新疆棉花物候期對氣候變化的響應及敏感性分析

郭燕云，王雪姣，王 森，火勛國，胡啟瑞，吉春容

（新疆興農網信息中心/新疆維吾爾自治區(qū)農業(yè)氣象臺，烏魯木齊 830002）

0 引言

新疆棉花在中國棉花產業(yè)中占據主導地位[1-2]，已成為國民經濟和社會發(fā)展的支柱產業(yè)，棉花占新疆農作物種植面積的45%～50%，植棉收益占棉農總收入的60%～65%[3]。然而，氣候變暖已成為不爭的事實[4]，且西北地區(qū)增溫趨勢高于全國平均水平[5]。隨著氣候變暖，新疆農業(yè)熱量資源增加、無霜期延長，同時極端天氣事件增加使得年際間熱量條件變化大，棉花對氣候變化特別是溫度變化非常敏感[6-7]，研究表明氣候變化對新疆棉花的生長發(fā)育各階段均產生了一定的影響[8-9]，并將增加棉花穩(wěn)產、優(yōu)質高產的風險，因此探討氣候變化對棉花生產的影響意義重大。

物候是氣候變化的感應器[10]，物候對全球變暖的響應研究已成為一個較新的熱點領域[11]，并且對于應用模型、遙感[12-13]等手段開展氣候變化影響評估非常重要。作物物候在一定程度上受人為因素的影響，但是長時間序列的物候變化能夠反映作物生長發(fā)育對該時期內氣候變化的響應[14]。中國學者主要在中國大陸[15]、東部地區(qū)[16]、華北地區(qū)[17]、黃土高原[18]、青藏高原[19]、內蒙古[20]、新疆[21]等地區(qū)進行了植被物候研究，研究結果主要表現為：氣候變暖背景下春季物候期提前、秋季物候期推遲、植物生長季延長，但區(qū)域差異較大，同時溫度是驅動植被物候變化的重要影響因素。

然而，已有的大多是有關自然植被的物候變化研究，對于作物物候的研究較少，且主要是運用作物模型、氣候變化情景等[22]手段評估氣候變化對作物物候期的影響，而對于實際觀測到的作物物候變化研究較少，目前關于大田作物物候的研究較多是關于小麥等糧食作物[23]，有關棉花物候期的研究鮮有報道。因此，本研究基于新疆棉花氣象觀測代表站1980—2019年棉花物候期觀測資料，分析近40年新疆各棉區(qū)棉花物候期的變化特征，并運用COSIM棉花模型，維持當前生產管理水平、土壤肥力、種植品種以及播種期不變的情況下，分析新疆棉花物候期對氣候變化的響應。通過新疆棉花物候期對氣候變化的響應及敏感性分析研究，可以更加客觀地理解氣候變暖對該地區(qū)棉花生產的影響，為新疆棉花生產趨利避害、優(yōu)質高產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數據來源

新疆(34°15′—49°10′N，73°20′—96°25′E)地處亞歐大陸的腹地，典型的溫帶大陸性氣候；該區(qū)光照充足，年日照時數2500～3500 h；熱量資源豐富，平原地區(qū)大部≥10℃積溫在3800℃·d以上、無霜期180天以上[24]。充沛的光熱、土地資源以及穩(wěn)定的灌溉資源，為新疆棉花的種植創(chuàng)造了優(yōu)渥的生態(tài)環(huán)境[25]。

天山位于新疆中部，在地理習慣上，天山以北為北疆，以南為南疆，哈密、吐魯番盆地為東疆。北疆、南疆、東疆均有棉花種植，北疆植棉區(qū)主要在北疆沿天山一帶以及伊犁州等地[26]，南疆主要在環(huán)塔里木河流域[27]，東疆的吐魯番盆地和哈密地區(qū)均有棉花種植。

本研究選取10個具有詳細物候觀測資料的棉花氣象觀測站作為研究站點（表1）。物候觀測資料為棉花的播種、出苗、現蕾、開花、吐絮和停止生長日期，由于建站時間或者品種更替、耕作方式等因素，各站物候期資料時間長度不盡相同（起始年份為1980—1991年，終止年份均為2019年）。氣象數據為各代表站點1961—2019年的逐日氣象要素，包括日最高、最低氣溫、降水量和日照時數。數據資料來源于新疆氣象信息中心。

表1 研究區(qū)代表站點信息

1.2 研究方法

1.2.1 有效積溫計算 作物的生長發(fā)育和產量形成與熱量條件密切相關。高于或等于生物學下限溫度的日平均溫度稱為活動溫度，活動溫度與生物學下限溫度的差值稱為有效溫度，生育期內有效溫度的總和稱為有效積溫[28]，見公式(1)。

其中，TTe為有效積溫(℃·d)；Ti為第i天的日平均氣溫(℃)，為日最高溫和日最低溫的平均值；t為作物的生物學下限溫度，通常認為12℃為棉花生長的下限溫度[29]，因此本研究取12℃。

1.2.2 氣候傾向率 本研究采用最小二乘法計算要素Yi與時間xi的線性回歸系數，要素隨時間的變化可用一次方程表示，見公式(2)。

其中，i=1，2，……n年，10×a作為要素的氣候傾向率；氣候傾向率為正值表示要素隨時間推移而增加，氣候傾向率為負值表示要素隨時間推移而減?。粴夂騼A向率值的大小表示要素隨時間推移變化的速率[30]。

1.2.3 模型模擬結果評價指標 本研究采用國際通用方法對作物模型模擬結果進行檢驗，即均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)來判斷模擬值與實測值間的吻合程度，見公式(3)。

式中，Xobs、Xsim分別指觀測值與模擬值，N為樣本數量。均方根誤差(RMSE)反映模擬值相對實測值的絕對誤差。

1.3 作物模型

COSIM模型是在COTGROW棉花模型[31]的基礎上構建的棉花生產區(qū)域評估系統(tǒng)[32]。該模型以≥12℃有效積溫計算棉花發(fā)育速率，根據植株對太陽輻射的截獲量及利用效率計算植株干物質質量，并依據分配系數計算地上部各器官干物質質量，可逐日動態(tài)模擬棉花生長發(fā)育及產量形成過程。模型包括發(fā)育期模擬、光合生產、干物質分配、水分平衡、葉面積動態(tài)、產量形成等模塊，以模擬地點基礎地理信息、逐日氣象資料、土壤參數、管理參數及品種信息為模型輸入，模擬輸出各發(fā)育期出現時間、地上部各器官干物質質量、單位面積皮棉產量等。該模型已在新疆地區(qū)棉花生長發(fā)育[5]、產量預報[33]、氣候風險評估[34]以及棉花延遲型冷害[35-36]等方面得到驗證和應用，效果較好。

2 結果與分析

2.1 近40年新疆棉花物候變化特征

從代表站點1980—2019年棉花各發(fā)育期變化趨勢可以看出（表2），近40年，阿克陶、鄯善的棉花播種期推遲，其余各代表站點均提前，變化幅度為0.6～7.0 d/10a，其中烏蘇、石河子、哈密、庫爾勒、喀什顯著提前；出苗期的變化趨勢與播種期基本一致；絕大部分站點棉花的現蕾和開花期提前、而吐絮和停止生長期推遲，停止生長期的推遲趨勢最為明顯，變化幅度為1.3～9.6 d/10a，其中精河、石河子、鄯善、阿克蘇、阿克陶、和田停止生長期顯著推遲。各區(qū)域平均來看：北疆的棉花吐絮期略有推遲，其余各物候期提前0.1～4.8 d/10a；東疆的棉花停止生長期推遲1.4 d/10a，其余各物候期提前0.1～1.6 d/10a；南疆的棉花吐絮期和停止生長期分別推遲1.7 d/10a和4.2 d/10a，其余各物候期提前0.7～1.8 d/10a。

表2 1980—2019年代表站點各物候期出現日期的氣候傾向率

隨著各物候期的變化，棉花不同生長發(fā)育階段所經歷的時間長度也發(fā)生了相應變化，表3為1980—2019年各代表站點播種-出苗、出苗-現蕾（營養(yǎng)生長階段）、現蕾-開花、開花-吐絮、現蕾-吐絮（生殖生長階段）及全生育期（播種-停長）經歷天數的氣候傾向率。北疆地區(qū)所有生育階段均呈延長趨勢；南疆地區(qū)除了播種-出苗生長發(fā)育時間略有縮短外，其余所有生育階段均呈延長趨勢；東疆地區(qū)播種-出苗、現蕾-開花、現蕾-吐絮生長發(fā)育時間略有縮短，其余生育階段呈延長趨勢。近40年來，所有代表站點棉花全生育期均延長，變化幅度為1.6～9.0 d/10a，其中精河、石河子、庫爾勒、阿克蘇、阿克陶、喀什、和田棉花全生育期顯著延長，南疆、東疆、北疆分別延長5.0 d/10a、1.9 d/10a和4.8 d/10a。南疆地區(qū)生殖生長(3.1 d/10a)延長天數多于營養(yǎng)生長(0.4 d/10a)，有利于光合產物的積累及產量的提高；東疆地區(qū)出苗-現蕾(0.8 d/10a)所需天數增加、現蕾-吐絮(0.4 d/10a)所需天數縮短；北疆地區(qū)營養(yǎng)生長、生殖生長分別延長2.4 d/10a和2.2 d/10a。

表3 1980—2019年代表站點各物候期經歷天數的氣候傾向率

表4為1980—2019年各代表站點各生育階段及全生育期所需積溫的氣候傾向率。除了北疆地區(qū)的播種-出苗階段、東疆地區(qū)的現蕾-開花階段所需積溫略有減少外，各地區(qū)其余生育階段所需積溫均呈增加趨勢。各生育期所需積溫與各生育期所經歷的天數變化趨勢基本一致，即各生育期經歷天數增加、所需積溫也增加。近40年來，所有代表站點棉花全生育期所需積溫極顯著增加，變化幅度為57.8～157.5℃·d/10a，南疆、東疆、北疆棉花全生育期所需積溫分別增加105.3 ℃·d/10a、102.8 ℃·d/10a和85.5 ℃·d/10a。各地區(qū)棉花營養(yǎng)生長階段（變化幅度為17.7～19.9℃·d/10a）所需積溫增加幅度小于生殖生長階段（變化幅度為46.8～80.2 ℃·d/10a），有利于棉花產量的提高。

表4 1980—2019年代表站點各物候期積溫的氣候傾向率

2.2 模型適應性分析

選擇石河子、哈密、阿克蘇分別作為北疆、東疆及南疆的代表站點，運用COSIM模型評估氣候變化對新疆棉花物候的影響，并分析棉花物候對氣候變暖響應的敏感性。利用各站點2009—2017年的棉花實際物候期資料與模型的模擬結果進行比較（圖1），來驗證COSIM模型在新疆地區(qū)的適用性。由圖2可知，棉花各物候期的模擬值與觀測值擬合較好，出苗、現蕾、開花、吐絮期日序的觀測值與模擬值的RMSE和R2分別為2.9天、4.2天、3.3天、4.3天和0.90、0.70、0.63、0.74。因此，該模型對石河子、哈密和阿克蘇棉花物候期的模擬與實際情況相吻合，模型可以較準確的模擬新疆棉花生長發(fā)育。

圖1 新疆棉區(qū)棉花物候期觀測值與模擬值的比較

圖2 1961—2019年氣候變化對棉花物候期的影響

2.3 新疆棉花物候期對氣候變化響應的敏感性分析

2.3.1 1961—2019年（近58年）氣候變化對棉花物候期的影響 已有的研究表明，自1961年以來，新疆大部地區(qū)的年平均氣溫波動上升，并在20世紀90年代出現突變點[5]，因此在分析近58年氣候變化對新疆棉花物候的影響時，以1990年為界將1961—2019年分為兩個階段：1961—1990年和1991—2019年，分析突變前后氣候條件對棉花物候期的影響。保持當前管理措施（高密度覆地膜）、主栽品種和生產力水平不變，播種期均設置為4月25日，在當前氣候背景下，運用COSIM模型模擬1961—2019年氣候變化對北疆（石河子）、東疆（哈密）、南疆（阿克蘇）棉花物候期的影響。結果表明（圖2），與1961—1990年相比，各站點1991—2019年出苗、現蕾、開花和吐絮期時間均顯著提前，棉花生育期（出苗-吐絮）縮短。其中，各代表站點出苗期均提前1天，北疆、東疆、南疆棉花現蕾、開花和吐絮期分別提前5、6、10天和3、4、6天及5、9、7天?？傮w來看，氣候變暖對東疆地區(qū)棉花物候期的影響程度小于北疆和南疆地區(qū)。由于播種期等環(huán)境因子及品種參數相同，各物候期提前說明氣候變化加速了棉花生長進程，其中北疆地區(qū)營養(yǎng)生長階段（出苗-現蕾）縮短程度小于生殖生長階段（現蕾-吐絮），而東疆和南疆地區(qū)結果則與北疆地區(qū)相反。與1961—1990年相比，新疆棉區(qū)1991—2019年棉花營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段分別縮短3～4天、2～5天。

2.3.2 模擬增溫對棉花物候期的影響 保持當前管理措施（高密度覆地膜）、主栽品種和生產力水平不變，播種期均設置為4月25日，在1981—2010年（基準年（BS））的氣溫基礎上，溫度分別升高0.5℃、1℃、1.5℃、2℃（圖中分別用T1、T2、T3、T4表示），不采取任何適應措施，運用COSIM模型模擬增溫對棉花物候期的影響。結果表明（圖3），氣候變暖對棉花物候期有顯著影響，與基準年比較，各站點棉花出苗、現蕾、開花和吐絮期均顯著提前，同時隨初霜期的推遲，棉花停止生長時間推遲、全生育期延長。增溫0.5℃、1℃、1.5℃、2℃情景下，北疆（石河子）、東疆（哈密）、南疆（阿克蘇）出苗、現蕾、開花和吐絮期分別提前1～2天、1～9天、2～12天、10～31天和0～2天、4～8天、5～10天、12～26天及1～2天、1～8天、1～11天、3～25天。

圖3 模擬增溫對棉花物候期的影響

從模擬結果來看，氣候變暖對各棉區(qū)生殖生長階段影響明顯大于棉花營養(yǎng)生長階段。與基準年相比，增溫0.5℃、1℃、1.5℃、2℃情景下，北疆棉區(qū)營養(yǎng)生長階段（出苗-現蕾）、生殖生長階段（現蕾-吐絮）分別縮短4～7天、9～22天；東疆棉區(qū)營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段分別縮短3～7天、8～19天；南疆棉區(qū)營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段分別縮短0～6天、2～17天。總體來看，增溫對新疆各棉區(qū)營養(yǎng)生長階段影響差別不大，但是對于生殖生長的影響程度北疆最大，東疆其次，南疆最小。

3 討論

關于棉花物候期的研究主要集中在國內主要棉區(qū)，黃河流域河北省棉花除收獲期推遲，其他物候期均提前[37]；長江流域湖北省棉花播種和收獲期推遲[38]；而新疆棉區(qū)棉花物候期的變化特征表現為：棉花播種、出苗、現蕾和開花期提前，吐絮和停止生長期推遲，全生育期延長；河北省棉花各生育階段表現為開花之前縮短、開花之后延長、全生育期延長；而湖北省各生育階段長短有升高有降低、全生育期延長；而新疆棉區(qū)棉花各生育階段經歷天數增加、全生育期天數增加、所需積溫也增加，各棉區(qū)棉花生殖生長階段所需積溫增加幅度大于營養(yǎng)生長階段，有利于棉花產量的提高；主要原因是國內各主要棉區(qū)的氣候變化規(guī)律有差異，湖北省棉花播種期平均氣溫和≥0℃積溫呈下降趨勢，因此播種期推遲；而新疆、河北省棉花播種期溫度升高，故播種期提前；新疆與其他主要棉區(qū)各生育階段長短的變化規(guī)律不盡一致，原因是品種更替、管理措施改變以及氣候變化等共同作用導致的物候變化，因此本研究的創(chuàng)新點在于利用作物模型，維持當前生產管理水平、土壤肥力、種植品種以及播種期不變的情況下，定量分析氣候條件對棉花物候的改變。

不同作物物候對氣候變化的響應不同，前人研究表明：氣候變暖總體上使中國糧食主產區(qū)小麥、玉米、水稻等作物春季適宜播期提前、秋季適宜播期推遲、傳統(tǒng)作物品種物候期普遍縮短[39]。而棉花具有無限生長習性，適度增溫可延長其生長期，這可能是造成棉花與其他作物物候期變化差異的主要原因。

本研究關注氣候因素變化對棉花物候的影響，由于新疆光照充足、灌溉植棉，影響棉花生長發(fā)育的最主要氣象因子是溫度，因此只分析了熱量資源的影響。氣候變化通過改變作物物候來改變作物的生長過程，最終對產量造成影響，本研究僅探討了溫度改變后的棉花物候變化趨勢，但沒有深入研究溫度對產量的影響，今后的研究工作中可深入探討氣候因子的變化對產量帶來的影響及影響程度，為棉花生產提供科學依據。

4 結論

本研究分析了新疆棉花近40年物候期的變化特征，并結合COSIM棉花模型模擬棉花物候對氣候變化以及不同程度增溫的響應，得出以下主要結論：

近40年，新疆絕大部分棉區(qū)棉花播種、出苗、現蕾和開花期提前，吐絮和停止生長期推遲，全生育期延長、平均為3.9 d/10a；絕大部棉區(qū)各生育階段經歷天數和所需積溫增加，生殖生長階段所需積溫增幅大于營養(yǎng)生長階段。

模型模擬氣候變化背景下的棉花物候變化趨勢結果與實際趨勢較一致，過去58年氣候變暖總體上對北疆和南疆地區(qū)棉花物候期的影響程度大于東疆地區(qū)；與基準年相比，增溫0.5℃、1℃、1.5℃、2℃情景下，新疆各棉區(qū)棉花出苗、現蕾、開花和吐絮分別提前0～2天、1～9天、2～12天和3～31天，營養(yǎng)生長、生殖生長階段分別縮短0～6天、2～22天；增溫對各棉區(qū)營養(yǎng)生長階段影響差別不大，但是對于生殖生長的影響程度北疆最大、東疆其次、南疆最小。

在未來氣候變暖的趨勢下，為了獲得更高的產量，東疆地區(qū)可以考慮種植早熟性品種中生育期較長的品種，南疆和北疆地區(qū)可考慮早中熟品種中生育期較長的品種。