新疆塔城地區南部棉花冷害監測預警指標研究

井立軍 井立紅 高婧 周斌 毛榮

摘 要：利用新疆塔城地區南部沙灣、烏蘇氣象觀測站地面氣象實測數據及同期棉花生育期觀測資料，建立以旬為單位的模糊隸屬度函數以計算熱量指數，進而開發基于CIMISS數據環境的棉花熱量條件監測預警業務系統，結合熱量條件、棉田觀測等情況對棉花低溫冷害進行綜合判識，實現對棉花冷害的動態監測和及時預警服務，最大程度減輕低溫冷害對棉花生產的影響。

關鍵詞：低溫冷害;監測預警指標;熱量指數

中圖分類號：S161文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20191030060

引言

塔城地區南部的沙灣、烏蘇兩縣（市）位于新疆天山北麓，準葛爾盆地西南緣，有著優越的水土、光熱等自然條件，20世紀90年代以來棉花生產得以迅速發展，已經成為優質棉花生產基地，兩縣（市）棉花種植面積超過20萬hm2，從事棉花生產的農民總數達到20余萬人，棉花成為當地最大宗的農產品，更是當地農民增收的主要途徑。近年來以高效節水，標準化種植，全程機械化栽培、種植技術為標志的現代農業模式已形成，當今正是繼續向智慧農業推進的重要關鍵時期，開展棉花災害的動態監測與預警工作具有重要的現實意義。同時隨著棉花高效節水技術、全程機械化種植進程的加快以及現代栽培管理技術的引入，棉花生產的單位面積投入逐年增大，投入產出比有明顯提高，但棉花生產抵御氣象災害能力薄弱的短板卻日益凸顯，天氣氣候變化和農產品價值市場的波動成為影響棉花生產、棉農增收最主要的不確定性因素，氣象災害對棉花生產造成的損失呈逐年增大的趨勢，農業氣象服務水平尚不能與當前棉花種植技術的快速發展相適應，急需開展棉花生產氣象服務指標研究，建立棉花熱量條件專項監測預警業務系統。

新疆氣象局鄭維[1]、李新建[2]等學者通過研究認為熱量條件是影響新疆棉花生產最為關鍵的氣象因子，對棉花產量、品質有重大影響，并對新疆棉花冷害做了深入的研究，得出了低溫冷害是新疆棉花生產第一災害的科學結論;李新建[3]等人對1961—1997年阿克蘇、喀什、石河子棉區的棉花趨勢產量與相關氣象要素進行擬合，確定各棉區嚴重氣候減產年均為嚴重的延遲型低溫冷害年份，每年代逢3，9的年份為棉花氣候減產關鍵年;陳玥熤[4]利用1961—2005年逐日平均溫度資料和國家氣候中心74項大氣環流特征量資料，計算了新疆主要棉區的棉花熱量指數，建立了各棉區熱量指數的逐步回歸模型，以達到逐月滾動預報的目的。本文擬在前人研究的基礎上結合當前塔城地區南部棉區農業生產及熱量條件變化等展開分析，得出適合該區域生產實際的棉花冷害預警指標，開展區域棉花生產熱量條件實時動態監測，開發適合本地棉花生產服務需求的棉花冷害預警業務系統平臺，業務運行效果良好，為棉花生產提供準確及時的氣象服務信息。

1 資料與研究方法

塔城地區行政區域內的沙灣、烏蘇地面、農業氣象觀測站，具有完整序列的地面氣象實測資料和棉花生育期觀測資料及大田調查實地基礎資料。

利用一元線性回歸，統計分析1997—2018年不同界限溫度的氣候傾向率，棉花各生育期變化趨勢。為了更有利于反映棉花生長過程中的熱量狀況，建立以旬為單位的模糊隸屬度函數以計算熱量指數。重建1997—2018年熱量指數，結合生育期觀測資料確定低溫冷害對棉花單產影響。結合塔城地區南部棉區實際，確定預警指標，進而開發基于CIMISS數據環境的棉花熱量條件動態監測預警業務系統。

2 結果分析

2.1 氣候背景分析

圖1顯示，1961—2018年塔城地區南部烏蘇、沙灣兩站氣溫分別以0.29℃/10a、0.40℃/10a 的線性氣候傾向率顯著增暖，降水分別以14.03mm/10a、10.91mm/10a 的速率顯著增多，增暖增濕的氣候背景對棉花的生長發育是較為有利的。對比棉花同期觀測數據（圖2），兩站氣溫變化趨勢表現出微弱的遞減趨勢，降水增多趨勢卻更加明顯。這與一些研究指出的氣溫增暖減緩或停滯結論一致。1997年之前烏蘇年平均氣溫比沙灣偏高幅度在0.2～0.5℃之間，之后兩站氣溫差異縮小，且在1997年出現峰值后，兩站氣溫變化趨勢減緩，綜合考慮1997年之后棉花生產的灌溉條件、種植模式、栽培管理方式、作物品系、機械化水平程度不斷改進和提高，氣溫增暖減緩、降水增多總體上對棉花生長發育的影響不顯著，但階段性低溫出現的概率是否有所增加，棉花受低溫冷害的影響是否加劇，還有待于進一步的分析和探討。

2.2 熱量條件分析

孫蘭東[5]等人對西北地區熱量資源對氣候變化的響應進行分析顯示，>0 ℃、>10 ℃積溫呈增加趨勢。通過分析塔城地區南部1961—2018年各界限溫度的變化趨勢顯示，0～25℃各界限積溫的總體變化趨勢基本表現出增多趨勢，特別是≥0℃和≥5℃積溫接近重合且年際振蕩相對較小，≥20℃和≥25℃有效積溫變化趨勢接近且年際振蕩明顯，顯著偏少年份易發生低溫冷害事件。≥0～25℃的積溫氣候傾向率分別為70.93℃· d/10a、72.80℃·d/10a、 81.00℃·d/10a、80.16℃·d/10a、72.46℃·d/10a、71.44℃·d/10a。其中≥10℃有效積溫增多速率最大。與劉少華等人研究指出的我國≥10℃有效積溫整體呈上升趨勢且整體北移顯著[6]的結論相一致。塔城地區南部20世紀90年代之前主要作物為小麥、玉米，受氣候條件、經濟效益等多方面因素的影響，20世紀90年代之后棉花的種植面積不斷擴大，成為當地農業生產的支柱產業，占耕地面積的70%左右。

為了進一步描述氣候條件對棉花生長發育的影響，將1997—2018年各界限溫度的變化趨勢進行擬合（圖4），≥0℃和≥15℃有效積溫在1997年達到最大值，≥20℃和≥25℃有效積溫達到次大值;之后減少至平均水平附近，振幅有所減小，增加或減少趨勢不明顯。其中烏蘇≥0℃、≥5℃、≥10℃有效積溫每10a減少8～10℃·d之間，≥15℃有效積溫每10a增加10℃·d左右;沙灣≥0℃到≥15℃有效積溫呈現弱的增多趨勢，尤其是≥10℃有效積溫以23.5℃·d/10a的速率增多，這與烏蘇的變化趨勢相反;而≥20℃和≥25℃有效積溫兩站則表現出一致的減少趨勢，且年際變幅較大。烏蘇、沙灣站≥20℃積溫減少速率58.1℃·d/10a、37.0℃·d/10a， ≥25℃積溫減少速率分別為44.5℃·d/10a、19.3℃·d/10a。綜合來看，烏蘇積溫遞減速度大于沙灣，且≥20℃有效積溫減少趨勢表現最突出。這從側面說明棉花生長發育中后期熱量條件不穩定性增加，出現低溫冷害的風險也有所增大。

2.3 生育期變化特征

由表1可見，塔城地區南部棉區烏蘇、沙灣棉花生長發育狀況十分接近，棉花生育期平均在175～178d之間。1997—2018年塔城地區南部棉區各生育期年際變化曲線（圖略）可以看出，塔城地區南部棉區棉花播種期、出苗略有提前趨勢，現蕾到吐絮期波動平緩，沒有表現出明顯的提前或推后趨勢，而停止生長期有所提前，這與近些年來種埴品種為早熟品種，棉花采摘采用大型機械作業，為集中采收而大量噴施落葉劑等促早熟措施息息相關。兩站比對發現，

現蕾到吐絮期沙灣棉區較烏蘇棉區偏早3～5d，其余生長發育期基本一致，4月中旬中后期是大面積播種的適宜期，通過對4月中強以上天氣個例的反查顯示，4月17—19日、22—23日為重大災害性天氣關鍵日，每3～5a出現中強以上天氣的可能性較大，甚至會出現雨夾雪或雪，造成苗期冷害發生，致使部分棉田重播。

2.4 熱量指數計算

建立以旬為單位的模糊隸屬度函數以計算熱量指數，選取播種—出苗、出苗—現蕾、現蕾—開花、開花—裂鈴、裂鈴—停止生長5個生長階段。公式中i（i=1，2，3……，72）表示候序列數，Ti表示棉花某生長階段的旬平均氣溫，T1表示棉花某生長階段的下限溫度，T2表示棉花某生長階段的適宜溫度，Fi（T）表示每1旬的熱量指數，熱量指數F（T）是無量綱數，值為0～100之間，F（T）數值越大說明熱量條件越好，能夠滿足該階段棉花生長的需要。由于在此主要考慮棉花各生育期的低溫冷害事件， 所以計算熱量指數時僅考慮棉花各生長階段的下限溫度和適宜溫度， 在借鑒文獻[3，4]基礎上，構造了模糊隸屬度函數來計算熱量指數，這樣更有利于反映棉花生長過程中熱量不足的狀況。計算公式如下：

Ti

Fi（T）= 100（1- （T2 - Ti[DD（X]100[DD）]）2/[KG-*8]（T2 - T1）2） T1≤Ti

T2≤Ti

2.5 基于CIMISS數據環境的棉花熱量條件動態監測預警系統

使用VB6.0開發了基于新疆氣象局CIMISS數據環境的塔城地區棉花冷害監測預警業務系統，并經過試運行檢驗，用于指導業務、服務工作。

2.5.1 作物生育期的查詢

該模塊通過選取農業氣象觀測站點，查詢CIMISS數據庫，實現對選取站點棉花生育期觀測數據的查詢、顯示。

2.5.2 歷年0～25℃的積溫的統計查詢

該模塊實現對選取站點指定時段內0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃活動積溫的查詢，并統計查詢時段內的多年平均值，點擊積溫表頭可進行正向排序，便于掌握指定時段內0～25℃活動積溫數據和多年平均值，便于比較相近區域各站積溫的空間分布情況。

2.5.3 生育期內或指定時段內的熱量指數的統計查詢

該模塊中，選取需要查詢的站點，并人工輸入播種、出苗、現蕾、開花、吐絮、停止生長日期（普期），顯示出指定階段的熱量指數，為冷害監測預警提供數據支撐。通過塔城地區南部棉花熱量指數的重建分析，總結農業氣象服務指標。

2.5.4 土壤濕度資料的查詢

該模塊實現對選取的土壤濕度站點10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、80cm、100cm各層次體積含水量、相對濕度、重量含水率等監測數據的查詢顯示，及時了解和掌握棉田濕度狀況。

6 結論

通過對塔城地區南部棉區氣溫、降水、積溫等氣象要素的變化特征進行分析，探討棉區出現低溫冷害事件的風險性。

新疆北疆棉區的主要災害之一是低溫冷害。“塔城地區棉花冷害監測預警”業務系統以CIMISS數據環境為基礎通過對棉花生育期數據、自動氣象站數據（含區域自動氣象站）進行統計，進而求取棉花生長發育期間的熱量指數，同時結合積溫數據對當年棉花熱量條件給出綜合而客觀的量化評價（表2），為棉花冷害早發現、早預警、及早采取有效措施提供了重要的手段和方法。

參考文獻

[1] 鄭維，林修碧.新疆棉花生產與氣象[M].烏魯木齊：新疆科技衛生出版社，1992.

[2]李新建，何清，袁玉江，等.新疆棉花嚴重氣候減產年的熱量特征分析[J].新疆農業大學學報，2000，23（4）：27-36.

[3]李新建，毛煒嶧，楊舉芳，等.以熱量指數表示北疆棉花延遲型冷害指標的研究[J]，棉花學報，2005， 17（2）：88-93.

[4]陳玥熤，郭建平.新疆棉花低溫冷害逐步回歸預測模型[C].中國氣象學會2007年年會生態氣象業務建設與農業氣象災害預警分會場論文集，2007.

[5]孫蘭東，劉德祥.西北地區熱量資源對氣候變化的響應特征[J].干旱氣象，2008，26（1）：8-12.

[6] 劉少華，嚴登華， 翁白莎，等.近 50 a 中國≥10 ℃有效積溫時空演變[J].干旱區研究，2013，30（4）：689-696.

作者簡介：

井立軍（1973-），男，副研級高級工程師。研究方向：氣候變化及農業氣象服務;

井立紅（1971-），女，副研級高級工程師。研究方向：氣候變化及中短期天氣預報與服務。