1990-2020年南疆阿拉爾墾區棉花物候期的動態變化

關鍵詞：物候期；棉花；動態變化；階段性；南疆阿拉爾墾區

物候現象能客觀反映植物在生長過程中對外界氣候環境的響應及其適應性[1]，主要表現為植物生育期的提前、推遲和生育階段的延長或縮短等[2]，可以更好地監測和評估作物生長[3-6]。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IntergovernmentalPanel on Climate Change，IPCC）第五次報告指出，與1986—2005年相比，2016—2035年間全球平均氣溫可能升高0.3～0.7 ℃，2081—2100年可能上升0.3～4.8 ℃[7]，2010—2019年是有記錄以來最暖的10年[8]，這種以溫度升高為主要標志的全球氣候變化已對作物物候變化產生了嚴重影響，成為學界關注的熱點問題[910]。研究表明，1981—2010年中國小麥播種期、出苗期、三葉期和乳熟期呈現提前趨勢[9]；2003—2019年山東省冬小麥返青期、拔節期和成熟期呈現顯著推遲趨勢，抽穗期呈現顯著提前趨勢[4]；1992—2013年中國北方冬小麥種植區返青期呈現延后趨勢，成熟期呈現提前趨勢[11]；1992—2012年東北水稻抽穗期、乳熟期和成熟期呈現提前趨勢[12]；1981—2010年中國玉米播種期、出苗期、三葉期、拔節期、抽雄期、乳熟期和成熟期均呈現推遲趨勢[13]；1994—2013年湖北省襄陽驛棉花播種期和現蕾期呈現極顯著延遲趨勢，江陵棉花吐絮期呈現顯著提前趨勢[14]；1981—2010年河北省棉花播種期、出苗期、現蕾期、開花期和吐絮期均呈現提前趨勢，收獲期呈現延后趨勢[10]；1960—2009年陜西棉花出苗期至收獲期都呈現顯著提前趨勢[15]；1980—2019年新疆棉花出苗期、現蕾期、開花期都呈現提前趨勢，吐絮期呈現推遲趨勢[16]，南北疆棉花物候期空間差異顯著，生長期由南向北呈現推遲趨勢[17]。以往針對作物物候期的研究主要集中在小麥、玉米、水稻和棉花等作物上[4，9，11-17]，偏重于作物物候期的總體變化趨勢研究，針對南疆地區棉花物候期及其階段性動態變化的研究較少。

南疆阿拉爾墾區（40°22′—40°57′N、80°30′—81°58′E）位于塔克拉瑪干沙漠北緣，光熱資源豐富，降水稀少，干燥度極高，均在16以上[18]，屬于典型暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候[19]，是南疆主要的農、林、牧業灌溉區和重要的國家級棉花生產基地[18]。20世紀80年代以來，新疆地區出現暖濕化的氣候轉變[2021]，南疆阿拉爾墾區呈現暖濕化的氣候變化，春季增溫幅度達0.052 ℃·a-1[18]，改變了區域棉花物候期的時間分配及其動態變化，對區域棉花高產穩產造成嚴重威脅。因此，本研究重點分析氣候暖濕化背景下南疆阿拉爾墾區棉花物候期動態變化及其突變情況，以期為提高墾區棉田氣候變化適應能力和科學管理棉田提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

選取南疆阿拉爾墾區1990—2020年棉花物候期資料，數據來源于新疆農業氣象中心，主要包括播種期、出苗期、現蕾期、開花期、吐絮期和停止生長期6個重要的物候期。

1.2 研究方法

1.2.1 棉花物候期傾向率測定 棉花物候期傾向率測定主要采用最小二乘法[22]，可用一次線性方程表示[23]，如公式（1）所示。

式中，xi 為第i 年棉花物候期；a為常數項；b為回歸系數；ti 為xi所對應的時間序列。研究中物候期傾向率等于回歸系數。

1.2.2 距平和累積距平 棉花物候期過程變化主要采用距平（d）和累積距平[24]。其中，距平能直觀反映物候期變化趨勢以及變化程度；累積距平是一種常用曲線直觀判斷變化趨勢的方法，當累積距平為正值，表明物候期呈提前趨勢；反之，為推遲趨勢。計算方法如公式（2）（3）所示。

1.2.3 顯著性分析 棉花物候期隨時間序列的動態變化主要采用slope函數[25]計算，如公式（4）所示。

1.2.4 Mann-Kendall（M-K） 檢驗和滑動t 檢驗 棉花物候期突變分析主要采用Mann-Kendall（MK）檢驗[26]和滑動t 檢驗[27]。其中，M-K檢驗的優點在于不受個別異常值的干擾，能客觀反映棉花物候期突變情況。檢驗方法如公式（5）所示。

2 結果與分析

2.1 南疆阿拉爾墾區棉花物候期年（際）間動態變化分析

運用最小二乘法對1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花物候期動態變化趨勢進行分析，結果如表1和表2所示。1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花平均播種期、出苗期、現蕾期、開花期、吐絮期和停止生長期分別出現在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、23、20、22、44和24 d。其中，1990—2020年棉花播種期和出苗期均呈現極顯著提前趨勢，分別提前0.279 和0.231 d·a-1，主要表現在2011—2020 年棉花播種期和出苗期均呈極顯著提前趨勢，分別提前0.963和0.809 d·a-1，其他時段年際間波動不明顯；1990—2020年開花期和停止生長期均呈現顯著提前趨勢，分別提前0.025和0.043 d·a-1，年際間波動均不明顯；吐絮期提前趨勢和現蕾期延遲趨勢均不顯著，僅為0.408和0.003 d·a-1。

2.2 南疆阿拉爾墾區棉花物候期過程動態變化分析

運用距平和累積距平對1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花物候期過程變化進行分析（圖1）。1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花播種期和出苗期正距平占比分別為48.3% 和54.8%，總體呈現上升趨勢，呈現“低-高-低”的過程變化，即1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花播種期和出苗期均呈現不同程度提前趨勢，均以1990—2010 年提前幅度較大，2011—2020年提前幅度較小；棉花現蕾期和開花期正距平占比分別為45.6% 和41.9%，分別在1999、2007 年和1999、2009 年存在較大波動，呈現“低-高-低-高”的過程變化；吐絮期正距平占比僅為32.2%，總體呈現上升趨勢，呈現“低-高-低”的過程變化，即1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花吐絮期總體呈現提前趨勢，以1990—2014年提前幅度較大，2015—2020年提前幅度較小；停止生長期正距平占比達51.6%，以2011年波動最大，呈現“低-高-低”的動態變化，即2000—2011年提前幅度較大，2012—2020年提前幅度較小。

2.3 南疆阿拉爾墾區棉花物候期階段性動態變化及其突變分析

利用M-K檢驗和滑動t 檢驗對1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花物候期進行突變檢驗與驗證（圖2和圖3）。1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花現蕾期在2000年存在明顯突變，開花期在2000和2010年存在明顯突變，吐絮期在2010年存在明顯突變，即棉花現蕾期經歷了1990—2000 年和2001—2020年2個主要階段，棉花開花期經歷了1990—2000 年、2001—2010 年和2011—2020 年3個主要階段，棉花吐絮期經歷了1990—2010年和2011—2020 年2 個主要階段；棉花播種期、出苗期和停止生長期突變不明顯，即棉花播種期、出苗期和停止生長期不存在明顯階段性變化特征。

根據M-K 檢驗和滑動t 檢驗結果，利用最小二乘法對1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花物候期階段性動態變化進行分析（圖4）。1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花現蕾期的階段性變化主要表現在1990—2000 和2001—2020 年均呈現不同程度推遲趨勢，分別推遲0.773 和0.153 d·a-1；同期棉花開花期階段性變化主要表現在1990—2000和2001—2010年均呈現不同程度推遲趨勢，2011—2020年呈現提前趨勢，分別變化0.555、0.206和0.812 d·a-1；同期棉花吐絮期階段性變化主要表現在1990—2010 和2011—2020 年均呈現不同程度提前趨勢，分別提前0.460和2.164 d·a-1。

3 討論

在全球氣候暖濕化背景下，我國棉花物候期存在明顯的時空分布及其動態變化的差異性[10，14-17]。研究發現，1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花物候期總體變化趨勢較明顯，主要表現在棉花播種期、出苗期、開花期、吐絮期和停止生長期均呈現不同程度的提前趨勢，現蕾期呈現推遲趨勢，以墾區棉花吐絮期提前幅度最大，播種期提前幅度次之，開花期提前幅度最小；1990—2020年南疆阿拉爾墾區棉花物候期階段性變化特征較明顯，主要表現在棉花現蕾期在1990—2000 和2001—2020年均呈現不同程度階段性推遲趨勢，棉花開花期在1990—2000和2001—2010年均呈現不同程度階段性推遲趨勢、在2011—2020 年呈現階段性提前趨勢，棉花吐絮期在1990—2010和2011—2020年均呈現不同程度階段性提前趨勢，這與新疆棉花出苗期顯著提前、河北省棉花播種期、出苗期、開花期和吐絮期顯著提前的結論一致[10，17]，與新疆棉花現蕾期和開花期顯著提前，新疆北部棉花從播種到裂鈴各發育期均提前，湖北省棉花播種到收獲各生育期均延遲，河北省棉花現蕾期提前、收獲期推遲的結論不太一致[10，14，1617]，這主要與研究區域所處地理環境和所選取的物候期資料時間序列長短不同有關，這就要求棉田管理工作者需結合區域棉花物候期和氣候要素實際變化情況，做到因地制宜，因時制宜，合理調整棉花田間管理措施，促進區域棉花產業高質量發展。

棉花物候期的動態變化是由品種遺傳特性、田間管理措施和生態氣候因子等多種因子綜合作用的結果，存在很強的不確定性。本研究深入研究了南疆阿拉爾墾區棉花物候期動態變化及其突變情況，未分析生態氣候因子、品種遺傳特性、田間管理措施和社會經濟發展因子等指標對墾區棉花物候期變化及其產量和品質的影響，今后有待于加強研究與探討。