2013年北疆垦区不同棉区棉花产量波动的气候因素对比分析

张燕 赖军臣 傅玮东

摘要

2013年北疆垦区棉花的产量和品质出现下滑，明显不如2012年。通过对宜棉区、次宜棉区棉花各生育阶段的气象条件分析及气候指标判断得出，宜棉区是低温阴雨寡照造成棉花一般延迟性冷害;次宜棉区是各生育阶段热量条件持续不足和夏季严重冷害造成棉花严重的延迟性冷害，加之两地区初霜冻均明显偏早，造成了棉花气候减产。建议今后应根据不同年份的气候波动调整品种结构和品种布局，确保棉花持续健康发展。

关键词 不同棉区;产量波动;气候减产; 气候指标;北疆垦区

中图分类号 S161  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2014）34-12177-03

Analysis on Climatic Factors of Cotton Yield Fluctuation in Northern Xinjiang Reclamation Area in 2013

ZHANG Yan1，2， LAI Juncheng3， FU Weidong4

（1. School of Atmospheric Sciences， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000; 2. Wujiaqu Meteorological Bureau， The Six Division of the Corps， Wujiaqu， Xinjiang 831300; 3. Wujiaqu Agricultural Bureau， The Six Division of the Corps， Wujiaqu， Xinjiang 831300; 4. Xinjiang Agricultural Meteorological Station， Urumqi， Xinjiang 830002）

Abstract The yield and qualty of cotton in reclamation area of northern Xinjiang declined in 2013， significantly worse than the previous year. Through analysis of meteorological conditions in each growth period of cotton in appropriate area and climate index judgement， it can be concluded that in appropriate cotton area， low temperature， rain and less sunshine caused general delayed chilling injury; in less appropriate cotton area， continuing lack of heat in each growth period and serious chilling injury in summer caused severe delayed chilling injury， and at the first frost of two areas were significantly biased early， causing the reduction of cotton climatic yield. It was suggested that cotton variety structure and layout should be adjusted according to climate fluctuation in different years， so as to guarantee cotton sustainable development.

Key words  Different cotton regions; Yield fluctuation; Climate production decline; Climate index; Reclamation area in northern Xinjiang

棉花是重要的經济作物，低温冷害是影响北疆垦区棉花最大的农业气象灾害之一，有研究表明，延迟性低温冷害是造成新疆棉花产量和品质大幅下降的最重要的气象灾害，20世纪60年代以来每个逢3、9的年份为棉花气候减产关键年[1]。长期以来科研工作者在低温冷害对农作物的影响方面做了大量的研究工作[1-6]，如傅玮东等初步研究了新疆不同棉区棉花播种～开花期低温冷害判别的气象指标，得出可能出现一般气候减产年和严重气候减产年的气象判断指标[5];李新建等对2001年盛夏发生的低温冷害进行了分析，指出虫害的猖獗、严重的障碍性冷害和天晴后的快速升温是造成棉花大面积受灾的主要原因[7];赵强等对2006年5月上旬的低温危害分析指出连续阴雨天气、沙漠增温效应丧失、气温骤降，导致棉花冷害[8]。可见，低温冷害在不同季节、不同地域均会发生，加之其他因素的共同影响，对农作物的产量和品质均会造成较大影响。

兵团第六师是北疆垦区重要的植棉区，根据气候区划，所属西线（新湖农场、芳草湖农场等）是适宜棉区;所属中线（102团、103团、101团等）是次宜棉区[9]，受气候变暖影响，2000年以来，中线地区气候资源变化较大，各气候指标值均已达到宜棉区所需条件，热量差异在中、西线地区趋于减小[10]，但在遭遇低温冷害时，两地区棉花品质和产量受影响的程度却是不同的。 2013年受气候影响，北疆垦区棉花的长势和产量明显不如2012年，笔者借鉴上述研究成果，选取第六师西线新湖农场、中线102团，分析了两植棉区域棉花全生育期和各生育阶段的气象条件，并对两地区造成气候减产的原因进行了指标诊断分析，以期为今后指导棉花生产提供更好的气象服务和决策依据。

1   资料与方法

所用气象资料宜棉区选取西线新湖农场气象站资料，次宜棉区选取中线102团气象站资料（两站历史资料序列均较长），气象要素均值采用1981～2010年30年气候均值。各界限积温是指5 d滑动平均气温稳定通过该温度界限最长一段时间内日平均气温的总和。棉花苗期至吐絮期气象条件分析是以棉花生物学三基点温度[11]中各发育阶段适宜温度和最低温度为指标。利用统计方法对中西线棉花各生育时期气象条件进行对比分析，指出2013年受低温冷害及早霜冻的共同影响，北疆垦区不同棉区棉花遭受了不同程度的影响，并对两地区造成气候减产的原因进行了指标诊断分析。

2  结果与分析

2.1 2013年棉花生长季总的气候特点

2013年春季气象条件较好，主要生长季（5～9月）总的来讲，气象条件对棉花生长不利，但西线热量条件略好于中线（表1）。

2.2 2013年棉花各生育时期气象条件分析

2.2.1

播种～出苗期（4月中、下旬）。与常年相比，西线、中线这一阶段平均气温均偏高2.6 ℃（图1），气象条件对播种、出苗十分有利。

2.2.2

出苗～现蕾期（4月下旬～5月下旬）。即苗期，与常年相比，这一阶段平均气温西线偏高0.6 ℃、中线偏高0.4 ℃，气温逐旬由高转低（图1）。5月份日平均气温低于或接近苗期适宜生长的下限温度（18 ℃）西线有12 d、中线有16 d;日平均气温低于或接近苗期生长最低温度（15 ℃）西线有4 d、中线有6 d;在此生长阶段热量条件不足，现蕾偏晚。

2.2.3

现蕾～开花期（5月下旬～6月下旬）。即蕾期，与常年相比，此阶段平均气温西线偏低0.3 ℃、中线偏低0.7 ℃，气温逐旬由低转高又转更低（图1），旬平均气温累积距平西线-1.2 ℃、中线-2.9 ℃，生长期内大部分时间的日平均气温均低于蕾期适宜生长的下限温度（24 ℃），其中6月19日日平均气温西线16.2 ℃、中线17.7 ℃，远远低于蕾期生长所需的最低温度（19 ℃）;同时降水量西线偏多1.1倍、中线偏多6成;可见蕾期热量条件明显欠缺，使得生育期延长了7 d以上。

2.2.4

开花～裂铃期（7月上旬～8月下旬）。即花铃期，与常年相比，此阶段平均气温西线偏高0.3 ℃、中线偏低0.5 ℃，旬平均气温累积距平西线1.9 ℃、中线-2.8 ℃;7月份各旬平均气温中、西线均表现为由低转略高（图1），但中线升幅低于西线，月降水量西线偏多9成、中线偏少4成，月日照时数西线偏少11.7 h、中线偏多12.1 h;8月份各旬平均气温中、西线均表现为由高转低又转高，但中线升幅小于西线、降幅大于西线，月降水量西线偏多2成、中线偏多5成，月日照时数西线偏少24.3 h、中线偏少30.5 h。日平均气温低于花铃生长下限温度（24 ℃）西线有20 d、中线有23 d， 8月31日～9月2日一场中到大雨之后，日平均气温西线降至16.5～18.2 ℃、中线降至15.6～16.5 ℃，接近棉铃生长的最低温度值（15 ℃）。花铃期的生长继续遭受低温阴雨寡照的影响，吐絮推迟7 d以上。

花铃期是棉花纤维品质形成、铃重增加的关键期，与气温的关系非常密切，低温阴雨寡照会造成棉铃生长缓慢、铃重下降、品质下降，王士红等研究了棉花中后期降雨和日照对棉花产量和品质的影响，结果表明多雨寡照天气降低了棉花产量和纤维品质[12]。

2.2.5

裂铃～停止生长期（9月上旬～10月上旬）。即吐絮期，与常年相比，这一时期平均气温西线偏高1.8 ℃、中线偏高1.0 ℃。进入9月份，旬平均气温中、西线均由高转低，且下降迅速，但西线仍维持正距平，中线则降至-1.3 ℃，两地区 9月中下旬平均气温基本均是在20 ℃以下（图1），远低于棉桃吐絮所需的适宜温度（25～30 ℃），使得棉桃成熟度不够，特别是初霜冻于9月22日提前来临，导致棉花提早10 d以上停止生长，水桃和僵瓣桃增多，霜前花比例下降。

从上述分析可见，在棉花的各生育階段热量条件均表现不足，不利气象条件西线表现是多低温阴雨寡照过程，中线表现是长时间且强度强于西线的低温，再者，两地区初霜冻均提前15 d以上，又进一步加重了减产的程度。从气象条件来看，中线差于西线。

图1 中西线2013年4月中旬～10月上旬平均气温距平

2.3 2013年气候减产的指标判定

傅玮东等对地膜棉花播种～开花期间低温冷害指标的研究表明，当北疆棉区6月平均气温距平≤-0.5 ℃或开花期偏晚3 d以上或当6～8月至少有2个月气温为负距平，且6～8月平均气温距平在0～-0.4 ℃，就可能出现一般气候减产年，而当6～8月各月的平均气温距平均为负值，且其平均气温距平≤-0.5 ℃时，就可能出现严重的气候减产年[5]。

李新建等通过研究棉花产量、霜前花率和棉花不同阶段热量指数之间的关系发现，以减产幅度为标准，在棉花开花期以前热量充足的情况下，一般延迟型冷害年对应的棉花全生育期的热量指数指标为75.3，生长后期的生长热量指数指标为64.0;严重延迟型冷害年对应的棉花全生育期热量指数指标为74.5，生长后期的热量指数指标为61.8;若不论产量如何，仅以霜前花率在50%以下、棉花不能充分自然成熟造成品质下降认为是一般延迟型冷害的结果，对应的棉花全生育期热量指数指标为78.1，生长后期热量指数指标为70.9;霜前花率在30%以下认为是严重延迟型冷害年，对应的棉花全生育期热量指数指标为75.0，棉花生长后期热量指数指标为63.2[13]。

图2 中西线2013年4～9月月平均气温距平

2.3.1

棉花生长前期气温判断。

由图2可见，西线6月月平均气温距平为负距平，中线5～6月2个月距平均为负值、且6月距平为-0.4 ℃，接近指标值，表明中线在棉花生长前期已出现一般气候减产年的特征。两地的开花期偏晚5 d以上，说明西线也可能出现一般气候减产。

2.3.2

夏季冷害年的判定。2013年夏季偏凉，夏季平均气温西线较常年略偏高0.2 ℃、中线偏低0.5 ℃，为此采用夏季（6～8月）平均气温相对均方差的方法求算低温冷害指标LH[14]，

即

LH=∑ΔT6-8（1n∑（ΔT6-8）2）12，

式中，ΔT6-8为6～8月平均气温与多年平均值之差， n=3。当LH≤-1，为一般冷害年;LH≤-2，为严重冷害年。经计算，西线LH=1.5、中线LH=-2.8，表明夏季中线冷害指标达到严重冷害年，冷害程度明显大于西线。

从图2可以看出，西线6～8月中仅6月平均气温距平为负，其他2个月温度距平略偏高，而中线3个月的平均气温距平均為负值，且其平均气温距平为-0.5 ℃，指标判断中线可能为严重气候减产年。在5～9月棉花的主要生长季节，西线温度虽以偏高为主，但偏高幅度没有超过1.0 ℃，中线则持续偏低，因此无论是在营养生长阶段还是生殖生长阶段，棉花始终均是处于“热量饥饿”状态，长时间的低温天气、阴雨寡照，致使棉花生长缓慢，有相当多的棉铃不能正常成熟，造成棉花的品质和产量出现下滑。

2.3.3

热量指数判断。李新建等根据公式（1）、（2）、（3）计算热量指数对棉花延迟性冷害程度进行定量判断，这里分别计算中、西线各生育期热量指数，北疆棉区平均值见文献[15]。

式（1）中，i（i=1，2，3，...，36）表示旬序列数，Ti表示棉花某生长阶段的旬平均气温，T1表示棉花某生长阶段的下限温度，T2表示棉花某生长阶段的适宜温度，Fi（T）则表示每一旬的热量指数，计算棉花的5个生长阶段内各旬的平均值作为该生长阶段热量指数，每个生长阶段的F（T）值越大，说明热量条件越能满足该阶段棉花生长的需要。式（2）中，Fi（T）为各生育期的热量指数，ai为权重系数，i=1、2、3、4、5，分别表示棉花播种～出苗、出苗～现蕾、现蕾～开花、开花～裂铃、裂铃～停止生长5个生长阶段;当n1=1、n2=5时，则计算的F0（T）是棉花全生育期热量指数;当n1=1、n2=2时，F0（T）是棉花生长前期的热量指数;当 n1=3、n2=4时，F0（T）是棉花生长中期蕾铃期（现蕾～裂铃）的热量指数;当n1=4、n2=5时，F0（T）是棉花生长后期的热量指数。式（3）中，分子ti是指棉花生长的第i个阶段的时间（旬数），分母是所计算时段的所有生长阶段的旬数之和。

与李新建等研究得出的北疆棉区棉花平均生育期[15]相比，2013年六师棉花现蕾～开花期偏长一旬，开花～裂铃期偏少一旬，这都是由于温度偏低所致，与前面各生育阶段分析是一致的。由表2可见，在出苗～现蕾、现蕾～开花这2个阶段，热量指数中西线均较北疆棉区平均值偏低，说明在棉花营养生长阶段，中西线热量条件是欠缺的;中线在全生育期热量指数低于北疆棉区，说明中线棉花整个生长发育期热量条件均是欠缺的，且棉花生长的各个时段热量指数均低于西线，说明中线热量条件差于西线，这与前面的分析是一致的。

根据计算结果和前述中的指标对比可以得到，不论是以减产幅度为标准还是以霜前花率为标准，西线全生育期热量指数均低于一般延迟性冷害指标值，生长后期热量指数低于霜前花率为标准的一般延迟性冷害指标值;中线全生育期热量指数均低于严重延迟性冷害指标值（表3）。

2.3.4

霜冻分析。董华祥等研究了吐絮期气象条件对棉花产量和品质的影响，结果表明如果初霜冻偏早15 d以上，将造成棉花减产8%～10%[16]。2013年初霜冻是9月22日，较常年明显偏早，偏早幅度位列历史同期第三位，仅次于1985和1998年，其中西线偏早18 d、中线偏早15 d，因此霜冻危害又进一步加重了棉花产量下降、品质降低的程度。

因此，根据棉花各生育期气象条件分析和指标诊断表明，2013年中线棉花遭受了严重的延迟性冷害，是严重气候减产年，而西线棉花遭受了一般的延迟性冷害，是一般气候减产年，中线因气候原因减产幅度大于西线，由于初霜冻提前15 d以上，中西线减产程度均进一步加重。

2.4  积温分析

实际业务工作中，热量资源的多少主要是用积温来表征，对2013年全年≥10 ℃、≥15 ℃、≥20 ℃、≥25 ℃各界限活动积温分析发现，与常年相比，≥10 ℃、≥15 ℃、≥20 ℃积温中、西线均偏多，但≥25 ℃积温西线偏多46.8 ℃·d、中线偏少146.7 ℃·d，中线偏少程度位列历史同期第六位，说明≥25 ℃积温明显偏少，这与李新建等研究得出严重气候减产年若其他积温较常年偏多，那必有一个积温异常偏少的结论[13]基本是一致的。≥25 ℃积温偏少，这将使得棉纤维成熟度降低、马克隆值降低，导致铃重下降，棉花产量和品质下降。

3  结论

（1） 对于西线宜棉区，2013年是一般气候减产年，低温、阴雨、寡照在棉花主要生长发育时段（5～9月）均有出现，对