1985-2021 年新疆哈密伊州区棉花生育期气候变化特征及其对棉花生长的影响

芮建梅，李茂春，芮建文，彭红艳，王雪姣

（1. 新疆哈密市伊州区气象局，新疆 哈密 839200；2. 新疆阿拉尔市气象局，新疆 阿拉尔 343300；3. 新疆农业气象台，乌鲁木齐 830002）

气候变化对农业存在非常明显的影响[1]。 棉花是我国的主要经济作物之一，而新疆是我国最大的优质棉、商品棉生产出口基地[2]。近50 年来，新疆气候有变暖变湿的趋向，同时各种极端气候事件更加频繁发生[2-4]。许多学者在气候变化对棉花生产的影响方面开展了研究，如李迎春等[5]研究认为北疆棉花生长期气候变化对棉花发育的影响表现为棉花播种至裂铃的各发育阶段均呈提前的趋势，停止生长期略延迟，棉花全生育期延长。谢芳等[6]研究表明热量条件是影响乌苏市棉花生产的主要气象因子。傅玮东等[7]通过分析昌吉回族自治州气候变化对棉花生产的影响， 得出1996—2005 年降水分布极不均匀以及日照时间减少对棉花生产有不利影响。但已有的研究多集中在北疆地区，对新疆东部（东疆）地区涉及甚少。

伊州区位于东疆哈密盆地的南部，区域开阔平坦， 其平原耕作区是棉花等主要农作物的种植区。近年来，伊州区加快农业农村经济发展步伐，优化农业产业结构，在各种强农惠农政策的带动和支持下，加大了经济作物种植比重。 棉花产业是当地农村经济发展的支柱产业，棉花种植收入是当地农民的主要收入之一。 根据当地农业农村局的统计数据，2021 年伊州区棉花种植面积超过1.72 万hm2，占农作物总播种面积的58.97%。 因此，研究伊州区棉花生育期的气候特征， 可为有效利用气候资源，科学安排棉花生产以及气象助农服务提供参考。

1 材料与方法

1.1 资料来源

选用新疆哈密市伊州区国家基准气候站1985—2021 年4-10 月的平均气温、降水量、日照时间、初霜日、终霜日、无霜期、高温日数、≥10 ℃和≥15 ℃积温等气象资料和棉花生育期相关的农业气象观测资料。

1.2 研究方法

通过线性回归方法分析伊州区气象要素和棉花生育期气候倾向率， 趋势变化率用公式y＝a＋bx计算，其中y为要素值，x为时间序列，b为线性趋势项。 以年份做回归分析，方程中x是从0（1985年）开始。 用Manner-Kendall（M-K）突变检验方法进行气象要素突变检验。初霜日、终霜日、棉花生育期均采用Julian 日换算，即距1 月1 日的时间求取回归方程， 再换算成日期制作图表。 用皮尔逊（Pearson）相关系数法分析棉花生育时期与气象要素的相关关系，并分析评价气候变化对棉花生长发育的影响。

棉花生育时期选取了播种期、出苗期、三叶期、五叶期、现蕾期、开花期、裂铃期、吐絮期、停止生长期（停长期）9 个物候期。 生育阶段选取播种期-出苗期、出苗期-现蕾期、现蕾期-开花期、开花期-吐絮期、吐絮期-停止生长期及播种期-停止生长期。 伊州区棉花在4 月下旬播种，10 月中旬停止生长，故其生育期可视为每年4-10 月。

1.3 数据处理

数据整理、气候特征和棉花生育期变化特征分析采用Microsoft Excel 2010 软件。

采用SPSS 20.0 软件进行突变检验、相关和回归统计分析。

2 结果与分析

2.1 棉花生育期气候变化

2.1.1温度变化特征。 由图1 可知，伊州区1985—2021 年4-10 月平均气温为20.1 ℃， 棉花生育期平均气温呈显著上升的趋势， 温度倾向率为每10年升高0.57 ℃。 其中，1985—1996 年4-10 月平均气温低于1985—2021 年同期平均值， 谷值出现在1993 年，为18.0 ℃。1997—2003 年4-10 月平均气温在1985—2021 年同期平均值上下波动， 振幅为0.9 ℃。2004—2021 年4-10 月平均气温除2010 年和2014 年外均高于1985—2021 年同期平均值，尤其是2015—2021 年，峰值22.2 ℃出现在2019 年。这37 年间棉花生育期平均气温振幅为4.2 ℃。

图1 伊州区1985—2021 年4-10 月平均气温变化

M-K 突变检验可以检验要素是否发生突变及突变时间。对温度的突变检验结果（图2）显示，UFk（按顺序时间计算出的统计量序列线）和UBk（按逆序时间计算出的统计量序列线） 于2004 年相交，UFk于2005 年开始超过α＝0.05 显著性水平临界线（U0.05＝1.96），2008 年开始超过α＝0.01 显著性水平临界线（U0.01＝2.58）。表明伊州区棉花生育期平均气温于2004 年发生了突变， 突变前是19.6 ℃，突变后是20.7 ℃，上升了1.1 ℃。

图2 伊州区1985—2021 年温度M-K 检验结果

2.1.2降水变化特征。 由图3 可知，伊州区1985—2021 年4-10 月平均降水量为34.2 mm。 1985—2021 年棉花生育期降水量呈现略微增加的趋势，倾向率为每10 年增加1.3 mm； 最大降水量为75.5 mm，出现在2015 年；最小降水量为3.9 mm，出现在1985 年。

图3 伊州区1985—2021 年4-10 月降水量变化

由图4 可知， 伊州区1985—2021 年4-10 月合计降水量和平均降水量的变化趋势基本一致，均为7 月＞6 月＞8 月＞10 月＞5 月＞4 月＞9 月，合计降水量和平均降水量最大值均出现在7 月，主要是受汛期降水的影响，合计降水量达305.9 mm，平均降水量为8.3 mm； 合计降水量和平均降水量最小值均出现在9 月， 主要是受入秋后天气的影响，合计降水量仅为101.5 mm， 平均降水量为2.7 mm。10 月合计降水量和平均降水量较大， 主要受初雪影响。

图4 伊州区1985—2021 年棉花生育期合计和平均降水量

2.1.3日照时间变化特征。 由图5 可知，1985—2021 年4-10 月平均日照时间为2 216.5 h。1985—2003 年、2017—2021 年棉花生育期日照时间除1990 年、1991 年和2001 年外均短于1985—2021年平均日照时间，2004—2016 年棉花生育期日照时间均长于1985—2021 年平均日照时间， 日照时间变化倾向率为每10 年增加24.1 h，棉花生育期最长日照时间为2 459.5 h，出现在2009 年；最短日照时间为1 964.2 h，出现在2019 年。 总体来看，1985—2021年伊州区棉花生育期日照时间呈略微增多趋势。

图5 伊州区1985—2021 年4-10 月日照时间变化

2.1.4初、终霜日和无霜期变化特征。 由图6～8可知：1985—2021 年伊州区终霜日略微推迟，初霜日显著提前，无霜期略微缩短。 终霜日变化倾向率为每10 年推迟1.7 d， 初霜日变化倾向率为每10 年提前5.8 d，无霜期变化倾向率为每10 年缩短7.5 d。

图6 伊州区1985—2021 年终霜日变化

2.1.5高温日数变化特征。伊州区高温天气主要集中在5-9 月，以日最高气温≥35.0 ℃为高温日，其中日最高气温≥35.0 ℃为一般高温日， 日最高气温≥37.0 ℃为强高温日，日最高气温≥40.0 ℃为特强高温日。

由图9～11 分析得出： 伊州区1985—2021 年高温日数呈极显著增加趋势，高温日数变化倾向率为每10 年增加6.6 d （R2＝0.398 2，P＜0.001）。 其中，一般高温和强高温日数极显著增加，分别为每10 年增加6.5 d （R2＝0.404 4，P＜0.001） 和5.0 d（R2＝0.415 9，P＜0.001）。 高温日数出现频率表现为7 月＞8 月＞6 月＞5 月＞9 月，强高温日数出现频率表现为7 月＞8 月＞6 月＞5 月＝9 月。

图7 伊州区1985—2021 年初霜日变化

图8 伊州区1985—2021 年无霜期变化

图9 伊州区1985—2021 年历年平均高温日数变化

图10 伊州区1985—2021 年一般高温、强高温和特强高温日数变化

图11 伊州区1985—2021 年5-9 月高温日数变化

2.1.6≥10 ℃、≥15 ℃积温变化特征。 图12～13分析得出： 伊州区1985—2021 年4-10 月棉花生育期≥10 ℃、≥15 ℃平均积温分别为4 075.8 ℃、3 529.3 ℃，≥10 ℃、≥15 ℃积温倾向率为每10 年分别增加128.8 ℃（R2＝0.310 7，P＜0.001）和225.3 ℃（R2＝0.477，P＜0.001），呈极显著增多趋势。1985—2021 年4-10 月棉花生育期≥10 ℃、≥15 ℃积温不稳定，年际波动较大，1985—1996 年处于低积温区，谷值出现在这一时期。 1997—2015 年处于积温振荡期，积温值在平均值附近上下波动，变幅较大。2016—2021 年处于高积温区， 积温明显上升但变幅不大，峰值出现在这一时期。

图12 伊州区1985—2021 年4-10 月≥10 ℃积温变化

图13 伊州区1985—2021 年4-10 月≥15 ℃积温变化

2.2 棉花生育期特征

2.2.1伊州区棉花发育期平均日期。伊州区棉花一般从4 月中旬开始播种，4 月下旬播种结束， 在10月上中旬停止生长。 表1 为伊州区1985—2021 年棉花生育时期历年平均日期。

表1 伊州区1985—2021 年棉花发育平均日期（月-日）

2.2.2棉花各生长发育期趋势变化。 图14 分析得出：伊州区1985—2021 年棉花播种期、出苗期、三叶期、五叶期、开花期、停止生长期均呈现出不同程度的提前趋势，其中播种期极显著提前，倾向率为每10 年提前2.1 d（R2＝0.305，P＜0.001）。 现蕾期、裂铃期、吐絮期有程度不一的延迟趋势，其中裂铃期和吐絮期显著或极显著延迟，倾向率分别为每10 年延迟2.6 d（R2＝0.124，P＝0.033）和4.7 d（R2＝0.292，P＝0.001）。

图14 伊州区1985—2021 年棉花生育时期变化

由图15 分析得出，伊州区1985—2021 年棉花播种期-出苗期、出苗期-现蕾期、开花期-吐絮期、 播种期-停止生长期呈延长趋势， 其中出苗期-现蕾期和开花期-吐絮期呈极显著延长趋势。现蕾期-开花期、吐絮期-停止生长期呈显著缩短趋势（P＜0.05）。 播种期-出苗期平均为14 d，线性倾向率为每10 年延长0.8 d，最长为2006 年的35 d，最短为1992 年的8 d； 出苗期-现蕾期平均为43 d， 线性倾向率为每10 年延长2.4 d， 最长为2014 年和2016 年的56 d，最短为2006 年的30 d；现蕾期-开花期平均历时31 d， 线性倾向率为每10 年缩短1.3 d， 最长为1993 年的38 d， 最短为1999 年、2000 年和2019 年的23 d； 开花期-吐絮期平均历时67 d，线性倾向率为每10 年延长4.0 d，最长为1991 年的78 d，最短为1985 年的45 d。 吐絮期-停止生长期平均历时24 d，线性倾向率为每10 年缩短4.0 d，年际波动较大，最长为1985 年和1990 年的46 d，最短为2015 年的1 d；播种期-停止生长期平均为175 d，线性倾向率为每10 年增加1.8 d，年际波动大，其中最长为2009 年的194 d，最短为1992 年和2000 年的159 d。

图15 伊州区1985—2021 年棉花生育阶段变化

2.2.3气象因子对棉花生长发育的影响。从表2 可见，伊州区棉花生长发育受温度因素的影响较为明显，播种期与4 月平均气温、平均最高气温、平均最低气温、极端最低气温、地面温度、5 cm 地温呈极显著负相关关系（P＜0.01），说明4 月各温度越高，播种期越早。 出苗期与5 月平均气温、平均最高气温、平均最低气温、极端最高气温、地面温度、5 cm地温极显著正相关（P＜0.01）。 三叶期与5 月平均气温、平均最高气温、平均最低气温呈显著负相关（P＜0.05），与地面温度和5 cm 地温呈极显著负相关关系（P＜0.01），即各温度赿高，三叶期明显提前。五叶期、现蕾期、开花期均与5-7 月平均气温、平均最高气温、平均最低气温、地面温度呈极显著正相关关系（P＜0.01）。 裂铃期与9 月平均最低气温、地面温度、5 cm 地温极显著正相关（P＜0.01）。停止生长期与10 月平均气温、平均最低气温、地面温度、5 cm 地温显著正相关，与极端最高温度呈极显著正相关关系。日照时间总体上与伊州区棉花各发育期呈负相关关系，即日照时间长，各发育期均会提前，其中与播种期、开花期、裂铃期、吐絮期呈显著负相关关系。降水量对棉花生育时期影响不显著，主要是因为伊州区农业为灌溉区农业，故受降水量的影响不大。

3 讨论与结论

伊州区1985—2021 年4-10 月棉花生育期气候特征为平均气温升高，降水量、日照时间增加，初霜日提前，终霜日推迟，无霜期缩短，高温日数和积温增加。 受气候变化影响，伊州区棉花表现为播种期、出苗期、三叶期、五叶期、开花期、停止生长期均有不同程度的提前趋势， 其中播种期极显著提前；现蕾期、裂铃期、吐絮期有程度不一的延迟趋势，其中裂铃期和吐絮期显著或极显著延迟；播种期-出苗期、出苗期-现蕾期、开花期-吐絮期、全生育期延长，其中出苗期-现蕾期和开花期-吐絮期呈极显著延长趋势；现蕾期-开花期、吐絮期-停止生长期呈显著缩短趋势。

平均气温升高、降水偏多、日照时间和积温增加的变化特征对伊州区的棉花生长以有利为主。平均气温升高，日照时间和积温增加，使伊州区棉花生长期内热量增加， 有利于加快棉花生育进程，尤其是播种期、三叶期、五叶期、开花期。热量越高，播种期越早，后期的各个发育期均会提前。 日照时间增加，棉花的播种期、出苗期、开花期、裂铃期、吐絮期均有提前趋势。 充足的日照时间，有利于棉株的光合作用，提高棉花成铃率和铃重，提升纤维品质，对棉花的产量和品质有正向作用。 ≥10 ℃的积温是棉花生长的基本热量条件，≥15 ℃积温是棉花积极生长的热量条件。积温的增加尤其对棉花出苗有利，播种期-出苗期和出苗期-现蕾期呈缩短趋势，2016—2021 年积温增加趋势明显，对棉花产量和品质的提高有积极作用。如果气候继续维持目前变化趋势，伊州区棉花适播区范围将扩大，对伊州区农业生产结构和布局将产生重大影响。

初霜日提前，终霜日推迟，无霜期缩短，高温日数增加的变化特征对伊州区的棉花生长以不利为主。初霜日提前，棉花停止生长期则提前；终霜日推迟，棉花播种期延迟，则棉花全生育期天数就会缩短，影响棉花干物质积累，易使霜前花率降低，影响棉花产量和品质。 伊州区高温日天气较多出现在6-8 月，而此时正值棉花现蕾期和开花期。 现蕾期遇高温，会使棉花顶芽旺长，侧芽生长受到抑制，现蕾速度减慢。开花期遇高温，则降低棉花花粉活力，影响棉铃发育，减少成铃率，增加蕾铃脱落率，尤其是幼铃发育受阻，增加未成熟铃率，对棉花的产量影响较大。

综上所述，1985—2021 年伊州区棉花生育期气候特征对棉花生长发育有利有弊，但总体上略有利。 因此，伊州区在棉花生产过程中除了调整农业结构，改进耕作制度，选育优良品种外，还要加强对气候的预测预报及其对农业影响的评估，研究不利影响的对策措施，提出有效的农业适应气候变化对策，主动将损失减少到最小。