北疆主要植棉區熱量資源變化及對棉花產量的影響

黃秋霞，傅瑋東，胡啟瑞，柳宏英，葉爾克江·霍依哈孜，周國宏

（1.新疆昌吉州氣象局，新疆 昌吉 831100；2.新疆農業氣象臺，烏魯木齊 830002）

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告指出，1880-2012年全球平均氣溫已升高0.8 5℃，尤其在北半球，最近30年（1983-2020年）中溫度增加速率高于1850年以來的其他任何時段，全球氣候變暖已成事實[1-2]。中國1905-2001年平均地表溫度增加了0.5 ～0.8 ℃，增溫速率略低于全球平均值，但也存在變暖的總趨勢[3]。熱量資源是農作物生長發育和產量形成的基本條件。農業是對氣候變化響應最明顯的行業。受全球氣候變暖的影響，氣候變化成為影響農業生產的主要限制因子之一，對區域農業產量和種植制度都將產生影響，可能加大農作物的致災風險[4-7]。氣候變化將改變熱量資源的時空分布，進而對農業結構布局、農業生態系統、農事活動及農作物產量和品質產生影響[8-12]。

相關學者已對熱量資源做了大量的研究，如繆啟龍等[13]指出中國≥10℃、≥0℃積溫和持續時間的總體趨勢是普遍增加的，中國熱量資源分布的變化已對有些地區氣候帶的劃分產生了一定程度的影響；李景林等[14]指出在氣候變暖背景下，北疆宜棉區面積擴大，次宜棉區和不宜棉區有所減小，風險棉區變化不大；胡燕宇等[15]研究表明大東北地區氣候變化與全球氣候變化趨勢一致，升溫幅度很大，且作物生長季逐漸延長；王阿如娜等[16]指出1961-2012年間黃土高原地區熱量資源在20世紀90年代開始快速增加，年平均氣溫線性擬合增長率達到0.2 8℃·（10a）－1。近年來，新疆的許多學者對熱量資源方面也做了很多研究：徐嬌媚等[9]指出1960-2010年伊犁河谷熱量資源空間分布呈現平原地區多山區少的特點，熱量資源呈增加趨勢；普宗朝等[17-18]對烏昌地區1961-2009年農業資源變化分析表明，各地熱量資源呈增多趨勢，遞增速率和增加幅度呈現平原高于山區，北部高于南部的空間分布特征；關于石河子墾區熱量資源變化及其對棉花產量的影響研究[19-20]表明，該墾區熱量資源增加趨勢明顯；田彥君等[21]指出北疆1961-2012年年平均氣溫、無霜期和≥10℃積溫呈增加趨勢，各氣象要素在20世紀80年代發生了突變。

棉花在新疆種植業中占有舉足輕重的地位[14]。國家統計局數據顯示，近年來新疆棉花產量穩步增長，占全國棉花總產量的80%以上，至2020年新疆棉花總產、單產、種植面積、商品調撥量連續26年位居全國第一[22]。目前對北疆主要植棉區熱量資源的研究較少，對當地熱量資源與棉花產量關系的研究更少，所以筆者對北疆主要植棉區熱量資源及其與棉花產量的關系進行研究，以期對北疆主要植棉區棉花生產、防災減災等工作提供科學依據。

1 研究區概況

北疆植棉區主要位于天山北坡，準噶爾盆地南緣，阿爾泰山與天山之間，西側為準噶爾西部山地，東至北塔山麓，東西長700km，南北寬370km，平均海拔400m[23-24]。準噶爾盆地呈不規則三角形，地勢向西傾斜，北部略高于南部，盆地腹部為古爾班通古特沙漠，面積占盆地總面積的36.9%。該盆地屬中溫帶氣候，自然災害有凍害和大風，年降水量70～150mm，固定沙丘上植被覆蓋度達40%～50%，半固定沙丘植被覆蓋度達15%～25%。本研究所選的10個氣象站點（表1）均位于天山北麓準噶爾盆地，海拔329.2 ～575.1 m，經緯度也較為相近，最東為精河，最西為昌吉，最北為莫索灣。

表1 研究區氣象站點信息

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

北疆棉花播種一般在4月上中旬開始，收獲在10月中下旬結束，即確定北疆棉花的生長季為4月至10月。本研究選用新疆維吾爾自治區氣象局信息中心提供的上述10個氣象臺站1961-2017年棉花生育期月平均氣溫（簡稱“生育期月平均氣溫”），≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫及其持續時間（d），無霜期資料，并用10個站的氣象要素序列平均值代表北疆主要棉區的氣候要素序列；棉花產量數據來源于《新疆統計年鑒》[25]。

2.2 研究方法

2.2.1氣候傾向率和初、終霜期的分析、制圖方法。利用最小二乘法計算熱量資源隨時間變化的速率，可用y＝at＋b表示。其中，y為氣象要素觀測值；t為年份序列號，以1961年為1依次賦值；b為回歸常數；a為回歸系數，a為正值時表明熱量資源呈上升趨勢，a為負值時呈下降趨勢。對初、終霜期的氣候傾向率分析時，將日期型數據轉換為日序進行回歸分析。制圖時，初、終霜期的縱坐標按日序轉換成相應日期，所有圖的橫坐標根據年份序號轉換為具體年份。

2.2.2累積距平的分析方法。累積距平是指某要素值與多年平均值的差值的累計值，反映偏離平均值的程度。如果累積距平曲線變化平直，表示這段時間內累計值變化小，與平均值差值很小；若累積距平曲線逐漸降低，表明某氣象要素值呈減少趨勢，同理若累積距平曲線逐漸升高，表明某氣象要素值呈增加趨勢。本研究選取的多年平均值時段為1961-2017年。

2.2.3初霜日、終霜日及無霜期的確定方法。秋季最低氣溫≤0℃的最早出現日期記為初霜日，春季最低氣溫≤0℃的最晚出現日期為終霜日，上一年度終霜日與本年度初霜日間隔時間（d）為無霜期，由于新疆氣候干燥，氣溫在0℃以下也未見白霜，故采用≥0℃以上持續時間為無霜期；若年度內最低氣溫均在0℃以上，則上年度初、終霜日為空白[26]。2.2.4棉花趨勢產量和氣象產量的分離方法。氣象條件對棉花產量的影響主要反映在棉花單產的變化，棉花單產分為趨勢產量和氣象產量兩部分，趨勢產量代表農技措施及其他有類似這種影響的自然和非自然因素對產量貢獻的綜合，通常把經過趨勢處理后的產量序列剩余項視為受氣象因子影響的產量分量，統稱為氣象產量[27-28]。本研究采用多項式擬合方法處理產量資料，并計算趨勢產量擬合公式與產量序列的相關系數。

2.2.5相關性檢驗及方法。采用SPSS26軟件對棉花單產與生育期月平均氣溫、積溫、無霜期的相關性進行分析。選用Pearson計算方法對定距變量的數據進行相關系數計算，并對相關系數進行顯著性檢驗。

2.2.6突變檢驗方法。用Mann-Kendall方法進行突變檢驗[29]。

3 結果與分析

3.1 熱量資源空間分布

3.1.1生育期平均氣溫的空間變化。在適宜的溫度下，作物生命活動旺盛、生長發育迅速，溫度過高或過低都會影響作物的正常生長[17]。北疆主要植棉區1961-2017年生育期月平均氣溫為18.8 ℃，由于地理位置均處于天山北麓平原地區，海拔相近，緯度相近，屬于新疆棉花區劃中的早熟棉亞區和特早熟棉亞區，各站點間生育期月平均氣溫相差較小。從表2可以看出自東向西棉花生育期月平均氣溫呈現升高趨勢，最低值出現在烏蘭烏蘇（18.3 ℃），最高值出現在烏蘇（19.4 ℃），相差1.1 ℃。

表2 研究區棉花生育期月平均氣溫

3.1.2≥10℃、≥15℃、≥20℃積溫的空間變化。棉花生長發育的界限溫度主要有10℃、15℃和20℃。在不同的生育期對熱量的需求也不一樣。其中：10℃是棉花種子開始發芽和秋季棉花植株維持生長的最低臨界溫度；從出苗到第1片真葉出現要求溫度≥15℃，隨著溫度升高真葉出生速率提高；≥20℃是棉花完成授粉和棉纖維發育的必需熱量條件，其中現蕾期要求溫度不低于20℃，過高或過低都會導致花粉活力降低，影響棉花纖維品質[30]。種植細絨棉要求＞10℃積溫穩定在3200℃以上，＞15℃積溫穩定在2700℃以上[31]。

從表3可看出，年平均≥10℃積溫為3708.1 ℃，其空間分布特征呈現自東向西增多趨勢，最低值出現在烏蘭烏蘇，為3542.2 ℃，最高值出現在烏蘇，為3882.2 ℃，相差340.0 ℃；年平均≥15℃積溫為3189.4 ℃，比≥10℃積溫少518.7 ℃，空間分布與≥10℃積溫相同，最小值出現在烏蘭烏蘇，為3052.4 ℃，最高值出現在烏蘇，為3368.2 ℃，相差315.8 ℃；年平均≥20℃積溫為2209.6 ℃，空間分布與≥10℃積溫一致，最小值出現在烏蘭烏蘇，為1994.6 ℃，最大值出現在烏蘇，為2451.8 ℃，相差457.2 ℃。總體來看，≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫均呈現自東向西增多趨勢。

3.1.3無霜期的空間變化。從表3可以看出，北疆主要植棉區無霜期平均為185.1 d，空間分布也呈現自東向西增多趨勢。瑪納斯無霜期最短，為178.0 d，沙灣無霜期最長，為197.4 d，兩地相差19.4 d。

表3 研究區≥10℃、15℃、20℃積溫和無霜期

3.2 氣象要素的時間變化特征

3.2.1生育期月平均氣溫。從圖1a可以看出，生育期月平均氣溫呈波動性上升趨勢，氣候傾向率為0.3 0℃·（10a）－1，1994年后平均氣溫的上升幅度大于1994年前，其中1961-1994年的氣候傾向率為0.0 7℃·（10a）－1，1994-2017年的氣候傾向率為0.2 6℃·（10a）－1，1961-2017年生育期月平均氣溫升高了1.4 ℃。從生育期月平均氣溫的累積距平曲線來看，1994年出現了累積距平的最小值，1994年之前累積距平多為負值，1994年以后累積距平多為正值（圖1a），即1994年以后，北疆主要植棉區的生育期月平均氣溫呈現持續升高趨勢。10個氣象站的氣候傾向率較為接近，在0.1 0～0.3 6℃·（10a）－1，其中最大值出現在昌吉和漠索灣[0.3 6℃·（10a）－1]，最小值出現在瑪納斯[0.1 0℃·（10a）－1]。

3.2.2≥10℃、≥15℃、≥20℃積溫變化。從圖1b可知，近57年來≥10℃積溫呈明顯波動上升趨勢，氣候傾向率為94.1 ℃·（10a）－1，2017年比1961年增多了555.2 ℃；從累積距平可以看出，最小值出現在1994年。≥10℃積溫的氣候傾向率除瑪納斯為49.3 ℃·（10a）－1外，其余站點在82.3 ～123.1 ℃·（10a）－1，最大值出現在莫索灣[123.1 ℃·（10a）－1]，其次為炮臺[105.2 ℃·（10a）－1]。

從圖1c可知，≥15℃積溫也呈現出波動上升趨勢，氣候傾向率為66.7 ℃·（10a）－1，較≥10℃的氣候傾向率小，2017年較1961年積溫增加了393.5 ℃；從累積距平來看，最小值出現在1995年。10個氣象站點間氣候傾向率相差較大，最大值出現在精河[238.0 ℃·（10a）－1]，其次為炮臺[94.1 ℃·（10a）－1]，最小值出現在瑪納斯[14.3 ℃·（10a）－1]。

從圖1d可知，≥20℃積溫也呈現出明顯的波動上升趨勢，氣候傾向率為99.3 ℃·（10a）－1，較前兩者變化大，其中2017年較1961年的≥20℃積溫增加了585.9 ℃；從累積距平來看，最小值出現2004年。10個氣象站點間≥20℃積溫的氣候傾向率相差較大，最大值出現在精河[254.5 ℃·（10a）－1]，其次為石河子[124.8 ℃·（10a）－1]，最小值出現在瑪納斯[49.7 ℃·（10a）－1]。

圖1 生育期月平均氣溫（a）和≥10℃（b）、≥15℃（c）、≥20℃（d）積溫的變化曲線

可以發現，≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫的氣候傾向率趨勢一致，其中≥15℃積溫氣候傾向率最為明顯，瑪納斯的積溫變化幅度較其他站點小。

3.2.3≥10℃、≥15℃、≥20℃積溫持續時間變化。從圖2a可以看出，≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫的持續時間呈增加趨勢，分別以3.4 d·（10a）－1、2.0 d·（10a）－1、3.7 d·（10a）－1的氣候傾向率在延長，1961-2017年 間 分 別 延 長 了20.1 d、11.8 d、21.8 d。不同區域≥10℃積溫持續時間變化較為接近，在2.3 ～4.9 d·（10a）－1；≥15℃積溫的持續時間相差略大，氣候傾向率最大值出現在炮臺[3.3 d·（10a）－1]，其次為莫索灣[3.1 d·（10a）－1]，最小值出現在瑪納斯[0.5 d·（10a）－1]；≥20℃積溫持續時間相差也略大，氣候傾向率最大值出現在昌吉[5.2 d·（10a）－1]，其次為石河子[4.6 d·（10a）－1]，最小值出現在瑪納斯[2.2 d·（10a）－1]。

3.2.4初霜日、終霜日及無霜期的變化。從圖2b、2c和2d可以看出，研究區內呈現出初霜期延后，終霜期提前，無霜期增加的趨勢，與生育期月平均氣溫增加、積溫增多、積溫持續時間增加有很好的對應關系。其中，初霜期的氣候傾向率為2.1 d·（10a）－1，終霜期的氣候傾向率為－1.6 d·（10a）－1，無霜期的氣候傾向率為3.6 d·（10a）－1。從無霜期的累積距平來看，最小值出現在1986年，但1992年后距平曲線呈升高趨勢，表明無霜期增加趨勢明顯。

圖2 ≥10℃、15℃和20℃積溫持續時間（a）及初霜日（b）、終霜日（c）、無霜期（d）變化

3.3 熱量資源的突變

利用Mann-Kendall分析方法分別對生育期月平均氣溫、無霜期、積溫進行了突變檢驗，并對比分析突變前后氣象要素的變化情況。從圖3a可知，生育期月平均氣溫在1994年前后發生了突變，與3.2.1 中分析的拐點時間一致，突變后生育期月平均氣溫增加了1.4 ℃；無霜期的UF和UB曲線交點為1989年和1992年（圖3b），對比無霜期的累積距平曲線可知，在1992年前后發生了突變，突變后無霜期增加了11.1 d；≥10℃積溫（圖略）突變圖中在1995年、1998年和2000年期間出現多個交點，結合累積距平曲線可知突變發生在1995年，突變后年平均積溫增加了319.2 ℃；≥15℃積溫（圖略）于2004年和2007年出現2個交點，對比累積距平曲線可知拐點在1997年，兩者不對應，突變不明顯；≥20℃積溫（圖略）中2004年和2009年出現2個交點，結合累積距平曲線可知2004年前后發生了突變，突變后積溫增加了418.7 ℃。

圖3 生育期月平均氣溫（a）和無霜期（b）的突變圖

4 熱量資源的變化對棉花產量的影響

4.1 熱量資源與棉花產量的相關性

通過對北疆主要植棉區的單產進行產量分離，得出趨勢產量和氣象產量2個部分。從圖4a可知，皮棉實際產量和趨勢產量均呈明顯的上升趨 勢，單 產 由1961年 的140kg·hm－2增 加 到2017年的2169.7 kg·hm－2。從圖4b可知，氣象產量波動性較大，波動范圍在－282.5 ～285.8 kg·hm－2。

圖4 北疆主要植棉區棉花實際產量、趨勢產量（a）和氣象產量（b）的變化

對棉花單產與熱量資源指標（生育期月平均氣溫、積溫、無霜期）進行相關性分析，并進行0.0 5和0.0 1水平的顯著性檢驗。從表4可以看出棉花單產與主要氣象指標具有較好相關性，均通過了0.0 1水平的顯著性檢驗。

表4 各氣象要素與棉花單產的相關性

4.2 熱量資源對棉花產量的影響

近57年北疆主要植棉區生育期月平均氣溫升高，≥10℃、≥15℃、≥20℃積溫和持續時間、無霜期增多，熱量條件在一定程度上得以改善，這對促進棉花生產具有積極意義[26]。通過上文的分析可知，棉花單產與熱量資源指標具有較好相關性，≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫呈現波動上升趨勢，可知熱量資源的增加對棉花單產具有正效應，對棉花的產量提高和品質形成較為有利；≥10℃、≥15℃、≥20℃積溫持續時間增加，有利于活動積溫的累積，對提高棉花的品質和產量有利；無霜期延長，對熱量條件積累有利，減小低溫、霜凍害對苗期管理的影響。

通過分析可知，北疆主要植棉區呈現初霜期延后，終霜期提前現象。初霜期延后，熱量條件好，棉花生長期長，開花結鈴多，生長后期遭遇凍害的風險減小，對棉花后期生長較為有利，霜前花產量高；終霜期提前有利于棉花早播、早發、形成壯苗，對棉花前期生長較為有利。

4.3 氣象要素變化與棉花豐歉年景分析

按照農藝評價棉花年景的要求，若棉花單產增長一成及以上，早熟性好，霜前花的比例達到80%及以上，表明生產品質好，其中棉鈴吐絮早、吐絮暢，實現“八月絮”，易采收是主要評價指標，則判定為豐收年景；棉花單產減少一成及以上，早熟性差，霜前花的比例低于60%，表明生產品質差，秋桃多，吐絮晚，吐絮不暢，采收困難是主要評價指標，則判定為歉收年景；棉花單產與上年持平或接近，早熟性一般，霜前花的比例在70%～80%，判定為平常年景。從表5可知，1961-2017年北疆主要植棉區棉花豐收年景共有18年，表現為積溫較常年多，光熱條件好，早熟性好，“八月絮”面積比例大，基本實現“四月苗、五月蕾、六月花、七月鈴和八月絮”的高產早熟長勢長相。

表5 各氣象要素變化與棉花豐歉年景分析

歉收年景共9年，其表現為熱量減少，無霜期縮短，光熱條件差，降水量略偏少，棉花生長條件較常年偏差。

平常年景有29年，天氣相對平穩，一些年景相對增加或減產，但幅度都在一成以內；整體降水量接近常年，日照時間略多于常年，整體光熱條件一般；但有個別年份遭遇大風、強寒潮侵襲，棉花晚熟，呈現“有鈴無產”的情景。

5 結論

熱量資源的時空分布結果顯示：（1）生育期月平均氣溫、≥10℃積溫、≥15℃積溫、≥20℃積溫和無霜期的空間分布呈現自東向西升高或增多趨勢。（2）時間分布來看，生育期月平均氣溫、≥10℃積溫、≥15℃積溫和≥20℃積溫均呈波動上升趨勢，累積距平正、負值的轉折點分別出現在1994年、1994年、1995年和2004年；≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫的持續時間也呈增加趨勢；初霜期延后，終霜期提前。（3）生育期月平均氣溫和無霜期分別在1994年、1992年前后發生了突變；≥10℃積溫在1995年發生突變；≥15℃積溫突變不明顯；≥20℃積溫在2004年前后發生突變。

產量趨勢及其與氣象要素的相關性分析結果表明：棉花實際單產、趨勢產量呈明顯的上升趨勢，氣象產量波動性較大；熱量資源的增加對棉花產量的增加具有正效應；從棉花豐歉年景來看，熱量資源、光照條件對棉花產量起著重要作用。