玛纳斯河流域棉花的分布适宜性及其对未来气候变化的响应

何 颖, 马松梅, 杨明凤, 马 新, 聂迎彬

(1.石河子大学理学院, 新疆 石河子 832000; 2. 乌兰乌苏农业气象试验站, 新疆 石河子 832000; 3. 兵团种子管理总站,乌鲁木齐 830000; 4. 新疆农垦科学院作物研究所, 新疆 石河子 832000)

【研究意义】全球气候变化已经对自然与农业生态系统产生广泛影响，且可能改变生态系统的结构和功能[1-2]。IPCC指出，农业生态系统对气候变化非常敏感，气候变化将增加农业生产不稳定性、改变农业种植结构和布局、加剧农业气象灾害[3]。遵循农作物生长生理特点、改变种植结构、调整种植方式，是农业生产适应气候变化的重要手段，也是人类积极响应全球变暖的具体表现。棉花是关系国计民生的战略物资，也是我国重要的经济作物之一，安全稳定的棉花生产是确保国民经济持续健康发展的基础。相关研究表明，气候变化过程中西北地区增温趋势高于全国平均水平，气候变暖可能使棉花生育期缩短、籽棉产量减少，也可能使蒸散发强度和灌溉用水量增加，进而可能增加新疆棉花可持续生产的风险[4]。玛纳斯河流域是新疆主要的棉区之一，因此研究玛纳斯河流域光热条件对棉花的生长发育和高产具有极其重要的指导意义。【前人研究进展】学者们围绕农作物适宜种植区与气候变化的响应开展了相关研究：严志丹等[5]基于气候资料和DTOPSIS法分析塔里木河流域棉花种植适宜性区划；陈彦等[6]基于GIS技术和小网格推算模型分析福州市马铃薯种植的气候适宜性区划；李景林等[7]基于线性趋势分析北疆1961—2012年棉花种植的气候适宜分区及面积变化。上述研究定量分析了我国不同地区作物种植区的气候适宜性，对于科学规划农业种植生产具有重要指导意义。另外，近些年，在气候变化背景下，基于物种分布模型方法对我国农作物分布适宜性模拟预测研究为我国农作物的种植与科学布局提供了数据支撑。其中，最大熵(MaxEnt)模型是目前使用范围最广、精准度较高的建模方法之一，其采用机器学习算法，相对其他物种分布模型，该方法已经被许多研究证实具有准确性高、运算速度快、操作方法简单等优点[8-9]。近年来，MaxEnt模型广泛用于我国农作物适宜分布的模拟研究，主要体现在对我国粮食作物小麦、玉米、马铃薯和水稻等[10-12]，以及对我国杂粮作物裸燕麦和谷子进行种植气候适宜性的评价方面，研究均表明MaxEnt模型具有较好的模拟效果[13-14]。新疆是全国最大的商品棉生产基地，棉花的种植面积、调出量及总产量连续多年全国第一[15-16]。近年来，新疆棉花生产在中国的主产区地位进一步加强。玛纳斯河流域是新疆最大的绿洲农耕区，同时也是我国第四大灌溉农业区以及全国作物高产区，是中国著名的棉花和粮食产地[17]，行政区域包括石河子市、沙湾县和玛纳斯县，以及新疆生产建设兵团第六师和第八师农牧团场，属于典型的干旱与半干旱区山地-绿洲-荒漠生态系统，生态环境脆弱敏感。近几十年，玛纳斯河流域棉花的播种面积占农作物播种总面积的80%以上，产量占新疆棉花总产量的20%左右[18]。【本研究切入点】玛纳斯河流域棉花适宜分布的范围、适宜性分布等级如何？未来气候情景下，流域棉花适宜分布的变化趋势如何？哪些环境因子主要影响了流域棉花的分布适宜性？这一系列问题成为了解玛纳斯河流域棉花种植适宜性及其环境影响因素的瓶颈。【拟解决的关键问题】本研究基于玛纳斯河流域的棉花种植记录及流域的环境数据资料，利用R软件Hmisc程序包、GIS技术和MaxEnt模型开展玛纳斯河流域棉花分布适宜性模拟与预测研究。旨在达到以下目标：①玛纳斯河流域棉花的适宜分布范围、分布面积及其空间适宜性特征；②影响玛纳斯河流域棉花分布适宜性的关键环境因子及其数值范围；③玛纳斯河流域棉花的适宜分布对未来气候变化的响应。本研究在气候变化情景下，定量开展干旱区流域棉花的分布适宜性评价，是发挥区域自然环境资源优势、挖掘耕地潜力、实现流域棉花种植区域和规模科学调整的重要途径。

1 材料与方法

1.1 分布数据来源与处理

玛纳斯河流域棉花种植数据来源于1992—2018年《新疆统计年鉴》、2013—2020年《石河子统计年鉴》，并参考相关文献[16,19-23]，共获得85条棉花的种植记录。首先，通过BIGMAP地图下载器和新疆地名录确定详细地理坐标，然后利用R软件Hmisc程序包进一步剔除重复和模糊的分布点，并利用GIS分布点制图以及与研究区遥感影像叠合分析，进一步矫正分布点偏差，最终获得61条准确有效的种植记录用于模型的模拟。

1.2 环境数据来源与处理

本研究选取7类环境数据，包括环境能量(1970—2000年，空间分辨率30 s，WorldClim)：潜在蒸散量、年均温、平均气温日较差、最暖月最高温、最冷月最低温、最干季平均气温、最低气温、平均气温；逐月气候(1970—2000年，空间分辨率30 s，WorldClim)：最高气温、降水、太阳辐射、风速、水蒸气压、温度季节性变化标准差；气候季节性(1970—2000年，空间分辨率30 s，WorldClim)：温度年较差、降雨量季节性变异系数、年平均降雨量、最湿月降雨量；水分可获得性(1970—2000年，空间分辨率30 s，WorldClim)：最干月降雨量、干旱指数、实际蒸散量；土壤(1971—1981年，空间分辨率约5 km，SRIC-World土壤信息数据库)：土壤酸碱度、阳离子交换量、土壤有机碳含量；历史气候变化(1970—2000年，空间分辨率约5 km，WorldClim)：历史温度变化、历史降雨变化；人类活动(2000年，SEDAC-社会经济数据应用中心)：人类影响因子、人类足迹指数，共28个环境因子，所有环境因子的空间分辨率重采样约为1 km，对基准气候下玛纳斯河流域棉花的适宜分布进行模拟分析。未来气候:选取2040时段MIROC全球气候模型数据。共享社会经济路径(Shared socio-economic pathways，SSPs)是IPCC描述未来不同社会经济状况假设驱动下的新一代排放情景，本研究选择SSP3代表的温室气体排放中间路径。研究区行政区划底图来源于国家基础地理信息系统网站。

构建模型前，考虑到环境因子间的空间自相关性对模型模拟的影响，利用R软件Hmisc程序包中的cor函数对环境因子进行Pearson相关性分析[24]，剔除相关性高(大于80%)的变量，最终获得8个环境因子(图1)：平均气温日较差(Bio2)、土壤酸碱度(pH)、太阳辐射(Srad)、最干月降雨量(Bio14)、阳离子交换量(CEC)、最干季平均气温(Bio9)、最冷月最低温(Bio6)、土壤有机碳含量(Soc)。

图1 R软件筛选后用于玛纳斯河流域棉花分布适宜性模拟的环境因子相关性Fig.1 The correlation of environmental factors screened by R software used in simulation of cotton distribution suitability in Manas River basin

1.3 模型构建及环境因子分析

利用最大熵模型MaxEnt 3.4.1对玛纳斯河流域棉花的适宜性分布进行预测。随机选取75%的样点数据作为训练模型，剩余25%的样点数据用于验证模型，设置10次重复。采用AUC值评价模型预测的准确性，AUC取值范围为[0,1]，值为0.8～0.9，表示模型模拟精度较高；值为0.9～1.0，表示模型模拟精度极高[22]。

未来气候情景仅有WorldClim数据库提供的气候数据，考虑到模型模拟时需要不同时段的环境因子相对应，本研究假设筛选的环境因子(土壤酸碱度、太阳辐射、阳离子交换量和土壤有机碳含量)在未来气候时段不变，利用8个环境因子进行2040时段流域棉花的适宜分布区预测。为方便模型模拟结果的可视化，利用GIS自然断点法将模型模拟结果划分为高度适生区、中度适生区、低度适生区及不适生区。

基于MaxEnt模型生成的环境因子贡献率和置换重要值分析各环境因子对模型模拟的贡献；利用刀切法(Jackknife)分析各环境因子在建立模型时的重要性，并量化分析环境因子的生态位参数。

2 结果与分析

2.1 玛纳斯河流域棉花的分布适宜性分析

基准气候及2040时段，最大熵模型的AUC均值分别为0.928和0.904，且模型模拟的适宜区与流域棉花的种植记录具有较好的吻合(图 2)，表明模型模拟精度较高，模拟效果较好。基准气候下，流域棉花的高度、中度和低度适宜分布区分别占流域总面积的9.64%、12.19%和16.80%，主要集中于流域44°～45°N的中部绿洲区(图2)。其中，棉花的高度适生区主要分布于沙湾县121团、132团、133团、141团和144团，玛纳斯县149团、150团以及夹河子水库和跃进水库，石河子市北部、石总场以及和布克赛尔蒙古自治县西部。中度适生区表现出依附高度适生区周围分布的特点，集中分布于沙湾县绿洲区南缘及西北部，玛纳斯县的147团、148团和克拉玛依市东北部。低度适生区主要分布于绿洲区南部，玛纳斯县莫索湾西南部和布克赛尔蒙古自治县的高度破碎化斑块。

图2 玛纳斯河流域基于MaxEnt模型的基准气候下的棉花适宜分布Fig.2 Suitable distribution of cotton simulated by MaxEnt model in reference climate in Manas River basin

从流域行政区划看，沙湾县棉花的高度、中度、低度适宜分布区面积占比最大，分别占流域总面积的57.09%、40.17%和34.94%；其次为玛纳斯县，分别占流域总面积的21.04%、27.32%和24.21%；随后为和布克赛尔蒙古自治县，占比分别为8.01%、20.45%和27.76%(表1)。

表1 基准气候和2040时段玛纳斯河流域行政区的棉花适宜分布区面积及其占比

2.2 影响玛纳斯河流域棉花适宜分布区分布的主导环境因素分析

MaxEnt模型的模拟结果显示，用于模型模拟的8个因子中，平均气温日较差、土壤酸碱度、太阳辐射对流域棉花适宜分布影响较大，累积贡献率达74.4%(表2)。置换重要性值的结果表明，模拟模型对平均气温日较差(39.6%)的依赖性最强(表2)。正规化训练增益、测试增益及受试者工作特征曲线下面积的检验结果也表明，平均气温日较差、土壤酸碱度、太阳辐射的贡献率较高，对模型的模拟结果影响较大(图3)。

表2 最大熵模型模拟的环境因子贡献率、置换重要性值和适宜分布区环境因子的数值范围

图3 用于MaxEnt模型模拟的8个环境因子的刀切法检验Fig.3 Jackknife test for 8 environmental factors simulated by the MaxEnt model

2.3 未来气候变化对玛纳斯河流域棉花适宜分布的影响

2040时段，玛纳斯河流域棉花的适宜分布区共占流域总面积的37.13%，高度、中度和低度适宜分布区占流域面积的8.42%、13.12%和15.59%。与基准气候相比，2040时段流域棉花的适宜分布呈明显的破碎化减少和破碎化增加趋势，且新增和减少的适宜分布总体呈相间分布的特点，但增减抵消后，流域棉花适宜区减少面积占流域总面积的1.5%，向沙湾县绿洲区南部与西北部、玛纳斯县绿洲区南缘、奎屯市绿洲区南缘和克拉玛依市东北部缩减(图4)。

图4 玛纳斯河流域2040时段棉花适宜分布及其与基准气候相比的变化Fig.4 Suitable distribution of cotton in Manas River basin during 2040 compared with reference climate

3 讨 论

3.1 玛纳斯河流域棉花的适宜分布及其环境驱动机制分析

目前，农作物的种植适宜性方面的研究大多仅考虑气候要素[25]，从环境能量、逐月气候、气候季节性、水分可获得性、土壤、人为活动、历史气候变化要素进行较全面考虑的研究较少。本研究利用最大熵模型模拟玛纳斯河流域棉花的适宜分布，从7类环境因子入手，包含绝大多数主导因子的综合影响，模型模拟结果较准确(AUC>0.9)，且较精细化地模拟流域棉花的适宜分布范围与空间适宜性特征，量化分析干旱区流域棉花分布的环境适宜性。根据新疆棉花种植分区的气候指标，结合研究区≥10 ℃积温、≥20 ℃积温、7月平均气温≥24 ℃数据进行分析[26]，本研究中模型模拟的高度和中度适宜分布区均为宜棉区和次宜棉区，而模型识别的低度适宜区范围被划分为高风险棉区，说明模型模拟结果合理，建议降低流域风险棉区和低度适宜区的棉花种植面积。因此，本研究结果可为干旱区流域棉花的区域布局调整提供科学依据。

MaxEnt模型识别的棉花适宜分布区主要集中于流域44°～45°N的中部绿洲区，包括沙湾县中部，玛纳斯县44°N以北，石河子市北部、石总场，奎屯市南部及克拉玛依市东北部，这些区域都是流域年均温相对较高的地区，这也与棉花喜温、喜光照习性相符。本研究模拟的棉花高度适生区范围与流域绿洲棉花的种植区也具有较高的吻合，模型识别到流域棉花的高度适宜分布区一半以上集中于沙湾县中部，玛纳斯县149团、150团、夹河子水库和跃进水库。本研究所用的83%已知分布记录也来源于沙湾县和玛纳斯县的团场，尤其是121团、132团、147团和149团。相关研究也指出，北疆棉区的棉花种植集中在昌吉州玛纳斯县和塔城地区沙湾县，面积约占全疆的30%，且该地州棉花产量位居北疆第一[27]。另外，棉花在石河子市中部和北部存在高度适宜分布区，棉花在这些区域的种植也较集中。然而，流域也有部分棉花种植区位于模型识别的低度适生区，如玛纳斯县绿洲区142团以南和石河子市152团。棉花生产是自然环境与人文社会经济的有机结合，不仅受温度、降水、日照时间、土壤等自然因素的制约，同时也会受机械化技术、种植技术、土地利用、人口迁移、市场经济水平及农业政策等因素的影响[28]。由于棉花较高的经济价值，以及人们对其需求量的增加，近年来在玛纳斯县绿洲区西南部、乌苏市北部的种植范围扩大，但从气候适宜性角度分析，这些区域并不是较适宜棉花种植的区域，而气候的适宜性降低可能导致农作物的产量下降。

本研究从多角度定量分析平均气温日较差、土壤酸碱度、太阳辐射对流域棉花适宜性分布的影响。其中，平均气温日较差对流域棉花分布的影响最大，累计贡献率为33.9%，相关研究也表明新疆棉花生育期受温度的影响较明显[24]。在春播阶段，气温的快速回升且持续稳定，有利于棉花播种期提前，棉花生育进程缩短。新疆棉花种植区采用地膜提高种植区温度，缩小昼夜温差，从侧面印证了平均气温日较差对棉花种植的影响。另外，本研究结果显示，土壤酸碱度对流域棉花的分布范围也存在较高限制，流域棉花适宜分布区的土壤酸碱度呈中性。棉田土壤的理化性质、生物属性很大程度上制约着棉花的产量和品质。近50年西北地区增温趋势高于全国平均水平[4]，气候变暖可能使棉花生育期缩短、籽棉产量减少，也可能使蒸散发强度和灌溉用水量增加，从而增加新疆棉花可持续生产的风险。

3.2 未来气候变化对玛纳斯河流域棉花分布的影响

考虑未来气候变化情景，本研究基于干旱区流域现有的棉花种植记录，预测了2040时段玛纳斯河流域的棉花适生区的分布范围变化，未来气候下流域棉花的适宜分布区范围在整个绿洲区呈显著破碎化减少和破碎化增加相间分布，尤其是绿洲区东南部、西北部以破碎化减少为主，而绿洲区东北部和南部以破碎化增加为主，说明流域棉花的分布适宜性对未来气候变化响应灵敏。2040时段，流域棉花的适宜分布区总体呈略微减少趋势，减少的分布区集中于沙湾县绿洲区南部与西北部、玛纳斯县绿洲区南缘、奎屯市绿洲区南缘和克拉玛依市东北部。相关研究也表明，随着全球气候变暖，新疆气候呈显著暖干化的变化趋势，新疆地区无霜期有不同程度的延长，尤其是2000年之后变化趋势更为显著，但是新疆主要为灌溉农业，可能将造成未来玛纳斯河流域棉花种植的不稳定性增加，不利于流域棉花种植区域的扩大[29]。而且，气候变化对棉花生产的影响具有两面性，一方面，气候变暖可能会增加棉花生育期极端高温频率的发生，导致棉花生长季蒸散发和耗水量增加，棉花生产中的水资源短缺加剧从而对棉花可持续生产造成不利影响[30]；另一方面，气候变暖会降低棉花生育期极端低温频率的发生、减少低温延迟冷害[31]，这些因素都有利于棉花的生产。

未来气候变化可能使高纬度地区热量资源得到改善，喜温作物的种植界限将北移，促使作物种植结构和品种布局的科学调整。例如，我国春玉米潜在种植北界呈波动式北移，最大上升1.4个纬度[11]。温度是影响作物生长、产量和发育速度的最重要气象因子，对棉花产量和纤维品质等都具有重要的影响。IPCC[32]第六次评估报告显示，近60年来，我国平均地表温度每10年平均上升0.23 ℃，本世纪末将上升1.3～5.0 ℃，而且随着气温上升，高温出现的频率将更高，时间也会更长，这将对农业生产带来一定风险。因此，利用模型预测干旱区流域棉花在气候变化下的潜在分布范围变化，可为实现新疆棉花种植结构和品种布局调整及可持续生产提供科学参考。

4 结 论

本研究从基准气候和2040时段，对玛纳斯河流域棉花的适宜分布范围、分布面积及其空间适宜性特征进行分析，明确了影响棉花适宜性分布的主要环境因子，揭示了玛纳斯河流域棉花的适宜分布对未来气候变化的响应。其中，棉花适宜分布区主要集中在流域44°～45°N的中部绿洲区；平均气温日较差、土壤酸碱度和太阳辐射的累积贡献率达74.4%，是影响棉花适宜分布的主要环境因子；2040时段，玛纳斯河流域棉花的适宜分布范围总体呈减少趋势，且沙湾县、玛纳斯县、奎屯市和克拉玛依市减少明显。另外，新疆棉花处于我国重要的战略资源，开展新疆棉花的适宜分布对未来气候变化的响应方面的重点研究具有重大意义。