2011—2019年阿拉尔垦区棉纤维品质变化的关键气候驱动因子分析

王雨思，吴 凡，陈国栋，程 珍，牛建龙*

（1.新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.塔里木大学 农学院，新疆 阿拉尔 843300；3.新疆生产建设兵团工程咨询有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

棉纤维品质是棉花品种遗传特性和生态环境共同作用的结果，气象因子对棉纤维品质起着重要作用。IPCC第5次报告指出，与1986—2005年相比，2016—2035年间全球平均气温可能升高0.3～0.7 ℃，2081—2100年可能上升0.3～4.8 ℃［1］。2010—2019年是有记录以来最暖的10 a［2］，在此期间极端天气气候事件频发，对作物生产造成了严重威胁，因此气候变暖已成为学术界共同关注的重大科学问题［3］。Bradow等［4］认为，棉纤维品质主要受遗传因素的影响，但气象等环境因子对马克隆值和成熟度变异的贡献率高达11%～34%，对长度和强度变异的贡献率达10%～24%。Danforth等［5-8］认为，棉纤维长度主要由基因决定，与气象因子关系不大。王小龙［9］认为，温度对棉纤维发育很重要，≥12 ℃的活动积温是衡量棉铃能否正常发育的重要指标。张丽娟等［10］认为，棉纤维断裂比强度和马克隆值与日均温和累积降水量紧密相关。杨佑明等［11］认为，温度不仅能影响棉纤维细胞的起始时间，也能影响纤维细胞的起始数目，同时高温对纤维细胞的起始具有破坏作用。周治国等［12］认为，相对湿度是影响棉纤维强度的主要因子，日照时数和温度对棉纤维强度的影响表现为正效应。邹陈等［13］认为，新疆石河子垦区棉纤维断裂比强度与热量条件关系最为明显。熊宗伟等［14］认为，气象因子对棉纤维品质有着重要的影响，日平均气温越高，≥12 ℃的有效积温越大，降水日数越少，棉纤维长度越长；日均最低气温越高，棉纤维比强度越大；日均最低温度和平均相对湿度越高，降水日数越少，马克隆值越大。以往研究大多未分离棉花纤维的气候品质和趋势品质，对南疆阿拉尔垦区棉纤维品质变化的关键气候驱动因子分析甚少。

南疆阿拉尔垦区（80°30′～81°58′E，40°22′～40°57′N)位于塔克拉玛干沙漠北缘，光、热资源丰富，降水极为稀少，属于典型的暖温带极端干旱沙漠气候带［15］。2000年后，垦区棉花种植面积逐年增多，2015年已达13.39万hm2，已成为南疆主要的农、林、牧业灌溉区和重要的国家级棉花生产基地。20世纪80年代末，南疆阿拉尔垦区出现了暖湿的信号转变，春季增温幅度达0.52 ℃/10 a［16］，对垦区棉花品质造成了严重威胁。近些年来，南疆阿拉尔垦区虽然从黄河流域引进了大量的陆地棉品种，但由于区域生态环境和气候条件的差异性，垦区棉纤维的品质指标出现了匹配不理想的情况［17］。因此，本文重点分析了南疆阿拉尔垦区2011—2019年棉纤维品质变化的关键气候驱动因子，旨在为气候暖湿化背景下垦区棉花育种、引种、品质改良和生态规划等提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

南疆阿拉尔垦区棉纤维品质数据主要来源于新疆阿拉尔市棉纤维检测所，包括纤维长度、马克隆值、断裂比强度和整齐度指数。垦区同期棉花生育期数据来源于新疆农业气象中心，将棉花分为播种—出苗、出苗—现蕾、现蕾—开花、开花—吐絮和吐絮—停止生长5个生育阶段。垦区同期地面气象要素数据来源于新疆阿拉尔市气象局，主要包括日平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、日照时数和降水量。

1.2 研究方法

1.2.1 气候贡献值的确定 在传统作物产量计算模型(Y=Yw+Yt+e)的基础上，借鉴贝尔(Baier)的产量模式思路，将作物气候品质表示为趋势品质和气候影响因子的乘积(Yw=αYt+e)，综合得到作物气候品质(Yw)与实际品质(Y)之间的关系模型，计算公式［18］为：

式（1）中：Y为作物的实际品质；Yw为作物的气候品质；Yt为作物的技术品质（趋势品质）；e为受随机因素影响的产量分量，因为e很小，本研究忽略e的影响；α为气候影响因子，当α＝0时，Yw=0。

1.2.2 棉纤维品质比例、生育期、气候要素的倾向率 棉纤维品质比例、生育期和气候要素的倾向率计算主要采用最小二乘法［19］，可用如下一次线性方程表示：

式（2）中：xi为要素值；a为常数项；b为回归系数；i为时间序列的年份序号。文中物候期、生育期的倾向率等于回归系数。

1.2.3 优势分析方法 气候要素对棉纤维品质的影响分析主要采用优势分析法，该方法最大的优点是在完全优势的情况下，用各气候要素的总平均贡献占已知方差的百分比来表示各气候要素对棉花品质影响的相对重要性，更为直观和准确［20］。

1.3 主要棉纤维品质指标

1.3.1 纤维长度 将棉纤维长度分为25、26、27、28、29、30和31 mm共7个等级。以28 mm作为棉纤维长度的标准级，长度越长，表示可纺纱等级越高。

1.3.2 断裂比强度 当断裂比强度＜24.0 cN/tex时，为“很差”档；当断裂比强度为24.0～25.9 cN/tex时，为“差”档；当断裂比强度为26.0～28.9 cN/tex时，为“适中”档；当断裂比强度为29.0～30.9 cN/tex时，为“强”档；当断裂比强度≥31.0 cN/tex时，为“很强”档。断裂比强度为“强”“很强”的棉花为纤维强度较好的棉花。

1.3.3 马克隆值 马克隆值是棉花细度和成熟程度的一个综合反映指标。马克隆值在3.7～4.2范围内定为A级，为马克隆值较好的棉花；马克隆值在3.5以下和5.0以上的定为C级；其余为B级。马克隆值达到A级和B级的棉花为成熟度较好的棉花。

1.3.4 整齐度指数 棉纤维长度的整齐度指数分级标准为：≥86.0%为“很高”档；83.0%～85.9%为“高”档；80.0%～82.9%为“中等”档；77.0%～79.9%为“低”档；＜77.0%为“很低”档。整齐度指数为“高”“很高”的棉花为棉纤维长度分布较好的棉花。

2 结果与分析

2.1 南疆阿拉尔垦区优质棉纤维品质指标的动态变化

2011—2019年南疆阿拉尔垦区优质棉纤维品质的气候影响因子和过程变化分别见表1和图1。优质棉纤维马克隆比例、长度比例、断裂比强度比例和整齐度指数比例变化受气候影响的年际间波动较大。其中，优质棉纤维马克隆比例呈减少趋势，降幅为0.015%/a；气候马克隆比例呈略微增加趋势，增幅仅为1.0×10-12%/a，以2015年影响最大，影响率为9.59%，2013年影响最小，影响率仅为0.05%。优质棉纤维长度比例呈增加趋势，增幅约为0.38%/a；气候长度比例呈减少趋势，降幅为3.0×10-10%/a，以2013年影响最大，影响率为58.87%，以2012年影响最小，影响率为3.32%。优质棉纤维断裂比强度比例呈增加趋势，增幅约为0.11%/a；气候断裂比强度比例呈减少趋势，降幅为5.0×10-12%/a，以2014年影响最大，影响率为122.06%，以2017年影响最小，影响率为20.41%。优质棉纤维整齐度指数比例呈减少趋势，降幅为0.16%/a；气候整齐度指数比例呈增加趋势，增幅为1.0×10-10%/a，以2017年影响最大，影响率为61.56%，以2011年影响最小，影响率为2.57%。上述结果表明：2011—2019年气候变化对南疆阿拉尔垦区优质棉纤维马克隆和整齐度指数比例的增加起到促进作用，对优质棉纤维长度和断裂比强度比例的增加起到抑制作用。

图1 2011—2019年南疆阿拉尔垦区优质棉纤维品质的动态变化

表1 2011—2019年南疆阿拉尔垦区棉花品质变化的气候影响因子 %

2.2 南疆阿拉尔垦区棉花生育期和主要气候要素的动态变化

2.2.1 棉花生育期的动态变化 2011—2019年南疆阿拉尔垦区棉花生育历期的变化见表2。棉花平均全生育期、播种—出苗、出苗—现蕾、现蕾—开花、开花—吐絮和吐絮—停止生长历期分别为193、16、40、32、75和36 d，全生育期、播种—出苗、出苗—现蕾和吐絮—停止生长历期均呈增加趋势，增幅分别为1.52（P＜0.01）、0.45（P＜0.01）、1.05、1.80 d/a（P＜0.01）；现蕾—开花和开花—吐絮历期均呈减少趋势，降幅分别为0.68（P＜0.05）和1.10 d/a（P＜0.05），这表明2011—2019年南疆阿拉尔垦区棉花全生育期、播种—出苗、出苗—现蕾和吐絮—停止生长历期均呈延长趋势，现蕾—开花和开花—吐絮历期均呈缩短趋势。

表2 2011—2019年南疆阿拉尔垦区棉花生育历期的变化

2.2.2 主要气候要素的动态变化 2011—2019年阿拉尔垦区棉花生育期及其关键月气候要素的动态变化趋势见表3。棉花全生育期的最高气温呈显著减小趋势，降幅为0.0559 ℃/a；平均气温、最低气温、活动积温和降水量呈不显著增加趋势；气温日较差、日照时数和相对湿度呈不显著减少趋势。其中，播种—出苗期的活动积温和降水量呈极显著增加趋势，气温日较差呈极显著下降趋势，变幅分别为6.81 ℃·d/a、0.035 mm/a和0.4052 ℃/a；其余气象要素的变化均不明显。出苗—现蕾期的最低气温和相对湿度呈显著减少趋势，降幅分别为0.0496 ℃/a和1.2923%/a；其他各气象要素的变化均不明显。现蕾—开花期的活动积温、日照时数和相对湿度呈极显著减少趋势，降水量呈极显著增加趋势，6月的气温日较差呈显著减少趋势，变幅分别为16.74 ℃·d/a、12.112 h/a、0.6251%/a、1.9733 mm/a和0.0617 ℃/a；其他气象要素的变化均不明显。开花—吐絮期的平均气温、降水量和7月的最低气温呈显著增加趋势，7月、8月的日照时数呈显著减少趋势，变幅分别为0.2178 ℃/a、2.89 mm/a、0.0328 ℃/a、0.5243 h/a和0.9100 h/a；其他气象要素的变化均不明显。吐絮期—停止生长的活动积温和降水量呈极显著增加趋势，日照时数呈显著增加趋势，增幅分别为41.495 ℃·d/a、0.8017 mm/a和17.84 h/a；其他气象要素的变化不明显。

表3 2011—2019年阿拉尔垦区棉花生育期及其关键月份主要气候要素的变化趋势

2.3 南疆阿拉尔垦区棉纤维品质的气候驱动因子分析

为了检测棉花生育期和主要气候要素变化对棉纤维品质的定量驱动，本文采用分离的气候棉纤维品质分别与生育期和各生育期主要气候因子做了相关性分析，并对显著性影响因子进行了优势分析，结果如表4和图2所示。在2011—2019年期间，南疆阿拉尔垦区优质棉纤维品质指标与各生育历期的关系均不明显，受气候影响的优质棉纤维马克隆比例变化与7月积温、平均气温和最高气温呈极显著负相关，与降水量呈显著正相关，贡献率分别为27.40%、27.11%、19.29%和26.23%；还与9月降水量呈极显著负相关，与最高气温呈显著正相关，贡献率分别为59.94%和40.06%。受气候影响的优质棉纤维长度比例变化与出苗—现蕾期日照时数呈极显著正相关，与降水量呈显著负相关，贡献率分别为55.79%和44.21%；还与8月最低气温呈极显著负相关，与活动积温和平均气温呈显著负相关，贡献率分别为29.38%、29.38%和41.20%；还与9月降水量呈显著负相关。受气候影响的优质棉纤维断裂比强度比例变化与8月气温日较差呈显著正相关，与9月降水量呈显著负相关。受气候影响的优质棉纤维整齐度指数比例变化与播种—出苗期相对湿度呈极显著负相关，与7月日照时数呈显著正相关，贡献率分别为49.90%和50.12%。

图2 2011—2019年南疆阿拉尔垦区优质棉纤维品质与主要气候要素之间的相关系数

表4 2011—2019年南疆阿拉尔垦区优质棉纤维品质与生育历期间的相关系数

综上所述，在2011—2019年期间，南疆阿拉尔垦区棉纤维品质的变化是由平均气温、活动积温、最低气温、最高气温、气温日较差、相对湿度、降水量和日照时数综合作用的结果，其中7月活动积温增加对优质棉纤维马克隆比例增加的影响最大，平均气温增加的影响次之；出苗—现蕾期日照时数增加和8月平均气温增加对优质棉纤维长度比例减小的影响最大；8月气温日较差减小和9月降水量增加对优质棉纤维断裂比强度比例减小的影响最大；播种—出苗期相对湿度减小和7月降水量减少对优质棉纤维整齐度指数比例增加的影响最大，7月日照时数减少的影响次之。

3 讨论

棉纤维马克隆值、断裂比强度、纤维长度和整齐度既是衡量棉花品质的重要指标，也是棉花价格、经济效益和种植区划的主导因素，对这些品质指标进行改良一直是棉区新品种培育和栽培措施改进的首要目标。本研究发现：在2011—2019年期间，南疆阿拉尔垦区棉纤维品质变化与各生育历期关系均不明显；气候变化导致优质棉纤维马克隆比例的增加以7月积温的增加影响为主，导致优质棉纤维长度比例的减小以出苗—现蕾期日照时数的增加和8月平均气温的增加影响为主，导致优质棉纤维断裂比强度比例的减小以8月气温日较差的减小和9月降水量的增加影响为主，导致优质棉纤维整齐度指数比例的增加以播种—出苗期相对湿度的减小和7月降水量的减少影响为主。上述结果与Danforth等［5-8］认为棉纤维长度与气象因子关系不大的研究结论不一致，与张丽娟等［10］认为棉纤维断裂比强度与日均温、累积降水量和相对湿度相关的结论不完全一致，也与熊宗伟等［14］的研究结果“降水量越多，棉纤维长度越长”不一致，但与“降水量越多，棉纤维马克隆值越大”的结论较为一致［14］，这可能与各研究的空间尺度、时间尺度、研究区地理环境不同有关，也可能与研究所采用的模型不同有关，有待于进一步研究。

4 结论

在2011—2019年期间，南疆阿拉尔垦区受气候影响的优质棉纤维马克隆比例和整齐度指数比例均呈增加趋势，分别以2013年和2017年的影响最大；受气候影响的优质棉纤维长度比例和断裂比强度比例均呈减少趋势，分别以2013年和2014年的影响最大。

在2011—2019年期间，南疆阿拉尔垦区棉花全生育期的最高气温呈显著减小趋势；播种—出苗期活动积温和降水量极显著增加，气温日较差极显著减少；出苗—现蕾期最低气温和相对湿度显著减少；现蕾—开花期活动积温、日照时数和相对湿度极显著减少，降水量极显著增加；开花—吐絮期平均气温和降水量显著增加；吐絮—停止生长期活动积温和降水量极显著增加，日照时数显著增加；6月气温日较差和7月最低气温显著增加，7月、8月日照时数显著减少。

在2011—2019年期间，南疆阿拉尔垦区棉纤维品质变化与各生育历期的关系均不明显，气候变化对优质棉纤维马克隆比例的增加以7月积温增加影响为主，平均气温增加影响次之；气候变化对优质棉纤维长度比例的减小以出苗—现蕾期日照时数的增加和8月平均气温的增加影响为主；气候变化对优质棉纤维断裂比强度比例的减小以8月气温日较差的减小和9月降水量的增加影响为主；气候变化对优质棉纤维整齐度指数比例的增加以播种—出苗期相对湿度的减小和7月降水量的减少影响为主，7月日照时数减少的影响次之。