新疆農(nóng)八師墾區(qū)不同播期棉花苗期的終霜凍風(fēng)險(xiǎn)

李紅英， 向 導(dǎo)， 賈 超

(1.石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站， 新疆 石河子 832000； 2.石河子莫索灣氣象站， 新疆 石河子 832000)

棉花是重要的經(jīng)濟(jì)作物和戰(zhàn)略物資，可用于不同行業(yè)和領(lǐng)域，在國防建設(shè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥衛(wèi)生等方面尤為重要[1-3]。2017年新疆棉花播種面積占全國總面積的60.8%，其產(chǎn)量占全國總產(chǎn)的74.4%[4]，北疆地區(qū)棉花種植面積占全疆的1/3，為重要棉花生產(chǎn)基地之一。棉花生長離不開氣候環(huán)境，而不利的氣候條件影響棉花的正常生長及產(chǎn)量。由于氣候特征的區(qū)域化特點(diǎn)，各地區(qū)氣候變化對(duì)棉花生長影響的程度也不盡相同[5-7]。播種出苗是棉花的第一關(guān)鍵期，霜凍不僅影響苗全及苗壯，而且還影響后期開花、結(jié)鈴和吐絮，甚至影響棉花產(chǎn)量[8-9]，霜凍災(zāi)害直接影響作物后期生長及產(chǎn)量的形成[10-11]。因此，研究棉花適時(shí)播種降低終霜凍風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)棉花的苗全、苗壯、穩(wěn)產(chǎn)和豐產(chǎn)具有重要意義。關(guān)于氣象要素對(duì)棉花生長及產(chǎn)量的影響已有諸多研究[12-14]。李曉川等[15]研究表明，庫爾勒地區(qū)棉花播種期的異常天氣對(duì)棉花苗期具有明顯的風(fēng)險(xiǎn)性。張翠英等[16]研究認(rèn)為，氣候因素與魯西南棉花生長、產(chǎn)量和品質(zhì)具有良好的相關(guān)性；狄佳春等[17]采用區(qū)域試驗(yàn)資料分析氣象因素對(duì)棉花產(chǎn)量的影響。李迎春等[18]選用10℃初日研究全疆植棉區(qū)終霜期對(duì)棉花播種期的影響。傅瑋東[19]研究新疆終霜和春季低溫冷害對(duì)棉花播種期的風(fēng)險(xiǎn)。可見，終霜日的地域性變化十分明顯。為此，選擇近30年(1989-2018年)烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站棉花物候觀測(cè)資料及近58年(1961-2017年)氣候資料，運(yùn)用氣候診斷分析方法，研究不同播期棉花苗期的終霜凍風(fēng)險(xiǎn)，以期為新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花豐產(chǎn)栽培計(jì)劃的制定及苗期終霜凍風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1989—2018年大田棉花物候(3-5月日平均氣溫、日最低氣溫等)觀測(cè)資料及1961—2018年氣候(包括農(nóng)八師墾區(qū)莫索灣、炮臺(tái)、烏蘭烏蘇及石河子氣象站1961—2017年3—5月日平均氣溫、日最低氣溫資料，烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站棉花發(fā)育期資料)資料，由烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站提供。

1.2 方法

1.2.1 指標(biāo)的確定 10℃及12℃初日，采用5日滑動(dòng)平均法計(jì)算；棉花苗期重霜凍，因?yàn)槊藁缙谳p霜凍最低溫度為3～4℃，重霜凍為2℃[20]，所以采用春季最后一次日最低氣溫≤2℃日期作為棉花苗期重霜凍指標(biāo)。用標(biāo)準(zhǔn)偏差衡量變量離散幅度。

1.2.2 日期轉(zhuǎn)換日序 變量的變化趨勢(shì)特征采用一元線性回歸分析，用一元線性函數(shù)的一次項(xiàng)系數(shù)(a)表征變量的趨勢(shì)變化特征[19]；為便于作圖與分析，將10℃、12℃初日及終霜日期轉(zhuǎn)換成日序，具體以4月1日=1，4月2日=2，……，以此類推。

變量標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)是用于衡量變量偏離算術(shù)平均值的程度，是變量分散程度的標(biāo)準(zhǔn)，可確定極端事件發(fā)生幾率[21]。

式中，S為變量標(biāo)準(zhǔn)偏差，yi-y為變量歷年值減總體平均數(shù)，N為變量樣本數(shù)。

y=ax+b

式中，y為因變量(氣候要素)，x為自變量(時(shí)間序號(hào))，a為系數(shù)，b為常數(shù)項(xiàng)。a也稱傾向率，一般用10a來表示，a>0表示y變量隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)；a<0則表示其呈下降趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)八師墾區(qū)棉花播種與出苗期、10℃初日、12℃初日和終霜期的年變化及其出現(xiàn)頻率

從圖1～4和表1看出，1989—2018年農(nóng)八師墾區(qū)棉花的播種期及出苗期變化，1961—2018年10℃初日、12℃初日及終霜期的年變化及其出現(xiàn)頻率的變化。

表1 1961—2018年農(nóng)八師墾區(qū)棉花播種期、10℃初日、12℃初日和終霜日出現(xiàn)的頻率Table 1 The frequency of cotton sowing date, 10°C first day, 12°C first day and last frost day in 8th reclamation area from 1961 to 2018 %

2.1.1 播種期 棉花播種期集中分布在4月，70%集中在中旬播種。其中，4月8-10日有5a，占16.7%；4月11-15日有7 a，占23.3%；4月16-20日有12 a，占40%；4月21-30日有6 a，占20%。播種期最早為4月8日(2013年和2016年)，最晚為4月30日(1996年)，平均為4月18日。隨著氣候變暖，棉花播種期呈明顯提前趨勢(shì)(r=0.487，P<0.01)，近10年(2009—2018年)較前20年(1989-2008年)播種期平均提前5 d。棉花出苗時(shí)間最早為4月18日(2007年)，最晚為5月20日(1992年和1993年)，平均為5月2日。由于播種期提前，出苗期也隨之明顯提前(r=0.497，P<0.01)，近10年(2009-2018年)較前20年(1989-2008年)出苗期平均提前5 d。1989-2018年烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站大田棉花監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，播種至出苗時(shí)間平均為15 d，最短為10 d(1996年、2007年和2008年)，1992年播種至出苗為4月24日至5月20日，歷時(shí)27 d，平均氣溫低于8.9℃的持續(xù)低溫天氣為4月28日至5月3日，為6 d，出苗率不足80%；2003年播種至出苗時(shí)間為4月17日至5月10日，歷時(shí)23 d，低于9.5℃的低溫天氣為4月19-23日，持續(xù)5 d，出苗率不足85%。

2.1.2 10℃及12℃初日

1) 10℃初日。1961—2018年穩(wěn)定10℃初日為3月下旬至4月下旬，平均為4月12日。最早為3月31日(1983年、2000年和2012年)，最晚為4月28日(1984年)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±5.3 d，4月19日后出現(xiàn)的10℃初日為極端年份，有10 a，機(jī)率為17.2%。10℃初日74.2%的保證率為4月11-15日，其出現(xiàn)頻率為29.3%；84.5%的保證率為4月16-20日，其出現(xiàn)頻率為10.3%。穩(wěn)定10℃初日擬合趨勢(shì)線呈提前趨勢(shì)，其一元線性方程為y=-0.041 4x+94.718(r=0.101，P>0.05)，傾向率為-0.414 d/10a，即每10年平均提前0.4 d達(dá)穩(wěn)定10℃初日，2000年后(2000-2018年)較20世紀(jì)60-70年代(1961—1980年)提前3 d。

2) 12℃初日。1961—2018年穩(wěn)定12℃初日為4月上旬至5月上旬，平均為4月17日，較10℃初日晚5 d，較10℃初日分散。最早為4月5日(2012年和2014年)，最晚為5月6日(1975年和1984年)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±6.1 d，4月23日后出現(xiàn)的12℃初日為極端年份，有9 a，機(jī)率為15.5%。12℃初日74.1%保證率為4月16-20日，其出現(xiàn)頻率為20.7%；86.2%保證率為4月21-26日，其出現(xiàn)頻率為12.1%。穩(wěn)定12℃初日擬合趨勢(shì)線呈不顯著提前趨勢(shì)，其一元線性方程為y=-0.092 9x+201.73(r=0.210，P>0.05)，傾向率為-0.929 d/10a，即每10年平均提前0.9 d達(dá)穩(wěn)定12℃初日，2000年后(2000-2018年)較20世紀(jì)60-70年代(1961-1980年)提前3 d。

2.1.3 終霜日 1961-2018年終霜結(jié)束的平均時(shí)間為4月15日，較為分散。2016年結(jié)束最早，為3月19日；1985年結(jié)束最晚，為5月15日；變幅為57 d，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±11.0 d，4月26日后出現(xiàn)的終霜期為極端年份，有10 a，機(jī)率為17.2%。終霜日63.7%的保證率為4月16-20日，其出現(xiàn)頻率為5.2%；82.7%的保證率為4月26-30日，其出現(xiàn)頻率仍為5.2%。終霜期擬合趨勢(shì)線呈極顯著提前趨勢(shì)，其一元線性方程為y=-0.255 6x+523.65(r=0.320，P<0.01)，傾向率為-2.566 d/10 a，即每10年平均提前2.6 d結(jié)束終霜凍，2000年后至2018年終霜期平均為4月6日，20世紀(jì)60-70年代平均為4月17日，前者較后者提前11 d。

2.2 農(nóng)八師墾區(qū)穩(wěn)定10℃、12℃初日棉花播種的終霜凍風(fēng)險(xiǎn)

目前，農(nóng)八師墾區(qū)仍以10℃初日作為棉花播種期指標(biāo)。從表2可知，農(nóng)八師墾區(qū)棉花在穩(wěn)定10℃初日和穩(wěn)定12℃初日平均播種日期和80%的保證率播種日期播種后遇終霜凍概率的變化。10℃初日：平均播種日期和80%的保證率播種日期分別為4月12日和4月18日，其播種后、播種10 d后和播種15 d后遇終霜凍的概率和80%的保證率分別為48.3%和36.6%、31.0%和17.2%、19.0%和10.3%。12℃初日：平均播種日期和80%的保證率播種日期分別為4月17日和4月22日，其播種后、播種10 d后和播種15 d后遇終霜凍的概率和80%的保證率分別為37.9%和31.0%、19.0%和13.8%、13.8%和6.1%。總體看，12℃播種較10℃播種棉花苗期終霜凍風(fēng)險(xiǎn)降低約4～5百分點(diǎn)。

表2 農(nóng)八師墾區(qū)穩(wěn)定10℃初日及12℃初日播種后的遇終霜凍的概率Table 2 Probability of final frost on the first day of stable 10℃ and the first day ofstable12℃ after sowingin 8threclamation area

2.3 10℃初日、12℃初日與終霜日的相關(guān)性及播種期的確定

經(jīng)相關(guān)分析，10℃初日、12℃初日與終霜日呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著(r10℃=0.237，r12℃=0.190，P>0.05)，但10℃初日、12℃初日與終霜日仍存在同期出現(xiàn)的規(guī)律性。終霜日較10℃初日、12℃初日分散。5月上中旬出現(xiàn)的霜凍對(duì)棉花苗期則構(gòu)成極大的威脅。農(nóng)八師墾區(qū)以10℃初日作為棉花播種指標(biāo)，12℃初日更適合作為當(dāng)?shù)孛藁úシN的適宜指標(biāo)[21]，但是，即使提高播種溫度指標(biāo)，農(nóng)八師墾區(qū)棉花苗期仍具有較大的霜凍風(fēng)險(xiǎn)。4月中旬播種終霜風(fēng)險(xiǎn)達(dá)36.3%～41.4%，而將播種期推至4月21-25日，終霜凍風(fēng)險(xiǎn)可降至17.3%；播種期推至4月26-30日，終霜凍風(fēng)險(xiǎn)可降至8.6%；播種期推至5月1-5日，終霜凍風(fēng)險(xiǎn)可降至3.4%。在考慮初霜凍危害的同時(shí)，農(nóng)八師墾區(qū)棉花播種期可推遲至4月26日至5月5日。

3 結(jié)論與討論

農(nóng)八師墾區(qū)棉花播種期目前基本與10℃初日重合，即在4月中旬，經(jīng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，棉花播種適宜的溫度應(yīng)為12℃。隨著氣候變暖，農(nóng)八師墾區(qū)10℃初日和12℃初日呈不顯著的提前變化趨勢(shì)。而終霜日呈極顯著提前趨勢(shì)。10℃初日較12℃初日變化幅度大，而終霜日的變化幅度則更大。因此，12℃初日比終霜日更易預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

目前，4月中旬播種終霜風(fēng)險(xiǎn)達(dá)36.3%～41.4%，而將播種期推至4月21-25日，終霜凍風(fēng)險(xiǎn)可降至17.3%，播種期推至4月26-30日，終霜凍風(fēng)險(xiǎn)可降至8.6%；播種期推至5月1-5日，終霜凍風(fēng)險(xiǎn)可降至3.4%。在考慮初霜凍危害的同時(shí)，農(nóng)八師墾區(qū)棉花播種期可推遲至4月26日至5月5日。其具體播種期可預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)12℃初日80%或90%保證率的出現(xiàn)日期。

棉花播種后若遇連續(xù)低溫及霜凍天氣，若發(fā)生在棉花出苗前，會(huì)因低溫脅迫棉花種子發(fā)芽遲緩，使其爛根爛芽，影響出苗率，如1992年、1993年和2002年均因播種后的連續(xù)低溫天氣影響苗情。當(dāng)出苗后遇終霜凍其危害更嚴(yán)重，甚至毀種重播。經(jīng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，農(nóng)八師墾區(qū)棉花播種至出苗需要10～27 d，平均15 d左右。終霜日為播種前或在播種后10 d內(nèi)，對(duì)棉花苗期無影響，若終霜日為播種10 d后，即給棉花生長帶來霜凍風(fēng)險(xiǎn)。12℃初日較10℃初日平均晚5 d。張玲等[21-22]研究指出，石河子墾區(qū)12℃播種可提高棉花出苗率20%以上，且苗齊苗壯程度高于10℃播種。

從1989-2018年播種期監(jiān)測(cè)結(jié)果看，播種期最早為4月8日，播種10 d后其終霜凍風(fēng)險(xiǎn)概率為41.4%；若10℃初日80%保證率期間(4月18日)播種，播種10 d后其終霜凍風(fēng)險(xiǎn)概率為22.5%；若12℃初日80%保證率期間(4月22日)播種，播種10 d后其霜終凍風(fēng)險(xiǎn)概率為17.3%；4月26-30日播種，播種10 d后終霜凍風(fēng)險(xiǎn)概率可降至8.6%；若播種期推至5月1-5日，播種10 d后終霜凍風(fēng)險(xiǎn)可降至3.4%。棉花播種期的確定不僅要研究終霜凍對(duì)苗期的危害，還要考慮棉花成熟期的初霜凍危害。石河子墾區(qū)89.7%的初霜日為10月，9月初霜凍概率為10.3%，而9月中旬概率為1.7%，9月下旬為6.9%。1968年初霜為9月7日，終霜為5月5日，無霜期為歷年最短的124 d，1961—2018年無霜期<140 d的概率僅1.7%。近年來，石河子墾區(qū)棉花主推早熟品種新陸早62號(hào)和新陸早64號(hào)，生育期124 d[24]。

石河子以及北疆地區(qū)終霜凍對(duì)棉花苗期的危害要大于南疆[18]，即使將播種期推至4月26日后，仍存在3.4%～8.6%的終霜凍風(fēng)險(xiǎn)。目前，棉花播種期逐漸提前，主要是由于氣候變暖使界限溫度10℃初日、12℃初日及終霜日提前及行政干預(yù)等。如1997年4月14日由于過早播種，5月8日遇終霜凍至棉苗凍死，損失較重，而1993年4月28日的播種較晚，5月10日遇終霜凍，由于棉苗極少出土，則受災(zāi)較輕。因此，石河子墾區(qū)在力推早熟品種新陸早62號(hào)和新陸早64號(hào)的同時(shí)，應(yīng)提倡棉花適時(shí)晚播，可使終霜凍風(fēng)險(xiǎn)降至最低。