新疆塔城地區(qū)南部棉花冷害監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)研究

井立軍 井立紅 高婧 周斌 毛榮

摘 要：利用新疆塔城地區(qū)南部沙灣、烏蘇氣象觀測(cè)站地面氣象實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及同期棉花生育期觀測(cè)資料，建立以旬為單位的模糊隸屬度函數(shù)以計(jì)算熱量指數(shù)，進(jìn)而開發(fā)基于CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境的棉花熱量條件監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)，結(jié)合熱量條件、棉田觀測(cè)等情況對(duì)棉花低溫冷害進(jìn)行綜合判識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)棉花冷害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和及時(shí)預(yù)警服務(wù)，最大程度減輕低溫冷害對(duì)棉花生產(chǎn)的影響。

關(guān)鍵詞：低溫冷害;監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo);熱量指數(shù)

中圖分類號(hào)：S161文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20191030060

引言

塔城地區(qū)南部的沙灣、烏蘇兩縣（市）位于新疆天山北麓，準(zhǔn)葛爾盆地西南緣，有著優(yōu)越的水土、光熱等自然條件，20世紀(jì)90年代以來(lái)棉花生產(chǎn)得以迅速發(fā)展，已經(jīng)成為優(yōu)質(zhì)棉花生產(chǎn)基地，兩縣（市）棉花種植面積超過(guò)20萬(wàn)hm2，從事棉花生產(chǎn)的農(nóng)民總數(shù)達(dá)到20余萬(wàn)人，棉花成為當(dāng)?shù)刈畲笞诘霓r(nóng)產(chǎn)品，更是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收的主要途徑。近年來(lái)以高效節(jié)水，標(biāo)準(zhǔn)化種植，全程機(jī)械化栽培、種植技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式已形成，當(dāng)今正是繼續(xù)向智慧農(nóng)業(yè)推進(jìn)的重要關(guān)鍵時(shí)期，開展棉花災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)隨著棉花高效節(jié)水技術(shù)、全程機(jī)械化種植進(jìn)程的加快以及現(xiàn)代栽培管理技術(shù)的引入，棉花生產(chǎn)的單位面積投入逐年增大，投入產(chǎn)出比有明顯提高，但棉花生產(chǎn)抵御氣象災(zāi)害能力薄弱的短板卻日益凸顯，天氣氣候變化和農(nóng)產(chǎn)品價(jià)值市場(chǎng)的波動(dòng)成為影響棉花生產(chǎn)、棉農(nóng)增收最主要的不確定性因素，氣象災(zāi)害對(duì)棉花生產(chǎn)造成的損失呈逐年增大的趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)水平尚不能與當(dāng)前棉花種植技術(shù)的快速發(fā)展相適應(yīng)，急需開展棉花生產(chǎn)氣象服務(wù)指標(biāo)研究，建立棉花熱量條件專項(xiàng)監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

新疆氣象局鄭維[1]、李新建[2]等學(xué)者通過(guò)研究認(rèn)為熱量條件是影響新疆棉花生產(chǎn)最為關(guān)鍵的氣象因子，對(duì)棉花產(chǎn)量、品質(zhì)有重大影響，并對(duì)新疆棉花冷害做了深入的研究，得出了低溫冷害是新疆棉花生產(chǎn)第一災(zāi)害的科學(xué)結(jié)論;李新建[3]等人對(duì)1961—1997年阿克蘇、喀什、石河子棉區(qū)的棉花趨勢(shì)產(chǎn)量與相關(guān)氣象要素進(jìn)行擬合，確定各棉區(qū)嚴(yán)重氣候減產(chǎn)年均為嚴(yán)重的延遲型低溫冷害年份，每年代逢3，9的年份為棉花氣候減產(chǎn)關(guān)鍵年;陳玥熤[4]利用1961—2005年逐日平均溫度資料和國(guó)家氣候中心74項(xiàng)大氣環(huán)流特征量資料，計(jì)算了新疆主要棉區(qū)的棉花熱量指數(shù)，建立了各棉區(qū)熱量指數(shù)的逐步回歸模型，以達(dá)到逐月滾動(dòng)預(yù)報(bào)的目的。本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)前塔城地區(qū)南部棉區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及熱量條件變化等展開分析，得出適合該區(qū)域生產(chǎn)實(shí)際的棉花冷害預(yù)警指標(biāo)，開展區(qū)域棉花生產(chǎn)熱量條件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，開發(fā)適合本地棉花生產(chǎn)服務(wù)需求的棉花冷害預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)，業(yè)務(wù)運(yùn)行效果良好，為棉花生產(chǎn)提供準(zhǔn)確及時(shí)的氣象服務(wù)信息。

1 資料與研究方法

塔城地區(qū)行政區(qū)域內(nèi)的沙灣、烏蘇地面、農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站，具有完整序列的地面氣象實(shí)測(cè)資料和棉花生育期觀測(cè)資料及大田調(diào)查實(shí)地基礎(chǔ)資料。

利用一元線性回歸，統(tǒng)計(jì)分析1997—2018年不同界限溫度的氣候傾向率，棉花各生育期變化趨勢(shì)。為了更有利于反映棉花生長(zhǎng)過(guò)程中的熱量狀況，建立以旬為單位的模糊隸屬度函數(shù)以計(jì)算熱量指數(shù)。重建1997—2018年熱量指數(shù)，結(jié)合生育期觀測(cè)資料確定低溫冷害對(duì)棉花單產(chǎn)影響。結(jié)合塔城地區(qū)南部棉區(qū)實(shí)際，確定預(yù)警指標(biāo)，進(jìn)而開發(fā)基于CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境的棉花熱量條件動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

2 結(jié)果分析

2.1 氣候背景分析

圖1顯示，1961—2018年塔城地區(qū)南部烏蘇、沙灣兩站氣溫分別以0.29℃/10a、0.40℃/10a 的線性氣候傾向率顯著增暖，降水分別以14.03mm/10a、10.91mm/10a 的速率顯著增多，增暖增濕的氣候背景對(duì)棉花的生長(zhǎng)發(fā)育是較為有利的。對(duì)比棉花同期觀測(cè)數(shù)據(jù)（圖2），兩站氣溫變化趨勢(shì)表現(xiàn)出微弱的遞減趨勢(shì)，降水增多趨勢(shì)卻更加明顯。這與一些研究指出的氣溫增暖減緩或停滯結(jié)論一致。1997年之前烏蘇年平均氣溫比沙灣偏高幅度在0.2～0.5℃之間，之后兩站氣溫差異縮小，且在1997年出現(xiàn)峰值后，兩站氣溫變化趨勢(shì)減緩，綜合考慮1997年之后棉花生產(chǎn)的灌溉條件、種植模式、栽培管理方式、作物品系、機(jī)械化水平程度不斷改進(jìn)和提高，氣溫增暖減緩、降水增多總體上對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響不顯著，但階段性低溫出現(xiàn)的概率是否有所增加，棉花受低溫冷害的影響是否加劇，還有待于進(jìn)一步的分析和探討。

2.2 熱量條件分析

孫蘭東[5]等人對(duì)西北地區(qū)熱量資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行分析顯示，>0 ℃、>10 ℃積溫呈增加趨勢(shì)。通過(guò)分析塔城地區(qū)南部1961—2018年各界限溫度的變化趨勢(shì)顯示，0～25℃各界限積溫的總體變化趨勢(shì)基本表現(xiàn)出增多趨勢(shì)，特別是≥0℃和≥5℃積溫接近重合且年際振蕩相對(duì)較小，≥20℃和≥25℃有效積溫變化趨勢(shì)接近且年際振蕩明顯，顯著偏少年份易發(fā)生低溫冷害事件?！?～25℃的積溫氣候傾向率分別為70.93℃· d/10a、72.80℃·d/10a、 81.00℃·d/10a、80.16℃·d/10a、72.46℃·d/10a、71.44℃·d/10a。其中≥10℃有效積溫增多速率最大。與劉少華等人研究指出的我國(guó)≥10℃有效積溫整體呈上升趨勢(shì)且整體北移顯著[6]的結(jié)論相一致。塔城地區(qū)南部20世紀(jì)90年代之前主要作物為小麥、玉米，受氣候條件、經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素的影響，20世紀(jì)90年代之后棉花的種植面積不斷擴(kuò)大，成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的支柱產(chǎn)業(yè)，占耕地面積的70%左右。

為了進(jìn)一步描述氣候條件對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響，將1997—2018年各界限溫度的變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合（圖4），≥0℃和≥15℃有效積溫在1997年達(dá)到最大值，≥20℃和≥25℃有效積溫達(dá)到次大值;之后減少至平均水平附近，振幅有所減小，增加或減少趨勢(shì)不明顯。其中烏蘇≥0℃、≥5℃、≥10℃有效積溫每10a減少8～10℃·d之間，≥15℃有效積溫每10a增加10℃·d左右;沙灣≥0℃到≥15℃有效積溫呈現(xiàn)弱的增多趨勢(shì)，尤其是≥10℃有效積溫以23.5℃·d/10a的速率增多，這與烏蘇的變化趨勢(shì)相反;而≥20℃和≥25℃有效積溫兩站則表現(xiàn)出一致的減少趨勢(shì)，且年際變幅較大。烏蘇、沙灣站≥20℃積溫減少速率58.1℃·d/10a、37.0℃·d/10a， ≥25℃積溫減少速率分別為44.5℃·d/10a、19.3℃·d/10a。綜合來(lái)看，烏蘇積溫遞減速度大于沙灣，且≥20℃有效積溫減少趨勢(shì)表現(xiàn)最突出。這從側(cè)面說(shuō)明棉花生長(zhǎng)發(fā)育中后期熱量條件不穩(wěn)定性增加，出現(xiàn)低溫冷害的風(fēng)險(xiǎn)也有所增大。

2.3 生育期變化特征

由表1可見，塔城地區(qū)南部棉區(qū)烏蘇、沙灣棉花生長(zhǎng)發(fā)育狀況十分接近，棉花生育期平均在175～178d之間。1997—2018年塔城地區(qū)南部棉區(qū)各生育期年際變化曲線（圖略）可以看出，塔城地區(qū)南部棉區(qū)棉花播種期、出苗略有提前趨勢(shì)，現(xiàn)蕾到吐絮期波動(dòng)平緩，沒有表現(xiàn)出明顯的提前或推后趨勢(shì)，而停止生長(zhǎng)期有所提前，這與近些年來(lái)種埴品種為早熟品種，棉花采摘采用大型機(jī)械作業(yè)，為集中采收而大量噴施落葉劑等促早熟措施息息相關(guān)。兩站比對(duì)發(fā)現(xiàn)，

現(xiàn)蕾到吐絮期沙灣棉區(qū)較烏蘇棉區(qū)偏早3～5d，其余生長(zhǎng)發(fā)育期基本一致，4月中旬中后期是大面積播種的適宜期，通過(guò)對(duì)4月中強(qiáng)以上天氣個(gè)例的反查顯示，4月17—19日、22—23日為重大災(zāi)害性天氣關(guān)鍵日，每3～5a出現(xiàn)中強(qiáng)以上天氣的可能性較大，甚至?xí)霈F(xiàn)雨夾雪或雪，造成苗期冷害發(fā)生，致使部分棉田重播。

2.4 熱量指數(shù)計(jì)算

建立以旬為單位的模糊隸屬度函數(shù)以計(jì)算熱量指數(shù)，選取播種—出苗、出苗—現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾—開花、開花—裂鈴、裂鈴—停止生長(zhǎng)5個(gè)生長(zhǎng)階段。公式中i（i=1，2，3……，72）表示候序列數(shù)，Ti表示棉花某生長(zhǎng)階段的旬平均氣溫，T1表示棉花某生長(zhǎng)階段的下限溫度，T2表示棉花某生長(zhǎng)階段的適宜溫度，F(xiàn)i（T）表示每1旬的熱量指數(shù)，熱量指數(shù)F（T）是無(wú)量綱數(shù)，值為0～100之間，F(xiàn)（T）數(shù)值越大說(shuō)明熱量條件越好，能夠滿足該階段棉花生長(zhǎng)的需要。由于在此主要考慮棉花各生育期的低溫冷害事件， 所以計(jì)算熱量指數(shù)時(shí)僅考慮棉花各生長(zhǎng)階段的下限溫度和適宜溫度， 在借鑒文獻(xiàn)[3，4]基礎(chǔ)上，構(gòu)造了模糊隸屬度函數(shù)來(lái)計(jì)算熱量指數(shù)，這樣更有利于反映棉花生長(zhǎng)過(guò)程中熱量不足的狀況。計(jì)算公式如下：

Ti

Fi（T）= 100（1- （T2 - Ti[DD（X]100[DD）]）2/[KG-*8]（T2 - T1）2） T1≤Ti

T2≤Ti

2.5 基于CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境的棉花熱量條件動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

使用VB6.0開發(fā)了基于新疆氣象局CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境的塔城地區(qū)棉花冷害監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并經(jīng)過(guò)試運(yùn)行檢驗(yàn)，用于指導(dǎo)業(yè)務(wù)、服務(wù)工作。

2.5.1 作物生育期的查詢

該模塊通過(guò)選取農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)，查詢CIMISS數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)選取站點(diǎn)棉花生育期觀測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、顯示。

2.5.2 歷年0～25℃的積溫的統(tǒng)計(jì)查詢

該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)選取站點(diǎn)指定時(shí)段內(nèi)0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃活動(dòng)積溫的查詢，并統(tǒng)計(jì)查詢時(shí)段內(nèi)的多年平均值，點(diǎn)擊積溫表頭可進(jìn)行正向排序，便于掌握指定時(shí)段內(nèi)0～25℃活動(dòng)積溫?cái)?shù)據(jù)和多年平均值，便于比較相近區(qū)域各站積溫的空間分布情況。

2.5.3 生育期內(nèi)或指定時(shí)段內(nèi)的熱量指數(shù)的統(tǒng)計(jì)查詢

該模塊中，選取需要查詢的站點(diǎn)，并人工輸入播種、出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮、停止生長(zhǎng)日期（普期），顯示出指定階段的熱量指數(shù)，為冷害監(jiān)測(cè)預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)塔城地區(qū)南部棉花熱量指數(shù)的重建分析，總結(jié)農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)指標(biāo)。

2.5.4 土壤濕度資料的查詢

該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)選取的土壤濕度站點(diǎn)10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、80cm、100cm各層次體積含水量、相對(duì)濕度、重量含水率等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢顯示，及時(shí)了解和掌握棉田濕度狀況。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)塔城地區(qū)南部棉區(qū)氣溫、降水、積溫等氣象要素的變化特征進(jìn)行分析，探討棉區(qū)出現(xiàn)低溫冷害事件的風(fēng)險(xiǎn)性。

新疆北疆棉區(qū)的主要災(zāi)害之一是低溫冷害?！八堑貐^(qū)棉花冷害監(jiān)測(cè)預(yù)警”業(yè)務(wù)系統(tǒng)以CIMISS數(shù)據(jù)環(huán)境為基礎(chǔ)通過(guò)對(duì)棉花生育期數(shù)據(jù)、自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)（含區(qū)域自動(dòng)氣象站）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而求取棉花生長(zhǎng)發(fā)育期間的熱量指數(shù)，同時(shí)結(jié)合積溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)當(dāng)年棉花熱量條件給出綜合而客觀的量化評(píng)價(jià)（表2），為棉花冷害早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、及早采取有效措施提供了重要的手段和方法。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

井立軍（1973-），男，副研級(jí)高級(jí)工程師。研究方向：氣候變化及農(nóng)業(yè)氣象服務(wù);

井立紅（1971-），女，副研級(jí)高級(jí)工程師。研究方向：氣候變化及中短期天氣預(yù)報(bào)與服務(wù)。