2011-2019年阿拉尔垦区棉花减产的关键气候驱动.pdf

第 35 卷 第 3 期2023 年 9 月塔里木大学学报Journal of Tarim UniversityVol.35 No.3Sep.2023文章编号:1009-0568(2023)03-0037-07收稿日期:2022-09-13基金项目:棉花生物学国家重点实验室开放课题项目“南北疆典型区域棉花产量和品质的差异性及其气候响应”(CB2021A29);塔里木大学研究生科研创新计划项目“阿拉尔垦区棉纤维品质响应的生态气候模型构建”(TDGRI202026)第一作者:吴凡(1994-),男,2020 级在读硕士研究生,研究方向为棉花高产理论研究。E-mail:通信作者:牛建龙(1982-),男,硕士,副教授,研究方向为农业气象和干旱区气候变化研究。E-mail:20112019 年阿拉尔垦区棉花减产的关键气候驱动吴凡1,2,牛建龙1,陈国栋1,王雨思3,程珍1,王煜1(1 塔里木大学农学院,新疆 阿拉尔 843300)(2 新疆生产建设兵团工程咨询有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830002)(3 新疆维吾尔自治区气候中心,新疆 乌鲁木齐 830002)摘要 为研究气候“暖湿化”背景下阿拉尔垦区棉花产量变化的关键气候驱动,根据阿拉尔垦区 20112019 年逐年棉花产量、生育期和逐日地面气象数据,运用统计学方法分析阿拉尔垦区棉花产量变化的关键气候驱动。结果表明,20112019 年阿拉尔垦区棉花气候产量总体呈减少趋势,减幅为 310-10 kg hm-2 a-1,以 2014 年受气候影响最大,2018 年受气候影响最小。20112019 年阿拉尔垦区棉花全生育期最高气温呈显著降低趋势,平均气温、最低气温、积温和降水量呈不显著升高(增加)趋势,气温日较差、日照时数和相对湿度呈不显著减小(少)趋势。20112019 年阿拉尔垦区棉花产量的降低主要以播种-出苗期相对湿度的减小、开花-吐絮期降水量的增加、6 月最低气温的升高、7 月相对湿度的减小和 9 月最高气温的降低影响为主,以 6 月平均气温和积温的增加、9 月日照时数的减少影响为辅。关键词 阿拉尔垦区;棉花产量;气候驱动中图分类号:S165+.27文献标识码:ADOI:10.3969j.issn.1009-0568.2023.03.005The key climate driving on decreased cotton yield in Alar reclamation area from 2011 to 2019WU Fan1,2,NIU Jianlong1,CHEN Guodong1,WANG Yusi3,CHENG Zhen1,WANG Yu1(1 College of Agronomy,Tarim University,Alar,Xinjiang 843300)(2 Xinjiang Production and Construction Corps Engineering Consulting Co.,Ltd.,Urumqi,Xinjiang 830002)(3 Xinjiang Climate Center,Urumqi,Xinjiang 830002)AbstractIn order to explore the key climate driving on cotton yield fluctuation under the background of climate warming and humidification in Alar reclamation.The key climate driving of dynamic change cotton yield was analyzed by statistical methods based on the meteorological date,growth period date and corresponding period cotton yield data in Alar reclamation area from 2011 to 2019.The 38 塔里木大学学报第 35 卷results showed that,from 2011 to 2019,the cotton climate yield in Alar reclamation area was decreasing and damping was 310-10 kg hm-2 a-1,with the largest climate impact in 2014 and the least in 2018.From 2011 to 2019,the maximum air temperature was significant decreasing in the whole growth period of cotton in Alar reclamation area,and average air temperature,minimum air temperature,accumulate temperature and precipitation were no significant increasing and the daily air temperature range,sunshine hours and relative humidity were no significant decreasing in Alar reclamation area.From 2011 to 2019,the decrease of cotton yield in Alar reclamation area was mainly influenced by the decrease of relative humidity during seeding emergence period,the increase of precipitation during flowering and flopping period,the increase of minimum temperature in June,the decrease of relative humidity in July and the decrease of maximum temperature in September,supplemented by the increase of average temperature and accumulated temperature in June and the decrease of sunshine hours in September.Keywords Alar reclamation area;cotton yield;climate driving IPCC 第五次报告指出,与 19862005 年相比,20162035 年间全球平均气温可能升高 0.30.7,20812100 年可能上升 0.34.8 1,20102019年是有气象记录以来最暖和的 10 a2,极端天气气候事件频发,对区域乃至全球农业造成了严重威胁,已成为学界共同关注的重大科学问题3。目前,关于棉花产量动态变化的气候驱动研究报道较多,但不同学者所持观点略有不同。LUO Q Y4认为“温室效应”导致的温度变化是影响作物产量波动的主要气候因子。TANER B 等5认为,在棉花生长前期和后期,低温会对棉花产量造成不利影响,铃期高温也会对棉花产量造成不利影响。CHAO C 等6认为,温度和降水的变化降低了我国三大棉区棉花产量,但提高了西北棉花产区棉花产量。JIAN H 和FENG J7认为,最高气温、最低气温和平均气温的升高将使中国干旱绿洲区籽棉产量增加。LI F 等8认为,日照时数、平均气温、最高气温和最低气温的变化是影响新疆棉花产量的关键气候因子。张建华等9认为,在灌溉用水充足的条件下,年平均气温和10 积温的升高有利于石河子垦区棉花生产。王金海等10认为,新疆北部乌兰乌苏地区棉花气候产量随着年平均最高气温的升高而增产,随着 8 月、10 月平均气温和最高气温的升高、日照时数的增多而减产。郝宏飞等11认为,棉花现蕾期、裂铃到吐絮期平均气温是影响新疆巴楚县棉花产量高低的主要气候因子。以往研究多未分离棉花气候产量和趋势产量,对阿拉尔垦区棉花产量波动的关键气候驱动的研究甚少。阿拉尔垦区(8030E8158E;4022N4057N)位于塔克拉玛干沙漠北缘,光热资源丰富,降水极为稀少,属于典型的暖温带极端大陆性干旱荒漠气候12。2000 年后,垦区棉花种植面积不断增大,截至 2018 年种植面积达 223.0 万亩,已成为南疆主要的农、林、牧业灌溉区和重要的国家级棉花生产基地。20 世纪 80 年代以来,阿拉尔垦区出现了暖湿的信号转变,春季增温幅度达 0.52 10 a13,已对垦区棉花高产稳产造成了严重威胁。因此,本研究重点分析 20112019 年阿拉尔垦区棉花产量波动的关键气候驱动,旨在为提高垦区棉田气候变 化 适 应 能 力 和 科 学 种 植 棉 花 提 供 理 论依据。1 材料与方法1.1 数据来源 本研究选取 20112019 年阿拉尔垦区逐年棉花产量数据,主要来源于新疆生产建设兵团统计年鉴;垦区同期棉花生育期数据主要来源于新疆农业气象中心,主要包括播种-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 个生长阶段;垦区同期地面气象数据主要来源于国家气象信息中心(https:/),主要包括日平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、日照时数和降水量。1.2 研究方法1.2.1 气候产量的确定 在传统作物产量计算模型(Y=YW+Yt+e)的基第 3 期吴凡 等:20112019 年阿拉尔垦区棉花减产的关键气候驱动39 础上,借鉴贝尔(Baier)产量模式思路,将气候产量表示为趋势产量和气候影响因子的乘积(YW=Yt+e),Yt为趋势产量(技术产量),综合得到作物气候产量(YW)与实际产量(Y)之间关系模型,计算式如下14:YW=Y1+(1)式(1)中,Y 为作物的实际产量,YW为气候产量,为气候影响因子,当 =0 时,此时 YW=0。1.2.2 生育期与同期气候要素动态变化及其对棉花产量影响程度的确定 棉花产量、生育期和主要气候因子的动态变化主要采用最小二乘法15,气候要素对棉花产量的影响程度分别采用 Pearson 相关性和优势分析方法16。2 结果与分析2.1 阿拉尔垦区棉花产量和气候影响因子的动态变化 20112019 年阿拉尔垦区棉花产量和气候影响因子变化过程曲线如图 1、图 2 所示。20112019年阿拉尔垦区棉花实际产量呈减少趋势,减幅为3.07 kg hm-2 a-1;气候产量总体呈略微减少趋势,减幅为310-10 kg hm-2 a-1,以 2014 年受气候影响最大,气候影响因子达 5.02%,气候产量达-111.08 kghm2;以2018 年受气候影响最小,气候影响因子仅为 0.78%,气候产量仅为 18.58 kghm2。即 20112019 年阿拉尔垦区棉花实际产量和气候产量均呈减少趋势,气候变化对垦区棉花高产稳产起到抑制作用,以 2014年影响最大,2018 年影响最小。图 1 20112019 年阿拉尔垦区气候影响因子动态变化过程曲线图 2 20112019 年阿拉尔垦区棉花产量动态变化过程曲线40 塔里木大学学报第 35 卷2.2 阿拉尔垦区棉花生育期和主要气候要素的动态变化2.2.1 阿拉尔垦区棉花生育期的动态变化 20112019 年阿拉尔垦区棉花生育期过程变化曲线如图 3 所示。20112019 年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-停止生长期和全生育期平均持续天数分别为 16 d、40 d、32 d、75 d、36 d 和 193 d,播种-出苗期、出苗-现蕾期、吐絮-停止生长期和全生育期持续天数均呈增加趋势,增幅分别为 0.45 da(P0.05)、1.80 da(P0.01)和 1.52 da(P0.01);现蕾-开花期和开花-吐絮期持续天数均呈减少趋势,减幅分别 为 0.68 da(P0.05)和1.10 da(P0.05)、0.11 a(P0.05)、39.92 a(P 0.05)、5.74 mma(P 0.05)、0.06 a(P 0.05)、9.38 ha(P 0.05)和1.09%a(P0.05)。其中,播种-出苗期积温和降水量均呈极显著增加趋势,气温日较差呈极显著减小趋势,变幅分别为 6.81 a、0.04 mma 和 0.41 a;出苗-现蕾期最低气温和相对湿度均呈显著减小趋势,减第 3 期吴凡 等:20112019 年阿拉尔垦区棉花减产的关键气候驱动41 幅分别为 0.05 a 和 1.29%a;现蕾-开花期积温、日照时数和相对湿度均呈极显著减少(小)趋势,降水量呈极显著增加趋势,6 月气温日较差呈显著减少趋势,变幅分别为 16.74 a、12.11 ha、0.63%a、1.97 mma、0.06 a;开花-吐絮期平均气温、降水量均呈显著增加趋势,7 月最低气温呈显著增加趋势、7 月和 8 月日照时数均呈显著减少趋势,变幅分别为 0.22 a、2.89 mma、0.03 a、0.52 ha 和0.91 ha;吐絮-停止生长期积温呈极显著增加趋势,日照时数和降水量均呈显著增加趋势,增幅分别为41.49 a、17.84 ha 和 0.80 mma,其他各时段气候要素变化不明显。表 1 20112019 年阿拉尔垦区棉花生育期及其关键月主要气候要素变化趋势时段积温平均气温最高气温最低气温气温日较差日照时数相对湿度降水量(a-1)(a-1)(a-1)(a-1)(a-1)(h a-1)(%a-1)(mm a-1)播种-出苗期 6.81-0.08-0.290.11-0.41 2.24-0.280.04 出苗-现蕾期19.68-0.05-0.09-0.05-0.052.38-1.290.04现蕾-开花期-16.74-0.02-0.040.07-0.11-12.11-0.63 1.97 开花-吐絮期-9.950.220.090.30-0.21-22.23-1.112.89吐絮-停止生长期41.49 0.430.210.46-0.2517.84-1.360.80 6 月0.020.00-0.010.01-0.06-0.71-0.010.197 月0.820.030.020.03-0.13-0.52-0.01-0.018 月0.060.00-0.010.01-0.07-0.91-0.020.159 月0.150.00-0.000.00-0.08-0.04-0.000.17全生育期39.920.05-0.060.11-0.17-9.38-1.095.74 注:“”和“”分别表示在 P0.01 和 P0.05 置信水平存在极显著和显著差异;下同。2.3 阿拉尔垦区棉花产量变化的关键气候驱动 为进一步确定 20112019 年阿拉尔垦区棉花产量变化的关键气候驱动,本研究采用棉花气候产量与生育期及其主要气候要素做了相关性分析,并运用优势分析方法对显著性影响因子进行贡献率分析,如表 2、表 3 和图 4 所示。分析可知,20112019年阿拉尔垦区棉花产量的变化与生育期长短关系不显著;与全生育期各气候要素关系不显著;与播种-出苗期相对湿度呈显著正相关,贡献率达100%;与6月积温、平均气温、最高气温和最低气温呈极显著正相关,各影响因素贡献率分别为 23.54%、23.54%、22.78%和 30.13%;与开花-吐絮期降水量和 7 月相对湿度均呈显著正相关,贡献率均达 100%;与 9 月最高气温呈极显著正相关,与积温、平均气温和日照时数内呈显著正相关,各影响因素贡献率分别为 30.41%、21.79%、21.79%和 26.02%。即 20112019 年阿拉尔垦区棉花产量的减少由平均气温、最高气温、最低气温、积温、降水量和日照时数综合作用的结果,主要以播种-出苗期相对湿度的减小、开花-吐絮期降水量的增加、6 月最低气温的升高、7 月相对湿度的减小和 9月最高气温的降低影响为主,以 6 月平均气温和积温的升高、9 月日照时数的减少影响为辅。表 2 20112019 年阿拉尔垦区棉花产量与生育期变化的相关性分析时段相关系数播种-出苗期出苗-现蕾期现蕾-开花期开花-吐絮期吐絮-停止生长期全生育期-0.355-0.6360.1320.2000.002-0.31742 塔里木大学学报第 35 卷表 3 20112019 年阿拉尔垦区棉花产量与主要气候要素变化的相关性分析时段相关系数积温平均气温最高气温最低气温相对湿度日照时数气温日较差降水量播种-出苗期0.0830.0880.1180.0370.7520.0920.1660.556出苗-现蕾期-0.2200.126-0.1510.2700.078-0.390-0.271-0.068现蕾-开花期-0.1090.5150.4620.533-0.087-0.0590.1780.061开花-吐絮期-0.1890.2960.3000.3310.461-0.101-0.1980.742吐絮-停止生长期0.5290.5430.6540.4440.0120.5040.087-0.1046 月0.740 0.740 0.680 0.800-0.1200.4000.270-0.1607 月-0.520-0.520-0.560-0.3900.600-0.430-0.1700.5808 月0.0900.090-0.1100.4200.5700.040-0.4000.5309 月0.6100.6100.740 0.3500.1600.5800.480-0.190全生育期0.3900.5400.6500.3600.3800.350-0.0100.550图 4 20112019 年阿拉尔垦区生育期及关键月气候要素对棉花产量的贡献率3 讨论 气候变化对农作物产量的影响一直是国内外学者关注的热点问题4-11。本研究发现,20112019年阿拉尔垦区棉花产量的减少与生育期长短关系不大,主要以播种-出苗期相对湿度的减小、开花-吐絮期降水量的增加、6 月最低气温的升高、7 月相对湿度的减小和 9 月最高气温的降低影响为主,以 6 月平均气温和积温的升高、9 月日照时数的减少影响为辅,以 2014 年受气候影响最大,这主要与垦区 2014年播种-出苗期平均相对湿度最低(25.30%)、开花-吐絮期平均降水量最少(8.0 mm)、6 月平均最低气温最低(14.7)、7 月平均相对湿度较低(49.00%)和 9 月平均最高气温次低(26.8)有关,这与西北棉区棉花产量的增加是由气温和降水的波动共同驱动、新疆北部乌兰乌苏地区气候产量随着年平均最高气温的升高而增产和新疆博州地区气候产量与 4月、7 月降水量呈显著正相关,与 5 月降水、6 月平均气温、6 月最高气温、7 月平均气温、7 月最高气温呈负相关结论不太一致5-6,10,17;与我国三大棉区棉花产量降低是由温度和降水共同驱动,日照时数、平均气温、最高气温和最低气温的变化是影响新疆棉花产量的关键气候因子的结论较为一致6,8,但驱动时段略有不同,这可能与不同区域种植棉花品种、地理环境差异、气象资料选取的时间序列长短和所采用的估算模型不同有关。同时,本研究仅考虑气候要第 3 期吴凡 等:20112019 年阿拉尔垦区棉花减产的关键气候驱动43 素对垦区棉花产量变化的影响,未充分考虑垦区棉花品种遗传特性、生产条件、人力要素投入、物质要素投入和产出效益等方面的影响,后续有待于加强研究与探讨。4 结论 1)20112019 年阿拉尔垦区棉花气候产量呈减少趋势,减幅为 310-10 kg hm-2 a-1,以 2014 年影响最大,影响因子达 5.02%;2018 年影响最小,影响因子仅为 0.78%。2)20112019 年阿拉尔垦区棉花全生育期最高气温呈显著降低趋势,播种-出苗期积温和降水量呈极显著增加趋势、气温日较差呈极显著减少趋势,出苗-现蕾期最低气温和相对湿度呈显著降低(减小)趋势,现蕾-开花期积温、日照时数和相对湿度呈极显著减小(少)趋势、降水量呈极显著增加趋势,开花-吐絮期平均气温和降水量呈显著增加趋势,吐絮-停止生长期积温和降水量呈极显著增加趋势、日照时数呈显著增加趋势,6 月气温日较差和 7 月最低气温呈显著增加趋势,7 月、8 月日照时数呈显著减少趋势。3)20112019 年阿拉尔垦区棉花产量的降低与生育期长短关系不大,主要以播种-出苗期相对湿度的减小、开花-吐絮降水量的增加、6 月最低气温的升高、7 月相对湿度的减小和 9 月最高气温的降低影响为主,各时段气候影响因素贡献率分别为 100.00%、100.00%、30.13%、100%和 30.14%;以 6 月平均气温和积温的增加、9 月日照时数的减少影响为辅,各时段气候要素影响因素贡献率分别为23.54%、23.54%和 26.02%。参考文献1 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