吉春容，張玲，楊明鳳，朱惠芝，嚴彩虹，向導

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站，新疆石河子 832000；3.炮臺氣象站，新疆石河子 832000；4.莫索灣氣象站，新疆石河子 832000）

石河子綠洲棉區(qū)覆膜內(nèi)5 cm地溫變化與氣溫的關系及預報

吉春容1，2，張玲2，楊明鳳2，朱惠芝2，嚴彩虹3，向導4

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；2.烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站，新疆石河子 832000；3.炮臺氣象站，新疆石河子 832000；4.莫索灣氣象站，新疆石河子 832000）

膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃為棉花適宜播種的溫度指標，找出地膜內(nèi)5 cm地溫與氣溫的定量關系并進行地溫預報，同時確定對應的日平均氣溫的穩(wěn)定界限指標值，就成為開展棉花適宜播種期預報的關鍵所在。以石河子綠洲覆膜栽培棉區(qū)為研究對象，分析了2008—2014年棉區(qū)春播期膜內(nèi)5 cm地溫、氣溫的變化趨勢以及氣溫與覆膜內(nèi)、外地溫的關系，并建立了膜內(nèi)5 cm地溫預報模型。結果表明：近年來石河子棉區(qū)春播期內(nèi)氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫變化趨勢一致，均有所上升，且膜內(nèi)5 cm地溫顯著高于膜外地溫和日平均氣溫。棉田覆膜內(nèi)外5 cm地溫與氣溫之間顯著相關（P≤0.01），石河子棉田覆膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃時，對應的日平均氣溫界限范圍為6.3～8.2℃；利用逐日氣溫建立膜內(nèi)5 cm地溫預報模型，回代檢驗絕對誤差平均為1.01℃，2014和2015年預報檢驗絕對誤差分別為0.5、0.7℃。預報模型可為更好地開展棉花播種期氣象服務提供參考依據(jù)。

綠洲棉區(qū)；膜內(nèi)5 cm地溫；氣溫；預報模型

石河子綠洲墾區(qū)是新疆重要的棉花生產(chǎn)基地[1]，僅2014年棉花種植面積就超過1.6×105hm2，約占全區(qū)種植作物總面積的73%，且多為中早熟品種。棉花生產(chǎn)與氣象條件密切相關[2-3]，石河子墾區(qū)地處天山北麓中段，屬于典型的溫帶大陸性氣候，春季冷空氣活動頻繁，多發(fā)生大風、霜凍、低溫、倒春寒等災害，對棉花播種存在嚴重影響。目前，石河子墾區(qū)棉花大田播種方式大多為機械覆膜膜上點播，播種深度均位于土層2～3.5 cm，膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃即可播種。春季適時播種可保證出苗率，并減少低溫、霜凍的危害。而淺層（0～20 cm）地溫變化直接影響大田播種和出苗，但由于距離地表近，受太陽輻射、土壤性質(zhì)等不同因子影響，春季氣溫、淺層地溫波動較大[4]，成為預報難點，進而影響棉花適宜播種期氣象服務。

有關地溫的研究主要集中分析氣溫和地溫的時空變化規(guī)律[5-6]、地氣溫預報研究[7-8]、氣溫和地溫的關系[9-10]及其對冬小麥、水稻等不同作物[11-13]發(fā)育期的影響。地溫變化是影響棉花適宜播種的主要氣象因子之一，膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃即可播種，也為棉花適宜播種的溫度指標；而目前預報服務中日平均氣溫為常規(guī)項目之一，找出地膜內(nèi)5 cm地溫與氣溫的定量關系，并確定地膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃時對應的日平均氣溫的穩(wěn)定界限指標值，就成為開展春季棉田地溫預報和棉花適宜播種期預報的關鍵所在。本文利用石河子綠洲不同覆膜栽培棉區(qū)2008—2014年棉花春播期內(nèi)氣溫、5 cm地溫及覆膜內(nèi)5 cm地溫逐日資料，在分析棉區(qū)氣溫、覆膜內(nèi)外地溫變化規(guī)律的基礎上，探討氣溫對膜內(nèi)5 cm地溫的影響及其相互關系，以期通過氣溫預測膜內(nèi)地溫進而判斷棉花適宜播種期，為指導棉花安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

資料來源于石河子綠洲棉區(qū)炮臺、莫索灣和烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗站，包括2008—2014年每年春播期內(nèi)逐日氣溫、5 cm地溫和棉花大田膜內(nèi)5 cm地溫逐日資料。棉花播種期以農(nóng)業(yè)氣象觀測資料為準（見表1）。本文的春播期是指石河子棉區(qū)歷年大田主要播種期，即4月1—30日。采用相關分析、回歸統(tǒng)計方法，以膜內(nèi)5 cm地溫作為預報對象，利用逐日氣溫為預報因子建立預報方程。

表1 石河子棉區(qū)2008—2014年棉花播種期（月-日）差異變化

2 結果與分析

2.1 春播期日平均氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫差異

石河子棉區(qū)2008—2014年春播期內(nèi)各區(qū)域平均氣溫和膜內(nèi)5 cm地溫的地域差異不顯著，但膜內(nèi)5 cm地溫都顯著高于氣溫（表2）。膜外5 cm地溫各棉區(qū)存在顯著差異（P<0.05），淺層地溫直接受太陽輻射影響，波動較大，覆膜條件下形成局部微氣候，膜內(nèi)5 cm地溫差異變化不明顯。

表2 石河子棉區(qū)2008—2014年春播期內(nèi)平均氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫/℃

2.2 春播期氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫年變化

石河子棉區(qū)春播期內(nèi)2008年至今氣溫和地溫均有所上升（圖1），變化趨勢一致，但日平均氣溫明顯低于膜內(nèi)外5 cm地溫。方差分析結果表明，氣溫與膜內(nèi)、外5 cm地溫間存在顯著差異（P<0.05），以膜內(nèi)5 cm地溫顯著高于膜外地溫和日平均氣溫。研究表明，棉花種子最適宜發(fā)芽溫度為10～12℃，近5a來，石河子棉區(qū)春播期內(nèi)日平均氣溫變化范圍在9.9～16.1℃，膜內(nèi)5 cm地溫變化范圍在13.6～20.4℃，棉田覆膜具有顯著的增溫作用，有利于保墑適播。

圖1 石河子棉區(qū)2008—2014年春播期日平均氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫年變化

2.3 春播期氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫逐日變化

由圖2可知，2008年以來石河子棉區(qū)春播期內(nèi)日平均氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫均呈上升趨勢，膜內(nèi)5 cm地溫顯著高于日平均氣溫和膜外地溫。膜內(nèi)5 cm地溫基本在4月上旬初就穩(wěn)定通過12℃，而膜外5 cm地溫和日平均氣溫穩(wěn)定通過12℃的日期有推后趨勢；4月中旬初日平均氣溫穩(wěn)定通過12℃，膜外5 cm地溫4月上旬中穩(wěn)定通過12℃，時間上存在差異。

2.4 春播期膜內(nèi)5 cm地溫預報

2.4.1 氣溫與膜內(nèi)5 cm地溫的關系

應用統(tǒng)計回歸方法建立石河子棉區(qū)膜內(nèi)5 cm地溫與氣溫線性關系的相關系數(shù)R達0.9202，通過0.0001顯著性檢驗（圖3）。膜內(nèi)外5 cm地溫之間、膜外5 cm地溫與氣溫之間的線性回歸表明，相關系數(shù)分別為0.977、0.930，均通過0.000 1顯著性檢驗，說明地溫與氣溫的變化趨勢具有較好的一致性，通過氣溫解釋地溫比較可行。

以5 cm土壤溫度穩(wěn)定通過10～12℃作為棉花適宜播種的溫度指標，而日平均氣溫為常規(guī)預報項目之一，找出地膜內(nèi)5 cm地溫與氣溫的定量關系，并確定地膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃時對應的日平均氣溫的穩(wěn)定界限指標值，應是開展春季棉田地溫預報和棉花適宜播種期預報的關鍵所在。由圖3計算得出，石河子綠洲棉田覆膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃時，對應的日平均氣溫界限范圍為6.3～8.2℃。

圖3 日平均氣溫與膜內(nèi)5 cm平均地溫的關系

2.4.2 春播期膜內(nèi)5 cm地溫預報

圖2 石河子棉區(qū)2008—2014年春播期日平均氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫日變化

石河子綠洲棉區(qū)棉花大田播種方式大多為機械覆膜膜上點播，膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃即可播種，因此，膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10℃的日期在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到高度重視。利用2008—2013年逐日平均氣溫作為預報因子進行回歸分析，建立石河子棉區(qū)春播期內(nèi)棉田膜內(nèi)5 cm地溫與氣溫關系模型（表3），各模型相關系數(shù)均在0.9以上，且均通過0.000 1檢驗，說明回歸模型具有較強的解釋能力。

表3 平均氣溫與膜內(nèi)5 cm平均地溫的回歸分析

將2008—2013年春播期內(nèi)逐日氣溫代入上述方程，計算膜內(nèi)5 cm地溫預報的Y值，進行回代檢驗（表4），誤差平均為1.01℃。其中，2009年誤差最小，2013年誤差最大。

表4 2008—2013年膜內(nèi)5 cm地溫歷史回代檢驗絕對誤差/℃

將2014和2015年春季氣溫預報值代入模型進行預報檢驗（表5），預報逐日膜內(nèi)5 cm地溫值，絕對誤差分別為0.5、0.7℃。說明建立的預報模型在對歷史的擬合和預報方面均具有較強的能力。

表5 2014—2015年預報檢驗絕對誤差/℃

3 結論與討論

3.1 討論

氣溫、地溫均是影響植物生長的主要因素，關注地溫、氣溫變化趨勢，分析地氣增溫特征的關系，可為進一步研究氣候變暖背景下不同因素對作物生長的影響機理奠定基礎。對石河子綠洲棉區(qū)氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫的研究表明，近年來氣溫、膜內(nèi)5 cm地溫均呈顯著上升趨勢，與大部分研究結果一致[14-18]。

氣溫與地溫密切相關，二者的長期變化趨勢比較一致。但地溫的短期波動幅度較為劇烈[4，19-21]，又不能簡單地用氣溫變化趨勢指導棉花播種時間的調(diào)整，地溫的預報成為指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)之一。以往已有大量關于利用氣溫預報地溫進而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務的研究成果[4，7，11，20-24]，預報因子的選擇包括逐日氣溫、預報前5d的20 cm平均地溫、太陽輻射等不同因子。本文在分析氣溫與膜內(nèi)5 cm地溫關系基礎上，建立了二者相關關系模型，在實際服務中，需要將未來的日平均氣溫預報值代入建立的回歸模型，進而得到未來相應時段的膜內(nèi)5 cm地溫預報結果。但本結論適合節(jié)水灌溉、覆膜栽培種植區(qū)開展棉花播種期服務時參考。不同區(qū)域、不同氣候類型的應用有待不斷完善。

關于棉花適宜播種期預測服務指標已有大量研究成果[1-2，25-28]，包括日平均氣溫5日滑動平均穩(wěn)定≥10℃初日和播種—出苗期間熱量指數(shù)、播種前期氣溫等不同方面。目前一般以覆膜內(nèi)5 cm土壤溫度穩(wěn)定通過10～12℃作為棉花適宜播種的溫度指標，由于各級氣象部門并未開展5 cm地溫，尤其是地膜內(nèi)5 cm地溫的預報業(yè)務，而日平均氣溫卻是常規(guī)預報項目之一。另外，對某一特定地區(qū)來說，地溫與氣溫都有比較密切的關系，找出地膜內(nèi)5 cm地溫與氣溫的定量關系，并確定地膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃時對應的日平均氣溫的穩(wěn)定界限指標值，就成為開展春季棉田地溫預報和棉花適宜播種期預報的關鍵所在。石河子綠洲棉田覆膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃時，對應的日平均氣溫界限范圍為6.3～8.2℃，可為棉花適宜播種期預報服務提供參考依據(jù)。

3.2 結論

棉花是石河子綠洲重要的經(jīng)濟作物，春季棉田膜內(nèi)5 cm地溫對于大田播種至關重要。本文對綠洲棉區(qū)氣溫和地溫的變化特征進行了分析，并構建膜內(nèi)5 cm地溫預報模型，可為更好地開展棉花播種期氣象服務提供決策參考。

（1）近年來，石河子棉區(qū)春播期內(nèi)氣溫和膜內(nèi)外5 cm地溫變化趨勢一致，均有所上升。膜內(nèi)5 cm地溫顯著高于膜外地溫和日平均氣溫，棉田覆膜可顯著增溫，有利于保墑適播。

（2）利用5d滑動法計算2008—2013年春播期膜內(nèi)5 cm地溫，石河子棉區(qū)膜內(nèi)5 cm地溫4月上旬初穩(wěn)定通過12℃，而膜外5 cm地溫集中在4月上旬、日平均氣溫主要在4月中旬，較之膜內(nèi)有推后趨勢。

（3）石河子棉區(qū)春播期內(nèi)膜內(nèi)5 cm地溫與氣溫之間呈顯著相關（P≤0.01），通過氣溫解釋膜內(nèi)5 cm地溫比較可行。石河子棉田覆膜內(nèi)5 cm地溫穩(wěn)定通過10～12℃時，對應的日平均氣溫界限范圍為6.3～8.2℃。

（4）利用逐日平均氣溫作為預報因子，建立春播期內(nèi)膜內(nèi)5 cm地溫預報模型。方程檢驗效果較好，歷史回代絕對誤差平均為1.01℃，2014和2015年預報檢驗絕對誤差分別為0.5、0.7℃；實際業(yè)務服務中，需要將未來日平均氣溫預報值代入模型中得到相應時段的膜內(nèi)5 cm地溫預報結果，預報模型可用于棉花播種期氣象服務參考。

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The Relationship of ground Temperature at 5 cm Soil Depth of Plastic mulching with air Temperature and Its Prediction in Cotton area of Shihezi Oasis

JI Chunrong1，2，ZHANG Ling2，YANG Mingfeng2，ZHU Huizhi2，YAN Caihong3，XIANG Dao4

（1.Institute of Desert Meteorology，China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Wulanwusu Agro-Meteorological Station，Shihezi 832000，China；3.Paotai meteorological Station,Shihezi 832000,China；4.Mosuowan Meteorological Station，Shihezi 832000，China）

The field will be ready for cotton seeding if the ground temperature under 5 cm soil depth with plastic mulching stands at 10～12℃,generally.Therefore research on the relationship between ground and air temperature,and focuses on the corresponding extent index of air temperature is important to carry out meteorological predicting of sowing date.Based on the data of air temperature and ground temperature from 2008 to 2014 in cotton area of Shihezi oasis under cultivation with plastic mulching，variation trend of ground temperature and its relationship with air temperature were analyzed,and a forecast model of ground temperature at 5 cm soil depth was built. The results showed as follows.The annual change of mean air and ground temperatures at 5 cm soil depth with or without plastic mulching presented significant increasing trends in recent years,and the rise was asymmetric.The mean ground temperature at 5 cm soil depth with plastic mulching was higher than mean air temperature.The relationship was significant between 5 cm ground temperature with plastic mulching and air temperature,5 cm ground temperature without plastic mulching,respectively.When the mean ground temperature at 5 cm soil depth with plastic mulching staying at 10～12℃,the corresponding extent index of air temperature was 6.3～8.2℃.The prediction model of the 5 cm ground temperature with plastic mulching was established using the daily mean temperature as factor.The average absolute error was 1.01℃tested with history back to the generation,and it was0.5and0.7℃for a prediction of 2014and 2015.The forecast model can be a reference for the sowing date meteorological service.

cotton area of oasis；ground temperature at 5 cm soil depth with plastic mulching；air temperature；prediction model

S165

A

1002-0799（2015）05-0016-06

吉春容，張玲，楊明鳳，等.石河子綠洲棉區(qū)覆膜內(nèi)5 cm地溫變化與氣溫的關系及預報[J].沙漠與綠洲氣象，2015，9（5）：16-21.

10.3969/j.issn.1002-0799.2015.05.003

2015-02-03；

2015-04-28

公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY（QX）201506001）；國家自然基金（41375122）；公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201106025）共同資助。

吉春容（1983-），女，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)氣象災害相關研究。E-mail：jcr83@163.com