近40年氣候變化對石河子棉區(qū)棉花生長發(fā)育的影響

王 森，王雪姣，吉春容，郭燕云，胡啟瑞，楊明鳳

(1.新疆農業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002； 2.烏蘭烏蘇農業(yè)氣象試驗站，新疆 石河子 832000)

0 引言

石河子市是新疆生產建設兵團第八師所在地，地處天山北麓中段、準噶爾盆地南部，全墾區(qū)面積7 529 km2。屬典型的溫帶大陸性氣候，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱。日照充沛，年日照時間2 400～3 000 h，降水量30～290 mm，無霜期160～210 d，具有發(fā)展棉花產業(yè)的特殊氣候優(yōu)勢條件。棉花是石河子種植業(yè)生產中僅次于糧食的第2位大宗農產品，2019年石河子地區(qū)棉花產量59.6萬t，種植面積為24.9萬hm2(373.5萬畝)，對當地農業(yè)經濟的發(fā)展有重大意義[1]。

近年來，受全球氣候變化的影響，北疆棉區(qū)熱量資源條件有所改善，嚴重的延遲型低溫冷害年份相對減少，但是極端天氣事件發(fā)生頻率有所增加，溫度波動幅度加大。適宜的溫度是作物生長發(fā)育的必須條件，高溫會導致光合產物速率下降、呼吸強度上升，進而引起植株體內光合產物虧缺、生理性早衰[2]。棉花的生殖過程對高溫較為敏感，會導致棉花蕾鈴脫落，產量和品質降低[3]。棉花生長前期遭遇低溫(<12 ℃)會導致生長發(fā)育延遲、缺苗斷壟和毀種重播；開花結鈴遭遇低溫會造成蕾鈴大量脫落[4]。低溫冷害尤其是延遲型低溫冷害是造成北疆棉花產量和品質大幅下降最主要的氣象災害[5]。針對定量評估棉花實際生產發(fā)育進程方面，前人運用氣溫、積溫、無霜期及界限溫度等指標在一定程度上可以反映出熱量資源變化特征，但存在一定的局限性，無法反映高溫、低溫對棉花生長發(fā)育的影響[6-15]。作物生長發(fā)育過程中，當溫度低于或高于其生理界限溫度時，其生長發(fā)育將會受到阻礙。而生理發(fā)育時間是將棉花在最適溫度條件下的一天定義為一個生理發(fā)育日，利用每日熱效應綜合評估熱量條件(包括高溫、低溫、最適溫度)對棉花生長發(fā)育的影響，可以定量計算棉花實際生長發(fā)育進程。本文利用石河子地區(qū)4個氣象站點1981—2018年逐日氣溫數據來計算棉花生長發(fā)育時間的變化特征，進一步精確反映出氣候變化對棉花生長發(fā)育的影響，為石河子地區(qū)指導棉花生產提供一定的參考依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文采用的棉花種植面積、產量資料來自《新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計年鑒》。研究中用到的氣象資料和作物生育期數據均來自新疆氣象信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 棉花生理發(fā)育時間計算方法

根據整個棉花生育期界限溫度，本文采用上限溫度35 ℃，下限溫度12 ℃，最適溫度30 ℃[16]。溫度對棉花生長發(fā)育速率的影響程度依據相對熱效應來衡量，取值范圍為0～1。整個棉花生長發(fā)育過程中對氣溫的反應是非線性的，在界限溫度上下的反應不同，本文采用兩段線性函數[16]。

(1)

式中f(t)——每日氣溫為t時，該日棉花的生理發(fā)育時間，即為熱效應

to——棉花發(fā)育最適溫度， ℃

tb——棉花發(fā)育下限溫度， ℃

tm——棉花發(fā)育上限溫度， ℃

當環(huán)境溫度低于下限溫度或高于上限溫度，棉花就停止發(fā)育。

1.2.2 M-K檢驗

氣候突變是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢)跳躍式地轉變到另一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢)的現(xiàn)象，表現(xiàn)為氣候在時空上從一個統(tǒng)計特征到另一個統(tǒng)計特征的急劇變化。本文采用Mann-Kendall(M-K)非參數檢驗法來分析棉花生理發(fā)育時間的突變特征[9]。

1.2.3 氣候傾向率法

運用氣候傾向率法計算氣象要素的傾向率[2]。采用一次直線方程來定量描述，即y(t)=a0+a1t，則趨勢變化率方程為dy(t)/dt=a1，把a1×10稱做氣候傾向率，其單位為℃/10a、h/10a或mm/10a，方程中的系數可用最小二乘法或經驗正交多項式來確定，所建的一元線性回歸方程是否有意義，關鍵在于回歸是否達到顯著水平，因此要用時間序列與要素變量之間的相關系數對變化趨勢進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 棉花生產變化特征

隨著棉花栽培技術不斷提高和完善，機采棉模式迅速普及和品種更迭、農業(yè)種植結構調整，棉花種植面積(圖1)不斷增加，單產(圖2)也快速增加，產量隨之增加。經過分析得知，1981—2018年石河子地區(qū)棉花產量呈現(xiàn)極顯著增加趨勢，增加率為1.4萬t/a，2018年棉花產量61.0萬t。單位面積產量也呈現(xiàn)極顯著增加趨勢，增加率為57.9 kg/hm2，2018年棉花單位面積產量為2 421.3 kg/hm2，2018年棉花種植面積為25.2萬hm2。

圖2 1981—2018年棉花單產變化特征Fig.2 Variation characteristics of cotton yield per unit area from 1981 to 2018

2.2 氣候要素變化特征

由圖3可知，石河子地區(qū)1981—2018年平均氣溫呈現(xiàn)顯著增加趨勢，傾向率0.32 ℃/10a，最低氣溫以0.51 ℃/10a的速率顯著增加，而最高氣溫以0.18 ℃/10a的速率不顯著增加，這也與前人對新疆氣候變化的研究結果比較一致[9]。按照棉花生理溫度上下限值，整理分析1981—2018年石河子、烏蘭烏蘇、莫索灣和炮臺等氣象站點最高氣溫≥35 ℃和最低氣溫<12 ℃的日數數據資料，由圖4～6可知，1981—2018年平均4—9月中最高氣溫≥35 ℃日數主要分布在6—8月，其中7月高溫日數最高，平均可達9.6 d，6月6.4 d和8月5.8 d；最低氣溫<12 ℃的日數主要分布在4月和9月，4月27 d和9月20.2 d，可見棉花提早播種風險很大，需密切關注氣溫變化。

圖3 氣溫變化趨勢Fig.3 Variation trend of temperature

圖4 最高溫度≥35 ℃日數變化趨勢Fig.4 Variation trend of days with maximum temperature≥35 ℃

圖5 最低溫度<12 ℃日數月分布Fig.5 Monthly distribution of days with the lowest temperature less than 12 ℃

圖6 最高溫度≥35日數月分布Fig.6 Monthly distribution of days with the maximum temperature≥35days

2.3 生理發(fā)育時間變化特征

由圖7～10可知，石河子地區(qū)1981—2018年無霜期呈顯著增加趨勢，傾向率為6.4 d/10a；播種期呈現(xiàn)顯著提前的趨勢，提前速率為-0.48 d/a。石河子地區(qū)棉花生理發(fā)育時間呈顯著增加趨勢，傾向率為2.4 d/10a，突變年份在1997年。

圖7 棉花播種期變化趨勢Fig.7 Variation trend of cotton sowing date

圖8 無霜期變化趨勢Fig.8 Variation trend of frost free period

圖9 棉花生理發(fā)育時間變化距平圖Fig.9 Anomaly diagram of cotton physiological development time

圖10 棉花生理發(fā)育時間的突變分析Fig.10 Mutation analysis of cotton physiological development time

3 討論與結論

目前，新疆棉區(qū)有一些生產者為了追求高產利益，不斷提前播種期，擴種偏晚熟品種，也增加了發(fā)生低溫冷害的風險。氣候變暖趨勢是漸進和波動的，仍然會有低溫和偏冷的年份，一旦發(fā)生低溫冷害，棉花產業(yè)的經濟損失將比以往更加嚴重。本文通過分析近40年棉花生理發(fā)育時間的變化特征，可以考慮高溫和低溫對棉花生長發(fā)育的影響，比較客觀地反映氣候變化對棉花生長發(fā)育的影響。但同時也應該考慮種植模式、品種、土壤和田間管理措施等方面因素。另外，本文采用的棉花生理發(fā)育時間計算方法為了方便計算，采用棉花生長發(fā)育全生育期上限溫度35 ℃、下限溫度12 ℃和最適溫度30 ℃，其實棉花播種-出苗、出苗-現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾-開花和開花-吐絮等發(fā)育階段的界限溫度并不一致，對溫度的要求各不相同。而且新疆棉花采用地膜覆蓋模式，地膜的覆蓋可以提高土壤溫度，對根系的生長具有明顯的促進作用。因此，今后還需進一步細化各個方面研究。主要結論如下。

(1)1981—2018年石河子地區(qū)棉花產量呈現(xiàn)極顯著的增加趨勢，增加率為1.4萬t/a，單位面積產量也呈現(xiàn)極顯著的增加趨勢，增加率為57.9 kg/hm2。

(2)1981—2018年石河子地區(qū)氣溫呈現(xiàn)顯著增加趨勢，傾向率為0.32 ℃/10a，最低氣溫以0.51 ℃/10a的速率顯著增加，而最高氣溫以0.18 ℃/10a的速率不顯著增加；最高氣溫≥35 ℃日數主要分布在6—8月，7月高溫日數最高；最低氣溫<12 ℃的日數主要分布在4月和9月。

(3)1981—2018年石河子地區(qū)無霜期呈顯著增加趨勢，傾向率為6.4 d/10a；播種期呈現(xiàn)顯著提前趨勢，提前速率為-0.48 d/a。棉花生理發(fā)育時間呈顯著增加趨勢，傾向率為2.4 d/10a，突變年份在1997年。