新疆農八師墾區棉花氣候產量對熱量變化的響應

許浩翊，尹育紅，李紅英，田 苗，王嘯天

（1.新疆石河子莫索灣氣象站，新疆 石河子 832056；2.新疆石河子炮臺氣象站，新疆 石河子 832066；3.新疆石河子烏蘭烏蘇農業氣象試驗站，新疆 石河子 832000）

棉花是重要的戰略物資，在國民經濟發展中具有十分重要的地位，棉花產量關系著國計民生［1，2］。研究表明，氣候變化制約著農作物生產，并將繼續對作物產量產生重大影響。因此，探討氣候變化對棉花產量的影響具有重要的科學意義［3-5］。棉花生長發育及產量形成與氣候條件變化關系密切［6-8］，棉花生長關鍵期氣候條件變化對產量影響最大。張旺鋒等［9］采用不同生態區進行“雙向異地種植”，橫向比較不同生態區棉花產量庫構成的變化，結果發現新疆棉花單鈴重是河北南宮地區的1.5 倍，主要是因為新疆日溫差大、日照時數多，光合產物生產與累積有利于個體發育。賈超等［10］運用灰色關聯度方法研究了影響新疆棉花產量的主要氣候要素，結果發現≥10 ℃積溫、苗期極端最低氣溫和棉花生長季平均氣溫、初霜凍是影響棉花產量的主要氣候要素。李紅英等［11］采用線性相關方法研究了熱量資源對棉花產量的貢獻，結果發現播種出苗期積溫對棉花產量貢獻率為6.59%、裂鈴至停止生長期的積溫對產量貢獻率為5.95%，播種出苗期和裂鈴至停止生長期是棉花熱量敏感關鍵期。程紅霞等［12］研究了北疆棉花NDVI 變化過程與氣象要素的相關性，結果發現棉花NDVI 與三基點氣溫顯著相關，而最低氣溫的積溫對棉花生長的影響更為明顯。王士紅等［13］研究發現，魯西地區棉花生育期內的積溫變化對棉花產量影響不明顯，降水量和日照時數是影響棉花產量的關鍵氣象要素。總結前人對棉花氣象的研究成果可知，不同區域的氣候條件對棉花生長及產量形成存在明顯的差異性，其影響棉花生長的主要氣候因子也具有區域性特點。新疆農八師墾區因地理環境特殊，光照十分充足，降水量稀少［14，15］，發展農業生產用水主要以灌溉為主。因此，光照和降水量對新疆農八師墾區棉花生產的影響并不明顯，而影響棉花生產的主要氣候要素是熱量條件。本研究以新疆農八師墾區棉花種植為研究對象，選取1961—2019 年棉花產量和氣候資料以及1988—2019 年農業氣象監測的棉花發育期資料，研究新疆農八師墾區年際間不同時間熱量條件波動性變化對棉花產量的影響。旨在探明影響新疆農八師墾區熱量對棉花產量的影響程度和棉花熱量指標，以期為該地區制定棉花豐產栽培、提高技術管理水平、防災減災等提供參考。

1 資料與方法

1.1 調查區域概況

新疆是中國棉花的主產區，2020 年棉花種植面積為2 501.9 千m2，位居全國第一，總產量占全國的87.3%［16］。新疆農八師墾區是新疆重要的優質棉生產基地之一，每年種植面積占新疆自治區的14.0%左右［17］，其位于N43°26′—45°20′，E84°58′—86°24′，墾區在準噶爾盆地的南緣天山以北，墾區面積7 529 km2。墾區地形由南向北依次分為天山山區、丘陵區、傾斜平原、沖積平原與鳳城沙漠區，平均海拔高度300～500 m。該區域屬溫帶大陸性氣候的干旱氣候區，夏季炎熱，冬季嚴寒，年平均氣溫7.5～9.1 ℃，年日照2 400～2 800 h，年降水量180～280 mm，無霜期在147～191 d。大氣降水量少，而地表水和地下水豐富，地下水可采量3 億m3；境內有瑪納斯河、寧家河、大南溝河、金溝河及八音溝河等5 條河流，年徑流量15.3 億m3。新疆農八師墾區水土光熱資源較為豐富，為典型的灌溉農業。

1.2 資料來源

棉花產量資料來源于新疆石河子市統計局，氣象資料來源新疆石河子氣象局檔案室，棉花物候期資料來自新疆烏蘭烏蘇農業氣象試驗站。氣象資料統計整理了1961—2019 年近59 年日平均、最低、最高氣溫，并計算棉花生長發育各時期的活動積溫。運用Excel軟件進行計算分析。

1.3 分析方法

1.3.1 多項式函數擬合 假設給定數據由M次多項式函數生成，采用多項式函數擬合完成任務［18］，M次多項式函數可以對已知數據以及未知數據都具有很好的預測能力。最小二乘法是一種數學優化技術，它通過最小化誤差的平方和匹配尋找數據的最佳函數。利用最小二乘法使這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和最小。設M次多項式模型表達式為：

式中，xi是輸入觀測值，fM為模擬觀測值，aM為M＋1 個參數，i＝1，2，3，…，N。

1.3.2 一元線性回歸方程 建立一個因變量（y）與一個自變量（x）之間的線性關系，在直角坐標系中將大量數據繪制成散點圖，通過最小二乘法確定直線方程y=ax+b的a和b，即為一元回歸線性方程［19］。a為因變量隨自變量而變化的速率。

1.3.3 線性相關 采用線性相關系數方法分析要素xi與棉花氣候產量yj間相關關系和影響程度［19］，表達式如下。

式中，r為相關系數，-X為要素平均值，-Y為氣候產量平均值。

2 結果與分析

2.1 棉花產量

2.1.1 棉花趨勢產量 新疆農八師墾區棉花實際產量年際變化以及多項式模擬的技術產量如圖1 所示。1961—2019年棉花平均單產為1 500 kg/hm2。由圖1 可知，20 世紀60 年代中期棉花豐產，70 年代社會動蕩導致棉花產量明顯減少，80 年代后重視農業科學技術，棉花產量持續升高，棉花單產由450 kg/hm2增加至1 700 kg/hm2；2010—2019 年棉花產量維持在1 700～1 800 kg/hm2，表明棉花栽培技術已進入新的瓶頸。棉花實際產量受政策和生產力發展水平的影響呈五階多項式變化趨勢，根據式（1）得到棉花趨勢產量五階多項式為y=8E-5x5-0.752 6x4+299 8.6x3-6E+6x2+6E+9x-2E+12（R2=0.972 7，P＜0.01）。

圖1 新疆農八師墾區1961—2019 年棉花單產與技術產量

2.1.2 棉花氣候產量 研究認為實際產量（Ys）是由趨勢產量（Yt）、氣候產量（Yq）和隨機誤差（E）組成［20，21］，氣候產量的表達式為：

因為人為因素造成管理上的失誤，使作物減產的分量稱之為隨機誤差，1967—1976 年棉花減產具有較大的人為因素，通過調研對這10 年的產量進行了適當訂正。1961—2019年農八師墾區棉花氣候產量變化趨勢如圖2 所示。由圖2 可知，棉花氣候產量隨時間變化呈增加趨勢，傾向率為每10年13.039 kg，序列相關系數為0.256，達到顯著水平（P＜0.05）。

圖2 新疆農八師墾區1961—2019 年棉花氣候產量

2.2 各發育期熱量條件對棉花氣候產量的影響

2.2.1 播種—出苗期 通過對新疆烏蘭烏蘇農業氣象試驗站1990—2019 年大田棉花生育期觀測資料統計，新疆農八師墾區棉花播種—出苗期在4 月中下旬，時間約為20 d。1961—2019 年播種—出苗階段≥0 ℃積溫變化在200～396 ℃·d，平均為282 ℃·d。如圖3a 所示，播種—出苗階段≥0 ℃積溫與棉花氣候產量線性回歸方程為y=0.984 9x-275.88（y為氣候產量，x為≥0 ℃積溫，下同），相關系數達到極顯著水平（r＝0.493 6，P＜0.01）；氣候產量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產，變化速率為0.984 9 kg/（℃·d），即播種—出苗期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產量變化98.49 kg/hm2，占平均單產的6.6%。當播種—出苗期≥0 ℃積溫≤235 ℃·d 時，棉花為減產年。

2.2.2 出苗—開花期 新疆農八師墾區棉花出苗—開花期在5 月上旬至7 月上旬，時間約70 d。1961—2019 年出苗—開花階段≥0 ℃積溫變化在1 430～1 730 ℃·d，平均為1 565 ℃·d。如圖3b 所示，出苗—開花階段≥0 ℃積溫與棉花氣候產量線性方程為y=0.529 1x-826.11，相關系數達到極顯著水平（r＝0.445 6，P＜0.01），氣候產量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產，變化速率為0.529 1 kg/（℃·d），即出苗—開花期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產量變化為52.91 kg/hm2，占平均單產的3.5%。當出苗—開花期≥0 ℃積溫≤1 465 ℃·d 時，棉花為減產年。

2.2.3 開花—吐絮期 新疆農八師墾區棉花開花—吐絮期在7 月上旬至9 月上旬，時間約70 d。1961—2019 年開花—吐絮階段≥0 ℃積溫變化在1 580～1 825 ℃·d，平均值為1 701 ℃·d。如圖3c 所示，開花—吐絮階段≥0 ℃積溫與棉花氣候產量線性方程為y=0.581 9x-988.24，相關系數達到極顯著水平（r＝0.341 8，P＜0.01）；氣候產量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產，變化速率為0.581 9 kg/（℃·d），即開花—吐絮期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產量變化58.19 kg/hm2，占平均單產的3.9%。當開花—吐絮期≥0 ℃積溫≤1 620 ℃·d 時，棉花為減產年。

2.2.4 吐絮期 吐絮期是棉鈴從吐絮始期到棉株停止生長的時期。新疆農八師墾區棉花吐絮期在9 月上旬至10 月中旬，歷時約40 d。1961—2019 年吐絮期階段≥0 ℃積溫變化在415～630 ℃·d，平均為525 ℃·d。如圖3d 所示，吐絮期≥0 ℃積溫與棉花氣候產量線性方程為y=0.935 7x-489.22，相關系數達到極顯著水平（r＝0.583 3，P＜0.01），氣候產量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產，變化速率為0.935 7 kg/℃·d，即吐絮期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產量變化93.57 kg/hm2，占平均單產的6.2%。當吐絮期≥0 ℃積溫≤475 ℃·d 時，棉花為減產年。

圖3 各個生育期≥0 ℃積溫與棉花氣候產量線性相關分析

2.3 全生育期熱量對棉花氣候產量的影響

棉花從播種到停止生長為全生育期。新疆農八師墾區棉花全生育期在4 月中旬至10 月中旬，歷時約170 d。1961—2019 年在全生育期內≥0 ℃積溫變化在3 545～4 440 ℃·d，平均值為3 820 ℃·d。如圖4a 所示，全生育期≥0 ℃積溫與棉花氣候產量線性方程為y=0.358 4x-136 7.4，相關系數達到極顯著水平（r＝0.652 8，P＜0.01），氣候產量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產，變化速率為0.358 4 kg/（℃·d），即全生育期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產量變化為35.84 kg/hm2，占平均單產的2.4%。當全生育期≥0 ℃積溫≤3 630 ℃·d 時，棉花為減產年。

1961—2019 年棉花全生育期內≥10 ℃積溫變化在3 004～4 293 ℃·d，平均為3 643 ℃·d。如圖4b 所示，全生育期≥10 ℃積溫與棉花氣候產量線性方程為y=0.187 1x－682.22，相關系數達到極顯著水平（r＝0.605 5，P＜0.01），氣候產量隨著≥10 ℃積溫的增加而增產，變化速率為0.187 1 kg/（℃·d），即全生育期≥10 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產量變化為18.71 kg/hm2。當全生育期≥10 ℃積溫≤3 350 ℃·d時，棉花為減產年。

圖4 全生育期熱量與棉花氣候產量線性相關分析

3 討論

1）棉花產量受諸多因素的影響，造成棉花減產并不完全歸屬于惡劣的氣候條件，也可能是人為技術、管理失誤、政策導向等所引起。在分析氣象因子對產量影響時，對作物產量進行分離是重要步驟之一［22］，準確的氣候產量是評估氣象條件對糧食產量影響的前提［23］。因此，從實際產量中準確分離出氣候產量對分析結果的正確性具有重要意義。目前采用3、5 年滑動平均法、二次指數平滑法、五點二次平滑法、HP 濾波法、年際增量法［24］、指數平滑法、Logistic 法［25］以及多項式擬合趨勢產量分離氣候產量，每種方法都有其優缺點，均不能消除人為技術、管理失誤、政策等對作物產量的影響［26］。在特殊豐產、減產年份的集合中存在其他分量，需要對這些年份實地調研和考證，才能使分析結果更加接近實際情況［11］。

2）新疆農八師墾區屬于灌溉農業區，大氣降水對棉花生產的影響較小，它又是一個光照非常豐富的地區之一［15］，寡照天氣對棉花生產影響也較小。棉花是喜溫作物，對熱量要求比較嚴格，農八師墾區的熱量資源雖然非常豐富，因其變化較大，對棉花生產的影響顯著，所以熱量條件是影響棉花生產的主要氣象因素，這與張燕等［27］、田彥君等［28］的結果一致。

3）通過對熱量與棉花氣候產量的相關分析發現，新疆農八師墾區棉花生長及產量形成與熱量相關性顯著，這與李紅英等［11］研究結果一致。在棉花生產中，播種—出苗期應注意終霜凍和倒春寒，開花—吐絮期應注意持續低溫、障礙型低溫冷害天氣的影響，裂鈴之后吐絮期要注意初霜凍、寒潮及低溫冷害天氣的影響。初霜凍對棉花產量和質量影響最大。因此，做好秋季預防霜凍非常重要。

4 結論

1）1961—2019 年新疆農八師墾區棉花實際產量增加趨勢明顯。棉花趨勢產量啟用多項式擬合達到（復相關系數R2=0.972 7）極顯著水平（P＜0.01）。隨著氣候變暖，新疆農八師熱量資源增加的同時棉花氣候產量也存在顯著增加趨勢［29，30］。

2）新疆農八師墾區棉花各發育期熱量資源變化對產量均具有顯著的影響，當≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d 時，播種—出苗期影響棉花產量6.6 個百分點、出苗—開花期影響3.5 個百分點、開花—吐絮影響3.9 個百分點、吐絮期影響6.2 個百分點。

3）新疆農八師墾區棉花不同的發育階段≥0 ℃積溫減產年熱量指標分別為：播種—出苗期≤235 ℃·d、出苗—開花期≤1 465 ℃·d、開花—吐絮期≤1 620 ℃·d、吐絮期≤475 ℃·d。當全生育期≥0 ℃積溫≤3 630 ℃·d、≥10 ℃積溫≤3 350 ℃·d 時為棉花減產指標。