基于GIS的葉城縣核桃種植氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃

王曉霞，張山清，李戰(zhàn)超，劉紀(jì)疆，王 森

（1.葉城縣氣象局，喀什 葉城 844000；2.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)/新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心，新疆 烏魯木齊 830002）

中國(guó)是世界第一大核桃生產(chǎn)國(guó)[1]，光、熱、水等氣候條件是決定核桃適宜種植區(qū)、影響核桃產(chǎn)量和品質(zhì)的主要環(huán)境因素[2-3]，近年來有關(guān)我國(guó)各地核桃種植氣候適宜性問題的研究受到業(yè)內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)注。郭兆夏等[4]、賀春燕等[5]、魏玉君等[6]、熊華等[7]、金志鳳等[8]、韓華柏等[9]根據(jù)核桃種植對(duì)氣候條件的需求，根據(jù)各地影響核桃種植的主要?dú)夂蛞蛩?，基于歷史氣候資料的多年平均值，采取不同的區(qū)劃技術(shù)方法，分別對(duì)陜西、甘肅、河南、貴州、浙江、四川等我國(guó)核桃主產(chǎn)區(qū)核桃種植氣候適宜性區(qū)劃開展了許多研究工作。普宗朝等[10-11]根據(jù)新疆核桃種植生態(tài)氣候條件，結(jié)合1961—2015年新疆氣候變化的實(shí)際，研究了氣候變化對(duì)核桃種植的影響，研究結(jié)果表明，氣候變暖使新疆核桃適宜、次適宜種植區(qū)趨于擴(kuò)大，不適宜種植區(qū)縮小。上述研究對(duì)各地合理規(guī)劃核桃種植布局，促進(jìn)核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要作用。但由于其研究大多是從省級(jí)行政區(qū)域的宏觀角度開展的，研究成果的空間分辨率較低，難以滿足縣級(jí)行政區(qū)核桃種植精細(xì)化氣候適宜性區(qū)劃服務(wù)的需求。

葉城縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，南依喀喇昆侖山和昆侖山脈，北接開闊平原，緊連塔克拉瑪干大沙漠、葉爾羌河上游，地形南高北低。氣候?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂?，光照充足，熱量豐富，降水稀少，氣溫日較差大。由于獨(dú)特的氣候，廣袤肥沃的土地，加之綠洲平原地帶有較豐富的農(nóng)業(yè)灌溉水資源，因此，葉城縣是新疆著名的特色林果主產(chǎn)區(qū)。其中，葉城縣生產(chǎn)的核桃因具有果實(shí)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、保健功效好、適應(yīng)性強(qiáng)、易于管理、抗干旱、耐瘠薄、經(jīng)濟(jì)效益高、生態(tài)效益顯著等特點(diǎn)，近年來，核桃種植業(yè)在葉城縣發(fā)展異常迅速，2019年葉城縣核桃的種植面積達(dá)3.867×104hm2，總產(chǎn)量1.38×105t。目前，核桃在葉城縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及農(nóng)民脫貧致富中占有舉足輕重的地位。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著氣候變暖以及核桃新品種更替和管理與栽培技術(shù)不斷更新，核桃種植區(qū)域隨之在發(fā)生變化。但是，一些區(qū)域因忽視氣候條件的適宜性而盲目擴(kuò)大種植面積，或種植區(qū)域不合理，導(dǎo)致核桃遭受越冬凍害、高溫?zé)岷?、霜凍危害等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)增加，產(chǎn)量低而不穩(wěn)，品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響了核桃生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益[2-3，11-12]。因此，研究葉城縣核桃種植氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃，對(duì)充分利用氣候資源，合理安排核桃布局，有效規(guī)避種植風(fēng)險(xiǎn)是十分必要的。由于新疆南部偏遠(yuǎn)的葉城縣人口稀少、氣象監(jiān)測(cè)站網(wǎng)稀疏，且氣象站網(wǎng)分布極不均勻，單一氣象站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)難以代表整個(gè)區(qū)域的氣候特征。在農(nóng)業(yè)氣候資源分析和農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中，特別是基于GIS的第三次農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃，都需要將氣候要素與地形等要素緊密結(jié)合起來[13]，因此，進(jìn)行氣候要素柵格化十分必要。在柵格化過程中主要是對(duì)無測(cè)站柵格點(diǎn)要素值進(jìn)行推算，推算的柵格數(shù)據(jù)地域單元越小，精度越高，且數(shù)據(jù)屬性明顯，具有位置準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有利于空間分析[14]，為氣候資源的分析和氣候區(qū)劃帶來很大優(yōu)勢(shì)。目前葉城縣基于GIS的百米高分辨率的核桃種植氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃研究尚未報(bào)道。因此，本文根據(jù)核桃的生物學(xué)習(xí)性及其對(duì)氣候條件的具體要求，利用1981—2019年葉城縣及其周邊20個(gè)氣象站的觀測(cè)資料，分析影響核桃生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵氣候因子，篩選核桃氣候適宜性區(qū)劃指標(biāo)和地理因子（高程、緯度、經(jīng)度、坡度、坡向，空間分辨率為100 m×100 m），建立基于GIS的葉城縣百米級(jí)高分辨率核桃種植氣候適宜性區(qū)劃因子空間分布模型，采用GIS空間加權(quán)綜合評(píng)判法，對(duì)葉城縣核桃種植氣候適宜性各區(qū)劃指標(biāo)進(jìn)行綜合精細(xì)化等級(jí)分區(qū)，以期確定核桃最佳適宜種植空間分布區(qū)域，為葉城核桃產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供氣候依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源與處理

選用葉城縣及其周邊范圍內(nèi)20個(gè)資料序列較長(zhǎng)的氣象站1981—2019年逐日平均氣溫和最低氣溫資料以及各站地理坐標(biāo)和縣級(jí)地理信息數(shù)據(jù)，利用1：50 000基礎(chǔ)地理信息，提取葉城縣的緯度、經(jīng)度、海拔高度、坡度、坡向等地理數(shù)據(jù)，經(jīng)重采樣獲得空間分辨率100 m×100 m的地理因子。各站氣象數(shù)據(jù)、地理坐標(biāo)和縣級(jí)1：50 000地理信息數(shù)據(jù)由新疆氣象信息中心提供，研究區(qū)域見圖1。

圖1 葉城縣高程和鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）行政分布

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及區(qū)劃方法

通過分析核桃種植所需的區(qū)劃指標(biāo)，對(duì)每個(gè)氣候指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用GIS空間插值分析法[15]，對(duì)葉城縣數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，提取經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向，空間分辨率為100 m×100 m，而各區(qū)劃指標(biāo)因子的柵格化精度必須依賴于DEM的精度，通過基于GIS空間推算模型，獲得核桃種植氣候適宜性各區(qū)劃指標(biāo)因子?xùn)鸥駡D層集，再采用加權(quán)綜合評(píng)判法獲得葉城縣核桃種植氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃專題圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 核桃生產(chǎn)與氣象條件的關(guān)系

2.1.1熱量條件

春季日平均氣溫穩(wěn)定≥10℃是核桃樹陸續(xù)進(jìn)入發(fā)芽、展葉、開花和結(jié)果的起始臨界溫度，若春季日平均氣溫穩(wěn)定≥10℃之后出現(xiàn)最低氣溫≤0℃的霜凍（稱作終霜凍），將對(duì)核桃生長(zhǎng)發(fā)育造成危害，并且隨著終霜凍日遲于≥10℃初日日數(shù)的增多，遭受終霜凍危害的風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)度增大；反之，若終霜凍日早于≥10℃初日，核桃樹遭受終霜凍危害的幾率較低，且隨著終霜凍日早于≥10℃初日日數(shù)的增多，遭受終霜凍危害的風(fēng)險(xiǎn)減小[10-11]。核桃從幼果形成到堅(jiān)果成熟需130 d左右，在此期間氣溫超過38～40℃，果實(shí)易被灼傷，致使核仁發(fā)育不良，形成空殼。核桃適宜生長(zhǎng)的氣候條件為年平均氣溫9～12℃，夏季極端最高氣溫在40℃以下，無霜凍期為150～220 d，核桃可忍受的低溫在-25～-30℃。核桃正常結(jié)果需≥10℃積溫＞3 300℃·d，≥10℃持續(xù)日數(shù)＞160 d，若要形成較好的生產(chǎn)能力則需≥10℃積溫＞3 800～4 500℃·d，≥10℃持續(xù)日數(shù)180 d以上[16-17]。

2.1.2光照條件

核桃是喜光樹種，一般要求全年光照時(shí)數(shù)不少于2 000 h才能保證堅(jiān)果的正常發(fā)育。葉城光照充足，年日照時(shí)數(shù)為2 500～2 800 h，完全能夠滿足核桃生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)光照條件的要求。

2.1.3水分條件

核桃對(duì)水分條件要求較高，一般年降水量500～800 mm才可滿足其生長(zhǎng)發(fā)育的需求。葉城縣雖降水稀少，綠洲平原地帶年降水量不足60 mm，但核桃對(duì)水分條件的需求可通過灌溉得到有效保證，因此，降水不是制約葉城縣核桃生長(zhǎng)發(fā)育的氣候因子。

2.2 核桃氣候區(qū)劃指標(biāo)的確定

影響葉城縣核桃種植的氣候因素主要是生長(zhǎng)期的熱量條件、越冬期低溫、果實(shí)生長(zhǎng)期高溫以及核桃展葉、開花期的霜凍，而在葉城縣光照和自然降水對(duì)核桃基本無制約作用。根據(jù)上述分析并參考前人有關(guān)研究成果[10]，確定≥10℃積溫、最低氣溫≤-25℃日數(shù)以及終霜凍日早于≥10℃初日的日數(shù)作為葉城縣核桃種植氣候適宜性判別因子，其等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。由于各要素對(duì)核桃生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成的影響具有不可替代性，因此確定核桃種植氣候適宜性時(shí)以上3要素必須同時(shí)具備，缺一不可。

表1 葉城縣核桃種植氣候區(qū)劃指標(biāo)

2.3 區(qū)劃指標(biāo)因子的空間分布模式

區(qū)劃指標(biāo)與空間分布模式的關(guān)系，采用地理統(tǒng)計(jì)方法建立指標(biāo)因子與站點(diǎn)地理信息（經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向）的空間分析模式，利用GIS空間插值推算出100 m×100 m網(wǎng)格上的指標(biāo)值，以此滿足核桃種植氣候精細(xì)化區(qū)劃的需求。葉城縣核桃種植氣候區(qū)劃指標(biāo)與地理要素之間的空間分布模式見表2，經(jīng)F值檢驗(yàn)，各方程都通過0.005的顯著性檢驗(yàn)，具有較高的可信度。

表2 核桃種植區(qū)劃指標(biāo)空間分布模型

2.4 核桃種植氣候適宜性精細(xì)化方法

基于GIS的精細(xì)化空間插值技術(shù)，利用各氣候區(qū)劃因子空間分析模式（表2），在ArcGis 10.2平臺(tái)空間分析模塊推導(dǎo)出100 m×100 m網(wǎng)格上各區(qū)劃因子的模擬值。為精確反映每個(gè)網(wǎng)格上的核桃種植氣候區(qū)劃指標(biāo)值，將20個(gè)氣象站的實(shí)測(cè)值與模擬值之間的殘差，通過反距離插值法對(duì)殘差數(shù)據(jù)進(jìn)行100 m×100 m柵格化處理，并將殘差柵格圖層與模擬區(qū)劃指標(biāo)柵格圖疊加，分別獲得經(jīng)過柵格化空間插值模擬的各指標(biāo)氣候要素圖層集，按照表1的核桃種植氣候適宜性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)其進(jìn)行分級(jí)并將3個(gè)圖層等權(quán)重疊加處理，即可獲得綜合考慮各指標(biāo)氣候要素分辨率為100 m×100 m細(xì)網(wǎng)格上的核桃種植氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃圖。

2.4.1≥10℃積溫空間分布

葉城縣1981—2019年≥10℃積溫空間分布主要受海拔高度的影響，總體呈現(xiàn)“從南部山區(qū)至北部平原隨海拔高度的降低逐漸增多”的空間格局（圖2）。海拔2 000 m以上的山區(qū)≥10℃積溫較少，一般不足3 300℃·d；海拔1 700～2 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶≥10℃積溫為3 300～3 800℃·d；海拔1 700 m以下的平原地帶≥10℃積溫較多，可達(dá)3 800～4 400℃·d。

圖2 葉城縣≥10℃積溫空間分布

2.4.2冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)空間分布

近39年葉城縣冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)的空間分布總體呈隨海拔高度的降低“由山區(qū)向平原逐漸減少”的特點(diǎn)（圖3）。海拔2 000 m以上的山區(qū)冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)較多，一般在3 d以上；海拔1 400～2 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶為0.3～3.0 d；海拔1 400 m以下的平原地帶冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)較少，一般在0.3 d以下。

圖3 葉城縣冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)空間分布

2.4.3終霜凍日早于≥10℃初日的日數(shù)空間分布

葉城縣終霜凍日早于≥10℃初日日數(shù)的空間分布總體呈山區(qū)少、平原多的特點(diǎn)（圖4）。海拔4 000 m以上的高山帶終霜凍日早于≥10℃初日日數(shù)一般在8 d以下；海拔4 000 m以下的中、低山以及丘陵、平原地帶在8 d以上，其中，海拔1 250～2 500 m的地帶終霜凍日早于≥10℃初日日數(shù)多達(dá)11～16 d。

圖4 葉城縣終霜凍日早于≥10℃初日日數(shù)的空間分布

2.5 核桃種植農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃及其分區(qū)評(píng)述

根據(jù)核桃區(qū)劃指標(biāo)（表1），將葉城縣≥10℃積溫、冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)和終霜凍日早于≥10℃初日日數(shù)的柵格數(shù)據(jù)在ArcGis10.0平臺(tái)上進(jìn)行等權(quán)重疊加處理，得到葉城縣核桃種植精細(xì)化區(qū)劃圖（圖5）。葉城縣核桃種植氣候區(qū)劃總體可分為適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)3個(gè)分區(qū)。

圖5 葉城縣核桃種植氣候適宜性區(qū)劃

2.5.1適宜區(qū)

葉城縣核桃種植氣候適宜區(qū)主要分布在葉城縣北部海拔低于1 400 m的平原地帶，包括依提木孔鄉(xiāng)、巴仁鄉(xiāng)、烏吉熱克鄉(xiāng)、夏合甫鄉(xiāng)、江格勒斯鄉(xiāng)、吐古其鄉(xiāng)、鐵提鄉(xiāng)、恰爾巴格鎮(zhèn)、喀格勒克鎮(zhèn)、伯西熱克鄉(xiāng)、洛克鄉(xiāng)、加依提勒克鄉(xiāng)、依力克其鄉(xiāng)、恰薩美其特鄉(xiāng)，該區(qū)域≥10℃積溫在3 900～4 400℃·d，能夠滿足核桃生長(zhǎng)發(fā)育和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對(duì)熱量條件的需求；冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)在0.3 d以下，核桃樹遭受越冬凍害的風(fēng)險(xiǎn)很低，安全越冬較有保證；終霜凍日早于≥10℃初日為9～16 d，春季核桃樹展葉、開花和結(jié)果期遭受霜凍危害的幾率也很低，加之該區(qū)地處葉爾羌河上游流域，土壤肥沃，灌溉有保障，因此是葉城縣發(fā)展核桃種植業(yè)最理想的區(qū)域。

2.5.2次適宜區(qū)

葉城縣核桃種植氣候次適宜區(qū)分布在葉城縣中部海拔1 400～2 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶，包括薩依巴格鄉(xiāng)南部區(qū)域、宗朗鄉(xiāng)，該區(qū)域雖終霜凍日早于≥10℃初日在11～16 d，春季核桃樹展葉、開花和結(jié)果期遭受霜凍危害的幾率很低，但由于≥10℃積溫只有3 300～3 900℃·d，僅可滿足核桃生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成對(duì)熱量條件的基本需求，且冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)在0.3～3 d，核桃樹具有遭受越冬凍害的風(fēng)險(xiǎn)，因此，是葉城縣核桃種植氣候次適宜區(qū)，該區(qū)不宜大規(guī)模種植核桃。

2.5.3不適宜區(qū)

不適宜區(qū)主要分布在葉城縣南部海拔2 000 m以上的山區(qū)，包括烏夏克巴什鎮(zhèn)南部區(qū)域、柯克亞鄉(xiāng)、棋盤鄉(xiāng)南部區(qū)域、西合休鄉(xiāng)，該區(qū)域≥10℃積溫不足3 300℃·d，難以滿足核桃生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)熱量條件的基本需求，且冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)在3 d以上，核桃樹遭受越冬凍害的風(fēng)險(xiǎn)較高，因此，不宜種植核桃。

3 結(jié)論

采用影響核桃生長(zhǎng)發(fā)育的氣候關(guān)鍵因子與地理因子相結(jié)合的方法，基于GIS空間分析模型獲得葉城縣核桃種植的氣候適宜性精細(xì)化區(qū)劃，得出以下結(jié)論：

（1）受海拔高度影響，葉城縣氣候要素分布差異明顯，≥10℃積溫的空間分布總體呈“北部平原地區(qū)多，南部山區(qū)少”的格局；最低氣溫≤-25℃日數(shù)呈由山區(qū)向平原逐漸減少的特點(diǎn)；終霜凍日早于≥10℃初日日數(shù)的空間分布總體呈山區(qū)少、平原多的格局。

（2）核桃種植氣候適宜區(qū)主要分布在葉城縣北部海拔低于1 400 m的平原地帶，該區(qū)域能夠滿足核桃生長(zhǎng)發(fā)育和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)對(duì)熱量條件的需求；同時(shí)，核桃樹遭受越冬凍害的風(fēng)險(xiǎn)很低，春季核桃樹展葉、開花和結(jié)果期遭受霜凍危害的幾率也很低，因此，該區(qū)域是葉城縣發(fā)展核桃種植業(yè)最理想的區(qū)域，加之該區(qū)地處葉爾羌河上游流域，土壤肥沃，灌溉有保障，應(yīng)大力發(fā)展優(yōu)質(zhì)核桃種植面積。

（3）次適宜區(qū)主要分布在葉城縣中部海拔1 400～2 000 m的山前傾斜平原和丘陵地帶，該區(qū)域熱量條件相對(duì)欠佳，僅可滿足核桃生長(zhǎng)發(fā)育的基本需求，且冬季最低氣溫≤-25℃日數(shù)為0.3～3 d，核桃樹具有一定的遭受越冬凍害的風(fēng)險(xiǎn)，因此，該區(qū)不宜大規(guī)模種植核桃。

（4）不適宜區(qū)分布在葉城縣南部海拔2 000 m以上的山區(qū)，該區(qū)域核桃樹遭受越冬凍害的風(fēng)險(xiǎn)較高，加之熱量資源匱乏，不能滿足核桃生長(zhǎng)發(fā)育的需求，因此，該區(qū)不宜種植核桃。

4 討論

（1）葉城縣核桃種植適宜區(qū)內(nèi)熱量條件能夠滿足核桃生長(zhǎng)發(fā)育和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的需求。本文考慮引進(jìn)了核桃春季花期霜凍災(zāi)害因子是終霜凍日早于≥10℃初日的天數(shù)，而非前人的4—5月日最低氣溫≤-2℃日數(shù)，因?yàn)楹颂议_花至幼果期出現(xiàn)-1～-2℃低溫時(shí)，花、果易出現(xiàn)凍害[16]，這種情況只體現(xiàn)在偶爾一次極端天氣過程情況下，只是小概率事件，區(qū)劃考慮的是大概率事件，所以引進(jìn)終霜凍日早于≥10℃初日的天數(shù)，從空間分布可以看出，葉城縣晚霜凍出現(xiàn)日期一般比≥10℃初日早2~3候，因此，在適宜區(qū)內(nèi)核桃開花至幼果期遭受春季晚霜凍的風(fēng)險(xiǎn)很小。

（2）本文基于GIS的空間分布模型，建立地理因子與多年平均氣象因子之間的關(guān)系，采用三維二次趨勢(shì)面模擬與空間插值相結(jié)合等方法，對(duì)核桃區(qū)劃指標(biāo)因子進(jìn)行空間化，生成分辨率為100 m×100 m的柵格圖層，經(jīng)F值檢驗(yàn)，各方程都通過0.005的顯著性檢驗(yàn)，具有較高的可信度。其百米精度基本上達(dá)到了縣級(jí)區(qū)劃需求。由此可見，氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過地理信息系統(tǒng)空間化后的柵格數(shù)據(jù)能有效彌補(bǔ)氣象臺(tái)站稀疏、氣候數(shù)據(jù)缺乏的問題，也為分析復(fù)雜地形下氣候資源空間分布提供了重要的理論數(shù)據(jù)。但是，本文只用了多年常規(guī)氣象站資料，未能將加密的自動(dòng)站資料引入，今后有待訂正和延長(zhǎng)自動(dòng)站資料，增加站點(diǎn)密度是進(jìn)一步提高推算模型精度的關(guān)鍵。

（3）核桃種植區(qū)域的確定雖然氣候要素起主導(dǎo)作用，但還與市場(chǎng)波動(dòng)、種植管理技術(shù)、土壤和灌溉條件等因素密不可分[17-20]，因此，在本區(qū)劃的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮當(dāng)?shù)氐耐寥篮屯恋乩妙愋鸵约霸耘喙芾砑夹g(shù)等的綜合影響，因地制宜地制定符合實(shí)際的核桃種植區(qū)劃和發(fā)展規(guī)劃，仍是今后核桃種植業(yè)發(fā)展的主要研究工作。