新疆塔城地区南部棉花冷害监测预警指标研究

井立军 井立红 高婧 周斌 毛荣

摘 要：利用新疆塔城地區南部沙湾、乌苏气象观测站地面气象实测数据及同期棉花生育期观测资料，建立以旬为单位的模糊隶属度函数以计算热量指数，进而开发基于CIMISS数据环境的棉花热量条件监测预警业务系统，结合热量条件、棉田观测等情况对棉花低温冷害进行综合判识，实现对棉花冷害的动态监测和及时预警服务，最大程度减轻低温冷害对棉花生产的影响。

关键词：低温冷害;监测预警指标;热量指数

中图分类号：S161文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20191030060

引言

塔城地区南部的沙湾、乌苏两县（市）位于新疆天山北麓，准葛尔盆地西南缘，有着优越的水土、光热等自然条件，20世纪90年代以来棉花生产得以迅速发展，已经成为优质棉花生产基地，两县（市）棉花种植面积超过20万hm2，从事棉花生产的农民总数达到20余万人，棉花成为当地最大宗的农产品，更是当地农民增收的主要途径。近年来以高效节水，标准化种植，全程机械化栽培、种植技术为标志的现代农业模式已形成，当今正是继续向智慧农业推进的重要关键时期，开展棉花灾害的动态监测与预警工作具有重要的现实意义。同时随着棉花高效节水技术、全程机械化种植进程的加快以及现代栽培管理技术的引入，棉花生产的单位面积投入逐年增大，投入产出比有明显提高，但棉花生产抵御气象灾害能力薄弱的短板却日益凸显，天气气候变化和农产品价值市场的波动成为影响棉花生产、棉农增收最主要的不确定性因素，气象灾害对棉花生产造成的损失呈逐年增大的趋势，农业气象服务水平尚不能与当前棉花种植技术的快速发展相适应，急需开展棉花生产气象服务指标研究，建立棉花热量条件专项监测预警业务系统。

新疆气象局郑维[1]、李新建[2]等学者通过研究认为热量条件是影响新疆棉花生产最为关键的气象因子，对棉花产量、品质有重大影响，并对新疆棉花冷害做了深入的研究，得出了低温冷害是新疆棉花生产第一灾害的科学结论;李新建[3]等人对1961—1997年阿克苏、喀什、石河子棉区的棉花趋势产量与相关气象要素进行拟合，确定各棉区严重气候减产年均为严重的延迟型低温冷害年份，每年代逢3，9的年份为棉花气候减产关键年;陈玥熤[4]利用1961—2005年逐日平均温度资料和国家气候中心74项大气环流特征量资料，计算了新疆主要棉区的棉花热量指数，建立了各棉区热量指数的逐步回归模型，以达到逐月滚动预报的目的。本文拟在前人研究的基础上结合当前塔城地区南部棉区农业生产及热量条件变化等展开分析，得出适合该区域生产实际的棉花冷害预警指标，开展区域棉花生产热量条件实时动态监测，开发适合本地棉花生产服务需求的棉花冷害预警业务系统平台，业务运行效果良好，为棉花生产提供准确及时的气象服务信息。

1 资料与研究方法

塔城地区行政区域内的沙湾、乌苏地面、农业气象观测站，具有完整序列的地面气象实测资料和棉花生育期观测资料及大田调查实地基础资料。

利用一元线性回归，统计分析1997—2018年不同界限温度的气候倾向率，棉花各生育期变化趋势。为了更有利于反映棉花生长过程中的热量状况，建立以旬为单位的模糊隶属度函数以计算热量指数。重建1997—2018年热量指数，结合生育期观测资料确定低温冷害对棉花单产影响。结合塔城地区南部棉区实际，确定预警指标，进而开发基于CIMISS数据环境的棉花热量条件动态监测预警业务系统。

2 结果分析

2.1 气候背景分析

图1显示，1961—2018年塔城地区南部乌苏、沙湾两站气温分别以0.29℃/10a、0.40℃/10a 的线性气候倾向率显著增暖，降水分别以14.03mm/10a、10.91mm/10a 的速率显著增多，增暖增湿的气候背景对棉花的生长发育是较为有利的。对比棉花同期观测数据（图2），两站气温变化趋势表现出微弱的递减趋势，降水增多趋势却更加明显。这与一些研究指出的气温增暖减缓或停滞结论一致。1997年之前乌苏年平均气温比沙湾偏高幅度在0.2～0.5℃之间，之后两站气温差异缩小，且在1997年出现峰值后，两站气温变化趋势减缓，综合考虑1997年之后棉花生产的灌溉条件、种植模式、栽培管理方式、作物品系、机械化水平程度不断改进和提高，气温增暖减缓、降水增多总体上对棉花生长发育的影响不显著，但阶段性低温出现的概率是否有所增加，棉花受低温冷害的影响是否加剧，还有待于进一步的分析和探讨。

2.2 热量条件分析

孙兰东[5]等人对西北地区热量资源对气候变化的响应进行分析显示，>0 ℃、>10 ℃积温呈增加趋势。通过分析塔城地区南部1961—2018年各界限温度的变化趋势显示，0～25℃各界限积温的总体变化趋势基本表现出增多趋势，特别是≥0℃和≥5℃积温接近重合且年际振荡相对较小，≥20℃和≥25℃有效积温变化趋势接近且年际振荡明显，显著偏少年份易发生低温冷害事件。≥0～25℃的积温气候倾向率分别为70.93℃· d/10a、72.80℃·d/10a、 81.00℃·d/10a、80.16℃·d/10a、72.46℃·d/10a、71.44℃·d/10a。其中≥10℃有效积温增多速率最大。与刘少华等人研究指出的我国≥10℃有效积温整体呈上升趋势且整体北移显著[6]的结论相一致。塔城地区南部20世纪90年代之前主要作物为小麦、玉米，受气候条件、经济效益等多方面因素的影响，20世纪90年代之后棉花的种植面积不断扩大，成为当地农业生产的支柱产业，占耕地面积的70%左右。

为了进一步描述气候条件对棉花生长发育的影响，将1997—2018年各界限温度的变化趋势进行拟合（图4），≥0℃和≥15℃有效积温在1997年达到最大值，≥20℃和≥25℃有效积温达到次大值;之后减少至平均水平附近，振幅有所减小，增加或减少趋势不明显。其中乌苏≥0℃、≥5℃、≥10℃有效积温每10a减少8～10℃·d之间，≥15℃有效积温每10a增加10℃·d左右;沙湾≥0℃到≥15℃有效积温呈现弱的增多趋势，尤其是≥10℃有效积温以23.5℃·d/10a的速率增多，这与乌苏的变化趋势相反;而≥20℃和≥25℃有效积温两站则表现出一致的减少趋势，且年际变幅较大。乌苏、沙湾站≥20℃积温减少速率58.1℃·d/10a、37.0℃·d/10a， ≥25℃积温减少速率分别为44.5℃·d/10a、19.3℃·d/10a。综合来看，乌苏积温递减速度大于沙湾，且≥20℃有效积温减少趋势表现最突出。这从侧面说明棉花生长发育中后期热量条件不稳定性增加，出现低温冷害的风险也有所增大。

2.3 生育期变化特征

由表1可见，塔城地区南部棉区乌苏、沙湾棉花生长发育状况十分接近，棉花生育期平均在175～178d之间。1997—2018年塔城地区南部棉区各生育期年际变化曲线（图略）可以看出，塔城地区南部棉区棉花播种期、出苗略有提前趋势，现蕾到吐絮期波动平缓，没有表现出明显的提前或推后趋势，而停止生长期有所提前，这与近些年来种埴品种为早熟品种，棉花采摘采用大型机械作业，为集中采收而大量喷施落叶剂等促早熟措施息息相关。两站比对发现，

现蕾到吐絮期沙湾棉区较乌苏棉区偏早3～5d，其余生长发育期基本一致，4月中旬中后期是大面积播种的适宜期，通过对4月中强以上天气个例的反查显示，4月17—19日、22—23日为重大灾害性天气关键日，每3～5a出现中强以上天气的可能性较大，甚至会出现雨夹雪或雪，造成苗期冷害发生，致使部分棉田重播。

2.4 热量指数计算

建立以旬为单位的模糊隶属度函数以计算热量指数，选取播种—出苗、出苗—现蕾、现蕾—開花、开花—裂铃、裂铃—停止生长5个生长阶段。公式中i（i=1，2，3……，72）表示候序列数，Ti表示棉花某生长阶段的旬平均气温，T1表示棉花某生长阶段的下限温度，T2表示棉花某生长阶段的适宜温度，Fi（T）表示每1旬的热量指数，热量指数F（T）是无量纲数，值为0～100之间，F（T）数值越大说明热量条件越好，能够满足该阶段棉花生长的需要。由于在此主要考虑棉花各生育期的低温冷害事件， 所以计算热量指数时仅考虑棉花各生长阶段的下限温度和适宜温度， 在借鉴文献[3，4]基础上，构造了模糊隶属度函数来计算热量指数，这样更有利于反映棉花生长过程中热量不足的状况。计算公式如下：

Ti

Fi（T）= 100（1- （T2 - Ti[DD（X]100[DD）]）2/[KG-*8]（T2 - T1）2） T1≤Ti

T2≤Ti

2.5 基于CIMISS数据环境的棉花热量条件动态监测预警系统

使用VB6.0开发了基于新疆气象局CIMISS数据环境的塔城地区棉花冷害监测预警业务系统，并经过试运行检验，用于指导业务、服务工作。

2.5.1 作物生育期的查询

该模块通过选取农业气象观测站点，查询CIMISS数据库，实现对选取站点棉花生育期观测数据的查询、显示。

2.5.2 历年0～25℃的积温的统计查询

该模块实现对选取站点指定时段内0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃活动积温的查询，并统计查询时段内的多年平均值，点击积温表头可进行正向排序，便于掌握指定时段内0～25℃活动积温数据和多年平均值，便于比较相近区域各站积温的空间分布情况。

2.5.3 生育期内或指定时段内的热量指数的统计查询

该模块中，选取需要查询的站点，并人工输入播种、出苗、现蕾、开花、吐絮、停止生长日期（普期），显示出指定阶段的热量指数，为冷害监测预警提供数据支撑。通过塔城地区南部棉花热量指数的重建分析，总结农业气象服务指标。

2.5.4 土壤湿度资料的查询

该模块实现对选取的土壤湿度站点10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、80cm、100cm各层次体积含水量、相对湿度、重量含水率等监测数据的查询显示，及时了解和掌握棉田湿度状况。

6 结论

通过对塔城地区南部棉区气温、降水、积温等气象要素的变化特征进行分析，探讨棉区出现低温冷害事件的风险性。

新疆北疆棉区的主要灾害之一是低温冷害。“塔城地区棉花冷害监测预警”业务系统以CIMISS数据环境为基础通过对棉花生育期数据、自动气象站数据（含区域自动气象站）进行统计，进而求取棉花生长发育期间的热量指数，同时结合积温数据对当年棉花热量条件给出综合而客观的量化评价（表2），为棉花冷害早发现、早预警、及早采取有效措施提供了重要的手段和方法。

参考文献

[1] 郑维，林修碧.新疆棉花生产与气象[M].乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社，1992.

[2]李新建，何清，袁玉江，等.新疆棉花严重气候减产年的热量特征分析[J].新疆农业大学学报，2000，23（4）：27-36.

[3]李新建，毛炜峄，杨举芳，等.以热量指数表示北疆棉花延迟型冷害指标的研究[J]，棉花学报，2005， 17（2）：88-93.

[4]陈玥熤，郭建平.新疆棉花低温冷害逐步回归预测模型[C].中国气象学会2007年年会生态气象业务建设与农业气象灾害预警分会场论文集，2007.

[5]孙兰东，刘德祥.西北地区热量资源对气候变化的响应特征[J].干旱气象，2008，26（1）：8-12.

[6] 刘少华，严登华， 翁白莎，等.近 50 a 中国≥10 ℃有效积温时空演变[J].干旱区研究，2013，30（4）：689-696.

作者简介：

井立军（1973-），男，副研级高级工程师。研究方向：气候变化及农业气象服务;

井立红（1971-），女，副研级高级工程师。研究方向：气候变化及中短期天气预报与服务。