石河子墾區(qū)氣候變化與棉花產(chǎn)量的關(guān)系

摘要：在全球氣候變暖的總體趨勢(shì)下，新疆干旱區(qū)的氣候也正在發(fā)生相應(yīng)的變化。利用石河子墾區(qū)３個(gè)氣象臺(tái)站１９６１～２００９年的氣候變化和棉花產(chǎn)量變化資料，采用距平百分率、線性傾向估計(jì)、趨勢(shì)系數(shù)、滑動(dòng)ｔ檢驗(yàn)、回歸分析等方法，分析了石河子墾區(qū)的氣候變化及棉花產(chǎn)量變化特征。結(jié)果表明，石河子地區(qū)年均氣溫、年總降水量及年總?cè)照諘r(shí)數(shù)均呈上升趨勢(shì)，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(shí)數(shù)為６．４６ｈ／１０年；棉花產(chǎn)量呈明顯增加的趨勢(shì)。近５０年來石河子地區(qū)氣候的變暖、降水量的增加、日照時(shí)數(shù)的增加均有利于棉花產(chǎn)量的提高。

關(guān)鍵詞：氣候變化；棉花產(chǎn)量；石河子墾區(qū)；線性回歸

中圖分類號(hào)：Ｐ４２；Ｓ５６２文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：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(dǎo)致氣候異常現(xiàn)象頻繁發(fā)生。農(nóng)業(yè)作為對(duì)氣候反應(yīng)較為敏感的產(chǎn)業(yè)之一，氣候變化對(duì)其存在著非常明顯的影響［１］。近年來有關(guān)專家對(duì)我國西北氣候變化進(jìn)行了很多研究，施雅風(fēng)等［２］對(duì)西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的信號(hào)影響和前景進(jìn)行了初步探討，李棟梁等［３］對(duì)我國西北現(xiàn)代氣候變化事實(shí)與未來趨勢(shì)展望進(jìn)行了研究，宋連春等［４］對(duì)２０世紀(jì)西北地區(qū)降水變化特征進(jìn)行了分析，張存杰等［５］全球氣候變暖對(duì)我國西北地區(qū)秋季降水影響進(jìn)行了研究，上述研究對(duì)西北地區(qū)氣候變化的認(rèn)識(shí)做出了有益貢獻(xiàn)。但是，西北地區(qū)氣候變化（尤其是熱量資源變化）對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的研究相對(duì)較少。

新疆是我國主要優(yōu)質(zhì)棉花基地，在全國棉花生產(chǎn)中占有不可替代的位置。新疆棉花產(chǎn)區(qū)光照資源豐富，但不同棉區(qū)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(chǎn)與熱量關(guān)系最密切，生長(zhǎng)關(guān)鍵季節(jié)熱量強(qiáng)度不足與棉花品質(zhì)低有一定關(guān)系，生長(zhǎng)季節(jié)的熱量不足對(duì)棉花產(chǎn)量也有較大影響。石河子地區(qū)是新疆主要棉花產(chǎn)區(qū)之一，氣候變暖對(duì)該地區(qū)熱量資源帶來怎樣的變化，對(duì)棉花產(chǎn)量有何影響等是值得研究的課題。運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，依據(jù)石河子墾區(qū)近５０年來氣候變化和棉花產(chǎn)量變化的特點(diǎn)，分析氣候變化對(duì)石河子墾區(qū)棉花產(chǎn)量變化趨勢(shì)的影響，為干旱區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供參考依據(jù)。

１研究方法

處理氣候和農(nóng)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)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(shí)段氣候量相對(duì)平均氣候量變率的大小，其數(shù)學(xué)表達(dá)式見公式（１）。

式中，ｂ１是反應(yīng)上升或下降的變化趨勢(shì)，ｂ１＜０表示在計(jì)算時(shí)段內(nèi)呈下降趨勢(shì)，ｂ１＞０表示呈上升趨勢(shì)，ｂ１值絕對(duì)值的大小可以度量其演變趨勢(shì)上升、下降的程度。

１．３趨勢(shì)系數(shù)

為了解氣象要素的長(zhǎng)期趨勢(shì)變化，計(jì)算氣象要素時(shí)間序列與自然數(shù)數(shù)列之間的相關(guān)系數(shù)（稱為趨勢(shì)系數(shù)）。這樣定義的趨勢(shì)系數(shù)削去了氣象要素的均方差和單位對(duì)線性回歸系數(shù)數(shù)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(shì)變化的大小。

趨勢(shì)系數(shù)可表示要素長(zhǎng)期趨勢(shì)變化的方向和程度。對(duì)趨勢(shì)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)使用相關(guān)系數(shù)的ｔ檢驗(yàn)方法。

ｎ個(gè)時(shí)刻（年）的要素序列與自然數(shù)數(shù)列１，２，３，…，ｎ相關(guān)系數(shù)見公式（5）。

公式（６）遵從自由度ｎ１＋ｎ２－２的t分布。

２結(jié)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(shì)，采用線性傾向分析和５年滑動(dòng)平均趨勢(shì)分析，結(jié)果見圖１。從圖１可以看出，近５０年來石河子地區(qū)的年平均氣溫在波動(dòng)中呈升高趨勢(shì)，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(dòng)平均氣溫變化趨勢(shì)線可以看到，石河子地區(qū)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(shí)期。

２．１．２年日照時(shí)數(shù)年日照時(shí)數(shù)分析見圖２。日照是氣候的重要因素，日照時(shí)數(shù)是表征氣候變化的氣象要素之一。日照時(shí)數(shù)多，有利于棉花的成鈴率和單鈴重的提高［１１］，日照時(shí)數(shù)也是影響棉花纖維品級(jí)的主要?dú)夂蛞蜃又唬郏保玻荨＃础乖率寝r(nóng)作物的主要生長(zhǎng)季節(jié)，特別是棉花對(duì)熱量條件要求較高，熱量條件的好壞直接影響棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)。隨著全球氣候變暖，大氣中污染物的增加，日照時(shí)數(shù)發(fā)生了明顯的變化。由圖２可知，近５０年來石河子地區(qū)日照時(shí)數(shù)年平均值為２ ７３６ ｈ，年平均日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)，其幅度是６．４６ ｈ／１０年。從５年滑動(dòng)平均趨勢(shì)可以看出，石河子地區(qū)年日照時(shí)數(shù)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(qū)全年的降水總量呈明顯增多趨勢(shì)，其增加的幅度為１０．３ ｍｍ／１０年。從５年滑動(dòng)平均曲線可知，石河子地區(qū)年降水總量的波動(dòng)性很大，在１９６１～１９７１年、１９７６～１９８７年這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)明顯低于平均值，在１９７１～１９７５年、１９８８～１９９１年這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)明顯高于平均值，自１９９８年以來一直高于平均值。從實(shí)測(cè)點(diǎn)上可以看出，在１９６５年、１９７８年、１９９１年及１９９７年出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的旱情，而在１９６４年、１９８７年、１９９９年及２００４年則出現(xiàn)嚴(yán)重的降水偏多現(xiàn)象。

２．２石河子地區(qū)棉花年產(chǎn)量變化規(guī)律

對(duì)棉花年產(chǎn)量的分析，也采用了線性傾向分析和５年滑動(dòng)平均趨勢(shì)分析的方法，結(jié)果如圖４。圖４表明，石河子地區(qū)近５０年來棉花產(chǎn)量呈現(xiàn)出較強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭。20世紀(jì)９０年代初期，黃淮海平原棉區(qū)因棉花枯、黃萎病和棉鈴蟲危害嚴(yán)重，效益下降，棉花主產(chǎn)區(qū)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)條件優(yōu)越的新疆棉區(qū)。１９９５年，新疆棉花種植面積和總產(chǎn)量分別占全國的１３．７％和２０．８％，至此，新疆棉區(qū)已經(jīng)成為我國最大的產(chǎn)棉區(qū)，肩負(fù)著保證國家棉花儲(chǔ)備，促進(jìn)我國棉紡織工業(yè)發(fā)展的重任。１９９６年，國務(wù)院根據(jù)當(dāng)時(shí)棉花生產(chǎn)形勢(shì)，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(shè)項(xiàng)目的啟動(dòng)，帶動(dòng)了新疆棉花迅猛發(fā)展，而石河子地區(qū)是新疆主要的棉花生產(chǎn)區(qū)。從５年滑動(dòng)平均曲線來看，自１９９７年以來石河子地區(qū)棉花年產(chǎn)量一直高于歷年平均值，呈直線上升趨勢(shì)。

２．３氣候變化對(duì)棉花年產(chǎn)量的影響分析

影響棉花年產(chǎn)量的因素很多，包括氣候因素、病蟲害因素、生產(chǎn)技術(shù)水平、社會(huì)因素等。研究?jī)H從氣候因素考慮對(duì)棉花年產(chǎn)量的影響，而氣候因素中，影響棉花年產(chǎn)量的主要因素在于溫度、日照和降水量。依據(jù)石河子地區(qū)年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降水總量的原始數(shù)據(jù)。采用多元線性回歸的方法處理棉花年產(chǎn)量與年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降水總量之間的關(guān)系。

２．３．１棉花年產(chǎn)量與氣候因子的相關(guān)關(guān)系從表１可見，在石河子地區(qū)棉花年產(chǎn)量與年降水總量、年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)均為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為０．２６７、０．５２２、０．２７５，其中與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)通過了０．０１的顯著性水平檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的相伴概率小于０．０１，但與年降水總量、年日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)沒有通過０．０５的顯著性水平檢驗(yàn)。說明石河子地區(qū)年平均氣溫的變化對(duì)棉花年產(chǎn)量的增加影響很大，年降水總量與年日照時(shí)數(shù)的變化對(duì)棉花年產(chǎn)量有影響但影響不顯著。

２．３．２建立回歸模型通過對(duì)氣候因子序列進(jìn)行逐步回歸分析，建立回歸模型，來分析棉花年產(chǎn)量與年平均氣溫、年降水總量、年日照時(shí)數(shù)之間的關(guān)系。建立回歸模型方法為：研究在線性相關(guān)條件下，兩個(gè)或兩個(gè)以上自變量對(duì)一個(gè)因變量的數(shù)量變化關(guān)系，稱為多元線性回歸分析，表現(xiàn)這一數(shù)量關(guān)系的數(shù)學(xué)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(kuò)展，其基本原理與一元線性回歸模型類似。

假設(shè)棉花產(chǎn)量與年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降水總量存在如下線性關(guān)系：

Ｙ＝ｂ０＋ｂ１ＩＴ＋ｂ２ＩＰ＋ｂ３ＩＲ （８）

其中ｂ０為常數(shù)項(xiàng)，ＩＴ為年平均氣溫，ＩＰ為年降水總量，ＩＲ為年日照時(shí)數(shù)，ｂａ即ｂ１、ｂ2、ｂ3稱Ｙ對(duì)Ｉｘ（即ＩＴ、ＩＰ、ＩＲ）的回歸系數(shù)。根據(jù)最小二乘法的原理計(jì)算求出回歸系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)。采用ＳＰＳＳ １６．０對(duì)石河子地區(qū)近５０年來的棉花年產(chǎn)量、年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降水總量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)量與年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、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(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)化以后的數(shù)值。

該回歸方程Ｒ２＝０．６６５ ０，對(duì)回歸方程的檢驗(yàn)極顯著，表明所建立的回歸方程可以對(duì)棉花年產(chǎn)量與年平均氣溫、年降總水量、年日照時(shí)數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合。

３結(jié)論與討論

分析了石河子地區(qū)年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降水總量及棉花年產(chǎn)量的變化特征，該地區(qū)年平均氣溫、年日照時(shí)數(shù)、年降水總量均呈總體上升趨勢(shì)。并且探討了氣候變化對(duì)棉花年產(chǎn)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(shí)數(shù)的增多都有利于棉花年產(chǎn)量的增加。

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

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