新疆農八師墾區不同播期棉花苗期的終霜凍風險

李紅英， 向 導， 賈 超

(1.石河子烏蘭烏蘇農業氣象試驗站， 新疆 石河子 832000； 2.石河子莫索灣氣象站， 新疆 石河子 832000)

棉花是重要的經濟作物和戰略物資，可用于不同行業和領域，在國防建設、輕工業以及醫藥衛生等方面尤為重要[1-3]。2017年新疆棉花播種面積占全國總面積的60.8%，其產量占全國總產的74.4%[4]，北疆地區棉花種植面積占全疆的1/3，為重要棉花生產基地之一。棉花生長離不開氣候環境，而不利的氣候條件影響棉花的正常生長及產量。由于氣候特征的區域化特點，各地區氣候變化對棉花生長影響的程度也不盡相同[5-7]。播種出苗是棉花的第一關鍵期，霜凍不僅影響苗全及苗壯，而且還影響后期開花、結鈴和吐絮，甚至影響棉花產量[8-9]，霜凍災害直接影響作物后期生長及產量的形成[10-11]。因此，研究棉花適時播種降低終霜凍風險，對棉花的苗全、苗壯、穩產和豐產具有重要意義。關于氣象要素對棉花生長及產量的影響已有諸多研究[12-14]。李曉川等[15]研究表明，庫爾勒地區棉花播種期的異常天氣對棉花苗期具有明顯的風險性。張翠英等[16]研究認為，氣候因素與魯西南棉花生長、產量和品質具有良好的相關性；狄佳春等[17]采用區域試驗資料分析氣象因素對棉花產量的影響。李迎春等[18]選用10℃初日研究全疆植棉區終霜期對棉花播種期的影響。傅瑋東[19]研究新疆終霜和春季低溫冷害對棉花播種期的風險。可見，終霜日的地域性變化十分明顯。為此，選擇近30年(1989-2018年)烏蘭烏蘇農業氣象試驗站棉花物候觀測資料及近58年(1961-2017年)氣候資料，運用氣候診斷分析方法，研究不同播期棉花苗期的終霜凍風險，以期為新疆農八師墾區棉花豐產栽培計劃的制定及苗期終霜凍風險的預防提供技術支撐。

1 資料與方法

1.1 數據來源

1989—2018年大田棉花物候(3-5月日平均氣溫、日最低氣溫等)觀測資料及1961—2018年氣候(包括農八師墾區莫索灣、炮臺、烏蘭烏蘇及石河子氣象站1961—2017年3—5月日平均氣溫、日最低氣溫資料，烏蘭烏蘇農業氣象試驗站棉花發育期資料)資料，由烏蘭烏蘇農業氣象試驗站提供。

1.2 方法

1.2.1 指標的確定 10℃及12℃初日，采用5日滑動平均法計算；棉花苗期重霜凍，因為棉花苗期輕霜凍最低溫度為3～4℃，重霜凍為2℃[20]，所以采用春季最后一次日最低氣溫≤2℃日期作為棉花苗期重霜凍指標。用標準偏差衡量變量離散幅度。

1.2.2 日期轉換日序 變量的變化趨勢特征采用一元線性回歸分析，用一元線性函數的一次項系數(a)表征變量的趨勢變化特征[19]；為便于作圖與分析，將10℃、12℃初日及終霜日期轉換成日序，具體以4月1日=1，4月2日=2，……，以此類推。

變量標準偏差(S)是用于衡量變量偏離算術平均值的程度，是變量分散程度的標準，可確定極端事件發生幾率[21]。

式中，S為變量標準偏差，yi-y為變量歷年值減總體平均數，N為變量樣本數。

y=ax+b

式中，y為因變量(氣候要素)，x為自變量(時間序號)，a為系數，b為常數項。a也稱傾向率，一般用10a來表示，a>0表示y變量隨時間呈上升趨勢；a<0則表示其呈下降趨勢。

2 結果與分析

2.1 農八師墾區棉花播種與出苗期、10℃初日、12℃初日和終霜期的年變化及其出現頻率

從圖1～4和表1看出，1989—2018年農八師墾區棉花的播種期及出苗期變化，1961—2018年10℃初日、12℃初日及終霜期的年變化及其出現頻率的變化。

表1 1961—2018年農八師墾區棉花播種期、10℃初日、12℃初日和終霜日出現的頻率Table 1 The frequency of cotton sowing date, 10°C first day, 12°C first day and last frost day in 8th reclamation area from 1961 to 2018 %

2.1.1 播種期 棉花播種期集中分布在4月，70%集中在中旬播種。其中，4月8-10日有5a，占16.7%；4月11-15日有7 a，占23.3%；4月16-20日有12 a，占40%；4月21-30日有6 a，占20%。播種期最早為4月8日(2013年和2016年)，最晚為4月30日(1996年)，平均為4月18日。隨著氣候變暖，棉花播種期呈明顯提前趨勢(r=0.487，P<0.01)，近10年(2009—2018年)較前20年(1989-2008年)播種期平均提前5 d。棉花出苗時間最早為4月18日(2007年)，最晚為5月20日(1992年和1993年)，平均為5月2日。由于播種期提前，出苗期也隨之明顯提前(r=0.497，P<0.01)，近10年(2009-2018年)較前20年(1989-2008年)出苗期平均提前5 d。1989-2018年烏蘭烏蘇農業氣象試驗站大田棉花監測結果表明，播種至出苗時間平均為15 d，最短為10 d(1996年、2007年和2008年)，1992年播種至出苗為4月24日至5月20日，歷時27 d，平均氣溫低于8.9℃的持續低溫天氣為4月28日至5月3日，為6 d，出苗率不足80%；2003年播種至出苗時間為4月17日至5月10日，歷時23 d，低于9.5℃的低溫天氣為4月19-23日，持續5 d，出苗率不足85%。

2.1.2 10℃及12℃初日

1) 10℃初日。1961—2018年穩定10℃初日為3月下旬至4月下旬，平均為4月12日。最早為3月31日(1983年、2000年和2012年)，最晚為4月28日(1984年)，標準偏差為±5.3 d，4月19日后出現的10℃初日為極端年份，有10 a，機率為17.2%。10℃初日74.2%的保證率為4月11-15日，其出現頻率為29.3%；84.5%的保證率為4月16-20日，其出現頻率為10.3%。穩定10℃初日擬合趨勢線呈提前趨勢，其一元線性方程為y=-0.041 4x+94.718(r=0.101，P>0.05)，傾向率為-0.414 d/10a，即每10年平均提前0.4 d達穩定10℃初日，2000年后(2000-2018年)較20世紀60-70年代(1961—1980年)提前3 d。

2) 12℃初日。1961—2018年穩定12℃初日為4月上旬至5月上旬，平均為4月17日，較10℃初日晚5 d，較10℃初日分散。最早為4月5日(2012年和2014年)，最晚為5月6日(1975年和1984年)，標準偏差為±6.1 d，4月23日后出現的12℃初日為極端年份，有9 a，機率為15.5%。12℃初日74.1%保證率為4月16-20日，其出現頻率為20.7%；86.2%保證率為4月21-26日，其出現頻率為12.1%。穩定12℃初日擬合趨勢線呈不顯著提前趨勢，其一元線性方程為y=-0.092 9x+201.73(r=0.210，P>0.05)，傾向率為-0.929 d/10a，即每10年平均提前0.9 d達穩定12℃初日，2000年后(2000-2018年)較20世紀60-70年代(1961-1980年)提前3 d。

2.1.3 終霜日 1961-2018年終霜結束的平均時間為4月15日，較為分散。2016年結束最早，為3月19日；1985年結束最晚，為5月15日；變幅為57 d，標準偏差為±11.0 d，4月26日后出現的終霜期為極端年份，有10 a，機率為17.2%。終霜日63.7%的保證率為4月16-20日，其出現頻率為5.2%；82.7%的保證率為4月26-30日，其出現頻率仍為5.2%。終霜期擬合趨勢線呈極顯著提前趨勢，其一元線性方程為y=-0.255 6x+523.65(r=0.320，P<0.01)，傾向率為-2.566 d/10 a，即每10年平均提前2.6 d結束終霜凍，2000年后至2018年終霜期平均為4月6日，20世紀60-70年代平均為4月17日，前者較后者提前11 d。

2.2 農八師墾區穩定10℃、12℃初日棉花播種的終霜凍風險

目前，農八師墾區仍以10℃初日作為棉花播種期指標。從表2可知，農八師墾區棉花在穩定10℃初日和穩定12℃初日平均播種日期和80%的保證率播種日期播種后遇終霜凍概率的變化。10℃初日：平均播種日期和80%的保證率播種日期分別為4月12日和4月18日，其播種后、播種10 d后和播種15 d后遇終霜凍的概率和80%的保證率分別為48.3%和36.6%、31.0%和17.2%、19.0%和10.3%。12℃初日：平均播種日期和80%的保證率播種日期分別為4月17日和4月22日，其播種后、播種10 d后和播種15 d后遇終霜凍的概率和80%的保證率分別為37.9%和31.0%、19.0%和13.8%、13.8%和6.1%?？傮w看，12℃播種較10℃播種棉花苗期終霜凍風險降低約4～5百分點。

表2 農八師墾區穩定10℃初日及12℃初日播種后的遇終霜凍的概率Table 2 Probability of final frost on the first day of stable 10℃ and the first day ofstable12℃ after sowingin 8threclamation area

2.3 10℃初日、12℃初日與終霜日的相關性及播種期的確定

經相關分析，10℃初日、12℃初日與終霜日呈正相關，但相關性不顯著(r10℃=0.237，r12℃=0.190，P>0.05)，但10℃初日、12℃初日與終霜日仍存在同期出現的規律性。終霜日較10℃初日、12℃初日分散。5月上中旬出現的霜凍對棉花苗期則構成極大的威脅。農八師墾區以10℃初日作為棉花播種指標，12℃初日更適合作為當地棉花播種的適宜指標[21]，但是，即使提高播種溫度指標，農八師墾區棉花苗期仍具有較大的霜凍風險。4月中旬播種終霜風險達36.3%～41.4%，而將播種期推至4月21-25日，終霜凍風險可降至17.3%；播種期推至4月26-30日，終霜凍風險可降至8.6%；播種期推至5月1-5日，終霜凍風險可降至3.4%。在考慮初霜凍危害的同時，農八師墾區棉花播種期可推遲至4月26日至5月5日。

3 結論與討論

農八師墾區棉花播種期目前基本與10℃初日重合，即在4月中旬，經試驗與監測數據綜合分析，棉花播種適宜的溫度應為12℃。隨著氣候變暖，農八師墾區10℃初日和12℃初日呈不顯著的提前變化趨勢。而終霜日呈極顯著提前趨勢。10℃初日較12℃初日變化幅度大，而終霜日的變化幅度則更大。因此，12℃初日比終霜日更易預測預報。

目前，4月中旬播種終霜風險達36.3%～41.4%，而將播種期推至4月21-25日，終霜凍風險可降至17.3%，播種期推至4月26-30日，終霜凍風險可降至8.6%；播種期推至5月1-5日，終霜凍風險可降至3.4%。在考慮初霜凍危害的同時，農八師墾區棉花播種期可推遲至4月26日至5月5日。其具體播種期可預測預報12℃初日80%或90%保證率的出現日期。

棉花播種后若遇連續低溫及霜凍天氣，若發生在棉花出苗前，會因低溫脅迫棉花種子發芽遲緩，使其爛根爛芽，影響出苗率，如1992年、1993年和2002年均因播種后的連續低溫天氣影響苗情。當出苗后遇終霜凍其危害更嚴重，甚至毀種重播。經試驗與監測數據綜合分析，農八師墾區棉花播種至出苗需要10～27 d，平均15 d左右。終霜日為播種前或在播種后10 d內，對棉花苗期無影響，若終霜日為播種10 d后，即給棉花生長帶來霜凍風險。12℃初日較10℃初日平均晚5 d。張玲等[21-22]研究指出，石河子墾區12℃播種可提高棉花出苗率20%以上，且苗齊苗壯程度高于10℃播種。

從1989-2018年播種期監測結果看，播種期最早為4月8日，播種10 d后其終霜凍風險概率為41.4%；若10℃初日80%保證率期間(4月18日)播種，播種10 d后其終霜凍風險概率為22.5%；若12℃初日80%保證率期間(4月22日)播種，播種10 d后其霜終凍風險概率為17.3%；4月26-30日播種，播種10 d后終霜凍風險概率可降至8.6%；若播種期推至5月1-5日，播種10 d后終霜凍風險可降至3.4%。棉花播種期的確定不僅要研究終霜凍對苗期的危害，還要考慮棉花成熟期的初霜凍危害。石河子墾區89.7%的初霜日為10月，9月初霜凍概率為10.3%，而9月中旬概率為1.7%，9月下旬為6.9%。1968年初霜為9月7日，終霜為5月5日，無霜期為歷年最短的124 d，1961—2018年無霜期<140 d的概率僅1.7%。近年來，石河子墾區棉花主推早熟品種新陸早62號和新陸早64號，生育期124 d[24]。

石河子以及北疆地區終霜凍對棉花苗期的危害要大于南疆[18]，即使將播種期推至4月26日后，仍存在3.4%～8.6%的終霜凍風險。目前，棉花播種期逐漸提前，主要是由于氣候變暖使界限溫度10℃初日、12℃初日及終霜日提前及行政干預等。如1997年4月14日由于過早播種，5月8日遇終霜凍至棉苗凍死，損失較重，而1993年4月28日的播種較晚，5月10日遇終霜凍，由于棉苗極少出土，則受災較輕。因此，石河子墾區在力推早熟品種新陸早62號和新陸早64號的同時，應提倡棉花適時晚播，可使終霜凍風險降至最低。