干旱區哈密瓜生長和產量與氣候要素的關系

吉春容，穆彩蕓，胡啟瑞，王森，李錦虎，江遠安

1.新疆興農網信息中心/新疆維吾爾自治區農業氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2.哈密市氣象局，新疆 哈密 839000；3.伽師縣氣象局，新疆 伽師 844300；4.新疆維吾爾自治區氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002

哈密瓜（CucumismeloL.）是新疆典型的地理標志產品，哈密、吐魯番地區適宜的氣候和水土條件，造就了哈密瓜的獨特風味，使其成為各類瓜果中的佼佼者。然而新疆地形復雜，氣候多變，近年來受全球氣候變暖的影響，極端氣候事件的發生頻率和強度有所增加，制約了瓜果業的產量和品質（劉敬強等，2013；Fang et al.，2016；Tong et al.，2019）。氣候變化將對農作物產量產生巨大影響（Tao et al.，2006；Yuan et al.，2011），研究分析氣候變暖背景下哈密瓜生長發育的差異變化對于實際生產具有指導意義。已有研究結果表明，光熱氣候條件是影響哈密瓜和伽師瓜生產的關鍵因素（王健等，2006；普宗朝等，2015），其中日平均氣溫穩定≥15 ℃日數是決定不同熟型哈密瓜能否種植的基本氣候因子，≥20 ℃光溫指數和 6—8月平均氣溫日較差是影響哈密瓜優質、高產的主要氣候因子（馬克奇等，2001；李景林等，2018）。也有研究表明（司地克·買買提等，2015），強光照和長日照時數對植株生長十分有利，并有利于果實膨大期的高糖分的積累，年日照時數在 3000 h以上可獲得優質高產。生長期的降水量和大降水日數是影響哈密瓜年景的主要因素（王建剛等，2014）。光照、溫度、水肥這些外界環境條件對外觀品質都有影響，但以光照的影響最大（耿新麗等，2014）。空氣濕度和降水量是哈密瓜傳染性病害大面積發生的誘因之一，嚴重時引起成熟期裂果現象（金玉華，2008）。而在全球變暖背景下，1961—2010年新疆氣溫總體呈顯著的升高趨勢，熱量資源明顯增多，水資源條件有所改善，但日照時數略有減少；研究認為氣候變化對新疆特色林果的種植總體較有利（李景林等，2013；劉敬強等，2013）。目前對哈密瓜的研究成果主要集中在品種引進（沈其云等，2020）、栽培管理（李婷等，2016；趙京奇等，2016）、貯藏方式（房世杰等，2019）對哈密瓜生長發育及品質的影響，那么在當前氣候變化背景下，哈密瓜的生長種植對氣候變化如何響應，氣象條件的差異對各關鍵生長發育期是否有影響，均需要進一步深入研究。以哈密中晚熟品種種植地區為研究對象，在分析氣候變化特征的基礎上，探討哈密瓜各生長發育期、各發育期內氣象條件的差異變化以及二者的相關關系，旨在闡明影響哈密瓜發育期的關鍵氣象因子，為科學指導哈密瓜田間管理、合理防災減災提供理論依據。

1 材料與方法

選擇新疆哈密瓜主產地哈密市（93°25′E，42°34′N，海拔高度549 m）為研究區域，哈密瓜種植品種為中熟品種。

氣候要素數據選取 1981—2019年不同時段的平均氣溫、最高最低氣溫、降水量、日照時數等，并計算不同界限溫度積溫，數據來源于新疆氣象信息中心。將逐年發育期日期轉化為距當年1月1日的實際天數，即日序數，得到發育期的時間序列；1999—2019年發育期數據來源于農業氣象觀測數據和新疆農業科學院。1999—2019年種植面積和產量數據來源于新疆統計年鑒（新疆維吾爾自治區統計局，2000—2020）。

采用線性回歸法分析發育期、產量的年際變化趨勢及其與各氣候因子的相關性（Liu et al.，2019；劉璐等，2020），數據時段為1999—2019年；考慮到研究區域為地膜覆蓋、節水灌溉種植區，因此未分析降水對發育期、產量的影響以及氣溫變化對播種期的影響。通過M-K突變檢驗方法進行氣候要素變化趨勢檢驗（戚穎等，2019）。哈密瓜的氣候產量等于實際產量減去趨勢產量，采用5年滑動平均值方法模擬趨勢產量（房世波，2011）。利用Excel 2010和SPSS 16.0軟件進行數據處理分析。

2 結果與分析

2.1 哈密瓜生長干旱區氣候變化特征

2.1.1 氣候因子的年際變化

哈密市 1981—2019年多年平均氣溫為10.4 ℃，年平均地溫為13.4 ℃，年降水量43.2 mm，年平均相對濕度44.3%，年日照時數3 334.1 h。近39年來，年平均氣溫、年降水量、年平均地溫0 cm、年日照時數總體呈上升趨勢，年平均相對濕度呈下降趨勢（圖1）。

圖1 1981—2019年氣候因子年際變化趨勢Fig.1 Interannual variation trend of climatic factors in 1981-2019

各氣候要素的變化速率以平均氣溫、平均地溫0 cm和 5 cm、年最高氣溫、日照時數趨勢顯著（P＜0.05），而降水量、相對濕度的變化趨勢均不顯著（表1）。氣溫變化較顯著，39年上升了1.2 ℃，平均地溫0 cm提高了2.5 ℃，日照時數增加了185.6 h。

表1 哈密市1981—2019年氣候因子變化趨勢Table 1 Change trend of climatic factors from1981 to 2019 in Hami

利用M-K突變檢驗法計算各氣象要素正序列曲線（UF）、反序列曲線（UB），分析了各氣候要素是否發生突變及其突變發生時間。若UF和UB出現交叉點，且交叉點位于信度線之間，這點對應的時間點便是突變開始的時刻。本文采用通過95%的顯著性檢驗，信度線為U0.05=±1.96。對溫度、降水、日照時數突變檢驗結果表明（圖2），UF與UB兩線溫度在2007年、日照時數在2003年分別相交于信度線之間。結合滑動t檢驗溫度、日照時數均通過顯著性檢驗，說明氣溫、日照時數分別在2007年和 2003年發生了突變，氣溫以 0.31 ℃·(10 a)?1顯著增加，日照以47.58 h·(10 a)?1顯著增加。降水量M-K趨勢檢驗UF與UB兩線在а=0.05顯著性水平臨界線內有多個交點，說明降水在 1981—2019年期間未呈現出顯著性變化趨勢。

圖2 1981—2019年氣候因子M-K檢驗Fig.2 Total M-K test of climatic factors in1981-2019

2.1.2 氣候因子的生長季變化

哈密瓜平均播種期是4月下旬，7月下旬至8月上旬成熟，其生長季為4下旬至8月上旬。從表2可以看出，1981—2019年哈密瓜生長季內月氣溫、降水、地溫、日照時數均呈上升趨勢。氣溫方面，除5月外其他各月平均氣溫上升趨勢均達到極顯著水平（P＜0.01），4—8月升溫變化幅度為 0.46—0.89 ℃·(10 a)?1。6月和7月的平均最高氣溫、最低氣溫也均呈顯著上升趨勢（P＜0.05）。哈密瓜生長季后期 6—8月降水量增加的變化趨勢極顯著（P＜0.01），而日照時數在生長季前期4月、5月增加顯著（P＜0.05）。全生長季內，月平均相對濕度的變化除5月外其他各月降低趨勢均未通過顯著性檢驗，而平均地溫0 cm和5 cm均呈極顯著上升趨勢（P＜0.01）。

表2 1981—2019年哈密瓜生長季各氣候因子的線性傾向率Table 2 Linear tendency rates of climatic factors during growth season of Hami melon in 1981-2019

2.2 哈密瓜的生長發育變化

2.2.1 發育期的變化特征

從發育期的差異變化看，哈密瓜全生育期（從播種至成熟的總持續時間）平均95 d。近20年來（1999—2019年），2000、2012、2015年全生育期日數分別少于平均值8、10、7 d，2004、2006、2014、2017年分別多于平均值5、8、8、5 d，其他年份均接近平均值。

從圖3可以看出，近20年來（1999—2019年），發育期距平波動變化比較明顯的是播種期、成熟期。哈密瓜播種期在4月21日—5月11日之間變化，平均播種期為4月27日，以2000年（5月11日）、2012年（5月4日）明顯晚于平均播種期。

圖3 1999—2019年哈密瓜發育期的年際變化趨勢Fig.3 Interannual variation trend of development period of Hami melon in1999-2019

哈密瓜平均成熟期為7月31日，變為范圍為7月26日—8月9日，以2000年（8月7日）、2004年（8月7日）、2006年（8月7日）、2014年（8月6日）偏晚，2005年（7月27日）、2019年（7月26日）早于平均成熟期。

不同年份間，2000、2017、2019年的距平變化趨勢比較一致。2000年各發育期均晚于平均發育期，2017年和2019年各發育期均早于平均發育期。

從年際間趨勢分析結果看，哈密瓜從播種期到座果期均表現出不同程度的提前趨勢（表3），提前幅度為 1.25—3.06 d·(10 a)?1。播種期、伸蔓期、座果期提前趨勢顯著（P＜0.05），出苗期和成熟期變化趨勢不顯著。全生育期有所延長，但變化趨勢不顯著。各發育期年際間變率在2.6—4.3 d，播種期和成熟期年際間變率最大，座果期年際間變率最小。

表3 哈密瓜1999—2019年發育期線性傾向率Table 3 Linear tendency rate of development period of Hami melon in 1999-2019

2.2.2 產量的變化特征

從圖4可以看出，近20年來，哈密瓜實際單產呈略微下降趨勢，每年減速為47.97 kg·hm?2，但變化趨勢不顯著。氣候產量為正值的年份有10年，6年為負值，平均值為?161.56 kg·hm?2，傾向率為1322.7 kg·(10 a)?2，氣候條件總體上有利于哈密瓜生產，但氣候產量多年來變化趨勢不顯著。

圖4 1999—2019年哈密瓜產量的年際變化趨勢Fig.4 Interannual variation trend of yield of Hami melon in1999-2019

2.3 氣候因子對哈密瓜生長和產量的影響

2.3.1 對哈密瓜發育期的影響

從表4可以看出，哈密瓜發育期受溫度的影響比較明顯。出苗期、伸蔓期的變化趨勢均與年平均氣溫、年平均地溫0 cm呈顯著負相關（P＜0.05），氣溫高，哈密瓜生長前期的發育期會提前。有研究表明（司地克·買買提等，2015），年日照時數在3000 h以上有利于哈密瓜獲得優質高產，哈密市近39年以來年平均日照時數為3334.1 h，光照條件完全滿足哈密瓜生長需要。同時年日照時數、年≥20 ℃積溫對成熟期變化趨勢存在顯著正影響（P＜0.05），熱量條件好，成熟期會推后。全生育期的變化趨勢與年平均氣溫、年平均地溫0 cm、年≥20 ℃積溫呈顯著正相關（P＜0.05），氣溫越高，全生育期會延長。

表4 哈密瓜發育期與年氣候因子的相關系數Table 4 Correlation coefficient between development period and annual climatic factors of Hami melon

哈密瓜生長季內氣象因子對發育期的影響見表 5。哈密瓜屬喜溫作物，播種期最適宜發芽溫度為 28—30 ℃，苗期最適宜生長溫度為 25—30 ℃（司地克·買買提等，2015）。哈密市近 39年以來 4月下旬、5月各旬平均地溫5 cm在25.6—28.4 ℃之間，能夠滿足哈密瓜出苗生長溫度需求。從表 5可以看出，出苗期與4月、5月的平均氣溫均呈顯著負相關（P＜0.05），溫度越高出苗越早，而伸蔓期僅與5月平均氣溫有顯著正相關（P＜0.05）。

到了哈密瓜座果期，溫度以 25—30 ℃最適宜（司地克·買買提等，2015），而哈密市近 39年以來6月、7月平均氣溫在25.3—27.2 ℃之間，非常適合哈密瓜座果及果實膨大生長。從表5也可以看出，6月氣象條件對座果期的影響最顯著，與平均氣溫、平均最高氣溫、平均地溫均存在顯著負相關關系（P＜0.05），溫度高，座果期提前。成熟期與6月平均氣溫和日照時數呈顯著負相關（P＜0.05），與7月平均氣溫呈顯著正相關（P＜0.05）。從播種到成熟，生長季內平均氣溫對各發育期的影響最顯著。生長季內各月平均氣溫呈增加趨勢，而播種至座果期與平均氣溫呈顯著負相關關系，就促使各發育期均表現出提前趨勢。

表5 哈密瓜發育期與生長季內氣象因子的相關系數Table 5 Correlation coefficient between development period and climatic factors during growth stage of Hami melon

2.3.2 對哈密瓜產量的影響

分別統計分析了哈密瓜氣候產量與不同發育期時間段、旬、月、年尺度各氣候因子的相關性，結果表明（見表6），氣候產量與年平均最高氣溫呈顯著負相關（P＜0.05）、與平均氣溫呈顯著正相關（P＜0.05），年最高氣溫偏高會對哈密瓜氣候產量造成不利影響。各生長季中，僅6月和7月的部分氣象因素對哈密瓜氣候產量有顯著影響。氣候產量與6月、7月的平均最高氣溫呈顯著負相關，與6月、6月下旬、7月上旬平均氣溫以及6月、7月的日照時數均呈顯著正相關（P＜0.05），而與各發育期時間段內氣候因子相關性不顯著；平均氣溫越高，日照時數越多，平均最高氣溫越低，越有利于哈密瓜氣候產量的形成。

表6 哈密瓜氣候產量與氣候因子的相關系數Table 6 Correlation coefficient between meteorological yield and climatic factors of Hami melon

3 討論

本研究分析了近20年來哈密瓜發育期的變化趨勢，從播種期到成熟期均有不同程度的提前，且全生育期呈不顯著延長趨勢，播種期和成熟期年際間變率最大。關于哈密瓜發育期變化特征的研究成果較少，不過這與蘋果（Grabs et al.，2011；劉璐等，2020）、板栗（Guo et al.，2013）、玉米（嚴華等，2020）、春小麥（Xiao et al.，2016；齊月等，2019）、水稻（侯雯嘉等，2015）、棉花（阿布都克日木·阿巴司等，2015）等其他作物發育期變化趨勢的研究結論比較一致，氣候變化背景下不同作物的發育期均有所提前，但全生育期的延長或縮短趨勢結論有差異。

部分研究基于＞10 ℃有效積溫、＜10 ℃天數、晝夜溫差、日照時數等熱量因子進行了甜瓜種植適宜區劃分（蘇鵬等，2015），對比本研究中年尺度、月尺度氣候因子和哈密瓜發育期的相關分析結果，熱量條件中溫度對發育期的影響比較顯著，具有明顯的負相關。這也與蘋果（劉璐等，2020）、玉米（嚴華等，2020）、水稻（侯雯嘉等，2015）、棉花（阿布都克日木·阿巴司等，2015）等其他作物研究結論比較一致，但本研究發現了平均地溫、年≥20 ℃積溫變化對發育期的提前或推遲效應，表明干旱區哈密瓜主產地應重視地溫對哈密瓜發育期和生產的影響。

研究表明（吉春容等，2015），農作物地膜覆蓋種植區域，氣溫和覆膜內外地溫變化趨勢基本一致，氣溫對覆膜地溫變化具有較好的指示意義。本研究分析表明，哈密瓜全生長過程中，播種期和成熟期年際間變率最大。播種期的差異變化與年、4月平均氣溫均呈顯著負相關，溫度越高播種期會提前，而近40年來年平均氣溫、4月平均氣溫均呈上升趨勢，氣候變化促使播種期多年來均表現出提前趨勢。年日照時數、年≥20 ℃積溫越多，同時生長季內7月平均氣溫越高，成熟期會推遲，而近40年來上述因子也均呈上升趨勢，成熟期表現出不顯著的推后，氣候變化促哈密瓜生長全生育期有所延長。

6月和7月的熱量條件對哈密瓜氣候產量的影響比較顯著。6月和7月是哈密瓜座果生長的關鍵時期，這一時段的氣象條件也成為影響哈密瓜產量形成的關鍵因子。這一結論與部分成果（普宗朝等，2015；李景林等，2018）認為6—8月平均氣溫日較差是影響哈密瓜優質高產的主要氣候因子之一略有差異，可能原因在于本研究區域哈密瓜成熟采摘時間大部分是在7月底至8月初，產量形成對8月氣象條件的需求不敏感。氣候產量與年平均氣溫和6月、6月下旬、7月上旬平均氣溫以及6月、7月日照時數均呈顯著正相關，而近 40年來上述大部分因子均表現出上升趨勢，氣候變化有利于哈密瓜氣候產量的形成。氣候產量與年平均最高氣溫、6月和7月的平均最高氣溫呈顯著負相關，但近40年來 6月和 7月的平均最高氣溫也均呈顯著上升趨勢，二者不匹配，最高氣溫越高會對產量造成不利影響。

本研究主要分析了氣候要素對哈密瓜生長發育和產量的影響，不過該研究區域屬于覆膜種植、節水灌溉生產區，各項栽培措施也會在一定程度上影響哈密瓜生長全過程；同時，本文在進行趨勢產量分析時未考慮栽培管理措施、品種更新演替等其他條件產生的差異，其影響程度有待于和氣候因子相結合建立生長模擬模型進行深入研究。

4 結論

（1）近40年來（1981—2019），哈密市年平均氣溫和日照總體呈顯著上升趨勢，分別在 2007年和2003年發生了突變，年降水量、相對濕度的變化趨勢不明顯。哈密瓜生長季內（4—8月），各月平均氣溫、平均地溫0 cm和5 cm增加趨勢顯著，月平均相對濕度無明顯變化；生長季前期4月、5月日照時數增加顯著，而降水量在生長季后期6—8月極顯著增加。

（2）近20年來（1999—2019），哈密瓜從播種期到座果期均表現出不同程度的提前趨勢，全生育期不顯著延長。哈密瓜發育期受溫度的影響比較明顯，年平均氣溫和平均地溫0 cm高，播種期、出苗期、伸蔓期提前，而年日照時數、年≥20 ℃積溫越多，成熟期顯著推遲。全生育期的變化與年平均氣溫、年平均地溫0 cm、年≥20 ℃積溫呈顯著正相關，氣溫越高，全生育期會延長。

（3）近20年來（1999—2019），哈密瓜的實際產量不顯著下降，氣候產量年變化波動大、變化趨勢不顯著。年平均氣溫、年平均最高氣溫對氣候產量影響顯著，各生長季中僅6月和7月的氣溫、日照時數對哈密瓜氣候產量有顯著影響。6月平均氣溫越高，6月和7月日照時數越多、平均最高氣溫越低，越有利于哈密瓜氣候產量的形成。