新疆南疆阿拉爾墾區棉花生育期變化的定量氣候驅動因子分析

程 珍 牛建龍* 馬玉婷 王 煜 江波塔·阿達力 蔣學瑋 柳維揚

(1.塔里木大學 農學院,新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木大學 園藝與林學學院,新疆 阿拉爾 843300)

IPCC第六次報告指出,2011—2020年全球地表平均溫度比1850—1900年平均溫度高1.09 ℃[1],中國地表平均氣溫增幅為0.024 ℃/年[2],新疆地區地表平均氣溫增幅為0.033 ℃/年[3],新疆南疆阿拉爾墾區春季地表平均氣溫增幅達0.052 ℃/年[4],導致作物生長發育所需的溫度、光照和水分等氣候要素發生顯著性的變化[5-7],從而影響不同地區作物生長發育進程[8-11],以溫度升高和降水量增加影響最為嚴重[12-14]。目前,關于氣候變化對農作物生育期變化的驅動研究主要集中在水稻[15]、小麥[16]和玉米[17]等糧食作物上。Assad等[18]認為氣溫升高對巴西東北部棉花種植影響程度較大,對東南部和中西部地區影響程度較小。孫桂蘭等[19]認為湖北省棉花生育階段長短與平均氣溫大致呈負相關,降水量與播種-出苗期的縮短呈負相關;王占彪等[20]認為河北省棉花吐絮-停止生長期及全生育期的延長均與平均氣溫呈正相關。李迎春等[21]、芮建梅等[22]、謝芳等[23]、傅瑋東等[24]、阿布都克日木·阿巴司等[25]、楊雪飛等[26]、王金梅等[27]對新疆地區棉花生育期變化的關鍵氣候驅動研究發現,氣候變化造成了新疆北疆地區棉花全生育期的延長,氣溫是影響新疆北疆地區棉花生長發育的主要氣候因子;新疆南疆喀什地區棉花生育期的變化主要受氣溫、日照時數和降水量等多種氣候要素綜合作用影響。以上針對棉花生育期變化規律及其關鍵氣候驅動因子的研究主要集中在湖北省、河北省和新疆維吾爾自治區北疆地區[19-21],對新疆南疆地區棉花生育期階段性變化及其定量氣候驅動的研究鮮有報道。本研究選取1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花生育期及同期地面氣象數據,運用最小二乘法、Mann-Kendall非參數突變檢驗、相關性分析和優勢主導分析方法分析新疆南疆阿拉爾墾區棉花生育期變化規律及其定量氣候驅動因子,旨在探究氣候變化對新疆南疆阿拉爾墾區棉花生育期變化的影響,以期為提高墾區棉田氣候變化適應能力提供參考。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

南疆阿拉爾墾區(80°30′～81°58′ E,40°22′～40°57′ N)位于新疆維吾爾自治區塔克拉瑪干沙漠北緣,東西相距281 km,南北相距180 km,總面積約為4 197.58 km2。墾區光熱資源豐富,降水極為稀少,干燥度均在16以上[4],屬于典型的暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候[28],是新疆南疆地區主要的農、林、牧業灌溉區和重要的國家級棉花生產基地[29]。

1.2 數據來源

1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花生育期數據來源于新疆阿拉爾市氣象局,主要包括棉花播種-出苗期、出苗-現蕾期、現蕾-開花期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期和全生育期共6個生育階段;同期地面氣象數據來源于新疆阿拉爾市氣象局,主要包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時數、相對濕度和降水量。

1.3 研究方法

1.3.1棉花生育期/氣候要素傾向率

棉花生育期/氣候要素傾向率,主要利用最小二乘法[30]計算。本研究傾向率等于回歸系數[30]。

1.3.2棉花生育期/氣候要素變化的顯著性

棉花生育期/氣候要素隨時間序列的變化主要利用slope函數[31]求算,公式如下:

(1)

式中:m,序列長度,d;Qi,某一年的要素值;slope>0,提前(縮短)趨勢,slope<0,為推遲(延長)趨勢。本研究采用Pearson相關性分析方法確定顯著性,將結果劃分為極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)2個等級。

1.3.3Mann-Kendall(M-K)非參數突變檢驗

該方法的最大優點在于不受個別異常值的干擾,能客觀反映棉花生育期隨時間序列的突變[32]。當UFk和UBk兩條曲線在臨界線之間出現交點,則交點對應的時刻便是突變開始的時間。本研究給定顯著性水平a=0.05,所對應的臨界值為±1.96。

1.3.4優勢主導分析方法

利用優勢主導分析方法來討論氣候要素變化對棉花生育期變化的貢獻率,該方法在棉花生育期變化與氣候要素相關的基礎上,主要氣候要素對棉花生育期變化的相對重要性可通過各氣候要素的總平均貢獻占已知方差的百分比來表達,其相對重要性更為直觀和準確[2]。

2 結果與分析

2.1 棉花生育期的變化趨勢

由圖1可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花播種-出苗期、出苗-現蕾期、現蕾-開花期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期分別出現在4月14—28日、5月2日—6月2日、6月6日—7月6日、6月24日—9月8日、9月16日—10月20日,棉花播種-出苗期、出苗-現蕾期、現蕾-開花期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期和全生育期分別為15、35、31、77、35和190 d(圖1(a))。棉花播種-出苗期、出苗-現蕾期和全生育期均呈現極顯著延長趨勢,分別延長0.048(P<0.01)、0.234(P<0.01)和0.236 d/年(P<0.01);現蕾-開花期呈現極顯著縮短趨勢,縮短0.028 d/年(P<0.01)(圖1(b)),這主要與墾區1990—2020年棉花播種期和出苗期均呈現極顯著提前趨勢,開花期和停止生長期均呈現顯著提前趨勢有關,分別提前0.279(P<0.01)、0.230(P<0.01)、0.025(P<0.05)、0.043 d/年(P<0.05)。

圖1 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花各生育階段持續時間(a)及其傾向率(b)

由表1和圖2可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花現蕾-開花期隨時間序列的突變出現在2011年,棉花播種-出苗期、出苗-現蕾期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期和全生育期隨時間序列的突變不明顯,這表明1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花現蕾-開花期存在明顯的階段性變化,表現在1990—2011年現蕾-開花期呈現不顯著縮短趨勢,2012—2020年現蕾-開花期呈現極顯著縮短趨勢,分別縮短0.084(P>0.05)和0.850 d/年(P<0.01);棉花播種-出苗期、出苗-現蕾期、開花-吐絮期、吐絮-停止生長期和全生育期階段性變化均不明顯。

表1 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花生育期變化的Mann-Kendall非參數突變檢驗

圖2 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花現蕾-開花期變化趨勢

2.2 棉花生育期氣候要素變化趨勢

由圖3可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花全生育期最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、積溫和降水量分別增加0.016(P>0.05)、0.024(P>0.05)、0.012(P>0.05)、7.243 ℃/年(P>0.05)和0.638 mm/年(P<0.01);氣溫日較差、相對濕度和日照時數分別減少0.009 ℃/年(P>0.05)、0.158%/年(P<0.05)和0.168 h/年(P>0.05)。其中,棉花播種-出苗期最高氣溫、平均氣溫和積溫均呈現極顯著增加趨勢,最低氣溫呈現顯著增加趨勢,分別增加0.012(P<0.01)、0.004(P<0.01)、0.882(P<0.01)和0.013 ℃/年(P<0.05);出苗-現蕾期氣溫日較差呈現極顯著增加趨勢,積溫和降水量均呈現顯著增加趨勢,分別增加0.022(P<0.01)、4.329 ℃/年(P<0.05)和0.106 mm/年(P<0.05);現蕾-開花期最高氣溫和降水量均呈現極顯著增加趨勢,分別增加0.002 ℃/年(P<0.01)和0.021 mm/年(P<0.01),積溫、氣溫日較差和日照時數均呈現極顯著減小趨勢,平均氣溫呈現顯著降低趨勢,分別減小0.672(P<0.01)、0.009 ℃/年(P<0.01)、0.831 h/年(P<0.01)和0.001 ℃/年(P<0.05);開花-吐絮期氣溫日較差呈現極顯著減小趨勢,相對濕度呈現顯著減小趨勢,分別減小0.014 ℃/年(P<0.01)和0.207%/年(P<0.05),降水量呈現極顯著增加趨勢,增加0.260 mm/年(P<0.01);吐絮-停止生長期最高氣溫、降水量和日照時數均呈現極顯著增加趨勢,分別增加0.066 ℃/年(P<0.01)、0.322 mm/年(P<0.01)和3.355 h/年(P<0.01)。

基于1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花現蕾-開花期突變情況,將棉花現蕾-開花期氣候要素變化分為1990—2011和2012—2020年2個階段。1990—2011年棉花現蕾-開花期平均氣溫呈現極顯著增加趨勢,最高氣溫和氣溫日較差呈現顯著增加趨勢,分別增加0.013(P<0.01)、0.025(P<0.05)、0.032 ℃/年(P<0.05);2012—2020年棉花現蕾-開花期最低氣溫和降水量呈現極顯著增加趨勢,分別增加0.124 ℃/年(P<0.01)和1.383 mm/年(P<0.01),氣溫日較差、積溫和日照時數均呈現極顯著減小趨勢,分別減小0.159(P<0.01)、19.222 ℃/年(P<0.01)和11.208 h/年(P<0.01),見表2。

表2 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花現蕾-開花期突變前后氣候要素傾向率

2.3 同期氣候要素對棉花生育期變化的影響

由圖4可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花全生育期延長與積溫增加呈極顯著正相關(P<0.01),與降水量增加和日照時數減少均呈顯著正相關(P<0.05)。其中,棉花播種-出苗期延長與積溫增加、日照時數減少均呈極顯著正相關(P<0.01),與最高氣溫和平均氣溫的增加均呈極顯著負相關(P<0.01),與最低氣溫增加呈顯著負相關(P<0.05);出苗-現蕾期延長與積溫、日照時數的增加均呈極顯著正相關(P<0.01);現蕾-開花期縮短與積溫減少呈極顯著正相關(P<0.01),與日照時數減少呈顯著正相關(P<0.05),與平均氣溫升高呈顯著負相關(P<0.05),主要表現在1990—2011年現蕾-開花期縮短與積溫減少呈極顯著正相關(P<0.01),與最高氣溫上升、平均氣溫減少均呈極顯著負相關(P<0.01),2012—2020年現蕾-開花期縮短與積溫、日照時數減少均呈極顯著正相關(P<0.01);開花-吐絮期縮短與積溫、日照時數減少均呈極顯著正相關(P<0.01),與最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫上升均呈極顯著負相關(P<0.01);吐絮-停止生長期延長與最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、積溫和日照時數增加均呈極顯著正相關(P<0.01),與降水量增加呈顯著正相關(P<0.05)。

圖4 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花各生育期變化與同期氣候要素變化的相關性分析

由表3和表4可知,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花全生育期的延長主要受積溫增加、降水量增加和日照時數減少的共同影響,貢獻率分別為53.07%、21.75%和25.18%。其中,播種-出苗期的延長主要受最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、積溫的增加和日照時數減少的共同影響,貢獻率分別為15.86%、14.24%、16.50%、34.03%和19.36%;出苗-現蕾期的延長主要受積溫和日照時數增加的共同影響,貢獻率為67.33%和32.67%;現蕾-開花期的縮短主要受平均氣溫升高、積溫減少和日照時數減少的共同影響,貢獻率分別為25.79%、53.22%和21.00%,表現在1990—2011年棉花現蕾-開花期的縮短主要受最高氣溫上升、平均氣溫和積溫減少的共同影響,貢獻率分別為25.64%、26.21%和48.15%,2012—2020年棉花現蕾-開花期的縮短主要受積溫和日照時數減少的共同影響,貢獻率分別為55.35%和44.65%;開花-吐絮期的縮短主要受最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫的上升以及積溫、日照時數的減少的共同影響,貢獻率分別為18.02%、19.99%、19.48%、27.29%和15.23%;吐絮-停止生長期的延長主要受最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、積溫、日照時數和降水量增加的共同影響,貢獻率分別為12.14%、13.39%、13.88%、25.54%、24.45% 和10.60%。

表3 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區主要氣候要素對棉花生育期變化的貢獻率

表4 1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區主要氣候要素對棉花現蕾-開花期生育期階段性變化的貢獻率

3 討 論

全球氣候變暖導致不同地區棉花生育期呈現縮短或延長趨勢,其氣候要素變化對棉花各生育階段影響程度略有不同[18-27]。本研究發現,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花播種-出苗期、出苗-現蕾期和全生育期均呈現極顯著延長趨勢,吐絮-停止生長期呈現不顯著延長趨勢,現蕾-開花期呈現極顯著縮短趨勢,開花-吐絮期呈現不顯著縮短趨勢,這與王占彪等[20]、李迎春等[21]、楊雪飛等[26]的研究結果基本一致;1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區積溫的增加是導致棉花播種-出苗期、出苗-現蕾期、吐絮-停止生長期和全生育期延長的主要氣候驅動因子,積溫的減少是導致墾區棉花現蕾-開花期、開花-吐絮期縮短的主要氣候驅動因子,這與孫桂蘭等[19]、王占彪等[20]、李迎春等[21]、芮建梅等[22]、謝芳等[23]、傅瑋東等[24]、阿布都克日木·阿巴司等[25]、楊雪飛等[26]、王金梅等[27]研究結果不一致,這主要與不同區域地理環境和氣候差異以及所選取資料的時間序列長短不同有關。

棉花生育期的長短直接決定棉花的產量[32]。本研究發現,新疆南疆阿拉爾墾區棉花各生育階段積溫的變化是導致墾區棉花各生育期呈現延長或縮短趨勢的主要氣候驅動因子,棉田管理者應結合墾區棉花生育階段積溫變化情況,適時調整棉花種植制度及田間管理措施才可確保墾區棉花高產穩產。

棉花生育期變化不僅受氣候變化的影響,還受棉花品種、田間管理和種植制度等因素的影響。本研究僅分析新疆南疆阿拉爾墾區棉花生育期變化規律及其定量氣候驅動,未深入分析土壤環境、棉花品種遺傳特性和田間管理措施等多因素綜合作用對棉花生長發育、產量和品質的影響,有待今后進一步的研究。

4 結 論

在全球氣候變暖背景下,1990—2020年新疆南疆阿拉爾墾區棉花播種-出苗期、出苗-現蕾期、吐絮-停止生長期和全生育期的延長均以積溫增加影響為主,現蕾-開花期和開花-吐絮期的縮短均以積溫減少影響為主。