氣候變化對湖北省棉花物候期的影響

孫桂蘭，雷亞平，熊世武，張正貴，王占彪，李亞兵

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物學(xué)國家重點實驗室，河南 安陽 455000）

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次氣候變化評估報告指出，1880―2012年，地球平均地表溫度上升了0.85 ℃[1]。農(nóng)業(yè)是對氣候變化最敏感的領(lǐng)域。氣候變化通過光照、熱量和水分等資源的變化影響作物的生長發(fā)育進程，從而影響作物的產(chǎn)量[2-5]。充分理解氣候變化對作物的影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中探尋高效利用氣候資源、提高作物產(chǎn)量的措施，成為氣候變化研究的重要內(nèi)容之一[6]。

物候期是進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要依據(jù)，也是作物對氣候變化響應(yīng)的最敏感的指標(biāo)之一[7]。因此，研究氣候變化對物候期的影響，也是氣候變化研究的焦點之一[8]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者基于氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象站點的物候期觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星資料數(shù)據(jù)和作物模型等分別研究了小麥、玉米、水稻等大宗作物物候期變化及其對氣候變化的響應(yīng)[9-12]，但關(guān)于氣候變化對棉花物候期影響的研究相對較少。

棉花是我國主要經(jīng)濟作物之一，種植歷史悠久，全國有三大優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，即長江流域、黃河流域和西北內(nèi)陸棉區(qū)[13]。湖北省是長江流域棉區(qū)重要的棉花種植省份。近50年來，湖北省年平均氣溫和年降水量呈逐漸增加趨勢[14-15]。氣候變化勢必對湖北省棉花生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響。因此，研究氣候變化背景下湖北省棉花各生育階段水熱資源的變化趨勢及其對棉花物候期的影響，可為指導(dǎo)湖北省棉花生產(chǎn)、有效利用氣候資源和提高棉花產(chǎn)量提供重要的理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

棉花物候期數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)均來源于中國氣象局。由于數(shù)據(jù)限制，物候期數(shù)據(jù)僅包括1994―2013年湖北省3 個農(nóng)業(yè)氣象試驗站的棉花播種、出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮和收獲日期。3 個氣象站點與農(nóng)業(yè)氣象試驗站對應(yīng)或相鄰，氣象數(shù)據(jù)包括3 個站點的逐日平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)（表1）。

1.2 測定指標(biāo)和方法

1.2.1棉花物候期及生育階段的劃分。選取了6 個棉花重要的物候期，分別為播種、出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮和收獲； 選取了6 個棉花重要的生育階段，即播種―出苗、出苗―現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾―開花、開花―吐絮、吐絮―收獲以及播種―收獲。其中，物候期以日序計算。各農(nóng)業(yè)氣象試驗站點的棉花物候期以1994―2013年平均值計算（表2）。

表1 氣象站點和農(nóng)業(yè)氣象試驗站點信息

表2 1994—2013年湖北省農(nóng)業(yè)氣象試驗站點物候期的平均日序

1.2.2生育期/氣候的傾向率。生育期/ 氣候的傾向率是指生育期/ 氣候要素多年變化趨勢，在計算過程中采用最小二乘法擬合一元線性方程[16]。線性方程為：X＝ a＋bt（X 為氣象要素值，t為年份，a 為常數(shù)項，b 為回歸系數(shù)）。一次方程中的回歸系數(shù)即為生育期/氣候的傾向率。

1.2.3數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)處理和作圖均采用Microsoft Excel 2013 完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花各生育階段氣候變化特征

由表3可知，各生育階段≥0 ℃積溫和平均溫度除播種―出苗和開花―吐絮2 個生育階段呈降低趨勢外，其他各生育階段大致表現(xiàn)為升高趨勢。3個站點播種―收獲階段≥0 ℃積溫傾向率平均值為 1.204 ℃·d·a－1，平均溫度傾向率平均值為 0.006℃·a－1。各生育階段的降水量除出苗—現(xiàn)蕾階段呈升高趨勢，其他各生育階段大致呈降低趨勢。

2.2 棉花物候期變化特征

由圖1可知，3 個農(nóng)業(yè)氣象試驗站點的播種期和收獲期均呈延后趨勢。除襄陽驛外，其他站點的出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期和吐絮期均呈提前趨勢。其中，襄陽驛的播種期和現(xiàn)蕾期呈極顯著延后趨勢（P＜0.01），傾向率分別為 0.823 d·a－1、0.635 d·a－1；江陵的吐絮期呈顯著提前趨勢，傾向率為－0.653 d·a－1。

表3 1994—2013年棉花生長季溫度、降水量變化傾向率

2.3 棉花各生育階段長短變化特征

由圖2可知，湖北省3 個農(nóng)業(yè)氣象站點棉花播種―出苗和現(xiàn)蕾―開花2 個生育階段均縮短，出苗―現(xiàn)蕾階段均延長。其他生育階段，均有2 個站點表現(xiàn)為開花―吐絮和播種—收獲延長，吐絮―收獲縮短。另外，襄陽驛、江陵和天門3 個站點的播種―出苗均極顯著縮短 （P＜0.01），傾向率分別為－0.350 d·a－1、－0.401 d·a－1和－0.248 d·a－1。江陵的現(xiàn)蕾―開花階段表現(xiàn)為顯著縮短 （P＜0.05），傾向率為－0.316 d·a－1；吐絮―收獲階段表現(xiàn)為極顯著延長（P＜0.01），傾向率為 0.950 d·a－1。

2.4 棉花各生育階段長短與氣候變化的相關(guān)系數(shù)

由表4可知，棉花各生育階段≥0 ℃積溫和平均溫度與該生育時期長短大致呈負(fù)相關(guān)，而降水量與該生育時期長短除播種—出苗階段呈負(fù)相關(guān)外，其他生育階段大致呈正相關(guān)。

圖1 1994—2013年湖北省棉花物候期傾向率

圖2 1994—2013年湖北省棉花各生育階段長短傾向率

3 討論與結(jié)論

氣候變化背景下，作物生長季水熱資源發(fā)生了顯著的變化[17-18]。本研究發(fā)現(xiàn)，湖北省棉花各生育階段≥0 ℃積溫和平均溫度除播種—出苗和開花—吐絮階段呈降低趨勢，其他各生育階段大致呈升高趨勢； 而降水量除出苗—現(xiàn)蕾階段呈升高趨勢，其他各生育階段大致呈降低趨勢。這與前人研究結(jié)果有所差異，主要原因在于本文是針對棉花各生育階段水熱資源變化趨勢進行研究，而并非針對年平均降水量進行研究[15]。細(xì)化的結(jié)果對指導(dǎo)湖北省棉花生產(chǎn)具有更具體的幫助。

王占彪等[19-20]研究發(fā)現(xiàn)，河北省棉花除收獲期呈延后趨勢，其他物候期均呈提前趨勢。各生育階段變化表現(xiàn)為開花之前各生育階段縮短，開花之后各生育階段延長，整個生育期延長。而本研究發(fā)現(xiàn)，湖北省棉花播種期呈延后趨勢，這與王占彪等[19]研究結(jié)果不一致，主要原因是湖北省與河北省的氣候變化有所差異，本研究中湖北省棉花播種期≥0 ℃積溫和平均溫度呈下降趨勢，所以播種期要推遲；而黃河流域棉花播種期溫度升高，所以播種期提前。另外，本研究中各生育階段長短的變化規(guī)律不是很一致，中間有升高有降低，而整個生育期呈延長趨勢。造成這一結(jié)果的主要原因是由氣溫、降水變化、品種更替和栽培措施演變等多種因素共同造成了物候期變化，因而不能將氣候變化作為物候期變化的唯一因素[6]，未來也應(yīng)考慮多個氣象因素、品種等因素，并利用模型進一步分析物候期變化。

本研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化會造成棉花物候期提前或延后，而物候期的變化可能會造成花期等對于極端高溫、干旱、澇害等較為敏感的水分臨界期發(fā)生變化，這就使得棉花生產(chǎn)產(chǎn)生了極大的不確定性，未來應(yīng)對此進行深入研究，以降低減產(chǎn)風(fēng)險。

表4 1994—2013年棉花各生育階段氣象變化與該生育階段長短的相關(guān)系數(shù)