新疆昌吉?dú)庀髼l件變化對(duì)棉花產(chǎn)量的影響分析

摘要：棉花產(chǎn)量與氣候的變化有密切的聯(lián)系。利用昌吉回族自治州（昌吉州）主要植棉區(qū)1961―2022年的氣象資料、棉花生育期資料和棉花產(chǎn)量進(jìn)行趨勢(shì)分析及突變分析，探究氣象條件變化對(duì)昌吉州主要植棉區(qū)棉花產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：（1）昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫、平均地面溫度、平均5 cm地溫、≥0 ℃和≥10 ℃積溫均呈上升趨勢(shì)，變化速率均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，年平均氣溫、≥0 ℃和≥10 ℃積溫分別在1993年、2000年和1998年發(fā)生突變；（2）年降水量呈增加趨勢(shì)，于1982年發(fā)生突變，降水日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，2017年為突變年，2017年之后降水日數(shù)減少顯著；（3）年日照時(shí)間呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，在1986年發(fā)生突變；（4）無(wú)霜期呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，于1989年發(fā)生突變，突變前變化不明顯，突變后無(wú)霜期明顯增加，初霜日呈波動(dòng)性推后趨勢(shì)，終霜日呈波動(dòng)性提前趨勢(shì)；（5）皮棉實(shí)際單產(chǎn)和趨勢(shì)產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，氣象條件對(duì)棉花生產(chǎn)有一定影響；溫度、日照時(shí)間、無(wú)霜期、積溫、相對(duì)濕度對(duì)棉花單產(chǎn)的影響比較明顯，氣象產(chǎn)量與年平均氣溫、8月降水日數(shù)呈顯著正相關(guān)，與7月的相對(duì)濕度、8月降水量和相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)，與7月高溫日數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：氣候變化；昌吉回族自治州；棉花產(chǎn)量；趨勢(shì)分析；突變檢驗(yàn)

Analysis of influence of meteorological conditions on cotton yield in Changji， Xinjiang

Rui Jianwen， Rui Jianmei， Huang Qiuxia*， Erkejang Huoyihazi， Liu Hongying

目前，氣候變化已經(jīng)成為全球的熱點(diǎn)問(wèn)題。據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）第6次評(píng)估報(bào)告，2011―2020年全球地表溫度比1850―1900年升高了1.1 ℃，比2003―2012年增高0.19 ℃。我國(guó)是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)，氣溫的增加值高于全球平均水平[1]。氣候條件制約著一個(gè)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作物種類、耕作制度和生產(chǎn)季節(jié)等。在全球氣候變化的趨勢(shì)下，新疆氣候變暖、積溫增加、降水增多的趨勢(shì)明顯[2-4]。氣候變暖將導(dǎo)致農(nóng)業(yè)危害多發(fā)并發(fā)，將會(huì)對(duì)農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量帶來(lái)極大的影響。

目前氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)影響的研究集中在作物種植界限變化[5-7]、物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)[8-11]、氣候變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量影響[12-15]等方面。新疆農(nóng)業(yè)熱量資源更為豐富，氣候變化對(duì)新疆農(nóng)作物有較大影響：農(nóng)作物潛在適宜生長(zhǎng)季延長(zhǎng)，種植品種和產(chǎn)業(yè)布局有較大變化[16-17]；農(nóng)作物生育期變化較大，如北疆棉花各生育時(shí)期表現(xiàn)出不同程度的提前趨勢(shì)，但成熟期推遲，田間生長(zhǎng)期延長(zhǎng)；新源縣冬小麥冬前生育期顯著推遲，但返青至乳熟各主要生育時(shí)期顯著提前[18]；各界限積溫增加、初日提前、終日推遲、持續(xù)時(shí)間增加，作物生長(zhǎng)季熱量資源的增加對(duì)棉花產(chǎn)量的增加具有正效應(yīng)[19-22]。

新疆昌吉回族自治州（以下簡(jiǎn)稱昌吉州）為新疆棉花生產(chǎn)和加工基地之一，棉花產(chǎn)量在新疆排名第4[4]。但全球氣候變暖背景下，昌吉州棉花安全生產(chǎn)是否受到影響、該如何應(yīng)對(duì)氣候變化等一系列問(wèn)題尚有待研究探討。筆者等通過(guò)分析昌吉州主要植棉區(qū)氣象條件變化及其對(duì)棉花產(chǎn)量的影響，為昌吉州棉花種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、提升棉花質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

昌吉州瑪納斯縣、呼圖壁縣、昌吉市為主要植棉區(qū)，故統(tǒng)稱為昌吉州主要植棉區(qū)（下同），棉花種植品種為中晚熟品種，當(dāng)?shù)孛藁ǖ纳跒?－10月。因此，選取1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)的平均氣溫、平均地面溫度、5 cm地溫、降水量、降水日數(shù)、日照時(shí)間、初霜日、終霜日、無(wú)霜期等氣象資料，并計(jì)算≥0 ℃積溫、≥10 ℃積溫，其中5 cm地溫為4－10月的數(shù)據(jù)；進(jìn)行氣象因子對(duì)棉花產(chǎn)量影響分析時(shí)，分別采用各年和4－10月逐月的氣象數(shù)據(jù)，以及氣象因子增加年份和生育期內(nèi)主要植棉區(qū)相對(duì)濕度、最高氣溫和最低氣溫?cái)?shù)據(jù)和≥35 ℃高溫日數(shù)。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆氣象信息中心，經(jīng)過(guò)人工審核。棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》[23]。

1.2 研究方法

氣象因子對(duì)棉花產(chǎn)量的影響主要反映在皮棉單產(chǎn)上。皮棉實(shí)際單產(chǎn)分為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量2個(gè)部分，趨勢(shì)產(chǎn)量代表農(nóng)業(yè)技術(shù)措施及其他類似影響的自然和非自然因素對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)的綜合，通常把經(jīng)過(guò)趨勢(shì)處理后的產(chǎn)量序列剩余項(xiàng)視為受氣象因子影響的產(chǎn)量分量，統(tǒng)稱為氣象產(chǎn)量[20]。

利用線性回歸的方法分析1961―2022年的氣象因子和產(chǎn)量要素的變化趨勢(shì)，并利用SPSS 21軟件皮爾遜相關(guān)系數(shù)法分析皮棉實(shí)際單產(chǎn)、氣象產(chǎn)量與生育期內(nèi)月、年尺度的氣象因子的相關(guān)性。其中，初霜日、終霜日采用儒略日，將逐年初霜日、終霜日轉(zhuǎn)化為日序數(shù)，即距當(dāng)年1月1日的實(shí)際天數(shù)，得到時(shí)間序列[2]，作圖時(shí)再轉(zhuǎn)化成實(shí)際日期。

氣候傾向率為采用最小二乘法計(jì)算的氣象因子隨時(shí)間變化的速率，可用y＝at＋b表示。式中：y為氣象因子值；t為年份序列號(hào)，以1961年為1依次賦值；b為回歸常數(shù)；a為回歸系數(shù)，a為正值時(shí)表示數(shù)據(jù)呈上升趨勢(shì)，為負(fù)值時(shí)呈下降趨勢(shì)。

采用多項(xiàng)式擬合方法處理產(chǎn)量資料，并計(jì)算趨勢(shì)產(chǎn)量擬合公式與皮棉實(shí)際單產(chǎn)序列的相關(guān)系數(shù)。

曼-肯德?tīng)査惴ǎ∕ann-Kendall method， M-K法）是世界氣象組織（World Meteorological Organization， WMO）推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)分析的方法，能夠客觀地表征樣本序列的整體變化趨勢(shì)，各氣象要素的正序列曲線（UF）、反序列曲線（UB）若出現(xiàn)交叉點(diǎn)，且交叉點(diǎn)位于信度線之間，這點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)便是突變開(kāi)始的時(shí)間[2]。給定顯著性水平α＝0.05，則統(tǒng)計(jì)量UF和UB的臨界值為±1.96，UF＞0表示序列呈上升趨勢(shì)，反之表示呈下降趨勢(shì)，大于1.96和小于－1.96，分別表示上升和下降趨勢(shì)明顯[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子的年際變化

2.1.1 溫度與積溫。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫、平均地面溫度、平均5 cm地溫、≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫均呈上升趨勢(shì)（圖1），變化速率顯著，氣候傾向率分別約為0.31 ℃·（10 a）－1、0.78 ℃·（10 a）－1、0.32 ℃·（10 a）－1、70.1 ℃·（10 a）－1、78.4 ℃·（10 a）－1。

1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫為7.4 ℃，在21世紀(jì)00年代達(dá)8.1 ℃，21世紀(jì)10年代為7.9 ℃，21世紀(jì)00年代較20世紀(jì)70年代年平均氣溫高1.5 ℃。年平均地面溫度為10.5 ℃；4－10月平均5 cm地溫為21.5 ℃，其中2011―2020年年均為22.3 ℃。年平均≥0 ℃積溫、≥10 ℃積溫分別為4 100.0 ℃和3 805.4 ℃，其中2011―2020年年均分別為4 273.1 ℃和4 007.7 ℃。

通過(guò)M-K法分析結(jié)果（圖略）可知，年平均氣溫、≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫的UF、UB線在信度線之間均有1個(gè)交點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1993年、2000年和1998年，年平均氣溫突變前以0.17 ℃·（10 a）－1增加，突變后以2.2 ℃·（10 a）－1增加，突變后平均氣溫較突變前高且穩(wěn)定；≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫分別在突變后顯著增加；年平均地面溫度UF、UB線在2003年相交，但交點(diǎn)在信度線外；年平均5 cm地溫未發(fā)生突變。

2.1.2 降水量、降水日數(shù)。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年降水量呈增加趨勢(shì)（圖2A），氣候傾向率約為49.9 mm·（10 a）－1。其間年平均降水量為188.2 mm，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)10年代降水量較其他年代多，其中21世紀(jì)00年代為218 mm，自2017年之后降水量減少明顯。通過(guò)M-K法分析結(jié)果（圖略）可知，年降水量在1982年發(fā)生突變，在突變前呈減少趨勢(shì)，在突變后的1982―2017年呈增加趨勢(shì)。

昌吉州主要植棉區(qū)年平均降水日數(shù)為73.7 d，氣候傾向率約為－1.2 d·（10 a）－1，呈減少趨勢(shì)（圖2B）。從年代間降水日數(shù)變化來(lái)看，21世紀(jì)10年代最少，21世紀(jì)00年代最多，兩者差17.1 d，近10年降水日數(shù)減少明顯。從M-K法分析（圖略）來(lái)看，2017年為突變年，此后年降水日數(shù)顯著減少。

2.1.3 日照時(shí)間。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年日照時(shí)間平均為2 789.9 h，呈波動(dòng)減少趨勢(shì)（圖3），氣候傾向率約為－26.6 h·（10 a）－1。從年代間變化來(lái)看，20世紀(jì)70年代年平均日照時(shí)間較其他年代多，為2 915.8 h；自20世紀(jì)70年代后日照時(shí)間為減少趨勢(shì)，其中21世紀(jì)10年代最少，為2 726.2 h。通過(guò)M-K法分析結(jié)果（圖略）可知，年日照時(shí)間在1986年發(fā)生突變，突變前以63.4 h·（10 a）－1的速率在增加，突變后以11.8 h·（10 a）－1的速率在減少。

2.1.4 霜期氣象指標(biāo)變化。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)無(wú)霜期平均為179.3 d，呈波動(dòng)增加趨勢(shì)（圖4A），氣候傾向率約為2.42 d·（10 a）－1。從年代間變化來(lái)看，無(wú)霜期也呈增加趨勢(shì)，21世紀(jì)10年代為186.1 d，較20世紀(jì)60年代多13.8 d。通過(guò)M-K法分析結(jié)果（圖4D）可知，無(wú)霜期在1989年發(fā)生突變，突變前變化不明顯，突變后明顯增加。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)初霜日平均為10月10日，呈推后趨勢(shì)，氣候傾向率約為0.92 d·（10 a）－1（圖4B）。從年代間變化來(lái)看，初霜日也表現(xiàn)為波動(dòng)性推后：20世紀(jì)60年代最早，為10月2日；20世紀(jì)80年代最晚，為10月14日；21世紀(jì)00年代和21世紀(jì)10年代分別為10月13日和10月11日。終霜日平均為4月12日，總體呈波動(dòng)性提前趨勢(shì)，氣候傾向率約為－1.45 d·（10 a）－1（圖4C）。從年代間變化來(lái)看，終霜日為先推后、后提前的變化趨勢(shì)，其中20世紀(jì)80年代最晚，為4月20日，21世紀(jì)10年代最早，為4月6日。

2.2 氣象因子對(duì)棉花產(chǎn)量的影響

2.2.1 棉花產(chǎn)量變化特征。通過(guò)對(duì)昌吉州主要植棉區(qū)的皮棉實(shí)際單產(chǎn)進(jìn)行分離，得出趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量。從圖5可以看出，1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)皮棉實(shí)際單產(chǎn)和趨勢(shì)產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，每年增速為38.80 kg·hm－2，皮棉實(shí)際單產(chǎn)由1961年的187.5 kg·hm－2增加到2022年的2 167.9 kg·hm－2；氣象產(chǎn)量的波動(dòng)較大，正值的有27年，負(fù)值的有35年，說(shuō)明氣象條件對(duì)棉花生產(chǎn)有一定影響。

2.2.2 氣象因子對(duì)棉花產(chǎn)量的影響。棉花生長(zhǎng)期間各月的溫度、濕度、積溫、日照時(shí)間等對(duì)棉花的生長(zhǎng)發(fā)育影響明顯。由表1可知，昌吉州主要植棉區(qū)年平均溫度、日照時(shí)間、無(wú)霜期、積溫、相對(duì)濕度對(duì)棉花單產(chǎn)的影響比較明顯。皮棉實(shí)際單產(chǎn)與年平均氣溫、平均地面溫度、平均5 cm地溫、無(wú)霜期、≥0 ℃積溫、≥10 ℃積溫、相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與年日照時(shí)間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；與4－6月月平均氣溫，4、6、7、9、10月平均地面溫度，4、6、7、9月平均5 cm地溫，6、9月≥35 ℃日數(shù)，8月相對(duì)濕度，4、9月最高氣溫，呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而與9月降水日數(shù)、8月日照時(shí)間、4月和6月相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。4月正值棉花的播種期，平均氣溫和平均地面溫度高、濕度小，有利于滴灌條件下棉花提前播種和播種后迅速出苗，使得棉花生育期延長(zhǎng)，有利于棉花品質(zhì)提升；5月和6月溫度高利于棉花塑形和現(xiàn)蕾；6月溫度高、濕度小，有利于棉花五葉期－現(xiàn)蕾期的生長(zhǎng)；8月日照時(shí)間長(zhǎng)將延遲現(xiàn)蕾開(kāi)花而造成徒長(zhǎng)晚熟，棉花在盛花期需水量最多，故日照時(shí)間不宜太長(zhǎng)，降水充沛有利于棉花的開(kāi)花結(jié)鈴；9月是棉花裂鈴?fù)滦跗冢瑲鉁馗?、降水少、日照時(shí)間長(zhǎng)有利于棉花的順利吐絮。皮棉實(shí)際單產(chǎn)與年日照時(shí)間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明日照時(shí)間的增加會(huì)負(fù)向影響皮棉實(shí)際單產(chǎn)。棉花雖然是喜光作物，但不同生育時(shí)期對(duì)日照的需求不同。播種期、出苗期日照時(shí)間正向影響皮棉單產(chǎn)，日照越充足越有利于棉株早發(fā)和現(xiàn)蕾；現(xiàn)蕾期日照時(shí)間會(huì)對(duì)皮棉單產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，主要是因?yàn)榇藭r(shí)降水量較少、日照時(shí)間多，則容易導(dǎo)致水分缺失，不利于棉株的生殖生長(zhǎng)。

由表2可知，昌吉州主要植棉區(qū)棉花氣象產(chǎn)量與年平均氣溫、8月的降水日數(shù)呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與7月的相對(duì)濕度、8月的降水量和相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與7月≥35 ℃高溫日數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與其他時(shí)間段內(nèi)氣象因子相關(guān)性均不顯著。說(shuō)明昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫、8月的降水日數(shù)對(duì)棉花氣象產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大，尤其受7月相對(duì)濕度、8月的降水量和相對(duì)濕度及7月≥35 ℃高溫日數(shù)影響比較明顯。

3 討論與結(jié)論

研究結(jié)果表明：（1）1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫、平均地面溫度、平均5 cm地溫、≥0 ℃和≥10 ℃積溫均呈上升趨勢(shì)，變化速率顯著，均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)，年平均氣溫、≥0 ℃和≥10 ℃積溫分別在1993年、2000年和1998年發(fā)生突變，平均地面溫度、平均5 cm地溫未發(fā)生突變；年降水量呈增加趨勢(shì)，于1982年發(fā)生突變；年平均降水日數(shù)為73.7 d，呈減少趨勢(shì)，2017年為突變年，2017年之后降水日數(shù)減少顯著；年日照時(shí)間呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，在1986年發(fā)生突變，突變前日照時(shí)間呈增加趨勢(shì)，突變后以11.8 h·（10 a）－1的速率減少；無(wú)霜期平均為179.3 d，呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，于1989年發(fā)生突變，突變前無(wú)霜期變化不明顯，突變后無(wú)霜期明顯增加；初霜日呈波動(dòng)性推后趨勢(shì)，終霜日呈波動(dòng)性提前趨勢(shì)。（2）皮棉實(shí)際單產(chǎn)和趨勢(shì)產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，氣象產(chǎn)量的波動(dòng)性變化較大，氣象條件對(duì)棉花生產(chǎn)有一定影響；溫度、日照時(shí)間、無(wú)霜期、積溫、相對(duì)濕度對(duì)皮棉實(shí)際單產(chǎn)的影響比較明顯；年平均氣溫、8月的降水日數(shù)對(duì)昌吉州主要植棉區(qū)棉花氣象產(chǎn)量貢獻(xiàn)較大，尤其受7月相對(duì)濕度、8月的降水量和相對(duì)濕度及7月

≥35 ℃高溫日數(shù)影響比較明顯。皮棉實(shí)際單產(chǎn)與年日照時(shí)間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。日照時(shí)間對(duì)皮棉單產(chǎn)造成負(fù)向影響可能是因?yàn)槊藁m然是喜光作物，但在不同生育時(shí)期對(duì)日照的需求也有所不同，在棉花生長(zhǎng)的五葉期、現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期日照時(shí)間較多，而在其他生長(zhǎng)階段日照時(shí)間較少，不利于當(dāng)?shù)孛藁ㄉ成L(zhǎng)。

昌吉州棉花生產(chǎn)已經(jīng)形成規(guī)模化、集約化、專業(yè)化種植的格局，但是棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍存在新技術(shù)應(yīng)用不足、品種多雜亂等問(wèn)題，嚴(yán)重制約棉花產(chǎn)量的提質(zhì)增效。昌吉州主要植棉區(qū)采用覆膜種植、節(jié)水灌溉等種植方式，不同的栽培措施和棉花品種對(duì)棉花生長(zhǎng)過(guò)程產(chǎn)生一定程度上的影響。本研究在分析棉花產(chǎn)量時(shí)沒(méi)有考慮棉花品種、栽培技術(shù)、管理措施等方面對(duì)產(chǎn)量的影響程度及其與氣象因子間的關(guān)系，因此，應(yīng)深入研究不同生長(zhǎng)模擬模型對(duì)棉花產(chǎn)量的影響。

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（責(zé)任編輯：秦凡 責(zé)任校對(duì)： 楊子山）" " ●

收稿日期：2023-12-28" " " " "第一作者簡(jiǎn)介：芮建文，副高級(jí)工程師，主要從事大氣探測(cè)及其應(yīng)用研究，81465562@qq.com。*通信作者：黃秋霞，副高級(jí)工程師，主要從事氣候變化研究，406257757@qq.com

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州科技項(xiàng)目（2023S02-07）；新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州氣象局科技項(xiàng)目（CJ202308）；新疆維吾爾自治區(qū)哈密市氣象局局管課題（HM202108）