北疆墾區(qū)熱量資源變化及棉花單產(chǎn)對氣候變暖的響應(yīng)

摘要：基于北疆墾區(qū)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第六師新湖農(nóng)場1981-2014年數(shù)據(jù)，分析了其春、夏、秋季和棉花主要生長季（5～9月，包括2015年）及各月的平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫的年際、年代際變化，并與棉花單產(chǎn)做相關(guān)性分析。結(jié)果表明，春、夏、秋季及主要生長季的氣溫年際變化均為變暖趨勢，增溫率秋季大，夏季小；34年間平均氣溫上升了1.2～2.7 ℃，平均最高氣溫上升了1.5～2.3 ℃，平均最低氣溫上升了2.0～2.6 ℃；從5～9月來看，5月平均氣溫、最低氣溫增幅大，6月最高氣溫增幅大；年代際的變化是平均氣溫和平均最高氣溫秋季升幅大，平均最低氣溫春季和秋季升幅最大；5～9月的各月分布是5、8月逐年代均為上升，但6月最高、7月最低、9月最高氣溫、最低氣溫都出現(xiàn)了振蕩；棉花單產(chǎn)與氣溫變化趨勢慢而穩(wěn)定（夏季、主要生長季、7月平均氣溫、最高氣溫、8月），與上升幅度大（5月平均氣溫、最低氣溫）的溫度因子關(guān)系為顯著正相關(guān)；5～9月5個月的平均氣溫和最高氣溫與產(chǎn)量為顯著正相關(guān)，其中8月與產(chǎn)量相關(guān)性最好。

關(guān)鍵詞：北疆墾區(qū)；熱量資源變化；氣溫；棉花單產(chǎn)；相關(guān)分析

中圖分類號：S162.5； 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4588-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.057

Abstract： Based on the 1981-2014 data from the new farm in the corps of sixth division in Xinjiang production and construction corps of reclamation area in northern Xinjiang， the average temperature， the interannual and interdecadal changes of the average maximum and minimum temperature in spring， summer， autumn and the cotton main growing season（May-Sep， including 2015） and each month were measured， and their correlation with the cotton yield were analyzed. The results showed that， in the spring， summer， autumn and main growing season，the inter-annual change of temperature were all warming， and the warming rate in autumn was faster than in summer. During 34 years， the average temperature increased by 1.2 to 2.7 ℃， and the average maximum temperature increased by 1.5 to 2.3 ℃，and the average minimum increased by 2.0 to 2.6 ℃. From May-September， the average temperature， the minimum temperature in May， and the maximum temperature in June increased by much. From inter-decadal change， the average temperature and average maximum temperature increased by much， the average minimum temperature increased furthest in spring and autumn； From monthly distribution of May- September， the interdecadal temperature in both May and August were increased， but have the highest rise in June and the lowest rise in July， and the maximum and minimum temperature in September showed a trend of oscillation. The cotton yield and temperature change indicated a trend of slow and steady（in the summer， the main growing season， average temperature and maximum temperature in July， August）， having obvious positive correlation with greatly increased temperature factors （average and minimum temperature in May）. In May-September， the average temperature and the maximum temperature during 5 months were positively correlated with yield obviously， among which there was significant correlation in August.

Key words： average temperature；average maximum temperature；average minimum temperature；cotton yield；correlation analysis

氣候變暖對農(nóng)作物的生長、布局和種植結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響，同時相伴隨的極端天氣氣候事件、氣象災(zāi)害也在增加，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展的負面影響也逐漸顯露。棉花是典型的喜溫作物，隨著種植技術(shù)的不斷變革、棉花品種優(yōu)勝劣汰，產(chǎn)量有了明顯提升，作為農(nóng)業(yè)氣候資源的熱量特征量，溫度是決定其發(fā)育速率、影響發(fā)育進程、進而影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，起著非常重要的作用。比如2012年溫度持續(xù)偏高、熱量資源非常豐富，北疆第六師棉花產(chǎn)量較2011年有明顯提高，但2013、2014年受階段性低溫冷害、熱量資源不足的影響，棉花出現(xiàn)了不同程度減產(chǎn)[1，2]，2015年受7月罕見的長時間的高溫影響，造成蕾鈴脫落、棉花生長受到抑制，對產(chǎn)量也造成較大影響。

對棉花等農(nóng)作物的產(chǎn)量與氣候因子的關(guān)系，前人做了較多研究[3-12]，但大都是從平均氣溫的角度進行的。本研究從平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫變暖的角度分析北疆氣溫變化的特征及其與棉花產(chǎn)量的關(guān)系，以期為棉花種植管理提供科學依據(jù)，以提高氣候資源的高效利用、促進北疆墾區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。

1 材料與方法

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第六師新湖農(nóng)場位于準噶爾盆地南緣，在棉花氣候區(qū)劃上屬于宜棉區(qū)，是主要的棉花種植區(qū)之一，對北疆墾區(qū)棉花氣候資源具有一定的代表性。選擇該農(nóng)場氣象站1981-2014年的月平均氣溫、月平均最高氣溫、最低氣溫資料分析其春、夏、秋季和棉花主要生長季（5～9月，包括2015年）及各月的年際、年代際變化特點。30年均值采用1981-2010年氣候均值；棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于第六師統(tǒng)計局。

長時間的產(chǎn)量波動不僅與氣象因子有關(guān)，也與品種和技術(shù)的變革有很大關(guān)系，在長時間序列的產(chǎn)量與氣象因子的統(tǒng)計研究中，一般把作物的產(chǎn)量分解為趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量，趨勢產(chǎn)量反映的是生產(chǎn)力水平的長周期的產(chǎn)量分量，也稱為技術(shù)產(chǎn)量，氣象產(chǎn)量是受氣象因子影響的短周期的波動產(chǎn)量分量。

分離趨勢產(chǎn)量的方法是將實際單產(chǎn)采用多項式進行回歸分析，得到回歸方程y=-0.033 5x3+ 3.266 8x2-42.82x+374.43（r=0.98，P=0.001），由該方程建立趨勢產(chǎn)量序列，用實際產(chǎn)量減去趨勢產(chǎn)量得到氣象產(chǎn)量序列，再與溫度因子進行回歸分析，判斷棉花單產(chǎn)與哪些溫度因子的關(guān)系最顯著。本研究棉花單產(chǎn)均為氣象產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 植棉區(qū)熱量資源特征分析

2.1.1 溫度年際變化特征 分析表明，1981-2014年平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫年際變化均呈現(xiàn)變暖趨勢，增溫率由大到小的順序均為秋季-春季-主要生長季-夏季，對春季、夏季和主要生長季（5～9月）來講，增溫率最大的是最低氣溫，對秋季來講，增溫率最大的是平均氣溫（表1）。其最高值出現(xiàn)在90年代后期和以后，主要是1997年和2012年，最低值則在各年代都有分布，主要是1984年、1985年和1992年。

1981-2014年34年間，春季氣溫總體呈上升趨勢，最低氣溫上升快，最高氣溫上升慢，氣溫年際間波動大，上升趨勢不穩(wěn)定（表1）。平均氣溫上升了1.8 ℃，一元回歸模型通過P=0.1的檢驗，增溫速率0.52 ℃/10年，最高值1997年，最低值2010年；平均最高氣溫上升了1.6 ℃，一元回歸模型未通過檢驗，增溫速率0.46 ℃/10年，最高值1997年，最低值2010年；平均最低氣溫上升了2.1 ℃，一元回歸模型通過P=0.05的檢驗，增溫速率0.63 ℃/10年，最高值1997年，最低值1985年。

夏季氣溫總體呈緩慢上升趨勢，最低氣溫上升快，平均氣溫上升慢，氣溫年際間波動小，上升趨勢穩(wěn)定，最高氣溫1998年和2001年出現(xiàn)兩次明顯升溫，之后呈下降趨勢，但仍高于80年代至90年代初期，最低氣溫近幾年變幅增大。平均氣溫上升了1.2 ℃，一元回歸模型通過P=0.001的檢驗，增溫速率0.35 ℃/10年，最高值2012年，較低值1984年和1992年；平均最高氣溫上升了1.5 ℃，一元回歸模型通過P=0.001的檢驗，增溫速率0.44 ℃/10年，較高值1998年和2001年，最低值1993年；平均最低氣溫上升了2.0 ℃，一元回歸模型通過P=0.001的檢驗，增溫速率0.58 ℃/10年，最高值是2012年，較低值是1984年和1985年。

秋季氣溫總體呈明顯上升趨勢，年際間的波動小于春季但大于夏季，平均氣溫上升快，最高氣溫上升慢。平均氣溫上升了2.7 ℃，一元回歸模型通過P=0.001的檢驗，增溫速率0.79 ℃/10年，最高值2006年，最低值1992年；平均最高氣溫上升了2.3 ℃，一元回歸模型通過P=0.001的檢驗，增溫速率0.69 ℃/10年，較高值1991年和2006年，最低值1987年；平均最低氣溫上升了2.6 ℃，一元回歸模型通過P=0.001的檢驗，增溫速率0.76 ℃/10年，最高值是2005年，最低值是1985年。

棉花主要生長季（5～9月）溫度變化情況（圖1）總體呈上升趨勢，最低氣溫上升快，平均氣溫上升慢，且自1995年轉(zhuǎn)正距平后，除2003、2009和2010年外，持續(xù)偏高，但最低氣溫近幾年變幅增大。平均氣溫上升了1.4 ℃，一元回歸模型通過P=0.001的檢驗，增溫速率0.62 ℃/10年，最高值2012年，最低值1992年；平均最高氣溫上升了1.5 ℃，一元回歸模型通過P=0.01的檢驗，增溫速率0.44 ℃/10年，最高值1997年，最低值1992年；平均最低氣溫上升了2.1 ℃，一元回歸模型通過P=0.001的檢驗，增溫速率0.62 ℃/10年，最高值是2012年，最低值是1985年。

從5～9月的各月分布來看（表2），平均氣溫增溫幅度由大到小的順序是5、6、9、7、8月，平均最高氣溫增溫幅度由大到小的順序是6、5、7、8、9月，平均最低氣溫增溫幅度由大到小的順序是5、6、8、9、7月。從表2可以看到，平均氣溫、最低氣溫增溫幅度最大都是5月，最高氣溫增溫幅度最大是6月。

2.1.2 溫度年代際變化特征 分析平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫1980年代、1990年代、2000年代各年代際的變化（表3），都是逐年代升高，平均氣溫和平均最高氣溫秋季增溫最快，春季次之，夏季最慢，平均最低氣溫春季和秋季增溫快，夏季略慢。

棉花主要生長季（5～9月）及各月的平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫在1980年代、1990年代、2000年代的變化情況是，1980年代、1990年代為一致的上升趨勢，在2000年代除7月平均氣溫較1990年代下降0.1 ℃，最低氣溫下降0.3 ℃，其它都是上升趨勢；2011-2015年在以上升為主的趨勢中又發(fā)生了一些新變化，一是9月平均氣溫未變，最高氣溫下降0.5 ℃，最低氣溫下降0.3 ℃，二是6月最高氣溫下降0.3 ℃，表3中箭頭所示。從表3可以看出，5月和8月平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫逐年代均為上升，但6月最高氣溫、7月最低氣溫（平均氣溫變化小，可不計）和9月最高、最低氣溫都出現(xiàn)了振蕩。

2.2 溫度變化與產(chǎn)量的相關(guān)分析

用棉花單產(chǎn)分別與春、夏、秋季、主要生長季（5～9月）及5、6、7、8、9月逐項做回歸分析，并做顯著性檢驗，結(jié)果顯示，棉花單產(chǎn)與平均氣溫的夏季5～9、5、7、8月的相關(guān)性較好，P<0.01；與最高氣溫的夏季5～9、7、8月相關(guān)性較好，P<0.01；與最低氣溫的夏季5～9、5、8月相關(guān)性較好，P<0.01。

與氣溫的年代、年代際變化相對應(yīng)，棉花單產(chǎn)與氣溫變化趨勢慢且穩(wěn)定的夏季、主要生長季、7月平均氣溫、最高氣溫、8月以及上升幅度最大的5月平均氣溫、最低氣溫的關(guān)系為顯著正相關(guān)。

用棉花單產(chǎn)與5、6、7、8、9月5個月的平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫做多元回歸，并做顯著性檢驗，結(jié)果顯示，棉花單產(chǎn)與5個月的平均氣溫、平均最高氣溫的相關(guān)性較好，P<0.05，并可建立如下兩個回歸方程。與平均最低氣溫回歸未通過顯著性檢驗。

1）Y=28.8X5+10.4X6+60.2X7+109.7X8-15.9X9- 4 603。式中，X5、X6、X7、X8、X9分別表示5、6、7、8、9月的平均氣溫。

2）Y=11.9X5+2.6X6+27.4X7+94.5X8+5.3X9-4436。式中，X5、X6、X7、X8、X9分別表示5、6、7、8、9月的平均最高氣溫。

從上述兩個回歸方程可以看出，8月平均氣溫和最高氣溫與棉花單產(chǎn)相關(guān)性最好，其回歸系數(shù)較其他幾個月大，且其t統(tǒng)計量的P都是0.02，通過顯著性檢驗。

5個月中8月與棉花單產(chǎn)的相關(guān)性最好的原因，可以從以下幾方面做分析：分析標準差（衡量變量圍繞其平均值變化幅度的度量），5個月的平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫的標準差從小到大排列都是7、8、6（9）、5月，也就是說7、8月氣溫變化幅度是最小的，加之前面分析的7、8月平均氣溫35年間上升不到1 ℃，也是這5個月最小，因此與產(chǎn)量的關(guān)系也較穩(wěn)定；在此基礎(chǔ)上，分析7、8月的環(huán)流背景，通過多年的環(huán)流形勢看，7月是盛夏，北疆處于副熱帶西風急流中，影響系統(tǒng)主要是南支鋒區(qū)的波動，造成以降水為主的天氣，因此容易出現(xiàn)高溫天氣，當最高氣溫37 ℃以上時，棉花生長就會受到抑制，40 ℃以上將會造成蕾鈴脫落和停止生長，8月是夏季后期，北支極鋒急流回到中緯度地區(qū)，影響北疆的系統(tǒng)是南北兩支鋒區(qū)共同造成的，因此高溫天氣日數(shù)減少，對棉花的生長更為有利，前面分析的7月最高氣溫升溫幅度大于8月也間接驗證了這一點；從棉花生育期分析，8月是鈴期的主要生長階段，已有研究[13]表明，新疆棉花產(chǎn)量庫構(gòu)成因素中單鈴重增加幅度最大，而積溫高則鈴重大、鈴期短，8月年際變化無論是平均氣溫還是最高氣溫或最低氣溫都穩(wěn)定上升，對棉鈴的生長是非常有利的。分析表明，8月的氣溫與產(chǎn)量的關(guān)系較其他幾個月好，為顯著正相關(guān)。

3 結(jié)論

1）1981-2014年平均氣溫、平均最高/最低氣溫年際變化均呈現(xiàn)變暖趨勢，增溫率由大到小的順序均為秋季、春季、主要生長季（5～9月）、夏季；對于春季、夏季和主要生長季，增溫率最大的是最低氣溫，對于秋季，增溫率最大的是平均氣溫。春季氣溫總體呈上升趨勢，但氣溫年際間波動大，上升趨勢不穩(wěn)定；夏季氣溫總體呈緩慢上升趨勢，氣溫年際間波動小，上升趨勢穩(wěn)定；秋季氣溫總體呈明顯上升趨勢，年際間的波動小于春季但大于夏季。34年間平均氣溫上升了1.2～2.7 ℃，平均最高氣溫上升了1.5～2.3 ℃，平均最低氣溫上升了2.0～2.6 ℃。

2）棉花主要生長季（5～9月）總體呈上升趨勢，自1995年轉(zhuǎn)正距平后，除2003年、2009年和2010年外，持續(xù)偏高，但最低氣溫近幾年變幅增大；從5～9月的各月分布來看，5月平均氣溫、平均最低氣溫增溫幅度最大，6月平均最高氣溫增溫幅度最大。

3）平均氣溫、平均最高氣溫、最低氣溫1980年代、1990年代、2000年代的變化是，春、夏、秋季及主要生長季都是逐年代升高；5～9月的各月分布是5、8月逐年代升高，但6月最高氣溫、7月最低氣溫和9月最高、最低氣溫在2000年代和2011-2015年出現(xiàn)了振蕩。

4）棉花單產(chǎn)與氣溫變化趨勢慢且穩(wěn)定的夏季、主要生長季、7月平均/最高氣溫、8月以及上升幅度最大的5月平均/最低氣溫為顯著正相關(guān)；與5、6、7、8、9月的平均氣溫、最高氣溫為顯著正相關(guān)，且與8月氣溫相關(guān)性最好。

參考文獻：

[1] 張 燕，賴軍臣，傅瑋東.2013年北疆墾區(qū)不同棉區(qū)棉花產(chǎn)量波動的氣候因素對比分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2014，42（34）：12177-12179.

[2] 張 燕，賴軍臣.2014年度天氣氣候?qū)Ρ鴪F第六師主要農(nóng)作物生長影響評述[J].新疆農(nóng)墾科技，2015，38（242）：75-77.

[3] 袁玉江，李新建，何 清.影響阿克蘇棉區(qū)棉花單產(chǎn)的溫度要素分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2001，22（1）：34-38.

[4] 姜逢清，楊德剛.新疆棉花產(chǎn)量構(gòu)成要素分析[J].干旱區(qū)研究， 2003，20（2）：104-109.

[5] 何 清，袁玉江，李新建.新疆主產(chǎn)棉區(qū)熱量變化及對棉花生產(chǎn)的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)大學學報，2000，23（4）：27-36.

[6] 潘旭東，孫自武，馮亞靜.新疆北疆不同積溫條件下棉花生育進程及生長解析[J].中國農(nóng)學通報，2011，27（05）274-280.

[7] 傅瑋東，姚艷麗，毛煒嶧.棉花生長期的氣候變化對棉花生產(chǎn)的影響[J].干旱區(qū)研究，2009，26（1）：142-149.

[8] 劉 輝.新疆特早熟棉花生長發(fā)育動態(tài)與有效積溫關(guān)系研究[J].安徽農(nóng)學通報，2009，15（3）：123-126.

[9] 廉 毅，高樅亭，沈柏竹.吉林省氣候變化及其對糧食生產(chǎn)的影響[J].氣候變化研究展，2007，3（1）：46-49.

[10] 王鶴齡，王潤元，趙 鴻.中國西北冬小麥和棉花生長對氣候變暖的響應(yīng)[J].干旱區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（1）：258-265.

[11] 馬雅麗，王志偉，欒 青.玉米產(chǎn)量與生態(tài)氣候因子的關(guān)系[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2009，30（4）：565-568.

[12] 唐湘玲，呂 新.石河子墾區(qū)氣候變化與棉花產(chǎn)量的關(guān)系[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2011，50（8）：1533-1536.

[13] 張旺鋒，勾 鈴，王振林.不同生態(tài)棉區(qū)單鈴重的變化及與氣象因子關(guān)系的研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2002，35（7）：872-877.