南疆阿拉尔垦区棉花生育期气候资源变化特征分析

程珍，牛建龙，王煜，唐晓璇，吴凡，柳维扬，蒋学玮; CHENG Zhen; NIU Jianlong; WANG Yu; TANG Xiaoxuan; WU Fan; LIU Weiyang; JIANG Xuewei

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柳维扬 ¹
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蒋学玮 ³

1. 塔里木大学农学院,阿拉尔 843300； 2. 新疆生产建设兵团工程咨询有限责任公司,乌鲁木齐 830002； 3. 塔里木大学园艺与林学学院,阿拉尔 843300

中图分类号： Q142.2

最近更新：2023-10-13

DOI：10.13300/j.cnki.hnlkxb.2023.05.020

摘要

为探明气候变暖背景下南疆阿拉尔垦区棉花生育期气候资源动态变化规律，选取1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花生育期数据和同期地面气象数据，采用最小二乘法、Mann-Kendall非参数突变检验、滑动t检验和显著性分析方法，对南疆阿拉尔垦区棉花生育期气候资源动态变化及其突变进行了分析。结果显示：1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花全生育期降水量呈极显著增加趋势，相对湿度呈显著减小趋势，分别变化6.377 mm/10 a和1.583%/10 a，最高气温、最低气温、平均气温和积温均呈不显著增加趋势，气温日较差和日照时数均呈不显著减小趋势，主要表现在同期棉花播种－出苗期最高气温、平均气温和积温均呈极显著增加趋势，最低气温呈显著增加趋势；出苗－现蕾期气温日较差呈极显著增加趋势，积温和降水量均呈显著增加趋势；现蕾－开花期最高气温和降水量均呈极显著增加趋势，积温、气温日较差和日照时数均呈极显著减少趋势，平均气温呈显著降低趋势；开花－吐絮期降水量呈极显著增加趋势，气温日较差呈极显著减小趋势，相对湿度呈显著减小趋势；吐絮－停止生长期最高气温、降水量和日照时数均呈极显著增加趋势，其他时段各气候要素变化均不明显。1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花播种－出苗期最高气温、最低气温、平均气温、积温和日照时数分别在2014、1998、2012、1997和1998、2005年出现突变，出苗－现蕾期日照时数在2008年出现突变，现蕾－开花期最高气温、降水量、日照时数和积温分别在2001、2001、2007和2003、2010年出现突变，开花－吐絮期、吐絮－停止生长期和全生育期各气候要素均未发生显著突变。棉农应结合垦区棉花生育期气候资源量值及其动态变化规律适时调整田间管理措施。

关键词

棉花生育期; 气候变化; 气温; 降水量; 相对湿度

IPCC第6次报告指出，2011—2020年间全球地表平均气温比1850—1900年间平均气温高1.09 ℃^［

1］，2016—2020年是人类有记录以来最热的5年^{［参考文献 2-3}2-3］。中国地表平均气温倾向率为0.24 ℃/10 a^{［参考文献 4

百度学术}4］，新疆地区地表平均气温倾向率为0.33 ℃/10 a^{［参考文献 5

百度学术}5］，且南疆地区高于北疆地区^{［参考文献 6

百度学术}6］，南疆阿拉尔垦区春季地表平均气温倾向率达0.52 ℃/10 a^{［参考文献 7

百度学术}7］，严重影响作物生长发育进程和气候资源的量值及时间分配^{［参考文献 8-10}8-10］。目前，关于作物生育期气候资源动态变化的研究主要集中在水稻^{［参考文献 11

百度学术}11］、小麦^{［参考文献 12-14}12-14］和玉米^{［参考文献 15

百度学术}15］等粮食作物上。韩婉瑞等^{［参考文献 9

百度学术}9］认为，我国三大棉区棉花现蕾－开花期和开花－吐絮期高温日呈增加趋势。孙东磊等^{［参考文献 16

百度学术}16］认为，河北省南部、中部和东部棉花全生育期降水量和日照时数均呈减少趋势，播种期和吐絮期平均气温呈显著升高趋势。王鹤龄等^{［参考文献 17

百度学术}17］认为，最低气温的升高导致甘肃省西峰市和敦煌市棉花播种－5叶期呈缩短趋势，5叶－现蕾期、吐絮－停止生长期和全生育期均呈延长趋势。以往研究主要通过整个时段来研究区域棉花生育期气候资源动态变化特征，针对南疆地区棉花生育期阶段性气候变化特征的研究较少。本研究重点分析1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花生育期气候资源的动态变化特征及其突变情况，旨在为提高垦区棉田气候变化适应能力提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

南疆阿拉尔垦区（80′30′~81′58′E；40′22′~40′57′N）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干旱荒漠气候带^［

7］。20世纪80年代以来，垦区棉花种植面积逐年增大，至2019年达155 006 hm²，占垦区农作物种植面积的85.80 %，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。

1.2 数据来源

1990—2020年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，主要包括播种－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（表1）。由于垦区地势较为平坦，气象站点稀少，本研究选取同期阿拉尔市气象局逐日地面气象数据，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。

表1 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花生育期持续时间

Table 1 Duration time on cotton growth period in Alar reclamation area of Southern Xinjiang from 1990 to 2020 ( d )

持续时间

Duration time

播种－出苗

Sowing-

emergence

出苗－现蕾

Emergence-

squaring

现蕾－开花

Squaring-

flowering

开花－吐絮

Flowering-

boll opening

吐絮－停止生长

Boll opening-

stop growing

全生育期

Whole growthperiod

平均持续时间

Average duration time

190

最长持续时间

Maximum duration time

202

最短持续时间

Minimum duration time

178

1.3 气候倾向率的确定

棉花生育期气候要素变化趋势采用最小二乘法^［

18］计算，气候要素随时间序列的变化趋势可用一次线性方程表示：

x_{i} = a + b t_{i}

（1）

式（1）中， $x$ 为气候要素值； $α$ 为常数项； $b$ 为回归系数； $i$ 为时间序列， $i = 1,2, 3 \dots, n$ 。本文中气候倾向率等于回归系数×10。

1.4 气候要素的突变检验

棉花生育期气候要素的突变检验主要采用Mann-Kendall（M-K）非参数检验^［

19］和滑动t检验^{［参考文献 20

百度学术}20］。其中，M-K非参数检验能客观反映棉花生育期气候要素的突变，其计算公式详见文献［19］。当

U F_{k}

和

U B_{k}

2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。滑动t检验主要用于对M-K突变检验结果的验证及虚假突变点的剔除，其计算公式详见文献［20］。当

T

T_{α}

时，则认为有显著差异并且出现了突变；反之，没有出现突变。文中，给定显著性水平

α = 0.05

，所对应的临界值为±1.96。

2 结果与分析

2.1 南疆阿拉尔垦区棉花生育期热量资源动态变化及其突变

1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花生育期热量资源动态变化趋势分别如表2和图1所示。1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花全生育期最高气温、最低气温、平均气温和积温均呈不显著增加趋势，气温日较差呈不显著减小趋势，分别变化0.155 ℃/10 a、0.240 ℃/10 a、0.123 ℃/10 a、72.427 ℃/10 a和0.085 ℃/10 a。其中，播种－出苗期最高气温、最低气温、平均气温和积温均呈增加趋势，气温日较差呈减小趋势，分别变化0.115 ℃/10 a（P<0.01）、0.134 ℃/10 a（P<0.05）、0.041 ℃/10 a（P<0.01）、8.818 ℃/10 a（P<0.01）和 0.019 ℃/10 a（P>0.05）；出苗－现蕾期最高气温、积温和气温日较差均呈增加趋势，最低气温和平均气温均呈减小趋势，分别变化0.103 ℃/10 a（P>0.05）、43.286 ℃/10 a（P<0.05）、0.224 ℃/10 a（P<0.01）、0.120 ℃/10 a（P>0.05）和0.100 ℃/10 a（P>0.05）；现蕾－开花期最高气温和最低气温均呈增加趋势，积温、气温日较差和平均气温均呈减小趋势，分别变化0.019 ℃/10 a（P<0.01）、0.104 ℃/10 a （P>0.05）、6.716 ℃/10 a（P<0.01）、0.085 ℃/10 a（P<0.01）和0.010 ℃/10 a（P<0.05）；开花－吐絮期最高气温、最低气温和平均气温均呈增加趋势，气温日较差和积温均呈减小趋势，分别变化0.482 ℃/10 a（P>0.05）、0.619 ℃/10 a（P>0.05）、0.480 ℃/10 a（P>0.05）、0.137 ℃/10 a（P<0.01）和51.489 ℃/10 a（P>0.05）；吐絮－停止生长期最高气温、最低气温、平均气温和积温均呈增加趋势，气温日较差呈减小趋势，分别变化0.661 ℃/10 a（P<0.01）、1.093 ℃/10 a（P>0.05）、0.811 ℃/10 a（P>0.05）和76.631 ℃/10 a（P>0.05）和0.432 ℃/10 a（P>0.05）。

表2 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花生育期热量资源倾向率及其突变

Table 2 The thermal resources tendency rate and its mutation on cotton growth period in Alar reclamation area of southern Xinjiang from 1990 to 2020

生育期 Growth period	最高气温 Maximum air temperature		最低气温 Minimum air temperature		平均气温 Average air temperature		积温 Accumulated temperature		气温日较差 Temperature daily range
生育期 Growth period	倾向率/（℃/10 a） Inclination rate	综合突变点 Mutation point	倾向率/（℃/10 a） Inclination rate	综合突变点 Mutation point	倾向率/（℃/10 a） Inclination rate	综合突变点 Mmutation point	倾向率/ （℃/10 a） Inclination rate	综合突变点Mutation point	倾向率/ （℃/10 a） Inclination rate	综合突变点Mmutation point
播种－出苗 Sowing-emergence	0.115^**	2014	0.134^*	1998	0.041^**	2012	8.818^**	1997	-0.019	无 None
出苗－现蕾 Emergence-squaring	0.103	无 None	-0.120	无 None	-.100	无 None	43.286^*	无 None	0.224^**	无 None
现蕾－开花 Squaring-flowering	0.019^**	2001	0.104	无 None	-0.010^*	无 None	-6.716^**	2003 2010	-0.085^**	无 None
开花－吐絮 Flowering-boll opening	0.482	无 None	0.619	无 None	0.480	无 None	-51.489	无 None	-0.137^**	无 None
吐絮－停止生长 Boll opening-stop growing	0.661^**	无 None	1.093	无 None	0.811	无 None	76.631	无 None	-0.432	无 None
全生育期 Whole growth period	0.155	无 None	0.24	无 None	0.123	无 None	72.427	无 None	-0.085	无 None

注： **和* 分别表示在0.01和0.05水平上存在显著差异。下同。Note：* * and * denotes significant difference at the 0.01 and 0.05 levels.The same as follows.

图1 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花全生育期热量资源动态变化

Fig. 1 Dynamic change on thermal resources during the cotton whole growth period in Alar reclamation area of southern Xinjiang from 1990 to 2020

由表2可见，1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花播种－出苗期最高气温、平均气温、最低气温和积温随时间序列变化的突变点分别出现在2014、2012、1998和1997年，现蕾－开花期最高气温和积温随时间序列变化的突变点分别出现在2001、2003和2010年，出苗－现蕾期、开花－吐絮期、吐絮－停止生长期和全生育期各气候要素随时间序列变化的突变点均不明显。主要表现在1990—2020年垦区棉花播种－出苗期最高气温、平均气温和积温分别在2014、2012和1997年前后均呈阶段性增加趋势，分别增加0.622 ℃/10 a（P<0.05）、7.656 ℃/10 a（P<0.01）、0.627 ℃/10 a（P>0.05）、4.341 ℃/10 a（P<0.01）、88.012 ℃/10 a（P>0.05）和16.377 ℃/10 a（P<0.01）；最低气温在1998年前后均呈阶段性减小趋势，分别减小1.605 ℃/10 a（P>0.05）和0.190 ℃/10 a（P<0.01）；现蕾－开花期最高气温和积温分别在2001和2003、2010年前后均呈阶段性减小趋势，分别减小0.105 ℃/10 a（P>0.05）、0.306 ℃/10 a（P<0.01）、 35.101 ℃/10 a（P>0.05）、91.107 ℃/10 a（P>0.05）和141.140 ℃/10 a（P<0.01）；出苗－现蕾期、开花－吐絮期、吐絮－停止生长期和全生育期最高气温、最低气温、平均气温、积温和气温日较差阶段性变化特征均不明显，播种－出苗期气温日较差、现蕾－开花期最低气温、平均气温和气温日较差阶段性变化特征均不明显。

2.2 南疆阿拉尔垦区棉花生育期水分资源动态变化及其突变

1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花生育期水分资源动态变化见表3和图2。1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花全生育期降水量呈增加趋势，相对湿度呈减小趋势，分别变化6.377 mm/10 a（P<0.01）和1.583%/10 a（P<0.05）。其中，棉花播种－出苗期降水量和相对湿度均呈减少趋势，分别减少0.661 mm/10 a（P>0.05）和0.906%/10 a （P>0.05）；出苗－现蕾期降水量呈增加趋势，相对湿度呈减小趋势，分别变化1.06 mm/10 a（P<0.05）和0.803%/10 a（P>0.05）；现蕾－开花期降水量呈增加趋势，相对湿度呈减小趋势，分别变化0.213 mm/10 a（P<0.01）和 0.872%/10 a（P>0.05）；开花－吐絮期降水量呈增加趋势，相对湿度呈减小趋势，分别变化2.600 mm/10 a（P<0.01）和2.069%/10 a（P<0.05）；吐絮－停止生长期降水量呈增加趋势，相对湿度呈减小趋势，分别变化3.217 mm/10 a（P<0.01）和1.575%/10 a（P>0.05）。

表3 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花生育期水分和光照资源的倾向率及其突变

Table 3 Trend rate and mutation on water and light resources during cotton growth period in Alar reclamation Area of southern Xinjiang from 1990 to 2020

生育期 Growth period	降水量 Precipitation		相对湿度 Relative humidity		日照时数 Sunshine hours
生育期 Growth period	倾向率/(mm/10 a) Inclination rate	综合突变点Mutation point	倾向率/(%/10 a) Inclination rate	综合突变点Mutation point	倾向率/(h/10 a) Inclination rate	综合突变点Mutation point
播种—出苗 Sowing—emergence	-0.661	无 None	-0.906	无 None	-1.279	1998,2005
出苗—现蕾Emergence—squaring	1.060^*	无 None	-0.803	无 None	16.371	2008
现蕾—开花 Squaring—flowering	0.213^**	2001	-0.872	无 None	-8.306^**	2007
开花—吐絮 Flowering—boll opening	2.600^**	无 None	-2.069^*	无 None	-41.409	无 None
吐絮—停止生长 Boll opening—stop growing	3.217^**	无 None	-1.575	无 None	33.545^**	无 None
全生育期 Whole growth period	6.377^**	无 None	-1.583^*	无 None	-1.675	无 None

图2 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花全生育期水分资源动态变化

Fig. 2 Dynamic change on water resources during the cotton whole growth period in Alar reclamation area of southern Xinjiang from 1990 to 2020

由表3可见，1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花现蕾－开花期降水量随时间序列变化的突变点出现在2001年，相对湿度突变点不明显；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降水量、相对湿度随时间序列变化的突变点均不明显。其中，棉花现蕾－开花期在1990—2001年和2002—2020年降水量均呈阶段性增加趋势，分别增加7.070 mm/10 a（P>0.05）和6.372 mm/10 a（P<0.01），相对湿度阶段性变化特征不明显；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降水量和相对湿度阶段性变化特征均不明显。

2.3 南疆阿拉尔垦区棉花生育期光照资源动态变化及其突变

1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花生育期光照资源动态变化见表3和图3。1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花全生育期日照时数呈减少趋势，减少1.675 h/10 a（P>0.05），主要表现在同期棉花播种－出苗期、现蕾－开花期和开花－吐絮期日照时数均呈减少趋势，出苗－现蕾期和吐絮－停止生长期日照时数均呈增加趋势，分别变化1.279 h/10 a（P>0.05）、8.306 h/10 a（P<0.01）、41.409 h/10 a（P>0.05）、16.371 h/10 a（P>0.05）和33.545 h/10 a（P<0.01）。

图3 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花全生育期光照资源动态变化

Fig. 3 Dynamic changes on light resources during the cotton whole growth period of in Alar reclamation area of southern Xinjiang from 1990 to 2020

由表3可见，1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花播种－出苗期日照时数随时间序列变化的突变点出现在1998年和2005年，出苗－现蕾期和现蕾－开花期日照时数随时间序列变化的突变点分别出现在2008年和2007年，开花－吐絮期、吐絮－停止生长期和全生育期日照时数随时间序列变化的突变点不明显。其中，棉花播种－出苗期日照时数在1990—1998年和1999—2005年均呈阶段性增加趋势，2006—2020年呈阶段性减少趋势，分别变化36.133 h/10 a（P>0.05）、103.680 h/10 a（P<0.05）和17.66 h/10 a （P>0.05）；出苗－现蕾期日照时数在1990—2008年和2009—2020年均呈阶段性减少趋势，分别减少11.991 h/10 a（P>0.05）和29.150 h/10 a（P>0.05）；现蕾－开花期日照时数在1990—2007年和2008—2020年均呈阶段性减少趋势，分别减少16.086 h/10 a（P>0.05）和74.989 h/10 a（P<0.01），开花－吐絮期、吐絮－停止生长期和全生育期日照时数阶段性变化特征均不明显。

3 讨论

全球气候变暖导致棉花生育期气候要素发生显著变化^［

9，16］，但不同地区和不同时段气候要素变化趋势却不尽相同^{［参考文献 21-24}21-24］。本研究结果表明，1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花全生育期降水量呈极显著增加趋势，相对湿度呈显著减小趋势，最高气温、最低气温、平均气温和积温均呈不显著增加趋势，气温日较差和日照时数呈不显著减小趋势，这主要表现在同期垦区棉花播种－出苗期最高气温、平均气温和积温的极显著增加，最低气温的显著增加；出苗－现蕾期气温日较差的极显著增加，积温和降水量的显著增加；现蕾－开花期最高气温和降水量的极显著增加，积温、气温日较差和日照时数的极显著减小（少），平均气温的显著减小；开花－吐絮期降水量的极显著增加，气温日较差的极显著减小，相对湿度的显著减小；吐絮－停止生长期最高气温、降水量和日照时数的极显著增加，这与新疆北部棉花全生育平均气温呈升高趋势、降水量呈增加趋势和日照时数呈减少趋势^{［参考文献 25

百度学术}25］，河南省开封市棉花全生育期降水量和积温均呈增加趋势、日照时数呈减少趋势^{［参考文献 26

百度学术}26］，江汉平原棉花现蕾期至花铃期、吐絮期的平均气温呈升高趋势和日照时数呈减少趋势^{［参考文献 27

百度学术}27］的结果不完全一致，这主要与研究区域地理环境条件不同及所选用气象资料的时间长短有关。

前人研究表明，气候变暖导致棉花播种期提前和棉花生育期积温的增加，春季最低气温的升高可以减少低温对棉花的危害，有助于棉花高产^［

21-22，28］；极端天气气候事件的频发，将会对棉花高产稳产造成严重威胁^{［参考文献 29

百度学术}29］。1990—2020年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积温均呈不同程度的增加趋势，将会导致垦区棉花生长阶段延长或缩短。因此，棉农在田间管理的过程中，应结合垦区棉花生育期气候资源量值及其动态变化，特别是结合垦区棉花各生育阶段积温的量值及其变化规律，通过多种途径与措施进行棉田环境调控，可确保垦区棉花实现优质高产的生产目标。

棉花生长发育不仅受气候变化的影响，还受棉花品种、土壤条件和田间管理措施等因素的影响。本文仅研究南疆阿拉尔垦区棉花生育期主要气候资源的动态变化及其突变情况，未深入分析气候变化、土壤条件、棉花品种遗传特性和田间管理措施等多因子综合作用对棉花生长发育、产量和品质的影响，未来有待于深入研究与探讨。

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