郭燕云，王雪姣，王 森，火勛國，胡啟瑞，吉春容

（新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心/新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)氣象臺，烏魯木齊 830002）

0 引言

新疆棉花在中國棉花產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位[1-2]，已成為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，棉花占新疆農(nóng)作物種植面積的45%～50%，植棉收益占棉農(nóng)總收入的60%～65%[3]。然而，氣候變暖已成為不爭的事實(shí)[4]，且西北地區(qū)增溫趨勢高于全國平均水平[5]。隨著氣候變暖，新疆農(nóng)業(yè)熱量資源增加、無霜期延長，同時(shí)極端天氣事件增加使得年際間熱量條件變化大，棉花對氣候變化特別是溫度變化非常敏感[6-7]，研究表明氣候變化對新疆棉花的生長發(fā)育各階段均產(chǎn)生了一定的影響[8-9]，并將增加棉花穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，因此探討氣候變化對棉花生產(chǎn)的影響意義重大。

物候是氣候變化的感應(yīng)器[10]，物候?qū)θ蜃兣捻憫?yīng)研究已成為一個(gè)較新的熱點(diǎn)領(lǐng)域[11]，并且對于應(yīng)用模型、遙感[12-13]等手段開展氣候變化影響評估非常重要。作物物候在一定程度上受人為因素的影響，但是長時(shí)間序列的物候變化能夠反映作物生長發(fā)育對該時(shí)期內(nèi)氣候變化的響應(yīng)[14]。中國學(xué)者主要在中國大陸[15]、東部地區(qū)[16]、華北地區(qū)[17]、黃土高原[18]、青藏高原[19]、內(nèi)蒙古[20]、新疆[21]等地區(qū)進(jìn)行了植被物候研究，研究結(jié)果主要表現(xiàn)為：氣候變暖背景下春季物候期提前、秋季物候期推遲、植物生長季延長，但區(qū)域差異較大，同時(shí)溫度是驅(qū)動(dòng)植被物候變化的重要影響因素。

然而，已有的大多是有關(guān)自然植被的物候變化研究，對于作物物候的研究較少，且主要是運(yùn)用作物模型、氣候變化情景等[22]手段評估氣候變化對作物物候期的影響，而對于實(shí)際觀測到的作物物候變化研究較少，目前關(guān)于大田作物物候的研究較多是關(guān)于小麥等糧食作物[23]，有關(guān)棉花物候期的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究基于新疆棉花氣象觀測代表站1980—2019年棉花物候期觀測資料，分析近40年新疆各棉區(qū)棉花物候期的變化特征，并運(yùn)用COSIM棉花模型，維持當(dāng)前生產(chǎn)管理水平、土壤肥力、種植品種以及播種期不變的情況下，分析新疆棉花物候期對氣候變化的響應(yīng)。通過新疆棉花物候期對氣候變化的響應(yīng)及敏感性分析研究，可以更加客觀地理解氣候變暖對該地區(qū)棉花生產(chǎn)的影響，為新疆棉花生產(chǎn)趨利避害、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

新疆(34°15′—49°10′N，73°20′—96°25′E)地處亞歐大陸的腹地，典型的溫帶大陸性氣候；該區(qū)光照充足，年日照時(shí)數(shù)2500～3500 h；熱量資源豐富，平原地區(qū)大部≥10℃積溫在3800℃·d以上、無霜期180天以上[24]。充沛的光熱、土地資源以及穩(wěn)定的灌溉資源，為新疆棉花的種植創(chuàng)造了優(yōu)渥的生態(tài)環(huán)境[25]。

天山位于新疆中部，在地理習(xí)慣上，天山以北為北疆，以南為南疆，哈密、吐魯番盆地為東疆。北疆、南疆、東疆均有棉花種植，北疆植棉區(qū)主要在北疆沿天山一帶以及伊犁州等地[26]，南疆主要在環(huán)塔里木河流域[27]，東疆的吐魯番盆地和哈密地區(qū)均有棉花種植。

本研究選取10個(gè)具有詳細(xì)物候觀測資料的棉花氣象觀測站作為研究站點(diǎn)（表1）。物候觀測資料為棉花的播種、出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮和停止生長日期，由于建站時(shí)間或者品種更替、耕作方式等因素，各站物候期資料時(shí)間長度不盡相同（起始年份為1980—1991年，終止年份均為2019年）。氣象數(shù)據(jù)為各代表站點(diǎn)1961—2019年的逐日氣象要素，包括日最高、最低氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)。數(shù)據(jù)資料來源于新疆氣象信息中心。

表1 研究區(qū)代表站點(diǎn)信息

1.2 研究方法

1.2.1 有效積溫計(jì)算 作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成與熱量條件密切相關(guān)。高于或等于生物學(xué)下限溫度的日平均溫度稱為活動(dòng)溫度，活動(dòng)溫度與生物學(xué)下限溫度的差值稱為有效溫度，生育期內(nèi)有效溫度的總和稱為有效積溫[28]，見公式(1)。

其中，TTe為有效積溫(℃·d)；Ti為第i天的日平均氣溫(℃)，為日最高溫和日最低溫的平均值；t為作物的生物學(xué)下限溫度，通常認(rèn)為12℃為棉花生長的下限溫度[29]，因此本研究取12℃。

1.2.2 氣候傾向率 本研究采用最小二乘法計(jì)算要素Yi與時(shí)間xi的線性回歸系數(shù)，要素隨時(shí)間的變化可用一次方程表示，見公式(2)。

其中，i=1，2，……n年，10×a作為要素的氣候傾向率；氣候傾向率為正值表示要素隨時(shí)間推移而增加，氣候傾向率為負(fù)值表示要素隨時(shí)間推移而減??；氣候傾向率值的大小表示要素隨時(shí)間推移變化的速率[30]。

1.2.3 模型模擬結(jié)果評價(jià)指標(biāo) 本研究采用國際通用方法對作物模型模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，即均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)來判斷模擬值與實(shí)測值間的吻合程度，見公式(3)。

式中，Xobs、Xsim分別指觀測值與模擬值，N為樣本數(shù)量。均方根誤差(RMSE)反映模擬值相對實(shí)測值的絕對誤差。

1.3 作物模型

COSIM模型是在COTGROW棉花模型[31]的基礎(chǔ)上構(gòu)建的棉花生產(chǎn)區(qū)域評估系統(tǒng)[32]。該模型以≥12℃有效積溫計(jì)算棉花發(fā)育速率，根據(jù)植株對太陽輻射的截獲量及利用效率計(jì)算植株干物質(zhì)質(zhì)量，并依據(jù)分配系數(shù)計(jì)算地上部各器官干物質(zhì)質(zhì)量，可逐日動(dòng)態(tài)模擬棉花生長發(fā)育及產(chǎn)量形成過程。模型包括發(fā)育期模擬、光合生產(chǎn)、干物質(zhì)分配、水分平衡、葉面積動(dòng)態(tài)、產(chǎn)量形成等模塊，以模擬地點(diǎn)基礎(chǔ)地理信息、逐日氣象資料、土壤參數(shù)、管理參數(shù)及品種信息為模型輸入，模擬輸出各發(fā)育期出現(xiàn)時(shí)間、地上部各器官干物質(zhì)質(zhì)量、單位面積皮棉產(chǎn)量等。該模型已在新疆地區(qū)棉花生長發(fā)育[5]、產(chǎn)量預(yù)報(bào)[33]、氣候風(fēng)險(xiǎn)評估[34]以及棉花延遲型冷害[35-36]等方面得到驗(yàn)證和應(yīng)用，效果較好。

2 結(jié)果與分析

2.1 近40年新疆棉花物候變化特征

從代表站點(diǎn)1980—2019年棉花各發(fā)育期變化趨勢可以看出（表2），近40年，阿克陶、鄯善的棉花播種期推遲，其余各代表站點(diǎn)均提前，變化幅度為0.6～7.0 d/10a，其中烏蘇、石河子、哈密、庫爾勒、喀什顯著提前；出苗期的變化趨勢與播種期基本一致；絕大部分站點(diǎn)棉花的現(xiàn)蕾和開花期提前、而吐絮和停止生長期推遲，停止生長期的推遲趨勢最為明顯，變化幅度為1.3～9.6 d/10a，其中精河、石河子、鄯善、阿克蘇、阿克陶、和田停止生長期顯著推遲。各區(qū)域平均來看：北疆的棉花吐絮期略有推遲，其余各物候期提前0.1～4.8 d/10a；東疆的棉花停止生長期推遲1.4 d/10a，其余各物候期提前0.1～1.6 d/10a；南疆的棉花吐絮期和停止生長期分別推遲1.7 d/10a和4.2 d/10a，其余各物候期提前0.7～1.8 d/10a。

表2 1980—2019年代表站點(diǎn)各物候期出現(xiàn)日期的氣候傾向率

隨著各物候期的變化，棉花不同生長發(fā)育階段所經(jīng)歷的時(shí)間長度也發(fā)生了相應(yīng)變化，表3為1980—2019年各代表站點(diǎn)播種-出苗、出苗-現(xiàn)蕾（營養(yǎng)生長階段）、現(xiàn)蕾-開花、開花-吐絮、現(xiàn)蕾-吐絮（生殖生長階段）及全生育期（播種-停長）經(jīng)歷天數(shù)的氣候傾向率。北疆地區(qū)所有生育階段均呈延長趨勢；南疆地區(qū)除了播種-出苗生長發(fā)育時(shí)間略有縮短外，其余所有生育階段均呈延長趨勢；東疆地區(qū)播種-出苗、現(xiàn)蕾-開花、現(xiàn)蕾-吐絮生長發(fā)育時(shí)間略有縮短，其余生育階段呈延長趨勢。近40年來，所有代表站點(diǎn)棉花全生育期均延長，變化幅度為1.6～9.0 d/10a，其中精河、石河子、庫爾勒、阿克蘇、阿克陶、喀什、和田棉花全生育期顯著延長，南疆、東疆、北疆分別延長5.0 d/10a、1.9 d/10a和4.8 d/10a。南疆地區(qū)生殖生長(3.1 d/10a)延長天數(shù)多于營養(yǎng)生長(0.4 d/10a)，有利于光合產(chǎn)物的積累及產(chǎn)量的提高；東疆地區(qū)出苗-現(xiàn)蕾(0.8 d/10a)所需天數(shù)增加、現(xiàn)蕾-吐絮(0.4 d/10a)所需天數(shù)縮短；北疆地區(qū)營養(yǎng)生長、生殖生長分別延長2.4 d/10a和2.2 d/10a。

表3 1980—2019年代表站點(diǎn)各物候期經(jīng)歷天數(shù)的氣候傾向率

表4為1980—2019年各代表站點(diǎn)各生育階段及全生育期所需積溫的氣候傾向率。除了北疆地區(qū)的播種-出苗階段、東疆地區(qū)的現(xiàn)蕾-開花階段所需積溫略有減少外，各地區(qū)其余生育階段所需積溫均呈增加趨勢。各生育期所需積溫與各生育期所經(jīng)歷的天數(shù)變化趨勢基本一致，即各生育期經(jīng)歷天數(shù)增加、所需積溫也增加。近40年來，所有代表站點(diǎn)棉花全生育期所需積溫極顯著增加，變化幅度為57.8～157.5℃·d/10a，南疆、東疆、北疆棉花全生育期所需積溫分別增加105.3 ℃·d/10a、102.8 ℃·d/10a和85.5 ℃·d/10a。各地區(qū)棉花營養(yǎng)生長階段（變化幅度為17.7～19.9℃·d/10a）所需積溫增加幅度小于生殖生長階段（變化幅度為46.8～80.2 ℃·d/10a），有利于棉花產(chǎn)量的提高。

表4 1980—2019年代表站點(diǎn)各物候期積溫的氣候傾向率

2.2 模型適應(yīng)性分析

選擇石河子、哈密、阿克蘇分別作為北疆、東疆及南疆的代表站點(diǎn)，運(yùn)用COSIM模型評估氣候變化對新疆棉花物候的影響，并分析棉花物候?qū)夂蜃兣憫?yīng)的敏感性。利用各站點(diǎn)2009—2017年的棉花實(shí)際物候期資料與模型的模擬結(jié)果進(jìn)行比較（圖1），來驗(yàn)證COSIM模型在新疆地區(qū)的適用性。由圖2可知，棉花各物候期的模擬值與觀測值擬合較好，出苗、現(xiàn)蕾、開花、吐絮期日序的觀測值與模擬值的RMSE和R2分別為2.9天、4.2天、3.3天、4.3天和0.90、0.70、0.63、0.74。因此，該模型對石河子、哈密和阿克蘇棉花物候期的模擬與實(shí)際情況相吻合，模型可以較準(zhǔn)確的模擬新疆棉花生長發(fā)育。

圖1 新疆棉區(qū)棉花物候期觀測值與模擬值的比較

圖2 1961—2019年氣候變化對棉花物候期的影響

2.3 新疆棉花物候期對氣候變化響應(yīng)的敏感性分析

2.3.1 1961—2019年（近58年）氣候變化對棉花物候期的影響 已有的研究表明，自1961年以來，新疆大部地區(qū)的年平均氣溫波動(dòng)上升，并在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)突變點(diǎn)[5]，因此在分析近58年氣候變化對新疆棉花物候的影響時(shí)，以1990年為界將1961—2019年分為兩個(gè)階段：1961—1990年和1991—2019年，分析突變前后氣候條件對棉花物候期的影響。保持當(dāng)前管理措施（高密度覆地膜）、主栽品種和生產(chǎn)力水平不變，播種期均設(shè)置為4月25日，在當(dāng)前氣候背景下，運(yùn)用COSIM模型模擬1961—2019年氣候變化對北疆（石河子）、東疆（哈密）、南疆（阿克蘇）棉花物候期的影響。結(jié)果表明（圖2），與1961—1990年相比，各站點(diǎn)1991—2019年出苗、現(xiàn)蕾、開花和吐絮期時(shí)間均顯著提前，棉花生育期（出苗-吐絮）縮短。其中，各代表站點(diǎn)出苗期均提前1天，北疆、東疆、南疆棉花現(xiàn)蕾、開花和吐絮期分別提前5、6、10天和3、4、6天及5、9、7天?？傮w來看，氣候變暖對東疆地區(qū)棉花物候期的影響程度小于北疆和南疆地區(qū)。由于播種期等環(huán)境因子及品種參數(shù)相同，各物候期提前說明氣候變化加速了棉花生長進(jìn)程，其中北疆地區(qū)營養(yǎng)生長階段（出苗-現(xiàn)蕾）縮短程度小于生殖生長階段（現(xiàn)蕾-吐絮），而東疆和南疆地區(qū)結(jié)果則與北疆地區(qū)相反。與1961—1990年相比，新疆棉區(qū)1991—2019年棉花營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段分別縮短3～4天、2～5天。

2.3.2 模擬增溫對棉花物候期的影響 保持當(dāng)前管理措施（高密度覆地膜）、主栽品種和生產(chǎn)力水平不變，播種期均設(shè)置為4月25日，在1981—2010年（基準(zhǔn)年（BS））的氣溫基礎(chǔ)上，溫度分別升高0.5℃、1℃、1.5℃、2℃（圖中分別用T1、T2、T3、T4表示），不采取任何適應(yīng)措施，運(yùn)用COSIM模型模擬增溫對棉花物候期的影響。結(jié)果表明（圖3），氣候變暖對棉花物候期有顯著影響，與基準(zhǔn)年比較，各站點(diǎn)棉花出苗、現(xiàn)蕾、開花和吐絮期均顯著提前，同時(shí)隨初霜期的推遲，棉花停止生長時(shí)間推遲、全生育期延長。增溫0.5℃、1℃、1.5℃、2℃情景下，北疆（石河子）、東疆（哈密）、南疆（阿克蘇）出苗、現(xiàn)蕾、開花和吐絮期分別提前1～2天、1～9天、2～12天、10～31天和0～2天、4～8天、5～10天、12～26天及1～2天、1～8天、1～11天、3～25天。

圖3 模擬增溫對棉花物候期的影響

從模擬結(jié)果來看，氣候變暖對各棉區(qū)生殖生長階段影響明顯大于棉花營養(yǎng)生長階段。與基準(zhǔn)年相比，增溫0.5℃、1℃、1.5℃、2℃情景下，北疆棉區(qū)營養(yǎng)生長階段（出苗-現(xiàn)蕾）、生殖生長階段（現(xiàn)蕾-吐絮）分別縮短4～7天、9～22天；東疆棉區(qū)營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段分別縮短3～7天、8～19天；南疆棉區(qū)營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段分別縮短0～6天、2～17天?？傮w來看，增溫對新疆各棉區(qū)營養(yǎng)生長階段影響差別不大，但是對于生殖生長的影響程度北疆最大，東疆其次，南疆最小。

3 討論

關(guān)于棉花物候期的研究主要集中在國內(nèi)主要棉區(qū)，黃河流域河北省棉花除收獲期推遲，其他物候期均提前[37]；長江流域湖北省棉花播種和收獲期推遲[38]；而新疆棉區(qū)棉花物候期的變化特征表現(xiàn)為：棉花播種、出苗、現(xiàn)蕾和開花期提前，吐絮和停止生長期推遲，全生育期延長；河北省棉花各生育階段表現(xiàn)為開花之前縮短、開花之后延長、全生育期延長；而湖北省各生育階段長短有升高有降低、全生育期延長；而新疆棉區(qū)棉花各生育階段經(jīng)歷天數(shù)增加、全生育期天數(shù)增加、所需積溫也增加，各棉區(qū)棉花生殖生長階段所需積溫增加幅度大于營養(yǎng)生長階段，有利于棉花產(chǎn)量的提高；主要原因是國內(nèi)各主要棉區(qū)的氣候變化規(guī)律有差異，湖北省棉花播種期平均氣溫和≥0℃積溫呈下降趨勢，因此播種期推遲；而新疆、河北省棉花播種期溫度升高，故播種期提前；新疆與其他主要棉區(qū)各生育階段長短的變化規(guī)律不盡一致，原因是品種更替、管理措施改變以及氣候變化等共同作用導(dǎo)致的物候變化，因此本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用作物模型，維持當(dāng)前生產(chǎn)管理水平、土壤肥力、種植品種以及播種期不變的情況下，定量分析氣候條件對棉花物候的改變。

不同作物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)不同，前人研究表明：氣候變暖總體上使中國糧食主產(chǎn)區(qū)小麥、玉米、水稻等作物春季適宜播期提前、秋季適宜播期推遲、傳統(tǒng)作物品種物候期普遍縮短[39]。而棉花具有無限生長習(xí)性，適度增溫可延長其生長期，這可能是造成棉花與其他作物物候期變化差異的主要原因。

本研究關(guān)注氣候因素變化對棉花物候的影響，由于新疆光照充足、灌溉植棉，影響棉花生長發(fā)育的最主要?dú)庀笠蜃邮菧囟?，因此只分析了熱量資源的影響。氣候變化通過改變作物物候來改變作物的生長過程，最終對產(chǎn)量造成影響，本研究僅探討了溫度改變后的棉花物候變化趨勢，但沒有深入研究溫度對產(chǎn)量的影響，今后的研究工作中可深入探討氣候因子的變化對產(chǎn)量帶來的影響及影響程度，為棉花生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究分析了新疆棉花近40年物候期的變化特征，并結(jié)合COSIM棉花模型模擬棉花物候?qū)夂蜃兓约安煌潭仍鰷氐捻憫?yīng)，得出以下主要結(jié)論：

近40年，新疆絕大部分棉區(qū)棉花播種、出苗、現(xiàn)蕾和開花期提前，吐絮和停止生長期推遲，全生育期延長、平均為3.9 d/10a；絕大部棉區(qū)各生育階段經(jīng)歷天數(shù)和所需積溫增加，生殖生長階段所需積溫增幅大于營養(yǎng)生長階段。

模型模擬氣候變化背景下的棉花物候變化趨勢結(jié)果與實(shí)際趨勢較一致，過去58年氣候變暖總體上對北疆和南疆地區(qū)棉花物候期的影響程度大于東疆地區(qū)；與基準(zhǔn)年相比，增溫0.5℃、1℃、1.5℃、2℃情景下，新疆各棉區(qū)棉花出苗、現(xiàn)蕾、開花和吐絮分別提前0～2天、1～9天、2～12天和3～31天，營養(yǎng)生長、生殖生長階段分別縮短0～6天、2～22天；增溫對各棉區(qū)營養(yǎng)生長階段影響差別不大，但是對于生殖生長的影響程度北疆最大、東疆其次、南疆最小。

在未來氣候變暖的趨勢下，為了獲得更高的產(chǎn)量，東疆地區(qū)可以考慮種植早熟性品種中生育期較長的品種，南疆和北疆地區(qū)可考慮早中熟品種中生育期較長的品種。