塔里木灌區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源動(dòng)態(tài)變化對(duì)膜下滴灌棉花種植的影響

(塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

IPCC第五次報(bào)告指出，與1986～2005年相比，2016～2035年間全球平均氣溫可能升高0. 3～0. 7 ℃，2081～2100年可能上升0. 3～4. 8 ℃[1]。近50年中國年平均氣溫增加了1. 1 ℃，增溫速率為0. 22 ℃/10 a[2]，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)后期將升高1. 9～5. 5 ℃[3]，極端天氣和氣候事件頻發(fā)，嚴(yán)重影響了作物生育期長短、作物產(chǎn)量波動(dòng)和作物種植布局的安排，已成為世界共同關(guān)注的重大科學(xué)問題[4]。Yang等[5]認(rèn)為，氣候變化將會(huì)導(dǎo)致新疆棉花生育期縮短、產(chǎn)量增加；陳金梅等[6]認(rèn)為，氣溫上升，病蟲害發(fā)生面積和程度增加，不利于棉花高產(chǎn)；徐德源等[7]認(rèn)為，生長關(guān)鍵期熱量不足對(duì)棉花產(chǎn)量影響較大等。以往研究多通過整段時(shí)間討論光、溫和水資源變化棉花產(chǎn)量的影響，但分時(shí)段對(duì)塔里木灌區(qū)膜下滴灌棉花種植的影響研究較少。

塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)(80°30′―81°58′E；40°22′―40°57′N)位于塔克拉瑪干沙漠北緣，塔里木河上游；該區(qū)域土質(zhì)疏松，植被單調(diào)，光熱資源豐富，降水稀少，塔里木河是區(qū)域主要的灌溉水源，是新疆南部主要的農(nóng)、林、牧業(yè)灌溉區(qū)和重要的國家級(jí)棉花生產(chǎn)基地。20世紀(jì)80年代后期，塔里木灌區(qū)出現(xiàn)了由冷干到暖濕的信號(hào)轉(zhuǎn)變[8]，平均氣溫波動(dòng)可達(dá)0. 5 ℃左右[9]，改變了灌區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的量值和重新分配。本研究以塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)為研究區(qū)域，探討墾區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源動(dòng)態(tài)變化對(duì)膜下滴灌棉花種植的影響，旨在為灌區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的高效利用和棉花的種植與安排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以突變點(diǎn)為間隔點(diǎn)，選取阿拉爾市氣象局1987～2014年逐日地面氣象要素值，主要包括日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)；2000～2014年逐年平均皮棉產(chǎn)量，主要來源于《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1.2 研究方法

氣候要素的動(dòng)態(tài)變化采用最小二乘法[10]；≥12 ℃初日和終日的確定采用五日滑動(dòng)平均氣溫法[11]；棉花產(chǎn)量和各氣候要素的關(guān)系采用多元回歸分析[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)氣候資源動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 熱量資源動(dòng)態(tài)變化

塔里木灌區(qū)―阿拉爾墾區(qū)多年年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫分別為10. 8 ℃、19. 1 ℃、3. 7 ℃ ，年、季突變點(diǎn)均出現(xiàn)在1987年[9]。1987年后，塔里木灌區(qū)―阿拉爾墾區(qū)年平均氣溫、年平均最低氣溫呈降低趨勢，減幅分別為0. 063 ℃ /10 a(p<0. 01)和0. 115 ℃ /10 a(p<0. 01),平均最高氣溫呈增高趨勢，增幅為0. 263 ℃ /10 a(p>0. 05)，到21世紀(jì)初期分別為10. 7 ℃、3. 5 ℃和19. 1 ℃。1987年后，春季平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫均呈增高趨勢，增幅分別為0. 498 ℃ /10 a(p﹥0. 05)、0. 933 ℃ /10 a(p﹥0. 05)和0. 19 ℃/10 a(p﹤0. 05)，至21世紀(jì)初期，分別為14. 9 ℃、22. 9 ℃和7. 1 ℃；夏季平均氣溫和平均最高氣溫呈增高趨勢，增幅為0. 047 ℃ /10 a(p﹥0. 05)和0. 189 ℃ /10 a(p﹥0. 05)，平均最低氣溫呈降低趨勢，減幅為0. 044 ℃/10 a(p﹤0. 05)，至21世紀(jì)初期，分別為23. 9 ℃、31. 8 ℃和16. 6 ℃；秋季平均氣溫和平均最低氣溫呈降低趨勢，減幅分別為0. 117 ℃/10 a(p﹤0. 01)和0. 004 ℃/10 a(p﹤0. 01)，平均最高氣溫呈增高趨勢，增幅為0. 407 ℃ /10 a(p﹥0. 05)，至21世紀(jì)初期，分別為10. 1 ℃、2. 7 ℃和19. 9 ℃；冬季平均氣溫、平均最低氣溫和平均最高氣溫均呈降低趨勢，減幅分別為0. 681 ℃/10 a(p﹤0. 01)、0. 606 ℃/10 a(p﹤0. 01)和0. 478 ℃/10 a(p﹤0. 05)，至21世紀(jì)初期，分別為-5. 3 ℃、-11. 6 ℃和2. 5 ℃。綜上所述，塔里木灌區(qū)―阿拉爾墾區(qū)自1987年以來，年平均氣溫和年平均最低氣溫呈降低趨勢，年平均最高氣溫呈增高趨勢，具體表現(xiàn)在 “春暖―夏暖―秋冷―冬冷”的季節(jié)性分布上。

2.1.2 大氣降水資源動(dòng)態(tài)變化

塔里木灌區(qū)―阿拉爾墾區(qū)年和四季(春、夏、秋、冬)多年平均降水量分別為52. 2 mm和9. 8 mm、33. 1 mm、7. 3 mm、3. 5 mm，但突變點(diǎn)均不明顯[9]。1987年后，年、夏季降水量呈減少趨勢，減幅分別為0. 054 mm/10 a(p>0. 05)和1. 670 mm/10 a(p﹥0. 05)，至21世紀(jì)初期分別為49. 4 mm和27. 7 mm；春、秋、冬季降水量均呈增加趨勢，增幅分別為0. 156 mm/10 a(p﹥0. 05)、2. 354 mm/10 a(p﹥0. 05)和0. 268 mm/10 a(p﹥0. 05)至21世紀(jì)初期分別為10. 1 mm、9. 0 mm和3. 8 mm。綜上所述，塔里木灌區(qū)―阿拉爾墾區(qū)自1987年以來，年降水量呈減少趨勢，具體表現(xiàn)在夏季降水量的減少，春、秋和冬季降水量的增加上。

2.1.3 日照時(shí)數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

塔里木灌區(qū)―阿拉爾墾區(qū)年和四季(春、夏、秋、冬)多年平均日照時(shí)數(shù)分別為2 904. 5 h和718. 0 h、872. 8 h、738. 3 h、565. 3 h，年、季突變點(diǎn)均出現(xiàn)在1987年[12]。1987年后，年和四季日照時(shí)數(shù)均呈增加趨勢，增幅分別為57. 9 h/10 a(p﹤0. 01)和35. 7 h/10 a(p﹤0. 01)、2. 0 h/10 a(p﹤0. 01)、17. 3 h/10 a(p﹤0. 01)和2. 9 h/10 a(p﹥0. 05)，至21世紀(jì)初期分別為2 909. 6 h和738. 9 h、858. 1 h、752. 8 h、569. 8 h。綜上所述，塔里木灌區(qū)―阿拉爾墾區(qū)自1987年以來，年日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢，具體表現(xiàn)在春、夏、秋和冬季日照時(shí)數(shù)的增加上，春、秋季增幅較大，夏、冬季增幅較小。

表1 塔里木灌區(qū)―阿拉爾墾區(qū)主要農(nóng)業(yè)氣候要素動(dòng)態(tài)變化(1987～2013)

**和*分別表示通過0. 01和0. 05信度的顯著性檢驗(yàn)

2.2 膜下滴灌棉花產(chǎn)量與主要農(nóng)業(yè)氣候要素的關(guān)系

2.2.1 膜下滴灌棉花產(chǎn)量和生育期動(dòng)態(tài)變化

塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量和生育期變化曲線見圖1。近15年來，塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花平均皮棉產(chǎn)量為2 298. 0 Kg/hm2，呈增加趨勢，增幅為34. 89 Kg /10 a(P﹤0. 01)；≥12 ℃平均初日、≥12 ℃平均終日和≥12 ℃平均持續(xù)天數(shù)分別為4月7日、10月20日和188天，且≥12 ℃初、終日均呈減少趨勢，減幅分別為8. 2 d/10 a(P﹥0. 05)和 1.4 d/10 a(P﹥0. 05)，≥12 ℃持續(xù)天數(shù)呈增加趨勢，增幅為6. 8 d/10 a(P﹥0. 05)。綜上所述，近15年來，塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量平均增幅為3. 49 Kg /1 a，≥12 ℃初、終日期平均提前了0. 82 d/1 a和0. 14 d/1 a，≥12 ℃持續(xù)天數(shù)平均延長0. 68 d/1 a。

2.2.2 膜下滴灌棉花產(chǎn)量與生育期變化關(guān)系及其模型構(gòu)建

塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)≥12 ℃初、終日期和持續(xù)天數(shù)動(dòng)態(tài)變化及其與棉花產(chǎn)量的關(guān)系見圖1。近15年來，塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量的變化與≥12 ℃初、終日期均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與≥12 ℃持續(xù)天數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。其中，2000～2007年期間，年平均棉花產(chǎn)量僅為1 917. 0 Kg/hm2，≥12 ℃平均初日為4月10日，≥12 ℃平均終日為10月12日，≥12 ℃平均持續(xù)天數(shù)僅為186天；2008年以后，年平均棉花產(chǎn)量為2 562. 0 Kg/hm2，≥12 ℃平均初日為4月3日，≥12 ℃平均終日為10月11日，≥12 ℃持續(xù)天數(shù)為193天。

為進(jìn)一步確定塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量與≥12 ℃初、終日期和≥12 ℃持續(xù)天數(shù)的關(guān)系，構(gòu)建了灌區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量(Y)與≥12 ℃初日序列(I1)、≥12 ℃終日序列(I2)和≥12 ℃持續(xù)天數(shù)(I3)的多元回歸方程。

即為：Y=287. 274 - 0. 931I2+ 0. 690I3(R=0. 300 ；P﹤0. 05)

綜上所述，近15年來，塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化是由≥12 ℃初日、≥12 ℃終日和≥12 ℃持續(xù)天數(shù)的變化綜合作用，其產(chǎn)量的增加主要與≥12 ℃終日的提前和≥12 ℃持續(xù)天數(shù)的延長有關(guān)，與≥12 ℃初日的提前關(guān)系不明顯。

圖1 塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量與生育期動(dòng)態(tài)變化關(guān)系曲線(2000～2014)

2.2.3 膜下滴灌棉花產(chǎn)量與主要?dú)夂蛞仃P(guān)系及其模型構(gòu)建

塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)不同時(shí)段主要?dú)夂蛞刈兓捌淠は碌喂嗝藁óa(chǎn)量與主要?dú)夂蛞刈兓P(guān)系分別見表2和表3。近15年來，塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花生育期(≥12 ℃初日～≥12 ℃終日)平均氣溫、≥12 ℃活動(dòng)積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)均呈增加趨勢，增幅分別為0. 07 ℃/10 a(P﹥0. 05)、9. 90 ℃/10 a(P﹥0. 05)、3. 39 mm/10 a(P﹤0. 05)和242. 63 h/10 a(P﹤0. 01)，平均最高氣溫和平均最低氣溫呈降低趨勢，減幅均不明顯(P﹥0. 05)；春季生育期(≥12 ℃初日～5月31日)降水量、≥12 ℃活動(dòng)積溫和日照時(shí)數(shù)均呈增加趨勢，增幅分別為2. 54 mm/10 a(P﹤0. 05)、92. 37 ℃/10 a(P﹤0. 01)和120. 99 h/10 a(P﹥0. 05)；平均氣溫、平均最低氣溫和平均最高氣溫呈降低趨勢，減幅均不明顯(P﹥0. 05)；夏季生育期(6月1日～8月31日)平均氣溫、平均最高氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)均呈增加趨勢，增幅分別為0. 55 ℃/10 a(P﹥0. 05)、0. 29 ℃/10 a(P﹤0. 05)、2. 15 mm/10 a(P﹥0. 05)和97. 32 h/10 a(P﹤0. 01)，平均最低氣溫和≥12 ℃活動(dòng)積溫減幅均不明顯(P﹥0. 05)；秋季生育期(9月1日～≥12 ℃終日)平均氣溫、平均最低氣溫、≥12 ℃活動(dòng)積溫和日照時(shí)數(shù)均呈增加趨勢，增幅分別為0. 68 ℃/10 a(P﹤0. 01)、0. 98 ℃/10 a(P﹥0. 05)、1. 05 ℃/10 a(P﹥0. 05)和24. 32 h/10 a(P﹥0. 05)，平均最高氣溫和降水量呈減少趨勢，減幅分別為0. 006 ℃/10 a(P﹤0. 01)和1. 291 mm/10 a(P﹥0. 05)。

表2 塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)主要農(nóng)業(yè)氣候要素動(dòng)態(tài)變化(2000～2014年)

**和*分別表示通過0. 01和0. 05信度的顯著性檢驗(yàn)

為進(jìn)一步確定塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量與主要?dú)夂蛞仃P(guān)系，構(gòu)建了灌區(qū)棉花產(chǎn)量(Y)與不同時(shí)段平均氣溫(I1)、平均最高氣溫(I2)、平均最低氣溫(I3)、≥12 ℃ 活動(dòng)積溫(I4)、日照時(shí)數(shù)(I5)和降水量(I6)多元回歸方程。

表3 塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量與主要?dú)夂蛞仃P(guān)系(2000～2014年)

綜上所述，塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化是由平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫、降水量、≥12 ℃ 活動(dòng)積溫和日照時(shí)數(shù)等多種氣象因子綜合作用的結(jié)果，其產(chǎn)量增加主要與春季平均氣溫、平均最高氣溫的升高和日照時(shí)數(shù)的增加有關(guān)，與夏季平均最高氣溫的升高有關(guān)，與其它生育期各氣候要素變化關(guān)系不明顯。

3 結(jié)論

3.1 1987年后，塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)年平均氣溫、年平均最低氣溫和年降水量呈減小趨勢，年平均最高氣溫和年日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢。2000年后，棉花生育期內(nèi)平均氣溫、≥12 ℃活動(dòng)積溫、降水量和日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢，平均最高氣溫和平均最低氣溫呈減少趨勢。

3.2 1987年后，塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)四季氣溫呈 “春暖―夏暖―秋冷―冬冷”的動(dòng)態(tài)變化，降水量呈“春多—夏少—秋多—冬多”的動(dòng)態(tài)變化，日照時(shí)數(shù)均呈增加趨勢，春、秋季增幅較大，夏、冬季增幅較小。2000年后，春季≥12 ℃活動(dòng)積溫和降水量增幅明顯；夏季平均最高氣溫和日照時(shí)數(shù)增幅明顯；秋季平均氣溫增幅明顯，平均最高氣溫降幅明顯；其它時(shí)段氣候要素變幅不明顯。

3.3 塔里木灌區(qū)—阿拉爾墾區(qū)膜下滴灌棉花產(chǎn)量的變化是由平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)多種氣象因子綜合作用的結(jié)果，其產(chǎn)量增加與≥12 ℃終日的提前和12 ℃持續(xù)天數(shù)的延長有關(guān)，與≥12 ℃初日提前關(guān)系不明顯；其棉花產(chǎn)量的增加主要與墾區(qū)春季生育期平均氣溫、平均最高氣溫的降低和日照時(shí)數(shù)增加有關(guān)，與夏季生育期平均最高氣溫的升高有關(guān)，與其它不同生育期氣候要素關(guān)系不明顯。