气候因素对新疆农八师垦区棉花产量的灰色关联分析

贾 超， 李红英， 向 导*， 许浩翊， 李 杏

(1.新疆石河子莫索湾气象站， 新疆 石河子 832000； 2.新疆石河子乌兰乌苏农业气象试验站， 新疆 石河子 832000)

新疆是中国的优质棉生产基地，棉花播种面积和产量居全国第一[1-3],棉花也是新疆的重要经济作物，棉花生产对当地的经济建设具有举足轻重的作用。2019年棉花新疆种植面积占全国的76%，总产量占全国84.9%[4]。随着棉花种子优化、栽培技术、棉花机械化水平、化肥应用等方面的提高，棉花单产稳步上升，2010年到2019年间棉花单产提高37.6%，但年际间产量存在不稳定性，如2019年单产比2018年下降3.1%，减产高达10.9万t，原因主要来源于极端性气候变化，如高温、低温冻害、风沙、冰雹等自然灾害[5]。因此，研究气象因子对棉花产量的影响非常必要。气候变化对棉花生长的影响多年来一直备受关注[6-8]。李红英等[9]利用人工气候室研究了低温胁迫对棉花播种出苗的影响，寻求棉花最佳播种温度指标；王建刚等[10]采用棉花气候指标对比分析方法，研究了新疆北部气候变化对棉花种植的影响；李晓川等[11-13]研究了新疆不同地区棉花苗期的霜冻与低温冷害问题，寻求最佳播种时间。王士红等[14]对年际间气象因子与棉花产量关系的研究认为，降水量是影响山东棉花产量的关键气象条件。而李红英等[15]研究石河子气候变化对棉花产量影响认为，热量条件是影响棉花产量的主要因素。区域间气候因素对棉花产量的影响研究存在差异[16-18]。因此，依据1961—1918年棉花产量资料和气候资料，运用灰色系统理论[19-21]，研究新疆农八师垦区影响棉花产量的关键气候因子，为该地区棉花产量的高产稳产提供气象理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆农八师垦区属于典型的温带大陆性气候，光热资源丰富，降水稀少。垦区位于新疆天山北麓中段，属于古尔班通古特大沙漠南缘，面积7 529 km2，海拔300～500 m。农八师农作物以棉花为主，总产量约占新疆的11%，是全国天然彩色棉花生产基地。

1.2 资料来源

气象资料来自新疆乌兰乌苏、莫索湾、炮台、石河子气象站，棉花产量资料来自于石河子市统计局。

1.3 分析方法

1.3.1 产量处理 实际产量包含随着时间推进种子优化、栽培技术提高、机械化水平、化肥应用等方面逐步上升趋势所影响的产量和自然气候变化所影响的产量[22]；采用多项式方法拟合实际产量(Y)，得到趋势产量(Yt)，再利用趋势产量计算气候单产(Yq)[23]，计算结果见表1。

Yt=-0.0018x4+15.341x3-45650x2+5.9×107x-3.1×1010，(R2=0.9677)

Yq=Y-Yt

式中，Yt为趋势产量，x为时间变量(年份)，Yq为棉花气候单产，Y为实际产量。

表1 新疆农八师垦区1960—2018年棉花气候单产及气候因子

1.3.2 灰色关联度分析 灰色关联分析方法由邓聚龙[20]最早提出，对错综复杂的各种数列, 在消除量纲的情况下，以曲线间几何图形在同一阶段内进行比较分析，如果几何图形越接近，因素间变化趋势越相似，则关联度就越大。首先确定参考因素数列X0，进而选取n个比较因素数列X1、X2、……Xn，经无量纲归一化处理后，得Xi对X0在k点的关联系数(ζi)。试验选取的参考因素为棉花气候单产，比较因数为9个气候因子(X1，4—9月平均气温；X2，4—9月平均最低气温；X3，≥10℃积积温；X4，4—9月降水量；X5，5—9月日照；X6，终霜日期；X7，初霜日期；X8，播种出苗积温；X9，5月极端最低温)。

1.3.3 比较因素与参考因素相关系数 棉花气候单产受气候因素的影响，可用相关关系体现气候单产对气候变化的响应程度[25]。

式中，xi为气候因素，yi为棉花气候单产，n为样本数(n=58)。

2 结果与分析

2.1 气候因素与棉花气候单产的灰色关联度

从表2看出，棉花气候单产与各气候影响因素的关联度排序依次为≥10℃积温(X3)>5月份极端最低气温(X9)>棉花生长季(4—9月)平均气温(X1)>播种出苗正积温(X8)>初霜日期(X7)>终霜日期(X6)>苗期至吐絮期(5—9月)日照时数(X5)>生长季(4—9月)平均最低气温(X2)>生长季(4—9月)降水量/mm(X4)。

表2 农八师棉花气候单产与气候因素的灰色关联度及相关系数

2.2 气候因素对棉花气候单产的影响

2.2.1 热量因素 热量因素包括≥10℃积温、播种至出苗期正积温和生长季平均气温。在棉花生长发育过程中，一般采用10℃作为温度下限指标[26],≥10℃积温代表棉花全生育期的总热量。新疆农八师垦区热量资源丰富，但年际间变幅较大，在2 860～4 420℃，根据表2的分析结果，≥10℃积温与棉花气候单产的灰色关联度为0.856，排第1位，二者相关程度为极显著(P<0.01)。播种至出苗期积温年际变化幅度在190～396 ℃，此阶段的热量资源对气候单产的灰色关联度为0.721，排第4位，二者相关程度为差异极显著(P<0.01)。生长季平均气温年际变化幅度在17.2～22.1℃，与棉花气候单产的灰色关联度为0.769，排第3位，二者相关性极显著(P<0.01)。说明，新疆农八师垦区热量资源对棉花气候单产起决定性影响。

2.2.2 光照因素 光照因素为棉花出苗至吐絮期(5—9月)的日照时数。农八师垦区阴天和降水稀少[27]，天气多晴朗，光照资源丰富，年平均日照时数在2 750 h左右。棉花出苗至吐絮期(5—9月)的日照时数与棉花气候单产灰色关联度为0.564，排第7位，二者相关程度为不显著(表2)。说明，农八师垦区光照资源适宜棉花生长，对棉花产量影响较小。

2.2.3 降水因素 降水因素为4—9月的降水量。农八师垦区4—9月降水量平均在130 mm左右，远不能满足棉花生长需求，垦区农作物栽培主要以灌溉为主。自然降水量是水资源的一部分，与棉花气候单产灰色关联度为0.512，排在第9位，与棉花气候单产相关程度为不显著，体现出农八师垦区棉花栽培不依赖于自然降水量的管理模式。

2.2.4 灾害因素 影响棉花产量主要因素是气象灾害和极端天气，霜冻灾害因素包括终霜日和初霜日，低温冷害因素包括生长季平均最低气温和5月极端最低气温。农八师垦区棉花播种在4月中下旬，出苗在5月上旬，终霜日年际分布分散，在3月28日至5月15日，5月出现终霜冻对棉花苗期影响较大，严重的甚至毁苗，对棉花总产量影响较大。终霜日与气候单产灰色关联度为0.687，排第6位，与棉花气候单产相关性不显著。初霜冻出现在9月份之后，而9月出现的霜冻对棉花产量构成威胁，初霜日与气候单产灰色关联度为0.714，排第5位，二者相关性达极显著(P<0.01)水平。生长季平均最低气温年际变化在11.1～17.8℃，体现棉花全生育期间的低温冷害灾害状况，因最低平均气温平滑掉阶段性低温状况，因此灰色关联度为0.534，排第8位，而与棉花气候单产相关性不显著。5月极端最低气温年际变化幅度在-0.2～10.9℃，体现棉花生长初期(苗期)的低温冷害，此时期遇低温冷害会严重影响棉花的花芽分化，最终影响棉花产量，5月极端最低气温与气候单产灰色关联度为0.815，排第2位，与棉花气候单产相关极显著(P<0.01)。说明，新疆农八师垦区初霜日和5月极端最低气温是棉花气候单产的主要限制因素。

3 结论与讨论

研究表明，影响棉花气候单产的主要气候因素有≥10℃积温、5月极端最低气温、生长季(4—9月)平均气温、播种出苗正积温和初霜冻，这些因素与棉花气候单产均具有高度相关性。农八师垦区棉花产量随着热量资源增加而增加，丰富的热量资源是棉花稳产丰收的基础；而5月极端最低气温和初霜日的极端灾害性天气是棉花生长的主要限制因素；由于农八师垦区阴天和降水天气少，光照资源丰富，又因垦区属于灌溉农业，光照和自然降水对棉花产量影响最小。棉花生长是一个系统工程，影响棉花产量的因素较多，气候因素仅为其中一项。虽然气候多变，但也具有相对的规律性，所以，根据棉花生长气候关键期、突发性极端气象灾害，有针对性地做好单项气象预测预报，以防治或降低气象灾害对棉花产量的影响。

棉花产量的形成是主系统，气候因子的影响仅是一个子系统，在棉花生长期内要经历复杂的天气变化过程才能完成，所以在选择气候因子时因受经验的限制具有一定的局限性，不能完全表达影响棉花产量的全部气候因素。在灰色系统分析中，比较因素的选取是非常重要的环节。

天气变化遵循一定规律，极端天气现象时有发生，所以灾害性天气必然存在。农八师气象灾害包括霜冻、低温冷害、干旱、大风、冰雹、雷电等。这些气象灾害除雷电以外对棉花生长均产生影响，研究选择较为敏感的霜冻和低温冷害作为比较因素进行灰色关联分析，证明了霜冻和低温冷害对棉花单产的相关程度。其他气象灾害项目有待于进一步研究。在掌握当地气候变化特征的同时要进一步掌握棉花生物学特性，根据棉花对温光水需求指标，拟定专项气象服务方案，研究确立极端天气预测预报方法，可提高防灾减灾能力，避免或减轻气象灾害对棉花生长的影响，确保棉花稳产高产。