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基于GIS的哈巴河縣板藍根氣候精細化區劃

2025-08-02 00:00:00桑哈爾·熱合買提汗桑哈爾·熱合買提汗張永成
安徽農業科學 2025年13期
關鍵詞:種植區板藍根積溫

關鍵詞板藍根;GIS技術;氣候區劃;精細化;哈巴河中圖分類號S162 文獻標識碼A文章編號 0517-6611(2025)13-0186-08doi: 10.3969/j .issn.0517-6611.2025.13.036

開放科學(資源服務)標識碼(OSID):

Climate Refinement Regionalization of Isatis tinctoria in Habahe County Based on GIS

SanghaerRehemaitihan12,ZHANGYong-cheng13(1.AltayRegionalMeteorologicalBureau,Altay,Xinjiang8360Oo;2.Habahe CountyMeteorologicalObservatory,Habahe,Xinjiang83670;3.ShuangyashanMeteorologicalBureau,Shuangyashan,Heilongjiang )

Abstractakefullfalteousautualteoaatiotistoal conditions,andproideaoesietificandasonableefereebsisfodjustingndongpantinglautofatstinctoriadpr motinghigh-qualitydevelopmentofChineseherbalmedicineindustryinHabaheCounty.Basedonthemeteorologcalobservationdataof30 yearfrom191t2at8eteoroicalatosiabaheCountnditssuroudingreas,iiangasiceogaicifotiodata of 1:50 000 anddigitalelevationDEMdataofXijang,ombinedwithclimaticandeologicalconditionsofplantingandgrowthofsatistinc toria,theclimaticregionalizationinicatorsofIsatistinctoriaculivatioinHabaheCountywreselected.BasedonthefuzycusteringoprehensiveevaluationmethodandteGStechnology,thplantingcimatesutabityofIsatistictoriainHabaheCountywasfielydivided. Theresultsshowthat:ThemostsuitableplantingareaofsatistinctoriainHabaheCountyismainlyinthevallyeltareawithanaltitudeof (204號 480-lt;700m in the middleof the county,andthe suitable planting area is mainly in thevalley belt area with analtitude of 450-lt;480m in the south of the county and 700-lt;900m in the north of the county.The sub-suitable planting area is distributed in the hilly area of 900-lt;1 (204 200m (2號 above sea level and the plain area below 450m above sea level in the northern part of the county,and the unsuitable planting area is mainly distributedintheareaabove12OOmabovesealevel.Theregionalizationresultswereingoodagreement withtheactualplantigareas. KevwordsIsatis tinctoria :GIS technologv:Climatic regionalization:Refined :Habahe

板藍根是十字花科植物菘藍(IsatistinctoriaL.)的干燥根,是人們熟知的一種抗病毒中藥材。哈巴河縣位于新疆阿勒泰地區西北部,空氣干燥,日照豐富,溫差較大,且地形地貌復雜,海拔落差大,境內河流徑流量大。多樣化的氣候特征和土壤特性,尤其適宜部分中藥材對高海拔、長日照、溫差大、耐干旱等氣候環境及土壤獨特的生長需求,加之水源豐富、空氣純凈,滿足了中草藥對水分和光照需求,發展中草藥產業具有得天獨厚的自然優勢。近年來,哈巴河縣以打造“額河藥谷”為目標,把中草藥產業列入全縣特色富民產業,2022年,哈巴河縣板藍根、甘草、小茴香、紅花、柴胡、黃芪、芍藥等中草藥種植面積超過 3333.33hm2 ,其中,板藍根468.67hm2 ,占中草藥種植面積的 34% 。因此,合理開發利用農業氣候資源,開展板藍根種植氣候適宜性精細化區劃研究,因地制宜地調整并優化板藍根種植布局,對科學制定哈巴河縣板藍根發展規劃和種植計劃,促進板藍根生產的持續穩定發展有重要意義。

近些年,國內外許多學者利用GIS技術在開展氣候資源區劃、實施精準農業科研等方面做了大量的工作,并取得了一定成果[1-10]。在中藥區劃方面,許多學者也分別從區劃理論研究對象、形成因素、栽培意義及指標體系等方面進行了描述和探討[11-12],在開展具體的中藥材精細化區劃方面,尹東等[13運用GIS技術實現了甘肅省紋黨種植的細網格區劃,雷蕾等[14]利用GIS和多點自動站資料對寧夏中寧縣枸杞開展精細化氣候區劃,吳嘉利等[15]利用ArcGIS和最大信息熵模型對浙貝母品質適宜性等級進行區劃,詹鵬等[1應用層次分析法和GIS技術開展了云南省的三七生態適宜性精細化區劃研究,馬力文等[17-19]分別從枸杞的產量品質、植物學特性、生態適宜性等方面對寧夏、青海和新疆等地枸杞種植適宜性進行氣候區劃。而有關哈巴河縣板藍根種植氣候適宜性區劃目前鮮有研究,故筆者擬采用新疆哈巴河縣及周邊18個氣象站的觀測資料與 1:50000 新疆基礎地理數據和數字高程(DEM)數據,通過數理統計回歸模型,分析影響板藍根生長發育的關鍵氣候因子,篩選出板藍根氣候適宜性區劃指標與相應的地理因子,利用細網格資源推算法和氣候地理推算模型,建立基于GIS的哈巴河縣百米級分辨率的板藍根種植氣候適宜性區劃指標空間分布模型,并用模糊聚類綜合評判法得到板藍根種植氣候適宜性精細化區劃,以期為哈巴河縣優化板藍根種植布局、提高板藍根產量和品質提供科學理論依據。

1研究區概況

哈巴河縣地處 85°3345′′~87°1845′′E 47°3713′′~ 49°0730′′N ,位于新疆最西北邊緣,阿爾泰山南麓,準噶爾盆地北緣,東鄰布爾津縣,南連吉木乃縣,西與哈薩克斯坦、北與俄羅斯接壤。屬大陸性北溫帶寒冷氣候區,空氣干燥,降雨量少,蒸發量大,日照豐富,溫差較大,隨緯度高低垂直地帶性氣候變化明顯。哈巴河縣地形地貌復雜,有高山、丘陵、平原、河谷、荒漠戈壁等多個地理單元,海拔落差大,其北部最高峰沙剛拉山 3 396m ,南部沖積平原地勢平坦,土質較好,最低海拔 410m 。復雜的地形地貌形成多樣化的氣候特征,近 30a 平均日照時數 2878.6h ,日照百分率 63% ,年平均氣溫海拔 800m 以下為 4~6qC;800~lt;1 300m 為 2~lt;4°C :1300m 以上為 lt;2% 。平原區 積溫為 2 500~ 3068°C?d,≥15°C 積溫為 1 800~2 430°C?d; 無霜期平原區150~168d ,而山區最短 lt;130d 。境內的額爾齊斯河、哈巴河、別列孜河、阿拉克別克河4條主要河流年均徑流量116億 m3 ,干流總長達 433km 。多樣的氣候特征和土壤特性滿足多種中草藥生長。

2資料與方法

2.1資料來源氣象數據為哈巴河縣及周邊18個氣象觀測站1991一2020年的逐日氣溫、降水量、日照時數等氣象要素資料, 1:50 000 基礎地理數據和數字高程模型(DEM)數據均由新疆氣象信息中心提供。

2.2研究方法哈巴河縣南北海拔落差超過 2 400m ,地形地貌復雜。氣候資源的空間分布不僅與經緯度有關,還受地形影響,尤其小空間范圍區劃時,局部地形(坡向、坡度)影響巨大。為實現縣域精細化區劃,在考慮氣候要素與經度、緯度、海拔、坡度、坡向等地形因子的基礎上,利用ArcGIS軟件將氣候要素數據進行面上推算[20-22],通過重采樣插值成100m×100m 的細網格,并在此基礎上進行數字地形定量分類,得到哈巴河縣地形地貌分布圖[審圖號:GS(2017)3320號,下同],見圖1。然后通過分析板藍根種植氣候適宜性區劃指標,在建立氣象因子與地理因子空間分析模型的基礎上,應用模糊聚類綜合評判法得到空間分辨率為 100m× 100m 的哈巴河縣板藍根種植氣候適宜性精細化區劃專題圖。

圖1哈巴河縣地形地貌和鄉鎮分布Fig.1Topography and distribution of villages and towns in Habahe County

3結果與分析

3.1板藍根氣候生態條件

3.1.1光照條件。板藍根喜光。哈巴河縣光照充足,全年日照時數為 2938h 。空間分布由西南向東北逐漸減少,海拔?800m 平原區日照 2800~3000h ,山谷和丘陵地帶 2600~ lt;2800h ,中高山地帶 lt;2600h 。板藍根生長季的4月下旬至10月上旬穩定通過 10% 的日照時數 1538h ,穩定通過 15°C 的日照時數 1109h ,占全年日照的 57% 以上,其中板藍根關鍵生長期6一8月的月平均日照時數均在 330h 以上,月日照時數百分率在 70% 以上,光照條件總體上能夠滿足板藍根生長發育和產量形成的需求。

3.1.2溫度條件。板藍根喜冷涼,全生育期要求 ?10°C 積溫 2800~3000°C ,無霜期 150d 以上,日平均氣溫穩定通過?10‰ 的初日是板藍根適宜開播的溫度指標。哈巴河平原區 ?10°C 的初日在4月下旬末至5月上旬初,板藍根開播時段為4月下旬至5月上旬,此時段溫度保持在 12~14°C ,為最適宜開播期溫度,苗期生長要求溫度 ,溫度適當偏高,可促進板藍根幼苗形成壯苗。5月中旬開始日平均氣溫穩定 ?15% ,到9月中旬降至 ?15% ,期間 ?15% 積溫2194°C ;6—8月板藍根由營養生長逐漸過渡到生殖生長,適宜溫度為 20~24circC ;尤其7月上旬至8月下旬,是板藍根全生育期生長最旺盛的階段,適宜溫度為 22~23°C ;進入夏末秋初氣溫下降快,板藍根生長中后期的8月下旬平均氣溫由 20% 逐漸降至9月中旬的 15°C 左右,10月上旬氣溫甚至降至 10% 以下,導致板藍根根系生長需要的熱量不足,尤其次適宜區的板藍根因熱量不足將會影響板藍根的產量和品質。

3.1.3水分條件。板藍根耐干旱,怕水澇。哈巴河縣年降水量 220.2mm ,板藍根整個生育期5—10月降水量為122.1mm ,而 ?10°C 期間的降水量只有 91.6mm ,所以,板藍根生長期間的降水量僅為年降水量的 41% 。要滿足板藍根全生長期需水量,僅依靠自然降水遠不能滿足板藍根生長發育的需求,故哈巴河縣板藍根生產對水分條件的需求主要依賴于灌溉。哈巴河縣水源充沛,大小河流有36條,年徑流量116億 m3 ,額爾齊斯河是主要的水源,加之膜下滴灌等高效節水灌溉技術在板藍根生產中的普及應用,板藍根生長期所需要的水分得以保障。因此,水分條件不是限制板藍根種植的主要因子。

3.2板藍根精細化氣候區劃指標的確定板藍根對氣候適宜性的要求是喜光、耐寒、耐干旱、怕積水,喜土層深厚、疏松肥沃、排水良好的砂質土壤。哈巴河縣光照充足,又有較穩定的灌溉水資源,具有土質疏松肥沃的砂壤土,且脫水性好,加之空氣質量好,板藍根的適生環境條件好,因此,影響哈巴河縣板藍根種植區劃的主要氣候因子是熱量條件,熱量資源的多少決定板藍根產量的高低和品質的優劣。該區劃以熱量條件為主導指標,以水分條件為輔助指標。板藍根生長發育要求的熱量指標主要是 ?10°C 積溫和 ?15‰ 積溫,7月平均氣溫是板藍根生長發育關鍵期熱量指標,必須在 22°C 以上,故還需考慮7月平均氣溫。另外,板藍根苗期和根系生長期間,當日最低氣溫小于 0°C 時,輕則凍傷板藍根幼苗,重則導致板藍根根系終止生長。所以,可考慮將無霜凍期作為板藍根生長期必需的熱量資源的限制因子。

綜上所述,選用 ?10°C 積溫、 、?15°C 積溫、7月平均氣溫、無霜凍期作為哈巴河縣板藍根氣候區劃主導指標,并且考慮高溫天氣以及成熟中后期持續降水也會影響板藍根產量和品質,所以將7月最高氣溫和 高溫天數以及9月下旬至10月上旬降水量作為輔助指標。板藍根區劃主導和輔助指標因子等級劃分見表1、表2。

表1哈巴河板藍根氣候區劃主導指標Table1Leading index of climate regionalization of Isatis tinctoria in Habahe County"
表2哈巴河板藍根氣候區劃輔助指標Table2 Auxiliary index of climate regionalization of Isatis tinctoria in Habahe County

3.2.1 ?10% 積溫。哈巴河縣日平均氣溫穩定 ?10C 積溫的空間分布總體呈現“南部多、北部少,平原多、山區少”的格局(圖2)。結合表1中板藍根對 ?10‰ 積溫的要求等級及哈巴河縣地形地貌可知, ?10‰ 積溫 ?2950°C?d 的區域出現在哈巴河縣域南部海拔 410~lt;470m 的沙漠、戈壁地帶; ?10C 積溫 2 500~lt;2 950°C?d 區域主要分布在縣域中部和東南部海拔在 470~lt;800m 地帶; ?10C 積溫 1800~ lt;2500‰ 區域主要分布在縣域以北海拔 800~1300m 的丘陵和峽谷,縣域以北海拔 1300m 以上的中山帶及高山帶區域 ?10°C 積溫一般不足 1800‰ 0

3.2.2 ?15‰ 積溫。哈巴河縣日平均氣溫穩定 ?15C 積溫的空間分布總體呈現“南部多、北部少,平原多、山區少”的格局(圖3)。由表1中板藍根對 積溫的要求等級可以看出, ?15‰ 積溫 ?2300C?d 的區域出現在哈巴河縣域南部海拔 410~lt;460m 的沙漠、戈壁地帶; ?15% 積溫 主要分布在縣域中部和東南部海拔在460~lt;750m 的區域; ?15‰ 積溫 區域主要分布在縣域以北海拔 750~lt;1280m 的丘陵和峽谷;縣域以北海拔 1280m 以上的中山帶及高山帶區域 ?15‰ 積溫一般不足 1000°C?d 。

3.2.3無霜期。哈巴河縣無霜凍期的空間分布總體呈現“北部長、南部短,平原和沙漠長、山區短\"的格局(圖4)。以

圖21991—2020年哈巴河 ?10 積溫空間分布

Fig.2Spatial distribution of accumulated temperature in Habahe County from 1991 to 2020

表1中板藍根對無霜期要求分級的標準來看,無霜期 ?162 d的區域主要分布在哈巴河縣域南部海拔 460m 以下的平原、沙漠地帶;無霜期 150~lt;162d 的區域主要在哈巴河平原中部海拔 460~lt;800m 地帶以及哈巴河東南部海拔 460~lt;800m 的戈壁邊緣地帶;無霜期 130~lt;150d 的區域主要在哈巴河北部海拔 800~lt;1300m 山前傾斜平原和丘陵地帶;哈巴河北部海拔 1 300m 以上的區域無霜期一般不足 130d 0

圖31991—2020年哈巴河 ?15C 積溫空間分布Fig.3Spatial distribution of accumulated temperature ?15C in Habahe County from 1991 to 2020

3.2.47月平均氣溫空間分布。7月是哈巴河縣一年中氣溫最高的月份,其空間分布總體呈“平原和戈壁高、丘陵和山區低\"的格局(圖5)。由表1的板藍根生長對最熱月平均氣溫要求分級可知,7月平均氣溫 的區域主要分布在哈巴河縣域南部海拔低于 450m 地帶: 22.3~lt;23.3°C 的區域主要分布在縣域中南部海拔 450~lt;700m 的河谷平原地帶; 的區域主要分布在縣域北部海拔 700~ lt;1200m 的丘陵及淺山區地帶;哈巴河北部海拔 1 200m 以上的區域7月平均氣溫低于 20.0‰ 。

圖41991—2020年哈巴河無霜凍期空間分布Fig.4Spatial distribution of frost-free period in Habahe County from1991to 2020
圖51991—2020年哈巴河7月平均氣溫空間分布Fig.5Spatial distributionof mean temperature in July over Habahe County from1991to 2020

3.2.57月最高氣溫空間分布。哈巴河縣7月最高氣溫的空間分布總體呈“平原和戈壁高、丘陵和山區低”的格局(圖6)。根據表2板藍根生長對7月最高氣溫要求分級可知,7月最高氣溫 ?36.9C 以上的區域主要分布在哈巴河縣南部海拔低于 470m 的地帶: 35.0~lt;36.9°C 的區域分布在縣域中部海拔 470~lt;900m 的河谷平原地帶; 32. 0~ lt;35.0°C 區域分布在縣域北部海拔 900~lt;1300m 的丘陵及淺山區地帶;" 的區域分布在縣域北部海拔 1300m以上的地帶。

3.2.6 ?35?C 高溫天數空間分布。哈巴河縣 高溫天數的空間分布總體呈“平原和河谷地帶高,山區丘陵和山區低\"的格局(圖7)。由表2板藍根生長對 ?35°C 高溫天數要求分級可以看出, 高溫天數 ?5d 的區域主要分布在縣域南部海拔低于 480m 的地帶; 3~lt;5d 的區域主要分布在縣域中部河谷地帶海拔 480~lt;1000m 地帶; lt;3d 的區域主要分布在縣域北部海拔 1000m 以上地帶。

圖61991—2020年哈巴河7月最高氣溫空間分布

Fig.6Spatial distribution of maximum temperature in July over Habahe County from 1991 to 2020

圖71991—2020年哈巴河 ?35 ℃高溫天數空間分布

Fig.7Spatial distributionofhigh temperaturedays ≥35°C inHabahe Countyfrom1991to2020

3.2.79月下旬—10月上旬降水量空間分布。哈巴河縣板藍根成熟期降水量的空間分布總體呈現“南部和河谷少,北部丘陵和山區多”的格局(圖8)。由表2板藍根對9月下旬一10月上旬降水量要求分級的標準可以看出,9月下旬—10月上旬降水量 ?13.5mm 的區域主要分布在哈巴河縣域北部海拔 900m 以下的平原河谷地帶;降水量13.5\~lt;15.5mm 的區域主要分布在縣域北部海拔 900~lt;1300m 丘陵地帶;縣域北部海拔 1300m 以上的區域9月下旬—10月上旬降水量在 15.5mm 以上。

3.3板藍根精細化農業氣候區劃及分區評述哈巴河板藍根氣候適宜性分區以氣象指標和土地利用數據為主,結合地理因子,空間分辨率 100m×100m ,建立氣象因子與地理因子空間分析模型,根據板藍根種植氣候適宜性區劃指標分級,應用模糊聚類綜合評判法,得到基于地理信息的復合氣象指標的哈巴河縣板藍根種植氣候適宜性精細化區劃圖(圖9),分區為4級,即最適宜種植區、適宜種植區、次適宜種植區、不適宜種植區。

圖81991—2020年哈巴河9月下旬一10月上旬降水量空間分布

Fig.8Spatial distribution of precipitation in Habahe County from late September toearly October,1991-202

圖9哈巴河縣板藍根種植氣候適宜性精細化區劃

Fig.9Fine-grained zoning of planting climate suitability of Isatis tinctoria in Habahe County

3.3.1最適宜種植區。板藍根最適宜種植區主要分布在哈巴河中部海拔 480~lt;700m 的河谷帶狀區域內,主要包括薩爾塔木鄉、阿克齊鎮、庫勒拜鎮、薩爾布拉克鎮,其中,種植規模較大的庫爾米西村、卻限村、莎爾塔木鄉都屬于最適宜區(圖9)。該最適宜區 ?10°C 積溫 2700~2950%?d,≥15% 積溫 2100~2300‰ 無霜期滿足 ?155d,7 月平均氣溫22.3~23.3°C , ?35°C 高溫天數 lt;3d,7 月最高氣溫 lt;37°C ,板藍根生長發育關鍵期高溫影響小,因此,最適宜區的熱量條件能充分滿足板藍根種植需求,建議在最適宜區河谷地帶擴大板藍根種植面積,具體可向薩爾塔木鄉東南部和位于西北方向的薩爾布拉克鎮延伸。

3.3.2適宜種植區。板藍根適宜種植區主要分布在2個區域,一個在縣域南部海拔 450~lt;480m 的河谷帶狀區域內,另一個在縣域北部海拔 700~lt;900m 的河谷帶狀區域內,主要包括薩爾塔木鄉、阿克齊鎮、庫勒拜鎮、薩爾布拉克鎮除最適宜種植區兩邊之外的區域(圖9)。該適宜區" 積溫2 500-2 700°C?d,≥15°C 積溫 1800~2100‰ :無霜期 ? 145d;7 月平均氣溫 高溫天數南部lt;5d 北部 lt;3d;7 月最高氣溫北部 35~36°C ,板藍根生長發育關鍵期北部受高溫影響很小,南部有一些影響,因此,適宜區的熱量條件能基本滿足板藍根種植需求,建議在適宜區內適量擴大板藍根種植面積,

3.3.3次適宜種植區。板藍根次適宜種植區主要由2部分組成,其中一部分在哈巴河縣北部海拔 900~lt;1200m 的丘陵區域;另一部分在海拔 lt;450m 的平原區內(圖9)。北部次適宜種植區 ?10C 積溫 1 800~2 500‰ 積溫1000~1800°C?d. 無霜期 ?130d,7 月平均氣溫 20.0~ 22.0%,≥35% 高溫天數 lt;3d,7 月最高氣溫 lt;35‰ ,分布在北區的板藍根發育關鍵期未受高溫影響;但熱量不足,不能充分滿足板藍根生長的需求,加之成熟期降水偏多,因此北部淺山區和丘陵地帶不宜大面積種植板藍根。南部次適宜種植區 ?10°C 積溫 ?2950‰ 積溫 ?2300°C?d 無霜期 ?162d,7 月平均氣溫 ≥23.3%,≥35% 高溫天數 ? 5d,7月最高氣溫 ?36.9°C ,由于板藍根生長關鍵期受高溫影響較大,南部次適宜種植區的熱量條件雖然充足,但高溫影響是限制因子,加之干旱影響,因此,海拔 450m 以下的區域不宜擴展板藍根的種植面積。

3.3.4不宜種植區。板藍根不適宜種植區主要分布在海拔?1200m 的區域(圖9)。該區 ?10% 積溫 lt;1800cC?d ?15‰ 積溫 lt;1 000C?d ,無霜期 lt;130d,7 月平均氣溫lt;20.0% 。因此,不適宜種植區的熱量條件不能滿足板藍根種植的基本需求,所以,該區域內禁止種植板藍根

4結論與討論

(1)?10°C 積溫 ?15°C 積溫、7月平均氣溫、無霜凍期是影響哈巴河縣板藍根種植的主要氣候因素,綜合考慮其海拔、地形地貌以及高溫天氣和成熟中后期持續降水對板藍根產量和品質的影響,應用模糊聚類綜合評判法,基于GIS和綜合氣象指標對哈巴河縣種植板藍根進行氣候適宜性精細化區劃,得出其最適宜種植區主要在哈巴河中部海拔 480~ lt;700m 的河谷帶狀區域內,適宜種植區主要在縣域南部海拔 450~lt;480m 的河谷帶狀區域內和縣域北部海拔 700~ lt;900m 的河谷帶狀區域內,次適宜種植區分布在縣域北部海拔 900~lt;1200m 的丘陵區域和海拔 lt;450m 的平原區內,不適宜種植區主要分布在海拔 ?1200m 的區域。

(2)該研究分析了板藍根生長的氣候生態條件,確定了影響哈巴河縣板藍根種植與生長的主要氣候限制因子和氣候生態區劃指標,并基于GIS技術對哈巴河縣進行 100m×Ω 100m 細網格的板藍根種植氣候適宜性精細化區劃,區劃結果與實際種植區有很好的一致性,這不僅提高了區劃的科學性和精細化程度,也為哈巴河縣科學制定板藍根生產發展規劃、優化種植布局提供了科學依據。但是,板藍根的產量和品質不僅受氣候條件影響,還受土壤條件、栽培管理技術水平等因素影響。因此,各地要根據區劃結果因地制宜制定相應的栽培技術,加強防護措施,提高栽培管理技術水平,促進板藍根高產優產。

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