新疆南疆阿拉尔垦区棉花生育期变化的定量气候驱动因子分析

程 珍 牛建龙* 马玉婷 王 煜 江波塔·阿达力 蒋学玮 柳维扬

(1.塔里木大学 农学院,新疆 阿拉尔 843300;2.塔里木大学 园艺与林学学院,新疆 阿拉尔 843300)

IPCC第六次报告指出,2011—2020年全球地表平均温度比1850—1900年平均温度高1.09 ℃[1],中国地表平均气温增幅为0.024 ℃/年[2],新疆地区地表平均气温增幅为0.033 ℃/年[3],新疆南疆阿拉尔垦区春季地表平均气温增幅达0.052 ℃/年[4],导致作物生长发育所需的温度、光照和水分等气候要素发生显著性的变化[5-7],从而影响不同地区作物生长发育进程[8-11],以温度升高和降水量增加影响最为严重[12-14]。目前,关于气候变化对农作物生育期变化的驱动研究主要集中在水稻[15]、小麦[16]和玉米[17]等粮食作物上。Assad等[18]认为气温升高对巴西东北部棉花种植影响程度较大,对东南部和中西部地区影响程度较小。孙桂兰等[19]认为湖北省棉花生育阶段长短与平均气温大致呈负相关,降水量与播种-出苗期的缩短呈负相关;王占彪等[20]认为河北省棉花吐絮-停止生长期及全生育期的延长均与平均气温呈正相关。李迎春等[21]、芮建梅等[22]、谢芳等[23]、傅玮东等[24]、阿布都克日木·阿巴司等[25]、杨雪飞等[26]、王金梅等[27]对新疆地区棉花生育期变化的关键气候驱动研究发现,气候变化造成了新疆北疆地区棉花全生育期的延长,气温是影响新疆北疆地区棉花生长发育的主要气候因子;新疆南疆喀什地区棉花生育期的变化主要受气温、日照时数和降水量等多种气候要素综合作用影响。以上针对棉花生育期变化规律及其关键气候驱动因子的研究主要集中在湖北省、河北省和新疆维吾尔自治区北疆地区[19-21],对新疆南疆地区棉花生育期阶段性变化及其定量气候驱动的研究鲜有报道。本研究选取1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花生育期及同期地面气象数据,运用最小二乘法、Mann-Kendall非参数突变检验、相关性分析和优势主导分析方法分析新疆南疆阿拉尔垦区棉花生育期变化规律及其定量气候驱动因子,旨在探究气候变化对新疆南疆阿拉尔垦区棉花生育期变化的影响,以期为提高垦区棉田气候变化适应能力提供参考。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

南疆阿拉尔垦区(80°30′～81°58′ E,40°22′～40°57′ N)位于新疆维吾尔自治区塔克拉玛干沙漠北缘,东西相距281 km,南北相距180 km,总面积约为4 197.58 km2。垦区光热资源丰富,降水极为稀少,干燥度均在16以上[4],属于典型的暖温带极端大陆性干旱荒漠气候[28],是新疆南疆地区主要的农、林、牧业灌溉区和重要的国家级棉花生产基地[29]。

1.2 数据来源

1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花生育期数据来源于新疆阿拉尔市气象局,主要包括棉花播种-出苗期、出苗-现蕾期、现蕾-开花期、开花-吐絮期、吐絮-停止生长期和全生育期共6个生育阶段;同期地面气象数据来源于新疆阿拉尔市气象局,主要包括最高气温、最低气温、平均气温、日照时数、相对湿度和降水量。

1.3 研究方法

1.3.1棉花生育期/气候要素倾向率

棉花生育期/气候要素倾向率,主要利用最小二乘法[30]计算。本研究倾向率等于回归系数[30]。

1.3.2棉花生育期/气候要素变化的显著性

棉花生育期/气候要素随时间序列的变化主要利用slope函数[31]求算,公式如下:

(1)

式中:m,序列长度,d;Qi,某一年的要素值;slope>0,提前(缩短)趋势,slope<0,为推迟(延长)趋势。本研究采用Pearson相关性分析方法确定显著性,将结果划分为极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)2个等级。

1.3.3Mann-Kendall(M-K)非参数突变检验

该方法的最大优点在于不受个别异常值的干扰,能客观反映棉花生育期随时间序列的突变[32]。当UFk和UBk两条曲线在临界线之间出现交点,则交点对应的时刻便是突变开始的时间。本研究给定显著性水平a=0.05,所对应的临界值为±1.96。

1.3.4优势主导分析方法

利用优势主导分析方法来讨论气候要素变化对棉花生育期变化的贡献率,该方法在棉花生育期变化与气候要素相关的基础上,主要气候要素对棉花生育期变化的相对重要性可通过各气候要素的总平均贡献占已知方差的百分比来表达,其相对重要性更为直观和准确[2]。

2 结果与分析

2.1 棉花生育期的变化趋势

由图1可知,1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花播种-出苗期、出苗-现蕾期、现蕾-开花期、开花-吐絮期、吐絮-停止生长期分别出现在4月14—28日、5月2日—6月2日、6月6日—7月6日、6月24日—9月8日、9月16日—10月20日,棉花播种-出苗期、出苗-现蕾期、现蕾-开花期、开花-吐絮期、吐絮-停止生长期和全生育期分别为15、35、31、77、35和190 d(图1(a))。棉花播种-出苗期、出苗-现蕾期和全生育期均呈现极显著延长趋势,分别延长0.048(P<0.01)、0.234(P<0.01)和0.236 d/年(P<0.01);现蕾-开花期呈现极显著缩短趋势,缩短0.028 d/年(P<0.01)(图1(b)),这主要与垦区1990—2020年棉花播种期和出苗期均呈现极显著提前趋势,开花期和停止生长期均呈现显著提前趋势有关,分别提前0.279(P<0.01)、0.230(P<0.01)、0.025(P<0.05)、0.043 d/年(P<0.05)。

图1 1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花各生育阶段持续时间(a)及其倾向率(b)

由表1和图2可知,1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花现蕾-开花期随时间序列的突变出现在2011年,棉花播种-出苗期、出苗-现蕾期、开花-吐絮期、吐絮-停止生长期和全生育期随时间序列的突变不明显,这表明1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花现蕾-开花期存在明显的阶段性变化,表现在1990—2011年现蕾-开花期呈现不显著缩短趋势,2012—2020年现蕾-开花期呈现极显著缩短趋势,分别缩短0.084(P>0.05)和0.850 d/年(P<0.01);棉花播种-出苗期、出苗-现蕾期、开花-吐絮期、吐絮-停止生长期和全生育期阶段性变化均不明显。

表1 1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花生育期变化的Mann-Kendall非参数突变检验

图2 1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花现蕾-开花期变化趋势

2.2 棉花生育期气候要素变化趋势

由图3可知,1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花全生育期最高气温、最低气温、平均气温、积温和降水量分别增加0.016(P>0.05)、0.024(P>0.05)、0.012(P>0.05)、7.243 ℃/年(P>0.05)和0.638 mm/年(P<0.01);气温日较差、相对湿度和日照时数分别减少0.009 ℃/年(P>0.05)、0.158%/年(P<0.05)和0.168 h/年(P>0.05)。其中,棉花播种-出苗期最高气温、平均气温和积温均呈现极显著增加趋势,最低气温呈现显著增加趋势,分别增加0.012(P<0.01)、0.004(P<0.01)、0.882(P<0.01)和0.013 ℃/年(P<0.05);出苗-现蕾期气温日较差呈现极显著增加趋势,积温和降水量均呈现显著增加趋势,分别增加0.022(P<0.01)、4.329 ℃/年(P<0.05)和0.106 mm/年(P<0.05);现蕾-开花期最高气温和降水量均呈现极显著增加趋势,分别增加0.002 ℃/年(P<0.01)和0.021 mm/年(P<0.01),积温、气温日较差和日照时数均呈现极显著减小趋势,平均气温呈现显著降低趋势,分别减小0.672(P<0.01)、0.009 ℃/年(P<0.01)、0.831 h/年(P<0.01)和0.001 ℃/年(P<0.05);开花-吐絮期气温日较差呈现极显著减小趋势,相对湿度呈现显著减小趋势,分别减小0.014 ℃/年(P<0.01)和0.207%/年(P<0.05),降水量呈现极显著增加趋势,增加0.260 mm/年(P<0.01);吐絮-停止生长期最高气温、降水量和日照时数均呈现极显著增加趋势,分别增加0.066 ℃/年(P<0.01)、0.322 mm/年(P<0.01)和3.355 h/年(P<0.01)。

基于1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花现蕾-开花期突变情况,将棉花现蕾-开花期气候要素变化分为1990—2011和2012—2020年2个阶段。1990—2011年棉花现蕾-开花期平均气温呈现极显著增加趋势,最高气温和气温日较差呈现显著增加趋势,分别增加0.013(P<0.01)、0.025(P<0.05)、0.032 ℃/年(P<0.05);2012—2020年棉花现蕾-开花期最低气温和降水量呈现极显著增加趋势,分别增加0.124 ℃/年(P<0.01)和1.383 mm/年(P<0.01),气温日较差、积温和日照时数均呈现极显著减小趋势,分别减小0.159(P<0.01)、19.222 ℃/年(P<0.01)和11.208 h/年(P<0.01),见表2。

表2 1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花现蕾-开花期突变前后气候要素倾向率

2.3 同期气候要素对棉花生育期变化的影响

由图4可知,1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花全生育期延长与积温增加呈极显著正相关(P<0.01),与降水量增加和日照时数减少均呈显著正相关(P<0.05)。其中,棉花播种-出苗期延长与积温增加、日照时数减少均呈极显著正相关(P<0.01),与最高气温和平均气温的增加均呈极显著负相关(P<0.01),与最低气温增加呈显著负相关(P<0.05);出苗-现蕾期延长与积温、日照时数的增加均呈极显著正相关(P<0.01);现蕾-开花期缩短与积温减少呈极显著正相关(P<0.01),与日照时数减少呈显著正相关(P<0.05),与平均气温升高呈显著负相关(P<0.05),主要表现在1990—2011年现蕾-开花期缩短与积温减少呈极显著正相关(P<0.01),与最高气温上升、平均气温减少均呈极显著负相关(P<0.01),2012—2020年现蕾-开花期缩短与积温、日照时数减少均呈极显著正相关(P<0.01);开花-吐絮期缩短与积温、日照时数减少均呈极显著正相关(P<0.01),与最高气温、最低气温和平均气温上升均呈极显著负相关(P<0.01);吐絮-停止生长期延长与最高气温、最低气温、平均气温、积温和日照时数增加均呈极显著正相关(P<0.01),与降水量增加呈显著正相关(P<0.05)。

图4 1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花各生育期变化与同期气候要素变化的相关性分析

由表3和表4可知,1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花全生育期的延长主要受积温增加、降水量增加和日照时数减少的共同影响,贡献率分别为53.07%、21.75%和25.18%。其中,播种-出苗期的延长主要受最高气温、最低气温、平均气温、积温的增加和日照时数减少的共同影响,贡献率分别为15.86%、14.24%、16.50%、34.03%和19.36%;出苗-现蕾期的延长主要受积温和日照时数增加的共同影响,贡献率为67.33%和32.67%;现蕾-开花期的缩短主要受平均气温升高、积温减少和日照时数减少的共同影响,贡献率分别为25.79%、53.22%和21.00%,表现在1990—2011年棉花现蕾-开花期的缩短主要受最高气温上升、平均气温和积温减少的共同影响,贡献率分别为25.64%、26.21%和48.15%,2012—2020年棉花现蕾-开花期的缩短主要受积温和日照时数减少的共同影响,贡献率分别为55.35%和44.65%;开花-吐絮期的缩短主要受最高气温、最低气温和平均气温的上升以及积温、日照时数的减少的共同影响,贡献率分别为18.02%、19.99%、19.48%、27.29%和15.23%;吐絮-停止生长期的延长主要受最高气温、最低气温、平均气温、积温、日照时数和降水量增加的共同影响,贡献率分别为12.14%、13.39%、13.88%、25.54%、24.45% 和10.60%。

表3 1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区主要气候要素对棉花生育期变化的贡献率

表4 1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区主要气候要素对棉花现蕾-开花期生育期阶段性变化的贡献率

3 讨 论

全球气候变暖导致不同地区棉花生育期呈现缩短或延长趋势,其气候要素变化对棉花各生育阶段影响程度略有不同[18-27]。本研究发现,1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花播种-出苗期、出苗-现蕾期和全生育期均呈现极显著延长趋势,吐絮-停止生长期呈现不显著延长趋势,现蕾-开花期呈现极显著缩短趋势,开花-吐絮期呈现不显著缩短趋势,这与王占彪等[20]、李迎春等[21]、杨雪飞等[26]的研究结果基本一致;1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区积温的增加是导致棉花播种-出苗期、出苗-现蕾期、吐絮-停止生长期和全生育期延长的主要气候驱动因子,积温的减少是导致垦区棉花现蕾-开花期、开花-吐絮期缩短的主要气候驱动因子,这与孙桂兰等[19]、王占彪等[20]、李迎春等[21]、芮建梅等[22]、谢芳等[23]、傅玮东等[24]、阿布都克日木·阿巴司等[25]、杨雪飞等[26]、王金梅等[27]研究结果不一致,这主要与不同区域地理环境和气候差异以及所选取资料的时间序列长短不同有关。

棉花生育期的长短直接决定棉花的产量[32]。本研究发现,新疆南疆阿拉尔垦区棉花各生育阶段积温的变化是导致垦区棉花各生育期呈现延长或缩短趋势的主要气候驱动因子,棉田管理者应结合垦区棉花生育阶段积温变化情况,适时调整棉花种植制度及田间管理措施才可确保垦区棉花高产稳产。

棉花生育期变化不仅受气候变化的影响,还受棉花品种、田间管理和种植制度等因素的影响。本研究仅分析新疆南疆阿拉尔垦区棉花生育期变化规律及其定量气候驱动,未深入分析土壤环境、棉花品种遗传特性和田间管理措施等多因素综合作用对棉花生长发育、产量和品质的影响,有待今后进一步的研究。

4 结 论

在全球气候变暖背景下,1990—2020年新疆南疆阿拉尔垦区棉花播种-出苗期、出苗-现蕾期、吐絮-停止生长期和全生育期的延长均以积温增加影响为主,现蕾-开花期和开花-吐絮期的缩短均以积温减少影响为主。