新疆农八师垦区棉花气候产量对热量变化的响应

许浩翊，尹育红，李红英，田 苗，王啸天

（1.新疆石河子莫索湾气象站，新疆 石河子 832056；2.新疆石河子炮台气象站，新疆 石河子 832066；3.新疆石河子乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子 832000）

棉花是重要的战略物资，在国民经济发展中具有十分重要的地位，棉花产量关系着国计民生［1，2］。研究表明，气候变化制约着农作物生产，并将继续对作物产量产生重大影响。因此，探讨气候变化对棉花产量的影响具有重要的科学意义［3-5］。棉花生长发育及产量形成与气候条件变化关系密切［6-8］，棉花生长关键期气候条件变化对产量影响最大。张旺锋等［9］采用不同生态区进行“双向异地种植”，横向比较不同生态区棉花产量库构成的变化，结果发现新疆棉花单铃重是河北南宫地区的1.5 倍，主要是因为新疆日温差大、日照时数多，光合产物生产与累积有利于个体发育。贾超等［10］运用灰色关联度方法研究了影响新疆棉花产量的主要气候要素，结果发现≥10 ℃积温、苗期极端最低气温和棉花生长季平均气温、初霜冻是影响棉花产量的主要气候要素。李红英等［11］采用线性相关方法研究了热量资源对棉花产量的贡献，结果发现播种出苗期积温对棉花产量贡献率为6.59%、裂铃至停止生长期的积温对产量贡献率为5.95%，播种出苗期和裂铃至停止生长期是棉花热量敏感关键期。程红霞等［12］研究了北疆棉花NDVI 变化过程与气象要素的相关性，结果发现棉花NDVI 与三基点气温显著相关，而最低气温的积温对棉花生长的影响更为明显。王士红等［13］研究发现，鲁西地区棉花生育期内的积温变化对棉花产量影响不明显，降水量和日照时数是影响棉花产量的关键气象要素。总结前人对棉花气象的研究成果可知，不同区域的气候条件对棉花生长及产量形成存在明显的差异性，其影响棉花生长的主要气候因子也具有区域性特点。新疆农八师垦区因地理环境特殊，光照十分充足，降水量稀少［14，15］，发展农业生产用水主要以灌溉为主。因此，光照和降水量对新疆农八师垦区棉花生产的影响并不明显，而影响棉花生产的主要气候要素是热量条件。本研究以新疆农八师垦区棉花种植为研究对象，选取1961—2019 年棉花产量和气候资料以及1988—2019 年农业气象监测的棉花发育期资料，研究新疆农八师垦区年际间不同时间热量条件波动性变化对棉花产量的影响。旨在探明影响新疆农八师垦区热量对棉花产量的影响程度和棉花热量指标，以期为该地区制定棉花丰产栽培、提高技术管理水平、防灾减灾等提供参考。

1 资料与方法

1.1 调查区域概况

新疆是中国棉花的主产区，2020 年棉花种植面积为2 501.9 千m2，位居全国第一，总产量占全国的87.3%［16］。新疆农八师垦区是新疆重要的优质棉生产基地之一，每年种植面积占新疆自治区的14.0%左右［17］，其位于N43°26′—45°20′，E84°58′—86°24′，垦区在准噶尔盆地的南缘天山以北，垦区面积7 529 km2。垦区地形由南向北依次分为天山山区、丘陵区、倾斜平原、冲积平原与凤城沙漠区，平均海拔高度300～500 m。该区域属温带大陆性气候的干旱气候区，夏季炎热，冬季严寒，年平均气温7.5～9.1 ℃，年日照2 400～2 800 h，年降水量180～280 mm，无霜期在147～191 d。大气降水量少，而地表水和地下水丰富，地下水可采量3 亿m3；境内有玛纳斯河、宁家河、大南沟河、金沟河及八音沟河等5 条河流，年径流量15.3 亿m3。新疆农八师垦区水土光热资源较为丰富，为典型的灌溉农业。

1.2 资料来源

棉花产量资料来源于新疆石河子市统计局，气象资料来源新疆石河子气象局档案室，棉花物候期资料来自新疆乌兰乌苏农业气象试验站。气象资料统计整理了1961—2019 年近59 年日平均、最低、最高气温，并计算棉花生长发育各时期的活动积温。运用Excel软件进行计算分析。

1.3 分析方法

1.3.1 多项式函数拟合 假设给定数据由M次多项式函数生成，采用多项式函数拟合完成任务［18］，M次多项式函数可以对已知数据以及未知数据都具有很好的预测能力。最小二乘法是一种数学优化技术，它通过最小化误差的平方和匹配寻找数据的最佳函数。利用最小二乘法使这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和最小。设M次多项式模型表达式为：

式中，xi是输入观测值，fM为模拟观测值，aM为M＋1 个参数，i＝1，2，3，…，N。

1.3.2 一元线性回归方程 建立一个因变量（y）与一个自变量（x）之间的线性关系，在直角坐标系中将大量数据绘制成散点图，通过最小二乘法确定直线方程y=ax+b的a和b，即为一元回归线性方程［19］。a为因变量随自变量而变化的速率。

1.3.3 线性相关 采用线性相关系数方法分析要素xi与棉花气候产量yj间相关关系和影响程度［19］，表达式如下。

式中，r为相关系数，-X为要素平均值，-Y为气候产量平均值。

2 结果与分析

2.1 棉花产量

2.1.1 棉花趋势产量 新疆农八师垦区棉花实际产量年际变化以及多项式模拟的技术产量如图1 所示。1961—2019年棉花平均单产为1 500 kg/hm2。由图1 可知，20 世纪60 年代中期棉花丰产，70 年代社会动荡导致棉花产量明显减少，80 年代后重视农业科学技术，棉花产量持续升高，棉花单产由450 kg/hm2增加至1 700 kg/hm2；2010—2019 年棉花产量维持在1 700～1 800 kg/hm2，表明棉花栽培技术已进入新的瓶颈。棉花实际产量受政策和生产力发展水平的影响呈五阶多项式变化趋势，根据式（1）得到棉花趋势产量五阶多项式为y=8E-5x5-0.752 6x4+299 8.6x3-6E+6x2+6E+9x-2E+12（R2=0.972 7，P＜0.01）。

图1 新疆农八师垦区1961—2019 年棉花单产与技术产量

2.1.2 棉花气候产量 研究认为实际产量（Ys）是由趋势产量（Yt）、气候产量（Yq）和随机误差（E）组成［20，21］，气候产量的表达式为：

因为人为因素造成管理上的失误，使作物减产的分量称之为随机误差，1967—1976 年棉花减产具有较大的人为因素，通过调研对这10 年的产量进行了适当订正。1961—2019年农八师垦区棉花气候产量变化趋势如图2 所示。由图2 可知，棉花气候产量随时间变化呈增加趋势，倾向率为每10年13.039 kg，序列相关系数为0.256，达到显著水平（P＜0.05）。

图2 新疆农八师垦区1961—2019 年棉花气候产量

2.2 各发育期热量条件对棉花气候产量的影响

2.2.1 播种—出苗期 通过对新疆乌兰乌苏农业气象试验站1990—2019 年大田棉花生育期观测资料统计，新疆农八师垦区棉花播种—出苗期在4 月中下旬，时间约为20 d。1961—2019 年播种—出苗阶段≥0 ℃积温变化在200～396 ℃·d，平均为282 ℃·d。如图3a 所示，播种—出苗阶段≥0 ℃积温与棉花气候产量线性回归方程为y=0.984 9x-275.88（y为气候产量，x为≥0 ℃积温，下同），相关系数达到极显著水平（r＝0.493 6，P＜0.01）；气候产量随着≥0 ℃积温的增加而增产，变化速率为0.984 9 kg/（℃·d），即播种—出苗期≥0 ℃积温每变化100 ℃·d，气候产量变化98.49 kg/hm2，占平均单产的6.6%。当播种—出苗期≥0 ℃积温≤235 ℃·d 时，棉花为减产年。

2.2.2 出苗—开花期 新疆农八师垦区棉花出苗—开花期在5 月上旬至7 月上旬，时间约70 d。1961—2019 年出苗—开花阶段≥0 ℃积温变化在1 430～1 730 ℃·d，平均为1 565 ℃·d。如图3b 所示，出苗—开花阶段≥0 ℃积温与棉花气候产量线性方程为y=0.529 1x-826.11，相关系数达到极显著水平（r＝0.445 6，P＜0.01），气候产量随着≥0 ℃积温的增加而增产，变化速率为0.529 1 kg/（℃·d），即出苗—开花期≥0 ℃积温每变化100 ℃·d，气候产量变化为52.91 kg/hm2，占平均单产的3.5%。当出苗—开花期≥0 ℃积温≤1 465 ℃·d 时，棉花为减产年。

2.2.3 开花—吐絮期 新疆农八师垦区棉花开花—吐絮期在7 月上旬至9 月上旬，时间约70 d。1961—2019 年开花—吐絮阶段≥0 ℃积温变化在1 580～1 825 ℃·d，平均值为1 701 ℃·d。如图3c 所示，开花—吐絮阶段≥0 ℃积温与棉花气候产量线性方程为y=0.581 9x-988.24，相关系数达到极显著水平（r＝0.341 8，P＜0.01）；气候产量随着≥0 ℃积温的增加而增产，变化速率为0.581 9 kg/（℃·d），即开花—吐絮期≥0 ℃积温每变化100 ℃·d，气候产量变化58.19 kg/hm2，占平均单产的3.9%。当开花—吐絮期≥0 ℃积温≤1 620 ℃·d 时，棉花为减产年。

2.2.4 吐絮期 吐絮期是棉铃从吐絮始期到棉株停止生长的时期。新疆农八师垦区棉花吐絮期在9 月上旬至10 月中旬，历时约40 d。1961—2019 年吐絮期阶段≥0 ℃积温变化在415～630 ℃·d，平均为525 ℃·d。如图3d 所示，吐絮期≥0 ℃积温与棉花气候产量线性方程为y=0.935 7x-489.22，相关系数达到极显著水平（r＝0.583 3，P＜0.01），气候产量随着≥0 ℃积温的增加而增产，变化速率为0.935 7 kg/℃·d，即吐絮期≥0 ℃积温每变化100 ℃·d，气候产量变化93.57 kg/hm2，占平均单产的6.2%。当吐絮期≥0 ℃积温≤475 ℃·d 时，棉花为减产年。

图3 各个生育期≥0 ℃积温与棉花气候产量线性相关分析

2.3 全生育期热量对棉花气候产量的影响

棉花从播种到停止生长为全生育期。新疆农八师垦区棉花全生育期在4 月中旬至10 月中旬，历时约170 d。1961—2019 年在全生育期内≥0 ℃积温变化在3 545～4 440 ℃·d，平均值为3 820 ℃·d。如图4a 所示，全生育期≥0 ℃积温与棉花气候产量线性方程为y=0.358 4x-136 7.4，相关系数达到极显著水平（r＝0.652 8，P＜0.01），气候产量随着≥0 ℃积温的增加而增产，变化速率为0.358 4 kg/（℃·d），即全生育期≥0 ℃积温每变化100 ℃·d，气候产量变化为35.84 kg/hm2，占平均单产的2.4%。当全生育期≥0 ℃积温≤3 630 ℃·d 时，棉花为减产年。

1961—2019 年棉花全生育期内≥10 ℃积温变化在3 004～4 293 ℃·d，平均为3 643 ℃·d。如图4b 所示，全生育期≥10 ℃积温与棉花气候产量线性方程为y=0.187 1x－682.22，相关系数达到极显著水平（r＝0.605 5，P＜0.01），气候产量随着≥10 ℃积温的增加而增产，变化速率为0.187 1 kg/（℃·d），即全生育期≥10 ℃积温每变化100 ℃·d，气候产量变化为18.71 kg/hm2。当全生育期≥10 ℃积温≤3 350 ℃·d时，棉花为减产年。

图4 全生育期热量与棉花气候产量线性相关分析

3 讨论

1）棉花产量受诸多因素的影响，造成棉花减产并不完全归属于恶劣的气候条件，也可能是人为技术、管理失误、政策导向等所引起。在分析气象因子对产量影响时，对作物产量进行分离是重要步骤之一［22］，准确的气候产量是评估气象条件对粮食产量影响的前提［23］。因此，从实际产量中准确分离出气候产量对分析结果的正确性具有重要意义。目前采用3、5 年滑动平均法、二次指数平滑法、五点二次平滑法、HP 滤波法、年际增量法［24］、指数平滑法、Logistic 法［25］以及多项式拟合趋势产量分离气候产量，每种方法都有其优缺点，均不能消除人为技术、管理失误、政策等对作物产量的影响［26］。在特殊丰产、减产年份的集合中存在其他分量，需要对这些年份实地调研和考证，才能使分析结果更加接近实际情况［11］。

2）新疆农八师垦区属于灌溉农业区，大气降水对棉花生产的影响较小，它又是一个光照非常丰富的地区之一［15］，寡照天气对棉花生产影响也较小。棉花是喜温作物，对热量要求比较严格，农八师垦区的热量资源虽然非常丰富，因其变化较大，对棉花生产的影响显著，所以热量条件是影响棉花生产的主要气象因素，这与张燕等［27］、田彦君等［28］的结果一致。

3）通过对热量与棉花气候产量的相关分析发现，新疆农八师垦区棉花生长及产量形成与热量相关性显著，这与李红英等［11］研究结果一致。在棉花生产中，播种—出苗期应注意终霜冻和倒春寒，开花—吐絮期应注意持续低温、障碍型低温冷害天气的影响，裂铃之后吐絮期要注意初霜冻、寒潮及低温冷害天气的影响。初霜冻对棉花产量和质量影响最大。因此，做好秋季预防霜冻非常重要。

4 结论

1）1961—2019 年新疆农八师垦区棉花实际产量增加趋势明显。棉花趋势产量启用多项式拟合达到（复相关系数R2=0.972 7）极显著水平（P＜0.01）。随着气候变暖，新疆农八师热量资源增加的同时棉花气候产量也存在显著增加趋势［29，30］。

2）新疆农八师垦区棉花各发育期热量资源变化对产量均具有显著的影响，当≥0 ℃积温每变化100 ℃·d 时，播种—出苗期影响棉花产量6.6 个百分点、出苗—开花期影响3.5 个百分点、开花—吐絮影响3.9 个百分点、吐絮期影响6.2 个百分点。

3）新疆农八师垦区棉花不同的发育阶段≥0 ℃积温减产年热量指标分别为：播种—出苗期≤235 ℃·d、出苗—开花期≤1 465 ℃·d、开花—吐絮期≤1 620 ℃·d、吐絮期≤475 ℃·d。当全生育期≥0 ℃积温≤3 630 ℃·d、≥10 ℃积温≤3 350 ℃·d 时为棉花减产指标。