1990-2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期的動(dòng)態(tài)變化

關(guān)鍵詞：物候期；棉花；動(dòng)態(tài)變化；階段性；南疆阿拉爾墾區(qū)

物候現(xiàn)象能客觀反映植物在生長(zhǎng)過程中對(duì)外界氣候環(huán)境的響應(yīng)及其適應(yīng)性[1]，主要表現(xiàn)為植物生育期的提前、推遲和生育階段的延長(zhǎng)或縮短等[2]，可以更好地監(jiān)測(cè)和評(píng)估作物生長(zhǎng)[3-6]。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IntergovernmentalPanel on Climate Change，IPCC）第五次報(bào)告指出，與1986—2005年相比，2016—2035年間全球平均氣溫可能升高0.3～0.7 ℃，2081—2100年可能上升0.3～4.8 ℃[7]，2010—2019年是有記錄以來最暖的10年[8]，這種以溫度升高為主要標(biāo)志的全球氣候變化已對(duì)作物物候變化產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，成為學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題[910]。研究表明，1981—2010年中國(guó)小麥播種期、出苗期、三葉期和乳熟期呈現(xiàn)提前趨勢(shì)[9]；2003—2019年山東省冬小麥返青期、拔節(jié)期和成熟期呈現(xiàn)顯著推遲趨勢(shì)，抽穗期呈現(xiàn)顯著提前趨勢(shì)[4]；1992—2013年中國(guó)北方冬小麥種植區(qū)返青期呈現(xiàn)延后趨勢(shì)，成熟期呈現(xiàn)提前趨勢(shì)[11]；1992—2012年東北水稻抽穗期、乳熟期和成熟期呈現(xiàn)提前趨勢(shì)[12]；1981—2010年中國(guó)玉米播種期、出苗期、三葉期、拔節(jié)期、抽雄期、乳熟期和成熟期均呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)[13]；1994—2013年湖北省襄陽驛棉花播種期和現(xiàn)蕾期呈現(xiàn)極顯著延遲趨勢(shì)，江陵棉花吐絮期呈現(xiàn)顯著提前趨勢(shì)[14]；1981—2010年河北省棉花播種期、出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期和吐絮期均呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，收獲期呈現(xiàn)延后趨勢(shì)[10]；1960—2009年陜西棉花出苗期至收獲期都呈現(xiàn)顯著提前趨勢(shì)[15]；1980—2019年新疆棉花出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期都呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，吐絮期呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)[16]，南北疆棉花物候期空間差異顯著，生長(zhǎng)期由南向北呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)[17]。以往針對(duì)作物物候期的研究主要集中在小麥、玉米、水稻和棉花等作物上[4，9，11-17]，偏重于作物物候期的總體變化趨勢(shì)研究，針對(duì)南疆地區(qū)棉花物候期及其階段性動(dòng)態(tài)變化的研究較少。

南疆阿拉爾墾區(qū)（40°22′—40°57′N、80°30′—81°58′E）位于塔克拉瑪干沙漠北緣，光熱資源豐富，降水稀少，干燥度極高，均在16以上[18]，屬于典型暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候[19]，是南疆主要的農(nóng)、林、牧業(yè)灌溉區(qū)和重要的國(guó)家級(jí)棉花生產(chǎn)基地[18]。20世紀(jì)80年代以來，新疆地區(qū)出現(xiàn)暖濕化的氣候轉(zhuǎn)變[2021]，南疆阿拉爾墾區(qū)呈現(xiàn)暖濕化的氣候變化，春季增溫幅度達(dá)0.052 ℃·a-1[18]，改變了區(qū)域棉花物候期的時(shí)間分配及其動(dòng)態(tài)變化，對(duì)區(qū)域棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。因此，本研究重點(diǎn)分析氣候暖濕化背景下南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期動(dòng)態(tài)變化及其突變情況，以期為提高墾區(qū)棉田氣候變化適應(yīng)能力和科學(xué)管理棉田提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取南疆阿拉爾墾區(qū)1990—2020年棉花物候期資料，數(shù)據(jù)來源于新疆農(nóng)業(yè)氣象中心，主要包括播種期、出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期和停止生長(zhǎng)期6個(gè)重要的物候期。

1.2 研究方法

1.2.1 棉花物候期傾向率測(cè)定 棉花物候期傾向率測(cè)定主要采用最小二乘法[22]，可用一次線性方程表示[23]，如公式（1）所示。

式中，xi 為第i 年棉花物候期；a為常數(shù)項(xiàng)；b為回歸系數(shù)；ti 為xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列。研究中物候期傾向率等于回歸系數(shù)。

1.2.2 距平和累積距平 棉花物候期過程變化主要采用距平（d）和累積距平[24]。其中，距平能直觀反映物候期變化趨勢(shì)以及變化程度；累積距平是一種常用曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的方法，當(dāng)累積距平為正值，表明物候期呈提前趨勢(shì)；反之，為推遲趨勢(shì)。計(jì)算方法如公式（2）（3）所示。

1.2.3 顯著性分析 棉花物候期隨時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)變化主要采用slope函數(shù)[25]計(jì)算，如公式（4）所示。

1.2.4 Mann-Kendall（M-K） 檢驗(yàn)和滑動(dòng)t 檢驗(yàn) 棉花物候期突變分析主要采用Mann-Kendall（MK）檢驗(yàn)[26]和滑動(dòng)t 檢驗(yàn)[27]。其中，M-K檢驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于不受個(gè)別異常值的干擾，能客觀反映棉花物候期突變情況。檢驗(yàn)方法如公式（5）所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期年（際）間動(dòng)態(tài)變化分析

運(yùn)用最小二乘法對(duì)1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1和表2所示。1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花平均播種期、出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期和停止生長(zhǎng)期分別出現(xiàn)在4月14日、4月29日、6月3日、7月2日、9月17日和10月20日，極差分別為25、23、20、22、44和24 d。其中，1990—2020年棉花播種期和出苗期均呈現(xiàn)極顯著提前趨勢(shì)，分別提前0.279 和0.231 d·a-1，主要表現(xiàn)在2011—2020 年棉花播種期和出苗期均呈極顯著提前趨勢(shì)，分別提前0.963和0.809 d·a-1，其他時(shí)段年際間波動(dòng)不明顯；1990—2020年開花期和停止生長(zhǎng)期均呈現(xiàn)顯著提前趨勢(shì)，分別提前0.025和0.043 d·a-1，年際間波動(dòng)均不明顯；吐絮期提前趨勢(shì)和現(xiàn)蕾期延遲趨勢(shì)均不顯著，僅為0.408和0.003 d·a-1。

2.2 南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期過程動(dòng)態(tài)變化分析

運(yùn)用距平和累積距平對(duì)1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期過程變化進(jìn)行分析（圖1）。1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花播種期和出苗期正距平占比分別為48.3% 和54.8%，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，呈現(xiàn)“低-高-低”的過程變化，即1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花播種期和出苗期均呈現(xiàn)不同程度提前趨勢(shì)，均以1990—2010 年提前幅度較大，2011—2020年提前幅度較?。幻藁ìF(xiàn)蕾期和開花期正距平占比分別為45.6% 和41.9%，分別在1999、2007 年和1999、2009 年存在較大波動(dòng)，呈現(xiàn)“低-高-低-高”的過程變化；吐絮期正距平占比僅為32.2%，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，呈現(xiàn)“低-高-低”的過程變化，即1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花吐絮期總體呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，以1990—2014年提前幅度較大，2015—2020年提前幅度較??；停止生長(zhǎng)期正距平占比達(dá)51.6%，以2011年波動(dòng)最大，呈現(xiàn)“低-高-低”的動(dòng)態(tài)變化，即2000—2011年提前幅度較大，2012—2020年提前幅度較小。

2.3 南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期階段性動(dòng)態(tài)變化及其突變分析

利用M-K檢驗(yàn)和滑動(dòng)t 檢驗(yàn)對(duì)1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期進(jìn)行突變檢驗(yàn)與驗(yàn)證（圖2和圖3）。1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾期在2000年存在明顯突變，開花期在2000和2010年存在明顯突變，吐絮期在2010年存在明顯突變，即棉花現(xiàn)蕾期經(jīng)歷了1990—2000 年和2001—2020年2個(gè)主要階段，棉花開花期經(jīng)歷了1990—2000 年、2001—2010 年和2011—2020 年3個(gè)主要階段，棉花吐絮期經(jīng)歷了1990—2010年和2011—2020 年2 個(gè)主要階段；棉花播種期、出苗期和停止生長(zhǎng)期突變不明顯，即棉花播種期、出苗期和停止生長(zhǎng)期不存在明顯階段性變化特征。

根據(jù)M-K 檢驗(yàn)和滑動(dòng)t 檢驗(yàn)結(jié)果，利用最小二乘法對(duì)1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期階段性動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析（圖4）。1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾期的階段性變化主要表現(xiàn)在1990—2000 和2001—2020 年均呈現(xiàn)不同程度推遲趨勢(shì)，分別推遲0.773 和0.153 d·a-1；同期棉花開花期階段性變化主要表現(xiàn)在1990—2000和2001—2010年均呈現(xiàn)不同程度推遲趨勢(shì)，2011—2020年呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，分別變化0.555、0.206和0.812 d·a-1；同期棉花吐絮期階段性變化主要表現(xiàn)在1990—2010 和2011—2020 年均呈現(xiàn)不同程度提前趨勢(shì)，分別提前0.460和2.164 d·a-1。

3 討論

在全球氣候暖濕化背景下，我國(guó)棉花物候期存在明顯的時(shí)空分布及其動(dòng)態(tài)變化的差異性[10，14-17]。研究發(fā)現(xiàn)，1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期總體變化趨勢(shì)較明顯，主要表現(xiàn)在棉花播種期、出苗期、開花期、吐絮期和停止生長(zhǎng)期均呈現(xiàn)不同程度的提前趨勢(shì)，現(xiàn)蕾期呈現(xiàn)推遲趨勢(shì)，以墾區(qū)棉花吐絮期提前幅度最大，播種期提前幅度次之，開花期提前幅度最??；1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期階段性變化特征較明顯，主要表現(xiàn)在棉花現(xiàn)蕾期在1990—2000 和2001—2020年均呈現(xiàn)不同程度階段性推遲趨勢(shì)，棉花開花期在1990—2000和2001—2010年均呈現(xiàn)不同程度階段性推遲趨勢(shì)、在2011—2020 年呈現(xiàn)階段性提前趨勢(shì)，棉花吐絮期在1990—2010和2011—2020年均呈現(xiàn)不同程度階段性提前趨勢(shì)，這與新疆棉花出苗期顯著提前、河北省棉花播種期、出苗期、開花期和吐絮期顯著提前的結(jié)論一致[10，17]，與新疆棉花現(xiàn)蕾期和開花期顯著提前，新疆北部棉花從播種到裂鈴各發(fā)育期均提前，湖北省棉花播種到收獲各生育期均延遲，河北省棉花現(xiàn)蕾期提前、收獲期推遲的結(jié)論不太一致[10，14，1617]，這主要與研究區(qū)域所處地理環(huán)境和所選取的物候期資料時(shí)間序列長(zhǎng)短不同有關(guān)，這就要求棉田管理工作者需結(jié)合區(qū)域棉花物候期和氣候要素實(shí)際變化情況，做到因地制宜，因時(shí)制宜，合理調(diào)整棉花田間管理措施，促進(jìn)區(qū)域棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

棉花物候期的動(dòng)態(tài)變化是由品種遺傳特性、田間管理措施和生態(tài)氣候因子等多種因子綜合作用的結(jié)果，存在很強(qiáng)的不確定性。本研究深入研究了南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期動(dòng)態(tài)變化及其突變情況，未分析生態(tài)氣候因子、品種遺傳特性、田間管理措施和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子等指標(biāo)對(duì)墾區(qū)棉花物候期變化及其產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，今后有待于加強(qiáng)研究與探討。