新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育期變化的定量氣候驅(qū)動因子分析

程 珍 牛建龍* 馬玉婷 王 煜 江波塔·阿達(dá)力 蔣學(xué)瑋 柳維揚(yáng)

(1.塔里木大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木大學(xué) 園藝與林學(xué)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)

IPCC第六次報告指出,2011—2020年全球地表平均溫度比1850—1900年平均溫度高1.09 ℃[1],中國地表平均氣溫增幅為0.024 ℃/年[2],新疆地區(qū)地表平均氣溫增幅為0.033 ℃/年[3],新疆南疆阿拉爾墾區(qū)春季地表平均氣溫增幅達(dá)0.052 ℃/年[4],導(dǎo)致作物生長發(fā)育所需的溫度、光照和水分等氣候要素發(fā)生顯著性的變化[5-7],從而影響不同地區(qū)作物生長發(fā)育進(jìn)程[8-11],以溫度升高和降水量增加影響最為嚴(yán)重[12-14]。目前,關(guān)于氣候變化對農(nóng)作物生育期變化的驅(qū)動研究主要集中在水稻[15]、小麥[16]和玉米[17]等糧食作物上。Assad等[18]認(rèn)為氣溫升高對巴西東北部棉花種植影響程度較大,對東南部和中西部地區(qū)影響程度較小。孫桂蘭等[19]認(rèn)為湖北省棉花生育階段長短與平均氣溫大致呈負(fù)相關(guān),降水量與播種-出苗期的縮短呈負(fù)相關(guān);王占彪等[20]認(rèn)為河北省棉花吐絮-停止生長期及全生育期的延長均與平均氣溫呈正相關(guān)。李迎春等[21]、芮建梅等[22]、謝芳等[23]、傅瑋東等[24]、阿布都克日木·阿巴司等[25]、楊雪飛等[26]、王金梅等[27]對新疆地區(qū)棉花生育期變化的關(guān)鍵氣候驅(qū)動研究發(fā)現(xiàn),氣候變化造成了新疆北疆地區(qū)棉花全生育期的延長,氣溫是影響新疆北疆地區(qū)棉花生長發(fā)育的主要?dú)夂蛞蜃?新疆南疆喀什地區(qū)棉花生育期的變化主要受氣溫、日照時數(shù)和降水量等多種氣候要素綜合作用影響。以上針對棉花生育期變化規(guī)律及其關(guān)鍵氣候驅(qū)動因子的研究主要集中在湖北省、河北省和新疆維吾爾自治區(qū)北疆地區(qū)[19-21],對新疆南疆地區(qū)棉花生育期階段性變化及其定量氣候驅(qū)動的研究鮮有報道。本研究選取1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育期及同期地面氣象數(shù)據(jù),運(yùn)用最小二乘法、Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗、相關(guān)性分析和優(yōu)勢主導(dǎo)分析方法分析新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育期變化規(guī)律及其定量氣候驅(qū)動因子,旨在探究氣候變化對新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育期變化的影響,以期為提高墾區(qū)棉田氣候變化適應(yīng)能力提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

南疆阿拉爾墾區(qū)(80°30′～81°58′ E,40°22′～40°57′ N)位于新疆維吾爾自治區(qū)塔克拉瑪干沙漠北緣,東西相距281 km,南北相距180 km,總面積約為4 197.58 km2。墾區(qū)光熱資源豐富,降水極為稀少,干燥度均在16以上[4],屬于典型的暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候[28],是新疆南疆地區(qū)主要的農(nóng)、林、牧業(yè)灌溉區(qū)和重要的國家級棉花生產(chǎn)基地[29]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育期數(shù)據(jù)來源于新疆阿拉爾市氣象局,主要包括棉花播種-出苗期、出苗-現(xiàn)蕾期、現(xiàn)蕾-開花期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期和全生育期共6個生育階段;同期地面氣象數(shù)據(jù)來源于新疆阿拉爾市氣象局,主要包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時數(shù)、相對濕度和降水量。

1.3 研究方法

1.3.1棉花生育期/氣候要素傾向率

棉花生育期/氣候要素傾向率,主要利用最小二乘法[30]計算。本研究傾向率等于回歸系數(shù)[30]。

1.3.2棉花生育期/氣候要素變化的顯著性

棉花生育期/氣候要素隨時間序列的變化主要利用slope函數(shù)[31]求算,公式如下:

(1)

式中:m,序列長度,d;Qi,某一年的要素值;slope>0,提前(縮短)趨勢,slope<0,為推遲(延長)趨勢。本研究采用Pearson相關(guān)性分析方法確定顯著性,將結(jié)果劃分為極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)2個等級。

1.3.3Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)突變檢驗

該方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于不受個別異常值的干擾,能客觀反映棉花生育期隨時間序列的突變[32]。當(dāng)UFk和UBk兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn),則交點(diǎn)對應(yīng)的時刻便是突變開始的時間。本研究給定顯著性水平a=0.05,所對應(yīng)的臨界值為±1.96。

1.3.4優(yōu)勢主導(dǎo)分析方法

利用優(yōu)勢主導(dǎo)分析方法來討論氣候要素變化對棉花生育期變化的貢獻(xiàn)率,該方法在棉花生育期變化與氣候要素相關(guān)的基礎(chǔ)上,主要?dú)夂蛞貙γ藁ㄉ谧兓南鄬χ匾钥赏ㄟ^各氣候要素的總平均貢獻(xiàn)占已知方差的百分比來表達(dá),其相對重要性更為直觀和準(zhǔn)確[2]。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花生育期的變化趨勢

由圖1可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花播種-出苗期、出苗-現(xiàn)蕾期、現(xiàn)蕾-開花期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期分別出現(xiàn)在4月14—28日、5月2日—6月2日、6月6日—7月6日、6月24日—9月8日、9月16日—10月20日,棉花播種-出苗期、出苗-現(xiàn)蕾期、現(xiàn)蕾-開花期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期和全生育期分別為15、35、31、77、35和190 d(圖1(a))。棉花播種-出苗期、出苗-現(xiàn)蕾期和全生育期均呈現(xiàn)極顯著延長趨勢,分別延長0.048(P<0.01)、0.234(P<0.01)和0.236 d/年(P<0.01);現(xiàn)蕾-開花期呈現(xiàn)極顯著縮短趨勢,縮短0.028 d/年(P<0.01)(圖1(b)),這主要與墾區(qū)1990—2020年棉花播種期和出苗期均呈現(xiàn)極顯著提前趨勢,開花期和停止生長期均呈現(xiàn)顯著提前趨勢有關(guān),分別提前0.279(P<0.01)、0.230(P<0.01)、0.025(P<0.05)、0.043 d/年(P<0.05)。

圖1 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花各生育階段持續(xù)時間(a)及其傾向率(b)

由表1和圖2可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾-開花期隨時間序列的突變出現(xiàn)在2011年,棉花播種-出苗期、出苗-現(xiàn)蕾期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期和全生育期隨時間序列的突變不明顯,這表明1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾-開花期存在明顯的階段性變化,表現(xiàn)在1990—2011年現(xiàn)蕾-開花期呈現(xiàn)不顯著縮短趨勢,2012—2020年現(xiàn)蕾-開花期呈現(xiàn)極顯著縮短趨勢,分別縮短0.084(P>0.05)和0.850 d/年(P<0.01);棉花播種-出苗期、出苗-現(xiàn)蕾期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期和全生育期階段性變化均不明顯。

表1 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育期變化的Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗

圖2 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾-開花期變化趨勢

2.2 棉花生育期氣候要素變化趨勢

由圖3可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花全生育期最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、積溫和降水量分別增加0.016(P>0.05)、0.024(P>0.05)、0.012(P>0.05)、7.243 ℃/年(P>0.05)和0.638 mm/年(P<0.01);氣溫日較差、相對濕度和日照時數(shù)分別減少0.009 ℃/年(P>0.05)、0.158%/年(P<0.05)和0.168 h/年(P>0.05)。其中,棉花播種-出苗期最高氣溫、平均氣溫和積溫均呈現(xiàn)極顯著增加趨勢,最低氣溫呈現(xiàn)顯著增加趨勢,分別增加0.012(P<0.01)、0.004(P<0.01)、0.882(P<0.01)和0.013 ℃/年(P<0.05);出苗-現(xiàn)蕾期氣溫日較差呈現(xiàn)極顯著增加趨勢,積溫和降水量均呈現(xiàn)顯著增加趨勢,分別增加0.022(P<0.01)、4.329 ℃/年(P<0.05)和0.106 mm/年(P<0.05);現(xiàn)蕾-開花期最高氣溫和降水量均呈現(xiàn)極顯著增加趨勢,分別增加0.002 ℃/年(P<0.01)和0.021 mm/年(P<0.01),積溫、氣溫日較差和日照時數(shù)均呈現(xiàn)極顯著減小趨勢,平均氣溫呈現(xiàn)顯著降低趨勢,分別減小0.672(P<0.01)、0.009 ℃/年(P<0.01)、0.831 h/年(P<0.01)和0.001 ℃/年(P<0.05);開花-吐絮期氣溫日較差呈現(xiàn)極顯著減小趨勢,相對濕度呈現(xiàn)顯著減小趨勢,分別減小0.014 ℃/年(P<0.01)和0.207%/年(P<0.05),降水量呈現(xiàn)極顯著增加趨勢,增加0.260 mm/年(P<0.01);吐絮-停止生長期最高氣溫、降水量和日照時數(shù)均呈現(xiàn)極顯著增加趨勢,分別增加0.066 ℃/年(P<0.01)、0.322 mm/年(P<0.01)和3.355 h/年(P<0.01)。

基于1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾-開花期突變情況,將棉花現(xiàn)蕾-開花期氣候要素變化分為1990—2011和2012—2020年2個階段。1990—2011年棉花現(xiàn)蕾-開花期平均氣溫呈現(xiàn)極顯著增加趨勢,最高氣溫和氣溫日較差呈現(xiàn)顯著增加趨勢,分別增加0.013(P<0.01)、0.025(P<0.05)、0.032 ℃/年(P<0.05);2012—2020年棉花現(xiàn)蕾-開花期最低氣溫和降水量呈現(xiàn)極顯著增加趨勢,分別增加0.124 ℃/年(P<0.01)和1.383 mm/年(P<0.01),氣溫日較差、積溫和日照時數(shù)均呈現(xiàn)極顯著減小趨勢,分別減小0.159(P<0.01)、19.222 ℃/年(P<0.01)和11.208 h/年(P<0.01),見表2。

表2 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾-開花期突變前后氣候要素傾向率

2.3 同期氣候要素對棉花生育期變化的影響

由圖4可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花全生育期延長與積溫增加呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與降水量增加和日照時數(shù)減少均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。其中,棉花播種-出苗期延長與積溫增加、日照時數(shù)減少均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與最高氣溫和平均氣溫的增加均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與最低氣溫增加呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);出苗-現(xiàn)蕾期延長與積溫、日照時數(shù)的增加均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);現(xiàn)蕾-開花期縮短與積溫減少呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與日照時數(shù)減少呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與平均氣溫升高呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),主要表現(xiàn)在1990—2011年現(xiàn)蕾-開花期縮短與積溫減少呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與最高氣溫上升、平均氣溫減少均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),2012—2020年現(xiàn)蕾-開花期縮短與積溫、日照時數(shù)減少均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);開花-吐絮期縮短與積溫、日照時數(shù)減少均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫上升均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);吐絮-停止生長期延長與最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、積溫和日照時數(shù)增加均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與降水量增加呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖4 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花各生育期變化與同期氣候要素變化的相關(guān)性分析

由表3和表4可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花全生育期的延長主要受積溫增加、降水量增加和日照時數(shù)減少的共同影響,貢獻(xiàn)率分別為53.07%、21.75%和25.18%。其中,播種-出苗期的延長主要受最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、積溫的增加和日照時數(shù)減少的共同影響,貢獻(xiàn)率分別為15.86%、14.24%、16.50%、34.03%和19.36%;出苗-現(xiàn)蕾期的延長主要受積溫和日照時數(shù)增加的共同影響,貢獻(xiàn)率為67.33%和32.67%;現(xiàn)蕾-開花期的縮短主要受平均氣溫升高、積溫減少和日照時數(shù)減少的共同影響,貢獻(xiàn)率分別為25.79%、53.22%和21.00%,表現(xiàn)在1990—2011年棉花現(xiàn)蕾-開花期的縮短主要受最高氣溫上升、平均氣溫和積溫減少的共同影響,貢獻(xiàn)率分別為25.64%、26.21%和48.15%,2012—2020年棉花現(xiàn)蕾-開花期的縮短主要受積溫和日照時數(shù)減少的共同影響,貢獻(xiàn)率分別為55.35%和44.65%;開花-吐絮期的縮短主要受最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫的上升以及積溫、日照時數(shù)的減少的共同影響,貢獻(xiàn)率分別為18.02%、19.99%、19.48%、27.29%和15.23%;吐絮-停止生長期的延長主要受最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、積溫、日照時數(shù)和降水量增加的共同影響,貢獻(xiàn)率分別為12.14%、13.39%、13.88%、25.54%、24.45% 和10.60%。

表3 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)主要?dú)夂蛞貙γ藁ㄉ谧兓呢暙I(xiàn)率

表4 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)主要?dú)夂蛞貙γ藁ìF(xiàn)蕾-開花期生育期階段性變化的貢獻(xiàn)率

3 討 論

全球氣候變暖導(dǎo)致不同地區(qū)棉花生育期呈現(xiàn)縮短或延長趨勢,其氣候要素變化對棉花各生育階段影響程度略有不同[18-27]。本研究發(fā)現(xiàn),1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花播種-出苗期、出苗-現(xiàn)蕾期和全生育期均呈現(xiàn)極顯著延長趨勢,吐絮-停止生長期呈現(xiàn)不顯著延長趨勢,現(xiàn)蕾-開花期呈現(xiàn)極顯著縮短趨勢,開花-吐絮期呈現(xiàn)不顯著縮短趨勢,這與王占彪等[20]、李迎春等[21]、楊雪飛等[26]的研究結(jié)果基本一致;1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)積溫的增加是導(dǎo)致棉花播種-出苗期、出苗-現(xiàn)蕾期、吐絮-停止生長期和全生育期延長的主要?dú)夂蝌?qū)動因子,積溫的減少是導(dǎo)致墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾-開花期、開花-吐絮期縮短的主要?dú)夂蝌?qū)動因子,這與孫桂蘭等[19]、王占彪等[20]、李迎春等[21]、芮建梅等[22]、謝芳等[23]、傅瑋東等[24]、阿布都克日木·阿巴司等[25]、楊雪飛等[26]、王金梅等[27]研究結(jié)果不一致,這主要與不同區(qū)域地理環(huán)境和氣候差異以及所選取資料的時間序列長短不同有關(guān)。

棉花生育期的長短直接決定棉花的產(chǎn)量[32]。本研究發(fā)現(xiàn),新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花各生育階段積溫的變化是導(dǎo)致墾區(qū)棉花各生育期呈現(xiàn)延長或縮短趨勢的主要?dú)夂蝌?qū)動因子,棉田管理者應(yīng)結(jié)合墾區(qū)棉花生育階段積溫變化情況,適時調(diào)整棉花種植制度及田間管理措施才可確保墾區(qū)棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

棉花生育期變化不僅受氣候變化的影響,還受棉花品種、田間管理和種植制度等因素的影響。本研究僅分析新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育期變化規(guī)律及其定量氣候驅(qū)動,未深入分析土壤環(huán)境、棉花品種遺傳特性和田間管理措施等多因素綜合作用對棉花生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,有待今后進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

在全球氣候變暖背景下,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區(qū)棉花播種-出苗期、出苗-現(xiàn)蕾期、吐絮-停止生長期和全生育期的延長均以積溫增加影響為主,現(xiàn)蕾-開花期和開花-吐絮期的縮短均以積溫減少影響為主。