氣候因素對(duì)新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花產(chǎn)量的灰色關(guān)聯(lián)分析

賈 超， 李紅英， 向 導(dǎo)*， 許浩翊， 李 杏

(1.新疆石河子莫索灣氣象站， 新疆 石河子 832000； 2.新疆石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站， 新疆 石河子 832000)

新疆是中國(guó)的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，棉花播種面積和產(chǎn)量居全國(guó)第一[1-3],棉花也是新疆的重要經(jīng)濟(jì)作物，棉花生產(chǎn)對(duì)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)具有舉足輕重的作用。2019年棉花新疆種植面積占全國(guó)的76%，總產(chǎn)量占全國(guó)84.9%[4]。隨著棉花種子優(yōu)化、栽培技術(shù)、棉花機(jī)械化水平、化肥應(yīng)用等方面的提高，棉花單產(chǎn)穩(wěn)步上升，2010年到2019年間棉花單產(chǎn)提高37.6%，但年際間產(chǎn)量存在不穩(wěn)定性，如2019年單產(chǎn)比2018年下降3.1%，減產(chǎn)高達(dá)10.9萬(wàn)t，原因主要來(lái)源于極端性氣候變化，如高溫、低溫凍害、風(fēng)沙、冰雹等自然災(zāi)害[5]。因此，研究氣象因子對(duì)棉花產(chǎn)量的影響非常必要。氣候變化對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響多年來(lái)一直備受關(guān)注[6-8]。李紅英等[9]利用人工氣候室研究了低溫脅迫對(duì)棉花播種出苗的影響，尋求棉花最佳播種溫度指標(biāo)；王建剛等[10]采用棉花氣候指標(biāo)對(duì)比分析方法，研究了新疆北部氣候變化對(duì)棉花種植的影響；李曉川等[11-13]研究了新疆不同地區(qū)棉花苗期的霜凍與低溫冷害問(wèn)題，尋求最佳播種時(shí)間。王士紅等[14]對(duì)年際間氣象因子與棉花產(chǎn)量關(guān)系的研究認(rèn)為，降水量是影響山東棉花產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象條件。而李紅英等[15]研究石河子氣候變化對(duì)棉花產(chǎn)量影響認(rèn)為，熱量條件是影響棉花產(chǎn)量的主要因素。區(qū)域間氣候因素對(duì)棉花產(chǎn)量的影響研究存在差異[16-18]。因此，依據(jù)1961—1918年棉花產(chǎn)量資料和氣候資料，運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論[19-21]，研究新疆農(nóng)八師墾區(qū)影響棉花產(chǎn)量的關(guān)鍵氣候因子，為該地區(qū)棉花產(chǎn)量的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供氣象理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆農(nóng)八師墾區(qū)屬于典型的溫帶大陸性氣候，光熱資源豐富，降水稀少。墾區(qū)位于新疆天山北麓中段，屬于古爾班通古特大沙漠南緣，面積7 529 km2，海拔300～500 m。農(nóng)八師農(nóng)作物以棉花為主，總產(chǎn)量約占新疆的11%，是全國(guó)天然彩色棉花生產(chǎn)基地。

1.2 資料來(lái)源

氣象資料來(lái)自新疆烏蘭烏蘇、莫索灣、炮臺(tái)、石河子氣象站，棉花產(chǎn)量資料來(lái)自于石河子市統(tǒng)計(jì)局。

1.3 分析方法

1.3.1 產(chǎn)量處理 實(shí)際產(chǎn)量包含隨著時(shí)間推進(jìn)種子優(yōu)化、栽培技術(shù)提高、機(jī)械化水平、化肥應(yīng)用等方面逐步上升趨勢(shì)所影響的產(chǎn)量和自然氣候變化所影響的產(chǎn)量[22]；采用多項(xiàng)式方法擬合實(shí)際產(chǎn)量(Y)，得到趨勢(shì)產(chǎn)量(Yt)，再利用趨勢(shì)產(chǎn)量計(jì)算氣候單產(chǎn)(Yq)[23]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

Yt=-0.0018x4+15.341x3-45650x2+5.9×107x-3.1×1010，(R2=0.9677)

Yq=Y-Yt

式中，Yt為趨勢(shì)產(chǎn)量，x為時(shí)間變量(年份)，Yq為棉花氣候單產(chǎn)，Y為實(shí)際產(chǎn)量。

表1 新疆農(nóng)八師墾區(qū)1960—2018年棉花氣候單產(chǎn)及氣候因子

1.3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析 灰色關(guān)聯(lián)分析方法由鄧聚龍[20]最早提出，對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的各種數(shù)列, 在消除量綱的情況下，以曲線間幾何圖形在同一階段內(nèi)進(jìn)行比較分析，如果幾何圖形越接近，因素間變化趨勢(shì)越相似，則關(guān)聯(lián)度就越大。首先確定參考因素?cái)?shù)列X0，進(jìn)而選取n個(gè)比較因素?cái)?shù)列X1、X2、……Xn，經(jīng)無(wú)量綱歸一化處理后，得Xi對(duì)X0在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)(ζi)。試驗(yàn)選取的參考因素為棉花氣候單產(chǎn)，比較因數(shù)為9個(gè)氣候因子(X1，4—9月平均氣溫；X2，4—9月平均最低氣溫；X3，≥10℃積積溫；X4，4—9月降水量；X5，5—9月日照；X6，終霜日期；X7，初霜日期；X8，播種出苗積溫；X9，5月極端最低溫)。

1.3.3 比較因素與參考因素相關(guān)系數(shù) 棉花氣候單產(chǎn)受氣候因素的影響，可用相關(guān)關(guān)系體現(xiàn)氣候單產(chǎn)對(duì)氣候變化的響應(yīng)程度[25]。

式中，xi為氣候因素，yi為棉花氣候單產(chǎn)，n為樣本數(shù)(n=58)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候因素與棉花氣候單產(chǎn)的灰色關(guān)聯(lián)度

從表2看出，棉花氣候單產(chǎn)與各氣候影響因素的關(guān)聯(lián)度排序依次為≥10℃積溫(X3)>5月份極端最低氣溫(X9)>棉花生長(zhǎng)季(4—9月)平均氣溫(X1)>播種出苗正積溫(X8)>初霜日期(X7)>終霜日期(X6)>苗期至吐絮期(5—9月)日照時(shí)數(shù)(X5)>生長(zhǎng)季(4—9月)平均最低氣溫(X2)>生長(zhǎng)季(4—9月)降水量/mm(X4)。

表2 農(nóng)八師棉花氣候單產(chǎn)與氣候因素的灰色關(guān)聯(lián)度及相關(guān)系數(shù)

2.2 氣候因素對(duì)棉花氣候單產(chǎn)的影響

2.2.1 熱量因素 熱量因素包括≥10℃積溫、播種至出苗期正積溫和生長(zhǎng)季平均氣溫。在棉花生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，一般采用10℃作為溫度下限指標(biāo)[26],≥10℃積溫代表棉花全生育期的總熱量。新疆農(nóng)八師墾區(qū)熱量資源豐富，但年際間變幅較大，在2 860～4 420℃，根據(jù)表2的分析結(jié)果，≥10℃積溫與棉花氣候單產(chǎn)的灰色關(guān)聯(lián)度為0.856，排第1位，二者相關(guān)程度為極顯著(P<0.01)。播種至出苗期積溫年際變化幅度在190～396 ℃，此階段的熱量資源對(duì)氣候單產(chǎn)的灰色關(guān)聯(lián)度為0.721，排第4位，二者相關(guān)程度為差異極顯著(P<0.01)。生長(zhǎng)季平均氣溫年際變化幅度在17.2～22.1℃，與棉花氣候單產(chǎn)的灰色關(guān)聯(lián)度為0.769，排第3位，二者相關(guān)性極顯著(P<0.01)。說(shuō)明，新疆農(nóng)八師墾區(qū)熱量資源對(duì)棉花氣候單產(chǎn)起決定性影響。

2.2.2 光照因素 光照因素為棉花出苗至吐絮期(5—9月)的日照時(shí)數(shù)。農(nóng)八師墾區(qū)陰天和降水稀少[27]，天氣多晴朗，光照資源豐富，年平均日照時(shí)數(shù)在2 750 h左右。棉花出苗至吐絮期(5—9月)的日照時(shí)數(shù)與棉花氣候單產(chǎn)灰色關(guān)聯(lián)度為0.564，排第7位，二者相關(guān)程度為不顯著(表2)。說(shuō)明，農(nóng)八師墾區(qū)光照資源適宜棉花生長(zhǎng)，對(duì)棉花產(chǎn)量影響較小。

2.2.3 降水因素 降水因素為4—9月的降水量。農(nóng)八師墾區(qū)4—9月降水量平均在130 mm左右，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足棉花生長(zhǎng)需求，墾區(qū)農(nóng)作物栽培主要以灌溉為主。自然降水量是水資源的一部分，與棉花氣候單產(chǎn)灰色關(guān)聯(lián)度為0.512，排在第9位，與棉花氣候單產(chǎn)相關(guān)程度為不顯著，體現(xiàn)出農(nóng)八師墾區(qū)棉花栽培不依賴(lài)于自然降水量的管理模式。

2.2.4 災(zāi)害因素 影響棉花產(chǎn)量主要因素是氣象災(zāi)害和極端天氣，霜凍災(zāi)害因素包括終霜日和初霜日，低溫冷害因素包括生長(zhǎng)季平均最低氣溫和5月極端最低氣溫。農(nóng)八師墾區(qū)棉花播種在4月中下旬，出苗在5月上旬，終霜日年際分布分散，在3月28日至5月15日，5月出現(xiàn)終霜凍對(duì)棉花苗期影響較大，嚴(yán)重的甚至毀苗，對(duì)棉花總產(chǎn)量影響較大。終霜日與氣候單產(chǎn)灰色關(guān)聯(lián)度為0.687，排第6位，與棉花氣候單產(chǎn)相關(guān)性不顯著。初霜凍出現(xiàn)在9月份之后，而9月出現(xiàn)的霜凍對(duì)棉花產(chǎn)量構(gòu)成威脅，初霜日與氣候單產(chǎn)灰色關(guān)聯(lián)度為0.714，排第5位，二者相關(guān)性達(dá)極顯著(P<0.01)水平。生長(zhǎng)季平均最低氣溫年際變化在11.1～17.8℃，體現(xiàn)棉花全生育期間的低溫冷害災(zāi)害狀況，因最低平均氣溫平滑掉階段性低溫狀況，因此灰色關(guān)聯(lián)度為0.534，排第8位，而與棉花氣候單產(chǎn)相關(guān)性不顯著。5月極端最低氣溫年際變化幅度在-0.2～10.9℃，體現(xiàn)棉花生長(zhǎng)初期(苗期)的低溫冷害，此時(shí)期遇低溫冷害會(huì)嚴(yán)重影響棉花的花芽分化，最終影響棉花產(chǎn)量，5月極端最低氣溫與氣候單產(chǎn)灰色關(guān)聯(lián)度為0.815，排第2位，與棉花氣候單產(chǎn)相關(guān)極顯著(P<0.01)。說(shuō)明，新疆農(nóng)八師墾區(qū)初霜日和5月極端最低氣溫是棉花氣候單產(chǎn)的主要限制因素。

3 結(jié)論與討論

研究表明，影響棉花氣候單產(chǎn)的主要?dú)夂蛞蛩赜小?0℃積溫、5月極端最低氣溫、生長(zhǎng)季(4—9月)平均氣溫、播種出苗正積溫和初霜凍，這些因素與棉花氣候單產(chǎn)均具有高度相關(guān)性。農(nóng)八師墾區(qū)棉花產(chǎn)量隨著熱量資源增加而增加，豐富的熱量資源是棉花穩(wěn)產(chǎn)豐收的基礎(chǔ)；而5月極端最低氣溫和初霜日的極端災(zāi)害性天氣是棉花生長(zhǎng)的主要限制因素；由于農(nóng)八師墾區(qū)陰天和降水天氣少，光照資源豐富，又因墾區(qū)屬于灌溉農(nóng)業(yè)，光照和自然降水對(duì)棉花產(chǎn)量影響最小。棉花生長(zhǎng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，影響棉花產(chǎn)量的因素較多，氣候因素僅為其中一項(xiàng)。雖然氣候多變，但也具有相對(duì)的規(guī)律性，所以，根據(jù)棉花生長(zhǎng)氣候關(guān)鍵期、突發(fā)性極端氣象災(zāi)害，有針對(duì)性地做好單項(xiàng)氣象預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，以防治或降低氣象災(zāi)害對(duì)棉花產(chǎn)量的影響。

棉花產(chǎn)量的形成是主系統(tǒng)，氣候因子的影響僅是一個(gè)子系統(tǒng)，在棉花生長(zhǎng)期內(nèi)要經(jīng)歷復(fù)雜的天氣變化過(guò)程才能完成，所以在選擇氣候因子時(shí)因受經(jīng)驗(yàn)的限制具有一定的局限性，不能完全表達(dá)影響棉花產(chǎn)量的全部氣候因素。在灰色系統(tǒng)分析中，比較因素的選取是非常重要的環(huán)節(jié)。

天氣變化遵循一定規(guī)律，極端天氣現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，所以災(zāi)害性天氣必然存在。農(nóng)八師氣象災(zāi)害包括霜凍、低溫冷害、干旱、大風(fēng)、冰雹、雷電等。這些氣象災(zāi)害除雷電以外對(duì)棉花生長(zhǎng)均產(chǎn)生影響，研究選擇較為敏感的霜凍和低溫冷害作為比較因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，證明了霜凍和低溫冷害對(duì)棉花單產(chǎn)的相關(guān)程度。其他氣象災(zāi)害項(xiàng)目有待于進(jìn)一步研究。在掌握當(dāng)?shù)貧夂蜃兓卣鞯耐瑫r(shí)要進(jìn)一步掌握棉花生物學(xué)特性，根據(jù)棉花對(duì)溫光水需求指標(biāo)，擬定專(zhuān)項(xiàng)氣象服務(wù)方案，研究確立極端天氣預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，可提高防災(zāi)減災(zāi)能力，避免或減輕氣象災(zāi)害對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響，確保棉花穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。