塔里木灌区农业气候资源动态变化对膜下滴灌棉花种植的影响

(塔里木大学植物科学学院， 新疆 阿拉尔 843300)

IPCC第五次报告指出，与1986～2005年相比，2016～2035年间全球平均气温可能升高0. 3～0. 7 ℃，2081～2100年可能上升0. 3～4. 8 ℃[1]。近50年中国年平均气温增加了1. 1 ℃，增温速率为0. 22 ℃/10 a[2]，预计到21世纪后期将升高1. 9～5. 5 ℃[3]，极端天气和气候事件频发，严重影响了作物生育期长短、作物产量波动和作物种植布局的安排，已成为世界共同关注的重大科学问题[4]。Yang等[5]认为，气候变化将会导致新疆棉花生育期缩短、产量增加；陈金梅等[6]认为，气温上升，病虫害发生面积和程度增加，不利于棉花高产；徐德源等[7]认为，生长关键期热量不足对棉花产量影响较大等。以往研究多通过整段时间讨论光、温和水资源变化棉花产量的影响，但分时段对塔里木灌区膜下滴灌棉花种植的影响研究较少。

塔里木灌区—阿拉尔垦区(80°30′―81°58′E；40°22′―40°57′N)位于塔克拉玛干沙漠北缘，塔里木河上游；该区域土质疏松，植被单调，光热资源丰富，降水稀少，塔里木河是区域主要的灌溉水源，是新疆南部主要的农、林、牧业灌溉区和重要的国家级棉花生产基地。20世纪80年代后期，塔里木灌区出现了由冷干到暖湿的信号转变[8]，平均气温波动可达0. 5 ℃左右[9]，改变了灌区农业气候资源的量值和重新分配。本研究以塔里木灌区—阿拉尔垦区为研究区域，探讨垦区农业气候资源动态变化对膜下滴灌棉花种植的影响，旨在为灌区农业气候资源的高效利用和棉花的种植与安排提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

以突变点为间隔点，选取阿拉尔市气象局1987～2014年逐日地面气象要素值，主要包括日平均气温、最高气温、最低气温、降水量和日照时数；2000～2014年逐年平均皮棉产量，主要来源于《新疆生产建设兵团统计年鉴》。

1.2 研究方法

气候要素的动态变化采用最小二乘法[10]；≥12 ℃初日和终日的确定采用五日滑动平均气温法[11]；棉花产量和各气候要素的关系采用多元回归分析[10]。

2 结果与分析

2.1 农业气候资源动态变化

2.1.1 热量资源动态变化

塔里木灌区―阿拉尔垦区多年年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温分别为10. 8 ℃、19. 1 ℃、3. 7 ℃ ，年、季突变点均出现在1987年[9]。1987年后，塔里木灌区―阿拉尔垦区年平均气温、年平均最低气温呈降低趋势，减幅分别为0. 063 ℃ /10 a(p<0. 01)和0. 115 ℃ /10 a(p<0. 01),平均最高气温呈增高趋势，增幅为0. 263 ℃ /10 a(p>0. 05)，到21世纪初期分别为10. 7 ℃、3. 5 ℃和19. 1 ℃。1987年后，春季平均气温、平均最高气温和平均最低气温均呈增高趋势，增幅分别为0. 498 ℃ /10 a(p﹥0. 05)、0. 933 ℃ /10 a(p﹥0. 05)和0. 19 ℃/10 a(p﹤0. 05)，至21世纪初期，分别为14. 9 ℃、22. 9 ℃和7. 1 ℃；夏季平均气温和平均最高气温呈增高趋势，增幅为0. 047 ℃ /10 a(p﹥0. 05)和0. 189 ℃ /10 a(p﹥0. 05)，平均最低气温呈降低趋势，减幅为0. 044 ℃/10 a(p﹤0. 05)，至21世纪初期，分别为23. 9 ℃、31. 8 ℃和16. 6 ℃；秋季平均气温和平均最低气温呈降低趋势，减幅分别为0. 117 ℃/10 a(p﹤0. 01)和0. 004 ℃/10 a(p﹤0. 01)，平均最高气温呈增高趋势，增幅为0. 407 ℃ /10 a(p﹥0. 05)，至21世纪初期，分别为10. 1 ℃、2. 7 ℃和19. 9 ℃；冬季平均气温、平均最低气温和平均最高气温均呈降低趋势，减幅分别为0. 681 ℃/10 a(p﹤0. 01)、0. 606 ℃/10 a(p﹤0. 01)和0. 478 ℃/10 a(p﹤0. 05)，至21世纪初期，分别为-5. 3 ℃、-11. 6 ℃和2. 5 ℃。综上所述，塔里木灌区―阿拉尔垦区自1987年以来，年平均气温和年平均最低气温呈降低趋势，年平均最高气温呈增高趋势，具体表现在 “春暖―夏暖―秋冷―冬冷”的季节性分布上。

2.1.2 大气降水资源动态变化

塔里木灌区―阿拉尔垦区年和四季(春、夏、秋、冬)多年平均降水量分别为52. 2 mm和9. 8 mm、33. 1 mm、7. 3 mm、3. 5 mm，但突变点均不明显[9]。1987年后，年、夏季降水量呈减少趋势，减幅分别为0. 054 mm/10 a(p>0. 05)和1. 670 mm/10 a(p﹥0. 05)，至21世纪初期分别为49. 4 mm和27. 7 mm；春、秋、冬季降水量均呈增加趋势，增幅分别为0. 156 mm/10 a(p﹥0. 05)、2. 354 mm/10 a(p﹥0. 05)和0. 268 mm/10 a(p﹥0. 05)至21世纪初期分别为10. 1 mm、9. 0 mm和3. 8 mm。综上所述，塔里木灌区―阿拉尔垦区自1987年以来，年降水量呈减少趋势，具体表现在夏季降水量的减少，春、秋和冬季降水量的增加上。

2.1.3 日照时数的动态变化

塔里木灌区―阿拉尔垦区年和四季(春、夏、秋、冬)多年平均日照时数分别为2 904. 5 h和718. 0 h、872. 8 h、738. 3 h、565. 3 h，年、季突变点均出现在1987年[12]。1987年后，年和四季日照时数均呈增加趋势，增幅分别为57. 9 h/10 a(p﹤0. 01)和35. 7 h/10 a(p﹤0. 01)、2. 0 h/10 a(p﹤0. 01)、17. 3 h/10 a(p﹤0. 01)和2. 9 h/10 a(p﹥0. 05)，至21世纪初期分别为2 909. 6 h和738. 9 h、858. 1 h、752. 8 h、569. 8 h。综上所述，塔里木灌区―阿拉尔垦区自1987年以来，年日照时数呈增加趋势，具体表现在春、夏、秋和冬季日照时数的增加上，春、秋季增幅较大，夏、冬季增幅较小。

表1 塔里木灌区―阿拉尔垦区主要农业气候要素动态变化(1987～2013)

**和*分别表示通过0. 01和0. 05信度的显著性检验

2.2 膜下滴灌棉花产量与主要农业气候要素的关系

2.2.1 膜下滴灌棉花产量和生育期动态变化

塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量和生育期变化曲线见图1。近15年来，塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花平均皮棉产量为2 298. 0 Kg/hm2，呈增加趋势，增幅为34. 89 Kg /10 a(P﹤0. 01)；≥12 ℃平均初日、≥12 ℃平均终日和≥12 ℃平均持续天数分别为4月7日、10月20日和188天，且≥12 ℃初、终日均呈减少趋势，减幅分别为8. 2 d/10 a(P﹥0. 05)和 1.4 d/10 a(P﹥0. 05)，≥12 ℃持续天数呈增加趋势，增幅为6. 8 d/10 a(P﹥0. 05)。综上所述，近15年来，塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量平均增幅为3. 49 Kg /1 a，≥12 ℃初、终日期平均提前了0. 82 d/1 a和0. 14 d/1 a，≥12 ℃持续天数平均延长0. 68 d/1 a。

2.2.2 膜下滴灌棉花产量与生育期变化关系及其模型构建

塔里木灌区—阿拉尔垦区≥12 ℃初、终日期和持续天数动态变化及其与棉花产量的关系见图1。近15年来，塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量的变化与≥12 ℃初、终日期均呈负相关关系，与≥12 ℃持续天数呈正相关关系。其中，2000～2007年期间，年平均棉花产量仅为1 917. 0 Kg/hm2，≥12 ℃平均初日为4月10日，≥12 ℃平均终日为10月12日，≥12 ℃平均持续天数仅为186天；2008年以后，年平均棉花产量为2 562. 0 Kg/hm2，≥12 ℃平均初日为4月3日，≥12 ℃平均终日为10月11日，≥12 ℃持续天数为193天。

为进一步确定塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量与≥12 ℃初、终日期和≥12 ℃持续天数的关系，构建了灌区膜下滴灌棉花产量(Y)与≥12 ℃初日序列(I1)、≥12 ℃终日序列(I2)和≥12 ℃持续天数(I3)的多元回归方程。

即为：Y=287. 274 - 0. 931I2+ 0. 690I3(R=0. 300 ；P﹤0. 05)

综上所述，近15年来，塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量的动态变化是由≥12 ℃初日、≥12 ℃终日和≥12 ℃持续天数的变化综合作用，其产量的增加主要与≥12 ℃终日的提前和≥12 ℃持续天数的延长有关，与≥12 ℃初日的提前关系不明显。

图1 塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量与生育期动态变化关系曲线(2000～2014)

2.2.3 膜下滴灌棉花产量与主要气候要素关系及其模型构建

塔里木灌区—阿拉尔垦区不同时段主要气候要素变化及其膜下滴灌棉花产量与主要气候要素变化关系分别见表2和表3。近15年来，塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花生育期(≥12 ℃初日～≥12 ℃终日)平均气温、≥12 ℃活动积温、降水量和日照时数均呈增加趋势，增幅分别为0. 07 ℃/10 a(P﹥0. 05)、9. 90 ℃/10 a(P﹥0. 05)、3. 39 mm/10 a(P﹤0. 05)和242. 63 h/10 a(P﹤0. 01)，平均最高气温和平均最低气温呈降低趋势，减幅均不明显(P﹥0. 05)；春季生育期(≥12 ℃初日～5月31日)降水量、≥12 ℃活动积温和日照时数均呈增加趋势，增幅分别为2. 54 mm/10 a(P﹤0. 05)、92. 37 ℃/10 a(P﹤0. 01)和120. 99 h/10 a(P﹥0. 05)；平均气温、平均最低气温和平均最高气温呈降低趋势，减幅均不明显(P﹥0. 05)；夏季生育期(6月1日～8月31日)平均气温、平均最高气温、降水量和日照时数均呈增加趋势，增幅分别为0. 55 ℃/10 a(P﹥0. 05)、0. 29 ℃/10 a(P﹤0. 05)、2. 15 mm/10 a(P﹥0. 05)和97. 32 h/10 a(P﹤0. 01)，平均最低气温和≥12 ℃活动积温减幅均不明显(P﹥0. 05)；秋季生育期(9月1日～≥12 ℃终日)平均气温、平均最低气温、≥12 ℃活动积温和日照时数均呈增加趋势，增幅分别为0. 68 ℃/10 a(P﹤0. 01)、0. 98 ℃/10 a(P﹥0. 05)、1. 05 ℃/10 a(P﹥0. 05)和24. 32 h/10 a(P﹥0. 05)，平均最高气温和降水量呈减少趋势，减幅分别为0. 006 ℃/10 a(P﹤0. 01)和1. 291 mm/10 a(P﹥0. 05)。

表2 塔里木灌区—阿拉尔垦区主要农业气候要素动态变化(2000～2014年)

**和*分别表示通过0. 01和0. 05信度的显著性检验

为进一步确定塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量与主要气候要素关系，构建了灌区棉花产量(Y)与不同时段平均气温(I1)、平均最高气温(I2)、平均最低气温(I3)、≥12 ℃ 活动积温(I4)、日照时数(I5)和降水量(I6)多元回归方程。

表3 塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量与主要气候要素关系(2000～2014年)

综上所述，塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量的动态变化是由平均气温、平均最低气温、平均最高气温、降水量、≥12 ℃ 活动积温和日照时数等多种气象因子综合作用的结果，其产量增加主要与春季平均气温、平均最高气温的升高和日照时数的增加有关，与夏季平均最高气温的升高有关，与其它生育期各气候要素变化关系不明显。

3 结论

3.1 1987年后，塔里木灌区—阿拉尔垦区年平均气温、年平均最低气温和年降水量呈减小趋势，年平均最高气温和年日照时数呈增加趋势。2000年后，棉花生育期内平均气温、≥12 ℃活动积温、降水量和日照时数呈增加趋势，平均最高气温和平均最低气温呈减少趋势。

3.2 1987年后，塔里木灌区—阿拉尔垦区四季气温呈 “春暖―夏暖―秋冷―冬冷”的动态变化，降水量呈“春多—夏少—秋多—冬多”的动态变化，日照时数均呈增加趋势，春、秋季增幅较大，夏、冬季增幅较小。2000年后，春季≥12 ℃活动积温和降水量增幅明显；夏季平均最高气温和日照时数增幅明显；秋季平均气温增幅明显，平均最高气温降幅明显；其它时段气候要素变幅不明显。

3.3 塔里木灌区—阿拉尔垦区膜下滴灌棉花产量的变化是由平均气温、最高气温、最低气温、降水量和日照时数多种气象因子综合作用的结果，其产量增加与≥12 ℃终日的提前和12 ℃持续天数的延长有关，与≥12 ℃初日提前关系不明显；其棉花产量的增加主要与垦区春季生育期平均气温、平均最高气温的降低和日照时数增加有关，与夏季生育期平均最高气温的升高有关，与其它不同生育期气候要素关系不明显。