新疆北疆地區氣候要素對棉花生長和產量的影響分析*

王金梅，侯志強，楊明鳳，吉春容

(1.塔城市氣象局，新疆 塔城 834700；2.和布克賽爾縣氣象局，新疆 塔城 834400；3.烏蘭烏蘇農業氣象試驗站，新疆 石河子 832000；4.新疆興農網信息中心/新疆維吾爾自治區農業氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002)

棉花是我國重要的經濟作物之一，素有“白金”之稱。連續25年新疆棉花種植面積位居全國第一，成為我國重要的棉花生產基地。2019年以來新疆棉花總產量占全國棉花產量的85%。在全球氣候變化的趨勢下，新疆氣候變暖、積溫增加、降水增多的趨勢明顯。極端天氣頻次與強度有所增加，極端氣候變化對林果產品的種植影響較大[1]。氣候變暖使新疆農業熱量資源更為豐富，農作物潛在的適宜生長季延長，農業生產的結構與布局，種植品種發生較大變化，種植區域可能北移擴大[2]。新疆氣候變化：對棉花生長產生較大影響[3]；對棉花現蕾期、開花期、吐絮期影響較大；對哈密瓜、伽師瓜從播種期到座果期均表現不同程度的提前趨勢，全生育期不顯著延長[4-5]；對冬小麥的播種期推遲，田間生長期縮短。冬季溫度升高，有利于冬小麥、特色林果等安全越冬[6]。氣候變暖：使棉花春、夏季發育期不同程度的提前、秋季發育期延遲、生長期延長; 有利于提高棉花的產量和品質[6-7]。但是近年來因氣候變暖，極端天氣頻發，氣候也發生異常，氣象災害導致的農牧業經濟損失也隨之加大。為了提高氣候資源的利用率，更科學高效種植棉花，提高棉農經濟效益，有效地防災減災；因而作者以烏蘭烏蘇為例，分析了氣候分素對棉花生長和產量的影響。

1材料與方法

選擇烏蘭烏蘇地區(85°49′E，44°17′N，海拔高度469.6 m)為研究區域，棉花種植品種為早熟品種。

氣候要素數據選取烏蘭烏蘇農業氣象站1981-2020年的平均氣溫、最高最低氣溫、降水量、日照時數、相對濕度、地溫(0 cm、5 cm)等，并計算大于15℃、大于20℃的積溫。數據來源于新疆氣象信息中心。本研究采用儒略日，將逐年棉花生育時期的日期轉化為日序數，即距當年1月1日的實際天數，得到時間序列[8-9]；棉花生育時期數據來源于烏蘭烏蘇農業氣象站農業氣象和新疆農業科學院的觀測數據。1981-2020年棉花種植面積和產量數據來源于新疆統計年鑒。利用線性回歸法分析1981-2020年棉花生育時期、產量的年際變化趨勢，并分析其與各氣候因子的相關性；因研究區域為棉花地膜覆蓋、節水灌溉種植區，所以未分析降水對生育時期和產量的影響以及氣溫變化對播種期的影響。采用M-K突變檢驗方法對氣候要素變化進行趨勢檢驗。棉花的氣候產量等于實際產量減去趨勢產量，采用5年滑動平均值方法模擬趨勢產量(房世波，2011)。利用Excel2010 、SPSS 21.0和Matlab2020a軟件進行數據處理分析。

2結果與分析

2.1棉花生長區氣候變化特征

2.1.1氣候要素的年際變化

1981-2020年烏蘭烏蘇年平均氣溫為7.6℃，年平均地面溫度為11.6℃，年平均相對濕度為65%，年平均降水量為227.8 mm，年平均日照時數為2865.0 h。如圖1所示，除年平均日照時數、年平均相對濕度呈下降趨勢外，其他氣候要素均呈上升趨勢。

圖1 烏蘭烏蘇地區1981-2020年氣候因子年際變化趨勢

近40年來各氣象要素中平均氣溫、0 cm地溫、5 cm地溫變化速率顯著(P<0.01)，其中平均氣溫上升速率為0.4℃/10a，0 cm地溫上升速率為1.1℃/10a，5 cm地溫下降速率為1.9℃/10a。而其他氣候要素的變化趨勢均不顯著。

通過M-K突變檢驗法分析各氣候要素是否發生突變及其突變發生時間，即各氣象要素正序列曲線(UF)、反序列曲線(UB))。若UF和UB出現交叉點，且交叉點位于信度線之間，這點對應的時間點便是突變開始的時刻[10]。采用通過95%的顯著性檢驗，信度線為U0.05=±1.96。如圖2所示，1981-2020年溫度、降水UF與UB兩線在信度線之間分別有1個交點，分別在1999年、1983年。在滑動t檢驗中，溫度、降水為顯著性檢驗。由此說明氣溫、降水分別在1999年、1983年發生了突變。氣溫以0.35℃/10a顯著增加；降水以5.06 mm/10a顯著增加。日照時數在信度線之間有多個交點，說明在1983-2020年期間日照時數沒有呈現顯著性變化趨勢。

圖2 1981～2020年烏蘭烏蘇氣候因子M-K檢驗

2.1.2 氣候要素在棉花生長期內的變化

北疆棉花播種期為4月中下旬，9月下旬至10月上旬棉花進入吐絮成熟期，生長期為4中旬～10月上旬。如表1所示，烏蘭烏蘇在1981-2020年棉花生長季內呈上升趨勢的氣候要素有月氣溫、5 cm地溫和相對濕度。氣溫方面，4～10月升溫變化幅度為0.28～0.90 ℃/10a，5 cm地溫4～10月上升趨勢均達到極顯著水平(P<0.01)，4月的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫上升趨勢也達到極顯著水平(P<0.01)，6月和7月平均氣溫、最低氣溫、5 cm地溫上升趨勢也達到極顯著水平(P<0.01)，4～10月平均最低氣溫也均呈顯著上升趨勢(P<0.05)。棉花生長季中后期，8～10月相對濕度的變化趨勢為顯著(P<0.05)，平均最高氣溫在生長季中前期4～7月增加顯著(P<0.05)。全生長季內各月降水變化趨勢均未通過顯著性檢驗。 除5月日照時數、10月平均0 cm地溫外，其他各月變化趨勢均未通過顯著性檢驗。

2.2棉花的生長發育變化

2.2.1生育時期的變化特征

烏蘭烏蘇地區棉花田間生長期為170天左右，1981年、1984年、1988年、1993年和1998年分別少于平均值18天、32天、23天、17天和17天；1999年、2006年、2008年和2009年分別多于平均值30天、19天、15天和17天；其他年份均接近平均值。

表1 1981-2020年棉花生長季各月氣候因子的線性傾向率

圖3 1999-2019年棉花生育時期的年際變化趨勢

從圖3可以分析到，1981-2020年40年來，生長發育時期距平波動變化比較明顯的是吐絮期、停長期。棉花吐絮在8月13日～10月6日變化，平均吐絮期為9月12日，以1983年(10月6日)、1992年(9月27日)、2003年(9月29日)明顯晚于平均吐絮期；棉花平均停長期為10月9日，變化范圍為9月18日～10月28日，以1990年及1991年(10月21日)、2006年(10月22日)明顯偏晚，1998年(9月18日)、2012年(9月20日)、2013年(9月23日)早于平均停長期。

從年際變化趨勢可以分析到，2002年以后的距平變化趨勢比較一致。1982年、1983年、1985年、1987年、1988年、1990年各生育時期均晚于平均生育時期，2012年以后各生育時期均早于平均生育時期。

如表2，從年際變化趨勢分析結果看，棉花各生育時期，從播種期到停長期均表現出不同程度的提前趨勢，最長提前幅度為6.73 d/10a，最短提前幅度為1.36 d/10a。在整個生育期中，吐絮期變化趨勢不顯著；停長期提前趨勢顯著(P<0.05)，其他生育時期均為極顯著(P<0.01). 全生育期變化趨勢顯著(P<0.05)，時間有所延長。各生育時期年際變化幅度在6.0～10.7天，吐絮期和停長期年際間變化幅度最大，現蕾期和開花期年際間變化幅度最小。

表2 烏蘭烏蘇地區1981-2020年棉花生育時期的線性傾向率

圖4 1999-2019年哈密瓜產量的年際變化趨勢

2.2.2產量的變化特征

從圖4可以看出，近40年來，棉花實際單產呈極顯著上升趨勢(P<0.01)，每年增速為48.79 kg/hm2。2005年以后氣候產量均為正值，1996年之前、2000年和2004年氣候產量均為負值，氣候產量為正值的有22年，為負值的有18年，平均值為12.1 kg/hm2，傾向率為48.726 kg/10a，且變化趨勢極顯著(P<0.01)，說明氣候條件有利于棉花的生產。

2.3氣候因子對棉花生長和產量的影響

2.3.1對棉花發育期的影響

從表3可以分析到，溫度、濕度、積溫對棉花發育期的影響比較明顯。播種期、出苗期、現蕾期、開花期的變化趨勢與年平均氣溫、年平均0 cm地溫、≥0℃積溫、≥10℃積溫和≥15℃積溫呈極顯著負相關(P<0.01),氣溫高，棉花生長前期的生育時期會提前。年平均5 cm地溫對播種期、出苗期、現蕾期、停長期的變化趨勢存在顯著正相關(P<0.05)，淺層地溫高，前期的生育時期和停長期會推后。吐絮期變化受≥0℃積溫顯著負影響(P<0.05)，說明熱量條件好，吐絮期會提前。田間生長期的變化與年平均氣溫、年平均0 cm地溫呈極顯著正相關(P<0.01)，說明地溫越高，田間生長期會越長。

表3 棉花生育時期與年平均氣候因子的相關系數

棉花屬喜溫作物，播種期發芽溫度為12℃～30℃，溫度越高，發芽期越短，最適宜發芽溫度為20℃～30 ℃，發芽期為2天；苗期生長溫度為16℃～30℃，最適宜生長溫度為20℃～30 ℃[11]。烏蘭烏蘇近40年以來4月中下旬、5月各旬平均5 cm地溫為12.7℃～28.1 ℃，能夠滿足棉花出苗生長溫度需求。從表4可以看出，棉花生長期前期從播種期到現蕾期的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、平均5 cm地溫均呈極顯著負相關(P<0.01)，說明溫度越高出苗、現蕾、開花、吐絮越早。播種期的地面0 cm地溫呈極顯著負相關(P<0.01)、現蕾期的地面0 cm地溫呈顯著負相關(P<0.05)。開花期的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫均呈極顯著負相關(P<0.01)，開花期的平均相對濕度呈顯著負相關(P<0.05)。

2.3.2對棉花產量的影響

對棉花氣候產量與不同生育時期(時間段、月、年尺度)分別統計分析了各氣候因子的相關性，表5可以分析到，氣候產量與年平均0 cm地溫呈極顯著負相關(P<0.01)，平均0 cm地溫偏高會對棉花氣候產量造成不利影響。在各生育時期中，棉花氣候產量與8月和10月的各氣象因素呈極顯著相關，其中，氣候產量與8月的各氣候要素呈極顯著正相關，與10月各氣候要素均呈極顯著負相關(P<0.01)，而與生育時期其他時間段內氣候因子相關均不顯著；平均氣溫越高，日照時數越多，平均最高氣溫越高，越不利于棉花氣候產量的形成。年平均最高氣溫越高越有利于棉花氣候產量的形成。

表4 棉花生育時期與生長季內氣象因子的相關系數

表5 棉花氣候產量與年平均氣候因子的相關系數

4討論與結論

烏蘭烏蘇植棉區是覆膜種植、節水灌溉生產區，各種栽培措施和棉花品種的不同對棉花生長過程在一定程度上存在一定差異，本研究在趨勢產量分析時沒有對棉花品種、栽培管理措施等其他條件產生的差異進行具體分析，其影響程度與氣候因子之間的相關關系，應建立生長模擬模型進一步深入研究。

本研究結果表明，近40年來，烏蘭烏蘇地區的年平均氣溫、年降水量、年平均0 cm地溫總體呈上升趨勢，分別在1999年和1983年發生了突變；年日照時數、年平均相對濕度呈下降趨勢；棉花生長季內月日均氣溫、5 cm地溫、相對濕度均呈上升趨勢，降水各月變化趨勢不顯著，5月日照時數、10月平均0 cm地溫增高趨勢顯著。

本研究還表明，烏蘭烏蘇植棉區棉花的田間生長期平均170天，近40年來從播種期到停長期均表現出不同程度的提前趨勢，生育時期距平波動變化比較明顯的是吐絮期、停長期，田間生長期顯著延長；各生育時期年際變化率在6.0～10.7 天，以吐絮期和停長期年際間變率最大，現蕾期和開花期年際間變率最小；棉花生育時期受溫度、濕度的影響比較明顯，溫度越高，棉花生長前期的生育時期會提前。

本研究再表明，近40年來，烏蘭烏蘇植棉區的棉花實際單產呈極顯著上升趨勢，各氣象因素在8月和10月對棉花氣候產量有極顯著影響，8月的各氣候要素與氣候產量呈極顯著正相關(P<0.01)，氣候產量與10月各氣候要素均呈極顯著負相關(P<0.01)，而與各生育時期時間段內氣候因子相關性不顯著。平均氣溫越高，日照時數越多，平均最高氣溫越高，越不利于棉花氣候產量的形成。年平均最高氣溫越高越有利于棉花氣候產量的形成。