基于生理发育时间的新疆棉区热量资源时空变化特征

王 森， 王雪姣， 郭燕云， 胡启瑞， 火勋国， 吉春容

(新疆维吾尔自治区农业气象台， 新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引言

【研究意义】目前，全球气候变暖，且随着气候变化不断加剧，极端天气事件发生更加频繁，棉花优质、高产和稳产的生产风险增大，对棉花产业安全健康发展的影响极大。我国棉花产量占全球总量的1/4左右。近年来，受种植效益和种植结构的影响，黄河流域和长江流域棉花种植面积持续减少，而新疆凭借独特的气候资源和先进栽培管理技术，已成为全国最大的棉花生产基地。据2020年新疆统计年鉴数据，2019年新疆棉花种植面积 334万km2，总产量 598万t，其种植面积和总产量分别占全国的76%和85%。新疆地处中纬度地区，植棉主要不利因素是生长季短，年际间热量条件变化大[1]，热量资源的分布特征直接决定棉花的种植区划。温度是影响棉花生长发育、产量以及发育速率最主要的气象因子[2-3]，对棉花物候期的早晚、最早播种日期、生长季长度等均有重要作用，进而影响棉花产量和品质[4-5]。了解并掌握新疆棉区热量资源的时空变化特征，对其棉花产业的健康稳定发展具有重要意义。【前人研究进展】国内学者采用不同的温度指标对新疆棉区热量资源分布特征已进行了大量研究。普宗朝等[6]等利用1961—2010年≥10℃积温、最热月(7月)平均气温和无霜期等热量因素对新疆乌昌地区棉花进行农业气候区划；谷然[7]利用四季和年均气温，年均最高气温，年均最低气温，年均气温日较差，稳定通过≥0℃、≥5℃、≥10℃、≥15℃和≥20℃界限温度初终日和持续日数、活动积温，初、终霜冻日和无霜冻期，最热月、最冷月平均气温等热量要素分析热量资源的时空变化特征；田彦君等[8]利用1961—2012年北疆48个代表站的年均气温、无霜冻期和≥10℃积温气象资料分析北疆农业热量资源得的时空分布特征；王雪姣[9]分析得出新疆稳定通过12℃的起始日期和终霜日分别提前0.7 d/10a和1.5 d/10a，≥12℃的终止日期和初霜日分别推迟1.7 d/10a和2.0 d/10a，≥12℃积温增加66.2 ℃·d/10a，无霜期延长3.6 d/10a。已有研究采用平均气温、积温、无霜期及界限温度初、终日等指标来计算热量资源的变化特征，一定程度上可反映出热量资源变化特征。但是作物生长发育过程中，当温度低于或高于其生理下限、上限温度时，其发育受阻，轻则停止生长，重则产生不同程度的危害直至植株死亡。上述的热量指标在反映棉花生长发育有效热量资源方面存在一定的局限性，无法反映高温、低温对棉花生长发育的影响。【研究切入点】生理发育时间是将棉花在最适温度条件下的一天定义为一个生理发育日[1]，该指标利用每日热效应综合评估高温、低温和最适温度等热量条件对棉花生长发育的影响，可定量计算棉花实际生长发育进程。探究基于生理发育时间的新疆棉区热量资源的时空变化特征，可掌握与了解对棉花生长发育有利的有效热量资源状况，生理发育时间越长，对棉花生长发育有利的有效热量资源越充足。【拟解决的关键问题】利用新疆104个气象观测站1981-2018年逐日气温数据计算得出棉花生理发育时间，研究近38年基于生理发育时间的新疆棉区热量资源的时空变化特征，以期为新疆棉花种植区域的调整及热量资源的合理利用提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

1981-2018年新疆104个地面气象观测站(图1)逐日平均气温、最高气温和最低气温，气象数据和新疆1∶50 000地理信息数据由新疆气象信息中心提供。

图1 研究区域104个地面气象观测站的分布

1.2 方法

1.2.1 棉花生理发育时间的计算 棉花生育阶段可划分为播种、出苗、现蕾、开花和吐絮。不同遗传型品种不同生育阶段所需要的生理发育时间存在一定差异，取决于温度、品种熟性和日长等因素的共同作用，但新疆光照较为充足，对棉花生长发育的影响不显著，而且棉花各个发育阶段间的上、下限温度和最适温度相差较小。根据棉花整个生育期界限温度，采用上限温度35℃、下限温度12℃和最适温度30℃。温度对棉花生长发育速率的影响程度依据相对热效应〔f(t)〕衡量，取值范围0～1(d)。在棉花整个生长发育过程中对气温的反应是非线性的，而且在界限温度上下限的反应不同。因此，采用两段线性函数，一是为了简化算法，二是因其模拟精度较高[2]。

式中，f(t)为每日气温为t时，该日棉花的生理发育时间，即为热效应。to为棉花发育的最适温度，tb为发育的下限温度，tm为发育的上限温度，低于下限温度或高于上限温度，棉花将停止发育。由于每日内温度的变化差异对棉花生长发育有明显影响[10-11]，也考虑日温变化对生长发育的影响，假设一日中的温度变化的综合效应由50%的平均温度(tav)、25%的最高温度(tmax)和25%的最低温度(tmin)组成[12]。

f(t)=0.5×f(tav)+0.25×f(tmax)+0.25×f(tmin)

生理发育时间F(t)为每日相对热效应f(t)的积分，其公式为

1.2.2 Mann-Kendall检验 采用Mann-Kendall(M-K)非参数检验法分析棉花生理发育时间的突变特征。M-K检验法要求气候序列平稳、随机独立和概率分布等同[13]。采用通过95%的显著性检验，信度线为y=±1.96。

1.2.3 变异系数 变异系数包括全距系数、平均差系数和标准差系数等。常用的是标准差系数(CV)，即为标准差与均值的比率，是一个相对变异系数。反映单位均值上各指标观测值的离散程度，值越小，离散程度越小[9]。

1.2.4 气候倾向率 采用一次直线方程来定量描述，即y(t)=a0+a1t，则趋势变化率方程为dy(t)/dt=a1，将a1×10称做气候倾向率(℃/10a)，方程中的系数可用最小二乘法或经验正交多项式确定，一元线性回归方程是否有意义，关键在于回归是否达到显著水平，因此要用时间序列与要素变量之间的相关系数对变化趋势进行显著性检验[14]。

2 结果与分析

2.1 4-10月新疆棉花生理发育的时间及其时空分布

从图2可知，1981-2018年新疆棉区棉花4-10月生理发育时间增加趋势极显著(P<0.01)，全疆棉花生理发育时间增加速率为2.4 d/10a。其中，北疆增加幅度最大，为2.6 d/10a，南疆和东疆分别为2.4 d/10a和1.8 d/10a，均通过0.05显著性检验。可能是由于新疆气温上升存在明显的区域性差异，其空间分布总体呈南少北多特征。20世纪80年代全疆平均、北疆、南疆和东疆

图2 1981-2018年4-10月新疆棉花的生理发育时间

4-10月棉花的生理发育时间分别为69.8 d、61.2 d、78.2 d和77.5 d；20世纪90年代分别为71.6 d、63.8 d、79.2 d和78.8 d；21世纪00年代分别为75.9 d、67.5 d、84.5 d和81.8 d；21世纪10年代分别为76.3 d、68.6 d、78.2 d和77.5 d。总体看，各区域不同年代(南疆21世纪 00年代和10年代除外)均呈增加趋势。

从图3看出，1981-2018年新疆棉区棉花生理时间较长的地区位于东疆及南疆环塔里木盆地，为82～101 d；北疆沿天山一带其次，为69～81 d；其余地区较短，为1～68 d。由于新疆平均气温空间分布总体呈现南高北低[9]，温差较大，也与棉花实际生产区域较符(除南疆塔克拉玛干沙漠之外，南疆巴州、阿克苏棉区和沿天山一带棉花生产区域)。与前人通过≥10℃积温、无霜期和7月平均温度等指标进行的棉花气候适

图3 1981-2018年新疆棉花生理发育时间的空间分布

宜性区划结果基本一致。

2.2 4-10月新疆棉花生理发育时间的月变化

从图4看出，1981-2018年新疆棉花生长季(4-10月)棉花生理发育时间呈单峰型，y=-1.260x2+9.778x-3.423(R2=0.990)；棉花生理发育时间共73.4 d，7月最长，为15.6 d，4月和10月相对最短，分别为5.5 d和3.1 d。由于7月平均气温(23.7℃)最高，其生理发育时间变异系数较低，为1.90%；4月平均气温(12.1℃)和10月平均气温(8.8℃)相对较低，其生理发育时间变异系数较高，分别19.2%和24.3%。因4月和10月冷空气过境频繁导致气温变动较大。1981-2018年棉花4-10月生理发育时间变化倾向率为2.4 d/10a，其中，4月最大，为0.58 d/10a，7月最小，为0.25 d/10a，均通过0.05显著性检验。

图4 1981-2018年4-10月新疆棉花生理发育时间的月变化

2.3 4-10月全疆棉花生理发育时间的突变

从图5看出，经M-K突变检验，1981-2018年4-10月全疆棉花生理发育时间UF和UB曲线在1998年相交，则1998年为全疆棉花生理发育时间的突变年，其中北疆为1997年，南疆和东疆均为1998年。与张山清等[15]对气温突变分析的研究成果相近。从图6和图7可知，突变前(1981-1997年)新疆棉花生理发育时间为70.2 d，突变后

图5 1981-2018年新疆棉花生理发育时间的突变年份

图6 1998年突变前后新疆棉花生理发育时间的变化趋势

图7 1998年突变前后新疆棉花生理发育时间的空间分布

(1998-2018年)为75.9 d，增加5.7 d，生理发育时间大于74 d的面积增加13.4万km2。

3 讨论

研究结果表明，1981-2018年新疆棉区棉花生理发育时间呈显著增加趋势，棉花生长季4-10月生理发育时间的突变年为1998年，突变后生理发育时间增加5.7 d，全疆大于74 d的生理发育时间面积增加13.4万 km2。与张山清等[15-17]对气候变化背景下新疆棉花适宜性区划变化特征的研究成果基本一致。生理发育时间越长的地区有效热量资源越充足，更适合种植生育期较长的品种。张山清等[15]研究表明，新疆南部1961-2013年≥10℃积温、7月平均气温和无霜期分别以56.6℃·d/10a、0.2℃/10a和 3.2 d/10a的速率显著增加，南疆地区中熟、中早熟棉区面积1997年后较之前增加1.8万km2和4.3万km2。李景林等[16]报道，1961-2012年新疆北部≥10℃积温、7月平均气温和无霜期分别以75.7℃·d/10a、0.2℃/10a和4.4 d/10a的速率显著增加，20世纪90年代后其上升速率呈增大趋势，北疆宜棉区面积扩大6.5万km2。从气候角度分析棉花生理发育时间的变化特征，从而反映针对棉花生长发育的有效热量资源特征变化，排除极端高温和低温对棉花生长发育的影响，综合定量计算棉花实际生长发育过程。生理发育时间越长，表明对棉花生长发育有利的有效热量资源越充足。但是，棉花生理发育时间的长短与气候条件、土壤温度、播种期、品种熟性和日照时长、地膜覆盖和农艺管理措施等多种因素有关，其中地膜覆盖对棉花生育的苗期和蕾期有明显的增温效应作用，但棉花现蕾后气温升高，地膜增温效应降低，而且不同年份气候条件不同、播种时间不同，地膜覆盖对棉花生长发育的贡献也不一样。所以，需要综合多个因子客观评价棉花生理发育时间的变化特征。在今后的研究中，还将通过大田棉花试验对模拟模型Cotton-XL等进行参数调整，综合考虑多因素的模拟研究结果优化棉花生理发育时间模型设计和参数，包括各生育期的上下限温度、土壤温度、地膜增温效应、日气温变化、光周期效应和棉花品种遗传早熟性参数和栽培模式等。

4 结论

1981-2018年4-10月新疆棉花的生理发育时间呈极显著增长趋势，全疆棉花生理发育时间平均变化速率为2.4/10a，北疆、南疆和东疆分别为2.6/10a、2.4/10a和1.8/10a；4-10月其生理发育时间呈单峰型，共73.4 d，7月最长，为15.6 d，4月和10月相对最短，分别为5.5 d和3.1 d，其变化倾向率为2.4 d/10a，其中，4月最大，为0.58 d/10a，7月最小，为0.25 d/10a；1981-2018年4-10月棉花生理发育时间的突变年为1998年，突变后较突变前生理发育时间增加5.7 d，全疆大于74 d的生理发育时间面积增加13.4万km2。