2011—2019年阿拉爾墾區(qū)棉纖維品質(zhì)變化的關(guān)鍵氣候驅(qū)動(dòng)因子分析

王雨思，吳 凡，陳國棟，程 珍，牛建龍*

（1.新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.塔里木大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工程咨詢有限公司，新疆 烏魯木齊 830002）

棉纖維品質(zhì)是棉花品種遺傳特性和生態(tài)環(huán)境共同作用的結(jié)果，氣象因子對(duì)棉纖維品質(zhì)起著重要作用。IPCC第5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 ℃［1］。2010—2019年是有記錄以來最暖的10 a［2］，在此期間極端天氣氣候事件頻發(fā)，對(duì)作物生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅，因此氣候變暖已成為學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的重大科學(xué)問題［3］。Bradow等［4］認(rèn)為，棉纖維品質(zhì)主要受遺傳因素的影響，但氣象等環(huán)境因子對(duì)馬克隆值和成熟度變異的貢獻(xiàn)率高達(dá)11%～34%，對(duì)長度和強(qiáng)度變異的貢獻(xiàn)率達(dá)10%～24%。Danforth等［5-8］認(rèn)為，棉纖維長度主要由基因決定，與氣象因子關(guān)系不大。王小龍［9］認(rèn)為，溫度對(duì)棉纖維發(fā)育很重要，≥12 ℃的活動(dòng)積溫是衡量棉鈴能否正常發(fā)育的重要指標(biāo)。張麗娟等［10］認(rèn)為，棉纖維斷裂比強(qiáng)度和馬克隆值與日均溫和累積降水量緊密相關(guān)。楊佑明等［11］認(rèn)為，溫度不僅能影響棉纖維細(xì)胞的起始時(shí)間，也能影響纖維細(xì)胞的起始數(shù)目，同時(shí)高溫對(duì)纖維細(xì)胞的起始具有破壞作用。周治國等［12］認(rèn)為，相對(duì)濕度是影響棉纖維強(qiáng)度的主要因子，日照時(shí)數(shù)和溫度對(duì)棉纖維強(qiáng)度的影響表現(xiàn)為正效應(yīng)。鄒陳等［13］認(rèn)為，新疆石河子墾區(qū)棉纖維斷裂比強(qiáng)度與熱量條件關(guān)系最為明顯。熊宗偉等［14］認(rèn)為，氣象因子對(duì)棉纖維品質(zhì)有著重要的影響，日平均氣溫越高，≥12 ℃的有效積溫越大，降水日數(shù)越少，棉纖維長度越長；日均最低氣溫越高，棉纖維比強(qiáng)度越大；日均最低溫度和平均相對(duì)濕度越高，降水日數(shù)越少，馬克隆值越大。以往研究大多未分離棉花纖維的氣候品質(zhì)和趨勢(shì)品質(zhì)，對(duì)南疆阿拉爾墾區(qū)棉纖維品質(zhì)變化的關(guān)鍵氣候驅(qū)動(dòng)因子分析甚少。

南疆阿拉爾墾區(qū)（80°30′～81°58′E，40°22′～40°57′N)位于塔克拉瑪干沙漠北緣，光、熱資源豐富，降水極為稀少，屬于典型的暖溫帶極端干旱沙漠氣候帶［15］。2000年后，墾區(qū)棉花種植面積逐年增多，2015年已達(dá)13.39萬hm2，已成為南疆主要的農(nóng)、林、牧業(yè)灌溉區(qū)和重要的國家級(jí)棉花生產(chǎn)基地。20世紀(jì)80年代末，南疆阿拉爾墾區(qū)出現(xiàn)了暖濕的信號(hào)轉(zhuǎn)變，春季增溫幅度達(dá)0.52 ℃/10 a［16］，對(duì)墾區(qū)棉花品質(zhì)造成了嚴(yán)重威脅。近些年來，南疆阿拉爾墾區(qū)雖然從黃河流域引進(jìn)了大量的陸地棉品種，但由于區(qū)域生態(tài)環(huán)境和氣候條件的差異性，墾區(qū)棉纖維的品質(zhì)指標(biāo)出現(xiàn)了匹配不理想的情況［17］。因此，本文重點(diǎn)分析了南疆阿拉爾墾區(qū)2011—2019年棉纖維品質(zhì)變化的關(guān)鍵氣候驅(qū)動(dòng)因子，旨在為氣候暖濕化背景下墾區(qū)棉花育種、引種、品質(zhì)改良和生態(tài)規(guī)劃等提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

南疆阿拉爾墾區(qū)棉纖維品質(zhì)數(shù)據(jù)主要來源于新疆阿拉爾市棉纖維檢測(cè)所，包括纖維長度、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度和整齊度指數(shù)。墾區(qū)同期棉花生育期數(shù)據(jù)來源于新疆農(nóng)業(yè)氣象中心，將棉花分為播種—出苗、出苗—現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾—開花、開花—吐絮和吐絮—停止生長5個(gè)生育階段。墾區(qū)同期地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)來源于新疆阿拉爾市氣象局，主要包括日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和降水量。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候貢獻(xiàn)值的確定 在傳統(tǒng)作物產(chǎn)量計(jì)算模型(Y=Yw+Yt+e)的基礎(chǔ)上，借鑒貝爾(Baier)的產(chǎn)量模式思路，將作物氣候品質(zhì)表示為趨勢(shì)品質(zhì)和氣候影響因子的乘積(Yw=αYt+e)，綜合得到作物氣候品質(zhì)(Yw)與實(shí)際品質(zhì)(Y)之間的關(guān)系模型，計(jì)算公式［18］為：

式（1）中：Y為作物的實(shí)際品質(zhì)；Yw為作物的氣候品質(zhì)；Yt為作物的技術(shù)品質(zhì)（趨勢(shì)品質(zhì)）；e為受隨機(jī)因素影響的產(chǎn)量分量，因?yàn)閑很小，本研究忽略e的影響；α為氣候影響因子，當(dāng)α＝0時(shí)，Yw=0。

1.2.2 棉纖維品質(zhì)比例、生育期、氣候要素的傾向率 棉纖維品質(zhì)比例、生育期和氣候要素的傾向率計(jì)算主要采用最小二乘法［19］，可用如下一次線性方程表示：

式（2）中：xi為要素值；a為常數(shù)項(xiàng)；b為回歸系數(shù)；i為時(shí)間序列的年份序號(hào)。文中物候期、生育期的傾向率等于回歸系數(shù)。

1.2.3 優(yōu)勢(shì)分析方法 氣候要素對(duì)棉纖維品質(zhì)的影響分析主要采用優(yōu)勢(shì)分析法，該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是在完全優(yōu)勢(shì)的情況下，用各氣候要素的總平均貢獻(xiàn)占已知方差的百分比來表示各氣候要素對(duì)棉花品質(zhì)影響的相對(duì)重要性，更為直觀和準(zhǔn)確［20］。

1.3 主要棉纖維品質(zhì)指標(biāo)

1.3.1 纖維長度 將棉纖維長度分為25、26、27、28、29、30和31 mm共7個(gè)等級(jí)。以28 mm作為棉纖維長度的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，長度越長，表示可紡紗等級(jí)越高。

1.3.2 斷裂比強(qiáng)度 當(dāng)斷裂比強(qiáng)度＜24.0 cN/tex時(shí)，為“很差”檔；當(dāng)斷裂比強(qiáng)度為24.0～25.9 cN/tex時(shí)，為“差”檔；當(dāng)斷裂比強(qiáng)度為26.0～28.9 cN/tex時(shí)，為“適中”檔；當(dāng)斷裂比強(qiáng)度為29.0～30.9 cN/tex時(shí)，為“強(qiáng)”檔；當(dāng)斷裂比強(qiáng)度≥31.0 cN/tex時(shí)，為“很強(qiáng)”檔。斷裂比強(qiáng)度為“強(qiáng)”“很強(qiáng)”的棉花為纖維強(qiáng)度較好的棉花。

1.3.3 馬克隆值 馬克隆值是棉花細(xì)度和成熟程度的一個(gè)綜合反映指標(biāo)。馬克隆值在3.7～4.2范圍內(nèi)定為A級(jí)，為馬克隆值較好的棉花；馬克隆值在3.5以下和5.0以上的定為C級(jí)；其余為B級(jí)。馬克隆值達(dá)到A級(jí)和B級(jí)的棉花為成熟度較好的棉花。

1.3.4 整齊度指數(shù) 棉纖維長度的整齊度指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：≥86.0%為“很高”檔；83.0%～85.9%為“高”檔；80.0%～82.9%為“中等”檔；77.0%～79.9%為“低”檔；＜77.0%為“很低”檔。整齊度指數(shù)為“高”“很高”的棉花為棉纖維長度分布較好的棉花。

2 結(jié)果與分析

2.1 南疆阿拉爾墾區(qū)優(yōu)質(zhì)棉纖維品質(zhì)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化

2011—2019年南疆阿拉爾墾區(qū)優(yōu)質(zhì)棉纖維品質(zhì)的氣候影響因子和過程變化分別見表1和圖1。優(yōu)質(zhì)棉纖維馬克隆比例、長度比例、斷裂比強(qiáng)度比例和整齊度指數(shù)比例變化受氣候影響的年際間波動(dòng)較大。其中，優(yōu)質(zhì)棉纖維馬克隆比例呈減少趨勢(shì)，降幅為0.015%/a；氣候馬克隆比例呈略微增加趨勢(shì)，增幅僅為1.0×10-12%/a，以2015年影響最大，影響率為9.59%，2013年影響最小，影響率僅為0.05%。優(yōu)質(zhì)棉纖維長度比例呈增加趨勢(shì)，增幅約為0.38%/a；氣候長度比例呈減少趨勢(shì)，降幅為3.0×10-10%/a，以2013年影響最大，影響率為58.87%，以2012年影響最小，影響率為3.32%。優(yōu)質(zhì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度比例呈增加趨勢(shì)，增幅約為0.11%/a；氣候斷裂比強(qiáng)度比例呈減少趨勢(shì)，降幅為5.0×10-12%/a，以2014年影響最大，影響率為122.06%，以2017年影響最小，影響率為20.41%。優(yōu)質(zhì)棉纖維整齊度指數(shù)比例呈減少趨勢(shì)，降幅為0.16%/a；氣候整齊度指數(shù)比例呈增加趨勢(shì)，增幅為1.0×10-10%/a，以2017年影響最大，影響率為61.56%，以2011年影響最小，影響率為2.57%。上述結(jié)果表明：2011—2019年氣候變化對(duì)南疆阿拉爾墾區(qū)優(yōu)質(zhì)棉纖維馬克隆和整齊度指數(shù)比例的增加起到促進(jìn)作用，對(duì)優(yōu)質(zhì)棉纖維長度和斷裂比強(qiáng)度比例的增加起到抑制作用。

圖1 2011—2019年南疆阿拉爾墾區(qū)優(yōu)質(zhì)棉纖維品質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化

表1 2011—2019年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花品質(zhì)變化的氣候影響因子 %

2.2 南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育期和主要?dú)夂蛞氐膭?dòng)態(tài)變化

2.2.1 棉花生育期的動(dòng)態(tài)變化 2011—2019年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育歷期的變化見表2。棉花平均全生育期、播種—出苗、出苗—現(xiàn)蕾、現(xiàn)蕾—開花、開花—吐絮和吐絮—停止生長歷期分別為193、16、40、32、75和36 d，全生育期、播種—出苗、出苗—現(xiàn)蕾和吐絮—停止生長歷期均呈增加趨勢(shì)，增幅分別為1.52（P＜0.01）、0.45（P＜0.01）、1.05、1.80 d/a（P＜0.01）；現(xiàn)蕾—開花和開花—吐絮歷期均呈減少趨勢(shì)，降幅分別為0.68（P＜0.05）和1.10 d/a（P＜0.05），這表明2011—2019年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花全生育期、播種—出苗、出苗—現(xiàn)蕾和吐絮—停止生長歷期均呈延長趨勢(shì)，現(xiàn)蕾—開花和開花—吐絮歷期均呈縮短趨勢(shì)。

表2 2011—2019年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花生育歷期的變化

2.2.2 主要?dú)夂蛞氐膭?dòng)態(tài)變化 2011—2019年阿拉爾墾區(qū)棉花生育期及其關(guān)鍵月氣候要素的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)見表3。棉花全生育期的最高氣溫呈顯著減小趨勢(shì)，降幅為0.0559 ℃/a；平均氣溫、最低氣溫、活動(dòng)積溫和降水量呈不顯著增加趨勢(shì)；氣溫日較差、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度呈不顯著減少趨勢(shì)。其中，播種—出苗期的活動(dòng)積溫和降水量呈極顯著增加趨勢(shì)，氣溫日較差呈極顯著下降趨勢(shì)，變幅分別為6.81 ℃·d/a、0.035 mm/a和0.4052 ℃/a；其余氣象要素的變化均不明顯。出苗—現(xiàn)蕾期的最低氣溫和相對(duì)濕度呈顯著減少趨勢(shì)，降幅分別為0.0496 ℃/a和1.2923%/a；其他各氣象要素的變化均不明顯。現(xiàn)蕾—開花期的活動(dòng)積溫、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度呈極顯著減少趨勢(shì)，降水量呈極顯著增加趨勢(shì)，6月的氣溫日較差呈顯著減少趨勢(shì)，變幅分別為16.74 ℃·d/a、12.112 h/a、0.6251%/a、1.9733 mm/a和0.0617 ℃/a；其他氣象要素的變化均不明顯。開花—吐絮期的平均氣溫、降水量和7月的最低氣溫呈顯著增加趨勢(shì)，7月、8月的日照時(shí)數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，變幅分別為0.2178 ℃/a、2.89 mm/a、0.0328 ℃/a、0.5243 h/a和0.9100 h/a；其他氣象要素的變化均不明顯。吐絮期—停止生長的活動(dòng)積溫和降水量呈極顯著增加趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，增幅分別為41.495 ℃·d/a、0.8017 mm/a和17.84 h/a；其他氣象要素的變化不明顯。

表3 2011—2019年阿拉爾墾區(qū)棉花生育期及其關(guān)鍵月份主要?dú)夂蛞氐淖兓厔?shì)

2.3 南疆阿拉爾墾區(qū)棉纖維品質(zhì)的氣候驅(qū)動(dòng)因子分析

為了檢測(cè)棉花生育期和主要?dú)夂蛞刈兓瘜?duì)棉纖維品質(zhì)的定量驅(qū)動(dòng)，本文采用分離的氣候棉纖維品質(zhì)分別與生育期和各生育期主要?dú)夂蛞蜃幼隽讼嚓P(guān)性分析，并對(duì)顯著性影響因子進(jìn)行了優(yōu)勢(shì)分析，結(jié)果如表4和圖2所示。在2011—2019年期間，南疆阿拉爾墾區(qū)優(yōu)質(zhì)棉纖維品質(zhì)指標(biāo)與各生育歷期的關(guān)系均不明顯，受氣候影響的優(yōu)質(zhì)棉纖維馬克隆比例變化與7月積溫、平均氣溫和最高氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，與降水量呈顯著正相關(guān)，貢獻(xiàn)率分別為27.40%、27.11%、19.29%和26.23%；還與9月降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與最高氣溫呈顯著正相關(guān)，貢獻(xiàn)率分別為59.94%和40.06%。受氣候影響的優(yōu)質(zhì)棉纖維長度比例變化與出苗—現(xiàn)蕾期日照時(shí)數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)，貢獻(xiàn)率分別為55.79%和44.21%；還與8月最低氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，與活動(dòng)積溫和平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，貢獻(xiàn)率分別為29.38%、29.38%和41.20%；還與9月降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。受氣候影響的優(yōu)質(zhì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度比例變化與8月氣溫日較差呈顯著正相關(guān)，與9月降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。受氣候影響的優(yōu)質(zhì)棉纖維整齊度指數(shù)比例變化與播種—出苗期相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與7月日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)，貢獻(xiàn)率分別為49.90%和50.12%。

圖2 2011—2019年南疆阿拉爾墾區(qū)優(yōu)質(zhì)棉纖維品質(zhì)與主要?dú)夂蛞刂g的相關(guān)系數(shù)

表4 2011—2019年南疆阿拉爾墾區(qū)優(yōu)質(zhì)棉纖維品質(zhì)與生育歷期間的相關(guān)系數(shù)

綜上所述，在2011—2019年期間，南疆阿拉爾墾區(qū)棉纖維品質(zhì)的變化是由平均氣溫、活動(dòng)積溫、最低氣溫、最高氣溫、氣溫日較差、相對(duì)濕度、降水量和日照時(shí)數(shù)綜合作用的結(jié)果，其中7月活動(dòng)積溫增加對(duì)優(yōu)質(zhì)棉纖維馬克隆比例增加的影響最大，平均氣溫增加的影響次之；出苗—現(xiàn)蕾期日照時(shí)數(shù)增加和8月平均氣溫增加對(duì)優(yōu)質(zhì)棉纖維長度比例減小的影響最大；8月氣溫日較差減小和9月降水量增加對(duì)優(yōu)質(zhì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度比例減小的影響最大；播種—出苗期相對(duì)濕度減小和7月降水量減少對(duì)優(yōu)質(zhì)棉纖維整齊度指數(shù)比例增加的影響最大，7月日照時(shí)數(shù)減少的影響次之。

3 討論

棉纖維馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度、纖維長度和整齊度既是衡量棉花品質(zhì)的重要指標(biāo)，也是棉花價(jià)格、經(jīng)濟(jì)效益和種植區(qū)劃的主導(dǎo)因素，對(duì)這些品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行改良一直是棉區(qū)新品種培育和栽培措施改進(jìn)的首要目標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)：在2011—2019年期間，南疆阿拉爾墾區(qū)棉纖維品質(zhì)變化與各生育歷期關(guān)系均不明顯；氣候變化導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)棉纖維馬克隆比例的增加以7月積溫的增加影響為主，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)棉纖維長度比例的減小以出苗—現(xiàn)蕾期日照時(shí)數(shù)的增加和8月平均氣溫的增加影響為主，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度比例的減小以8月氣溫日較差的減小和9月降水量的增加影響為主，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)棉纖維整齊度指數(shù)比例的增加以播種—出苗期相對(duì)濕度的減小和7月降水量的減少影響為主。上述結(jié)果與Danforth等［5-8］認(rèn)為棉纖維長度與氣象因子關(guān)系不大的研究結(jié)論不一致，與張麗娟等［10］認(rèn)為棉纖維斷裂比強(qiáng)度與日均溫、累積降水量和相對(duì)濕度相關(guān)的結(jié)論不完全一致，也與熊宗偉等［14］的研究結(jié)果“降水量越多，棉纖維長度越長”不一致，但與“降水量越多，棉纖維馬克隆值越大”的結(jié)論較為一致［14］，這可能與各研究的空間尺度、時(shí)間尺度、研究區(qū)地理環(huán)境不同有關(guān)，也可能與研究所采用的模型不同有關(guān)，有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

在2011—2019年期間，南疆阿拉爾墾區(qū)受氣候影響的優(yōu)質(zhì)棉纖維馬克隆比例和整齊度指數(shù)比例均呈增加趨勢(shì)，分別以2013年和2017年的影響最大；受氣候影響的優(yōu)質(zhì)棉纖維長度比例和斷裂比強(qiáng)度比例均呈減少趨勢(shì)，分別以2013年和2014年的影響最大。

在2011—2019年期間，南疆阿拉爾墾區(qū)棉花全生育期的最高氣溫呈顯著減小趨勢(shì)；播種—出苗期活動(dòng)積溫和降水量極顯著增加，氣溫日較差極顯著減少；出苗—現(xiàn)蕾期最低氣溫和相對(duì)濕度顯著減少；現(xiàn)蕾—開花期活動(dòng)積溫、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度極顯著減少，降水量極顯著增加；開花—吐絮期平均氣溫和降水量顯著增加；吐絮—停止生長期活動(dòng)積溫和降水量極顯著增加，日照時(shí)數(shù)顯著增加；6月氣溫日較差和7月最低氣溫顯著增加，7月、8月日照時(shí)數(shù)顯著減少。

在2011—2019年期間，南疆阿拉爾墾區(qū)棉纖維品質(zhì)變化與各生育歷期的關(guān)系均不明顯，氣候變化對(duì)優(yōu)質(zhì)棉纖維馬克隆比例的增加以7月積溫增加影響為主，平均氣溫增加影響次之；氣候變化對(duì)優(yōu)質(zhì)棉纖維長度比例的減小以出苗—現(xiàn)蕾期日照時(shí)數(shù)的增加和8月平均氣溫的增加影響為主；氣候變化對(duì)優(yōu)質(zhì)棉纖維斷裂比強(qiáng)度比例的減小以8月氣溫日較差的減小和9月降水量的增加影響為主；氣候變化對(duì)優(yōu)質(zhì)棉纖維整齊度指數(shù)比例的增加以播種—出苗期相對(duì)濕度的減小和7月降水量的減少影響為主，7月日照時(shí)數(shù)減少的影響次之。