唐河縣31年溫度的變化特征及其對棉花生產的影響

呂少洋，石兆勇＊，王發園，吳姍薇，李 民

（1.河南科技大學農學院，河南洛陽471023；2.河南省南陽市農業科學院，河南南陽473000）

唐河縣31年溫度的變化特征及其對棉花生產的影響

呂少洋1，石兆勇1＊，王發園1，吳姍薇1，李 民2

（1.河南科技大學農學院，河南洛陽471023；2.河南省南陽市農業科學院，河南南陽473000）

為了促進唐河縣優質棉花生產，采用線性回歸分析法研究小尺度范圍氣候的變化規律及棉花生產對其變化的響應。結果表明：1983—2013年唐河縣的年均氣溫呈顯著升高趨勢，增速為0.389℃/10a；但其增長存在較大的不平衡性。其中，1983—1998年氣溫升高迅速，增速達0.766℃/10a，而1999—2013年溫度則幾乎沒有變化。從季節看，春季和夏季升溫顯著，秋季和冬季則不顯著。1999—2013年，棉花產量呈顯著增長趨勢，溫度每升高1℃，棉花增產151.68kg/hm2；其中，2003—2013年棉花產量隨春季和夏季溫度、7月均溫、極端最高溫和棉花生長季均溫的增加而升高。可見，唐河縣31年溫度的變化較敏感，并且溫度對棉花的增產作用在整體上較為顯著，且不同時間段的溫度變化及其對棉花的影響存在明顯的時間變異性。

溫度；氣候變化；變化特征；棉花；唐河縣

目前，氣候變化現象已為人們普遍關注［1-5］。IPCC第五次評估報告第一工作組報告指出，與1986—2005年相比，預計2016—2035年全球平均地表溫度將升高0.3～0.7℃，2081—2100年將升高0.3～4.8℃［6］。除IPCC對全球每年的評估外，區域尺度上的研究也受到關注。王少鵬等［7］的研究表明，我國近40年的年均溫升高不均衡且存在明顯的轉折點，從全國范圍看，轉折點出現在1984年。周偉東等［8］研究表明，1951—2007年我國110°E以東地區溫度明顯上升，且溫帶地區的上升趨勢最大，為0.5℃/10a，熱帶地區最小，為0.2℃/10a。曾婷等［9］對安徽省近53年氣溫的研究結果顯示，氣溫以0.2℃/10a的速率增加。張一馳等［10］的研究表明，河南省氣溫呈上升趨勢，年均溫序列在1993年前后有一個突變點，以平均每10年降低1.3%。各研究雖然均表明年均溫有不同程度的變化，但其變化存在時間和空間的不均衡性。氣候變化可造成一系列的環境問題。Urban［11］研究表明，如果氣候變化仍然以目前的進程發展，地球上多達1/6的物種將消失，且不同的區域受到的影響存在差異。Nemani等［12］基于全球尺度研究1982—1999年的氣候變化對植被初級生產力的影響發現，18年內植被的初級生產力增加顯著。Zhao等［13］采用2000—2009年的數據進行類似研究的結論卻與之相反，并指出水分是限制植被生產力增加的因子。可見，氣候變化對生態系統的影響存在時間和空間的變異。

目前，氣候變化對農作物的影響已引起廣泛關注，其對小麥［14］、玉米［15］及農牧作物［16］等的影響已有報道，關于棉花對溫度響應的研究也很多。黃建等［17］認為，新疆烏蘭烏蘇棉區氣溫對棉花產量的影響大于降水的影響，而且對棉花的影響波動不穩定。李毅等［18］認為，未來新疆棉花對水的需求降低，遭受干旱的風險降低，對干旱半干旱作物區棉花種植有重要意義。李景林等［19］研究北疆近52年的氣象資料發現，北疆地區7月均溫等氣候要素呈顯著上升趨勢，使得北疆地區宜棉區面積擴大。吳立峰等［20］研究了不同灌溉水平新棉花品種的敏感性和不確定性。張曉潔等［21］則在氣候變化下研究簡化整枝對棉花的生育以及纖維品質的影響。岳偉等［22］有關安徽省近50年棉花生長的研究表明，生長季均溫以及日照時數對棉花產量有極顯著增產效應。姚樹然等［23］對河北地區的分析則表明，降水和氣溫是影響北部棉區的關鍵氣候因子，東部棉區則以氣溫為關鍵因子，中部棉區光、溫和水對產量作用均衡，降水對南部平原和南部丘陵棉區影響較大。張德汴等［24］研究結果表明，溫度是影響棉花產量的主要氣象因素，日照時數雖然對棉花的品質和產量影響最大，但不起決定作用。這與岳偉等［22］的研究結果存在差異。彭維英等［25］研究陜西大荔縣域棉花對氣候變化的響應發現，大荔縣溫度顯著上升影響棉花的物候期，有利于棉花種植。

河南省唐河縣地處北亞熱帶向暖溫帶過渡地區（北緯32°21′～32°55′，東經112°28′～112°16′），是河南省農業大縣之一，也是全國著名的商品糧、棉基地，棉花是唐河縣主要的經濟作物之一，其種植歷史悠久。唐河縣位于南陽盆地東部，東鄰桐柏山脈，地理位置比較特殊，受盆地和山地氣候相互作用的影響較大。截止目前，我國現有關于氣候對棉花產量影響的研究大部分集中在新疆等西北干旱地區，雖然也有針對其他地區的研究報道，但是研究的時間和結果存在較大差異，而縣域尺度上棉花對溫度響應的報道很少，未見關于唐河縣溫度變化對棉花影響的研究報道。為此，筆者采用線性回歸的分析方法研究小尺度范圍（唐河縣域）氣候變化及其對棉花生產的影響，驗證唐河縣域尺度上氣候變化是否存在較大時間變異，旨在為促進唐河縣優質棉花生產提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

采用唐河縣1983—2013年的氣溫及相關棉花產量指標進行研究，數據來源于唐河縣氣象局和統計局。

1.2 研究方法

1.2.1 數據處理 采用線性回歸處理方法對唐河縣1983—2013年氣溫以及相關棉花產量的數據進行處理。

1.2.2 研究內容與分析方法 參考Nemani等［12-13，7］的研究結果，結合本研究中溫度的分布特點，對唐河縣31年的溫度變化總趨勢進行分析；分析不同季節溫度的變化特點，年均溫、四季溫度、1月、7月、極端最高和最低溫對棉花生產的影響，以及棉花生長季（4—10月）均溫對棉花生產的影響；在此基礎上進一步查找是否存在明顯的變化轉折點及其可能出現的年份。

季節的劃分：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—2月為冬季。棉花生長季溫度為4—10月均溫。

1.3 數據統計與分析

采用Excel 2003和SPESS 19.0軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 年均溫度的變化特征

從圖1和圖2可見，唐河縣1983—2013年年平均氣溫呈明顯上升趨勢，每10年平均溫度增加0.389℃。總體看，雖然31年溫度變化呈持續增加趨勢，但進一步分析不同時間段的溫度變化發現，該變化存在明顯的轉折點，位于1998年前后。分析轉折點前后的溫度變化發現，1983—1998年的氣溫升高速度更明顯，為0.766℃/10a；而1999—2013年的氣溫幾乎沒有任何變化（0.011℃/10a）。表明，雖然唐河縣近31年氣溫呈總體升高趨勢，但不同的時間段溫度的變化特征存在很大差異，即存在明顯的時間變異，并具有明顯的轉折點。

圖1 1983—2013年唐河縣年均氣溫的整體變化趨勢Fig.1 Overall change trend of annual average temperature in Tanghe County from 1983to 2013

圖2 1983—2013年唐河縣年均氣溫不同時間段（1983—1998，1999—2013）的變化趨勢Fig.2 Change trend of annual average temperature in Tanghe County from 1983to 1998and from 1999 to 2013

圖3 1983—2013年唐河縣不同季節溫度的年度變化趨勢Fig.3 Change trend of annual temperature in different season in Tanghe County from 1983to 2013

圖4 1999—2013年唐河縣溫度變化與棉花產量的相關性Fig.4 Correlation between temperature change and cotton yield in Tanghe County from 1999to 2013

2.2 不同季節氣溫的變化趨勢

從圖3可見，唐河縣近31年四季的年平均氣溫均呈上升趨勢。其中，春季表現極為顯著，平均溫度升高速度為0.731℃/10a，呈極顯著上升趨勢；夏季以0.388℃/10a的速度呈顯著上升趨勢。秋季和冬季雖然總體看溫度也呈持續升高趨勢，但增速不明顯，其增溫速度分別為0.206℃/10a和0.208℃/10a，秋季與冬季的增溫速度相差僅0.002℃/10a。表明，唐河縣近31年四季氣溫總體呈升高趨勢，但不同季節平均氣溫的變化值及變化率均不相同，其溫度變化特征存在很大差異。

2.3 溫度變化對唐河縣棉花產量的影響

2.3.1 溫度變化與唐河縣棉花產量的相關性 從圖4可見，1999—2013年溫度與棉花產量之間存在顯著正相關。即溫度每上升 1℃，棉花增產151.68kg/hm2。說明，溫度對棉花增產十分有益。

2.3.2 不同季節溫度變化對唐河縣棉花產量的影響 從圖5可見，對四季溫度而言，棉花產量均隨著春、夏和秋季溫度的升高呈不同程度的正效應，而隨著冬季溫度的升高則呈顯著的負效應。其中，2003—2013年隨著春季溫度每上升1℃，棉花產量顯著增長，增產77.339kg/hm2；1999—2013年隨著夏季溫度每上升1℃，棉花產量呈顯著增加趨勢，增產63.204kg/hm2；1999—2013年隨著秋季溫度每上升1℃，棉花增產24.488kg/hm2，但未達顯著水平；2006—2013年隨著冬季溫度每上升1℃，棉花產量卻顯著降低，減產43.385kg/hm2。表明，溫度變化對棉花產量的影響存在顯著的時間差異，并且影響程度也存在顯著的差異，其影響程度依次為春季＞夏季＞冬季＞秋季。

圖5 1999—2013年唐河縣不同季節溫度變化與棉花產量的相關性Fig.5 Correlation between temperature change in different season and cotton yield in Tanghe County from 1999to 2013

圖6 1999—2013年唐河縣1月和7月溫度變化與棉花產量的相關性Fig.6 Correlation between temperature change in January and July and cotton yield in Tanghe County from 1999to 2013

2.3.3 1月和7月溫度變化對唐河縣棉花產量的影響 從圖6可見，1月均溫每升高1℃，棉花減產3.302 6kg/hm2，二者間呈負相關但未達顯著水平；相反，隨著7月均溫每升高 1℃，棉花增產49.865kg/hm2，二者間呈顯著正相關。表明，1月均溫升高對棉花生產存在不利影響，而7月均溫升高有利棉花生產。說明，棉花生產對溫度變化的響應存在顯著的時間差異。

2.3.4 極端最低溫與極端最高溫變化對唐河縣棉花產量的影響 從圖7可知，極端最低溫與極端最高溫對棉花生產的影響與1月和7月均溫對棉花生產的影響基本一致。隨著極端最低溫每升高1℃，棉花減產10.579kg/hm2，但是未達顯著水平；反之，極端最高溫度與棉花生產呈顯著正相關，即溫度每升高1℃，棉花增產48.715kg/hm2。棉花生長季的溫度（圖8）與棉花產量之間呈顯著正相關，即隨著棉花生長季溫度每升高1℃，棉花增產96.003kg/hm2。表明，溫度對棉花產量的影響存在顯著的時間差異，年均溫對棉花產量的影響最大，其次是棉花生長季溫度和春季溫度的影響。

圖7 1999—2013年唐河縣極端最低和最高溫度變化與棉花產量的相關性Fig.7 Correlation between change in extreme maximum and minimum temperature and cotton yield in Tanghe County from 1999to 2013

圖8 1999—2013年唐河縣棉花生長季溫度變化與棉花產量的相關性Fig.8 Correlation between temperature change during cotton growth period and cotton yield in Tanghe County from 1999to 2013

3 結論與討論

總體上唐河縣的溫度變化與全國［7］和省域［26］的變化趨勢一致，溫度均呈升高趨勢；但就時間尺度上的變化而言，則與前人的研究結果不一致。該研究表明，唐河縣31年年均溫的變化存在轉折點，轉折點出現在1998年；且在全球氣候變化背景下，溫度的升高存在階段性的不均衡性。張一馳等［10］研究發現，華北地區1951—2009年氣溫變化轉折點出現在1993年。王少鵬等［7］通過分段線性回歸方法研究發現，我國近40年的年均溫變化存在顯著的轉折點，轉折點出現在1984年。溫度變化轉折點存在時期差異的可能原因：1）各研究的區域尺度存在差異所致。即在全國尺度（大尺度）上研究可能掩蓋了小尺度上的規律，這也說明，進行小區域的研究非常有必要。2）研究的時間尺度不同所致。本研究的時間段為1983—2013年，而張一馳等［10］和王少鵬等［7］的研究范圍分別是1951—2009年和1961—2004年，時間段的不同可能導致轉折點的差異，但張一馳等［10］的結論與本研究的結果更為接近。通過比較進一步佐證了本研究的假設和最初的推測，即小區域尺度上與較大尺度上的溫度變化模式可能存在不同。

唐河縣不同季節溫度變化以春季（0.731℃/10a）和夏季（0.388℃/10a）增溫最顯著，秋季（0.206℃/10a）和冬季（0.208℃/10a）增溫不明顯。這與王峰等［27］春季和冬季增溫更明顯，吳春德等［28］冬季（0.608℃/10a）增溫最為突出的結論不同。說明，不同季節的增溫存在很大的地域差異。

1999—2013年唐河縣溫度變化對棉花的影響呈顯著增長趨勢，即溫度每上升1℃，棉花增產151.68kg/hm2，該增長趨勢與黃健等［17-19］的研究結論基本一致，說明溫度升高對棉花增產有利。2003—2013年春季和夏季溫度、7月均溫、極端最高溫和棉花生長季均溫升高對棉花產量有顯著的增產作用，溫度每上升1℃，棉花分別增產77.339kg/hm2、63.204kg/hm2、49.865kg/hm2、48.715kg/hm2和96.003kg/hm2，秋季均溫的增產效果不顯著。說明，溫度對棉花產量的影響存在顯著的時間差異，其中棉花生長季溫度的增產作用最顯著，這與岳偉［22］的研究結果一致。溫度有增產作用也有減產效應。其中，2006—2013年冬季溫度、1月均溫和極端最低均溫對棉花產量有減產作用，但是只有2006—2013年冬季均溫的影響達顯著水平，溫度每上升1℃，棉花減產43.385kg/hm2。棉花生長季基本是4—10月，冬季、1月和極端最低均溫按常理說對棉花的生長可能不存在影響，但是2006—2013年冬季溫度的減產作用達顯著水平，產生該現象的原因可能是當年冬季的溫度很低，使來年春季溫度回升較慢，棉花屬喜溫作物，所以在一定程度上造成棉花減產。但是具體原因還有待進一步研究。

綜上所述，唐河縣31年溫度的變化比較敏感，溫度對棉花的增產作用整體上較為顯著，且不同時間段的溫度變化及其對棉花的影響存在明顯的時間變異性。

致謝：感謝唐河縣氣象和統計局提供相關的數據資料。

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（責任編輯：王 海）

Change Characteristics of Temperature and its Effect on Cotton production in Tanghe County during 1983-2013

LU Shaoyang1，SHI Zhaoyong1＊，WANG Fayuan1，WU Shanwei1，LI Min2
（1.Colegeof.Agriculture，HenanUniversityofScienceandTechnology，Luoyang，Henan471003；2.NanyangAcademyofAgriculturalSciences，Nanyang，Henan473000，China）

The climatic change regulation in small scale range and its effect on cotton production were studied by linear regression analysis to promote production of quality cotton in Tanghe County.Results：The annual average temperature presents an obvious increasing trend with a growth rate of 0.389℃/10ain Tanghe County from 1983to 2013but there is a greater unbalance in temperature growth.The annual temperature increases rapidly with a growth rate of 0.766℃/10afrom 1983to 1998but annual temperature has little change from 1999to 2013.Temperature increases significantly in Spring and Summer but insignificantly in Autumn and Winter.The cotton yield shows an obvious rising trend from 1999to 2013 and cotton yield increased by 151.68kg/hm2when the temperature increases 1℃.Cotton yield increases with temperature increase in Spring and Summer and increase of average temperature in July，extreme maximum temperature and average temperature during cotton growth period from 2003to 2013.In conclusion，Annual average temperature is sensitive to climatic change during 1983-2013and has the significant yield-increase effect on cotton overall.The temperature variation during different time period has obvious temporal variation for cotton yield.

temperature；climatic change；change characteristics；cotton；Tanghe County

S16

A

2015-12-10；2016-09-04修回

河南科技大學“環境生物與土壤生態”創新團隊建設（2015TTD002）

呂少洋（1989-），女，碩士，研究方向：區域環境變化與作物生產的關系。E-mail：1456755623＠qq.com

＊通訊作者：石兆勇（1975-），男，副教授，從事土壤生態方面的研究。E-mail：shizy1116＠126.com

1001-3601（2016）09-0407-0157-06