2023 年4—5 月寒潮天氣過程對新疆棉花播種出苗及苗期生長的影響

黃 娟，黃 健，吳新國，姚艷麗

（1.新疆興農(nóng)網(wǎng)信息中心/新疆農(nóng)業(yè)氣象臺，新疆 烏魯木齊830001；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830001；3.巴音郭楞蒙古自治州氣象局，新疆 庫爾勒841000）

新疆是我國重要的棉花產(chǎn)區(qū)，棉花是新疆的重要支柱產(chǎn)業(yè)，棉花產(chǎn)量直接影響新疆棉農(nóng)的經(jīng)濟收入水平，冷害是影響新疆棉花產(chǎn)量的主要氣象災害[1-4]。因此，對新疆棉花開展低溫冷害研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，棉花苗期低溫冷害研究主要從冷害發(fā)生規(guī)律展開[5-6]。 通過對新疆主要棉區(qū)的終霜期變化規(guī)律、春季霜凍出現(xiàn)概率、不同播期棉苗受低溫冷害影響的概率進行分析，為判斷各地棉區(qū)的最佳播期提供了有價值的參考[7]。張萌原等[8]利用1951—2017年新疆各氣象站點逐日數(shù)據(jù)，構建新的冷害風險指標，實現(xiàn)了冷害風險指標的準確推算。李彥杰等[9]對2013 年烏蘇棉花生長狀況和氣象條件的分析表明，降水過程頻繁、5—8 月低溫持續(xù)時間長、棉花主要發(fā)育時段積溫差、發(fā)育期推遲等是影響當年棉花生產(chǎn)的主要氣象因素。現(xiàn)有研究多基于冷害變化規(guī)律分析，鮮有結合當年實際天氣過程與不同發(fā)育期階段的分析。本研究選取2023 年4—5 月新疆棉區(qū)105 個氣象站逐日氣象資料，修正棉花苗期低溫冷害等級指標，分析4—5 月新疆棉區(qū)日最低氣溫≤0 ℃的持續(xù)日數(shù)、大風日數(shù)、日平均相對濕度的變化特征，旨在探索2023 年4—5 月寒潮天氣過程對新疆棉花播種出苗及苗期生長的影響，以期更好地為新疆棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及棉花低溫冷害防御提供科學參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選用新疆105 個國家氣象站2023 年4—5 月逐日平均氣溫資料以及各站地理坐標和地理信息數(shù)據(jù)，提取新疆各棉區(qū)的經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度、坡向等地理數(shù)據(jù)，繪制2023 年4 月新疆棉區(qū)日平均氣溫≤12 ℃持續(xù)天數(shù)分布情況。

分析2023 年4—5 月日最低氣溫≤0 ℃的持續(xù)日數(shù)、大風日數(shù)、日平均相對濕度的變化特征，判別對棉花苗期生長的影響，數(shù)據(jù)來源于地面觀測氣象站。

1.2 研究方法

新疆棉花苗期低溫冷害等級，現(xiàn)有研究多采用日平均氣溫＜12 ℃的持續(xù)天數(shù)作為參考因子，持續(xù)日數(shù)達到3 d 為輕度冷害，持續(xù)5 d 為中度冷害，持續(xù)7 d 為重度冷害[10（]表1）。本研究根據(jù)氣象災害等級劃分的連續(xù)性及正態(tài)分布規(guī)律的最新要求，對現(xiàn)有經(jīng)驗指標進行修正，用D1表示日平均氣溫低于12 ℃的持續(xù)天數(shù)，重新定義棉花苗期低溫冷害等級（表2）。

表2 棉花苗期低溫冷害等級——修正值

2 2023 年4—5 月新疆棉花發(fā)育期情況

2.1 2023 年4 月新疆棉花播期及出苗期情況

4 月，全疆大部地區(qū)氣溫偏低，73%的測站偏低1 ℃以上，其中北疆北部東部、克拉瑪依市、昌吉州東部、阿克蘇地區(qū)東部、巴州大部和東疆等有39%的測站偏低2.0～2.9 ℃。4 月出現(xiàn)4 場明顯降水過程，其中兩場為寒潮雨雪大風天氣且伴隨極端大風和降雪事件。由表3 可知，2023 年新疆棉花播種期東疆及南疆大部棉區(qū)4 月上旬至中旬、北疆大部棉區(qū)4 月中旬至下旬大面積播種。其中，北疆部分棉區(qū)（石河子市、昌吉州、哈密市）受兩場寒潮雨雪大風天氣影響，前期熱量條件不足，發(fā)育期推遲，播種出苗期均偏晚。南疆棉區(qū)的巴州大部（輪臺、尉犁、若羌、且末）、阿克蘇地區(qū)大部（阿拉爾、阿瓦提、溫宿）、喀什地區(qū)部分（岳普湖、英吉沙、麥蓋提）、于田的播種出苗期偏晚，考慮是受1—3 日、14—20 日新疆寒潮雨雪風沙天氣影響。其中，16—18 日滴水地塊，霜凍期間正值出苗期，已出苗的生長勢較弱，部分種子正在發(fā)芽，子葉剛出土或頂著地膜，受凍害程度最嚴重，有的受凍率達80%，大部分需要重播或膜上穿播。烏蘇、炮臺、鄯善、澤普的棉花播種期接近常年，其余棉區(qū)播種出苗期較常年和2022 年提早。發(fā)育期偏早的棉區(qū)中，4 月15 日前滴水地塊，4 月25 日前出苗已達80%以上，由于出苗較早，棉苗長勢較強，具有一定的抗寒能力，10%左右的棉苗被凍死，受凍害影響較小，不需要重播。4 月19 日后滴水地塊，霜凍期間種子正在萌發(fā)或發(fā)芽，大部分都沒有露土，霜凍影響最小，幾乎對棉苗生長沒有影響。此外，瑪納斯、烏蘇棉區(qū)棉花播種期偏早而出苗期偏晚，考慮是寒潮天氣過程影響，棉苗受凍，重播影響發(fā)育進程。

表3 2023 年新疆棉花播種出苗期與2022 年及常年距平對比

2.2 2023 年5 月新疆棉花三真葉及五真葉發(fā)育情況

5 月，新疆氣溫偏低，上旬平均氣溫偏低4.8 ℃（偏低幅度居歷史同期第一位）、中旬偏高2.0 ℃、下旬偏低1.6 ℃。5 月出現(xiàn)1 場全疆性強寒潮天氣過程和3 場明顯降水過程，局地伴有短時強降水、冰雹，南疆頻繁出現(xiàn)風沙天氣。5 月北疆大部棉花處于出苗至第五真葉期，部分進入第五真葉期；南疆大部棉花處于第三真葉期至第五真葉期，部分進入現(xiàn)蕾期。其中，南疆大部分棉區(qū)5 月中旬—5 月下旬進入第三真葉期，北疆大部分棉區(qū)5 月下旬—6 月上旬進入第三真葉期，南疆大部分棉區(qū)5 月下旬—6 月上旬進入第五真葉期，北疆大部分棉區(qū)5 月末—6 月上旬進入第五真葉期。5 月棉花發(fā)育期較常年偏晚1～24 d，較2022 年偏晚2～16 d。阿克蘇地區(qū)、巴州、和田地區(qū)棉花受大風、降水、冰雹、低溫、霜凍災害性天氣影響，已出棉苗被風沙吹干、成片遭受凍害死亡；棉花僵苗遲發(fā)，爛芽、爛根；部分棉花幼苗返堿死亡；未出苗地塊板結，造成出苗困難。阿克蘇地區(qū)、喀什地區(qū)和博州棉區(qū)棉花受大風影響，對棉花苗期生長不利。

3 2023 年4—5 月棉花苗期低溫冷害情況

3.1 2023 年4 月新疆棉花苗期低溫冷害等級分布

4 月出現(xiàn)4 場明顯降水過程，其中兩場為寒潮雨雪大風天氣且伴隨極端大風和降雪事件。4 場過程分別為1—3 日全疆寒潮天氣過程、7—10 日北疆西部北部和天山北坡中度雨雪天氣過程、14—20 日全疆寒潮雨雪風沙天氣過程、24—26 日北疆大部降水大風天氣過程，主要氣象災害有大風、沙塵暴、凍害。結合全疆棉區(qū)日平均氣溫低于12 ℃的實況，及低溫天氣的累積效應，本文選取4 個時間段進行低溫持續(xù)日數(shù)的統(tǒng)計，即1—7、8—16、17—24、25—30日。

根據(jù)棉區(qū)低溫實況、棉花種植分布和發(fā)育進程及棉花低溫冷害等級指標判定（圖1），4 月1—7 日無重度低溫冷害的棉區(qū)，較重度低溫冷害的棉區(qū)有烏蘇、博州、石河子市、昌吉州大部、鄯善、哈密市、巴州部分（和靜、焉耆、和碩）、克州部分（烏恰、阿合奇）、喀什地區(qū)山區(qū)；中度低溫冷害的棉區(qū)有沙灣、昌吉州部分（瑪納斯、呼圖壁、米泉、阜康）、烏魯木齊、托克遜、巴州大部（庫爾勒、輪臺、尉犁、鐵干里克、若羌、且末）、阿克蘇地區(qū)；輕度低溫冷害的棉區(qū)有吐魯番市大部、柯坪、阿圖什、喀什地區(qū)、皮山、策勒、民豐；無低溫冷害的棉區(qū)有和田地區(qū)大部（墨玉、和田、洛浦、于田）。8—16 日沒有重度低溫冷害的棉區(qū)，較重度低溫冷害的棉區(qū)有溫泉、奇臺、木壘、哈密市北部、巴侖臺；中度低溫冷害的棉區(qū)有博樂、阿拉山口、昌吉州部分（蔡家湖、呼圖壁、昌吉、阜康、吉木薩爾）、烏魯木齊；8—16 日沒有輕度低溫冷害的棉區(qū)；無低溫冷害的棉區(qū)有塔城地區(qū)南部、精河、石河子、瑪納斯、米泉、哈密、和碩、阿合奇。17—24 日重度低溫冷害的棉區(qū)有溫泉、木壘、哈密市北部；較重度低溫冷害的棉區(qū)有博樂、瑪納斯、奇臺、烏恰；中度低溫冷害的棉區(qū)有塔城地區(qū)南部、石河子、昌吉州部分（蔡家湖、呼圖壁、昌吉、米泉、阜康、吉木薩爾）、烏魯木齊、拜城、阿合奇；輕度低溫冷害的棉區(qū)有精河、烏什；無低溫冷害的棉區(qū)有哈密市南部、巴州部分（和靜、焉耆、和碩、尉犁、且末）、阿克蘇地區(qū)部分（溫宿、新和、沙雅、庫車）、阿圖什、阿克陶、喀什地區(qū)（喀什、伽師、岳普湖、英吉沙、麥蓋提、莎車、葉城、澤普）、和田地區(qū)。25—30 日沒有重度、較重度低溫冷害的棉區(qū)，中度低溫冷害的棉區(qū)有伊吾、烏恰、喀什地區(qū)山區(qū)；輕度低溫冷害的棉區(qū)有北塔山、巴里坤、巴侖臺；無低溫冷害的棉區(qū)有溫泉、奇臺、木壘、阿合奇。

圖1 2023 年4 月新疆棉區(qū)日平均氣溫≤12 ℃持續(xù)天數(shù)（單位：d）

3.2 2023 年5 月新疆棉花苗期低溫冷害等級分布

5 月上旬全疆棉區(qū)氣溫持續(xù)偏低，降水堿災、低溫霜凍及局地冰雹等災害天氣，致使部分棉田土壤板結，棉花出苗困難，爛芽、爛根；幼苗生長緩慢，形成僵苗；棉苗被風沙吹干、或遭受凍害死亡，部分棉田多次補種、重播；下旬多地出現(xiàn)強對流天氣，冰雹、強降水導致棉花受災，5 月整體氣象條件對棉花出苗及苗期生長不利。

5 月出現(xiàn)1 場全疆性強寒潮天氣過程和3 場明顯降水過程，局地伴有短時強降水、冰雹，南疆頻繁出現(xiàn)風沙天氣。4 場過程分別為1—7 日全疆大部降水大風寒潮天氣過程、13—16 日北疆大部和南疆西部山區(qū)及昆侖山北坡為主的降水過程、18—23 日北疆降水強對流及南疆東疆風沙天氣過程、23—28 日南疆降水風沙天氣過程。主要氣象災害有低溫凍害、大風、冰雹、暴雨洪澇、沙塵暴等。結合全疆棉區(qū)日平均氣溫低于12 ℃的實況，及低溫天氣的累積效應，本文選取4 個時間段進行低溫持續(xù)日數(shù)的統(tǒng)計，即1—12、13—17、18—23、24—31 日。

根據(jù)棉區(qū)低溫實況、棉花種植分布和發(fā)育進程及棉花低溫冷害等級指標判定（圖2）。5 月1—12 日重度低溫冷害的棉區(qū)有木壘、哈密市北部、烏恰；較重度低溫冷害的棉區(qū)有溫泉、昌吉、吉木薩爾、奇臺、烏魯木齊、焉耆、阿合奇；中度低溫冷害的棉區(qū)有塔城地區(qū)南部、阿拉山口、博樂、石河子、昌吉州部分（瑪納斯、蔡家湖、呼圖壁、米泉、阜康）、庫爾勒、輪臺、尉犁、和靜、和碩、烏什、拜城、沙雅、庫車；輕度低溫冷害的棉區(qū)有精河、若羌、且末、阿克蘇、溫宿、新和、阿瓦提、民豐；無低溫冷害的棉區(qū)有哈密市南部、鐵干里克、柯坪、阿拉爾、阿圖什、阿克陶、喀什、巴楚、英吉沙、皮山、墨玉、和田、洛浦、于田。13—17 日沒有重度、較重度、中度、輕度、低溫冷害的棉區(qū)。18—23 日無低溫冷害的棉區(qū)有伊吾。24—31 日沒有較重度、中度、輕度低溫冷害的棉區(qū)，無低溫冷害的棉區(qū)有溫泉、木壘、哈密市北部、巴侖臺。

圖2 2023 年5 月新疆棉區(qū)日平均氣溫≤12 ℃持續(xù)天數(shù)（單位：d）

4 4—5 月氣象條件對棉花苗期生長的影響

4.1 2023 年4—5 月新疆各棉區(qū)日最低氣溫≤0 ℃的持續(xù)日數(shù)

剛出苗的棉花，生長勢弱，抗凍能力差，當氣溫＜2 ℃（地表溫度＜0 ℃）時，棉花子葉會受凍，氣溫＜0 ℃，會導致棉花子葉、生長點嚴重受凍，致使棉苗死亡，受凍棉苗初期呈現(xiàn)水漬狀，溫度回升后干枯，或受低溫冷害影響，棉苗芽軸膨大彎曲，正常無法出土，且隨低溫強度的增強和持續(xù)時間的增長死苗率增加[11-12]。4 月北疆沿天山一帶的大部棉區(qū)均出現(xiàn)日最低氣溫≤0 ℃（圖3a），其中，塔城地區(qū)南部（烏蘇、沙灣）、博州部分（博樂、精河）、克拉瑪依、石河子市、昌吉州大部、烏魯木齊的持續(xù)日數(shù)為3～6 d，東疆哈密市伊州區(qū)為4 d，南疆僅個別棉區(qū)出現(xiàn)，分別是巴州部分（庫爾勒、輪臺、和碩、若羌）、烏什、拜城、民豐為2～6 d。5 月巴州部分（和靜、焉耆、鐵干里克）、庫車、烏什日最低氣溫≤0 ℃的持續(xù)日數(shù)為2～5 d（圖3b）。綜合4—5 月的日最低氣溫變化情況，北疆沿天山一帶的大部分棉區(qū)、巴州棉區(qū)受凍較嚴重，需及時補苗。

圖3 2023 年4 月（a）及5 月（b）新疆棉區(qū)日最低氣溫≤0 ℃的持續(xù)日數(shù)

4.2 2023 年4—5 月新疆各棉區(qū)大風日數(shù)

1～4 級風能較好地促進棉花植株通風透光，對棉花正常生長有利，風力達到5 級，對棉花正常生長發(fā)育有不利影響[13-14]。風災伴霜凍天氣出現(xiàn)情況有兩種：一是5～7 級大風，過程降溫10 ℃以下，持續(xù)時間長，導致氣溫難以回升，形成低溫霜凍。二是風力達8～9 級，空曠地帶陣風可達10 級以上，氣溫劇烈下降，引起霜凍發(fā)生，導致棉花凍芽爛芽、棉苗凍死、地膜損壞等[15]。2023 年4 月新疆棉區(qū)出現(xiàn)5 級以上大風日數(shù)見圖4a。托克遜、鄯善、輪臺為10～13 d，吉木薩爾、昌吉、呼圖壁、哈密、庫爾勒、和靜、焉耆為3～6 d，精河、石河子、吐魯番、吐魯番東坎、尉犁、和碩、若羌、且末、阿克蘇、阿拉爾、阿圖什為1～2 d。4月吐魯番市及巴州大部分棉區(qū)受大風影響的風險較高。2023 年5 月新疆棉區(qū)托克遜、輪臺出現(xiàn)5 級以上大風日數(shù)為10～11 d，鄯善、庫爾勒為7～8 d，精河、阿圖什、喀什、伽師為3～5 d，昌吉、吉木薩爾、呼圖壁、吐魯番、巴州大部（和靜、焉耆、尉犁、若羌、且末）、溫宿、阿克蘇、庫車為1～2 d（圖4b）。5 月吐魯番市及巴州受大風影響的風險較高。

圖4 2023 年4 月（a）及5 月（b）新疆棉區(qū)5 級以上大風日數(shù)

4.3 4—5 月新疆各棉區(qū)日平均相對濕度

棉花炭疽病適宜相對濕度在70%～85%，相對濕度在85%以上時，會嚴重發(fā)生[16]。棉花苗期的日均死苗率與空氣相對濕度呈負相關關系[17-19]。通過分析4—5 月的日平均相對濕度，判定對棉花苗期生長的影響。4 月日平均相對濕度≥85%的棉區(qū)僅有烏蘭烏蘇，出現(xiàn)在4 月18 日，棉花尚未播種，故基本沒有影響。日平均相對濕度在70%～85%的棉區(qū)有博樂（4月18 日）、烏蘇（4 月17—18 日）、沙灣（4 月18 日）、炮臺（4 月16—18 日）、石河子（4 月18 日）、烏蘭烏蘇（4 月16—17 日）、昌吉州大部（4 月18 日）、哈密（4 月4 日）、烏什（4 月21 日）、阿克陶（4 月27 日）、喀什地區(qū)部分（莎車、葉城、澤普、麥蓋提，4 月21日）、于田地區(qū)（皮山、策勒、墨玉、和田、洛浦、民豐、于田，4 月20—21 日）（圖5）。結合發(fā)育期可知烏蘭烏蘇、昌吉州大部、哈密未播種，博樂、烏蘇、沙灣、炮臺、石河子、烏什已播種但未出苗，相對濕度偏高對當前階段棉花生長影響不大；阿克陶、喀什地區(qū)、于田地區(qū)已出苗，高相對濕度對該區(qū)域棉花苗期生長不利。5 月，沒有日平均相對濕度≥85%的棉區(qū)，日平均相對濕度在70%～85%的棉區(qū)有：博樂（5 月3日、19—21 日）、精河（5 月20 日）、烏蘇（5 月3 日、20 日）、焉耆（5 月4 日、6 日）、且末（5 月28 日）、和碩（5 月4—6 日）、烏什（5 月24—25 日）、沙雅（5 月29 日）、庫車（5 月28 日）、尉犁（5 月6 日）、和田地區(qū)大部（墨玉、和田、洛浦、民豐、于田，5 月25—27日）。結合發(fā)育期分析：博樂、精河、烏蘇（20 日）、焉耆、尉犁、且末、和碩、烏什、沙雅、庫車、和田地區(qū)已出苗，棉花處于出苗后的生長階段，高相對濕度對該區(qū)域棉花苗期生長不利。

圖5 2023 年4 月（a）及5 月（b）新疆棉區(qū)日平均相對濕度分布

5 討論

4 月北疆部分棉區(qū)（石河子市、昌吉州、哈密市）受兩場寒潮雨雪大風天氣影響，前期熱量條件不足，發(fā)育期推遲，播種出苗期較常年和2022 年均偏晚。5月大部分棉花發(fā)育期較常年偏晚1～24 d，較2022年偏晚2～16 d。受大風、降水、冰雹、低溫、霜凍災害性天氣影響，已出棉苗被風沙吹干、成片遭受凍害死亡；棉花僵苗遲發(fā)，爛芽、爛根；部分棉花幼苗返堿死亡；未出苗地塊板結，造成出苗困難。即5—8 月是棉花生長關鍵時期，低溫可使棉花生育期推遲，影響產(chǎn)量。

本研究用日平均氣溫低于12 ℃的持續(xù)天數(shù)作為判定因子，重新定義棉花苗期低溫冷害等級。因子選取與傅瑋東[7]和鄭維等[10]的研究結果一致，可見日平均氣溫＜12 ℃的持續(xù)天數(shù)能夠表征棉花苗期低溫冷害程度。根據(jù)氣象災害等級劃分的連續(xù)性及正態(tài)分布規(guī)律的最新要求，對現(xiàn)有經(jīng)驗指標進行修正，將棉花苗期低溫冷害等級劃分為5 級，較經(jīng)驗指標更精細，劃分等級更符合新疆棉區(qū)生長現(xiàn)狀，受災的農(nóng)藝表現(xiàn)性狀更多樣化，便于進行受災后的風險程度分析及災損評估。

通過分析4—5 月的日平均相對濕度，判定對棉花苗期生長的影響，定義日平均相對濕度70%以上對棉苗生長不利，這與蔡艾君等[17]的研究中棉花苗期的日均死苗率與空氣相對濕度呈負相關關系基本一致。但未考慮過程降溫幅度及持續(xù)時間的影響，未來相關研究還可結合不同土壤類型、人工管理措施、不同品種的棉花受災影響程度分析。

6 結論

2023 年4—5 月新疆出現(xiàn)多場寒潮雨雪大風天氣且伴隨極端大風和降雪事件，對棉花苗期生長不利，利用地面常規(guī)數(shù)據(jù)和修正后的棉花苗期低溫冷害指標對此時段氣象條件及影響程度進行分析，得出以下結論：

（1）受4 月多降水天氣過程和2 場（1—3、14—20 日）全疆寒潮天氣過程影響，棉區(qū)出現(xiàn)低溫冷害、雨堿害、風沙災害和霜凍危害，全疆大部棉區(qū)棉花播種期晚于常年和2022 年，播種后棉花出苗緩慢，北疆部分棉區(qū)、巴州北部棉區(qū)、阿克蘇地區(qū)已播種的棉花出現(xiàn)爛種爛芽、棉苗黑根死亡（立枯病）等現(xiàn)象，影響了棉花出苗、保苗，造成較早播種棉花大面積重播、補種。災害程度明顯重于2022 年，重于常年。氣象條件對棉花播種、出苗不利。

（2）出苗后，5 月中旬氣溫偏高，對棉花生長和重播、補種出苗較有利，但5 月上、下旬全疆大部分地區(qū)氣溫偏低，巴州北部、阿克蘇東部棉區(qū)5 月平均氣溫偏低2.0～3.4 ℃，偏低幅度大，影響棉花生長發(fā)育速度，全疆大部分地區(qū)棉花生長發(fā)育進程晚于常年和2022 年，第三真葉期較2022 年偏晚4～16 d，第五真葉期較2022 年偏晚5～19 d。5 月的對流性天氣帶來的冰雹大風災害造成部分棉田受損，氣象條件對塔城地區(qū)南部、昌吉州大部、哈密市北部、巴州北部棉花苗期生長不利。

（3）4 月較重度、重度苗期低溫冷害的棉區(qū)有北疆沿天山一帶大部棉區(qū)、鄯善、哈密市、巴州北部部分（和靜、焉耆、和碩）、克州部分（烏恰、阿合奇）；5月較重度、重度苗期低溫冷害的棉區(qū)有昌吉州、哈密市北部、巴州北部、克州部分區(qū)域。

（4）綜合4—5 月新疆棉區(qū)日最低氣溫≤0 ℃的持續(xù)日數(shù)、大風日數(shù)、日平均相對濕度情況，北疆沿天山一帶的大部分棉區(qū)、吐魯番市、巴州棉區(qū)、阿克蘇地區(qū)東部受凍較嚴重，需及時補苗，關注棉花后期生長狀況。