鄱阳湖区棉花花铃期降水资源变化与影响研究

吴 昊，杨 柳，杨 磊

(1.江西省九江市气象局，江西 九江 332000；2.南京信息工程大学 环境科学与工程学院，江苏 南京 210044；3.江西省棉花研究所，江西 九江 332105)

棉花喜高温、耐干旱、生长期长[1]。在江西鄱阳湖种植区，7～9月棉花进入生长发育最旺、需水需肥最多的花铃期，这是实现“三桃”齐结的关键期[2]。研究表明，棉花花铃期的需水量占全生育期总需水量的50%[3]；7～9月雨量大、雨日多，棉花的铃重则轻[4]。由此可见，花铃期降水对棉花生产至关重要。然而，受加强西伸的副热带高压系统的影响，7月初前后鄱阳湖地区雨季结束，进入高温少雨的酷暑季节，此期若持续20 d高温无降水天气，棉地30 cm以上土层土壤湿度变化率可达50%，5～40 cm土层相对土壤湿度平均下降到65%以下，棉花蕾、铃脱落加剧，单株成铃日增量减少[2]。7～9月也是台风的活跃期，鄱阳湖地区会出现明显降水，对缓解鄱阳湖区域伏秋干旱十分有利，但如果雨日持续时间偏长、雨量大，棉花蕾铃脱落率也会升高[5]、产量降低[6]；此外，“二度入梅”现象在个别年份也会发生，造成受淹棉田因涝绝收[7]，降水过多对棉花产量形成的危害同样是非常严重的。因此，开展降水对鄱阳湖区棉花产量与品质形成影响的研究具有重要价值。尽管目前已有一些关于棉花花铃期受涝、高温和高温加受涝对棉花产量和品质影响的研究[8-10]，但针对鄱阳湖区花铃期降水对棉花产量品质形成影响的定量分析还未见报道。

本研究通过对棉花产量(品质)因素与花铃期降水相关性分析，提取影响棉花产量形成的花铃期限制性影响因子，运用比较、回归、小波、M-K检验等方法，分析研究其变化特征，预估其影响趋势，提出了棉花产业减灾增效的对策。

1 材料与方法

1.1 资料来源与处理

棉花与降水资料均来源于江西省气象信息中心，经过质量控制检验。

1.1.1 降水资料 根据最新的棉花产业布局，将鄱阳、德安、都昌、湖口等4个站作为鄱阳湖棉花种植区代表站，资料时间序列为1959～2017年。本研究拟从降水的强度与频率即降水量与降水日数2个方面分析其变化特征与影响。

降水量(或降水日数)距平，指某一时段的降水量或降水日数与其气候平均值(1981～2010年同期降水量或降水日数的平均值)之间的差。将这一差取绝对值，本研究称之为“绝对距平”。

降水日数在本研究中是指日降水量≥0.1 mm的日数。

1.1.2 棉花资料 棉花观测代表站为湖口(国家农业气象基本站)，时间序列取1994～2012年；观测方法依据《农业气象观测规范》[11]。

(1)花铃期。根据多年的观测资料分析，鄱阳湖区棉花进入开花普遍期的时间为7月上旬，正常年份的9月中下旬仍有40%左右的棉铃处于生长期，为便于统计与比较分析，将7～9月定为该地区棉花花铃期。

(2)棉花产量因素与品质因素。基于花铃期降水的影响程度考虑，本研究仅将伏桃数、秋桃数、蕾铃脱落率、单铃重等产量因素，以及霜前花率、衣分、纤维长等品质因素作为研究对象。伏前桃和晚秋桃因其与花铃期存在时间差，故不列入本文研究对象。

(3)棉花品种与地段说明。观测地段距湖口县气象观测场以东1000 m以内，海拔高度差约2 m，所属当地农户的生产管理与产量水平为中等；棉花品种为当地当年的主打品种，具体见表1。

表1 观测地段棉花种植品种

1.2 研究方法

采用逐步回归分析方法，分析棉花产量品质要素与降水的相关性，提取影响显著的降水因子；针对提取出的棉花产量品质形成限制性影响因子，采用线性回归方法，分析其线性趋势特征，相关系数的显著水平P称为“气候倾向显著水平”，拟合线斜率b称为“趋势倾向率”，10b称为某气象要素每10 a的气候倾向率[12]；采用小波分析方法，分析其周期性趋势特征[13-16]；采用Mann-Kendall检验方法，分析其突变性趋势特征[17]。

2 结果与分析

2.1 棉花产量品质因素与花铃期降水的相关性分析

2.1.1 产量因素影响因子 鄱阳湖区棉花伏桃数与秋桃数分别与7、8月份的降水日数呈显著的负相关(图1-A、图1-B)。即棉花伏、秋桃的生长对降水日数的多少较为敏感，当7、8月份的降水日数越多，伏、秋桃数就越少，对棉花的产量形成越不利。

棉花蕾铃脱落率、单铃重分别与花铃期降水量的绝对距平呈显著的正相关和极显著的负相关(图1-C、图1-D)。即当花铃期降水量的绝对距平越大，棉花蕾铃脱落率就越高、单铃重就越轻，越不利于棉花产量的形成；当花铃期降水量的绝对距平越小，棉花蕾铃脱落率就越低、单铃重就越重，越有利于棉花产量的形成。由此可知，在正常年份，鄱阳湖区花铃期的降水量对棉花蕾铃生长是适宜的；而当花铃期降水量越偏离气候平均值，即当雨水异常偏多或严重干旱时，棉花蕾铃脱落率会升高、单铃重会降低，从而影响棉花的产量。

图1 棉花产量因素与花铃期降水因子相关分析散点图

2.1.2 品质因素 鄱阳湖区棉花霜前花率与花铃期降水量绝对距平呈较显著的负相关(图2-A)。即当花铃期降水量绝对距平越小，即花铃期降水量越接近气候平均值，棉花霜前花所占比率就越高；反之，当花铃期雨水越偏多或干旱越严重，也就是花铃期降水量越偏离气候平均值，棉花霜前花率就越低，品质就越差。

棉花衣分与“花铃期降水日数绝对距平的立方值”呈较显著的负相关(图2-B)；纤维长与“花铃期降水量绝对距平的4次方根”亦呈较显著的负相关(图2-C)。由于“立方值”和“4次方根”与“原值”均存在正相关关系，因此，可以认为当花铃期降水量的绝对距平越小，也就是降水量越接近正常年份，棉花的衣分就越高、纤维就越长，品质就越好；反之，当花铃期降水量的绝对距平越大，也就是花铃期雨水越偏多或干旱越严重，棉花的衣分就越低、纤维就越短，品质就越差。

图2 棉花产量因素与花铃期降水因子相关分析散点图

综上所述，就花铃期降水资源而言，7月、8月的降水日数以及花铃期降水量与降水日数，是影响研究地区棉花产量品质形成的主要限制性因子，而且，在正常年份花铃期降水量与降水日数对棉花产量品质的形成是适宜的。

2.2 限制性降水因子的变化趋势与利弊分析

2.2.1 7～8月的降水日数

2.2.1.1 线性变化趋势 7、8月降水日数气候平均值分别为7.9 d和7.2 d。1959～2017年鄱阳湖地区7月、8月降水日数均呈不显著的递增趋势，气候倾向显著水平分别为0.55和0.23(均大于0.1)，气候倾向率分别为0.17 d/10 a和0.33 d/10 a(图3)。

图3 7、8月降水日数线性变化趋势散点图

2.2.1.2 周期性变化趋势 1959～2017年鄱阳湖区7、8月降水日数年变化的主振荡周期不明显，其中7月份降水日数仅存在尺度分别为5 a和22 a的次周期，8月份降水日数的小波方差曲线仅存在尺度分别为3 a、9 a的次周期(图4-A)。

7月份降水日数尺度为5 a的次振荡短周期在1970年代中期、1980年代后期、1990年代中期、2000年代中期及2010年代中期有所表现，尺度为22 a的次振荡长周期在1960～2000年代初有所表现(图4-B)；8月份降水日数尺度为3 a的次振荡短周期在1960年代中期、1980年代中期有所表现，尺度为9 a 的次振荡长周期在1960年代后期至1970年代前期、1990年代前期有所表现(图4-C)。

图4 7、8月降水日数小波分析图

2.2.1.3 突变性趋势 研究地区7月降水日数长期处于增多的变化态势，其突变点出现在1962～1963年，突变期从1970年代不连续地持续到2000年代初，累计达16 a；该地区8月降水日数出现1次增多的突变，突变点出现在1960年代末，突变期为2000～2004年。但进入2000年代7月降水日数的减少趋势明显，而8月份降水日数的减少趋势不够显著(图5)。

图5 7、8月降水量Mann-Kendall检验分析

2.2.1.4 降水变化的利弊分析 7月与8月的降水日数近59 a来总体上呈不显著的增多趋势且主振荡周期不明显，分别对棉花伏、秋桃的形成有不利影响；但进入21世纪00年代7月降水日数减少趋势明显，有利于降低伏桃形成的灾害风险。

2.2.2 7～9月降水量与降水日数绝对距平

2.2.2.1 线性变化趋势 研究地区棉花花铃期降水量与降水日数的气候平均值分别为368 mm和29 d。由图6可知，1959～2017年该地区棉花花铃期降水量的绝对距平变化呈较接近显著水平的线性递减趋势，气候倾向显著水平为0.17，气候倾向率分别为-7.9 mm/10 a；同期降水日数绝对距平变化呈显著的线性递减趋势，气候倾向显著水平为0.06，气候倾向率分别为-0.55 d/10 a。

图6 花铃期降水量(日数)绝对距平线性趋势散点图

2.2.2.2 周期性变化趋势 Wave子波30 a对称延伸法分析结果表明(图7)，研究地区1959～2017年棉花花铃期降水量及降水日数绝对距平变化的主振荡周期不明显，两者的周期性振荡趋势特征不显著。

图7 花铃期降水量(降水日数)绝对距平小波方差

2.2.2.3 突变性趋势 由图8-A可知，研究地区棉花花铃期降水量的绝对距平时间序列减小的变化趋势明显，1980年出现了减小的突变点，1982～2017年持续35 a出现UF<0，且在2002年以及2004～2012年处于减小的突变期，表明花铃期降水量时间序列总体变化平稳，非常接近气候平均值；2013年以来的5 a间UF线呈上升趋势，与近年来伏秋期降水量增多有关。

由图8-B可知，该地区花铃期降水日数的绝对距平在近59 a无突变现象，但自1980年代以来有35 a出现UF<0，表明花铃期降水日数绝对距平的时间序列变化总体呈变小趋势，花铃期降水日数的时间序列变化基本平稳，接近气候平均值。

图8 1959～2016年7～9月降水量(日数)绝对距平的Mann-Kendall检验分析

2.2.2.4 变化趋势的利弊分析 近59 a来，研究地区棉花花铃期降水量的绝对距平变化呈较接近显著水平的线性递减趋势，且于2000年代初至2010年初达到减小的突变状态并继续处于负增长状态，表明花铃期降水量时间变化总体趋于正常且平稳。这一态势有利于降低棉花蕾铃脱落率、增加单铃重、提高霜前花率和纤维长，提高棉花产量和品质。

近59 a来，研究地区棉花花铃期降水日数的绝对距平呈显著的线性递减趋势，周期性不显著；突变性分析结果也表明，近20年的花铃期降水日数的绝对距平小幅下行状态，花铃期降水日数在接近气候平均的状态下波动。这一变化趋势有利于棉花衣分的提高，提高棉花品质。

3 结论与讨论

7月、8月降水日数以及花铃期降水量与降水日数是鄱阳湖区棉花产量品质形成的限制性降水因子，正常年份鄱阳湖区花铃期降水条件对棉花产量品质形成是适宜的。

棉花伏、秋桃数分别与7月、8月降水日数呈负相关；蕾铃脱落率与花铃期降水量绝对距平呈正相关，单铃重、霜前花率均与花铃期雨量绝对距平呈负相关；衣分、纤维长分别与花铃期降水日数绝对距平的“立方值”和“4次方根”呈负相关。

7、8月降水日数总体呈不显著的线性递增趋势，且均有增多的突变期，周期性变化趋势不显著；进入21世纪00年代以来7月份降水日数减少趋势明显，有利于降低伏桃形成的灾害风险。

花铃期降水量与降水日数的绝对距平总体上均呈减小的变化趋势，特别是21世纪以来这一趋势表现得更加明显，有利于研究地区棉花产量品质形成和棉花产业的发展。

致谢：诚挚感谢中国气象科学研究院副院长周广胜研究员对本研究的悉心指导！