石河子墾區氣候變化與棉花產量的關系

摘要：在全球氣候變暖的總體趨勢下，新疆干旱區的氣候也正在發生相應的變化。利用石河子墾區３個氣象臺站１９６１～２００９年的氣候變化和棉花產量變化資料，采用距平百分率、線性傾向估計、趨勢系數、滑動ｔ檢驗、回歸分析等方法，分析了石河子墾區的氣候變化及棉花產量變化特征。結果表明，石河子地區年均氣溫、年總降水量及年總日照時數均呈上升趨勢，上升的幅度氣溫變化傾向率為０．３℃／１０年，年總降水量為１０．３ｍｍ／１０年，年日照時數為６．４６ｈ／１０年；棉花產量呈明顯增加的趨勢。近５０年來石河子地區氣候的變暖、降水量的增加、日照時數的增加均有利于棉花產量的提高。

關鍵詞：氣候變化；棉花產量；石河子墾區；線性回歸

中圖分類號：Ｐ４２；Ｓ５６２文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）08－1533-04

The Relationship between Climate Change and Yield of Cotton in Shihezi Region

ＴＡＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｌｉｎｇ１，Ｌ?譈 Ｘｉｎ２

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２０００， Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏａｓｉｓ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｒｐｓ ｉｎ Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２００3，Ｘｉｎｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｗａｒｍｉｎｇ， ｔｈｅ ｃｌｉｍａｔｅ ｏｆ Ｓｈｉｈｅｚｉ ｒｅｇｉｏｎ ａｌｓｏ ｃｈａｎｇｅd ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ． Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｃｌｉｍａｔｅ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ ｉｎ Ｓｈｉｈｅｚｉ ｒｅｇｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｃｌｉｍａｔｅ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ｗｅａｔｈｅｒ ｓｔａｔｉｏｎs ｏｆ Ｓｈｉｈｅｚｉ ｒｅｇｉｏｎ ｉｎ 1961~2009， ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ａｎｏｍａｌｙ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ， ｌｉｎｅａｒ ｔｒｅｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ， ｔｒｅｎｄ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ｓｌｉｄｉｎｇ t ｔｅｓｔ， ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｔｈｅ ａｎｎｕａｌ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｎｕａｌ ａｖｅｒａｇｅ ｓｕｎｓｈｉｎｅ ａｌｌ ｓｈｏｗｅｄ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ａｎｎｕａｌ ｒａｉｎｆａｌｌ， ａｎｄ ｓｕｎｓｈｉｎｅ ｈｏｕｒｓ ｗｅｒｅ ０．３°Ｃ／１０ ｙｅａｒｓ， １０．３ｍｍ／１０ ｙｅａｒｓ， ａｎｄ ６．４６ｈ／１０ ｙｅａｒｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．， Ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｒｅｎｄ． Ｔｈｅ ｃｌｉｍａｔｅ ｗａｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ ｓｕｎｓｈｉｎｅ ｈｏｕｒｓ ｄｕｒｉｎｇ ｏｖｅｒ ５０ ｙｅａｒｓ ｉｎ Ｓｈｉｈｅｚｉ ｈｅｌｐｅｄ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ； ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ； Ｓｈｉｈｅｚｉ region； ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ

近百年來，全球氣候變暖，導致氣候異常現象頻繁發生。農業作為對氣候反應較為敏感的產業之一，氣候變化對其存在著非常明顯的影響［１］。近年來有關專家對我國西北氣候變化進行了很多研究，施雅風等［２］對西北氣候由暖干向暖濕轉型的信號影響和前景進行了初步探討，李棟梁等［３］對我國西北現代氣候變化事實與未來趨勢展望進行了研究，宋連春等［４］對２０世紀西北地區降水變化特征進行了分析，張存杰等［５］全球氣候變暖對我國西北地區秋季降水影響進行了研究，上述研究對西北地區氣候變化的認識做出了有益貢獻。但是，西北地區氣候變化（尤其是熱量資源變化）對農業生產影響的研究相對較少。

新疆是我國主要優質棉花基地，在全國棉花生產中占有不可替代的位置。新疆棉花產區光照資源豐富，但不同棉區的熱量條件不盡相同。徐德源［６］、鄭維等［７］、李新建等［８］曾指出，新疆棉花生產與熱量關系最密切，生長關鍵季節熱量強度不足與棉花品質低有一定關系，生長季節的熱量不足對棉花產量也有較大影響。石河子地區是新疆主要棉花產區之一，氣候變暖對該地區熱量資源帶來怎樣的變化，對棉花產量有何影響等是值得研究的課題。運用數據統計的方法，依據石河子墾區近５０年來氣候變化和棉花產量變化的特點，分析氣候變化對石河子墾區棉花產量變化趨勢的影響，為干旱區農作物生產對氣候變化的響應提供參考依據。

１研究方法

處理氣候和農作物產量數據的方法有很多種，幾種主要處理方法如下。

１．１距平百分率

距平百分率是用來表示某時段氣候量相對平均氣候量變率的大小，其數學表達式見公式（１）。

式中，ｂ１是反應上升或下降的變化趨勢，ｂ１＜０表示在計算時段內呈下降趨勢，ｂ１＞０表示呈上升趨勢，ｂ１值絕對值的大小可以度量其演變趨勢上升、下降的程度。

１．３趨勢系數

為了解氣象要素的長期趨勢變化，計算氣象要素時間序列與自然數數列之間的相關系數（稱為趨勢系數）。這樣定義的趨勢系數削去了氣象要素的均方差和單位對線性回歸系數數值大小的影響，從而可以在不同的地理位置的不同氣象要素之間比較趨勢變化的大小。

趨勢系數可表示要素長期趨勢變化的方向和程度。對趨勢系數的統計檢驗使用相關系數的ｔ檢驗方法。

ｎ個時刻（年）的要素序列與自然數數列１，２，３，…，ｎ相關系數見公式（5）。

公式（６）遵從自由度ｎ１＋ｎ２－２的t分布。

２結果與分析

２．１氣候變化特征分析

２．１．１年平均氣溫為了分析氣溫變化趨勢，采用線性傾向分析和５年滑動平均趨勢分析，結果見圖１。從圖１可以看出，近５０年來石河子地區的年平均氣溫在波動中呈升高趨勢，氣溫變化傾向率為０．３ ℃／１０年。近５０年的平均氣溫為７．６ ℃，最高氣溫是９．１ ℃（２００６年），最低氣溫是５．６ ℃（１９６９年）。通過5年滑動平均氣溫變化趨勢線可以看到，石河子地區在１９８９年以前基本處于低溫階段，１９８９年以來一直處于偏暖階段，目前仍處于偏暖時期。

２．１．２年日照時數年日照時數分析見圖２。日照是氣候的重要因素，日照時數是表征氣候變化的氣象要素之一。日照時數多，有利于棉花的成鈴率和單鈴重的提高［１１］，日照時數也是影響棉花纖維品級的主要氣候因子之一［１２］。４～９月是農作物的主要生長季節，特別是棉花對熱量條件要求較高，熱量條件的好壞直接影響棉花的產量和品質。隨著全球氣候變暖，大氣中污染物的增加，日照時數發生了明顯的變化。由圖２可知，近５０年來石河子地區日照時數年平均值為２ ７３６ ｈ，年平均日照時數呈增加趨勢，其幅度是６．４６ ｈ／１０年。從５年滑動平均趨勢可以看出，石河子地區年日照時數在１９８５～１９９５年低于平均值，自１９９６年以來開始高于平均值。

２．１．３年降水總量變化年降水總量分析見圖３。由圖３可知，石河子地區全年的降水總量呈明顯增多趨勢，其增加的幅度為１０．３ ｍｍ／１０年。從５年滑動平均曲線可知，石河子地區年降水總量的波動性很大，在１９６１～１９７１年、１９７６～１９８７年這兩個時間段內明顯低于平均值，在１９７１～１９７５年、１９８８～１９９１年這兩個時間段內明顯高于平均值，自１９９８年以來一直高于平均值。從實測點上可以看出，在１９６５年、１９７８年、１９９１年及１９９７年出現了較為嚴重的旱情，而在１９６４年、１９８７年、１９９９年及２００４年則出現嚴重的降水偏多現象。

２．２石河子地區棉花年產量變化規律

對棉花年產量的分析，也采用了線性傾向分析和５年滑動平均趨勢分析的方法，結果如圖４。圖４表明，石河子地區近５０年來棉花產量呈現出較強勁的增長勢頭。20世紀９０年代初期，黃淮海平原棉區因棉花枯、黃萎病和棉鈴蟲危害嚴重，效益下降，棉花主產區轉向生產條件優越的新疆棉區。１９９５年，新疆棉花種植面積和總產量分別占全國的１３．７％和２０．８％，至此，新疆棉區已經成為我國最大的產棉區，肩負著保證國家棉花儲備，促進我國棉紡織工業發展的重任。１９９６年，國務院根據當時棉花生產形勢，決定于“九五”期間在新疆建成國家特大型商品棉基地。隨著國家棉花基地建設項目的啟動，帶動了新疆棉花迅猛發展，而石河子地區是新疆主要的棉花生產區。從５年滑動平均曲線來看，自１９９７年以來石河子地區棉花年產量一直高于歷年平均值，呈直線上升趨勢。

２．３氣候變化對棉花年產量的影響分析

影響棉花年產量的因素很多，包括氣候因素、病蟲害因素、生產技術水平、社會因素等。研究僅從氣候因素考慮對棉花年產量的影響，而氣候因素中，影響棉花年產量的主要因素在于溫度、日照和降水量。依據石河子地區年平均氣溫、年日照時數、年降水總量的原始數據。采用多元線性回歸的方法處理棉花年產量與年平均氣溫、年日照時數、年降水總量之間的關系。

２．３．１棉花年產量與氣候因子的相關關系從表１可見，在石河子地區棉花年產量與年降水總量、年平均氣溫、年日照時數均為正相關，相關系數分別為０．２６７、０．５２２、０．２７５，其中與年平均氣溫的相關系數通過了０．０１的顯著性水平檢驗，統計檢驗的相伴概率小于０．０１，但與年降水總量、年日照時數的相關系數沒有通過０．０５的顯著性水平檢驗。說明石河子地區年平均氣溫的變化對棉花年產量的增加影響很大，年降水總量與年日照時數的變化對棉花年產量有影響但影響不顯著。

２．３．２建立回歸模型通過對氣候因子序列進行逐步回歸分析，建立回歸模型，來分析棉花年產量與年平均氣溫、年降水總量、年日照時數之間的關系。建立回歸模型方法為：研究在線性相關條件下，兩個或兩個以上自變量對一個因變量的數量變化關系，稱為多元線性回歸分析，表現這一數量關系的數學公式，稱為多元線性回歸模型。多元線性回歸模型是一元線性回歸模型的擴展，其基本原理與一元線性回歸模型類似。

假設棉花產量與年平均氣溫、年日照時數、年降水總量存在如下線性關系：

Ｙ＝ｂ０＋ｂ１ＩＴ＋ｂ２ＩＰ＋ｂ３ＩＲ （８）

其中ｂ０為常數項，ＩＴ為年平均氣溫，ＩＰ為年降水總量，ＩＲ為年日照時數，ｂａ即ｂ１、ｂ2、ｂ3稱Ｙ對Ｉｘ（即ＩＴ、ＩＰ、ＩＲ）的回歸系數。根據最小二乘法的原理計算求出回歸系數及常數項。采用ＳＰＳＳ １６．０對石河子地區近５０年來的棉花年產量、年平均氣溫、年日照時數、年降水總量原始數據進行標準化處理及回歸模型的求解，得 ｂ０=２．７５７×１０１５，ｂ１＝０．４８６，ｂ2＝０．４０７，ｂ3＝０．２９３。故所求棉花年產量與年平均氣溫、年日照時數、年降水總量的回歸方程為：

Ｙ＝２．７５７×１０１５＋０．４８６ＩＴ＋０．４０７ＩＰ＋０．２９３ＩＲ

其中，Ｙ為棉花年產量標準化以后的數值。

該回歸方程Ｒ２＝０．６６５ ０，對回歸方程的檢驗極顯著，表明所建立的回歸方程可以對棉花年產量與年平均氣溫、年降總水量、年日照時數之間的關系進行擬合。

３結論與討論

分析了石河子地區年平均氣溫、年日照時數、年降水總量及棉花年產量的變化特征，該地區年平均氣溫、年日照時數、年降水總量均呈總體上升趨勢。并且探討了氣候變化對棉花年產量的影響，從線性回歸分析可知，年平均氣溫的升高、年降水總量的增加及年日照時數的增多都有利于棉花年產量的增加。

棉花的年產量畢竟受到很多因素的影響，上述分析中所采用的３個指標是氣候因素中最重要的３個指標，基本上可以表示出氣候變化對棉花年產量的影響，在今后的研究中，如果在公式（８）中加入一個隨時間變化的擾動項可能更能說明氣候變化對棉花年產量的影響。

參考文獻：

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