基于GIS 的新疆沙灣辣椒精細(xì)化氣候區(qū)劃

王 森，井立軍，劉紀(jì)疆，李戰(zhàn)超，張山清

（1.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，烏魯木齊 830002；2.沙灣縣氣象局，新疆 沙灣 832100）

沙灣縣光熱資源豐富，有充足的水源保障。因此，沙灣縣盛產(chǎn)辣椒，其中，安集海鎮(zhèn)生產(chǎn)的辣椒品質(zhì)優(yōu)良，2000年被國(guó)家農(nóng)業(yè)部（現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部）授予“中國(guó)辣椒之鄉(xiāng)”的美譽(yù)，并于2004年順利通過(guò)自治區(qū)無(wú)公害農(nóng)產(chǎn)品辣椒的認(rèn)證。近年來(lái)，沙灣縣不斷加大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度，重點(diǎn)支持以辣椒為主的蔬菜產(chǎn)業(yè)，規(guī)模種植辣椒已成為沙灣縣特色農(nóng)業(yè)、高效農(nóng)業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)新疆統(tǒng)計(jì)年鑒可知，2017年沙灣縣辣椒產(chǎn)量為21.2 萬(wàn)t，種植面積為0.28 萬(wàn)hm2，但是，受氣候變暖的影響，適宜辣椒種植的氣候因子在改變，其區(qū)域氣候環(huán)境也發(fā)生了較明顯的變化，加之近年來(lái)極端災(zāi)害性天氣頻發(fā)，如春季低溫冷害、霜凍、大風(fēng)寒潮以及夏季高溫天氣給辣椒生產(chǎn)造成不同程度的危害，其中，2003年4月、2006年5月的持續(xù)4～5 d 的低溫冷害，2009年4月大風(fēng)寒潮天氣給沙灣縣辣椒造成不同程度的危害。因此，結(jié)合辣椒氣候適宜性指標(biāo)和地理?xiàng)l件等因子，利用Arc?GIS 軟件制作沙灣縣辣椒精細(xì)化種植氣候區(qū)劃，對(duì)充分利用氣候資源、調(diào)整和優(yōu)化辣椒種植布局、有效規(guī)避氣象災(zāi)害有重要的意義。

Patel等［1］、王森等［2］采用GIS 對(duì)甘蔗和大田作物進(jìn)行了氣候適宜性區(qū)劃；朱勇［3］基于GIS 對(duì)云南雜交水稻種植進(jìn)行氣候區(qū)劃；張山清等［4-7］基于GIS 對(duì)新疆紅棗、杏子、蘋果、棉花等作物進(jìn)行了氣候適宜性種植區(qū)劃；歐陽(yáng)偉［8］對(duì)伊犁墾區(qū)制種玉米進(jìn)行了氣候適宜性區(qū)劃；針對(duì)廣西早晚水稻低溫冷害和秋季寒露風(fēng)冷害等災(zāi)害，何燕等［9-12］采用GIS 進(jìn)行了氣候?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究；金志鳳等［13，14］基于GIS 利用氣候、土壤和地形等關(guān)鍵因子對(duì)浙江省茶樹和楊梅栽培進(jìn)行了氣候適宜性區(qū)劃；針對(duì)廣西龍眼和寧夏枸杞，蘇永秀等［15］和蘇占勝等［16］分別運(yùn)用GIS 進(jìn)行氣候適宜性區(qū)劃。

本研究利用沙灣縣1961—2018年的氣候資料數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS 和回歸分析等對(duì)辣椒種植范圍進(jìn)行精細(xì)化氣候區(qū)劃研究，對(duì)沙灣縣辣椒生產(chǎn)合理利用氣候資源和優(yōu)化生產(chǎn)布局具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 研究區(qū)域 沙灣縣位于天山中段北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處北緯43°29'—45°20'，東經(jīng)84°57'—86°09'。東距新疆首府烏魯木齊市185 km，東接兵團(tuán)第一師石河子市、瑪納斯縣；南依和靜縣、尼勒克縣；西鄰奎屯市、烏蘇市、獨(dú)山子區(qū)；北連克拉瑪依市和布克賽爾蒙古自治縣。南北長(zhǎng)227 km，東西最大寬度達(dá)48 km，總面積為13 100 km2（圖1）。

圖1 沙灣縣高程

1.1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源 氣象資料為沙灣縣和相鄰縣市15 個(gè)氣象站1961—2018年的地面氣象觀測(cè)資料，包括7月平均氣溫、≥15 ℃積溫、4—5月最低氣溫≤0 ℃天數(shù)、6—8月最高氣溫≥35 ℃天數(shù)等，由新疆氣象信息中心提供。沙灣縣辣椒氣候區(qū)劃指標(biāo)來(lái)源于文獻(xiàn)資料［8，17-19］。

地理信息資料采用新疆測(cè)繪地理信息局提供的1∶50 000 沙灣縣基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)，包含鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)以下行政點(diǎn)、公路、河流和數(shù)字高程模型（DEM）等。

1.2 研究方法

利用GIS 技術(shù)和細(xì)網(wǎng)格模擬分析方法［8］，建立區(qū)劃指標(biāo)因子的空間模擬分析模型，并對(duì)其殘差部分進(jìn)行空間內(nèi)插訂正，按照災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指標(biāo)，利用IDW 插值得到辣椒災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，最后將氣候資源分布與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)先進(jìn)行重分類，分為1、2、3、4共4 個(gè)等級(jí)，再運(yùn)用模糊疊加法進(jìn)行疊加分析，將沙灣縣辣椒種植區(qū)域分為最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)。

模糊數(shù)學(xué)法［9］是進(jìn)行事物分類研究的常用方法，也是農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃工作中的常用方法，對(duì)7月平均氣溫、≥15 ℃積溫、4—5月最低氣溫≤0 ℃天數(shù)、6—8月最高氣溫≥35 ℃天數(shù)等指標(biāo)因子構(gòu)建模糊隸屬度函數(shù)。

2 沙灣縣辣椒氣候資源評(píng)價(jià)

2.1 光能資源

光照是辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。植株同化作用、營(yíng)養(yǎng)生殖、花芽分化、開(kāi)花結(jié)果、果實(shí)膨大等都要依靠光合作用，辣椒全生育期需日照時(shí)數(shù)為1 600 h以上。沙灣縣辣椒開(kāi)花、結(jié)果、果實(shí)膨大期日照時(shí)數(shù)每日為10～11 h，4—9月日照百分率為66%～75%，5—8月每月日照均達(dá)300 h 以上，沙灣縣年日照時(shí)數(shù)可達(dá)2 200～3 200 h（圖2），光照條件完全滿足辣椒生長(zhǎng)發(fā)育的需要。

圖2 1961—2018年沙灣縣年日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)

2.2 熱量資源

由表1 可知，在不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期，辣椒生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)溫度的要求不同，避免遭受高溫日曬、低溫冷害，種子發(fā)芽的適宜溫度為25～30 ℃［17］，氣溫<15 ℃時(shí)莖葉生長(zhǎng)減緩，>35 ℃時(shí)幼芽生長(zhǎng)受抑制，最低氣溫低于0 ℃時(shí)幼芽停止生長(zhǎng)；幼苗期適宜溫度為20～26 ℃，若氣溫>26 ℃，幼苗生長(zhǎng)迅速，易出現(xiàn)徒長(zhǎng)，不利于培育壯苗，<15 ℃影響幼苗生長(zhǎng)。苗期對(duì)霜凍很敏感，若遇低于0 ℃的溫度使幼苗受到危害。開(kāi)花坐果期是辣椒生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)溫度變化比較敏感，適宜溫度為17～23 ℃，若<15 ℃，難授粉，易落花、落果；>35 ℃時(shí)，不利于花器官的正常發(fā)育。盛果期適宜溫度為15～23 ℃，>35 ℃易造成果實(shí)灼傷，氣溫低于15 ℃時(shí)，影響果實(shí)膨大，<8 ℃時(shí)果實(shí)停止膨大。沙灣縣辣椒在產(chǎn)量和品質(zhì)形成期的7—8月，平均溫度為23.0～26.3 ℃，日較差大，有利于提高辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)。辣椒從4月中旬終霜期結(jié)束后，日平均氣溫升到12～14 ℃，5 cm 地溫穩(wěn)定在13 ℃以上時(shí)，開(kāi)始移栽定植，至10月中旬初霜期來(lái)臨之前完全成熟，辣椒全生育期需≥10 ℃的積溫為3 400～3 800（℃·d），≥15 ℃的積溫為3 000～3 400（℃·d）。

表1 辣椒生育期有利與不利的熱量指標(biāo)

2.3 水分條件

辣椒根系較弱，對(duì)水分反應(yīng)比較敏感，從播種到收獲，整個(gè)生育期需水量為600～900 mm［19］。辣椒苗期需水量較少，為生育期總需水量的8%～10%，幼苗期土壤濕度過(guò)大易引起病害；開(kāi)花坐果期是營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)并進(jìn)的旺盛期，是干物質(zhì)積累最多的時(shí)期，期間需水量為生育期總需水量的47%～68%，果實(shí)成熟期已進(jìn)入秋季，氣溫降低，發(fā)育期相對(duì)穩(wěn)定，需水量減少，占總需水量的10%左右。沙灣縣境內(nèi)水源豐富，正常年份能滿足辣椒需水要求［19］。

3 沙灣縣辣椒氣候區(qū)劃

3.1 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃指標(biāo)確定

沙灣縣春季低溫、霜凍以及夏季高溫是影響辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)的主要限制因子，所以，以最低氣溫小于0 ℃的持續(xù)日數(shù)、≥35 ℃高溫日數(shù)來(lái)描述其影響，對(duì)低溫危害過(guò)程的影響，則需考慮低溫的累積效應(yīng)。根據(jù)災(zāi)情資料統(tǒng)計(jì)，如沙灣縣2003年4月15—19日，低溫持續(xù)5 d；2008年4月18—21日，低溫持續(xù)4 d；2010年4月10—14日，低溫持續(xù)5 d，導(dǎo)致辣椒苗期嚴(yán)重受害?！?5 ℃高溫日數(shù)出現(xiàn)在辣椒開(kāi)花坐果期及盛果期的6—8月，此期間連續(xù)3 d 以上的高溫會(huì)灼傷果實(shí)，導(dǎo)致落花落果，如2005年7月8—13日持續(xù)出現(xiàn)5 d≥35 ℃高溫，最高氣溫達(dá)40.0 ℃，2008年7月12—16日持續(xù)出現(xiàn)5 d≥35 ℃高溫，最高氣溫達(dá)36.5 ℃，嚴(yán)重影響辣椒開(kāi)花坐果。因此，選擇4—5月最低氣溫≤0 ℃天數(shù)和6—8月最高氣溫≥35 ℃天數(shù)作為辣椒災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)（表2）。

表2 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃指標(biāo)

3.2 沙灣縣辣椒精細(xì)化氣候區(qū)劃

沙灣縣地形地貌復(fù)雜，南北緯度跨度大，經(jīng)度、緯度、地形、地貌、地勢(shì)等地理環(huán)境及下墊面特性明顯不同，導(dǎo)致當(dāng)?shù)貧夂虿町愂置黠@。因此，為了客觀描述辣椒種植布局氣候區(qū)劃指標(biāo)因子在沙灣縣的實(shí)際分布情況，應(yīng)用GIS 技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立基于地理信息的氣候區(qū)劃指標(biāo)因子的空間分析模型。

式中，y為區(qū)劃指標(biāo)；φ、λ、h分別代表緯度、經(jīng)度、海拔高度；函數(shù)f（φ，λ，h）稱為區(qū)劃指標(biāo)的氣候?qū)W方程；ε為殘差項(xiàng)，稱為綜合地理殘差，可認(rèn)為φ、λ、h所擬合的氣候?qū)W方程如下所示。

在本研究中，函數(shù)f采用簡(jiǎn)單多元線性回歸模型。利用沙灣縣各個(gè)氣象站點(diǎn)的氣候觀測(cè)資料數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的氣候觀測(cè)資料數(shù)據(jù)和經(jīng)度、緯度、海拔高度等地理信息數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析方法，將經(jīng)度、緯度、海拔高度等地理因子作為自變量，把4—5月最低氣溫≤0 ℃天數(shù)和6—8月最高氣溫≥35 ℃天數(shù)2 個(gè)影響辣椒種植布局的主要?dú)夂蛞胤植甲鳛橐蜃兞浚?duì)應(yīng)的氣候區(qū)劃指標(biāo)因子的空間模擬推算模型，

繪制辣椒種植布局2 項(xiàng)氣候區(qū)劃因子分布圖，通過(guò)GIS 模糊疊加法進(jìn)行模糊疊加，制作沙灣縣辣椒種植布局精細(xì)化氣候區(qū)劃（圖3）。

圖3 沙灣縣辣椒種植氣候區(qū)劃

4 小結(jié)與討論

1）最適宜區(qū)。最適宜種植區(qū)主要分布在沙灣縣鐵路和烏奎高速公里兩側(cè)，包括沙灣縣以南二道灣村、三道灣村，鐵路以北金溝河鎮(zhèn)、烏蘭烏蘇鎮(zhèn)、農(nóng)八師143 團(tuán)廣大區(qū)域。該區(qū)≥10 ℃積溫為3 600～3 800（℃·d），≥15 ℃積溫為3 000～3 200（℃·d），7月平均氣溫為25～26 ℃，熱量資源豐富，較好地滿足了辣椒整個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)溫度的需求，4—5月最低氣溫≤0 ℃天數(shù)小于3 d，6—8月≥35 ℃天數(shù)小于15 d，辣椒春季受低溫危害程度較輕，夏季受高溫影響也輕。該區(qū)域是沙灣縣辣椒的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，可充分利用氣候資源，選用優(yōu)良品種，提高該區(qū)域辣椒種植的經(jīng)濟(jì)效益。

2）適宜區(qū)。適宜種植區(qū)主要分布在烏奎高速公路以南少部分區(qū)域和中部偏北大部分地區(qū)，包括安集海鎮(zhèn)、三道河子鎮(zhèn)、大泉鄉(xiāng)、142 團(tuán)、144 團(tuán)、133 團(tuán)、石南農(nóng)場(chǎng)。該區(qū)≥10 ℃積溫為3 400～3 600（℃·d），≥15 ℃積溫為3 000～3 400（℃·d），7月平均氣溫為24～25 ℃，熱量條件基本能滿足辣椒的生長(zhǎng)，春季最低氣溫≤0 ℃天數(shù)小于5 d，辣椒苗期受低溫危害影響程度相對(duì)較輕，不會(huì)對(duì)辣椒生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響，開(kāi)花坐果期≥35 ℃天數(shù)小于20 d。該區(qū)域可充分利用氣候資源，選用優(yōu)良品種為打造辣椒品牌創(chuàng)造良好條件。

3）次適宜區(qū)。次適宜種植區(qū)分為兩部分，第一部分主要分布在北部地區(qū)，包括四道河子鎮(zhèn)、老沙灣鎮(zhèn)、柳毛灣鎮(zhèn)、商戶地鄉(xiāng)、141 團(tuán)、122 團(tuán)。該區(qū)≥15 ℃積溫為3 400～3 600（℃·d），夏季高溫天氣多，辣椒盛果期≥35 ℃天數(shù)大于20 d，影響辣椒坐果率；第二部分主要分布在南部狹長(zhǎng)區(qū)域，本區(qū)熱量條件略顯不足，春季霜凍較重。該區(qū)不適宜大面積發(fā)展辣椒生產(chǎn)，應(yīng)選取耐寒品種，以提高種植效率。

4）不適宜區(qū)。不適宜種植區(qū)也分為兩部分，一部分主要分布在北部沙漠地區(qū)。該區(qū)≥15 ℃積溫在3 600（℃·d）以上，7月氣溫在26 ℃以上，高溫天氣多，≥35 ℃天數(shù)在25 d 以上，不利于辣椒種植；第二部分主要分布在南部低山和中高山區(qū)域，≥15 ℃積溫<2 800（℃·d），7月平均氣溫<23 ℃，該區(qū)域熱量條件較差，不能滿足辣椒整個(gè)生長(zhǎng)期的熱量需要。春季最低氣溫<0 ℃的天數(shù)在7 d 以上，辣椒苗期凍害嚴(yán)重，應(yīng)避免在該區(qū)域種植辣椒。氣候環(huán)境條件在影響辣椒生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的所有因素中始終是最重要的因素。

本研究以影響辣椒生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的主要關(guān)鍵氣候要素為區(qū)劃指標(biāo)，實(shí)際上除了氣候因素以外，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中辣椒種植還受土壤類型、種植模式和管理措施等其他因素的影響。目前的辣椒精細(xì)化區(qū)劃研究中主要考慮氣候條件，還沒(méi)有把土壤現(xiàn)狀、土地利用狀況等其他環(huán)境條件信息綜合考慮進(jìn)去。除了受氣候、土壤等生態(tài)條件影響外，還受地形地貌、水域、山體、城市居民用地等多種條件的制約，并非氣候條件適宜種植的地方就可用于辣椒生產(chǎn)。因此，研究辣椒等農(nóng)作物精細(xì)化氣候區(qū)劃時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，在充分運(yùn)用GIS 基礎(chǔ)上，還應(yīng)綜合考慮氣候條件、土壤類型、土壤肥力、土地利用規(guī)劃狀況等方面的精細(xì)化區(qū)劃綜合信息，開(kāi)展農(nóng)作物種植布局的綜合區(qū)劃研究，區(qū)劃結(jié)果將會(huì)更加深化、細(xì)化，更為客觀、準(zhǔn)確和綜合實(shí)用。關(guān)于這些方面的綜合研究有待今后進(jìn)一步探討和不斷完善。