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(nóng)業(yè)氣象臺，烏魯木齊 830002）

聯(lián)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(shí)[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(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的基本條件。農(nóng)業(yè)是對氣候變化響應(yīng)最明顯的行業(yè)。受全球氣候變暖的影響，氣候變化成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子之一，對區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和種植制度都將產(chǎn)生影響，可能加大農(nóng)作物的致災(zāi)風(fēng)險[4-7]。氣候變化將改變熱量資源的時空分布，進(jìn)而對農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)布局、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)事活動及農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響[8-12]。

相關(guān)學(xué)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(xù)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(qū)氣候帶的劃分產(chǎn)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(qū)面積擴(kuò)大，次宜棉區(qū)和不宜棉區(qū)有所減小，風(fēng)險棉區(qū)變化不大；胡燕宇等[15]研究表明大東北地區(qū)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(qū)熱量資源在20世紀(jì)90年代開始快速增加，年平均氣溫線性擬合增長率達(dá)到0.2 8℃·（10a）－1。近年來，新疆的許多學(xué)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(xiàn)平原地區(qū)多山區(qū)少的特點(diǎn)，熱量資源呈增加趨勢；普宗朝等[17-18]對烏昌地區(qū)1961-2009年農(nóng)業(yè)資源變化分析表明，各地?zé)崃抠Y源呈增多趨勢，遞增速率和增加幅度呈現(xiàn)平原高于山區(qū)，北部高于南部的空間分布特征；關(guān)于石河子墾區(qū)熱量資源變化及其對棉花產(chǎn)量的影響研究[19-20]表明，該墾區(qū)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(jì)80年代發(fā)生了突變。

棉花在新疆種植業(yè)中占有舉足輕重的地位[14]。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，近年來新疆棉花產(chǎn)量穩(wěn)步增長，占全國棉花總產(chǎn)量的80%以上，至2020年新疆棉花總產(chǎn)、單產(chǎn)、種植面積、商品調(diào)撥量連續(xù)26年位居全國第一[22]。目前對北疆主要植棉區(qū)熱量資源的研究較少，對當(dāng)?shù)責(zé)崃抠Y源與棉花產(chǎn)量關(guān)系的研究更少，所以筆者對北疆主要植棉區(qū)熱量資源及其與棉花產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行研究，以期對北疆主要植棉區(qū)棉花生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)等工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北疆植棉區(qū)主要位于天山北坡，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，阿爾泰山與天山之間，西側(cè)為準(zhǔn)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(zhǔn)噶爾盆地呈不規(guī)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(zāi)害有凍害和大風(fēng)，年降水量70～150mm，固定沙丘上植被覆蓋度達(dá)40%～50%，半固定沙丘植被覆蓋度達(dá)15%～25%。本研究所選的10個氣象站點(diǎn)（表1）均位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地，海拔329.2 ～575.1 m，經(jīng)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(qū)氣象站點(diǎn)信息

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)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(jié)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(qū)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(xù)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(qū)的氣候要素序列；棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《新疆統(tǒng)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(shù)；a為回歸系數(shù)，a為正值時表明熱量資源呈上升趨勢，a為負(fù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為日序進(jìn)行回歸分析。制圖時，初、終霜期的縱坐標(biāo)按日序轉(zhuǎn)換成相應(yīng)日期，所有圖的橫坐標(biāo)根據(jù)年份序號轉(zhuǎn)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(nèi)累計值變化小，與平均值差值很??；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(xiàn)日期記為初霜日，春季最低氣溫≤0℃的最晚出現(xiàn)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(xù)時間為無霜期；若年度內(nèi)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(chǎn)量和氣象產(chǎn)量的分離方法。氣象條件對棉花產(chǎn)量的影響主要反映在棉花單產(chǎn)的變化，棉花單產(chǎn)分為趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量兩部分，趨勢產(chǎn)量代表農(nóng)技措施及其他有類似這種影響的自然和非自然因素對產(chǎn)量貢獻(xiàn)的綜合，通常把經(jīng)過趨勢處理后的產(chǎn)量序列剩余項(xiàng)視為受氣象因子影響的產(chǎn)量分量，統(tǒng)稱為氣象產(chǎn)量[27-28]。本研究采用多項(xiàng)式擬合方法處理產(chǎn)量資料，并計算趨勢產(chǎn)量擬合公式與產(chǎn)量序列的相關(guān)系數(shù)。

2.2.5相關(guān)性檢驗(yàn)及方法。采用SPSS26軟件對棉花單產(chǎn)與生育期月平均氣溫、積溫、無霜期的相關(guān)性進(jìn)行分析。選用Pearson計算方法對定距變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計算，并對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2.2.6突變檢驗(yàn)方法。用Mann-Kendall方法進(jìn)行突變檢驗(yàn)[29]。

3 結(jié)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(fā)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(qū)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(qū)，海拔相近，緯度相近，屬于新疆棉花區(qū)劃中的早熟棉亞區(qū)和特早熟棉亞區(qū)，各站點(diǎn)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(xiàn)升高趨勢，最低值出現(xiàn)在烏蘭烏蘇（18.3 ℃），最高值出現(xiàn)在烏蘇（19.4 ℃），相差1.1 ℃。

表2 研究區(qū)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(fā)育的必需熱量條件，其中現(xiàn)蕾期要求溫度不低于20℃，過高或過低都會導(dǎo)致花粉活力降低，影響棉花纖維品質(zhì)[30]。種植細(xì)絨棉要求＞10℃積溫穩(wěn)定在3200℃以上，＞15℃積溫穩(wěn)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(xiàn)自東向西增多趨勢，最低值出現(xiàn)在烏蘭烏蘇，為3542.2 ℃，最高值出現(xiàn)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(xiàn)在烏蘭烏蘇，為3052.4 ℃，最高值出現(xiàn)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(xiàn)在烏蘭烏蘇，為1994.6 ℃，最大值出現(xiàn)在烏蘇，為2451.8 ℃，相差457.2 ℃?？傮w來看，≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫均呈現(xiàn)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(qū)無霜期平均為185.1 d，空間分布也呈現(xiàn)自東向西增多趨勢?，敿{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(qū)≥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(xiàn)了累積距平的最小值，1994年之前累積距平多為負(fù)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(qū)的生育期月平均氣溫呈現(xiàn)持續(xù)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(xiàn)在昌吉和漠索灣[0.3 6℃·（10a）－1]，最小值出現(xiàn)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(xiàn)在1994年?！?0℃積溫的氣候傾向率除瑪納斯為49.3 ℃·（10a）－1外，其余站點(diǎn)在82.3 ～123.1 ℃·（10a）－1，最大值出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)在1995年。10個氣象站點(diǎn)間氣候傾向率相差較大，最大值出現(xiàn)在精河[238.0 ℃·（10a）－1]，其次為炮臺[94.1 ℃·（10a）－1]，最小值出現(xiàn)在瑪納斯[14.3 ℃·（10a）－1]。

從圖1d可知，≥20℃積溫也呈現(xiàn)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(xiàn)2004年。10個氣象站點(diǎn)間≥20℃積溫的氣候傾向率相差較大，最大值出現(xiàn)在精河[254.5 ℃·（10a）－1]，其次為石河子[124.8 ℃·（10a）－1]，最小值出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，≥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(diǎn)小。

3.2.3≥10℃、≥15℃、≥20℃積溫持續(xù)時間變化。從圖2a可以看出，≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫的持續(xù)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(qū)域≥10℃積溫持續(xù)時間變化較為接近，在2.3 ～4.9 d·（10a）－1；≥15℃積溫的持續(xù)時間相差略大，氣候傾向率最大值出現(xiàn)在炮臺[3.3 d·（10a）－1]，其次為莫索灣[3.1 d·（10a）－1]，最小值出現(xiàn)在瑪納斯[0.5 d·（10a）－1]；≥20℃積溫持續(xù)時間相差也略大，氣候傾向率最大值出現(xiàn)在昌吉[5.2 d·（10a）－1]，其次為石河子[4.6 d·（10a）－1]，最小值出現(xiàn)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(qū)內(nèi)呈現(xiàn)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(xù)時間增加有很好的對應(yīng)關(guān)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(xiàn)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(xù)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(jìn)行了突變檢驗(yàn)，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(fā)生了突變，與3.2.1 中分析的拐點(diǎn)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(diǎn)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(fā)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(xiàn)多個交點(diǎn)，結(jié)合累積距平曲線可知突變發(fā)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(xiàn)2個交點(diǎn)，對比累積距平曲線可知拐點(diǎn)在1997年，兩者不對應(yīng)，突變不明顯；≥20℃積溫（圖略）中2004年和2009年出現(xiàn)2個交點(diǎn)，結(jié)合累積距平曲線可知2004年前后發(fā)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(chǎn)量的影響

4.1 熱量資源與棉花產(chǎn)量的相關(guān)性

通過對北疆主要植棉區(qū)的單產(chǎn)進(jìn)行產(chǎn)量分離，得出趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量2個部分。從圖4a可知，皮棉實(shí)際產(chǎn)量和趨勢產(chǎn)量均呈明顯的上升趨 勢，單 產(chǎn) 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(chǎn)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(qū)棉花實(shí)際產(chǎn)量、趨勢產(chǎn)量（a）和氣象產(chǎn)量（b）的變化

對棉花單產(chǎn)與熱量資源指標(biāo)（生育期月平均氣溫、積溫、無霜期）進(jìn)行相關(guān)性分析，并進(jìn)行0.0 5和0.0 1水平的顯著性檢驗(yàn)。從表4可以看出棉花單產(chǎn)與主要?dú)庀笾笜?biāo)具有較好相關(guān)性，均通過了0.0 1水平的顯著性檢驗(yàn)。

表4 各氣象要素與棉花單產(chǎn)的相關(guān)性

4.2 熱量資源對棉花產(chǎn)量的影響

近57年北疆主要植棉區(qū)生育期月平均氣溫升高，≥10℃、≥15℃、≥20℃積溫和持續(xù)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(jìn)棉花生產(chǎn)具有積極意義[26]。通過上文的分析可知，棉花單產(chǎn)與熱量資源指標(biāo)具有較好相關(guān)性，≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫呈現(xiàn)波動上升趨勢，可知熱量資源的增加對棉花單產(chǎn)具有正效應(yīng)，對棉花的產(chǎn)量提高和品質(zhì)形成較為有利；≥10℃、≥15℃、≥20℃積溫持續(xù)時間增加，有利于活動積溫的累積，對提高棉花的品質(zhì)和產(chǎn)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(qū)呈現(xiàn)初霜期延后，終霜期提前現(xiàn)象。初霜期延后，熱量條件好，棉花生長期長，開花結(jié)鈴多，生長后期遭遇凍害的風(fēng)險減小，對棉花后期生長較為有利，霜前花產(chǎn)量高；終霜期提前有利于棉花早播、早發(fā)、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(nóng)藝評價棉花年景的要求，若棉花單產(chǎn)增長一成及以上，早熟性好，霜前花的比例達(dá)到80%及以上，表明生產(chǎn)品質(zhì)好，其中棉鈴?fù)滦踉?、吐絮暢，?shí)現(xiàn)“八月絮”，易采收是主要評價指標(biāo)，則判定為豐收年景；棉花單產(chǎn)減少一成及以上，早熟性差，霜前花的比例低于60%，表明生產(chǎn)品質(zhì)差，秋桃多，吐絮晚，吐絮不暢，采收困難是主要評價指標(biāo)，則判定為歉收年景；棉花單產(chǎn)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(qū)棉花豐收年景共有18年，表現(xiàn)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(shí)現(xiàn)“四月苗、五月蕾、六月花、七月鈴和八月絮”的高產(chǎn)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(xiàn)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(wěn)，一些年景相對增加或減產(chǎn)，但幅度都在一成以內(nèi)；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(fēng)、強(qiáng)寒潮侵襲，棉花晚熟，呈現(xiàn)“有鈴無產(chǎn)”的情景。

5 結(jié)論

熱量資源的時空分布結(jié)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(xiàn)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(fù)值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別出現(xiàn)在1994年、1994年、1995年和2004年；≥10℃、≥15℃和≥20℃積溫的持續(xù)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(fā)生了突變；≥10℃積溫在1995年發(fā)生突變；≥15℃積溫突變不明顯；≥20℃積溫在2004年前后發(fā)生突變。

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