摘要：棉花產(chǎn)量與氣候的變化有密切的聯(lián)系。利用昌吉回族自治州（昌吉州）主要植棉區(qū)1961―2022年的氣象資料、棉花生育期資料和棉花產(chǎn)量進行趨勢分析及突變分析，探究氣象條件變化對昌吉州主要植棉區(qū)棉花產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：（1）昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫、平均地面溫度、平均5 cm地溫、≥0 ℃和≥10 ℃積溫均呈上升趨勢，變化速率均通過了顯著性檢驗，年平均氣溫、≥0 ℃和≥10 ℃積溫分別在1993年、2000年和1998年發(fā)生突變；（2）年降水量呈增加趨勢，于1982年發(fā)生突變，降水日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，2017年為突變年，2017年之后降水日數(shù)減少顯著；（3）年日照時間呈波動減少趨勢，在1986年發(fā)生突變；（4）無霜期呈波動增加趨勢，于1989年發(fā)生突變，突變前變化不明顯，突變后無霜期明顯增加，初霜日呈波動性推后趨勢，終霜日呈波動性提前趨勢；（5）皮棉實際單產(chǎn)和趨勢產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著上升趨勢，氣象條件對棉花生產(chǎn)有一定影響；溫度、日照時間、無霜期、積溫、相對濕度對棉花單產(chǎn)的影響比較明顯，氣象產(chǎn)量與年平均氣溫、8月降水日數(shù)呈顯著正相關，與7月的相對濕度、8月降水量和相對濕度呈極顯著正相關，與7月高溫日數(shù)呈極顯著負相關。

關鍵詞：氣候變化；昌吉回族自治州；棉花產(chǎn)量；趨勢分析；突變檢驗

Analysis of influence of meteorological conditions on cotton yield in Changji， Xinjiang

Rui Jianwen， Rui Jianmei， Huang Qiuxia*， Erkejang Huoyihazi， Liu Hongying

目前，氣候變化已經(jīng)成為全球的熱點問題。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）第6次評估報告，2011―2020年全球地表溫度比1850―1900年升高了1.1 ℃，比2003―2012年增高0.19 ℃。我國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)，氣溫的增加值高于全球平均水平[1]。氣候條件制約著一個區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作物種類、耕作制度和生產(chǎn)季節(jié)等。在全球氣候變化的趨勢下，新疆氣候變暖、積溫增加、降水增多的趨勢明顯[2-4]。氣候變暖將導致農(nóng)業(yè)危害多發(fā)并發(fā)，將會對農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量帶來極大的影響。

目前氣候變化對農(nóng)業(yè)影響的研究集中在作物種植界限變化[5-7]、物候?qū)夂蜃兓捻憫猍8-11]、氣候變化對農(nóng)作物產(chǎn)量影響[12-15]等方面。新疆農(nóng)業(yè)熱量資源更為豐富，氣候變化對新疆農(nóng)作物有較大影響：農(nóng)作物潛在適宜生長季延長，種植品種和產(chǎn)業(yè)布局有較大變化[16-17]；農(nóng)作物生育期變化較大，如北疆棉花各生育時期表現(xiàn)出不同程度的提前趨勢，但成熟期推遲，田間生長期延長；新源縣冬小麥冬前生育期顯著推遲，但返青至乳熟各主要生育時期顯著提前[18]；各界限積溫增加、初日提前、終日推遲、持續(xù)時間增加，作物生長季熱量資源的增加對棉花產(chǎn)量的增加具有正效應[19-22]。

新疆昌吉回族自治州（以下簡稱昌吉州）為新疆棉花生產(chǎn)和加工基地之一，棉花產(chǎn)量在新疆排名第4[4]。但全球氣候變暖背景下，昌吉州棉花安全生產(chǎn)是否受到影響、該如何應對氣候變化等一系列問題尚有待研究探討。筆者等通過分析昌吉州主要植棉區(qū)氣象條件變化及其對棉花產(chǎn)量的影響，為昌吉州棉花種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、提升棉花質(zhì)量提供科學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

昌吉州瑪納斯縣、呼圖壁縣、昌吉市為主要植棉區(qū)，故統(tǒng)稱為昌吉州主要植棉區(qū)（下同），棉花種植品種為中晚熟品種，當?shù)孛藁ǖ纳跒?－10月。因此，選取1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)的平均氣溫、平均地面溫度、5 cm地溫、降水量、降水日數(shù)、日照時間、初霜日、終霜日、無霜期等氣象資料，并計算≥0 ℃積溫、≥10 ℃積溫，其中5 cm地溫為4－10月的數(shù)據(jù)；進行氣象因子對棉花產(chǎn)量影響分析時，分別采用各年和4－10月逐月的氣象數(shù)據(jù)，以及氣象因子增加年份和生育期內(nèi)主要植棉區(qū)相對濕度、最高氣溫和最低氣溫數(shù)據(jù)和≥35 ℃高溫日數(shù)。氣象數(shù)據(jù)來源于新疆氣象信息中心，經(jīng)過人工審核。棉花產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《新疆統(tǒng)計年鑒》[23]。

1.2 研究方法

氣象因子對棉花產(chǎn)量的影響主要反映在皮棉單產(chǎn)上。皮棉實際單產(chǎn)分為趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量2個部分，趨勢產(chǎn)量代表農(nóng)業(yè)技術措施及其他類似影響的自然和非自然因素對產(chǎn)量貢獻的綜合，通常把經(jīng)過趨勢處理后的產(chǎn)量序列剩余項視為受氣象因子影響的產(chǎn)量分量，統(tǒng)稱為氣象產(chǎn)量[20]。

利用線性回歸的方法分析1961―2022年的氣象因子和產(chǎn)量要素的變化趨勢，并利用SPSS 21軟件皮爾遜相關系數(shù)法分析皮棉實際單產(chǎn)、氣象產(chǎn)量與生育期內(nèi)月、年尺度的氣象因子的相關性。其中，初霜日、終霜日采用儒略日，將逐年初霜日、終霜日轉(zhuǎn)化為日序數(shù)，即距當年1月1日的實際天數(shù)，得到時間序列[2]，作圖時再轉(zhuǎn)化成實際日期。

氣候傾向率為采用最小二乘法計算的氣象因子隨時間變化的速率，可用y＝at＋b表示。式中：y為氣象因子值；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為正值時表示數(shù)據(jù)呈上升趨勢，為負值時呈下降趨勢。

采用多項式擬合方法處理產(chǎn)量資料，并計算趨勢產(chǎn)量擬合公式與皮棉實際單產(chǎn)序列的相關系數(shù)。

曼-肯德爾算法（Mann-Kendall method， M-K法）是世界氣象組織（World Meteorological Organization， WMO）推薦的應用于環(huán)境數(shù)據(jù)時間序列趨勢分析的方法，能夠客觀地表征樣本序列的整體變化趨勢，各氣象要素的正序列曲線（UF）、反序列曲線（UB）若出現(xiàn)交叉點，且交叉點位于信度線之間，這點對應的時間點便是突變開始的時間[2]。給定顯著性水平α＝0.05，則統(tǒng)計量UF和UB的臨界值為±1.96，UF＞0表示序列呈上升趨勢，反之表示呈下降趨勢，大于1.96和小于－1.96，分別表示上升和下降趨勢明顯[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象因子的年際變化

2.1.1 溫度與積溫。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫、平均地面溫度、平均5 cm地溫、≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫均呈上升趨勢（圖1），變化速率顯著，氣候傾向率分別約為0.31 ℃·（10 a）－1、0.78 ℃·（10 a）－1、0.32 ℃·（10 a）－1、70.1 ℃·（10 a）－1、78.4 ℃·（10 a）－1。

1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫為7.4 ℃，在21世紀00年代達8.1 ℃，21世紀10年代為7.9 ℃，21世紀00年代較20世紀70年代年平均氣溫高1.5 ℃。年平均地面溫度為10.5 ℃；4－10月平均5 cm地溫為21.5 ℃，其中2011―2020年年均為22.3 ℃。年平均≥0 ℃積溫、≥10 ℃積溫分別為4 100.0 ℃和3 805.4 ℃，其中2011―2020年年均分別為4 273.1 ℃和4 007.7 ℃。

通過M-K法分析結(jié)果（圖略）可知，年平均氣溫、≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫的UF、UB線在信度線之間均有1個交點，分別出現(xiàn)在1993年、2000年和1998年，年平均氣溫突變前以0.17 ℃·（10 a）－1增加，突變后以2.2 ℃·（10 a）－1增加，突變后平均氣溫較突變前高且穩(wěn)定；≥0 ℃積溫和≥10 ℃積溫分別在突變后顯著增加；年平均地面溫度UF、UB線在2003年相交，但交點在信度線外；年平均5 cm地溫未發(fā)生突變。

2.1.2 降水量、降水日數(shù)。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年降水量呈增加趨勢（圖2A），氣候傾向率約為49.9 mm·（10 a）－1。其間年平均降水量為188.2 mm，20世紀90年代至21世紀10年代降水量較其他年代多，其中21世紀00年代為218 mm，自2017年之后降水量減少明顯。通過M-K法分析結(jié)果（圖略）可知，年降水量在1982年發(fā)生突變，在突變前呈減少趨勢，在突變后的1982―2017年呈增加趨勢。

昌吉州主要植棉區(qū)年平均降水日數(shù)為73.7 d，氣候傾向率約為－1.2 d·（10 a）－1，呈減少趨勢（圖2B）。從年代間降水日數(shù)變化來看，21世紀10年代最少，21世紀00年代最多，兩者差17.1 d，近10年降水日數(shù)減少明顯。從M-K法分析（圖略）來看，2017年為突變年，此后年降水日數(shù)顯著減少。

2.1.3 日照時間。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年日照時間平均為2 789.9 h，呈波動減少趨勢（圖3），氣候傾向率約為－26.6 h·（10 a）－1。從年代間變化來看，20世紀70年代年平均日照時間較其他年代多，為2 915.8 h；自20世紀70年代后日照時間為減少趨勢，其中21世紀10年代最少，為2 726.2 h。通過M-K法分析結(jié)果（圖略）可知，年日照時間在1986年發(fā)生突變，突變前以63.4 h·（10 a）－1的速率在增加，突變后以11.8 h·（10 a）－1的速率在減少。

2.1.4 霜期氣象指標變化。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)無霜期平均為179.3 d，呈波動增加趨勢（圖4A），氣候傾向率約為2.42 d·（10 a）－1。從年代間變化來看，無霜期也呈增加趨勢，21世紀10年代為186.1 d，較20世紀60年代多13.8 d。通過M-K法分析結(jié)果（圖4D）可知，無霜期在1989年發(fā)生突變，突變前變化不明顯，突變后明顯增加。1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)初霜日平均為10月10日，呈推后趨勢，氣候傾向率約為0.92 d·（10 a）－1（圖4B）。從年代間變化來看，初霜日也表現(xiàn)為波動性推后：20世紀60年代最早，為10月2日；20世紀80年代最晚，為10月14日；21世紀00年代和21世紀10年代分別為10月13日和10月11日。終霜日平均為4月12日，總體呈波動性提前趨勢，氣候傾向率約為－1.45 d·（10 a）－1（圖4C）。從年代間變化來看，終霜日為先推后、后提前的變化趨勢，其中20世紀80年代最晚，為4月20日，21世紀10年代最早，為4月6日。

2.2 氣象因子對棉花產(chǎn)量的影響

2.2.1 棉花產(chǎn)量變化特征。通過對昌吉州主要植棉區(qū)的皮棉實際單產(chǎn)進行分離，得出趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量。從圖5可以看出，1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)皮棉實際單產(chǎn)和趨勢產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著上升趨勢，每年增速為38.80 kg·hm－2，皮棉實際單產(chǎn)由1961年的187.5 kg·hm－2增加到2022年的2 167.9 kg·hm－2；氣象產(chǎn)量的波動較大，正值的有27年，負值的有35年，說明氣象條件對棉花生產(chǎn)有一定影響。

2.2.2 氣象因子對棉花產(chǎn)量的影響。棉花生長期間各月的溫度、濕度、積溫、日照時間等對棉花的生長發(fā)育影響明顯。由表1可知，昌吉州主要植棉區(qū)年平均溫度、日照時間、無霜期、積溫、相對濕度對棉花單產(chǎn)的影響比較明顯。皮棉實際單產(chǎn)與年平均氣溫、平均地面溫度、平均5 cm地溫、無霜期、≥0 ℃積溫、≥10 ℃積溫、相對濕度呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與年日照時間呈極顯著負相關關系（P＜0.01）；與4－6月月平均氣溫，4、6、7、9、10月平均地面溫度，4、6、7、9月平均5 cm地溫，6、9月≥35 ℃日數(shù)，8月相對濕度，4、9月最高氣溫，呈極顯著正相關（P＜0.01），而與9月降水日數(shù)、8月日照時間、4月和6月相對濕度呈顯著負相關（P＜0.05）。4月正值棉花的播種期，平均氣溫和平均地面溫度高、濕度小，有利于滴灌條件下棉花提前播種和播種后迅速出苗，使得棉花生育期延長，有利于棉花品質(zhì)提升；5月和6月溫度高利于棉花塑形和現(xiàn)蕾；6月溫度高、濕度小，有利于棉花五葉期－現(xiàn)蕾期的生長；8月日照時間長將延遲現(xiàn)蕾開花而造成徒長晚熟，棉花在盛花期需水量最多，故日照時間不宜太長，降水充沛有利于棉花的開花結(jié)鈴；9月是棉花裂鈴吐絮期，氣溫高、降水少、日照時間長有利于棉花的順利吐絮。皮棉實際單產(chǎn)與年日照時間呈極顯著負相關關系，說明日照時間的增加會負向影響皮棉實際單產(chǎn)。棉花雖然是喜光作物，但不同生育時期對日照的需求不同。播種期、出苗期日照時間正向影響皮棉單產(chǎn)，日照越充足越有利于棉株早發(fā)和現(xiàn)蕾；現(xiàn)蕾期日照時間會對皮棉單產(chǎn)產(chǎn)生負效應，主要是因為此時降水量較少、日照時間多，則容易導致水分缺失，不利于棉株的生殖生長。

由表2可知，昌吉州主要植棉區(qū)棉花氣象產(chǎn)量與年平均氣溫、8月的降水日數(shù)呈顯著正相關（P＜0.05），與7月的相對濕度、8月的降水量和相對濕度呈極顯著正相關（P＜0.01），與7月≥35 ℃高溫日數(shù)呈極顯著負相關（P＜0.01），與其他時間段內(nèi)氣象因子相關性均不顯著。說明昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫、8月的降水日數(shù)對棉花氣象產(chǎn)量貢獻較大，尤其受7月相對濕度、8月的降水量和相對濕度及7月≥35 ℃高溫日數(shù)影響比較明顯。

3 討論與結(jié)論

研究結(jié)果表明：（1）1961―2022年昌吉州主要植棉區(qū)年平均氣溫、平均地面溫度、平均5 cm地溫、≥0 ℃和≥10 ℃積溫均呈上升趨勢，變化速率顯著，均通過了0.01的顯著性檢驗，年平均氣溫、≥0 ℃和≥10 ℃積溫分別在1993年、2000年和1998年發(fā)生突變，平均地面溫度、平均5 cm地溫未發(fā)生突變；年降水量呈增加趨勢，于1982年發(fā)生突變；年平均降水日數(shù)為73.7 d，呈減少趨勢，2017年為突變年，2017年之后降水日數(shù)減少顯著；年日照時間呈波動減少趨勢，在1986年發(fā)生突變，突變前日照時間呈增加趨勢，突變后以11.8 h·（10 a）－1的速率減少；無霜期平均為179.3 d，呈波動增加趨勢，于1989年發(fā)生突變，突變前無霜期變化不明顯，突變后無霜期明顯增加；初霜日呈波動性推后趨勢，終霜日呈波動性提前趨勢。（2）皮棉實際單產(chǎn)和趨勢產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著上升趨勢，氣象產(chǎn)量的波動性變化較大，氣象條件對棉花生產(chǎn)有一定影響；溫度、日照時間、無霜期、積溫、相對濕度對皮棉實際單產(chǎn)的影響比較明顯；年平均氣溫、8月的降水日數(shù)對昌吉州主要植棉區(qū)棉花氣象產(chǎn)量貢獻較大，尤其受7月相對濕度、8月的降水量和相對濕度及7月

≥35 ℃高溫日數(shù)影響比較明顯。皮棉實際單產(chǎn)與年日照時間呈極顯著負相關關系（P＜0.01）。日照時間對皮棉單產(chǎn)造成負向影響可能是因為棉花雖然是喜光作物，但在不同生育時期對日照的需求也有所不同，在棉花生長的五葉期、現(xiàn)蕾期和開花期日照時間較多，而在其他生長階段日照時間較少，不利于當?shù)孛藁ㄉ成L。

昌吉州棉花生產(chǎn)已經(jīng)形成規(guī)?；?、集約化、專業(yè)化種植的格局，但是棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍存在新技術應用不足、品種多雜亂等問題，嚴重制約棉花產(chǎn)量的提質(zhì)增效。昌吉州主要植棉區(qū)采用覆膜種植、節(jié)水灌溉等種植方式，不同的栽培措施和棉花品種對棉花生長過程產(chǎn)生一定程度上的影響。本研究在分析棉花產(chǎn)量時沒有考慮棉花品種、栽培技術、管理措施等方面對產(chǎn)量的影響程度及其與氣象因子間的關系，因此，應深入研究不同生長模擬模型對棉花產(chǎn)量的影響。

參考文獻：

[1] 李娜. 氣候變化對棉花生長和產(chǎn)量的影響[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2021.

[2] 王金梅，侯志強，楊明鳳，等. 新疆北疆地區(qū)氣候要素對棉花生長和產(chǎn)量的影響分析[J]. 棉花科學，2021，43（5）：24-

32.

[3] 曹占洲，毛煒嶧，陳穎，等. 近50年氣候變化對新疆農(nóng)業(yè)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2013（6）：123-126.

[4] 傅瑋東，姚艷麗，毛煒嶧. 棉花生長期的氣候變化對棉花生產(chǎn)的影響：以新疆昌吉回族自治州為例[J]. 干旱區(qū)研究，2009，26（1）：142-148.

[5] 杜軍，劉英，韓晶，等. 氣候變化對隴東塬區(qū)界限溫度和作物種植結(jié)構(gòu)的影響分析[J]. 中國農(nóng)學通報，2015，31（27）：253-257.

[6] 肖炬. 甘肅省作物種植結(jié)構(gòu)布局及地區(qū)氣候變化[J]. 南方農(nóng)業(yè)，2014，8（30）：55-56.

[7] 李祎君，王春乙. 氣候變化對我國農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的影響[J]. 氣候變化研究進展，2010，6（2）：123-129.

[8] 徐臘梅，張明，晉綠生，等. 新疆烏蘭烏蘇物候變化規(guī)律及其對氣候變化的響應[J]. 沙漠與綠洲氣象，2007（6）：38-42.

[9] 阿布都克日木·阿巴司，于艷，阿不都西庫爾·阿不都克力木. 1986―2010年巴楚木本植物物候變化特征及其對氣候變化的響應分析[J]. 沙漠與綠洲氣象，2015，9（3）：63-68.

[10] 趙洪杰，孟杰，陳廣瑞，等. 基于影像資料的鴨梨開花物候期與氣象影響因子關系初探[J]. 沙漠與綠洲氣象，2019，13（5）：139-143.

[11] 芮建梅，李茂春，芮建文，等. 1985―2021年新疆哈密伊州區(qū)棉花生育期氣候變化特征及其對棉花生長的影響[J]. 中國棉花，2022，49（10）：20-27.

[12] 辜永強，郝宏飛，郝宏蕾，等. 巴楚夏玉米產(chǎn)量對氣候變化的響應[J]. 沙漠與綠洲氣象，2017，11（6）：89-93.

[13] 吾米提·居馬太，瓦力江·瓦黑提，黃娟. 新疆氣象災害對主要作物產(chǎn)量影響的灰色關聯(lián)分析[J]. 沙漠與綠洲氣象，2020，14（1）：132-137.

[14] 嚴彩虹，李曉明. 基于灰色關聯(lián)分析的新疆棉花產(chǎn)量氣象影響因素研究[J]. 沙漠與綠洲氣象，2012，6（5）：51-53.

[15] 張燕，劉洛春，李軍建，等. 五家渠地區(qū)氣候變化及其對棉花產(chǎn)量的影響[J]. 沙漠與綠洲氣象，2009，3（2）：46-50.

[16] 李景林，普宗朝，張山清. 氣候變化對新疆農(nóng)業(yè)的影響及區(qū)劃[M]. 北京：氣象出版社，2018：124-132.

[17] 周長江，薛新慧. 克拉瑪依冬季氣候變化特征及其對設施農(nóng)業(yè)的影響[J]. 沙漠與綠洲氣象，2011，5（2）：50-53.

[18] 嚴華，馬玉平，晏中文. 新源縣冬小麥對氣候變化的響應[J]. 沙漠與綠洲氣象，2021，15（2）：131-137.

[19] 郝宏蕾，朱海棠，李強，等. 喀什市熱量資源對氣候變化的響應特征及對農(nóng)業(yè)的影響[J]. 沙漠與綠洲氣象，2019，13（2）：137-143.

[20] 黃秋霞，傅瑋東，胡啟瑞，等. 北疆主要植棉區(qū)熱量資源變化及對棉花產(chǎn)量的影響[J]. 中國棉花，2021，48（8）：4-12.

[21] 譚紅，呂新，張澤，等. 基于DSSAT模型模擬的氣候變化對棉花生產(chǎn)潛力影響研究[J]. 棉花學報，2020，32（2）：113-120.

[22] 王占彪，陳靜，毛樹春，等. 氣候變化對河北省棉花物候期的影響[J]. 棉花學報，2017，29（2）：177-185.

[23] 新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局，國家統(tǒng)計局新疆調(diào)查總隊. 新疆統(tǒng)計年鑒[M]. 1962―2022. 北京：中國統(tǒng)計出版社，1962―2022.

[24] 鄭小華，婁盼星，馬永永. 1961―2018年陜西極端氣溫時空變化特征[J].氣象與環(huán)境學報，2021，37（3）：81-87.

（責任編輯：秦凡 責任校對： 楊子山）" " ●

收稿日期：2023-12-28" " " " "第一作者簡介：芮建文，副高級工程師，主要從事大氣探測及其應用研究，81465562@qq.com。*通信作者：黃秋霞，副高級工程師，主要從事氣候變化研究，406257757@qq.com

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州科技項目（2023S02-07）；新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州氣象局科技項目（CJ202308）；新疆維吾爾自治區(qū)哈密市氣象局局管課題（HM202108）