新疆农八师垦区不同播期棉花苗期的终霜冻风险

李红英， 向 导， 贾 超

(1.石河子乌兰乌苏农业气象试验站， 新疆 石河子 832000； 2.石河子莫索湾气象站， 新疆 石河子 832000)

棉花是重要的经济作物和战略物资，可用于不同行业和领域，在国防建设、轻工业以及医药卫生等方面尤为重要[1-3]。2017年新疆棉花播种面积占全国总面积的60.8%，其产量占全国总产的74.4%[4]，北疆地区棉花种植面积占全疆的1/3，为重要棉花生产基地之一。棉花生长离不开气候环境，而不利的气候条件影响棉花的正常生长及产量。由于气候特征的区域化特点，各地区气候变化对棉花生长影响的程度也不尽相同[5-7]。播种出苗是棉花的第一关键期，霜冻不仅影响苗全及苗壮，而且还影响后期开花、结铃和吐絮，甚至影响棉花产量[8-9]，霜冻灾害直接影响作物后期生长及产量的形成[10-11]。因此，研究棉花适时播种降低终霜冻风险，对棉花的苗全、苗壮、稳产和丰产具有重要意义。关于气象要素对棉花生长及产量的影响已有诸多研究[12-14]。李晓川等[15]研究表明，库尔勒地区棉花播种期的异常天气对棉花苗期具有明显的风险性。张翠英等[16]研究认为，气候因素与鲁西南棉花生长、产量和品质具有良好的相关性；狄佳春等[17]采用区域试验资料分析气象因素对棉花产量的影响。李迎春等[18]选用10℃初日研究全疆植棉区终霜期对棉花播种期的影响。傅玮东[19]研究新疆终霜和春季低温冷害对棉花播种期的风险。可见，终霜日的地域性变化十分明显。为此，选择近30年(1989-2018年)乌兰乌苏农业气象试验站棉花物候观测资料及近58年(1961-2017年)气候资料，运用气候诊断分析方法，研究不同播期棉花苗期的终霜冻风险，以期为新疆农八师垦区棉花丰产栽培计划的制定及苗期终霜冻风险的预防提供技术支撑。

1 资料与方法

1.1 数据来源

1989—2018年大田棉花物候(3-5月日平均气温、日最低气温等)观测资料及1961—2018年气候(包括农八师垦区莫索湾、炮台、乌兰乌苏及石河子气象站1961—2017年3—5月日平均气温、日最低气温资料，乌兰乌苏农业气象试验站棉花发育期资料)资料，由乌兰乌苏农业气象试验站提供。

1.2 方法

1.2.1 指标的确定 10℃及12℃初日，采用5日滑动平均法计算；棉花苗期重霜冻，因为棉花苗期轻霜冻最低温度为3～4℃，重霜冻为2℃[20]，所以采用春季最后一次日最低气温≤2℃日期作为棉花苗期重霜冻指标。用标准偏差衡量变量离散幅度。

1.2.2 日期转换日序 变量的变化趋势特征采用一元线性回归分析，用一元线性函数的一次项系数(a)表征变量的趋势变化特征[19]；为便于作图与分析，将10℃、12℃初日及终霜日期转换成日序，具体以4月1日=1，4月2日=2，……，以此类推。

变量标准偏差(S)是用于衡量变量偏离算术平均值的程度，是变量分散程度的标准，可确定极端事件发生几率[21]。

式中，S为变量标准偏差，yi-y为变量历年值减总体平均数，N为变量样本数。

y=ax+b

式中，y为因变量(气候要素)，x为自变量(时间序号)，a为系数，b为常数项。a也称倾向率，一般用10a来表示，a>0表示y变量随时间呈上升趋势；a<0则表示其呈下降趋势。

2 结果与分析

2.1 农八师垦区棉花播种与出苗期、10℃初日、12℃初日和终霜期的年变化及其出现频率

从图1～4和表1看出，1989—2018年农八师垦区棉花的播种期及出苗期变化，1961—2018年10℃初日、12℃初日及终霜期的年变化及其出现频率的变化。

表1 1961—2018年农八师垦区棉花播种期、10℃初日、12℃初日和终霜日出现的频率Table 1 The frequency of cotton sowing date, 10°C first day, 12°C first day and last frost day in 8th reclamation area from 1961 to 2018 %

2.1.1 播种期 棉花播种期集中分布在4月，70%集中在中旬播种。其中，4月8-10日有5a，占16.7%；4月11-15日有7 a，占23.3%；4月16-20日有12 a，占40%；4月21-30日有6 a，占20%。播种期最早为4月8日(2013年和2016年)，最晚为4月30日(1996年)，平均为4月18日。随着气候变暖，棉花播种期呈明显提前趋势(r=0.487，P<0.01)，近10年(2009—2018年)较前20年(1989-2008年)播种期平均提前5 d。棉花出苗时间最早为4月18日(2007年)，最晚为5月20日(1992年和1993年)，平均为5月2日。由于播种期提前，出苗期也随之明显提前(r=0.497，P<0.01)，近10年(2009-2018年)较前20年(1989-2008年)出苗期平均提前5 d。1989-2018年乌兰乌苏农业气象试验站大田棉花监测结果表明，播种至出苗时间平均为15 d，最短为10 d(1996年、2007年和2008年)，1992年播种至出苗为4月24日至5月20日，历时27 d，平均气温低于8.9℃的持续低温天气为4月28日至5月3日，为6 d，出苗率不足80%；2003年播种至出苗时间为4月17日至5月10日，历时23 d，低于9.5℃的低温天气为4月19-23日，持续5 d，出苗率不足85%。

2.1.2 10℃及12℃初日

1) 10℃初日。1961—2018年稳定10℃初日为3月下旬至4月下旬，平均为4月12日。最早为3月31日(1983年、2000年和2012年)，最晚为4月28日(1984年)，标准偏差为±5.3 d，4月19日后出现的10℃初日为极端年份，有10 a，机率为17.2%。10℃初日74.2%的保证率为4月11-15日，其出现频率为29.3%；84.5%的保证率为4月16-20日，其出现频率为10.3%。稳定10℃初日拟合趋势线呈提前趋势，其一元线性方程为y=-0.041 4x+94.718(r=0.101，P>0.05)，倾向率为-0.414 d/10a，即每10年平均提前0.4 d达稳定10℃初日，2000年后(2000-2018年)较20世纪60-70年代(1961—1980年)提前3 d。

2) 12℃初日。1961—2018年稳定12℃初日为4月上旬至5月上旬，平均为4月17日，较10℃初日晚5 d，较10℃初日分散。最早为4月5日(2012年和2014年)，最晚为5月6日(1975年和1984年)，标准偏差为±6.1 d，4月23日后出现的12℃初日为极端年份，有9 a，机率为15.5%。12℃初日74.1%保证率为4月16-20日，其出现频率为20.7%；86.2%保证率为4月21-26日，其出现频率为12.1%。稳定12℃初日拟合趋势线呈不显著提前趋势，其一元线性方程为y=-0.092 9x+201.73(r=0.210，P>0.05)，倾向率为-0.929 d/10a，即每10年平均提前0.9 d达稳定12℃初日，2000年后(2000-2018年)较20世纪60-70年代(1961-1980年)提前3 d。

2.1.3 终霜日 1961-2018年终霜结束的平均时间为4月15日，较为分散。2016年结束最早，为3月19日；1985年结束最晚，为5月15日；变幅为57 d，标准偏差为±11.0 d，4月26日后出现的终霜期为极端年份，有10 a，机率为17.2%。终霜日63.7%的保证率为4月16-20日，其出现频率为5.2%；82.7%的保证率为4月26-30日，其出现频率仍为5.2%。终霜期拟合趋势线呈极显著提前趋势，其一元线性方程为y=-0.255 6x+523.65(r=0.320，P<0.01)，倾向率为-2.566 d/10 a，即每10年平均提前2.6 d结束终霜冻，2000年后至2018年终霜期平均为4月6日，20世纪60-70年代平均为4月17日，前者较后者提前11 d。

2.2 农八师垦区稳定10℃、12℃初日棉花播种的终霜冻风险

目前，农八师垦区仍以10℃初日作为棉花播种期指标。从表2可知，农八师垦区棉花在稳定10℃初日和稳定12℃初日平均播种日期和80%的保证率播种日期播种后遇终霜冻概率的变化。10℃初日：平均播种日期和80%的保证率播种日期分别为4月12日和4月18日，其播种后、播种10 d后和播种15 d后遇终霜冻的概率和80%的保证率分别为48.3%和36.6%、31.0%和17.2%、19.0%和10.3%。12℃初日：平均播种日期和80%的保证率播种日期分别为4月17日和4月22日，其播种后、播种10 d后和播种15 d后遇终霜冻的概率和80%的保证率分别为37.9%和31.0%、19.0%和13.8%、13.8%和6.1%。总体看，12℃播种较10℃播种棉花苗期终霜冻风险降低约4～5百分点。

表2 农八师垦区稳定10℃初日及12℃初日播种后的遇终霜冻的概率Table 2 Probability of final frost on the first day of stable 10℃ and the first day ofstable12℃ after sowingin 8threclamation area

2.3 10℃初日、12℃初日与终霜日的相关性及播种期的确定

经相关分析，10℃初日、12℃初日与终霜日呈正相关，但相关性不显著(r10℃=0.237，r12℃=0.190，P>0.05)，但10℃初日、12℃初日与终霜日仍存在同期出现的规律性。终霜日较10℃初日、12℃初日分散。5月上中旬出现的霜冻对棉花苗期则构成极大的威胁。农八师垦区以10℃初日作为棉花播种指标，12℃初日更适合作为当地棉花播种的适宜指标[21]，但是，即使提高播种温度指标，农八师垦区棉花苗期仍具有较大的霜冻风险。4月中旬播种终霜风险达36.3%～41.4%，而将播种期推至4月21-25日，终霜冻风险可降至17.3%；播种期推至4月26-30日，终霜冻风险可降至8.6%；播种期推至5月1-5日，终霜冻风险可降至3.4%。在考虑初霜冻危害的同时，农八师垦区棉花播种期可推迟至4月26日至5月5日。

3 结论与讨论

农八师垦区棉花播种期目前基本与10℃初日重合，即在4月中旬，经试验与监测数据综合分析，棉花播种适宜的温度应为12℃。随着气候变暖，农八师垦区10℃初日和12℃初日呈不显著的提前变化趋势。而终霜日呈极显著提前趋势。10℃初日较12℃初日变化幅度大，而终霜日的变化幅度则更大。因此，12℃初日比终霜日更易预测预报。

目前，4月中旬播种终霜风险达36.3%～41.4%，而将播种期推至4月21-25日，终霜冻风险可降至17.3%，播种期推至4月26-30日，终霜冻风险可降至8.6%；播种期推至5月1-5日，终霜冻风险可降至3.4%。在考虑初霜冻危害的同时，农八师垦区棉花播种期可推迟至4月26日至5月5日。其具体播种期可预测预报12℃初日80%或90%保证率的出现日期。

棉花播种后若遇连续低温及霜冻天气，若发生在棉花出苗前，会因低温胁迫棉花种子发芽迟缓，使其烂根烂芽，影响出苗率，如1992年、1993年和2002年均因播种后的连续低温天气影响苗情。当出苗后遇终霜冻其危害更严重，甚至毁种重播。经试验与监测数据综合分析，农八师垦区棉花播种至出苗需要10～27 d，平均15 d左右。终霜日为播种前或在播种后10 d内，对棉花苗期无影响，若终霜日为播种10 d后，即给棉花生长带来霜冻风险。12℃初日较10℃初日平均晚5 d。张玲等[21-22]研究指出，石河子垦区12℃播种可提高棉花出苗率20%以上，且苗齐苗壮程度高于10℃播种。

从1989-2018年播种期监测结果看，播种期最早为4月8日，播种10 d后其终霜冻风险概率为41.4%；若10℃初日80%保证率期间(4月18日)播种，播种10 d后其终霜冻风险概率为22.5%；若12℃初日80%保证率期间(4月22日)播种，播种10 d后其霜终冻风险概率为17.3%；4月26-30日播种，播种10 d后终霜冻风险概率可降至8.6%；若播种期推至5月1-5日，播种10 d后终霜冻风险可降至3.4%。棉花播种期的确定不仅要研究终霜冻对苗期的危害，还要考虑棉花成熟期的初霜冻危害。石河子垦区89.7%的初霜日为10月，9月初霜冻概率为10.3%，而9月中旬概率为1.7%，9月下旬为6.9%。1968年初霜为9月7日，终霜为5月5日，无霜期为历年最短的124 d，1961—2018年无霜期<140 d的概率仅1.7%。近年来，石河子垦区棉花主推早熟品种新陆早62号和新陆早64号，生育期124 d[24]。

石河子以及北疆地区终霜冻对棉花苗期的危害要大于南疆[18]，即使将播种期推至4月26日后，仍存在3.4%～8.6%的终霜冻风险。目前，棉花播种期逐渐提前，主要是由于气候变暖使界限温度10℃初日、12℃初日及终霜日提前及行政干预等。如1997年4月14日由于过早播种，5月8日遇终霜冻至棉苗冻死，损失较重，而1993年4月28日的播种较晚，5月10日遇终霜冻，由于棉苗极少出土，则受灾较轻。因此，石河子垦区在力推早熟品种新陆早62号和新陆早64号的同时，应提倡棉花适时晚播，可使终霜冻风险降至最低。