赣北植棉区气候变化研究

吴昊

（九江市气象局，江西九江332000）

江西省棉花主产高产区主要集中在鄱阳湖北部的九江市境内，这一区域也是长江流域棉区的重要组成部分，棉花播种面积占全省的2/3，产量占全省的3/4，2009年以来籽棉单产多次突破7 500 kg·hm－2，创下长江、黄河两大流域棉花单产最高纪录[1-3]。因受政策调整、农村劳动力老龄化等多因素影响，近年来棉花种植面积有所下滑，但棉花依然是当地农业的重要支柱产业。

农业界限温度是农业生产中重要温度指标，标志某些重要物候现象和农事活动开始、终止或转折[4-6]。日平均气温稳定通过15℃是棉花直播的起点温度[7]；而15℃又是棉纤维干物质积累的下限温度，研究者多以15℃的活动积温作为衡量棉铃能否正常发育的积温指标[7-8]。可见，界限温度≥15℃期间是棉花的安全生产期。国内文献[9-12]较多集中在对界限温度的初终日期、持续时间、积温等指标的分析，但对其间的光照、降水条件分析较少。在不同区域、不同季节，气候变化的趋势存在一定的差异[13]，气候限制性因子也会因此而相互转化。赵秀兰[14]指出，如果水分得不到满足，热量资源的利用会受到限制。可见，综合分析界限温度期间光、温、水资源变化特征，更加有利于积极应对气候变化、合理开发利用棉花气候资源、促进棉花产业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 资料来源与处理

使用江西省气象档案馆提供的气象观测资料。气象资料时间序列为1959―2016年，代表站为赣北植棉区、记录完整的7个气象观测站 （德安、都昌、湖口、星子、永修、瑞昌、武宁等县（市））。

1.2 数据处理

采用时间序列分析法，量化分析建立起止日期序列：将1月1日记为每年第1天，赋予数值1，1月2日记为第2天，赋予数值2，依此类推，将每年从1至365或366（闰年）赋值，建立1959―2016年起止日期序列[4]。

建立界限温度条件对应的活动积温、降水量、日照时间的时间序列。

1.3 研究方法

1.3.1五日滑动平均法。采用五日滑动平均法计算各界限温度的起止日期。一年中，任意连续5 d日平均温度平均值大于或者等于某一界限温度最长一段时期内，在第一个5 d（即上限）中，挑取最先1个日平均温度大于或等于该界限温度的日期，作为稳定通过该界限温度起始日期；在最后一个5 d中，挑选最末1个平均温度大于或等于该界限温度日期，作为稳定通过该界限温度终止日期[4]。分别利用日平均气温计算出稳定通过界限温度15℃初终日期。

1.3.2回归分析。将气候资料序列与自然数数列进行线性回归分析，通过相关系数的显著性检验，可以判断该要素与时间变化的相关性；通过拟合线斜率b值的正、负及其大小，可以判断该要素随时间变化趋势的强弱。把相关系数的显著水平P称为“气候线性变化趋势倾向显著水平”；把拟合线斜率b 称为“趋势倾向率”[15]。

1.3.3小波分析。小波分析应用于气象领域，已有不少引人注目的研究成果[16]。通过小波方差可以判断振荡周期的显著性[17-18]。本文应用小波分析方法进行界限温度的起止日期、持续时间、活动积温、降水量年变化的周期性变化特征。

1.3.4M-K法检验。使用Mann-Kendall检验方法，通过对气候要素时间序列的统计值UFk与该序列的逆序列的统计值UBk的变化趋势诊断分析，检验气候要素时间序列的突变性，其原理参见文献[19]。本文给定显著性水平a＝0.05，则临界值 U0.05＝±1.96。

2 结果与分析

2.1 初终日期及持续时间的变化特征

2.1.1线性趋势。1959―2016年，15℃界限温度初日序列值呈极显著的线性下降趋势，趋势倾向显著水平达到 0.000 4，气候倾向率为－0.28 d·a－1，即初日每年提早0.28 d（图1 A）；15℃界限温度终日序列值呈不显著的线性上升趋势，趋势倾向显著水平为 0.43，气候倾向率为 0.05 d·a－1，即终日每年推迟0.05 d（图1 B）；15℃界限温度持续时间呈极显著的线性递增趋势，趋势倾向显著水平达0.000 4，气候倾向率为0.38 d·a－1，即持续时间每年增加0.38 d（图1 C）。

2.1.2周期性趋势。由图2可知，15℃界限温度的初日、终日及持续时间的主振荡周期均不明显，周期性变化趋势不显著。

2.1.3突变趋势。15℃界限温度初日的时间序列于2002―2003年出现突变点，2009年及 2011―2016年处于日期提早的突变状态 （图3 A）；15℃界限温度终日的时间序列近58 a无突变现象，但在2006年以来的近10 a呈现出明显推迟的态势（图3 B）；15℃界限温度持续时间的时间序列于2000―2001年出现突变点，2008―2009年、2011―2016年处于持续时间增多的突变状态（图3 C）。

图1 界限温度时间序列的线性拟合

图2 各尺度周期的小波方差

图3 界限温度时间序列的Mann-Kendall检验分析

2.2 界限温度期间的积温、降水、日照变化特征

2.2.1线性趋势。1959―2016年，研究地区15℃界限温度期间的活动积温呈极显著的递增趋势，趋势倾向显著水平为 0.000 01，气候倾向率为 9.5 d·a－1，即每年增加9.5℃（图4 A）；界限温度15℃期间降水量亦呈显著的递增趋势，趋势倾向显著水平为0.03，气候倾向率为4.4 mm·a－1，即每年增加4.4 mm（图4 B）；界限温度15℃期间日照时间呈显著的递减趋势，趋势倾向显著水平为0.06，气候倾向率为－1.9 h·a－1，即每年减少 1.9 h（图4 C）。

图4 界限温度期间气候要素变化的线性拟合

尽管积温与降水量近58 a均呈递增趋势，但雨、热不同步问题较为突出。

2.2.2周期性趋势。由图5可知，1959―2016年，研究地区15℃界限温度期间的积温及日照时间变化周期性不明显，而降水量时间变化存在尺度为8 a左右的振荡周期，且这一振荡周期在近50多年各阶段均有表现。

图5 界限温度期间气候要素变化的小波分析

2.2.3突变趋势。研究地区15℃界限温度期间的积温时间序列的突变点出现在1997―1998年，2005―2016年持续处于增多的突变状态（图6 A）；15℃界限温度期间的降水量时间序列的突变点出现在 1968―1969年，1974―1977年、1998―2005年、2014―2016年达到增多的突变状态 （图6 B）；15℃界限温度期间的日照时间时间序列的突变点出现在1967―1968年，1993―2005年达到减少的突变状态（图6 C）。

图6 界限温度期间气候要素变化的Mann-Kendall分析

3 结论与讨论

初日显著提早、持续时间显著延长、终日相对较为稳定是近58 a赣北植棉区15℃界限温度在季节上的主要变化特征，与宋欣[20]的研究结果具有一致性。该地区15℃界限温度期间积温及降水量总体呈增多的态势，但雨、热不同步；日照时间则呈减少的态势；积温、降水、日照三者均达到过突变状态，其中降水量还存在比较明显的尺度为8 a的振荡周期。降水量的周期性、突变性特征，与袁春等[21]的研究结论相似；日照时间的线性递减趋势特征以及突变性特征，与张立波等[22]的研究结论一致。

15℃界限温度初日提早与持续时间延长，有利于延长棉花安全生产期，增产潜力增大。棉花喜高温[23]，积温增加，对于棉花生产利大于弊。但是，由于降水量增多的趋势与积温上升的趋势不同步，热量资源的利用会受到限制[14]，高温热害以及旱、涝风险会增大。日照时间的减少趋势，对棉花优质高产有不利影响[24]。