新疆北疆地区气候要素对棉花生长和产量的影响分析*

王金梅，侯志强，杨明凤，吉春容

(1.塔城市气象局，新疆 塔城 834700；2.和布克赛尔县气象局，新疆 塔城 834400；3.乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子 832000；4.新疆兴农网信息中心/新疆维吾尔自治区农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002)

棉花是我国重要的经济作物之一，素有“白金”之称。连续25年新疆棉花种植面积位居全国第一，成为我国重要的棉花生产基地。2019年以来新疆棉花总产量占全国棉花产量的85%。在全球气候变化的趋势下，新疆气候变暖、积温增加、降水增多的趋势明显。极端天气频次与强度有所增加，极端气候变化对林果产品的种植影响较大[1]。气候变暖使新疆农业热量资源更为丰富，农作物潜在的适宜生长季延长，农业生产的结构与布局，种植品种发生较大变化，种植区域可能北移扩大[2]。新疆气候变化：对棉花生长产生较大影响[3]；对棉花现蕾期、开花期、吐絮期影响较大；对哈密瓜、伽师瓜从播种期到座果期均表现不同程度的提前趋势，全生育期不显著延长[4-5]；对冬小麦的播种期推迟，田间生长期缩短。冬季温度升高，有利于冬小麦、特色林果等安全越冬[6]。气候变暖：使棉花春、夏季发育期不同程度的提前、秋季发育期延迟、生长期延长; 有利于提高棉花的产量和品质[6-7]。但是近年来因气候变暖，极端天气频发，气候也发生异常，气象灾害导致的农牧业经济损失也随之加大。为了提高气候资源的利用率，更科学高效种植棉花，提高棉农经济效益，有效地防灾减灾；因而作者以乌兰乌苏为例，分析了气候分素对棉花生长和产量的影响。

1材料与方法

选择乌兰乌苏地区(85°49′E，44°17′N，海拔高度469.6 m)为研究区域，棉花种植品种为早熟品种。

气候要素数据选取乌兰乌苏农业气象站1981-2020年的平均气温、最高最低气温、降水量、日照时数、相对湿度、地温(0 cm、5 cm)等，并计算大于15℃、大于20℃的积温。数据来源于新疆气象信息中心。本研究采用儒略日，将逐年棉花生育时期的日期转化为日序数，即距当年1月1日的实际天数，得到时间序列[8-9]；棉花生育时期数据来源于乌兰乌苏农业气象站农业气象和新疆农业科学院的观测数据。1981-2020年棉花种植面积和产量数据来源于新疆统计年鉴。利用线性回归法分析1981-2020年棉花生育时期、产量的年际变化趋势，并分析其与各气候因子的相关性；因研究区域为棉花地膜覆盖、节水灌溉种植区，所以未分析降水对生育时期和产量的影响以及气温变化对播种期的影响。采用M-K突变检验方法对气候要素变化进行趋势检验。棉花的气候产量等于实际产量减去趋势产量，采用5年滑动平均值方法模拟趋势产量(房世波，2011)。利用Excel2010 、SPSS 21.0和Matlab2020a软件进行数据处理分析。

2结果与分析

2.1棉花生长区气候变化特征

2.1.1气候要素的年际变化

1981-2020年乌兰乌苏年平均气温为7.6℃，年平均地面温度为11.6℃，年平均相对湿度为65%，年平均降水量为227.8 mm，年平均日照时数为2865.0 h。如图1所示，除年平均日照时数、年平均相对湿度呈下降趋势外，其他气候要素均呈上升趋势。

图1 乌兰乌苏地区1981-2020年气候因子年际变化趋势

近40年来各气象要素中平均气温、0 cm地温、5 cm地温变化速率显著(P<0.01)，其中平均气温上升速率为0.4℃/10a，0 cm地温上升速率为1.1℃/10a，5 cm地温下降速率为1.9℃/10a。而其他气候要素的变化趋势均不显著。

通过M-K突变检验法分析各气候要素是否发生突变及其突变发生时间，即各气象要素正序列曲线(UF)、反序列曲线(UB))。若UF和UB出现交叉点，且交叉点位于信度线之间，这点对应的时间点便是突变开始的时刻[10]。采用通过95%的显著性检验，信度线为U0.05=±1.96。如图2所示，1981-2020年温度、降水UF与UB两线在信度线之间分别有1个交点，分别在1999年、1983年。在滑动t检验中，温度、降水为显著性检验。由此说明气温、降水分别在1999年、1983年发生了突变。气温以0.35℃/10a显著增加；降水以5.06 mm/10a显著增加。日照时数在信度线之间有多个交点，说明在1983-2020年期间日照时数没有呈现显著性变化趋势。

图2 1981～2020年乌兰乌苏气候因子M-K检验

2.1.2 气候要素在棉花生长期内的变化

北疆棉花播种期为4月中下旬，9月下旬至10月上旬棉花进入吐絮成熟期，生长期为4中旬～10月上旬。如表1所示，乌兰乌苏在1981-2020年棉花生长季内呈上升趋势的气候要素有月气温、5 cm地温和相对湿度。气温方面，4～10月升温变化幅度为0.28～0.90 ℃/10a，5 cm地温4～10月上升趋势均达到极显著水平(P<0.01)，4月的平均气温、最高气温、最低气温上升趋势也达到极显著水平(P<0.01)，6月和7月平均气温、最低气温、5 cm地温上升趋势也达到极显著水平(P<0.01)，4～10月平均最低气温也均呈显著上升趋势(P<0.05)。棉花生长季中后期，8～10月相对湿度的变化趋势为显著(P<0.05)，平均最高气温在生长季中前期4～7月增加显著(P<0.05)。全生长季内各月降水变化趋势均未通过显著性检验。 除5月日照时数、10月平均0 cm地温外，其他各月变化趋势均未通过显著性检验。

2.2棉花的生长发育变化

2.2.1生育时期的变化特征

乌兰乌苏地区棉花田间生长期为170天左右，1981年、1984年、1988年、1993年和1998年分别少于平均值18天、32天、23天、17天和17天；1999年、2006年、2008年和2009年分别多于平均值30天、19天、15天和17天；其他年份均接近平均值。

表1 1981-2020年棉花生长季各月气候因子的线性倾向率

图3 1999-2019年棉花生育时期的年际变化趋势

从图3可以分析到，1981-2020年40年来，生长发育时期距平波动变化比较明显的是吐絮期、停长期。棉花吐絮在8月13日～10月6日变化，平均吐絮期为9月12日，以1983年(10月6日)、1992年(9月27日)、2003年(9月29日)明显晚于平均吐絮期；棉花平均停长期为10月9日，变化范围为9月18日～10月28日，以1990年及1991年(10月21日)、2006年(10月22日)明显偏晚，1998年(9月18日)、2012年(9月20日)、2013年(9月23日)早于平均停长期。

从年际变化趋势可以分析到，2002年以后的距平变化趋势比较一致。1982年、1983年、1985年、1987年、1988年、1990年各生育时期均晚于平均生育时期，2012年以后各生育时期均早于平均生育时期。

如表2，从年际变化趋势分析结果看，棉花各生育时期，从播种期到停长期均表现出不同程度的提前趋势，最长提前幅度为6.73 d/10a，最短提前幅度为1.36 d/10a。在整个生育期中，吐絮期变化趋势不显著；停长期提前趋势显著(P<0.05)，其他生育时期均为极显著(P<0.01). 全生育期变化趋势显著(P<0.05)，时间有所延长。各生育时期年际变化幅度在6.0～10.7天，吐絮期和停长期年际间变化幅度最大，现蕾期和开花期年际间变化幅度最小。

表2 乌兰乌苏地区1981-2020年棉花生育时期的线性倾向率

图4 1999-2019年哈密瓜产量的年际变化趋势

2.2.2产量的变化特征

从图4可以看出，近40年来，棉花实际单产呈极显著上升趋势(P<0.01)，每年增速为48.79 kg/hm2。2005年以后气候产量均为正值，1996年之前、2000年和2004年气候产量均为负值，气候产量为正值的有22年，为负值的有18年，平均值为12.1 kg/hm2，倾向率为48.726 kg/10a，且变化趋势极显著(P<0.01)，说明气候条件有利于棉花的生产。

2.3气候因子对棉花生长和产量的影响

2.3.1对棉花发育期的影响

从表3可以分析到，温度、湿度、积温对棉花发育期的影响比较明显。播种期、出苗期、现蕾期、开花期的变化趋势与年平均气温、年平均0 cm地温、≥0℃积温、≥10℃积温和≥15℃积温呈极显著负相关(P<0.01),气温高，棉花生长前期的生育时期会提前。年平均5 cm地温对播种期、出苗期、现蕾期、停长期的变化趋势存在显著正相关(P<0.05)，浅层地温高，前期的生育时期和停长期会推后。吐絮期变化受≥0℃积温显著负影响(P<0.05)，说明热量条件好，吐絮期会提前。田间生长期的变化与年平均气温、年平均0 cm地温呈极显著正相关(P<0.01)，说明地温越高，田间生长期会越长。

表3 棉花生育时期与年平均气候因子的相关系数

棉花属喜温作物，播种期发芽温度为12℃～30℃，温度越高，发芽期越短，最适宜发芽温度为20℃～30 ℃，发芽期为2天；苗期生长温度为16℃～30℃，最适宜生长温度为20℃～30 ℃[11]。乌兰乌苏近40年以来4月中下旬、5月各旬平均5 cm地温为12.7℃～28.1 ℃，能够满足棉花出苗生长温度需求。从表4可以看出，棉花生长期前期从播种期到现蕾期的平均气温、平均最高气温、平均最低气温、平均5 cm地温均呈极显著负相关(P<0.01)，说明温度越高出苗、现蕾、开花、吐絮越早。播种期的地面0 cm地温呈极显著负相关(P<0.01)、现蕾期的地面0 cm地温呈显著负相关(P<0.05)。开花期的平均气温、平均最高气温、平均最低气温均呈极显著负相关(P<0.01)，开花期的平均相对湿度呈显著负相关(P<0.05)。

2.3.2对棉花产量的影响

对棉花气候产量与不同生育时期(时间段、月、年尺度)分别统计分析了各气候因子的相关性，表5可以分析到，气候产量与年平均0 cm地温呈极显著负相关(P<0.01)，平均0 cm地温偏高会对棉花气候产量造成不利影响。在各生育时期中，棉花气候产量与8月和10月的各气象因素呈极显著相关，其中，气候产量与8月的各气候要素呈极显著正相关，与10月各气候要素均呈极显著负相关(P<0.01)，而与生育时期其他时间段内气候因子相关均不显著；平均气温越高，日照时数越多，平均最高气温越高，越不利于棉花气候产量的形成。年平均最高气温越高越有利于棉花气候产量的形成。

表4 棉花生育时期与生长季内气象因子的相关系数

表5 棉花气候产量与年平均气候因子的相关系数

4讨论与结论

乌兰乌苏植棉区是覆膜种植、节水灌溉生产区，各种栽培措施和棉花品种的不同对棉花生长过程在一定程度上存在一定差异，本研究在趋势产量分析时没有对棉花品种、栽培管理措施等其他条件产生的差异进行具体分析，其影响程度与气候因子之间的相关关系，应建立生长模拟模型进一步深入研究。

本研究结果表明，近40年来，乌兰乌苏地区的年平均气温、年降水量、年平均0 cm地温总体呈上升趋势，分别在1999年和1983年发生了突变；年日照时数、年平均相对湿度呈下降趋势；棉花生长季内月日均气温、5 cm地温、相对湿度均呈上升趋势，降水各月变化趋势不显著，5月日照时数、10月平均0 cm地温增高趋势显著。

本研究还表明，乌兰乌苏植棉区棉花的田间生长期平均170天，近40年来从播种期到停长期均表现出不同程度的提前趋势，生育时期距平波动变化比较明显的是吐絮期、停长期，田间生长期显著延长；各生育时期年际变化率在6.0～10.7 天，以吐絮期和停长期年际间变率最大，现蕾期和开花期年际间变率最小；棉花生育时期受温度、湿度的影响比较明显，温度越高，棉花生长前期的生育时期会提前。

本研究再表明，近40年来，乌兰乌苏植棉区的棉花实际单产呈极显著上升趋势，各气象因素在8月和10月对棉花气候产量有极显著影响，8月的各气候要素与气候产量呈极显著正相关(P<0.01)，气候产量与10月各气候要素均呈极显著负相关(P<0.01)，而与各生育时期时间段内气候因子相关性不显著。平均气温越高，日照时数越多，平均最高气温越高，越不利于棉花气候产量的形成。年平均最高气温越高越有利于棉花气候产量的形成。