主要气候因子对麦棉两熟棉花产量的影响

韩迎春，王国平，范正义，李亚兵，冯 璐，毛树春

(中国农业科学院棉花研究所，棉花生物学国家重点实验室，安阳 455000)

麦棉两熟种植是提高植棉整体效益，充分利用自然资源，达到高产多收的一种种植方式。20世纪50年代至80年代从起步走向发展，90年代发展达到高峰［1］，1992年黄河流域棉区两熟种植面积达218.8万hm2，占本流域棉田的60.5%。然而麦棉两熟种植棉花产量年际间波动很大，陆绪华等1987年报道两熟套种皮棉产量964.5kg/hm2(约相当于籽棉2473.5 kg/hm2)［2］;李绍虞等1987年报道山东省麦棉两熟籽棉产量3900.0kg/hm2［3］;梁理民等1994年报道陕西省棉麦两熟棉花籽棉产量2428.5 kg/hm2［4］。中国农业科学院棉花研究所1993—2010年连续18a定点定位试验结果麦棉套作条件下籽棉产量平均2660.2 kg/hm2，变化范围在1282.5—3583.5kg/hm2，变异系数达到25.17%(表1)。究其原因，笔者认为棉花生育期间，气候因子的变化是棉花产量年际间波动的主要控制因子。

有关气候因子对棉花产量影响的研究有许多报道［5-7］，但其研究方法多采用相关分析方法进行，由于这些方法受信息量不完全及数学模型的制约，难以取得满意的结果。1982年邓聚龙教授创建了灰色系统理论［8］，对信息不完全系统(灰色系统)提供了有效的分析手段。近年来，灰色系统理论得到广泛应用。逐步回归方法是一种能自动地从大量可供选择的变量中选择那些对建立回归方程比较重要的变量的方法，采用从包含全部变量的回归方程中逐次剔除不显著的因子的方法选择“最优”的回归方程［7，9-18］。本研究应用灰色关联分析法和逐步回归分析方法，就黄淮海棉区安阳试验区1993—2010年麦棉两熟种植18年来棉花籽棉产量和相应气象资料进行关联度分析，寻求影响两熟种植棉花籽棉产量的关键气象因子，建立两熟籽棉产量与关键气象因子的回归模型，提出相应的技术措施，为麦棉两熟可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与品种

气象资料由河南省安阳市气象局提供。以1993—2010年棉花生长季节4—10月份的≥10℃积温、≥15℃积温、≥20℃积温、降水量和日照时数为主要气候因子，以中国农业科学院棉花研究所试验地1993—2010年麦棉两熟种植棉花平均籽棉单产为相关因子，进行灰色关联分析和多元逐步回归分析。棉花品种选用该棉区主要推广品种。麦棉两熟配置方式为标准4-2式(带宽1.4m，种4行小麦，2行棉花)和3-2式(带宽1.4m，种3行小麦，2行棉花)，均采用垄作，地膜覆盖。

1.2 数据处理

利用Excel对气象资料和试验田产量进行整理。按灰色系统理论要求［7-8，14-16］，将1993—2010年籽棉产量、棉花全生育期4—10月≥10℃积温、≥15℃积温、≥20℃积温、降水量和日照时数视为一个整体，构建一个灰色系统。麦棉两熟籽棉产量为母序列Y(i)，i=1，2，…，18;全生育期4—10月≥10℃积温(X1i)、≥15℃积温(X2i)、≥20℃积温(X3i)、降水量(X4i)、日照时数(X5i)、每月≥20℃积温(M1i—M7i)、降水量(M8i—M14i)、日照时数(M15i—M21i)等气候因子为子序列，数据无量纲的标准化变换采用均值化变换。即先分别求出各个序列的平均值，再利用平均值去除对应各序列中的各个原始数据，得出均值化序列，采用“DPS数据处理系统”软件［13］计算各参数与产量的灰色关联度。以麦棉两熟籽棉产量为因变量(表1)，棉花全生育期气候因子为自变量，采用“DPS数据处理系统”软件［13］进行逐步回归分析。

2 结果与分析

2.1 两熟棉花籽棉产量与气候因子的灰色关联分析

2.1.1 棉花全生育期气候因子与产量的关联度

由棉花籽棉产量与全生育期气候因子的关联序可以看出(表2)，棉花生长季节4—10月积温是影响棉花产量的主导气候因子，≥20℃积温、≥15℃积温、≥10℃积温等气候因子与棉花籽棉产量的关联系数分别为0.4513、0.4442和0.4309;其次为日照时数，与籽棉产量的关联系数为0.4099;降水量对籽棉产量的影响最小，关联系数为0.3060。

1993—2010年中以1996年棉花籽棉产量最低(表1)，仅1282.5kg/hm2，较1993—2010年平均产量减低1377.7 kg/hm2，减幅达到51.8%。该年度4—10月≥10℃积温、≥15℃积温、≥20℃积温和日照时数较18a平均分别减少 119.4℃·d、136.4℃·d、254.9℃·d 和184.9h，而降水量则增加142.8mm。1994 年籽棉产量3583.5 kg/hm2，产量最高，较18年平均产量增幅34.7%。该年度4—10月≥10℃积温、≥15℃积温、≥20℃积温和日照时数较18年平均分别增加112.3℃·d、187.3℃·d、213.6℃·d和 254.0h，而降水量则增加172.4mm。籽棉产量最高和最低的1994、1996年，降水量均较平均值是增加的，气候因子的区别只在于棉花生长的4—10月份期间，1994年的积温和日照时数增加，1996年积温和日照时数减少;其日照时数除6月份与1996年和18年平均值持平外，其余月份均明显增设。说明决定产量高低的主要气候因子是日照时数和积温，而降水量对产量的影响较小;低温、光照少，降水多的年景产量低，高温、光照充足的年景，降水多产量也会增高。这和关联度分析结果一致，表明利用灰色关联度分析法进行棉花生育期主要气候因子与年际间产量的关系分析是可行的，得出的结论可靠，和生产实际情况相吻合。

表1 1993—2010年4—10月份主要气候因子与籽棉产量Table 1 Key climatic factors in the total growing period of cotton from April to October and seed cotton yield of cotton-wheat double cropping system in 1993—2010

表2 1993—2010年棉花生育期(4—10月)气候因子与两熟棉花籽棉产量的关联分析Table2 Analysis on the grey relational grade about climatic elements of cotton growth period(from April to October)and seed cotton yield in 1993—2010

2.1.2 棉花不同生育期气候因子与产量的关联度

麦棉两熟籽棉产量与棉花不同生育期4—10月份每月气候因子关联序为M19＞M20＞M5＞M4＞M3＞M16＞M2＞M6＞M15＞M17＞M18＞M21＞M10＞M11＞M1＞M8＞M13＞M9＞M12＞M7＞M14(表3)。在21个因子中，关联序中前3位为8月、9月日照时数和8月份≥20℃积温，表明棉花生育期内各月气候因子以日照时数和积温对产量影响最大，降水量对棉花产量的影响较小。这和棉花全生育期4—10月各气候因子与棉花产量的关联分析结果一致。

棉花不同生育期日照时数与产量的关联度(表3)。两熟种植棉花籽棉产量与棉花不同生育期的日照时数关联度最大。其中以花铃期8月份的日照时数关联度最大，其次为9月、第三是5月;4月、6月、7月和10月的日照时数和产量的关联度也较高。表明棉花盛花结铃期8月份的日照时数高低是制约产量的最主要因素，苗期(5月份)和吐絮期(9月份)日照时数的高低对产量的作用次之，吐絮后期(10月)的日照时数对产量的影响最弱。因此黄淮海棉区麦棉两熟套作棉花前期采取重施基肥，促进生长;中期采取重施花铃肥，科学灌水、化调;后期如遇低温阴雨，采取推株并垄、去老叶、科学化控，增加透光率是行之有效的增产措施。

表3 棉花不同生育期气候因子与两熟棉花籽棉产量的关联分析(1993—2010年)Table 3 Analysis on the grey relational grade about climatic elements in different cotton growth period and seed cotton yield in 1993—2010

棉花不同生育期≥20℃积温与产量的关联度(表3)。积温是影响两熟种植棉花产量的重要气候因子。其中以棉花盛花结铃期8月份≥20℃积温与产量的关联度最大，其次为7月，第三为9月;6月、5月≥20℃积温与产量的关联度也较高。表明积温对产棉花产量的影响最高的时期在开花结铃的7—8月份;在棉花生长的整个生育期间，5—9月积温的高低对棉花的产量影响最大。5—9月份是棉花产量形成的关键时期，此阶段温度高有利于棉株前期生长、中期蕾、花、铃的发育和后期的吐絮高产，如果前中期特别是花铃期的积温低，就会延缓生育进程，贪青晚熟，造成减产。在栽培措施上前期采取地膜覆盖增加地温，中后期科学施肥和化学调控，控制合理株型，构建通风透光适宜的群体是高产的关键措施。

棉花不同生育期降水量与产量的关联度(表3)。降水量对两熟种植棉花产量影响小于日照时数和积温，两熟种植棉花产量和棉花生育期内各月降水量关联度均较小。其中以6月降水量的关联度最大，其次为7月，第三为4月、9月和5月。表明降水量主要是通过其对现蕾、开花、结铃的6—7月份的棉花生长情况的影响来制约棉花产量的提高。6—7月降雨量增加，影响棉花现蕾、开花和结铃，脱落率提高，导致减产。后期9月棉花吐絮期降水增多，田间湿度增加，不仅影响棉花正常吐絮，而且烂铃增加，从而导致减产。因此，麦棉两熟种植在6月上旬麦收后，应及时灭茬，中耕结合施蕾肥，促进棉花早发棵，搭好丰产架子;棉花吐絮期及时摘收吐絮棉铃，去无效果枝、打老叶以改善棉田通风透光条件，降低田间湿度，可有效防止烂铃，提高棉花产量。

2.2 主要气候因子与籽棉产量的多元逐步回归分析

2.2.1 棉花全生育期气候因子与产量的多元逐步回归分析

以麦棉两熟籽棉产量为因变量(表1)，全生育期积温选用与籽棉产量关联度最高的≥20℃积温(X3)，以及降水量(X4)和日照时数(X5)等3个气候因子，共54个自变量，进行逐步回归分析。在3个气候影响因子中，筛选出对建立回归方程比较重要的变量，建立“最优”的回归方程:

方程的 P=0.005168，R2=0.5867，Durbin-Watson=2.1，表明通过逐步回归建立的方程可以试用于黄淮棉区两熟籽棉产量的预测预报。

通径分析可以有效地评判各种影响因子效应，确定不同因子对结果的影响程度，因此对各气象关键因子与两熟棉花籽棉产量进行通径分析(表5)，决定系数R2达0.5867，表明它们是影响两熟棉花籽棉产量的主要气象因子，对籽棉产量影响最大的是≥20℃积温，为正效应;其次是降水量，为负效应;第三是日照时数，为正效应。表明积温是决定产量的主要因素，且为正效应，这和灰色关联分析结果一致。

表4 回归方程的相关参数Table4 The correlative parameter of regressive equation

表5 入选方程各气象因子的直接通径系数Table 5 Direct path coefficients of each climatic elements

2.2.2 棉花不同生育期气候因子与产量的多元逐步回归分析

麦棉两熟籽棉产量与棉花生育期4—10月每月≥20℃积温(M1—M7)及降水量(M8—M14)等252个自变量逐步回归分析，建立“最优”回归方程:

Y= －6407.38127+10.779309138M4+8.412503403M9+7.058092973M10－5.458101094M12

表6 回归方程的相关参数Table 6 The correlative parameter of regressive equation

入选方程的变量为7月≥20℃积温(M4)，5月、6月和8月降水量(M9、M10和M12)，各因子P值均小于0.03(表6)，建立方程的 P=0.0007598，R2=0.7477，Durbin-Watson=3.0998，方程可以试用于黄淮棉区两熟籽棉产量的预测预报。

通径分析决定系数R2达0.7477(表7)，表明入选因子是影响两熟棉花籽棉产量的主要气象因子。对籽棉产量影响最大的是M12，即8月份降水量，为负效应，降水越多产量越低;其次为M4，即7月份≥20℃积温，为正效应，积温越多产量越高;第三是M9和M10，即5月和6月降水量，为正效应。

表7 入选方程各气象因子的直接通径系数Table 7 Direct path coefficients of each climatic elements

3 讨论

在灰色关联分析中，将众多因子视为灰色系统，各因子的重要性以关联度排序表示，关联度大，表示该参考指标重要，克服了以往对因子进行评判的主观性和粗放性，能够充分揭示各因子对产量影响的重要性［12］。而逐步回归方法可以从大量可供选择的变量中选择对建立回归方程比较重要的变量，建立“最优”回归方程，将各因子对产量的影响进行量化分析［13］。本研究将两种分析方法相结合，明确和量化了棉花生育期间主要气候因子对两熟籽棉产量的影响。

灰色关联分析结果表明，棉花全生育期间对籽棉产量影响最大的是积温，且表现为:≥20℃积温＞≥15℃积温＞≥10℃积温，其关联度分别为0.4513、0.4442和0.4309;但积温对产量的影响主要表现在前中期的8月、7月、6月和5月，吐絮期积温对产量的影响作用弱于日照时数;棉花盛花结铃期的8月份≥20℃积温对产量影响最大，这和王保民等［18］的研究结论一致。影响两熟棉花籽棉产量的另一主要气候因子是日照时数，关联度0.4099;在棉花的不同生育时期以棉花盛花结铃期8月和吐絮期9月的日照时数对产量影响最大，这和陈金湘等［5］、张旺峰等［19］的研究结论一致。降水量与产量的关联度最小，而陈金湘等［5］研究表明，降雨日对湖南棉花皮棉单产影响较大，这可能是由于黄淮海棉区虽然降水多集中在7—8月份，但持续时间不长，不同于长江流域棉区的梅雨季节，因而对棉花产量的影响较小造成的。

逐步回归分析结果同样表明，影响两熟棉花籽棉产量的主要气候因子是积温，且为正效应，即棉花生长期间，积温越高产量越高;棉花全生育期间降水总量对产量的影响是负效应，即降水量越大，产量越低;日照时数对产量的影响也为正效应。进一步利用4—10月逐月降水量与产量进行逐步回归分析结果表明，8月份降水量为负效应，其值越大产量越低，而5月、6月降水量为正效应，其值越大产量越高。推测其原因，8月份棉花处于盛花结铃期，是黄淮地区降水量集中时期，也是黄萎病发病旺盛时期，相关研究表明［20］，8月上旬的空气相对湿度、降水量是影响黄萎病指的主成分，降水量较大、空气相对湿度超过82%可导致黄萎病的严重发生，从而影响产量。而5月和6月份属于黄淮地区干旱少雨时期，1993—2010年18a间5月平均降水量为35.7mm，6月份平均降水量60.8mm，两个月合计降水量占4—10月棉花全生育期降水量的20.6%，而此时正是棉花营养生长旺盛时期，缺水易导致棉株营养生长不良，不利于搭建丰产株型，因此5月、6月份降水量对产量为正效应。

总之，麦棉两熟种植棉花在管理上，棉花生长前期可采用育苗移栽、地膜覆盖等促进早发的栽培措施，5月、6月重视田间灌溉补水，充分利用光热资源，促进搭建丰产株型;中后期采取去空枝、打老叶，防止田间荫蔽，降低空气湿度等措施，对促进棉花早发、早熟、提高产量十分有利。

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