許浩翊，尹育紅，李紅英，田 苗，王嘯天

（1.新疆石河子莫索灣氣象站，新疆 石河子 832056；2.新疆石河子炮臺(tái)氣象站，新疆 石河子 832066；3.新疆石河子烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆 石河子 832000）

棉花是重要的戰(zhàn)略物資，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有十分重要的地位，棉花產(chǎn)量關(guān)系著國(guó)計(jì)民生［1，2］。研究表明，氣候變化制約著農(nóng)作物生產(chǎn)，并將繼續(xù)對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生重大影響。因此，探討氣候變化對(duì)棉花產(chǎn)量的影響具有重要的科學(xué)意義［3-5］。棉花生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成與氣候條件變化關(guān)系密切［6-8］，棉花生長(zhǎng)關(guān)鍵期氣候條件變化對(duì)產(chǎn)量影響最大。張旺鋒等［9］采用不同生態(tài)區(qū)進(jìn)行“雙向異地種植”，橫向比較不同生態(tài)區(qū)棉花產(chǎn)量庫構(gòu)成的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新疆棉花單鈴重是河北南宮地區(qū)的1.5 倍，主要是因?yàn)樾陆諟夭畲蟆⑷照諘r(shí)數(shù)多，光合產(chǎn)物生產(chǎn)與累積有利于個(gè)體發(fā)育。賈超等［10］運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度方法研究了影響新疆棉花產(chǎn)量的主要?dú)夂蛞?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)≥10 ℃積溫、苗期極端最低氣溫和棉花生長(zhǎng)季平均氣溫、初霜凍是影響棉花產(chǎn)量的主要?dú)夂蛞?。李紅英等［11］采用線性相關(guān)方法研究了熱量資源對(duì)棉花產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)播種出苗期積溫對(duì)棉花產(chǎn)量貢獻(xiàn)率為6.59%、裂鈴至停止生長(zhǎng)期的積溫對(duì)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率為5.95%，播種出苗期和裂鈴至停止生長(zhǎng)期是棉花熱量敏感關(guān)鍵期。程紅霞等［12］研究了北疆棉花NDVI 變化過程與氣象要素的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)棉花NDVI 與三基點(diǎn)氣溫顯著相關(guān)，而最低氣溫的積溫對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響更為明顯。王士紅等［13］研究發(fā)現(xiàn)，魯西地區(qū)棉花生育期內(nèi)的積溫變化對(duì)棉花產(chǎn)量影響不明顯，降水量和日照時(shí)數(shù)是影響棉花產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象要素?？偨Y(jié)前人對(duì)棉花氣象的研究成果可知，不同區(qū)域的氣候條件對(duì)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成存在明顯的差異性，其影響棉花生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛞蜃右簿哂袇^(qū)域性特點(diǎn)。新疆農(nóng)八師墾區(qū)因地理環(huán)境特殊，光照十分充足，降水量稀少［14，15］，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水主要以灌溉為主。因此，光照和降水量對(duì)新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花生產(chǎn)的影響并不明顯，而影響棉花生產(chǎn)的主要?dú)夂蛞厥菬崃織l件。本研究以新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花種植為研究對(duì)象，選取1961—2019 年棉花產(chǎn)量和氣候資料以及1988—2019 年農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)的棉花發(fā)育期資料，研究新疆農(nóng)八師墾區(qū)年際間不同時(shí)間熱量條件波動(dòng)性變化對(duì)棉花產(chǎn)量的影響。旨在探明影響新疆農(nóng)八師墾區(qū)熱量對(duì)棉花產(chǎn)量的影響程度和棉花熱量指標(biāo)，以期為該地區(qū)制定棉花豐產(chǎn)栽培、提高技術(shù)管理水平、防災(zāi)減災(zāi)等提供參考。

1 資料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域概況

新疆是中國(guó)棉花的主產(chǎn)區(qū)，2020 年棉花種植面積為2 501.9 千m2，位居全國(guó)第一，總產(chǎn)量占全國(guó)的87.3%［16］。新疆農(nóng)八師墾區(qū)是新疆重要的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地之一，每年種植面積占新疆自治區(qū)的14.0%左右［17］，其位于N43°26′—45°20′，E84°58′—86°24′，墾區(qū)在準(zhǔn)噶爾盆地的南緣天山以北，墾區(qū)面積7 529 km2。墾區(qū)地形由南向北依次分為天山山區(qū)、丘陵區(qū)、傾斜平原、沖積平原與鳳城沙漠區(qū)，平均海拔高度300～500 m。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂虻母珊禋夂騾^(qū)，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，年平均氣溫7.5～9.1 ℃，年日照2 400～2 800 h，年降水量180～280 mm，無霜期在147～191 d。大氣降水量少，而地表水和地下水豐富，地下水可采量3 億m3；境內(nèi)有瑪納斯河、寧家河、大南溝河、金溝河及八音溝河等5 條河流，年徑流量15.3 億m3。新疆農(nóng)八師墾區(qū)水土光熱資源較為豐富，為典型的灌溉農(nóng)業(yè)。

1.2 資料來源

棉花產(chǎn)量資料來源于新疆石河子市統(tǒng)計(jì)局，氣象資料來源新疆石河子氣象局檔案室，棉花物候期資料來自新疆烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站。氣象資料統(tǒng)計(jì)整理了1961—2019 年近59 年日平均、最低、最高氣溫，并計(jì)算棉花生長(zhǎng)發(fā)育各時(shí)期的活動(dòng)積溫。運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行計(jì)算分析。

1.3 分析方法

1.3.1 多項(xiàng)式函數(shù)擬合 假設(shè)給定數(shù)據(jù)由M次多項(xiàng)式函數(shù)生成，采用多項(xiàng)式函數(shù)擬合完成任務(wù)［18］，M次多項(xiàng)式函數(shù)可以對(duì)已知數(shù)據(jù)以及未知數(shù)據(jù)都具有很好的預(yù)測(cè)能力。最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和匹配尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)。利用最小二乘法使這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小。設(shè)M次多項(xiàng)式模型表達(dá)式為：

式中，xi是輸入觀測(cè)值，fM為模擬觀測(cè)值，aM為M＋1 個(gè)參數(shù)，i＝1，2，3，…，N。

1.3.2 一元線性回歸方程 建立一個(gè)因變量（y）與一個(gè)自變量（x）之間的線性關(guān)系，在直角坐標(biāo)系中將大量數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖，通過最小二乘法確定直線方程y=ax+b的a和b，即為一元回歸線性方程［19］。a為因變量隨自變量而變化的速率。

1.3.3 線性相關(guān) 采用線性相關(guān)系數(shù)方法分析要素xi與棉花氣候產(chǎn)量yj間相關(guān)關(guān)系和影響程度［19］，表達(dá)式如下。

式中，r為相關(guān)系數(shù)，-X為要素平均值，-Y為氣候產(chǎn)量平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花產(chǎn)量

2.1.1 棉花趨勢(shì)產(chǎn)量 新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花實(shí)際產(chǎn)量年際變化以及多項(xiàng)式模擬的技術(shù)產(chǎn)量如圖1 所示。1961—2019年棉花平均單產(chǎn)為1 500 kg/hm2。由圖1 可知，20 世紀(jì)60 年代中期棉花豐產(chǎn)，70 年代社會(huì)動(dòng)蕩導(dǎo)致棉花產(chǎn)量明顯減少，80 年代后重視農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)，棉花產(chǎn)量持續(xù)升高，棉花單產(chǎn)由450 kg/hm2增加至1 700 kg/hm2；2010—2019 年棉花產(chǎn)量維持在1 700～1 800 kg/hm2，表明棉花栽培技術(shù)已進(jìn)入新的瓶頸。棉花實(shí)際產(chǎn)量受政策和生產(chǎn)力發(fā)展水平的影響呈五階多項(xiàng)式變化趨勢(shì)，根據(jù)式（1）得到棉花趨勢(shì)產(chǎn)量五階多項(xiàng)式為y=8E-5x5-0.752 6x4+299 8.6x3-6E+6x2+6E+9x-2E+12（R2=0.972 7，P＜0.01）。

圖1 新疆農(nóng)八師墾區(qū)1961—2019 年棉花單產(chǎn)與技術(shù)產(chǎn)量

2.1.2 棉花氣候產(chǎn)量 研究認(rèn)為實(shí)際產(chǎn)量（Ys）是由趨勢(shì)產(chǎn)量（Yt）、氣候產(chǎn)量（Yq）和隨機(jī)誤差（E）組成［20，21］，氣候產(chǎn)量的表達(dá)式為：

因?yàn)槿藶橐蛩卦斐晒芾砩系氖д`，使作物減產(chǎn)的分量稱之為隨機(jī)誤差，1967—1976 年棉花減產(chǎn)具有較大的人為因素，通過調(diào)研對(duì)這10 年的產(chǎn)量進(jìn)行了適當(dāng)訂正。1961—2019年農(nóng)八師墾區(qū)棉花氣候產(chǎn)量變化趨勢(shì)如圖2 所示。由圖2 可知，棉花氣候產(chǎn)量隨時(shí)間變化呈增加趨勢(shì)，傾向率為每10年13.039 kg，序列相關(guān)系數(shù)為0.256，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

圖2 新疆農(nóng)八師墾區(qū)1961—2019 年棉花氣候產(chǎn)量

2.2 各發(fā)育期熱量條件對(duì)棉花氣候產(chǎn)量的影響

2.2.1 播種—出苗期 通過對(duì)新疆烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站1990—2019 年大田棉花生育期觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花播種—出苗期在4 月中下旬，時(shí)間約為20 d。1961—2019 年播種—出苗階段≥0 ℃積溫變化在200～396 ℃·d，平均為282 ℃·d。如圖3a 所示，播種—出苗階段≥0 ℃積溫與棉花氣候產(chǎn)量線性回歸方程為y=0.984 9x-275.88（y為氣候產(chǎn)量，x為≥0 ℃積溫，下同），相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平（r＝0.493 6，P＜0.01）；氣候產(chǎn)量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產(chǎn)，變化速率為0.984 9 kg/（℃·d），即播種—出苗期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產(chǎn)量變化98.49 kg/hm2，占平均單產(chǎn)的6.6%。當(dāng)播種—出苗期≥0 ℃積溫≤235 ℃·d 時(shí)，棉花為減產(chǎn)年。

2.2.2 出苗—開花期 新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花出苗—開花期在5 月上旬至7 月上旬，時(shí)間約70 d。1961—2019 年出苗—開花階段≥0 ℃積溫變化在1 430～1 730 ℃·d，平均為1 565 ℃·d。如圖3b 所示，出苗—開花階段≥0 ℃積溫與棉花氣候產(chǎn)量線性方程為y=0.529 1x-826.11，相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平（r＝0.445 6，P＜0.01），氣候產(chǎn)量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產(chǎn)，變化速率為0.529 1 kg/（℃·d），即出苗—開花期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產(chǎn)量變化為52.91 kg/hm2，占平均單產(chǎn)的3.5%。當(dāng)出苗—開花期≥0 ℃積溫≤1 465 ℃·d 時(shí)，棉花為減產(chǎn)年。

2.2.3 開花—吐絮期 新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花開花—吐絮期在7 月上旬至9 月上旬，時(shí)間約70 d。1961—2019 年開花—吐絮階段≥0 ℃積溫變化在1 580～1 825 ℃·d，平均值為1 701 ℃·d。如圖3c 所示，開花—吐絮階段≥0 ℃積溫與棉花氣候產(chǎn)量線性方程為y=0.581 9x-988.24，相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平（r＝0.341 8，P＜0.01）；氣候產(chǎn)量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產(chǎn)，變化速率為0.581 9 kg/（℃·d），即開花—吐絮期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產(chǎn)量變化58.19 kg/hm2，占平均單產(chǎn)的3.9%。當(dāng)開花—吐絮期≥0 ℃積溫≤1 620 ℃·d 時(shí)，棉花為減產(chǎn)年。

2.2.4 吐絮期 吐絮期是棉鈴從吐絮始期到棉株停止生長(zhǎng)的時(shí)期。新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花吐絮期在9 月上旬至10 月中旬，歷時(shí)約40 d。1961—2019 年吐絮期階段≥0 ℃積溫變化在415～630 ℃·d，平均為525 ℃·d。如圖3d 所示，吐絮期≥0 ℃積溫與棉花氣候產(chǎn)量線性方程為y=0.935 7x-489.22，相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平（r＝0.583 3，P＜0.01），氣候產(chǎn)量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產(chǎn)，變化速率為0.935 7 kg/℃·d，即吐絮期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產(chǎn)量變化93.57 kg/hm2，占平均單產(chǎn)的6.2%。當(dāng)吐絮期≥0 ℃積溫≤475 ℃·d 時(shí)，棉花為減產(chǎn)年。

圖3 各個(gè)生育期≥0 ℃積溫與棉花氣候產(chǎn)量線性相關(guān)分析

2.3 全生育期熱量對(duì)棉花氣候產(chǎn)量的影響

棉花從播種到停止生長(zhǎng)為全生育期。新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花全生育期在4 月中旬至10 月中旬，歷時(shí)約170 d。1961—2019 年在全生育期內(nèi)≥0 ℃積溫變化在3 545～4 440 ℃·d，平均值為3 820 ℃·d。如圖4a 所示，全生育期≥0 ℃積溫與棉花氣候產(chǎn)量線性方程為y=0.358 4x-136 7.4，相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平（r＝0.652 8，P＜0.01），氣候產(chǎn)量隨著≥0 ℃積溫的增加而增產(chǎn)，變化速率為0.358 4 kg/（℃·d），即全生育期≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產(chǎn)量變化為35.84 kg/hm2，占平均單產(chǎn)的2.4%。當(dāng)全生育期≥0 ℃積溫≤3 630 ℃·d 時(shí)，棉花為減產(chǎn)年。

1961—2019 年棉花全生育期內(nèi)≥10 ℃積溫變化在3 004～4 293 ℃·d，平均為3 643 ℃·d。如圖4b 所示，全生育期≥10 ℃積溫與棉花氣候產(chǎn)量線性方程為y=0.187 1x－682.22，相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平（r＝0.605 5，P＜0.01），氣候產(chǎn)量隨著≥10 ℃積溫的增加而增產(chǎn)，變化速率為0.187 1 kg/（℃·d），即全生育期≥10 ℃積溫每變化100 ℃·d，氣候產(chǎn)量變化為18.71 kg/hm2。當(dāng)全生育期≥10 ℃積溫≤3 350 ℃·d時(shí)，棉花為減產(chǎn)年。

圖4 全生育期熱量與棉花氣候產(chǎn)量線性相關(guān)分析

3 討論

1）棉花產(chǎn)量受諸多因素的影響，造成棉花減產(chǎn)并不完全歸屬于惡劣的氣候條件，也可能是人為技術(shù)、管理失誤、政策導(dǎo)向等所引起。在分析氣象因子對(duì)產(chǎn)量影響時(shí)，對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行分離是重要步驟之一［22］，準(zhǔn)確的氣候產(chǎn)量是評(píng)估氣象條件對(duì)糧食產(chǎn)量影響的前提［23］。因此，從實(shí)際產(chǎn)量中準(zhǔn)確分離出氣候產(chǎn)量對(duì)分析結(jié)果的正確性具有重要意義。目前采用3、5 年滑動(dòng)平均法、二次指數(shù)平滑法、五點(diǎn)二次平滑法、HP 濾波法、年際增量法［24］、指數(shù)平滑法、Logistic 法［25］以及多項(xiàng)式擬合趨勢(shì)產(chǎn)量分離氣候產(chǎn)量，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，均不能消除人為技術(shù)、管理失誤、政策等對(duì)作物產(chǎn)量的影響［26］。在特殊豐產(chǎn)、減產(chǎn)年份的集合中存在其他分量，需要對(duì)這些年份實(shí)地調(diào)研和考證，才能使分析結(jié)果更加接近實(shí)際情況［11］。

2）新疆農(nóng)八師墾區(qū)屬于灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，大氣降水對(duì)棉花生產(chǎn)的影響較小，它又是一個(gè)光照非常豐富的地區(qū)之一［15］，寡照天氣對(duì)棉花生產(chǎn)影響也較小。棉花是喜溫作物，對(duì)熱量要求比較嚴(yán)格，農(nóng)八師墾區(qū)的熱量資源雖然非常豐富，因其變化較大，對(duì)棉花生產(chǎn)的影響顯著，所以熱量條件是影響棉花生產(chǎn)的主要?dú)庀笠蛩?，這與張燕等［27］、田彥君等［28］的結(jié)果一致。

3）通過對(duì)熱量與棉花氣候產(chǎn)量的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成與熱量相關(guān)性顯著，這與李紅英等［11］研究結(jié)果一致。在棉花生產(chǎn)中，播種—出苗期應(yīng)注意終霜凍和倒春寒，開花—吐絮期應(yīng)注意持續(xù)低溫、障礙型低溫冷害天氣的影響，裂鈴之后吐絮期要注意初霜凍、寒潮及低溫冷害天氣的影響。初霜凍對(duì)棉花產(chǎn)量和質(zhì)量影響最大。因此，做好秋季預(yù)防霜凍非常重要。

4 結(jié)論

1）1961—2019 年新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花實(shí)際產(chǎn)量增加趨勢(shì)明顯。棉花趨勢(shì)產(chǎn)量啟用多項(xiàng)式擬合達(dá)到（復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.972 7）極顯著水平（P＜0.01）。隨著氣候變暖，新疆農(nóng)八師熱量資源增加的同時(shí)棉花氣候產(chǎn)量也存在顯著增加趨勢(shì)［29，30］。

2）新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花各發(fā)育期熱量資源變化對(duì)產(chǎn)量均具有顯著的影響，當(dāng)≥0 ℃積溫每變化100 ℃·d 時(shí)，播種—出苗期影響棉花產(chǎn)量6.6 個(gè)百分點(diǎn)、出苗—開花期影響3.5 個(gè)百分點(diǎn)、開花—吐絮影響3.9 個(gè)百分點(diǎn)、吐絮期影響6.2 個(gè)百分點(diǎn)。

3）新疆農(nóng)八師墾區(qū)棉花不同的發(fā)育階段≥0 ℃積溫減產(chǎn)年熱量指標(biāo)分別為：播種—出苗期≤235 ℃·d、出苗—開花期≤1 465 ℃·d、開花—吐絮期≤1 620 ℃·d、吐絮期≤475 ℃·d。當(dāng)全生育期≥0 ℃積溫≤3 630 ℃·d、≥10 ℃積溫≤3 350 ℃·d 時(shí)為棉花減產(chǎn)指標(biāo)。