氣候變暖對新疆棉花種植氣候適宜性分區(qū)的影響

張山清，普宗朝，馮志敏，蔣平安，火勛國，吉春容，武鵬飛

（1.新疆興農網信息中心/新疆農業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002，3.新疆生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，烏魯木齊 830011；4.新疆農業(yè)大學，新疆 烏魯木齊 830052）

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告指出[1]，1850 年以來全球氣候明顯變暖，并且最近40 年的每個10 年全球地表溫度都比此前的任何一個10 年要暖，氣候變暖有加速的趨勢[1-2]。中國第三次氣候變化國家評估報告指出，近100 年中國陸地平均溫度也呈升高趨勢，且升高幅度略大于全球同期平均[3]。氣候變暖使中國大部分地區(qū)熱量資源增多，農業(yè)氣候帶北移[4-5]，作物生長季延長[6]，進而對農業(yè)種植制度、作物布局、品種熟性和作物產量產生重要影響[7-9]。

新疆地處歐亞大陸腹地，光照充足，熱量豐富，降水稀少，空氣干燥[10]。獨特的氣候、廣袤的土地資源，加之山區(qū)較豐沛的降水和冰川積雪融水匯集的河川徑流為綠洲農業(yè)提供了穩(wěn)定的灌溉水資源保障，因此，新疆具有種植棉花的自然資源條件[11]。自1994 年以來，新疆棉花種植面積、總產一直穩(wěn)居全國首位[12]，2020 年植棉面積為2.37×104km2，占全國棉花種植面積的78.5%，總產量達5.16×105t，占全國棉花總產的87.1%[13]，新疆棉花在促進當?shù)亟洕鐣l(fā)展、農業(yè)增產、農民增收以及保障中國棉紡織業(yè)原棉供給方面發(fā)揮著越來越重要的作用。

在眾多的生態(tài)氣候因素中，熱量條件是影響新疆棉花種植的主要因素，其中，≥10 ℃積溫、無霜凍期和7 月平均氣溫是主要影響因子[11，14-17]。由于新疆地形地貌復雜，氣候類型多樣，各地種植棉花的氣候適宜性及品種選擇差異較大[14-17]。加之受全球變暖的影響，20 世紀60 年代以來新疆氣候呈顯著的“暖濕化”趨勢[18-19]，氣溫升高[18，20]，積溫增多[20-21]，無霜凍期延長[22]，農業(yè)熱量資源趨于豐富[20-22]，氣候變化對新疆棉花的種植也產生了廣泛而深刻的影響。宋艷玲等[23]利用動力評估模型模擬顯示，氣候變暖使新疆宜棉區(qū)擴大，棉花生育期延長，單產增加。普宗朝等[24-25]、李景林等[26]研究指出，熱量資源匱乏是制約北疆棉花生產的主要氣候因素，近50 年氣候變暖，使該地區(qū)棉花適宜種植區(qū)明顯擴大，不宜棉區(qū)縮小。張山清等[27]研究也表明，熱量資源增多使該地區(qū)中熟和中早熟棉區(qū)擴大，早熟棉區(qū)變化不明顯，特早熟棉區(qū)和不宜棉區(qū)減小。玉蘇甫·買買提等[28]研究也證實，氣候變暖、熱量資源增加是近幾十年渭干河至庫車河三角洲棉花種植面積擴大、產量提高的主要自然因素。雖然近年來許多學者在氣候變化對新疆棉花種植的影響方面開展了一些研究，但由于研究區(qū)域大多是局部的，且研究方法、區(qū)劃指標和研究時段不統(tǒng)一，研究結果的可比性、適用性和科學性受到一定影響。因此，本文擬在對1961—2020 年影響新疆棉花種植的主要氣候因素時空變化分析的基礎上，就氣候變暖背景下近60 年全疆不同熟性棉花品種適宜種植區(qū)的變化進行研究，以期為應對氣候變化，科學制定棉花種植發(fā)展規(guī)劃和品種布局，促進棉花生產高質量發(fā)展提供氣候依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為新疆全域，地理坐標73°40′～96°18′E，34°25′～48°10′N，面積為166.49×104km2，地形為“三山夾兩盆”，北部阿爾泰山，南部為昆侖山系，天山橫亙于中部，準噶爾盆地和塔里木盆地分別位于阿爾泰山與天山之間以及天山與昆侖山之間。新疆地勢高差懸殊，最低點吐魯番艾丁湖海拔-155 m，最高點喀喇昆侖山脈的主峰喬戈里峰海拔8611 m。

1.2 數(shù)據(jù)來源

使用新疆境內102 個氣象站1961—2020 年歷史氣候資料，氣象數(shù)據(jù)和新疆1∶50 000 地理信息數(shù)據(jù)來源于新疆氣象信息中心，新疆邊界審圖號GS（2017）3320。研究區(qū)域地形和氣象站點分布見圖1。

圖1 研究區(qū)地形和氣象站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 區(qū)劃指標

根據(jù)前人研究成果，使用≥10 ℃積溫、無霜凍期和7 月平均氣溫作為新疆棉花種植氣候區(qū)劃指標因子，各品種熟級劃分標準見表1[14-16]，分區(qū)時，該3項指標因子須同時必備[14-16，24-27]。

表1 新疆棉區(qū)分區(qū)氣候指標

1.3.2 氣候要素變化趨勢和突變特征分析方法

使用線性趨勢、累積距平和t 檢驗[29]等方法研究分析1961—2020 年新疆棉花氣候區(qū)劃各指標氣候要素的變化趨勢和突變特征。

1.3.3 氣候要素的柵格化數(shù)學模型

新疆地形地貌復雜，地勢高差懸殊，氣候類型多樣[10-11]，但氣象站點稀疏且分布不均，為提高各指標氣候要素空間插值的精度，在GIS 平臺上采用宏觀地理因子的三維二次趨勢面與反距離加權殘差訂正相結合的混合插值法對各指標要素進行250 m×250 m 柵格點的空間插值模擬[18-22]。

2 結果與分析

2.1 氣候要素變化趨勢

2.1.1 ≥10 ℃積溫

1961—2020 年新疆≥10 ℃積溫以65.80 ℃·d·（10 a）-1的傾向率呈極顯著（P=0.001）增多趨勢（圖2a），60 年來增加了394.8 ℃·d。由≥10 ℃積溫累積距平分析可知，1996 年出現(xiàn)了累積距平的最小值，對1961—1996 年與1997—2020 年≥10 ℃積溫序列進行t 檢驗，|t0|=8.245 3＞tα=0.001，說明近60 年新疆≥10 ℃積溫于1997 年發(fā)生突變，突變后較突變前全疆平均≥10 ℃積溫增加了268.2 ℃·d，但各地變化具有區(qū)域性差異（圖2b），北疆沿天山中西部、伊犁河谷、塔額盆地，南疆塔里木盆地南緣及東疆吐魯番、哈密盆地北部增加300～450 ℃·d；北疆和東疆大部，南疆塔里木盆地中、東部增加200～300 ℃·d；塔里木盆地北部以及南北疆山前傾斜平原增加100～200 ℃·d，天山、阿爾泰山、昆侖山山區(qū)增加0～100 ℃·d，其中局部區(qū)域有所減少。

圖2 1961—2020 年新疆≥10 ℃積溫變化（a）以及突變前后變化量的空間分布（b）

2.1.2 無霜凍期

1961—2020 年新疆年無霜凍期以3.80 d/10 a 的傾向率呈極顯著（P=0.001）的增加趨勢（圖3a），60年來增加了22.8 d。由無霜凍期累積距平的變化（圖3a）可以看出，1996 年出現(xiàn)了最小值。對1961—1996年和1997—2020 年無霜凍期序列進行t 檢驗，|t0|=8.121 6＞tα=0.001，說明近60 年新疆無霜凍期于1997 年發(fā)生了突變。突變后較突變前全疆平均無霜凍期增加了13.5 d，但各地變化差異明顯（圖3b），北疆沿天山中西部、伊犁河谷、塔額盆地，南疆塔里木盆地南緣的部分區(qū)域，東疆吐魯番、哈密盆地北部增加15～32 d；北疆和東疆大部，南疆塔里木盆地中、東部增加10～15 d；塔里木盆地北部以及南、北疆山前傾斜平原和山區(qū)增加5～10 d，局部區(qū)域增幅＜5 d。

圖3 1961—2020 年新疆無霜凍期變化（a）以及突變前后變化量的空間分布（b）

2.1.3 7 月平均氣溫

1961—2020 年7 月平均氣溫以0.22 ℃/10 a的傾向率呈極顯著（P=0.001）上升趨勢（圖4a），近60 年升高了1.33 ℃。1996 年出現(xiàn)了最小值。對1961—1996 年和1997—2020 年7 月平均氣溫進行t 檢驗，|t0|=4.117 說明近60 年新疆7 月平均氣溫于1997 年發(fā)生了突變，突變后較突變前全疆7 月平均氣溫升高了0.8 ℃。由升溫幅度的空間分布（圖4b）可知，天山、昆侖山和阿爾泰山高山帶升溫幅度較大，一般在1.5～2.7 ℃；中、低山帶及山前傾斜平原以及伊犁河谷升高1.0～1.5 ℃；準噶爾盆地、塔里木盆地及吐魯番盆地大部升高0.5～1.0 ℃；準噶爾盆地西南部、塔里木盆地西部升高0.0～0.5 ℃。

圖4 1961—2020 年新疆7 月平均氣溫變化（a）以及突變前后變化量的空間分布（b）

2.2 氣候要素空間分布及其變化

以近60 年各指標氣候要素發(fā)生突變的1997 年為時間節(jié)點，對比分析1997 年前、后各要素值空間分布的變化[9，19-21]。

2.2.1 ≥10 ℃積溫

由圖5 可知，新疆≥10 ℃積溫的空間分布總體呈現(xiàn)“南疆多，北疆少；平原和盆地多，山區(qū)少”的格局。以不同熟性棉花對≥10 ℃積溫的要求分級（表1）的各等級積溫分布可知，1997 年前，≥10 ℃積溫多于4 500 ℃·d 的區(qū)域僅出現(xiàn)在南疆塔里木盆地東北部海拔低于550 m 的羅布泊以及東疆吐魯番、哈密盆地海拔低于450 m 的盆地腹地；≥10 ℃積溫為3 800～4 500 ℃·d 分布在塔里木盆地自北向南海拔不超過1 100～1 500 m 的區(qū)域，以及吐魯番、哈密盆地海拔450～850 m 的邊緣地帶，另在準噶爾盆地西南緣海拔350 m 以下的局部區(qū)域也有少量出現(xiàn)。≥10 ℃積溫為3 500～3 800℃·d 主要分布在塔里木盆地北部海拔1 100～1 400 m、南部1 400～1 700 m 的帶狀區(qū)域，吐魯番、哈密盆地周邊海拔850～1 200 m 的山前傾斜平原和丘陵地帶，以及北疆準噶爾盆地南緣海拔不超過600 m 的區(qū)域；≥10 ℃積溫為3 200～3 500 ℃·d 主要分布在南疆塔里木盆地北部海拔1 400～1 600 m、南部1 700～1 900 m，東疆吐魯番、哈密盆地周邊海拔1 200～1 400 m 的環(huán)形區(qū)域，以及準噶爾盆地海拔600～750 m 的范圍內。塔里木盆地北部海拔1 600 m 以上、南部1 900 m 以上，吐魯番、哈密盆地周邊海拔1 400 m 以上，準噶爾盆地海拔750 m 以上的區(qū)域≥10 ℃積溫不足3 200 ℃·d。

圖5 1961—1996 年（a）和1997—2020 年（b）新疆≥10 ℃積溫空間分布的比較

1997 年后較之前，≥10 ℃積溫多于4 500 ℃·d 區(qū)域的海拔上限在塔里木盆抬升了150～200 m，在吐魯番、哈密盆地抬升了200～250 m，面積明顯擴大；3 800～4 500 ℃·d 區(qū)域的海拔上限在塔里木盆地抬升了約100～150 m，吐魯番、哈密盆地抬升了150～200 m，準噶爾盆地南緣抬升了200 m；3 500～3 800 ℃·d 的海拔上限，南疆和東疆抬升了100～150 m，北疆抬升了約200 m；相應地，3 200～3 500℃·d 的區(qū)域，在南疆和東疆海拔上限抬升約100 m，北疆抬升150～200 m；全疆≥10 ℃積溫不足3 200℃·d 的區(qū)域自南向北普遍向高海拔抬升并壓縮了100～150 m。

2.2.2 無霜凍期

新疆無霜凍期的空間分布總體呈現(xiàn)“南疆長，北疆短；平原和盆地長，山區(qū)短”的格局（圖6）。以不同熟性棉花對無霜凍期要求分級（表1）的各等級分布情況來看，1997 年前，無霜凍期≥200 d 的區(qū)域主要在塔里木盆地自北向南海拔高度900～1 400 m 以下的平原地帶，另在吐魯番、哈密盆地海拔不超過450 m 的盆地腹地也有少量分布。185～200 d 主要在塔里木盆地北部海拔900～1 200 m、南部海拔1 400～1 600 m 的山前傾斜平原，以及吐魯番、哈密盆地海拔450～700 m 的盆地邊緣地帶，準噶爾盆地西南緣海拔低于400 m 的低平原地帶也有一定規(guī)模。180～185 d 主要在塔里木盆地北部海拔1 200～1 300 m、南部1 600～1 700 m，準噶爾盆地南緣海拔400～500 m的平原地帶，以及吐魯番、哈密盆地海拔700～800 m的山前傾斜平原。175～180 d 在塔里木盆地北部海拔1 300～1 400 m、南部1 700～1 800 m，準噶爾盆地南緣海拔500～600 m 的平原地帶，以及吐魯番、哈密盆地海拔800～900 m 的山前傾斜平原。165～175 d的區(qū)域在塔里木盆地北部海拔1 400～1 500 m、南部海拔1 800～2 000 m 山前丘陵，準噶爾盆地海拔600～800 m 的沖擊平原，以及吐魯番、哈密盆地海拔900～1 100 m 的低山丘陵地帶；其余區(qū)域無霜凍期不足165 d。

圖6 1961—1996 年（a）和1997—2020 年（b）新疆無霜凍期空間分布的比較

1997 年后較之前，各級無霜凍期分布帶的海拔上限均不同程度地抬升，其中，準噶爾盆地抬升250～350 m，吐魯番、哈密盆地抬升200～300 m，塔里木盆地抬升100～200 m。受其影響，塔里木盆地自北向南海拔1 200～1 600 m 以下，吐魯番、哈密盆地海拔700 m 以下幾乎被無霜凍期≥200 d 所覆蓋，另外，準噶爾盆地西南緣海拔低于400 m 的低平原地帶也被無霜凍期≥200 d 所替代；無霜凍期185～200 d 的區(qū)域在塔里木盆地被明顯壓縮，而在準噶爾盆地則明顯東擴北抬，面積擴大；各地無霜凍期180～185 d、175～180 d 及165～175 d 的區(qū)域向高海拔、高緯度地區(qū)轉移，無霜凍期不足165 d 的區(qū)域被明顯壓縮。

2.2.3 7 月平均氣溫

新疆7 月平均氣溫空間分布總體呈現(xiàn)“平原和盆地高，山區(qū)低”的格局（圖7）。以不同熟性棉花對7月平均氣溫要求分級（表1）的各等級分布情況來看，1997 年前，7 月平均氣溫29.0 ℃以上的區(qū)域僅在吐魯番、哈密盆地海拔400 m 以下的盆地腹地有局部出現(xiàn)；25.5～29.0 ℃主要在塔里木盆地自北向南海拔低于1 100～1 500 m，吐魯番、哈密盆地海拔400～1 100 m 以及準噶爾盆地南緣海拔低于500 m的區(qū)域；24.6～25.5 ℃在塔里木盆地自北向南海拔低于1 200～1 600 m，吐魯番、哈密盆地海拔1 100～1 200 m，準噶爾盆地南緣海拔500～600 m 的區(qū)域；23.3～24.6 ℃在塔里木盆地北部海拔1 200～1 400 m、南部1 600～1 800 m，吐魯番、哈密盆地海拔1 200～1 300 m，準噶爾盆地海拔600～700 m 的區(qū)域內；塔里木盆地北部海拔1 400～1 500 m、南部1 800～1 900 m，吐魯番、哈密盆地海拔1 300～1 400 m 以及準噶爾盆地海拔700～800 m 的區(qū)域為23.0～23.3 ℃；塔里木盆地北部海拔1 500 m 以上、南部1 900 m以上，吐魯番、哈密盆地海拔1 400 m 以上以及準噶爾盆地海拔800 m 以上的區(qū)域7 月平均氣溫低于23.0 ℃。

圖7 1961—1996 年（a）和1997—2020 年（b）新疆7 月平均氣溫空間分布的比較

1997 年后較之前，7 月平均氣溫≥29.0 ℃的區(qū)域在吐魯番、哈密盆地明顯擴大，在塔里木盆地東北部羅布泊海拔700 m 以下的區(qū)域也有局部出現(xiàn)；25.5～29.0 ℃區(qū)域的海拔上限，準噶爾盆地上升了150～200 m，吐魯番、哈密盆地上升了約250 m，南疆塔里木盆地上升100～150 m，面積有所擴大。與此同時，各地7 月平均氣溫24.6～25.5 ℃、23.3～24.6 ℃和23.0～23.3 ℃溫度帶的海拔上限較1997 年之前有不同程度的抬升，其中，準噶爾盆地上升100～150 m，吐魯番、哈密盆地上升約200 m，塔里木盆地上升50～100 m，受其影響，7 月平均氣溫不足23.0 ℃的區(qū)域向高海拔退縮。

2.3 棉花氣候適宜性分區(qū)及其變化

2.3.1 中熟棉區(qū)

中熟棉區(qū)是新疆最小的棉花種植氣候分區(qū)（圖8），1997 年前該區(qū)僅在吐魯番、哈密盆地海拔不超過400 m 的盆地腹地有少量分布，面積僅16 565 km2，僅占新疆總面積的1.0%。1997 年后，吐魯番、哈密盆地中熟棉區(qū)的海拔上限抬升至600 m，分布區(qū)域有所擴大，另在塔里木盆地東北部海拔700 m 以下的羅布泊也有一定規(guī)模的出現(xiàn)，面積增至48 252 km2，占全疆總面積的比率增加到2.9%，較1997 年前增加了31 687 km2和1.9%。

圖8 1961—1996 年（a）和1997—2020 年（b）新疆棉花氣候適宜性區(qū)劃的比較

2.3.2 中早熟棉區(qū)

中早熟棉區(qū)是新疆最大的棉花種植氣候分區(qū)（圖8），1997 年前該區(qū)主要分布在塔里木盆地北部海拔800～1 000 m、南部1 000～1 300 m，以及吐魯番、哈密盆地海拔400～650 m 的區(qū)域，在準噶爾盆地西南緣海拔不超過400 m 的區(qū)域也有少量出現(xiàn)，面積為487 088 km2，占新疆總面積的29.3%；1997年后較之前，中早熟棉區(qū)的海拔上限在塔里木盆地抬升了100～200 m，在吐魯番、哈密盆地抬升150～250 m，在準噶爾盆地南緣抬升約250 m，面積增至494 802 km2，占全疆總面積的比率增大到29.7%，面積增加了7 713 km2。

2.3.3 早熟棉區(qū)

1997 年前，早熟棉區(qū)主要在準噶爾盆地南緣海拔400～550 m，吐魯番、哈密盆地周邊海拔650～900 m，塔里木盆地周邊海拔1 100～1 400 m 的山前傾斜平原地帶（圖8），面積為115 054 km2，占新疆總面積的6.9%；1997 年后早熟棉區(qū)總體向高海拔地區(qū)抬升，在準噶爾盆地和吐魯番、哈密盆地抬升了150～200 m，在塔里木盆地抬升了50～100 m，面積增至263 951 km2，占全疆總面積的比率增大到15.9%。

2.3.4 特早熟棉區(qū)

1997 年前，特早熟棉區(qū)主要在準噶爾盆地周邊海拔550～700 m，吐魯番、哈密盆地周邊海拔900～1 200 m 以及塔里木盆地周邊海拔1 200～1 500 m的帶狀區(qū)域內（圖8），面積為125 384 km2，占全疆總面積的7.5%。1997 年后特早熟棉區(qū)向高海拔地區(qū)有所抬升并略有壓縮，在準噶爾盆地和吐魯番、哈密盆地抬升了100～150 m，在塔里木盆地抬升了50～100 m，面積減至96 753 km2，占全疆總面積的比率降至5.8%，面積減少了28 631 km2。

2.3.5 不宜棉區(qū)

阿爾泰山、天山和昆侖山區(qū)以及山前高海拔地帶因熱量條件不足，不宜種植棉花（圖8）。1997 年前不宜棉區(qū)海拔下限大致為準噶爾盆地為700 m、塔里木盆地北部以及吐哈盆地為1 200 m、塔里木盆地南部為1 500 m，面積為920 919 km2，占全疆總面積的55.3%。1997 年后不宜棉區(qū)的海拔下限總體向高海拔抬升了50～150 m，面積降至761 097 km2，占全疆總面積的比率降至45.7%，面積減少了159 823 km2。

3 討論與結論

3.1 討論

（1）氣候變暖使新疆宜棉區(qū)擴大，不宜棉區(qū)縮小；同時，生育期較長、產量較高的中熟、中早熟棉花適宜種植區(qū)擴大，特早熟棉花適宜種植區(qū)縮小，這與宋艷玲等[23]關于氣候變暖對中國以及新疆棉花生產影響的研究結論基本一致。20 世紀90 年代中期以來新疆棉花生產進入快速發(fā)展階段，種植面積、產量持續(xù)增長并長期位居全國首位，這除了與政策的支持以及栽培技術的提高等因素有關外[12-14]，與氣候變暖對棉花生產的有利影響也密不可分[23-28]。

（2）值得說明的是，棉花的種植不僅受以熱量條件為主的氣候因素的影響，還與土壤、灌溉條件、種植技術以及市場狀況等因素關系密切。因此，在本研究工作的基礎上，統(tǒng)籌考慮自然、社會和經濟因素對棉花生產的綜合影響，制定更加符合新疆實際的棉花種植區(qū)劃和發(fā)展規(guī)劃，應是今后有關新疆棉花種植業(yè)發(fā)展的重點研究工作之一。

3.2 結論

（1）影響新疆棉花種植的主要熱量要素≥10 ℃積溫、無霜凍期和7 月平均氣溫總體呈現(xiàn)“南疆多，北疆，平原和盆地多、山區(qū)少”的空間分布格局。受氣候變暖的影響，1961—2020 年全疆≥10 ℃積溫和7月平均氣溫分別以65.80 ℃·d/10 a 和0.22 ℃/10 a的傾向率呈極顯著（P=0.001）上升趨勢，1961—2020年無霜凍期以3.80 d/10 a 的傾向率呈顯著增多趨勢，并均于1997 年發(fā)生突變。突變后較突變前，≥10 ℃積溫和7 月平均氣溫分別升高了268.2 ℃·d和0.8 ℃，無霜凍期增加了13.5 d，但變化具有區(qū)域性差異。

（2）因熱量條件不同，新疆各地適宜種植的棉花品種存在差異。1997 年前，中熟棉區(qū)僅在吐魯番、哈密盆地腹地有少量出現(xiàn)；中早熟棉區(qū)分布在塔里木盆地以及吐魯番、哈密盆地的大部分區(qū)域；早熟棉區(qū)主要分布在準噶爾盆地南緣低海拔區(qū)域，以及塔里木盆地、吐魯番、哈密盆地及其周邊山前傾斜平原地帶；特早熟棉區(qū)主要在準噶爾盆地周邊山前傾斜平原以及塔里木盆地和吐魯番、哈密盆地周邊低山帶；上述各盆地周邊中高山帶因熱量條件嚴重不足，為不宜棉區(qū)。1997 年后較之前，各棉區(qū)不同熟性棉花適宜種植區(qū)的海拔上限均有抬升，其中，在準噶爾盆地以及吐魯番、哈密盆地抬升了150～200 m，在塔里木盆地抬升了50～100 m。全疆中熟、中早熟和早熟棉區(qū)占新疆總面積的百分率分別增大了1.9%、0.5%和8.9%，特早熟棉區(qū)和不宜棉區(qū)分別減小了1.7%和9.6%。