王 森， 王雪姣， 郭燕云， 胡啟瑞， 火勛國(guó)， 吉春容

(新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)， 新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

【研究意義】目前，全球氣候變暖，且隨著氣候變化不斷加劇，極端天氣事件發(fā)生更加頻繁，棉花優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)增大，對(duì)棉花產(chǎn)業(yè)安全健康發(fā)展的影響極大。我國(guó)棉花產(chǎn)量占全球總量的1/4左右。近年來，受種植效益和種植結(jié)構(gòu)的影響，黃河流域和長(zhǎng)江流域棉花種植面積持續(xù)減少，而新疆憑借獨(dú)特的氣候資源和先進(jìn)栽培管理技術(shù)，已成為全國(guó)最大的棉花生產(chǎn)基地。據(jù)2020年新疆統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，2019年新疆棉花種植面積 334萬km2，總產(chǎn)量 598萬t，其種植面積和總產(chǎn)量分別占全國(guó)的76%和85%。新疆地處中緯度地區(qū)，植棉主要不利因素是生長(zhǎng)季短，年際間熱量條件變化大[1]，熱量資源的分布特征直接決定棉花的種植區(qū)劃。溫度是影響棉花生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量以及發(fā)育速率最主要的氣象因子[2-3]，對(duì)棉花物候期的早晚、最早播種日期、生長(zhǎng)季長(zhǎng)度等均有重要作用，進(jìn)而影響棉花產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5]。了解并掌握新疆棉區(qū)熱量資源的時(shí)空變化特征，對(duì)其棉花產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國(guó)內(nèi)學(xué)者采用不同的溫度指標(biāo)對(duì)新疆棉區(qū)熱量資源分布特征已進(jìn)行了大量研究。普宗朝等[6]等利用1961—2010年≥10℃積溫、最熱月(7月)平均氣溫和無霜期等熱量因素對(duì)新疆烏昌地區(qū)棉花進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃；谷然[7]利用四季和年均氣溫，年均最高氣溫，年均最低氣溫，年均氣溫日較差，穩(wěn)定通過≥0℃、≥5℃、≥10℃、≥15℃和≥20℃界限溫度初終日和持續(xù)日數(shù)、活動(dòng)積溫，初、終霜凍日和無霜凍期，最熱月、最冷月平均氣溫等熱量要素分析熱量資源的時(shí)空變化特征；田彥君等[8]利用1961—2012年北疆48個(gè)代表站的年均氣溫、無霜凍期和≥10℃積溫氣象資料分析北疆農(nóng)業(yè)熱量資源得的時(shí)空分布特征；王雪姣[9]分析得出新疆穩(wěn)定通過12℃的起始日期和終霜日分別提前0.7 d/10a和1.5 d/10a，≥12℃的終止日期和初霜日分別推遲1.7 d/10a和2.0 d/10a，≥12℃積溫增加66.2 ℃·d/10a，無霜期延長(zhǎng)3.6 d/10a。已有研究采用平均氣溫、積溫、無霜期及界限溫度初、終日等指標(biāo)來計(jì)算熱量資源的變化特征，一定程度上可反映出熱量資源變化特征。但是作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中，當(dāng)溫度低于或高于其生理下限、上限溫度時(shí)，其發(fā)育受阻，輕則停止生長(zhǎng)，重則產(chǎn)生不同程度的危害直至植株死亡。上述的熱量指標(biāo)在反映棉花生長(zhǎng)發(fā)育有效熱量資源方面存在一定的局限性，無法反映高溫、低溫對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】生理發(fā)育時(shí)間是將棉花在最適溫度條件下的一天定義為一個(gè)生理發(fā)育日[1]，該指標(biāo)利用每日熱效應(yīng)綜合評(píng)估高溫、低溫和最適溫度等熱量條件對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響，可定量計(jì)算棉花實(shí)際生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程。探究基于生理發(fā)育時(shí)間的新疆棉區(qū)熱量資源的時(shí)空變化特征，可掌握與了解對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育有利的有效熱量資源狀況，生理發(fā)育時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育有利的有效熱量資源越充足?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用新疆104個(gè)氣象觀測(cè)站1981-2018年逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得出棉花生理發(fā)育時(shí)間，研究近38年基于生理發(fā)育時(shí)間的新疆棉區(qū)熱量資源的時(shí)空變化特征，以期為新疆棉花種植區(qū)域的調(diào)整及熱量資源的合理利用提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1981-2018年新疆104個(gè)地面氣象觀測(cè)站(圖1)逐日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫，氣象數(shù)據(jù)和新疆1∶50 000地理信息數(shù)據(jù)由新疆氣象信息中心提供。

圖1 研究區(qū)域104個(gè)地面氣象觀測(cè)站的分布

1.2 方法

1.2.1 棉花生理發(fā)育時(shí)間的計(jì)算 棉花生育階段可劃分為播種、出苗、現(xiàn)蕾、開花和吐絮。不同遺傳型品種不同生育階段所需要的生理發(fā)育時(shí)間存在一定差異，取決于溫度、品種熟性和日長(zhǎng)等因素的共同作用，但新疆光照較為充足，對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響不顯著，而且棉花各個(gè)發(fā)育階段間的上、下限溫度和最適溫度相差較小。根據(jù)棉花整個(gè)生育期界限溫度，采用上限溫度35℃、下限溫度12℃和最適溫度30℃。溫度對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育速率的影響程度依據(jù)相對(duì)熱效應(yīng)〔f(t)〕衡量，取值范圍0～1(d)。在棉花整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過程中對(duì)氣溫的反應(yīng)是非線性的，而且在界限溫度上下限的反應(yīng)不同。因此，采用兩段線性函數(shù)，一是為了簡(jiǎn)化算法，二是因其模擬精度較高[2]。

式中，f(t)為每日氣溫為t時(shí)，該日棉花的生理發(fā)育時(shí)間，即為熱效應(yīng)。to為棉花發(fā)育的最適溫度，tb為發(fā)育的下限溫度，tm為發(fā)育的上限溫度，低于下限溫度或高于上限溫度，棉花將停止發(fā)育。由于每日內(nèi)溫度的變化差異對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育有明顯影響[10-11]，也考慮日溫變化對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育的影響，假設(shè)一日中的溫度變化的綜合效應(yīng)由50%的平均溫度(tav)、25%的最高溫度(tmax)和25%的最低溫度(tmin)組成[12]。

f(t)=0.5×f(tav)+0.25×f(tmax)+0.25×f(tmin)

生理發(fā)育時(shí)間F(t)為每日相對(duì)熱效應(yīng)f(t)的積分，其公式為

1.2.2 Mann-Kendall檢驗(yàn) 采用Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)法分析棉花生理發(fā)育時(shí)間的突變特征。M-K檢驗(yàn)法要求氣候序列平穩(wěn)、隨機(jī)獨(dú)立和概率分布等同[13]。采用通過95%的顯著性檢驗(yàn)，信度線為y=±1.96。

1.2.3 變異系數(shù) 變異系數(shù)包括全距系數(shù)、平均差系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)等。常用的是標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)(CV)，即為標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比率，是一個(gè)相對(duì)變異系數(shù)。反映單位均值上各指標(biāo)觀測(cè)值的離散程度，值越小，離散程度越小[9]。

1.2.4 氣候傾向率 采用一次直線方程來定量描述，即y(t)=a0+a1t，則趨勢(shì)變化率方程為dy(t)/dt=a1，將a1×10稱做氣候傾向率(℃/10a)，方程中的系數(shù)可用最小二乘法或經(jīng)驗(yàn)正交多項(xiàng)式確定，一元線性回歸方程是否有意義，關(guān)鍵在于回歸是否達(dá)到顯著水平，因此要用時(shí)間序列與要素變量之間的相關(guān)系數(shù)對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 4-10月新疆棉花生理發(fā)育的時(shí)間及其時(shí)空分布

從圖2可知，1981-2018年新疆棉區(qū)棉花4-10月生理發(fā)育時(shí)間增加趨勢(shì)極顯著(P<0.01)，全疆棉花生理發(fā)育時(shí)間增加速率為2.4 d/10a。其中，北疆增加幅度最大，為2.6 d/10a，南疆和東疆分別為2.4 d/10a和1.8 d/10a，均通過0.05顯著性檢驗(yàn)?？赡苁怯捎谛陆畾鉁厣仙嬖诿黠@的區(qū)域性差異，其空間分布總體呈南少北多特征。20世紀(jì)80年代全疆平均、北疆、南疆和東疆

圖2 1981-2018年4-10月新疆棉花的生理發(fā)育時(shí)間

4-10月棉花的生理發(fā)育時(shí)間分別為69.8 d、61.2 d、78.2 d和77.5 d；20世紀(jì)90年代分別為71.6 d、63.8 d、79.2 d和78.8 d；21世紀(jì)00年代分別為75.9 d、67.5 d、84.5 d和81.8 d；21世紀(jì)10年代分別為76.3 d、68.6 d、78.2 d和77.5 d?？傮w看，各區(qū)域不同年代(南疆21世紀(jì) 00年代和10年代除外)均呈增加趨勢(shì)。

從圖3看出，1981-2018年新疆棉區(qū)棉花生理時(shí)間較長(zhǎng)的地區(qū)位于東疆及南疆環(huán)塔里木盆地，為82～101 d；北疆沿天山一帶其次，為69～81 d；其余地區(qū)較短，為1～68 d。由于新疆平均氣溫空間分布總體呈現(xiàn)南高北低[9]，溫差較大，也與棉花實(shí)際生產(chǎn)區(qū)域較符(除南疆塔克拉瑪干沙漠之外，南疆巴州、阿克蘇棉區(qū)和沿天山一帶棉花生產(chǎn)區(qū)域)。與前人通過≥10℃積溫、無霜期和7月平均溫度等指標(biāo)進(jìn)行的棉花氣候適

圖3 1981-2018年新疆棉花生理發(fā)育時(shí)間的空間分布

宜性區(qū)劃結(jié)果基本一致。

2.2 4-10月新疆棉花生理發(fā)育時(shí)間的月變化

從圖4看出，1981-2018年新疆棉花生長(zhǎng)季(4-10月)棉花生理發(fā)育時(shí)間呈單峰型，y=-1.260x2+9.778x-3.423(R2=0.990)；棉花生理發(fā)育時(shí)間共73.4 d，7月最長(zhǎng)，為15.6 d，4月和10月相對(duì)最短，分別為5.5 d和3.1 d。由于7月平均氣溫(23.7℃)最高，其生理發(fā)育時(shí)間變異系數(shù)較低，為1.90%；4月平均氣溫(12.1℃)和10月平均氣溫(8.8℃)相對(duì)較低，其生理發(fā)育時(shí)間變異系數(shù)較高，分別19.2%和24.3%。因4月和10月冷空氣過境頻繁導(dǎo)致氣溫變動(dòng)較大。1981-2018年棉花4-10月生理發(fā)育時(shí)間變化傾向率為2.4 d/10a，其中，4月最大，為0.58 d/10a，7月最小，為0.25 d/10a，均通過0.05顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1981-2018年4-10月新疆棉花生理發(fā)育時(shí)間的月變化

2.3 4-10月全疆棉花生理發(fā)育時(shí)間的突變

從圖5看出，經(jīng)M-K突變檢驗(yàn)，1981-2018年4-10月全疆棉花生理發(fā)育時(shí)間UF和UB曲線在1998年相交，則1998年為全疆棉花生理發(fā)育時(shí)間的突變年，其中北疆為1997年，南疆和東疆均為1998年。與張山清等[15]對(duì)氣溫突變分析的研究成果相近。從圖6和圖7可知，突變前(1981-1997年)新疆棉花生理發(fā)育時(shí)間為70.2 d，突變后

圖5 1981-2018年新疆棉花生理發(fā)育時(shí)間的突變年份

圖6 1998年突變前后新疆棉花生理發(fā)育時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖7 1998年突變前后新疆棉花生理發(fā)育時(shí)間的空間分布

(1998-2018年)為75.9 d，增加5.7 d，生理發(fā)育時(shí)間大于74 d的面積增加13.4萬km2。

3 討論

研究結(jié)果表明，1981-2018年新疆棉區(qū)棉花生理發(fā)育時(shí)間呈顯著增加趨勢(shì)，棉花生長(zhǎng)季4-10月生理發(fā)育時(shí)間的突變年為1998年，突變后生理發(fā)育時(shí)間增加5.7 d，全疆大于74 d的生理發(fā)育時(shí)間面積增加13.4萬 km2。與張山清等[15-17]對(duì)氣候變化背景下新疆棉花適宜性區(qū)劃變化特征的研究成果基本一致。生理發(fā)育時(shí)間越長(zhǎng)的地區(qū)有效熱量資源越充足，更適合種植生育期較長(zhǎng)的品種。張山清等[15]研究表明，新疆南部1961-2013年≥10℃積溫、7月平均氣溫和無霜期分別以56.6℃·d/10a、0.2℃/10a和 3.2 d/10a的速率顯著增加，南疆地區(qū)中熟、中早熟棉區(qū)面積1997年后較之前增加1.8萬km2和4.3萬km2。李景林等[16]報(bào)道，1961-2012年新疆北部≥10℃積溫、7月平均氣溫和無霜期分別以75.7℃·d/10a、0.2℃/10a和4.4 d/10a的速率顯著增加，20世紀(jì)90年代后其上升速率呈增大趨勢(shì)，北疆宜棉區(qū)面積擴(kuò)大6.5萬km2。從氣候角度分析棉花生理發(fā)育時(shí)間的變化特征，從而反映針對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的有效熱量資源特征變化，排除極端高溫和低溫對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響，綜合定量計(jì)算棉花實(shí)際生長(zhǎng)發(fā)育過程。生理發(fā)育時(shí)間越長(zhǎng)，表明對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育有利的有效熱量資源越充足。但是，棉花生理發(fā)育時(shí)間的長(zhǎng)短與氣候條件、土壤溫度、播種期、品種熟性和日照時(shí)長(zhǎng)、地膜覆蓋和農(nóng)藝管理措施等多種因素有關(guān)，其中地膜覆蓋對(duì)棉花生育的苗期和蕾期有明顯的增溫效應(yīng)作用，但棉花現(xiàn)蕾后氣溫升高，地膜增溫效應(yīng)降低，而且不同年份氣候條件不同、播種時(shí)間不同，地膜覆蓋對(duì)棉花生長(zhǎng)發(fā)育的貢獻(xiàn)也不一樣。所以，需要綜合多個(gè)因子客觀評(píng)價(jià)棉花生理發(fā)育時(shí)間的變化特征。在今后的研究中，還將通過大田棉花試驗(yàn)對(duì)模擬模型Cotton-XL等進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，綜合考慮多因素的模擬研究結(jié)果優(yōu)化棉花生理發(fā)育時(shí)間模型設(shè)計(jì)和參數(shù)，包括各生育期的上下限溫度、土壤溫度、地膜增溫效應(yīng)、日氣溫變化、光周期效應(yīng)和棉花品種遺傳早熟性參數(shù)和栽培模式等。

4 結(jié)論

1981-2018年4-10月新疆棉花的生理發(fā)育時(shí)間呈極顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，全疆棉花生理發(fā)育時(shí)間平均變化速率為2.4/10a，北疆、南疆和東疆分別為2.6/10a、2.4/10a和1.8/10a；4-10月其生理發(fā)育時(shí)間呈單峰型，共73.4 d，7月最長(zhǎng)，為15.6 d，4月和10月相對(duì)最短，分別為5.5 d和3.1 d，其變化傾向率為2.4 d/10a，其中，4月最大，為0.58 d/10a，7月最小，為0.25 d/10a；1981-2018年4-10月棉花生理發(fā)育時(shí)間的突變年為1998年，突變后較突變前生理發(fā)育時(shí)間增加5.7 d，全疆大于74 d的生理發(fā)育時(shí)間面積增加13.4萬km2。