北疆主要植棉区热量资源变化及对棉花产量的影响

黄秋霞，傅玮东，胡启瑞，柳宏英，叶尔克江·霍依哈孜，周国宏

（1.新疆昌吉州气象局，新疆 昌吉 831100；2.新疆农业气象台，乌鲁木齐 830002）

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出，1880-2012年全球平均气温已升高0.8 5℃，尤其在北半球，最近30年（1983-2020年）中温度增加速率高于1850年以来的其他任何时段，全球气候变暖已成事实[1-2]。中国1905-2001年平均地表温度增加了0.5 ～0.8 ℃，增温速率略低于全球平均值，但也存在变暖的总趋势[3]。热量资源是农作物生长发育和产量形成的基本条件。农业是对气候变化响应最明显的行业。受全球气候变暖的影响，气候变化成为影响农业生产的主要限制因子之一，对区域农业产量和种植制度都将产生影响，可能加大农作物的致灾风险[4-7]。气候变化将改变热量资源的时空分布，进而对农业结构布局、农业生态系统、农事活动及农作物产量和品质产生影响[8-12]。

相关学者已对热量资源做了大量的研究，如缪启龙等[13]指出中国≥10℃、≥0℃积温和持续时间的总体趋势是普遍增加的，中国热量资源分布的变化已对有些地区气候带的划分产生了一定程度的影响；李景林等[14]指出在气候变暖背景下，北疆宜棉区面积扩大，次宜棉区和不宜棉区有所减小，风险棉区变化不大；胡燕宇等[15]研究表明大东北地区气候变化与全球气候变化趋势一致，升温幅度很大，且作物生长季逐渐延长；王阿如娜等[16]指出1961-2012年间黄土高原地区热量资源在20世纪90年代开始快速增加，年平均气温线性拟合增长率达到0.2 8℃·（10a）－1。近年来，新疆的许多学者对热量资源方面也做了很多研究：徐娇媚等[9]指出1960-2010年伊犁河谷热量资源空间分布呈现平原地区多山区少的特点，热量资源呈增加趋势；普宗朝等[17-18]对乌昌地区1961-2009年农业资源变化分析表明，各地热量资源呈增多趋势，递增速率和增加幅度呈现平原高于山区，北部高于南部的空间分布特征；关于石河子垦区热量资源变化及其对棉花产量的影响研究[19-20]表明，该垦区热量资源增加趋势明显；田彦君等[21]指出北疆1961-2012年年平均气温、无霜期和≥10℃积温呈增加趋势，各气象要素在20世纪80年代发生了突变。

棉花在新疆种植业中占有举足轻重的地位[14]。国家统计局数据显示，近年来新疆棉花产量稳步增长，占全国棉花总产量的80%以上，至2020年新疆棉花总产、单产、种植面积、商品调拨量连续26年位居全国第一[22]。目前对北疆主要植棉区热量资源的研究较少，对当地热量资源与棉花产量关系的研究更少，所以笔者对北疆主要植棉区热量资源及其与棉花产量的关系进行研究，以期对北疆主要植棉区棉花生产、防灾减灾等工作提供科学依据。

1 研究区概况

北疆植棉区主要位于天山北坡，准噶尔盆地南缘，阿尔泰山与天山之间，西侧为准噶尔西部山地，东至北塔山麓，东西长700km，南北宽370km，平均海拔400m[23-24]。准噶尔盆地呈不规则三角形，地势向西倾斜，北部略高于南部，盆地腹部为古尔班通古特沙漠，面积占盆地总面积的36.9%。该盆地属中温带气候，自然灾害有冻害和大风，年降水量70～150mm，固定沙丘上植被覆盖度达40%～50%，半固定沙丘植被覆盖度达15%～25%。本研究所选的10个气象站点（表1）均位于天山北麓准噶尔盆地，海拔329.2 ～575.1 m，经纬度也较为相近，最东为精河，最西为昌吉，最北为莫索湾。

表1 研究区气象站点信息

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

北疆棉花播种一般在4月上中旬开始，收获在10月中下旬结束，即确定北疆棉花的生长季为4月至10月。本研究选用新疆维吾尔自治区气象局信息中心提供的上述10个气象台站1961-2017年棉花生育期月平均气温（简称“生育期月平均气温”），≥10℃、≥15℃和≥20℃积温及其持续时间（d），无霜期资料，并用10个站的气象要素序列平均值代表北疆主要棉区的气候要素序列；棉花产量数据来源于《新疆统计年鉴》[25]。

2.2 研究方法

2.2.1气候倾向率和初、终霜期的分析、制图方法。利用最小二乘法计算热量资源随时间变化的速率，可用y＝at＋b表示。其中，y为气象要素观测值；t为年份序列号，以1961年为1依次赋值；b为回归常数；a为回归系数，a为正值时表明热量资源呈上升趋势，a为负值时呈下降趋势。对初、终霜期的气候倾向率分析时，将日期型数据转换为日序进行回归分析。制图时，初、终霜期的纵坐标按日序转换成相应日期，所有图的横坐标根据年份序号转换为具体年份。

2.2.2累积距平的分析方法。累积距平是指某要素值与多年平均值的差值的累计值，反映偏离平均值的程度。如果累积距平曲线变化平直，表示这段时间内累计值变化小，与平均值差值很小；若累积距平曲线逐渐降低，表明某气象要素值呈减少趋势，同理若累积距平曲线逐渐升高，表明某气象要素值呈增加趋势。本研究选取的多年平均值时段为1961-2017年。

2.2.3初霜日、终霜日及无霜期的确定方法。秋季最低气温≤0℃的最早出现日期记为初霜日，春季最低气温≤0℃的最晚出现日期为终霜日，上一年度终霜日与本年度初霜日间隔时间（d）为无霜期，由于新疆气候干燥，气温在0℃以下也未见白霜，故采用≥0℃以上持续时间为无霜期；若年度内最低气温均在0℃以上，则上年度初、终霜日为空白[26]。2.2.4棉花趋势产量和气象产量的分离方法。气象条件对棉花产量的影响主要反映在棉花单产的变化，棉花单产分为趋势产量和气象产量两部分，趋势产量代表农技措施及其他有类似这种影响的自然和非自然因素对产量贡献的综合，通常把经过趋势处理后的产量序列剩余项视为受气象因子影响的产量分量，统称为气象产量[27-28]。本研究采用多项式拟合方法处理产量资料，并计算趋势产量拟合公式与产量序列的相关系数。

2.2.5相关性检验及方法。采用SPSS26软件对棉花单产与生育期月平均气温、积温、无霜期的相关性进行分析。选用Pearson计算方法对定距变量的数据进行相关系数计算，并对相关系数进行显著性检验。

2.2.6突变检验方法。用Mann-Kendall方法进行突变检验[29]。

3 结果与分析

3.1 热量资源空间分布

3.1.1生育期平均气温的空间变化。在适宜的温度下，作物生命活动旺盛、生长发育迅速，温度过高或过低都会影响作物的正常生长[17]。北疆主要植棉区1961-2017年生育期月平均气温为18.8 ℃，由于地理位置均处于天山北麓平原地区，海拔相近，纬度相近，属于新疆棉花区划中的早熟棉亚区和特早熟棉亚区，各站点间生育期月平均气温相差较小。从表2可以看出自东向西棉花生育期月平均气温呈现升高趋势，最低值出现在乌兰乌苏（18.3 ℃），最高值出现在乌苏（19.4 ℃），相差1.1 ℃。

表2 研究区棉花生育期月平均气温

3.1.2≥10℃、≥15℃、≥20℃积温的空间变化。棉花生长发育的界限温度主要有10℃、15℃和20℃。在不同的生育期对热量的需求也不一样。其中：10℃是棉花种子开始发芽和秋季棉花植株维持生长的最低临界温度；从出苗到第1片真叶出现要求温度≥15℃，随着温度升高真叶出生速率提高；≥20℃是棉花完成授粉和棉纤维发育的必需热量条件，其中现蕾期要求温度不低于20℃，过高或过低都会导致花粉活力降低，影响棉花纤维品质[30]。种植细绒棉要求＞10℃积温稳定在3200℃以上，＞15℃积温稳定在2700℃以上[31]。

从表3可看出，年平均≥10℃积温为3708.1 ℃，其空间分布特征呈现自东向西增多趋势，最低值出现在乌兰乌苏，为3542.2 ℃，最高值出现在乌苏，为3882.2 ℃，相差340.0 ℃；年平均≥15℃积温为3189.4 ℃，比≥10℃积温少518.7 ℃，空间分布与≥10℃积温相同，最小值出现在乌兰乌苏，为3052.4 ℃，最高值出现在乌苏，为3368.2 ℃，相差315.8 ℃；年平均≥20℃积温为2209.6 ℃，空间分布与≥10℃积温一致，最小值出现在乌兰乌苏，为1994.6 ℃，最大值出现在乌苏，为2451.8 ℃，相差457.2 ℃。总体来看，≥10℃、≥15℃和≥20℃积温均呈现自东向西增多趋势。

3.1.3无霜期的空间变化。从表3可以看出，北疆主要植棉区无霜期平均为185.1 d，空间分布也呈现自东向西增多趋势。玛纳斯无霜期最短，为178.0 d，沙湾无霜期最长，为197.4 d，两地相差19.4 d。

表3 研究区≥10℃、15℃、20℃积温和无霜期

3.2 气象要素的时间变化特征

3.2.1生育期月平均气温。从图1a可以看出，生育期月平均气温呈波动性上升趋势，气候倾向率为0.3 0℃·（10a）－1，1994年后平均气温的上升幅度大于1994年前，其中1961-1994年的气候倾向率为0.0 7℃·（10a）－1，1994-2017年的气候倾向率为0.2 6℃·（10a）－1，1961-2017年生育期月平均气温升高了1.4 ℃。从生育期月平均气温的累积距平曲线来看，1994年出现了累积距平的最小值，1994年之前累积距平多为负值，1994年以后累积距平多为正值（图1a），即1994年以后，北疆主要植棉区的生育期月平均气温呈现持续升高趋势。10个气象站的气候倾向率较为接近，在0.1 0～0.3 6℃·（10a）－1，其中最大值出现在昌吉和漠索湾[0.3 6℃·（10a）－1]，最小值出现在玛纳斯[0.1 0℃·（10a）－1]。

3.2.2≥10℃、≥15℃、≥20℃积温变化。从图1b可知，近57年来≥10℃积温呈明显波动上升趋势，气候倾向率为94.1 ℃·（10a）－1，2017年比1961年增多了555.2 ℃；从累积距平可以看出，最小值出现在1994年。≥10℃积温的气候倾向率除玛纳斯为49.3 ℃·（10a）－1外，其余站点在82.3 ～123.1 ℃·（10a）－1，最大值出现在莫索湾[123.1 ℃·（10a）－1]，其次为炮台[105.2 ℃·（10a）－1]。

从图1c可知，≥15℃积温也呈现出波动上升趋势，气候倾向率为66.7 ℃·（10a）－1，较≥10℃的气候倾向率小，2017年较1961年积温增加了393.5 ℃；从累积距平来看，最小值出现在1995年。10个气象站点间气候倾向率相差较大，最大值出现在精河[238.0 ℃·（10a）－1]，其次为炮台[94.1 ℃·（10a）－1]，最小值出现在玛纳斯[14.3 ℃·（10a）－1]。

从图1d可知，≥20℃积温也呈现出明显的波动上升趋势，气候倾向率为99.3 ℃·（10a）－1，较前两者变化大，其中2017年较1961年的≥20℃积温增加了585.9 ℃；从累积距平来看，最小值出现2004年。10个气象站点间≥20℃积温的气候倾向率相差较大，最大值出现在精河[254.5 ℃·（10a）－1]，其次为石河子[124.8 ℃·（10a）－1]，最小值出现在玛纳斯[49.7 ℃·（10a）－1]。

图1 生育期月平均气温（a）和≥10℃（b）、≥15℃（c）、≥20℃（d）积温的变化曲线

可以发现，≥10℃、≥15℃和≥20℃积温的气候倾向率趋势一致，其中≥15℃积温气候倾向率最为明显，玛纳斯的积温变化幅度较其他站点小。

3.2.3≥10℃、≥15℃、≥20℃积温持续时间变化。从图2a可以看出，≥10℃、≥15℃和≥20℃积温的持续时间呈增加趋势，分别以3.4 d·（10a）－1、2.0 d·（10a）－1、3.7 d·（10a）－1的气候倾向率在延长，1961-2017年 间 分 别 延 长 了20.1 d、11.8 d、21.8 d。不同区域≥10℃积温持续时间变化较为接近，在2.3 ～4.9 d·（10a）－1；≥15℃积温的持续时间相差略大，气候倾向率最大值出现在炮台[3.3 d·（10a）－1]，其次为莫索湾[3.1 d·（10a）－1]，最小值出现在玛纳斯[0.5 d·（10a）－1]；≥20℃积温持续时间相差也略大，气候倾向率最大值出现在昌吉[5.2 d·（10a）－1]，其次为石河子[4.6 d·（10a）－1]，最小值出现在玛纳斯[2.2 d·（10a）－1]。

3.2.4初霜日、终霜日及无霜期的变化。从图2b、2c和2d可以看出，研究区内呈现出初霜期延后，终霜期提前，无霜期增加的趋势，与生育期月平均气温增加、积温增多、积温持续时间增加有很好的对应关系。其中，初霜期的气候倾向率为2.1 d·（10a）－1，终霜期的气候倾向率为－1.6 d·（10a）－1，无霜期的气候倾向率为3.6 d·（10a）－1。从无霜期的累积距平来看，最小值出现在1986年，但1992年后距平曲线呈升高趋势，表明无霜期增加趋势明显。

图2 ≥10℃、15℃和20℃积温持续时间（a）及初霜日（b）、终霜日（c）、无霜期（d）变化

3.3 热量资源的突变

利用Mann-Kendall分析方法分别对生育期月平均气温、无霜期、积温进行了突变检验，并对比分析突变前后气象要素的变化情况。从图3a可知，生育期月平均气温在1994年前后发生了突变，与3.2.1 中分析的拐点时间一致，突变后生育期月平均气温增加了1.4 ℃；无霜期的UF和UB曲线交点为1989年和1992年（图3b），对比无霜期的累积距平曲线可知，在1992年前后发生了突变，突变后无霜期增加了11.1 d；≥10℃积温（图略）突变图中在1995年、1998年和2000年期间出现多个交点，结合累积距平曲线可知突变发生在1995年，突变后年平均积温增加了319.2 ℃；≥15℃积温（图略）于2004年和2007年出现2个交点，对比累积距平曲线可知拐点在1997年，两者不对应，突变不明显；≥20℃积温（图略）中2004年和2009年出现2个交点，结合累积距平曲线可知2004年前后发生了突变，突变后积温增加了418.7 ℃。

图3 生育期月平均气温（a）和无霜期（b）的突变图

4 热量资源的变化对棉花产量的影响

4.1 热量资源与棉花产量的相关性

通过对北疆主要植棉区的单产进行产量分离，得出趋势产量和气象产量2个部分。从图4a可知，皮棉实际产量和趋势产量均呈明显的上升趋 势，单 产 由1961年 的140kg·hm－2增 加 到2017年的2169.7 kg·hm－2。从图4b可知，气象产量波动性较大，波动范围在－282.5 ～285.8 kg·hm－2。

图4 北疆主要植棉区棉花实际产量、趋势产量（a）和气象产量（b）的变化

对棉花单产与热量资源指标（生育期月平均气温、积温、无霜期）进行相关性分析，并进行0.0 5和0.0 1水平的显著性检验。从表4可以看出棉花单产与主要气象指标具有较好相关性，均通过了0.0 1水平的显著性检验。

表4 各气象要素与棉花单产的相关性

4.2 热量资源对棉花产量的影响

近57年北疆主要植棉区生育期月平均气温升高，≥10℃、≥15℃、≥20℃积温和持续时间、无霜期增多，热量条件在一定程度上得以改善，这对促进棉花生产具有积极意义[26]。通过上文的分析可知，棉花单产与热量资源指标具有较好相关性，≥10℃、≥15℃和≥20℃积温呈现波动上升趋势，可知热量资源的增加对棉花单产具有正效应，对棉花的产量提高和品质形成较为有利；≥10℃、≥15℃、≥20℃积温持续时间增加，有利于活动积温的累积，对提高棉花的品质和产量有利；无霜期延长，对热量条件积累有利，减小低温、霜冻害对苗期管理的影响。

通过分析可知，北疆主要植棉区呈现初霜期延后，终霜期提前现象。初霜期延后，热量条件好，棉花生长期长，开花结铃多，生长后期遭遇冻害的风险减小，对棉花后期生长较为有利，霜前花产量高；终霜期提前有利于棉花早播、早发、形成壮苗，对棉花前期生长较为有利。

4.3 气象要素变化与棉花丰歉年景分析

按照农艺评价棉花年景的要求，若棉花单产增长一成及以上，早熟性好，霜前花的比例达到80%及以上，表明生产品质好，其中棉铃吐絮早、吐絮畅，实现“八月絮”，易采收是主要评价指标，则判定为丰收年景；棉花单产减少一成及以上，早熟性差，霜前花的比例低于60%，表明生产品质差，秋桃多，吐絮晚，吐絮不畅，采收困难是主要评价指标，则判定为歉收年景；棉花单产与上年持平或接近，早熟性一般，霜前花的比例在70%～80%，判定为平常年景。从表5可知，1961-2017年北疆主要植棉区棉花丰收年景共有18年，表现为积温较常年多，光热条件好，早熟性好，“八月絮”面积比例大，基本实现“四月苗、五月蕾、六月花、七月铃和八月絮”的高产早熟长势长相。

表5 各气象要素变化与棉花丰歉年景分析

歉收年景共9年，其表现为热量减少，无霜期缩短，光热条件差，降水量略偏少，棉花生长条件较常年偏差。

平常年景有29年，天气相对平稳，一些年景相对增加或减产，但幅度都在一成以内；整体降水量接近常年，日照时间略多于常年，整体光热条件一般；但有个别年份遭遇大风、强寒潮侵袭，棉花晚熟，呈现“有铃无产”的情景。

5 结论

热量资源的时空分布结果显示：（1）生育期月平均气温、≥10℃积温、≥15℃积温、≥20℃积温和无霜期的空间分布呈现自东向西升高或增多趋势。（2）时间分布来看，生育期月平均气温、≥10℃积温、≥15℃积温和≥20℃积温均呈波动上升趋势，累积距平正、负值的转折点分别出现在1994年、1994年、1995年和2004年；≥10℃、≥15℃和≥20℃积温的持续时间也呈增加趋势；初霜期延后，终霜期提前。（3）生育期月平均气温和无霜期分别在1994年、1992年前后发生了突变；≥10℃积温在1995年发生突变；≥15℃积温突变不明显；≥20℃积温在2004年前后发生突变。

产量趋势及其与气象要素的相关性分析结果表明：棉花实际单产、趋势产量呈明显的上升趋势，气象产量波动性较大；热量资源的增加对棉花产量的增加具有正效应；从棉花丰歉年景来看，热量资源、光照条件对棉花产量起着重要作用。