近40年气候变化对石河子棉区棉花生长发育的影响

王 森，王雪姣，吉春容，郭燕云，胡启瑞，杨明凤

(1.新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002； 2.乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子 832000)

0 引言

石河子市是新疆生产建设兵团第八师所在地，地处天山北麓中段、准噶尔盆地南部，全垦区面积7 529 km2。属典型的温带大陆性气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热。日照充沛，年日照时间2 400～3 000 h，降水量30～290 mm，无霜期160～210 d，具有发展棉花产业的特殊气候优势条件。棉花是石河子种植业生产中仅次于粮食的第2位大宗农产品，2019年石河子地区棉花产量59.6万t，种植面积为24.9万hm2(373.5万亩)，对当地农业经济的发展有重大意义[1]。

近年来，受全球气候变化的影响，北疆棉区热量资源条件有所改善，严重的延迟型低温冷害年份相对减少，但是极端天气事件发生频率有所增加，温度波动幅度加大。适宜的温度是作物生长发育的必须条件，高温会导致光合产物速率下降、呼吸强度上升，进而引起植株体内光合产物亏缺、生理性早衰[2]。棉花的生殖过程对高温较为敏感，会导致棉花蕾铃脱落，产量和品质降低[3]。棉花生长前期遭遇低温(<12 ℃)会导致生长发育延迟、缺苗断垄和毁种重播；开花结铃遭遇低温会造成蕾铃大量脱落[4]。低温冷害尤其是延迟型低温冷害是造成北疆棉花产量和品质大幅下降最主要的气象灾害[5]。针对定量评估棉花实际生产发育进程方面，前人运用气温、积温、无霜期及界限温度等指标在一定程度上可以反映出热量资源变化特征，但存在一定的局限性，无法反映高温、低温对棉花生长发育的影响[6-15]。作物生长发育过程中，当温度低于或高于其生理界限温度时，其生长发育将会受到阻碍。而生理发育时间是将棉花在最适温度条件下的一天定义为一个生理发育日，利用每日热效应综合评估热量条件(包括高温、低温、最适温度)对棉花生长发育的影响，可以定量计算棉花实际生长发育进程。本文利用石河子地区4个气象站点1981—2018年逐日气温数据来计算棉花生长发育时间的变化特征，进一步精确反映出气候变化对棉花生长发育的影响，为石河子地区指导棉花生产提供一定的参考依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文采用的棉花种植面积、产量资料来自《新疆维吾尔自治区统计年鉴》。研究中用到的气象资料和作物生育期数据均来自新疆气象信息中心。

1.2 研究方法

1.2.1 棉花生理发育时间计算方法

根据整个棉花生育期界限温度，本文采用上限温度35 ℃，下限温度12 ℃，最适温度30 ℃[16]。温度对棉花生长发育速率的影响程度依据相对热效应来衡量，取值范围为0～1。整个棉花生长发育过程中对气温的反应是非线性的，在界限温度上下的反应不同，本文采用两段线性函数[16]。

(1)

式中f(t)——每日气温为t时，该日棉花的生理发育时间，即为热效应

to——棉花发育最适温度， ℃

tb——棉花发育下限温度， ℃

tm——棉花发育上限温度， ℃

当环境温度低于下限温度或高于上限温度，棉花就停止发育。

1.2.2 M-K检验

气候突变是指气候从一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)跳跃式地转变到另一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)的现象，表现为气候在时空上从一个统计特征到另一个统计特征的急剧变化。本文采用Mann-Kendall(M-K)非参数检验法来分析棉花生理发育时间的突变特征[9]。

1.2.3 气候倾向率法

运用气候倾向率法计算气象要素的倾向率[2]。采用一次直线方程来定量描述，即y(t)=a0+a1t，则趋势变化率方程为dy(t)/dt=a1，把a1×10称做气候倾向率，其单位为℃/10a、h/10a或mm/10a，方程中的系数可用最小二乘法或经验正交多项式来确定，所建的一元线性回归方程是否有意义，关键在于回归是否达到显著水平，因此要用时间序列与要素变量之间的相关系数对变化趋势进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 棉花生产变化特征

随着棉花栽培技术不断提高和完善，机采棉模式迅速普及和品种更迭、农业种植结构调整，棉花种植面积(图1)不断增加，单产(图2)也快速增加，产量随之增加。经过分析得知，1981—2018年石河子地区棉花产量呈现极显著增加趋势，增加率为1.4万t/a，2018年棉花产量61.0万t。单位面积产量也呈现极显著增加趋势，增加率为57.9 kg/hm2，2018年棉花单位面积产量为2 421.3 kg/hm2，2018年棉花种植面积为25.2万hm2。

图2 1981—2018年棉花单产变化特征Fig.2 Variation characteristics of cotton yield per unit area from 1981 to 2018

2.2 气候要素变化特征

由图3可知，石河子地区1981—2018年平均气温呈现显著增加趋势，倾向率0.32 ℃/10a，最低气温以0.51 ℃/10a的速率显著增加，而最高气温以0.18 ℃/10a的速率不显著增加，这也与前人对新疆气候变化的研究结果比较一致[9]。按照棉花生理温度上下限值，整理分析1981—2018年石河子、乌兰乌苏、莫索湾和炮台等气象站点最高气温≥35 ℃和最低气温<12 ℃的日数数据资料，由图4～6可知，1981—2018年平均4—9月中最高气温≥35 ℃日数主要分布在6—8月，其中7月高温日数最高，平均可达9.6 d，6月6.4 d和8月5.8 d；最低气温<12 ℃的日数主要分布在4月和9月，4月27 d和9月20.2 d，可见棉花提早播种风险很大，需密切关注气温变化。

图3 气温变化趋势Fig.3 Variation trend of temperature

图4 最高温度≥35 ℃日数变化趋势Fig.4 Variation trend of days with maximum temperature≥35 ℃

图5 最低温度<12 ℃日数月分布Fig.5 Monthly distribution of days with the lowest temperature less than 12 ℃

图6 最高温度≥35日数月分布Fig.6 Monthly distribution of days with the maximum temperature≥35days

2.3 生理发育时间变化特征

由图7～10可知，石河子地区1981—2018年无霜期呈显著增加趋势，倾向率为6.4 d/10a；播种期呈现显著提前的趋势，提前速率为-0.48 d/a。石河子地区棉花生理发育时间呈显著增加趋势，倾向率为2.4 d/10a，突变年份在1997年。

图7 棉花播种期变化趋势Fig.7 Variation trend of cotton sowing date

图8 无霜期变化趋势Fig.8 Variation trend of frost free period

图9 棉花生理发育时间变化距平图Fig.9 Anomaly diagram of cotton physiological development time

图10 棉花生理发育时间的突变分析Fig.10 Mutation analysis of cotton physiological development time

3 讨论与结论

目前，新疆棉区有一些生产者为了追求高产利益，不断提前播种期，扩种偏晚熟品种，也增加了发生低温冷害的风险。气候变暖趋势是渐进和波动的，仍然会有低温和偏冷的年份，一旦发生低温冷害，棉花产业的经济损失将比以往更加严重。本文通过分析近40年棉花生理发育时间的变化特征，可以考虑高温和低温对棉花生长发育的影响，比较客观地反映气候变化对棉花生长发育的影响。但同时也应该考虑种植模式、品种、土壤和田间管理措施等方面因素。另外，本文采用的棉花生理发育时间计算方法为了方便计算，采用棉花生长发育全生育期上限温度35 ℃、下限温度12 ℃和最适温度30 ℃，其实棉花播种-出苗、出苗-现蕾、现蕾-开花和开花-吐絮等发育阶段的界限温度并不一致，对温度的要求各不相同。而且新疆棉花采用地膜覆盖模式，地膜的覆盖可以提高土壤温度，对根系的生长具有明显的促进作用。因此，今后还需进一步细化各个方面研究。主要结论如下。

(1)1981—2018年石河子地区棉花产量呈现极显著的增加趋势，增加率为1.4万t/a，单位面积产量也呈现极显著的增加趋势，增加率为57.9 kg/hm2。

(2)1981—2018年石河子地区气温呈现显著增加趋势，倾向率为0.32 ℃/10a，最低气温以0.51 ℃/10a的速率显著增加，而最高气温以0.18 ℃/10a的速率不显著增加；最高气温≥35 ℃日数主要分布在6—8月，7月高温日数最高；最低气温<12 ℃的日数主要分布在4月和9月。

(3)1981—2018年石河子地区无霜期呈显著增加趋势，倾向率为6.4 d/10a；播种期呈现显著提前趋势，提前速率为-0.48 d/a。棉花生理发育时间呈显著增加趋势，倾向率为2.4 d/10a，突变年份在1997年。