南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期變化的關鍵氣候驅動因子分析

程 珍 牛建龍， 馬玉婷 王 煜 蔣學瑋柳維揚， 唐曉璇

（1塔里木大學農學院，新疆 阿拉爾 843300；2南疆干旱區(qū)特色作物遺傳改良與高效生產(chǎn)兵團重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；3塔里木綠洲農業(yè)教育部重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；4塔里木大學園藝與林學學院，新疆 阿拉爾 843300）

物候學是研究自然界動植物和環(huán)境條件（氣候、水文和土壤條件）周期變化及其相互關系的科學［1］，能客觀反映作物生長發(fā)育對氣候變化的響應［2］。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次報告指出，2011—2020年全球地表平均溫度比1850—1900 年間平均溫度高1.09 ℃［3］，2016—2020年是人類有記錄以來最熱的5年［4-5］。20世紀90年代后期，新疆北部出現(xiàn)由暖干向暖濕的信號轉變，新疆南部阿克蘇地區(qū)、阿拉爾墾區(qū)年平均氣溫和降水量均呈現(xiàn)增加趨勢，且年平均氣溫的增幅快于年降水量的增幅［6-8］，這種以溫度升高為主要標志的氣候變化已對作物物候期時間分配及其動態(tài)變化產(chǎn)生嚴重影響，對農業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)造成嚴重威脅［9］。目前，國內外學者對物候期變化的氣候響應研究主要集中在小麥、水稻、玉米、青稞等糧食作物上［10-16］，對棉花物候期變化的氣候響應研究主要集中在河北省、陜西省、河西走廊和新疆北疆地區(qū)［17-22］，主要表現(xiàn)在氣溫升高總體上導致我國棉花主產(chǎn)區(qū)棉花出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期呈現(xiàn)提前趨勢，播種期、成熟期呈現(xiàn)推遲趨勢［17］。平均氣溫的升高和≥0 ℃活動積溫的增加是河北省棉花播種期、出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期和吐絮期提前的主要氣候驅動因子［18］；春季平均氣溫的升高是河西走廊棉花播種期提前的主要氣候驅動因子［19］；溫度升高和日照時數(shù)的增加對陜西省棉花苗期到收獲期的提前均起到促進作用，以對出苗期和收獲期的提前影響最顯著［20］。新疆地區(qū)棉花物候期空間差異顯著，生長季開始期由南向北呈現(xiàn)推遲趨勢，生長季結束期呈現(xiàn)提前趨勢，氣溫升高導致新疆大部分地區(qū)棉花播種期、出苗期、現(xiàn)蕾期和開花期呈現(xiàn)提前趨勢，吐絮期和停止生長期呈現(xiàn)推遲趨勢［21-22］。以往研究主要偏重于棉花物候期的總體變化及其氣候驅動研究，對南疆地區(qū)棉花物候期階段性變化及其關鍵氣候驅動研究較少。

南疆阿拉爾墾區(qū)（80°30′～81°58′E，40°22′～40°57′N）位于塔克拉瑪干沙漠北緣。墾區(qū)光熱資源豐富，降水量極為稀少，干燥度均在16 以上［23］，屬于典型的暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候［24］。20世紀90年代以來，墾區(qū)棉花種植面積逐年增大，至2019 年達232.51 萬畝，占墾區(qū)作物種植面積的85.8%，已成為南疆主要的農、林、牧業(yè)灌溉區(qū)和重要的國家級棉花生產(chǎn)基地［25］。本研究選取1990—2020 年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期及同期地面氣象觀測資料，重點分析墾區(qū)棉花物候期變化規(guī)律及其關鍵氣候驅動因子，旨在為提高墾區(qū)棉田氣候變化適應能力提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1990—2020 年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期數(shù)據(jù)和同期地面氣象數(shù)據(jù)均來源于新疆阿拉爾市氣象局。其中，棉花物候期主要包括播種期、出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期和停止生長期共6個生長階段；逐日地面氣象數(shù)據(jù)主要包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、日照時數(shù)、相對濕度和降水量。

1.2 研究方法

1.2.1 棉花物候期/氣候要素傾向率 棉花物候期/氣候要素隨時間序列的動態(tài)變化可用一次線性方程表示。如公式1所示：

式中，x為要素值；a 為常數(shù)項；b 為回歸系數(shù)；i為時間序列。文中傾向率等于回歸系數(shù)，采用最小二乘法［26］計算。

1.2.2 棉花物候期/氣候要素變化的顯著性 棉花物候期/氣候要素隨時間序列的動態(tài)變化主要利用slope函數(shù)［27］求算。如公式2所示：

式中，slope為變化率；m為時間序列長度；Qi為某一年的要素值。slope＞0 為提前趨勢，反之為推遲趨勢。文中采用Pearson 相關性分析方法確定顯著性，將結果劃分為極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05）兩個等級。

1.2.3 Mann-Kendall（M-K）非參數(shù)突變檢驗 該方法的最大優(yōu)點在于不受個別異常值的干擾，能客觀反映棉花物候期隨時間序列的突變［28］。當UFk和UBk兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點，則交點對應的時刻即為突變開始的時間。文中給定顯著性水平α= 0.05，所對應的臨界值為±1.96。

1.2.4 優(yōu)勢主導分析方法 氣候要素對棉花物候期變化的貢獻率主要采用優(yōu)勢主導分析方法［29］，該方法的優(yōu)點在物候期變化與同期氣候要素顯著相關的基礎上，各氣候要素對棉花物候期變化的相對重要性可通過各氣候要素的總平均貢獻占已知方差的百分比來表示，其相對重要性更為直觀和準確［29］。

2 結果與分析

2.1 棉花物候期變化趨勢及其突變

1990—2020 年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期出現(xiàn)時間及其變化趨勢分別如表1 和圖1 所示。1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花平均播種期、出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期和停止生長期分別出現(xiàn)在4月14日、4月29日、6月3日、7月2日、9月17日和10月20日，極差分別為25、22、21、22、44 和23 d（表1）。其中，棉花播種期和出苗期均呈現(xiàn)極顯著提前趨勢，開花期和停止生長期呈現(xiàn)顯著提前趨勢，吐絮期呈現(xiàn)不顯著提前趨勢，提前速率分別為0.279、0.231、0.025、0.043 和0.408 d·a-1，1990—2020 年分別累計提前了8.37、6.93、0.75、1.29和12.24 d；現(xiàn)蕾期呈現(xiàn)不顯著推遲趨勢，推遲速率為0.003 d·a-1，1990—2020 年累計推遲了0.09 d（圖1）。

圖1 1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期變化趨勢Fig.1 Trends of cotton phenological period in Alar reclamation in southern Xinjiang from 1990 to 2020

表1 1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期出現(xiàn)時間Table 1 Time of occurrence on cotton phenological period in Alar reclamation of southern Xinjiang from 1990 to 2020

1990—2020 年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期M-K突變結果及其階段性變化如圖1所示。1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾期和吐絮期分別在2000 和2010 年出現(xiàn)突變，開花期在2000 和2010 年出現(xiàn)突變，主要表現(xiàn)在1990—2000 年棉花現(xiàn)蕾期呈現(xiàn)不顯著推遲趨勢，2001—2020 年棉花現(xiàn)蕾期呈現(xiàn)顯著推遲趨勢，推遲速率分別為0.773 和0.153 d·a-1；1990—2000和2001—2010 年棉花開花期均呈現(xiàn)不顯著推遲趨勢，2011—2020 年棉花開花期呈現(xiàn)不顯著提前趨勢，變化速率分別為0.555、0.206和0.812 d·a-1；1990—2010和2011—2020 年棉花吐絮期均呈現(xiàn)不顯著提前趨勢，提前速率分別為0.460 和2.164 d·a-1；棉花播種期、出苗期和停止生長期階段性變化特征不明顯。

2.2 棉花物候期同期氣候要素變化趨勢

1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期同期氣候要素變化趨勢如圖2所示。1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花播種期最高氣溫和出苗期最低氣溫均呈現(xiàn)顯著升高趨勢，升高速率分別為0.005和0.037 ℃·a-1；現(xiàn)蕾期最低氣溫呈現(xiàn)極顯著升高趨勢，日照時數(shù)呈現(xiàn)顯著減少趨勢，變化速率分別為0.032 ℃·a-1和0.056 h·a-1；開花期氣溫日較差呈現(xiàn)顯著增大趨勢，最高氣溫、最低氣溫和日照時數(shù)均呈現(xiàn)顯著降低趨勢，日照時數(shù)呈現(xiàn)極顯著減少趨勢，變化速率分別為0.025、0.001、0.026 ℃·a-1和0.013 h·a-1；吐絮期降水量呈現(xiàn)極顯著增加趨勢，增加速率為0.034 mm·a-1；停止生長期氣溫日較差和日照時數(shù)均呈現(xiàn)極顯著減小（減少）趨勢，相對濕度呈現(xiàn)顯著減小趨勢，減小速率分別為0.091 ℃·a-1、0.021 h·a-1和0.207個百分點·a-1。

圖2 1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期同期氣候要素變化趨勢Fig.2 Trends of climate factors change on cotton phenological period in Alar reclamation in southern Xinjiang from 1990 to 2020

1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾期、開花期和吐絮期氣候要素階段性變化趨勢如表2所示。1990—2000 年棉花現(xiàn)蕾期最低氣溫呈現(xiàn)極顯著降低趨勢，2001—2020 年最低氣溫和降水量均呈現(xiàn)極顯著降低（減少）趨勢，日照時數(shù)呈現(xiàn)顯著增加趨勢，變化速率分別為0.002、0.005 ℃·a-1、0.029 mm·a-1和0.059 h·a-1；1990—2000 年棉花開花期相對濕度呈現(xiàn)極顯著減小趨勢，最低氣溫呈現(xiàn)顯著升高趨勢，2001—2010 年平均氣溫和最低氣溫均呈現(xiàn)顯著升高趨勢，最高氣溫和日照時數(shù)均呈現(xiàn)顯著降低（減少）趨勢，2011—2020 年氣溫日較差和日照時數(shù)均呈現(xiàn)顯著增大（加）趨勢，最低氣溫呈現(xiàn)極顯著降低趨勢，變化速率分別為0.024個百分點·a-1、0.003、0.015和0.001、0.215 ℃·a-1、0.292 h·a-1和0.249 ℃·a-1；1990—2010 年棉花吐絮期最高氣溫、日照時數(shù)和相對濕度均呈現(xiàn)顯著降低（減少）趨勢，2011—2020 年降水量呈現(xiàn)極顯著增加趨勢，變化速率分別為0.004 ℃·a-1、0.018 h·a-1、0.034 個百分點·a-1和0.011 mm·a-1。

表2 1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾期、開花期和吐絮期同期氣候要素階段性變化趨勢Table 2 Trends of climate factors change in squaring stage，flowering stage and boll opening stage on cotton phenological period in Alar reclamation in southern Xinjiang from 1990 to 2020

2.3 同期氣候要素對棉花物候期變化的影響程度

1990—2020 年南疆阿拉爾墾區(qū)主要氣候要素對同期棉花物候期變化的影響程度分別如圖3 和圖4 所示。1990—2020 年棉花播種期的提前與最高氣溫和平均氣溫的升高均呈顯著正相關，各影響因子貢獻率分別為47.61%和52.39%；出苗期的提前僅與氣溫日較差的增大呈顯著負相關，貢獻率達100%。現(xiàn)蕾期的推遲與降水量的減少呈極顯著正相關，與相對濕度的減小呈顯著正相關，各影響因子貢獻率分別為60.55%和39.45%，主要表現(xiàn)在1990—2000 年現(xiàn)蕾期階段性推遲與降水量的減少呈極顯著正相關，與相對濕度的減小呈顯著正相關，各影響因子貢獻率分別為57.04%和42.96%，2001—2020 年現(xiàn)蕾期階段性推遲與氣候要素關系不大。1990—2000 年開花期階段性的推遲僅與氣溫日較差減小呈顯著負相關，貢獻率達100%，2001—2010 年開花期的階段性推遲、2011—2020 年的階段性提前和1990—2020 年的提前與氣候要素關系不明顯。吐絮期的提前與最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫的升高呈極顯著負相關，與氣溫日較差的減小呈顯著正相關，各影響因子貢獻率分別為22.02%、31.35%、30.59%和16.04%，主要表現(xiàn)在1990—2010 年吐絮期階段性提前與最高氣溫降低、最低氣溫和平均氣溫升高均呈極顯著負相關，與降水量的增多呈顯著正相關，各影響因子貢獻率分別為23.00%、30.57%、30.89%和15.54%。2011—2020 年吐絮期階段性提前與氣溫日較差的減小呈極顯著正相關，與最低氣溫和平均氣溫的升高呈極顯著負相關，各影響因子貢獻率分別為32.65%、36.46%和30.89%。停止生長期的提前僅與最高氣溫的升高呈顯著負相關，貢獻率達100%。

圖3 1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花物候期變化與同期主要氣候要素的相關性Fig.3 The correlation between cotton phenological period and corresponding period major climate factors in Alar reclamation of southern Xinjiang from 1990 to 2020

圖4 1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)主要氣候要素變化對同期棉花物候期變化的貢獻率Fig.4 The contribution rate of major climate factors change on corresponding period cotton phenological period change in Alar reclamation of southern Xinjiang from 1990 to 2020

3 討論

3.1 全球氣候變暖背景下不同地區(qū)棉花物候期的差異性

全球氣候變暖導致作物生長發(fā)育所需的溫度、光照和水分等氣候要素發(fā)生顯著性變化［30-32］，進而造成不同地區(qū)作物物候期時間分配及其動態(tài)變化存在明顯差異性［17-22］。本研究發(fā)現(xiàn)，1990—2020 年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花播種期、出苗期、開花期、吐絮期和停止生長期均呈現(xiàn)提前趨勢，現(xiàn)蕾期呈現(xiàn)推遲趨勢，與河北省、陜西省棉花播種期、出苗期、開花期和吐絮期呈現(xiàn)提前趨勢的結論一致［18，20］，與河西走廊棉花播種期呈現(xiàn)提前趨勢的結論一致［19］，與新疆大部分地區(qū)棉花播種期、出苗期和開花期呈現(xiàn)提前趨勢的結論一致［22］，這表明全球氣候變暖大背景下我國不同地區(qū)棉花物候期總體上呈現(xiàn)不同程度的提前趨勢；與河北省、陜西省和新疆大部分地區(qū)棉花現(xiàn)蕾期呈現(xiàn)提前趨勢的結論不一致［18，20，22］，這主要與不同地區(qū)棉花品種類型及更替快慢、田間管理措施改變、區(qū)域地理環(huán)境差異和研究所選取資料的時間序列長短不同有關。

3.2 氣候變化對不同地區(qū)棉花物候期變化的影響程度

氣候變化對不同地區(qū)作物物候期時間分配及其動態(tài)變化的影響程度不盡相同［17-22］，氣候變暖總體上有利于我國小麥、玉米、水稻等糧食作物主產(chǎn)區(qū)春季適宜播種期的提前、冬小麥秋季適宜播種期的提前和傳統(tǒng)作物品種物候期的縮短［10-16］。本研究發(fā)現(xiàn)，1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)平均氣溫的升高、氣溫日較差的增大、最低氣溫的升高和最高氣溫的升高分別是棉花播種期、出苗期、吐絮期和停止生長期提前的主要氣候驅動因子，這表明氣溫升高總體上有利于墾區(qū)棉花物候期的提前，與氣溫升高是導致河北省、陜西省和新疆大部分地區(qū)棉花物候期總體呈現(xiàn)提前趨勢的結論較一致［18，20，22］，與氣溫升高是導致我國主產(chǎn)棉區(qū)棉花出苗期、現(xiàn)蕾期、開花期、吐絮期呈現(xiàn)提前趨勢，播種期、成熟期呈現(xiàn)推遲趨勢的結論不完全一致［17］；1990—2020年南疆阿拉爾墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾期的推遲主要以降水量的減少影響為主，相對濕度的減小影響為輔，表明大氣降水不足及大氣干燥不利于墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾期的提前，這可能與期間棉花葉片生長受限，導致棉花葉面積縮小與光合作用效率的降低有關。

3.3 基于棉花物候期的氣候變化應對與適應策略

作物物候期的提前或推遲會導致作物生育期的縮短或延長，直接決定著作物產(chǎn)量的高低［33］，對預測作物產(chǎn)量、調控作物生長發(fā)育和合理布局具有重要意義［34］。本研究發(fā)現(xiàn)，1990—2020 年南疆阿拉爾墾區(qū)溫度升高總體上有利于棉花播種期、出苗期、吐絮期和停止生長期的提前，降水量減少和相對濕度的減小將會導致墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾期的推遲，這就需要當?shù)赜嘘P部門高度重視氣候變化對棉花物候期的影響，因地制宜，因時制宜，通過改革棉花種植制度、調整棉花品種與結構布局、調控棉田溫濕環(huán)境等多途徑改變棉花生長物候期，以確保區(qū)域棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。本研究僅從區(qū)域尺度分析墾區(qū)棉花物候期變化的關鍵氣候驅動，今后有待于加強棉花品種更替、田間管理措施和生態(tài)氣候因子綜合作用對棉花生長發(fā)育、產(chǎn)量及其品質的影響研究。

4 結論

1990—2020 年南疆阿拉爾墾區(qū)物候期的變化是由多種氣候因子綜合作用的結果，平均氣溫的升高、氣溫日較差的增大、最低氣溫的升高和最高氣溫的升高分別是墾區(qū)棉花播種期、出苗期、吐絮期和停止生長期提前的主要氣候驅動因子，降水量的減少是墾區(qū)棉花現(xiàn)蕾期推遲的主要氣候驅動因子。