基于GIS 的新疆沙湾辣椒精细化气候区划

王 森，井立军，刘纪疆，李战超，张山清

（1.新疆农业气象台，乌鲁木齐 830002；2.沙湾县气象局，新疆 沙湾 832100）

沙湾县光热资源丰富，有充足的水源保障。因此，沙湾县盛产辣椒，其中，安集海镇生产的辣椒品质优良，2000年被国家农业部（现农业农村部）授予“中国辣椒之乡”的美誉，并于2004年顺利通过自治区无公害农产品辣椒的认证。近年来，沙湾县不断加大产业结构调整力度，重点支持以辣椒为主的蔬菜产业，规模种植辣椒已成为沙湾县特色农业、高效农业中的支柱产业。据新疆统计年鉴可知，2017年沙湾县辣椒产量为21.2 万t，种植面积为0.28 万hm2，但是，受气候变暖的影响，适宜辣椒种植的气候因子在改变，其区域气候环境也发生了较明显的变化，加之近年来极端灾害性天气频发，如春季低温冷害、霜冻、大风寒潮以及夏季高温天气给辣椒生产造成不同程度的危害，其中，2003年4月、2006年5月的持续4～5 d 的低温冷害，2009年4月大风寒潮天气给沙湾县辣椒造成不同程度的危害。因此，结合辣椒气候适宜性指标和地理条件等因子，利用Arc⁃GIS 软件制作沙湾县辣椒精细化种植气候区划，对充分利用气候资源、调整和优化辣椒种植布局、有效规避气象灾害有重要的意义。

Patel等［1］、王森等［2］采用GIS 对甘蔗和大田作物进行了气候适宜性区划；朱勇［3］基于GIS 对云南杂交水稻种植进行气候区划；张山清等［4-7］基于GIS 对新疆红枣、杏子、苹果、棉花等作物进行了气候适宜性种植区划；欧阳伟［8］对伊犁垦区制种玉米进行了气候适宜性区划；针对广西早晚水稻低温冷害和秋季寒露风冷害等灾害，何燕等［9-12］采用GIS 进行了气候灾害风险区划研究；金志凤等［13，14］基于GIS 利用气候、土壤和地形等关键因子对浙江省茶树和杨梅栽培进行了气候适宜性区划；针对广西龙眼和宁夏枸杞，苏永秀等［15］和苏占胜等［16］分别运用GIS 进行气候适宜性区划。

本研究利用沙湾县1961—2018年的气候资料数据，通过ArcGIS 和回归分析等对辣椒种植范围进行精细化气候区划研究，对沙湾县辣椒生产合理利用气候资源和优化生产布局具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域及数据来源

1.1.1 研究区域 沙湾县位于天山中段北麓，准噶尔盆地南缘，地处北纬43°29'—45°20'，东经84°57'—86°09'。东距新疆首府乌鲁木齐市185 km，东接兵团第一师石河子市、玛纳斯县；南依和静县、尼勒克县；西邻奎屯市、乌苏市、独山子区；北连克拉玛依市和布克赛尔蒙古自治县。南北长227 km，东西最大宽度达48 km，总面积为13 100 km2（图1）。

图1 沙湾县高程

1.1.2 数据来源 气象资料为沙湾县和相邻县市15 个气象站1961—2018年的地面气象观测资料，包括7月平均气温、≥15 ℃积温、4—5月最低气温≤0 ℃天数、6—8月最高气温≥35 ℃天数等，由新疆气象信息中心提供。沙湾县辣椒气候区划指标来源于文献资料［8，17-19］。

地理信息资料采用新疆测绘地理信息局提供的1∶50 000 沙湾县基础地理背景数据，包含乡镇级、乡镇级以下行政点、公路、河流和数字高程模型（DEM）等。

1.2 研究方法

利用GIS 技术和细网格模拟分析方法［8］，建立区划指标因子的空间模拟分析模型，并对其残差部分进行空间内插订正，按照灾害风险等级指标，利用IDW 插值得到辣椒灾害风险区划，最后将气候资源分布与灾害风险等级先进行重分类，分为1、2、3、4共4 个等级，再运用模糊叠加法进行叠加分析，将沙湾县辣椒种植区域分为最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区。

模糊数学法［9］是进行事物分类研究的常用方法，也是农业气候区划工作中的常用方法，对7月平均气温、≥15 ℃积温、4—5月最低气温≤0 ℃天数、6—8月最高气温≥35 ℃天数等指标因子构建模糊隶属度函数。

2 沙湾县辣椒气候资源评价

2.1 光能资源

光照是辣椒生长发育的重要因素。植株同化作用、营养生殖、花芽分化、开花结果、果实膨大等都要依靠光合作用，辣椒全生育期需日照时数为1 600 h以上。沙湾县辣椒开花、结果、果实膨大期日照时数每日为10～11 h，4—9月日照百分率为66%～75%，5—8月每月日照均达300 h 以上，沙湾县年日照时数可达2 200～3 200 h（图2），光照条件完全满足辣椒生长发育的需要。

图2 1961—2018年沙湾县年日照时数变化趋势

2.2 热量资源

由表1 可知，在不同生长发育时期，辣椒生长发育对温度的要求不同，避免遭受高温日晒、低温冷害，种子发芽的适宜温度为25～30 ℃［17］，气温<15 ℃时茎叶生长减缓，>35 ℃时幼芽生长受抑制，最低气温低于0 ℃时幼芽停止生长；幼苗期适宜温度为20～26 ℃，若气温>26 ℃，幼苗生长迅速，易出现徒长，不利于培育壮苗，<15 ℃影响幼苗生长。苗期对霜冻很敏感，若遇低于0 ℃的温度使幼苗受到危害。开花坐果期是辣椒生长发育和产量形成的关键时期，对温度变化比较敏感，适宜温度为17～23 ℃，若<15 ℃，难授粉，易落花、落果；>35 ℃时，不利于花器官的正常发育。盛果期适宜温度为15～23 ℃，>35 ℃易造成果实灼伤，气温低于15 ℃时，影响果实膨大，<8 ℃时果实停止膨大。沙湾县辣椒在产量和品质形成期的7—8月，平均温度为23.0～26.3 ℃，日较差大，有利于提高辣椒产量和品质。辣椒从4月中旬终霜期结束后，日平均气温升到12～14 ℃，5 cm 地温稳定在13 ℃以上时，开始移栽定植，至10月中旬初霜期来临之前完全成熟，辣椒全生育期需≥10 ℃的积温为3 400～3 800（℃·d），≥15 ℃的积温为3 000～3 400（℃·d）。

表1 辣椒生育期有利与不利的热量指标

2.3 水分条件

辣椒根系较弱，对水分反应比较敏感，从播种到收获，整个生育期需水量为600～900 mm［19］。辣椒苗期需水量较少，为生育期总需水量的8%～10%，幼苗期土壤湿度过大易引起病害；开花坐果期是营养生长和生殖生长并进的旺盛期，是干物质积累最多的时期，期间需水量为生育期总需水量的47%～68%，果实成熟期已进入秋季，气温降低，发育期相对稳定，需水量减少，占总需水量的10%左右。沙湾县境内水源丰富，正常年份能满足辣椒需水要求［19］。

3 沙湾县辣椒气候区划

3.1 灾害风险等级区划指标确定

沙湾县春季低温、霜冻以及夏季高温是影响辣椒产量和品质的主要限制因子，所以，以最低气温小于0 ℃的持续日数、≥35 ℃高温日数来描述其影响，对低温危害过程的影响，则需考虑低温的累积效应。根据灾情资料统计，如沙湾县2003年4月15—19日，低温持续5 d；2008年4月18—21日，低温持续4 d；2010年4月10—14日，低温持续5 d，导致辣椒苗期严重受害。≥35 ℃高温日数出现在辣椒开花坐果期及盛果期的6—8月，此期间连续3 d 以上的高温会灼伤果实，导致落花落果，如2005年7月8—13日持续出现5 d≥35 ℃高温，最高气温达40.0 ℃，2008年7月12—16日持续出现5 d≥35 ℃高温，最高气温达36.5 ℃，严重影响辣椒开花坐果。因此，选择4—5月最低气温≤0 ℃天数和6—8月最高气温≥35 ℃天数作为辣椒灾害风险区划指标（表2）。

表2 灾害风险等级区划指标

3.2 沙湾县辣椒精细化气候区划

沙湾县地形地貌复杂，南北纬度跨度大，经度、纬度、地形、地貌、地势等地理环境及下垫面特性明显不同，导致当地气候差异十分明显。因此，为了客观描述辣椒种植布局气候区划指标因子在沙湾县的实际分布情况，应用GIS 技术和数理统计方法建立基于地理信息的气候区划指标因子的空间分析模型。

式中，y为区划指标；φ、λ、h分别代表纬度、经度、海拔高度；函数f（φ，λ，h）称为区划指标的气候学方程；ε为残差项，称为综合地理残差，可认为φ、λ、h所拟合的气候学方程如下所示。

在本研究中，函数f采用简单多元线性回归模型。利用沙湾县各个气象站点的气候观测资料数据及对应站点的气候观测资料数据和经度、纬度、海拔高度等地理信息数据，应用数理统计中的回归分析方法，将经度、纬度、海拔高度等地理因子作为自变量，把4—5月最低气温≤0 ℃天数和6—8月最高气温≥35 ℃天数2 个影响辣椒种植布局的主要气候要素分布作为因变量，建立对应的气候区划指标因子的空间模拟推算模型，

绘制辣椒种植布局2 项气候区划因子分布图，通过GIS 模糊叠加法进行模糊叠加，制作沙湾县辣椒种植布局精细化气候区划（图3）。

图3 沙湾县辣椒种植气候区划

4 小结与讨论

1）最适宜区。最适宜种植区主要分布在沙湾县铁路和乌奎高速公里两侧，包括沙湾县以南二道湾村、三道湾村，铁路以北金沟河镇、乌兰乌苏镇、农八师143 团广大区域。该区≥10 ℃积温为3 600～3 800（℃·d），≥15 ℃积温为3 000～3 200（℃·d），7月平均气温为25～26 ℃，热量资源丰富，较好地满足了辣椒整个生长期对温度的需求，4—5月最低气温≤0 ℃天数小于3 d，6—8月≥35 ℃天数小于15 d，辣椒春季受低温危害程度较轻，夏季受高温影响也轻。该区域是沙湾县辣椒的重点发展区域，可充分利用气候资源，选用优良品种，提高该区域辣椒种植的经济效益。

2）适宜区。适宜种植区主要分布在乌奎高速公路以南少部分区域和中部偏北大部分地区，包括安集海镇、三道河子镇、大泉乡、142 团、144 团、133 团、石南农场。该区≥10 ℃积温为3 400～3 600（℃·d），≥15 ℃积温为3 000～3 400（℃·d），7月平均气温为24～25 ℃，热量条件基本能满足辣椒的生长，春季最低气温≤0 ℃天数小于5 d，辣椒苗期受低温危害影响程度相对较轻，不会对辣椒生长产生较大影响，开花坐果期≥35 ℃天数小于20 d。该区域可充分利用气候资源，选用优良品种为打造辣椒品牌创造良好条件。

3）次适宜区。次适宜种植区分为两部分，第一部分主要分布在北部地区，包括四道河子镇、老沙湾镇、柳毛湾镇、商户地乡、141 团、122 团。该区≥15 ℃积温为3 400～3 600（℃·d），夏季高温天气多，辣椒盛果期≥35 ℃天数大于20 d，影响辣椒坐果率；第二部分主要分布在南部狭长区域，本区热量条件略显不足，春季霜冻较重。该区不适宜大面积发展辣椒生产，应选取耐寒品种，以提高种植效率。

4）不适宜区。不适宜种植区也分为两部分，一部分主要分布在北部沙漠地区。该区≥15 ℃积温在3 600（℃·d）以上，7月气温在26 ℃以上，高温天气多，≥35 ℃天数在25 d 以上，不利于辣椒种植；第二部分主要分布在南部低山和中高山区域，≥15 ℃积温<2 800（℃·d），7月平均气温<23 ℃，该区域热量条件较差，不能满足辣椒整个生长期的热量需要。春季最低气温<0 ℃的天数在7 d 以上，辣椒苗期冻害严重，应避免在该区域种植辣椒。气候环境条件在影响辣椒生长发育和产量的所有因素中始终是最重要的因素。

本研究以影响辣椒生长发育和产量的主要关键气候要素为区划指标，实际上除了气候因素以外，在实际生产过程中辣椒种植还受土壤类型、种植模式和管理措施等其他因素的影响。目前的辣椒精细化区划研究中主要考虑气候条件，还没有把土壤现状、土地利用状况等其他环境条件信息综合考虑进去。除了受气候、土壤等生态条件影响外，还受地形地貌、水域、山体、城市居民用地等多种条件的制约，并非气候条件适宜种植的地方就可用于辣椒生产。因此，研究辣椒等农作物精细化气候区划时，结合当地实际情况，在充分运用GIS 基础上，还应综合考虑气候条件、土壤类型、土壤肥力、土地利用规划状况等方面的精细化区划综合信息，开展农作物种植布局的综合区划研究，区划结果将会更加深化、细化，更为客观、准确和综合实用。关于这些方面的综合研究有待今后进一步探讨和不断完善。