基于GIS 的新疆呼图壁县棉花精细化气候区划

王雪姣，阿帕尔·肉孜，徐志峰，樊 荣，王向峰，王 森，张山清*

（1.新疆兴农网信息中心/新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐 831000；2.昌吉州气象局，新疆 昌吉 831100；3.呼图壁县气象局，新疆 呼图壁 831000）

新疆位于中纬度地区亚欧腹地，是我国典型的内陆干旱、半干旱气候区，社会经济发展滞后、自然生态环境脆弱。20 世纪90 年代以来，新疆气候“增暖增湿”特征显著，极端天气气候事件增多，已对区域经济社会可持续发展、生态环境等敏感领域产生了重大影响[1]。新疆是全国棉花种植面积最大的优质棉生产基地，2022 年棉花种植规模达249.7 万hm2，占全国种植面积的83.2%，总产量539.1 万t，占全国的比重达到90.2%。多名学者研究表明，气候变暖使得北疆棉花种植热量条件增加，棉花宜植区显著扩大[2-6]。王雪姣等[2]对新疆棉花物候、产量和品质的气候响应研究表明，气候变暖将使新疆棉区棉花生长发育速率加快，生育期提前，停止生长时间推迟，有利于干物质积累和产量提高。普宗朝等[3]对乌昌地区棉花种植区划的研究表明，乌昌地区宜棉区明显扩大，次宜棉区、风险棉区和不宜棉区缩小。胡莉婷等[6]对新疆不同熟性棉花种植区划的研究表明，中熟、早中熟棉区的种植面积增加，特早熟棉区和不适宜区均减少，早熟棉区面积变化不明显。

目前，呼图壁县主要种植小麦、棉花、玉米、甜菜、番茄、辣椒等多种农作物，而棉花是呼图壁县的主要经济作物，近20 年，新疆现代智慧种植技术管理水平不断提高，国家三农政策关注扶持力度加大，推动了呼图壁县棉花产业的飞快发展。2003 年呼图壁县棉花面积为1.85 万hm2，2013 年增加到3.53 万hm2，2020 年棉花面积为5.33 万hm2。当前，由于植棉面积增长速度过快，导致植棉范围不断扩大外延，将会超出次宜棉区或风险棉区，同时受气候环境和地理位置的制约，植棉保证系数不高，从而导致棉花产量低、品质差，效益低[6-7]。由于气候变暖和影响棉花种植气候环境不断变化，各棉区气候环境发生了较明显的变化，对棉花生产布局产生了有利或不利的影响。因此，从合理开发和高效利用气候资源角度出发，制作呼图壁县棉区精细化气候区划，对充分利用当地气候资源、调整优化作物种植布局，推动呼图壁县农业稳定发展、农民持续增收和乡村振兴战略实施具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域和数据来源

呼图壁县隶属新疆昌吉回族自治州，地处欧亚大陆腹地，总面积9 518 km2。呼图壁河和雀尔沟河（又名军塘湖河、土古里克河，红山河）纵贯县境。全境呈现山地、平原、沙漠等地貌形态，南部山地最高海拔为5 290 m，北部沙漠最低海拔为360 m，全境高差为4 930 m。地势南高北低，南部为高山、丘陵，中部为冲积平原，北部为沙漠。海拔高度相差较大，南北气候差异明显，属温带大陆性干旱半干旱气候，全年日照时数3 000 h 以上，年均降水量约为190 mm，无霜期约为180 d，7 月平均气温为25.5 ℃，年较差为41.9 ℃，≥10 ℃积温稳定在3 600 ℃·d 以上，≥20 ℃积温在2 000 ℃·d 以上，≥15 ℃的持续日数在133 d以上。

本文采用的气象资料主要是新疆气象信息中心提供的呼图壁县、乌苏、炮台、沙湾、乌兰乌苏、莫索湾、石河子、玛纳斯、米泉、蔡家湖、昌吉、小渠子、大西沟、阜康、乌鲁木齐等15 个气象站1980—2020 年的地面气象观测资料，观测资料包括逐日气温、日照、降水和初终霜期等。棉花气候区划指标来源于文献资料和前人研究成果、田间观测记录等。地理信息数据由新疆测绘地理信息局提供。

1.2 区划指标和研究方法

1.2.1 棉花区划指标确定

棉花是喜温作物，从播种到收获各个生育期对温度需求不同，日平均气温稳定≥10 ℃是棉花适宜播种的温度指标。苗期的适宜温度为20～30 ℃，在该范围内，温度适当偏高，可促进棉苗早发、形成壮苗。现蕾到开花期的适宜温度约为25 ℃，该时期温度为23～25 ℃，较适宜。花铃期是棉花整个生长发育最繁茂的时期，主要是由营养生长阶段逐渐转变到生殖生长阶段，该阶段的适宜温度为25～30 ℃，呼图壁棉区棉花花铃期的前期（7 月中旬—8 月上旬）平均气温约为25 ℃，较适宜，但花铃期的中后期（8月中旬以后）平均气温均在24 ℃以下，并且9 月上旬平均气温降至20 ℃以下，10 月上中旬出现霜冻，夏末秋初气温下降快，导致棉花花铃期较短、热量不足，是影响呼图壁县棉花高产的主要气候成因[6-8]。

呼图壁县光照比较充足，境内呼图壁河和雀尔沟河纵贯县境，灌溉水资源供应稳定可靠，因此，热量资源依然是呼图壁县棉花生产和种植区划的主要气候因素，热量资源的多少直接关系棉花产量和品质，而热量资源的多少主要由地理位置、地势地形所决定，呼图壁县南北高程分布差异很大。因此，本区划主要以热量资源的多少来划分棉区。棉花生长发育要求的热量指标主要是≥10 ℃的积温。结合前人研究成果，仅用积温还不能完全代表棉花对热量条件的需求，还应考虑最热月平均气温（7 月），最热月往往是棉花生长发育最旺盛的花铃阶段，此阶段要求的适宜温度≥25 ℃。

若某区域≥10 ℃积温和7 月平均气温的要求都已满足，还需看无霜冻期的长短，因为棉花苗期和吐絮期遭遇霜冻，日最低气温< 0 ℃时，气温越低，棉苗和棉桃受到伤害越重，可致棉株终止生长。因此，无霜冻期也是棉花种植区划中的一个重要因子，在≥l0 ℃积温、7 月平均气温类似的地域，无霜期越长，对植棉越有利；无霜期越短，棉花种植风险越大。结合前人考察、研究结果和田间观测资料，本文将≥10 ℃积温、7 月平均气温和无霜期作为呼图壁县棉花精细化气候区划的区划指标[8-13]，≥15 ℃日数和≥20 ℃的积温作为辅助指标考虑，棉花气候区划指标见表1。

表1 棉花气候区划指标

1.2.2 空间插值方法

依托Arcgis 软件平台的空间分析技术[14]，通过重新采样将1:50 000 的数字高程数据推算出100 m×100 m 分辨率的数字高程，构建气候要素与地理因子（经度、纬度和海拔高度）的细网格推导模型，再利用反距离加权空间内插（IDW）对实际值和模拟值的差异部分进行修正，得出各气候要素的空间分布，用以下模型表示区划指标与地理因子的关系：

式中：y 为气候区划指标；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 为差项，称为地理残差，气候学方程与地理因子所拟合的差值表示为：

1.2.3 区划指标权重的确定

本文使用Yaahp 软件的层次分析法[14-15]来获取棉花气候区划各个指标的权重系数。层次分析法（Analytic Hierarchy Process）是一种综合定性与定量分析的方法，能将定性因素量化，并通过数学表达来处理人的主观判断，一定程度上可减少主观因素，评估过程更加科学。

1.2.4 气象要素趋势分析方法

本文采用气候倾向率对呼图壁县积温、无霜期、7 月平均气温和4—10 月日照时数变化特征进行分析，具体方法见文献[9-10]。

2 结果与分析

2.1 光照资源

由图1d 可知，1980—2020 年呼图壁县4—10月日照时数以27.5 h/10 a 的速率减少（P<0.01），平均为2 077 h，最大值为2 235 h（2012 年），最小值为1 926 h（2003 年）。呼图壁县光能资源丰富，棉花生长季主要为4—10 月，生长季日照时数为1 900～2 200 h，太阳总辐射为3 700～4 000 MJ/m2，光合有效辐射为1 600～1 700 MJ/m2，均位居全疆乃至全国棉区前列，因此，光照条件总体能够满足棉花生长发育和产量形成的需求[3-4]。

图1 1980—2020 年≥10 ℃积温（a）、无霜期（b）、7 月平均气温（c）和4—10 月日照时数（d）变化特征

2.2 热量资源

由图2a 可知，呼图壁县7 月平均气温≥26 ℃的区域，海拔高度低于460 m，主要是北部古尔班通古特沙漠边广大区域（兵团农六师106 团场、芳草湖农场、111 团场、105 团场）；7 月平均气温为25～26 ℃的区域，海拔高度为450～700 m，主要是北部平原地带（呼图壁县、十里店镇、五工台镇、园户村镇等多个区域）；7 月平均气温为23～25 ℃的区域，海拔高度为700～1 000 m，主要是中部平原地带（独山子乡、石梯子乡等区域）；7 月平均气温为20～23 ℃的区域，海拔高度为900～1 100 m，主要是丘陵、低山地带，包括雀尔沟镇等；7 月平均气温为18～20 ℃的区域，海拔高度为1 000～1 400 m，主要是中低山地带（雀尔沟镇北部中山带）；7 月平均气温<18 ℃的区域，主要是南部海拔高度1 400 m 以上的中、高山地带，该区域地势较高且气温较低。由图2a、2b 可知，≥10 ℃积温、无霜期的空间分布情况与7 月平均气温类似。

图2 ≥10 ℃积温（a）、无霜期（b）和7 月平均气温（c）的空间分布特征

由图1a～1c 可知，1980—2020 年≥10 ℃积温以166.5 ℃·d /10 a 的速率显著增加（P<0.01），平均值为3 713 ℃·d，最大值为4 323 ℃·d（2012 年），最小值为2 964 ℃·d（1992 年）；无霜期天数以8.1 d/10 a的速率显著增加（P<0.01），平均值为183 d，最大值为215 d（2009 年），最小值为142 d（1993 年）；7 月平均气温以0.4 ℃/10 a 的速率显著增加（P<0.01），平均值为25.9 ℃，最大值为28.5 ℃（2017 年），最小值为23.1 ℃（2003 年）。

近40 年，呼图壁县终霜冻日、稳定≥10 ℃的初日明显提前，≥10 ℃的终日延迟，4 月中旬—7 月中旬气温明显升高，为棉花适期早播、高效利用热量资源提供了气候保障[5，15]。按播种期提前4～6 d，棉花出苗、三叶、现蕾和开花期也相应提前3～4 d，不仅可以充分利用适宜的气温条件，而且增加棉花生长过程中的≥10 ℃有效积温80～100 ℃·d，有效弥补中后期热量资源不足的问题。棉花结铃、裂铃和吐絮期阶段的时间越长，越多棉铃就会成熟、裂铃、吐絮，从而增加棉花产量[9]。气候变化对棉花发育期的影响表现为自播种至开花期多呈提早的趋势，而棉花裂铃之后的发育期则多呈推迟的趋势，从而致使棉花整个生育期延长，生长期的延长意味着能促进棉花多结铃和长大铃，为增产和稳产打下基础。另外还须重视并加强棉花中后期田间管理，适期控水、早打顶，防止后期棉株疯长和贪青晚熟，并预防阶段性低温冷害和高温热害，提高棉花产量。

2.3 棉花精细化气候区划

2.3.1 气候指标因子空间模拟推算模型

为进一步获取棉花各个气候指标因子的空间分布概况，本文通过空间插值方法构建了地理信息和区划指标相互耦合的数理统计空间模型（表2），并用此模型模拟呼图壁县全域气候指标的空间分布。

表2 棉花气候区划指标的空间推算模型

2.3.2 棉花精细化气候区划

由图3 可知，适宜棉区主要分布在呼图壁县海拔510 m 以下的北部平原地区，包括园户村镇、兵团农六师111 团、105 团、106 团，以及芳草湖农场的广大平原地区，面积为63 万hm2，占全县面积的59%。该区域热量资源非常充足，其中≥10 ℃积温在3 600 ℃·d 以上，7 月平均气温≥25 ℃，无霜期≥170 d，≥20 ℃积温在2 000 ℃·d 以上，≥15 ℃持续日数≥135 d，一般年份能保证获得80%以上的霜前花。

图3 呼图壁县棉花精细化气候区划

次宜棉区主要分布在海拔510～650 m 的乌奎高速公路附近地带，包括呼图壁镇、十里店镇、五工台镇和大丰镇南北两侧的平原地区，面积为6 万hm2，占全县面积的6%。次宜棉区内≥10 ℃积温为3 450～3 600 ℃·d，≥20 ℃积温为1 600～2 000 ℃·d，7 月平均气温为24～25 ℃，无霜期为160～170 d，≥15 ℃持续日数为125～135 d。

风险棉区主要分布在呼图壁县以南海拔650～850 m 的山前倾斜平原。以铁路为界，铁路南部风险棉区包括独山子乡、上三工村南部、二十里店村、龙王庙村、宁州户村、红山村南部部分在内。风险棉区≥10 ℃积温为3 200～3 450 ℃·d，≥20 ℃积温为1 400～1 600 ℃·d，7 月平均气温为23～24 ℃，无霜期为150～160 d，≥15 ℃持续日数为110～125 d。

不宜棉区主要分布在海拔850 m 以上区域。包括石梯子乡、雀尔沟镇以南中高山在内。不宜棉区≥10 ℃积温在3 200 ℃·d 以下，≥20 ℃积温在1 400 ℃·d 以下，7 月平均气温≤23 ℃，无霜期≤150 d，≥15 ℃持续日数≤110 d，霜前花在30%以下。

3 结论与讨论

通过统计回归和反距离权重（IDW）等方法对1980—2020 年呼图壁县≥10 ℃积温、无霜期、7 月平均气温、≥15 ℃持续日数、≥20 ℃积温等因子进行分析，结合前人研究成果，确定了棉花气候区划指标等级，得出呼图壁县棉花精细化气候适宜性区划，主要划分为宜棉区、次宜棉区、风险棉区和不宜棉区4 个分区。结果如下：

（1）宜棉区主要分布在呼图壁县海拔510 m 以下的北部平原地区，包括园户村镇、兵团农六师111团场、105 团场、106 团场、芳草湖农场的广大平原地区。宜棉区的北部为古尔班通古特沙漠，纬度高且海拔低，热量资源丰富，光照充足，气温较高，昼夜温差大，能满足中早熟陆地棉生长发育的需要，目前也是呼图壁县优质棉生产最佳区域，然而，本区域春季气温回升波动较大，若借助地膜棉栽培技术，可在一定程度上弥补春季积温不足。但是秋季降温波动大且速度较快，导致热量资源不足，仍是影响棉花产量和品质的主要因素。因此，充分利用热量资源是棉花种植栽培和管理措施的关键举措，同时要加强地膜植棉栽培技术和肥水、病虫害管理技术来确保4 月苗、5 月蕾、6 月花、7 月桃、8 月絮[9]。有研究表明，气候变暖使呼图壁县棉花播种期逐渐提早，棉花全生育期天数和产量增加明显，宜植棉的范围也随着积温不断增加而持续扩大[5]。新疆棉花种植主要是依靠地表水，尤其是荒漠地区，以灌溉为主，降水条件远远不能满足棉花生长。从气候角度分析，忽略水资源的因素，北部沙漠地区均属于适宜种植区。

（2）次适宜区主要分布在呼图壁县海拔510～650 m 的乌奎高速公路附近地带，包括呼图壁镇、十里店镇、五工台镇和大丰镇南北两侧的平原地区。该区热量资源较适宜棉区差，年际波动较大，皮棉单产较低。随着现代棉花栽培技术的完善和管理水平的提高，加之棉花补贴政策导向力度加大，尤其在气候条件较好的年份，大大地提高了次宜棉区农户的植棉积极性，棉花种植区域不断扩大。因此，次宜棉区植棉要选择早熟品种，地膜覆盖，结合近期天气预测预警，确保出苗早、现蕾早、结铃早、吐絮早。同时根据本地当年气候年景预测，及时调整种植布局，选用特早熟品种，严格控制植棉面积，促进棉花稳产、高产。

（3）风险棉区主要分布在呼图壁县海拔650～850 m 的山前倾斜平原。风险棉区气候变化剧烈，热量条件不稳定，至今约有一半年份南部风险棉区≥10 ℃积温<3 200 ℃，积温最多和最少年相差约为1 200 ℃。南部风险棉区无霜冻期较长，但积温波动很大。风险棉区的热量条件的限制因子主要是7 月平均气温。≥10 ℃的积温和无霜期较大的年份往往选择特早熟品种，而≥10 ℃的积温和无霜期较小的年份，植棉风险较大，产量不稳定，一般气候年景下，选用特早熟品种，产量和品质尚能保证[5，15]。因此，气候条件的优劣是决定该区域是否植棉的关键，风险棉区不应提倡植棉。

（4）不宜棉区主要分布在海拔850 m 以上区域，包括石梯子乡、雀尔沟镇以南中高山在内。

本文通过Arcgis 软件平台利用三维二次趋势面模拟与空间插值相结合等方法，获取分辨率为100 m×100 m 的气象因子栅格图层，通过了0.05 的显著性检验，精度基本满足县级气候区划需求。空间插值方法虽然在一定程度弥补站点稀少的不足，但是运用不同的插值方法得出的结果也不同，存在一定的误差，需要进一步深入研究。同时本文只是选择常规气象站资料，未来可以利用更多的气象数据，例如自动站气象资料，从而进一步提高空间分析模型的精度。无霜期延长和有效积温的增加，使新疆棉花种植品种的熟性发生了改变，现在各棉区都种植了比以前生育期更长、产量更高的棉花品种。研究中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，但实际上，新疆绿洲棉田棉花种植还受水资源、土壤类型、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，尤其应充分考虑水资源因素，而昌吉州水资源紧缺，地下水严重超采，来水量较少[16]，灌溉保证率低，故棉花种植适宜区若不能保证灌溉也不能种植。另外，虽然气候变暖导致新疆热量资源有所增加，植棉区范围扩大，但是气象灾害突发性、极端性愈加凸显，大风、冰雹、霜冻等自然灾害频发，对棉花生产安全威胁较大，故未来需探索将农业气象灾害影响因素引入气候适宜性区划指标中。因此，研究各类农作物精细化气候区划时，除了气候环境和地势地形以外，还应考虑品种熟性、水资源、土壤类型、农业气象灾害等多因素[17]。