摘要：基于1981—2020年湖北省棉花種植區(qū)共50個縣（市、區(qū)）氣象資料，選取光照、氣溫、有效降水量3個氣候影響因子計算棉花各生育期氣候適宜度，并采用熵權法對各生育期氣候適宜度進行加權得到湖北省全生育期綜合氣候適宜度，構建了基于綜合氣候適宜度的棉花相對氣象產量豐歉年型預報模型。結果表明，1981年以來湖北省棉花氣候適宜度呈“降-升-降”波動趨勢，棉花花鈴期相對其他生育期更適宜棉花生長；播種期、蕾期變異系數較大，分別為21.9%和20.9%；所建立的相對氣象產量預報模型歷史回代完全一致及較接近的占比達到94.7%，2019年、2020年試報結果與實際豐歉年型完全一致，擬合結果較好，能夠基本滿足業(yè)務服務需要。

關鍵詞：氣候適宜度；相對氣象產量；豐歉年型；棉花；有效降水量；熵權法

中圖分類號： S561" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）03-0230-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.03.036 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Discussion on abundant year and lean year for relative meteorological yield of cotton in Hubei Province based on climatic suitability

TANG Yang， QIN Peng-cheng， LIU Zhi-xiong， LIU Kai-wen， XIAO Wei-yu

（Wuhan Regional Climate Center， Wuhan" 430074，China）

Abstract：The climate suitability of cotton in each growth period was calculated by selecting three climate influencing factors（light， air temperature and effective precipitation） based on meteorological data of 50 counties （cities and districts） in cotton planting areas of Hubei Province from 1981 to 2020. The entropy weight method was used to weight the climate suitability of each growth period to obtain the comprehensive climate suitability of the whole growth period in Hubei Province， and the prediction model of cotton relative meteorological yield in abundant and lean years based on the comprehensive climate suitability was constructed. The results showed that， since 1981， the climate suitability of cotton in Hubei Province had shown a fluctuating trend of “down-up-down”. Compared with other growth periods， the flowering and bolling stage of cotton was suitable for cotton growth. The variation coefficient of the sowing and bud stages was large， which was 21.9% and 20.9%， respectively. The proportion of historical fitting accuracy by applying the prediction model of cotton relative meteorological yield in abundant and lean years was 94.7%. The cotton relative meteorological yield extrapolation forecast from 2019 to 2020 was completely consistent with the fact， which showed that the fitting result was good and could basically meet the needs of business services.

Key words： climatic suitability； relative meteorological yield； abundant year and lean year； cotton； effective precipitation； entropy weight method

棉花是僅次于糧食的第二大作物，且是事關國計民生的主要戰(zhàn)略物資，中國連續(xù)多年是最大的棉花生產國和消費國，在當前全球疫情反復和國際政治形勢復雜多變背景下，確保國內棉花產業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展對國民經濟及社會穩(wěn)定具有重要意義［1］。棉花正常生長發(fā)育及產量形成與氣象條件密不可分，棉花為喜溫好光作物，種子萌發(fā)要求氣溫10～12 ℃以上，現蕾的最低氣溫為19 ℃，當溫度升高時現蕾加快；開花結鈴期的最適溫度為25～35 ℃，晝夜溫差較大，有利于開花結鈴［2，3］。棉花通過葉片內的葉綠素進行光合作用，進行有機物質積累，充足的光照是棉花獲得高產的重要條件，當光照度下降到" " 1 000～2 000 lx時，棉株制造的養(yǎng)分與本身消耗的養(yǎng)分相當，棉株呈饑餓狀態(tài)，易造成蕾鈴脫落。棉花是深根作物，相對耐旱，但其生長需要適宜的水分，每生產1 kg干物質需要消耗水分700～1 000 kg。長江流域是全國第二大棉花主產區(qū)，近年來隨著氣候變暖和氣象災害風險頻發(fā)，氣象條件對棉花生產的影響日益明顯，如2020年長江流域因受嚴重漬澇災害影響，棉花出現不同程度絕收，棉花單產為1 011.1 kg/hm2，比上年下降5%，因此開展棉花生長期氣候適宜度分析及產量豐歉年型預測非常必要。

目前已有棉花氣候適宜度模型研究多應用于氣候適宜度變化規(guī)律分析及種植適宜區(qū)分析，馬麗娜等［4］利用山東省逐旬、逐月氣溫資料構建了棉花溫度適宜度模型，分析了溫度適宜度的變化趨勢及成因和對策；劉清春等［5］運用溫度適宜度模型分析了河南省棉花溫度適宜度時空分布規(guī)律，并進行了生產適宜性劃分；任玉玉等［6］、齊斌等［7］分別采用對數加權法、相對權重法構建了光、溫、水3因子的河南省棉花氣候適宜度模型，根據氣候適宜度的變化趨勢及棉花適宜等級進行了區(qū)劃；柳芳等［8］通過參數修訂建立了適合天津市的棉花各生育期溫、光、水氣候適宜度評價模型，并建立了可以在棉花不同生育期進行的產量動態(tài)預報模型；張艷波等［9］以塔里木河流域月平均氣溫、日照時數和平均風速為棉花種植適宜性評價指標，基于層次分析法建立了棉花氣候適宜度多元線性回歸模型，并利用累積曲線法構建了塔里木河流域棉花種植適宜性評價體系。但多數氣候適宜度研究中，降水適宜度因子均通過棉花各生育期實際降水量與適宜降水量比值來確定，未考慮前期降水量（如陰雨或干旱天氣）的累積效應，且氣候適宜度模型在棉花不同氣象產量年型預報中應用較少。本研究擬采用前期降水量加權的有效降水量［10］與作物實際需水量比值作為評價因子，來分析棉花降水氣候適宜度，構建溫度、降水、日照氣候適宜度模型，開展不同氣象產量豐歉年型預報應用，以期對棉花生長氣象條件診斷與產量預測分析提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

湖北省位于中國中部，地處長江中游，112°E以西為鄂西山區(qū)，基本無棉花種植；以東為平原、丘陵、崗地，地勢較平坦，是湖北省棉花主要種植區(qū)（圖1），其中鄂東、江漢平原為高支紗紡棉生產區(qū)，鄂北崗地為中支紗紡棉生產區(qū)，主要種植方式為移栽，一般在4月上中旬播種，9—10月采摘收獲，少部分采用直播方式與小麥或油菜輪作。

湖北省地處南北氣候過渡帶，亞熱帶季風性氣候明顯，具有四季分明、雨熱同季、光溫水資源較豐富的特點。棉區(qū)年平均氣溫15.7～17.6 ℃，年平均降水量828～1 604 mm，年平均日照時數1 602～2 030 h；無霜期較長，平均為282 d，初霜日平均為11月28日，穩(wěn)定通過12 ℃初日為4月上旬至4月中旬初，大部分棉區(qū)10 ℃以上活動積溫為4 600～4 969 ℃·d，光照、熱量和水分等氣候資源能夠較好地滿足棉花生長。

1.2 數據與方法

1981—2020年湖北省棉花種植區(qū)共50個縣（市、區(qū)）地面氣象觀測站逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數、太陽輻射、風速、飽和水汽壓、實際水汽壓等氣象資料來源于湖北省氣象局檔案館；1981—2020年湖北省棉花單產及分縣單產資料來源于湖北省農村統計年鑒。主要采用的方法有趨勢產量分離、熵權法、線性回歸等。

1.2.1 氣象產量分離 在長時間序列的氣象條件對糧食產量影響研究中，通常將農作物產量Y分離為趨勢產量Yt、氣象產量Yw和隨機誤差ε 3部分，趨勢產量主要反映生產力發(fā)展水平的長周期產量分量，氣象產量為受氣象因子影響的短周期產量分量，隨機誤差常被視為隨機噪音，因所占產量比例不大，一般忽略不計［11］。因此，農作物產量Y可以表示為：

擬合趨勢產量的方法主要有滑動平均、logistic函數、線性趨勢、HP濾波法等［12，13］，選用不同的趨勢產量擬合方法分離的氣象產量結果差異較大，房世波［14］利用多種氣象產量分離方法分析了農業(yè)氣象災害在農作物產量中的真實影響，發(fā)現二項式分離得到的氣象產量更符合實際情況。因此，本研究利用二項式曲線擬合方法對氣象產量進行趨勢產量的分離。

1.2.2 棉花氣候適宜度模型

1）氣溫適宜度。氣溫、降水、日照對農作物生長發(fā)育的適宜度可以用隸屬度函數及分段函數來表示。氣溫適宜度S（t）可以表示為：

式中，t為逐旬平均氣溫，th、tl、t0分別為棉花各生育期內的上限溫度、下限溫度和最適溫度，B為形狀參數。

2）降水適宜度。S（r）降水適宜度可以表示為：

式中，r為旬內各日有效降水量之和，有效降水量是對前期降水量的加權累計值［15］，n為距離當前的日數，rni為當前日期前第n天的日降水量，此處N取90；[wn]為權重系數，可近似表示為[wn=（1-a）×an]，[a]為降水衰減系數，取值0.95；M為旬內日數。r0為旬內各日作物生理需水量臨界值之和，ET0為參考作物蒸散量，采用FAO推薦的Penman-Monteith公式［16］計算，Rn為凈輻射，G為土壤熱通量，T為2 m高度處平均氣溫，u2為2 m高度處平均風速，es為飽和水氣壓，ea為實際水氣壓，Δ為飽和水氣壓溫度曲線斜率，γ為干濕表常數。Kc為棉花作物系數，分為初始生長階段、快速發(fā)育期、生育中期、成熟期4個階段［17，18］，分別對應棉花播種至苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期4個時段，棉花全生育期作物系數變化曲線由KCini、KCmid、KCend 3個值確定，長江流域地區(qū)KCini、KCmid、KCend分別為0.35、1.08、0.58［19］。

3）日照適宜度。根據魏瑞江等［20］的研究，日照適宜度S（s）可以表示為：

式中，S為旬累計日照時數，S0為棉花生育期內對日照需求的旬臨界值，本研究取可照時數的70%（日照百分率）為日照時數的臨界點［21，22］。日照時數在臨界點以上，作物對光照的反應達到適宜狀態(tài)。湖北省棉花各生育期劃分及模型參數見表1。

4）氣候綜合適宜度。為了綜合評價棉花各生育期內溫度、降水、日照3個氣象要素資源配置情況對湖北省棉花生長的適宜程度，采用幾何平均法對各旬氣候要素適宜度求取平均值，通過計算各生育期綜合適宜度并加權構建棉花全生育期氣候綜合適宜度模型S，計算公式為：

式中，[S（t）k]、[S（r）k]、[S（s）k]分別為棉花各生育期內逐旬氣溫、降水、日照適宜度，m為各生育期內總旬數，Si為棉花各生育期綜合氣候適宜度，kn為各生育期對應的權重系數。為準確反映研究區(qū)各生育期氣候適宜度對綜合氣候適宜度的貢獻度，最大程度保留各生育期所包含的信息量，本研究根據湖北省棉花種植區(qū)實際情況，構建全生育期綜合氣象適宜度模型時采用熵權法賦權重。熵權法是根據指標傳輸給決策者信息量的大小來確定權重的方法，能夠深刻反映指標信息熵值的效用價值，所給出的指標權重比層次分析法和專家經驗評估法具有更高的可信度，適合對多元指標進行綜合評價［23］，通過計算得到湖北省棉花播種期、苗期、蕾期、花鈴期、裂鈴吐絮期氣候適宜度權重系數分別為0.189、0.260、0.165、0.161、0.224。

1.2.3 棉花氣候適宜度模型檢驗 利用正交多項式方法對湖北省1981—2020年逐年棉花單產數據進行氣象產量分離，計算得到氣象產量與對應年份氣候適宜度50站平均值的相關系數為0.304，通過了90%置信度水平檢驗（r0=0.264），表明所建立的氣候適宜度模型能夠客觀反映湖北省棉花氣候適宜性的動態(tài)變化和棉花氣象產量增減趨勢。

2 結果與分析

2.1 湖北省棉花氣候適宜度變化規(guī)律

利用全省50個棉花種植縣氣候適宜度時間序列計算得到湖北省綜合氣候適宜度平均值，從歷年氣候適宜度距平及5年滑動均值曲線可以發(fā)現（圖2），1981年以來湖北省棉花氣候適宜度距平值呈現上下波動狀態(tài)，但主要分為“降-升-降”3個階段，其中1981—1993年湖北省棉花氣候適宜度呈下降趨勢，1994—2009年湖北省棉花氣候適宜度呈震蕩上升趨勢，2010—2020年湖北省棉花氣候適宜度呈下降趨勢。整體上來看，湖北省棉花氣候適宜度呈下降趨勢。

從湖北省棉花各生育期綜合氣候適宜度平均值來看（表2），播種期、苗期、蕾期、裂鈴吐絮期的綜合氣候適宜度比較接近，波動范圍在0.402～0.482；花鈴期氣候適宜度相比其他生育期較高，為0.607；全生育期氣候綜合適宜度為0.465。從變異系數來看，播種期及蕾期變異系數最大，分別為21.9%和20.9%，苗期、蕾期、花鈴期生育期變異系數較小，在11.1%～13.6%；全生育期變異系數為8.1%，波動最小。

2.2 氣候適宜度與棉花氣象產量豐歉年型預報模型

通過分析1981—2020年湖北省棉花氣象相對產量Yr分布情況，結合四分位法將Yr≥10%定義為豐產年，Yr≤-10%定義為歉產年，-10%lt;Yrlt;10%定義為平產年，相對產量Yr計算公式為Yr=Yw/Yt。為了建立氣候適宜度與棉花氣象產量豐歉年型的預報模型，以1981—2018年湖北省棉花單產及氣候適宜度時間序列建立棉花氣象產量豐歉模型，2019—2020年數據作為模型驗證。

建立的湖北省棉花氣象產量回歸模型為Yw=0.981 796 1S-0.455 373 39（R2=0.063），可以看到基于棉花全生育期氣候適宜度的氣象相對產量擬合值范圍在［-10%，10%］（圖3），整體數值明顯低于實際氣象相對產量的（-30%，32%］，為提高擬合方程的精度，將擬合值閾值定為-5%和5%來進行豐歉年型分型并進行歷史回代檢驗，即Yw≥5%定義為豐產年，Yw≤-5%定義為歉產年，-5%lt;Ywlt;5%定義為平產年。

2.3 氣候適宜度氣象產量豐歉模型檢驗

歷史回代檢驗結果（表3）表明，擬合等級與相對氣象產量實際等級完全一致的占34.2%，與實際等級比較接近（差1個量級）的占60.5%，與實際等級差距較大的占5.3%，總體來看，擬合完全一致及較接近的占比達到94.7%，擬合結果較好。利用湖北省2019—2020年棉花氣候適宜度模型進行相對氣象產量試報，發(fā)現預報結果分別為平產年和歉產年，與實際棉花相對氣象產量等級完全一致（2019年棉花氣象相對產量為平產年，2020年為歉產年），可見基于氣候綜合適宜度建立的相對氣象產量等級模型在歷史回代及試報中效果較好，具有一定的可信度，可以作為湖北省棉花單產預報的參考。

3 結論和討論

1）1981年以來湖北省棉花氣候適宜度呈現上下波動狀態(tài)，共經歷了”降-升-降”3個時期，但整體上呈下降趨勢。其中1981—1993年為下降趨勢，1994—2009年呈震蕩上升趨勢，2010—2020年呈下降趨勢。從3個時期不同生育期均值來看，1995—2009年裂鈴吐絮期氣候適宜度明顯好于其余2個時期，而播種出苗期、苗期、現蕾期也略好于其余2個時期，基于熵權法得到的苗期和裂鈴吐絮期權重系數也相對較高（分別為0.26和0.22），導致1995—2009年氣候適宜度明顯好于其余2個時期。

2）從生育期氣候適宜度來看，湖北省棉花花鈴期綜合氣候適宜度要明顯高于其他生育期，為0.607；播種期及蕾期氣候適宜度變異系數較大，分別為21.9%和20.9%，這與湖北省復雜多變的氣候特征有關，春播期冷空氣活動頻繁，倒春寒天氣及低溫陰雨天氣容易造成田間土壤濕度偏大、土溫偏低，對棉籽發(fā)芽和出苗會造成較大影響；蕾期正處于湖北省梅雨期，梅雨期降水時空分布不均且年際間差異較大，雨量大、光照少易導致棉花遲發(fā)、花蕾脫落，也會造成枯黃萎病蔓延，導致蕾期氣候適宜度年際差異明顯。

3）基于綜合氣候適宜度建立的棉花相對氣象產量豐歉年型關系模型Yw=0.981 796 1S-0.455 373 39，其歷史回代擬合完全一致及較接近的占比達到94.7%，對2019年、2020年試報結果也與實際豐歉年型完全一致，擬合結果較好，能夠基本滿足業(yè)務服務需要，可以依據天氣實況以及后期天氣趨勢預測開展相關氣象服務。影響棉花生長的氣候因子較多，本研究僅從棉花生育期的光、溫、水3個氣象要素分析氣候適宜度，難以有效全面地獲取實際氣象條件對棉花生長的適宜程度，此外農業(yè)病蟲害、農業(yè)技術水平及品種差異也對棉花產量高低造成顯著影響，尤其是近些年長江流域植棉比較效益降低、農戶田間管理積極性下降，這些都會對氣象產量的分離以及豐歉年型預測精度產生影響，后期將開展進一步研究。

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