新疆北疆地區(qū)氣候要素對棉花生長和產(chǎn)量的影響分析*

王金梅，侯志強(qiáng)，楊明鳳，吉春容

(1.塔城市氣象局，新疆 塔城 834700；2.和布克賽爾縣氣象局，新疆 塔城 834400；3.烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆 石河子 832000；4.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心/新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002)

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，素有“白金”之稱。連續(xù)25年新疆棉花種植面積位居全國第一，成為我國重要的棉花生產(chǎn)基地。2019年以來新疆棉花總產(chǎn)量占全國棉花產(chǎn)量的85%。在全球氣候變化的趨勢下，新疆氣候變暖、積溫增加、降水增多的趨勢明顯。極端天氣頻次與強(qiáng)度有所增加，極端氣候變化對林果產(chǎn)品的種植影響較大[1]。氣候變暖使新疆農(nóng)業(yè)熱量資源更為豐富，農(nóng)作物潛在的適宜生長季延長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)與布局，種植品種發(fā)生較大變化，種植區(qū)域可能北移擴(kuò)大[2]。新疆氣候變化：對棉花生長產(chǎn)生較大影響[3]；對棉花現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期影響較大；對哈密瓜、伽師瓜從播種期到座果期均表現(xiàn)不同程度的提前趨勢，全生育期不顯著延長[4-5]；對冬小麥的播種期推遲，田間生長期縮短。冬季溫度升高，有利于冬小麥、特色林果等安全越冬[6]。氣候變暖：使棉花春、夏季發(fā)育期不同程度的提前、秋季發(fā)育期延遲、生長期延長; 有利于提高棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)[6-7]。但是近年來因氣候變暖，極端天氣頻發(fā)，氣候也發(fā)生異常，氣象災(zāi)害導(dǎo)致的農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)損失也隨之加大。為了提高氣候資源的利用率，更科學(xué)高效種植棉花，提高棉農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益，有效地防災(zāi)減災(zāi)；因而作者以烏蘭烏蘇為例，分析了氣候分素對棉花生長和產(chǎn)量的影響。

1材料與方法

選擇烏蘭烏蘇地區(qū)(85°49′E，44°17′N，海拔高度469.6 m)為研究區(qū)域，棉花種植品種為早熟品種。

氣候要素?cái)?shù)據(jù)選取烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象站1981-2020年的平均氣溫、最高最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、相對濕度、地溫(0 cm、5 cm)等，并計(jì)算大于15℃、大于20℃的積溫。數(shù)據(jù)來源于新疆氣象信息中心。本研究采用儒略日，將逐年棉花生育時(shí)期的日期轉(zhuǎn)化為日序數(shù)，即距當(dāng)年1月1日的實(shí)際天數(shù)，得到時(shí)間序列[8-9]；棉花生育時(shí)期數(shù)據(jù)來源于烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象站農(nóng)業(yè)氣象和新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院的觀測數(shù)據(jù)。1981-2020年棉花種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于新疆統(tǒng)計(jì)年鑒。利用線性回歸法分析1981-2020年棉花生育時(shí)期、產(chǎn)量的年際變化趨勢，并分析其與各氣候因子的相關(guān)性；因研究區(qū)域?yàn)槊藁ǖ啬じ采w、節(jié)水灌溉種植區(qū)，所以未分析降水對生育時(shí)期和產(chǎn)量的影響以及氣溫變化對播種期的影響。采用M-K突變檢驗(yàn)方法對氣候要素變化進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)。棉花的氣候產(chǎn)量等于實(shí)際產(chǎn)量減去趨勢產(chǎn)量，采用5年滑動平均值方法模擬趨勢產(chǎn)量(房世波，2011)。利用Excel2010 、SPSS 21.0和Matlab2020a軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

2結(jié)果與分析

2.1棉花生長區(qū)氣候變化特征

2.1.1氣候要素的年際變化

1981-2020年烏蘭烏蘇年平均氣溫為7.6℃，年平均地面溫度為11.6℃，年平均相對濕度為65%，年平均降水量為227.8 mm，年平均日照時(shí)數(shù)為2865.0 h。如圖1所示，除年平均日照時(shí)數(shù)、年平均相對濕度呈下降趨勢外，其他氣候要素均呈上升趨勢。

圖1 烏蘭烏蘇地區(qū)1981-2020年氣候因子年際變化趨勢

近40年來各氣象要素中平均氣溫、0 cm地溫、5 cm地溫變化速率顯著(P<0.01)，其中平均氣溫上升速率為0.4℃/10a，0 cm地溫上升速率為1.1℃/10a，5 cm地溫下降速率為1.9℃/10a。而其他氣候要素的變化趨勢均不顯著。

通過M-K突變檢驗(yàn)法分析各氣候要素是否發(fā)生突變及其突變發(fā)生時(shí)間，即各氣象要素正序列曲線(UF)、反序列曲線(UB))。若UF和UB出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且交叉點(diǎn)位于信度線之間，這點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)便是突變開始的時(shí)刻[10]。采用通過95%的顯著性檢驗(yàn)，信度線為U0.05=±1.96。如圖2所示，1981-2020年溫度、降水UF與UB兩線在信度線之間分別有1個交點(diǎn)，分別在1999年、1983年。在滑動t檢驗(yàn)中，溫度、降水為顯著性檢驗(yàn)。由此說明氣溫、降水分別在1999年、1983年發(fā)生了突變。氣溫以0.35℃/10a顯著增加；降水以5.06 mm/10a顯著增加。日照時(shí)數(shù)在信度線之間有多個交點(diǎn)，說明在1983-2020年期間日照時(shí)數(shù)沒有呈現(xiàn)顯著性變化趨勢。

圖2 1981～2020年烏蘭烏蘇氣候因子M-K檢驗(yàn)

2.1.2 氣候要素在棉花生長期內(nèi)的變化

北疆棉花播種期為4月中下旬，9月下旬至10月上旬棉花進(jìn)入吐絮成熟期，生長期為4中旬～10月上旬。如表1所示，烏蘭烏蘇在1981-2020年棉花生長季內(nèi)呈上升趨勢的氣候要素有月氣溫、5 cm地溫和相對濕度。氣溫方面，4～10月升溫變化幅度為0.28～0.90 ℃/10a，5 cm地溫4～10月上升趨勢均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，4月的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫上升趨勢也達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，6月和7月平均氣溫、最低氣溫、5 cm地溫上升趨勢也達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，4～10月平均最低氣溫也均呈顯著上升趨勢(P<0.05)。棉花生長季中后期，8～10月相對濕度的變化趨勢為顯著(P<0.05)，平均最高氣溫在生長季中前期4～7月增加顯著(P<0.05)。全生長季內(nèi)各月降水變化趨勢均未通過顯著性檢驗(yàn)。 除5月日照時(shí)數(shù)、10月平均0 cm地溫外，其他各月變化趨勢均未通過顯著性檢驗(yàn)。

2.2棉花的生長發(fā)育變化

2.2.1生育時(shí)期的變化特征

烏蘭烏蘇地區(qū)棉花田間生長期為170天左右，1981年、1984年、1988年、1993年和1998年分別少于平均值18天、32天、23天、17天和17天；1999年、2006年、2008年和2009年分別多于平均值30天、19天、15天和17天；其他年份均接近平均值。

表1 1981-2020年棉花生長季各月氣候因子的線性傾向率

圖3 1999-2019年棉花生育時(shí)期的年際變化趨勢

從圖3可以分析到，1981-2020年40年來，生長發(fā)育時(shí)期距平波動變化比較明顯的是吐絮期、停長期。棉花吐絮在8月13日～10月6日變化，平均吐絮期為9月12日，以1983年(10月6日)、1992年(9月27日)、2003年(9月29日)明顯晚于平均吐絮期；棉花平均停長期為10月9日，變化范圍為9月18日～10月28日，以1990年及1991年(10月21日)、2006年(10月22日)明顯偏晚，1998年(9月18日)、2012年(9月20日)、2013年(9月23日)早于平均停長期。

從年際變化趨勢可以分析到，2002年以后的距平變化趨勢比較一致。1982年、1983年、1985年、1987年、1988年、1990年各生育時(shí)期均晚于平均生育時(shí)期，2012年以后各生育時(shí)期均早于平均生育時(shí)期。

如表2，從年際變化趨勢分析結(jié)果看，棉花各生育時(shí)期，從播種期到停長期均表現(xiàn)出不同程度的提前趨勢，最長提前幅度為6.73 d/10a，最短提前幅度為1.36 d/10a。在整個生育期中，吐絮期變化趨勢不顯著；停長期提前趨勢顯著(P<0.05)，其他生育時(shí)期均為極顯著(P<0.01). 全生育期變化趨勢顯著(P<0.05)，時(shí)間有所延長。各生育時(shí)期年際變化幅度在6.0～10.7天，吐絮期和停長期年際間變化幅度最大，現(xiàn)蕾期和開花期年際間變化幅度最小。

表2 烏蘭烏蘇地區(qū)1981-2020年棉花生育時(shí)期的線性傾向率

圖4 1999-2019年哈密瓜產(chǎn)量的年際變化趨勢

2.2.2產(chǎn)量的變化特征

從圖4可以看出，近40年來，棉花實(shí)際單產(chǎn)呈極顯著上升趨勢(P<0.01)，每年增速為48.79 kg/hm2。2005年以后氣候產(chǎn)量均為正值，1996年之前、2000年和2004年氣候產(chǎn)量均為負(fù)值，氣候產(chǎn)量為正值的有22年，為負(fù)值的有18年，平均值為12.1 kg/hm2，傾向率為48.726 kg/10a，且變化趨勢極顯著(P<0.01)，說明氣候條件有利于棉花的生產(chǎn)。

2.3氣候因子對棉花生長和產(chǎn)量的影響

2.3.1對棉花發(fā)育期的影響

從表3可以分析到，溫度、濕度、積溫對棉花發(fā)育期的影響比較明顯。播種期、出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期的變化趨勢與年平均氣溫、年平均0 cm地溫、≥0℃積溫、≥10℃積溫和≥15℃積溫呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),氣溫高，棉花生長前期的生育時(shí)期會提前。年平均5 cm地溫對播種期、出苗期、現(xiàn)蕾期、停長期的變化趨勢存在顯著正相關(guān)(P<0.05)，淺層地溫高，前期的生育時(shí)期和停長期會推后。吐絮期變化受≥0℃積溫顯著負(fù)影響(P<0.05)，說明熱量條件好，吐絮期會提前。田間生長期的變化與年平均氣溫、年平均0 cm地溫呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，說明地溫越高，田間生長期會越長。

表3 棉花生育時(shí)期與年平均氣候因子的相關(guān)系數(shù)

棉花屬喜溫作物，播種期發(fā)芽溫度為12℃～30℃，溫度越高，發(fā)芽期越短，最適宜發(fā)芽溫度為20℃～30 ℃，發(fā)芽期為2天；苗期生長溫度為16℃～30℃，最適宜生長溫度為20℃～30 ℃[11]。烏蘭烏蘇近40年以來4月中下旬、5月各旬平均5 cm地溫為12.7℃～28.1 ℃，能夠滿足棉花出苗生長溫度需求。從表4可以看出，棉花生長期前期從播種期到現(xiàn)蕾期的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均5 cm地溫均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，說明溫度越高出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮越早。播種期的地面0 cm地溫呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)、現(xiàn)蕾期的地面0 cm地溫呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。開花期的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，開花期的平均相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

2.3.2對棉花產(chǎn)量的影響

對棉花氣候產(chǎn)量與不同生育時(shí)期(時(shí)間段、月、年尺度)分別統(tǒng)計(jì)分析了各氣候因子的相關(guān)性，表5可以分析到，氣候產(chǎn)量與年平均0 cm地溫呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，平均0 cm地溫偏高會對棉花氣候產(chǎn)量造成不利影響。在各生育時(shí)期中，棉花氣候產(chǎn)量與8月和10月的各氣象因素呈極顯著相關(guān)，其中，氣候產(chǎn)量與8月的各氣候要素呈極顯著正相關(guān)，與10月各氣候要素均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而與生育時(shí)期其他時(shí)間段內(nèi)氣候因子相關(guān)均不顯著；平均氣溫越高，日照時(shí)數(shù)越多，平均最高氣溫越高，越不利于棉花氣候產(chǎn)量的形成。年平均最高氣溫越高越有利于棉花氣候產(chǎn)量的形成。

表4 棉花生育時(shí)期與生長季內(nèi)氣象因子的相關(guān)系數(shù)

表5 棉花氣候產(chǎn)量與年平均氣候因子的相關(guān)系數(shù)

4討論與結(jié)論

烏蘭烏蘇植棉區(qū)是覆膜種植、節(jié)水灌溉生產(chǎn)區(qū)，各種栽培措施和棉花品種的不同對棉花生長過程在一定程度上存在一定差異，本研究在趨勢產(chǎn)量分析時(shí)沒有對棉花品種、栽培管理措施等其他條件產(chǎn)生的差異進(jìn)行具體分析，其影響程度與氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系，應(yīng)建立生長模擬模型進(jìn)一步深入研究。

本研究結(jié)果表明，近40年來，烏蘭烏蘇地區(qū)的年平均氣溫、年降水量、年平均0 cm地溫總體呈上升趨勢，分別在1999年和1983年發(fā)生了突變；年日照時(shí)數(shù)、年平均相對濕度呈下降趨勢；棉花生長季內(nèi)月日均氣溫、5 cm地溫、相對濕度均呈上升趨勢，降水各月變化趨勢不顯著，5月日照時(shí)數(shù)、10月平均0 cm地溫增高趨勢顯著。

本研究還表明，烏蘭烏蘇植棉區(qū)棉花的田間生長期平均170天，近40年來從播種期到停長期均表現(xiàn)出不同程度的提前趨勢，生育時(shí)期距平波動變化比較明顯的是吐絮期、停長期，田間生長期顯著延長；各生育時(shí)期年際變化率在6.0～10.7 天，以吐絮期和停長期年際間變率最大，現(xiàn)蕾期和開花期年際間變率最??；棉花生育時(shí)期受溫度、濕度的影響比較明顯，溫度越高，棉花生長前期的生育時(shí)期會提前。

本研究再表明，近40年來，烏蘭烏蘇植棉區(qū)的棉花實(shí)際單產(chǎn)呈極顯著上升趨勢，各氣象因素在8月和10月對棉花氣候產(chǎn)量有極顯著影響，8月的各氣候要素與氣候產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，氣候產(chǎn)量與10月各氣候要素均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而與各生育時(shí)期時(shí)間段內(nèi)氣候因子相關(guān)性不顯著。平均氣溫越高，日照時(shí)數(shù)越多，平均最高氣溫越高，越不利于棉花氣候產(chǎn)量的形成。年平均最高氣溫越高越有利于棉花氣候產(chǎn)量的形成。