较耐旱的作物，由于生育期长、叶面积指数大，需水较多。沙湾市棉花整个生育期间的需水量550～700 mm，而同期降水量只有148 mm 左右，仅为需水量的20% 左右，稳定的地表水和地下水资源为棉花适时灌溉，满足其对水分条件的需求提供保证。

2.4 热量资源空间分布特征

2.4.1 ≥10 °C 积温

沙湾市≥10 °C 积温的空间分异十分明显，总体呈现“北部平原多，南部山区少”的分布格局，如图2所示。根据沙湾市棉花分区气候指标（表1）和沙湾市高程分布（图1）来看，≥10 °C 积温>3 800 °C·d 的区域主要在海拔500 m 以下的北部平原地带；≥10 °C 积温3 600～3 800 °C·d 的区域在海拔500～600 m 的中部平原；≥10 °C 积温3 450～3 600 °C·d 的区域位于600～700 m 的南部平原地带；积温在3 175～3 450 °C·d 的区域位于700～1 000 m 的南部冲积和洪积平原，海拔1 000 m 以上的山区≥10 °C 积温<3 175 °C·d。

2.4.2 7 月平均气温

沙湾市最热月（7 月）平均气温的空间分布与≥10 °C积温相似，也表现为“北部平原高，南部山区低”的分布格局，如图3 所示。7 月平均气温>26 °C 的区域主要在海拔<450 m 的北部平原地带；25～26 °C 的区域在海拔450～500 m 的区域内；24～25 °C 的区域在海拔500～ 600 m 的区域内； 23～ 24 °C 的区域在海拔600～800 m 的區域内；海拔800 m 以上的南部山区7月平均气温<23 °C。

2.4.3 无霜冻期

沙湾市无霜冻期空间分布表现为“北部平原长，南部山区短”的格局，如图4 所示。无霜冻期>185 d的区域主要在海拔高度<600 m 的中北部平原；无霜冻期160～185 d 的区域在海拔600～1 000 m 的区域内；无霜冻期150～160 d 的区域在1 000～1 200 m 的区域内；海拔1 200 m 以上无霜冻期<150 d。

2.4.4 ≥15 °C 持续日数

沙湾市≥15 °C 持续日数的空间分布同样表现为“北部平原长，南部山区短”的分布格局，如图5 所示。≥15 °C 持续日数>140 d 的区域主要在海拔高度<450 m 的北部平原；≥15 °C 持续日数130～140 d 的区域在海拔450～ 600 m 的区域内； ≥15 °C 持续日数110～ 130 d 的区域在600～ 800 m 的区域内； 海拔800 m 以上≥15 °C 持续日数<110 d。

2.4.5 ≥20 °C 积温

沙湾市≥20 °C 积温的空间分布同样表现为“北部平原多，南部山区少”的分布格局，如图6 所示。≥20 °C积温>2 200 °C·d 的区域主要在海拔高度<400 m 的北部平原；≥20 °C 积温2000～ 2 200 °C· d 的区域在海拔400～600 m 的区域内；≥20 °C 积温1 400～2000 °C·d的区域在600～1 000 m 的区域内；海拔1 000 m 以上≥20 °C 积温<1 400 °C·d。

3 结果讨论

通过对1980—2020 年沙湾市≥10 °C 积温、无霜期、7 月平均气温、≥15 °C 持续日数、≥20 °C 积温等因子的分析，结合棉花区划指标等级，最终得到棉花适宜种植精细化区划，分为最适宜棉区、适宜棉区、次适宜棉区、风险棉区和不适宜棉区5 个分区。

3.1 最适宜棉区

主要分布在沙湾市海拔<490 m 的北部平原地区，包括121 团场、122 团场、132 团场、133 团场、134 团场、135 团场、141 团场、144 团场、四道河子镇、老沙湾镇、柳毛湾镇及大泉乡的广大平原地区，如图7所示，面积为5 302 km2（包含北部沙漠地区），占全市面积的39.9%。最适宜棉区内≥10 °C 积温>3 800 °C·d， 7 月平均气温>26 °C，无霜冻期>185 d，≥20 °C 积温>2 200 °C·d，≥15 °C 持续日数>140 d，一般年份能保证获得85% 以上的霜前花。

3.2 适宜棉区

主要分布在沙湾市海拔490～600 m 的乌奎高速公路北部附近地带，包括安集海镇、三道河子镇、乌兰乌苏镇和蘑菇湖水库附近的平原地区，如图7 所示，面积为1 231 km2，占全市面积的9.3%。适宜棉区内≥10 °C 积温3 600～3 800 °C·d，≥20 °C 积温2 000～2 200°C·d，7 月平均气温25～26 °C，无霜期l70～185 d，≥15 °C 持续日数130～ 140 d。一般年份可保证获得80%～85% 的霜前花。

3.3 次适宜棉区

主要分布在沙湾市海拔600～700 m 的乌奎高速公路南部附近地带，如图7 所示。面积为520 km2，占全市面积的3.9%。次宜棉区内≥10 °C 积温3 450～3 600 °C·d，≥20 °C 积温1 600～2 000 °C·d，7 月平均气温24～25 °C，无霜期l60～170 d，≥15 °C 持续日数120～130 d。一般年份可保证获得60%～80% 的霜前花。

3.4 风险棉区

主要分布在沙湾市海拔700～800 m 的乌奎高速公路南部的山前倾斜平原，如图7 所示。面积为536 km2，占全市面积的4.0%。风险棉区≥10 °C 积温3 175～3 450 °C·d，≥20 °C 积温1 400～1 600 °C·d，7 月平均气温23～24 °C，无霜期冻150～160 d，≥15 °C 持续日数110～ 120 d。一般年份能保证获得30%～60% 的霜前花。本区气候变化剧烈，热量条件不稳定，虽然南部无霜冻期较长，但积温波动很大，故此区域种植棉花有风险。

3.5 不适宜棉区

主要分布在沙湾市海拔高度>800 m 的南部山区，如图7 所示。包括博尔通古乡、西戈壁镇、东湾镇、151 团场及南部广大山区。面积为5 691 km2，占全市面积的42.9%。不宜棉区内≥10 °C 积温<3 175°C·d，≥20 °C 积温<1 400 °C·d，7 月平均气温<23 °C，无霜期冻<150 d 以下，热量条件不适宜种植棉花。

4 结束语

虽然筛选了与棉花生长发育关系密切的主要气候因子作为气候区划指标，而实际上，绿洲棉花种植还受水资源、土壤类型和土地利用等多方面因素的影响，并非气候环境适宜，就可以种植棉花。虽然气候变暖导致新疆热量资源有所增加，棉花种植区范围扩大，但是气象灾害突发性、极端性愈加凸显，对棉花生产安全威胁较大，故应探索引入农业气象灾害影响因素和土地利用资料，制作棉花气象灾害风险区划。未来研究各类农作物种植气候区划和气象灾害风险区划时，除了充分考虑气象要素以外，还应考虑水资源、品种熟性、土壤类型和农业气象灾害等多因素融合，结果将会更加具有科学性、参考性。

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