气候变暖对新疆棉花种植气候适宜性分区的影响

张山清，普宗朝，冯志敏，蒋平安，火勋国，吉春容，武鹏飞

（1.新疆兴农网信息中心/新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；2.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830002，3.新疆生态气象和卫星遥感中心，乌鲁木齐 830011；4.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052）

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出[1]，1850 年以来全球气候明显变暖，并且最近40 年的每个10 年全球地表温度都比此前的任何一个10 年要暖，气候变暖有加速的趋势[1-2]。中国第三次气候变化国家评估报告指出，近100 年中国陆地平均温度也呈升高趋势，且升高幅度略大于全球同期平均[3]。气候变暖使中国大部分地区热量资源增多，农业气候带北移[4-5]，作物生长季延长[6]，进而对农业种植制度、作物布局、品种熟性和作物产量产生重要影响[7-9]。

新疆地处欧亚大陆腹地，光照充足，热量丰富，降水稀少，空气干燥[10]。独特的气候、广袤的土地资源，加之山区较丰沛的降水和冰川积雪融水汇集的河川径流为绿洲农业提供了稳定的灌溉水资源保障，因此，新疆具有种植棉花的自然资源条件[11]。自1994 年以来，新疆棉花种植面积、总产一直稳居全国首位[12]，2020 年植棉面积为2.37×104km2，占全国棉花种植面积的78.5%，总产量达5.16×105t，占全国棉花总产的87.1%[13]，新疆棉花在促进当地经济社会发展、农业增产、农民增收以及保障中国棉纺织业原棉供给方面发挥着越来越重要的作用。

在众多的生态气候因素中，热量条件是影响新疆棉花种植的主要因素，其中，≥10 ℃积温、无霜冻期和7 月平均气温是主要影响因子[11，14-17]。由于新疆地形地貌复杂，气候类型多样，各地种植棉花的气候适宜性及品种选择差异较大[14-17]。加之受全球变暖的影响，20 世纪60 年代以来新疆气候呈显著的“暖湿化”趋势[18-19]，气温升高[18，20]，积温增多[20-21]，无霜冻期延长[22]，农业热量资源趋于丰富[20-22]，气候变化对新疆棉花的种植也产生了广泛而深刻的影响。宋艳玲等[23]利用动力评估模型模拟显示，气候变暖使新疆宜棉区扩大，棉花生育期延长，单产增加。普宗朝等[24-25]、李景林等[26]研究指出，热量资源匮乏是制约北疆棉花生产的主要气候因素，近50 年气候变暖，使该地区棉花适宜种植区明显扩大，不宜棉区缩小。张山清等[27]研究也表明，热量资源增多使该地区中熟和中早熟棉区扩大，早熟棉区变化不明显，特早熟棉区和不宜棉区减小。玉苏甫·买买提等[28]研究也证实，气候变暖、热量资源增加是近几十年渭干河至库车河三角洲棉花种植面积扩大、产量提高的主要自然因素。虽然近年来许多学者在气候变化对新疆棉花种植的影响方面开展了一些研究，但由于研究区域大多是局部的，且研究方法、区划指标和研究时段不统一，研究结果的可比性、适用性和科学性受到一定影响。因此，本文拟在对1961—2020 年影响新疆棉花种植的主要气候因素时空变化分析的基础上，就气候变暖背景下近60 年全疆不同熟性棉花品种适宜种植区的变化进行研究，以期为应对气候变化，科学制定棉花种植发展规划和品种布局，促进棉花生产高质量发展提供气候依据。

1 资料和方法

1.1 研究区概况

研究区为新疆全域，地理坐标73°40′～96°18′E，34°25′～48°10′N，面积为166.49×104km2，地形为“三山夹两盆”，北部阿尔泰山，南部为昆仑山系，天山横亘于中部，准噶尔盆地和塔里木盆地分别位于阿尔泰山与天山之间以及天山与昆仑山之间。新疆地势高差悬殊，最低点吐鲁番艾丁湖海拔-155 m，最高点喀喇昆仑山脉的主峰乔戈里峰海拔8611 m。

1.2 数据来源

使用新疆境内102 个气象站1961—2020 年历史气候资料，气象数据和新疆1∶50 000 地理信息数据来源于新疆气象信息中心，新疆边界审图号GS（2017）3320。研究区域地形和气象站点分布见图1。

图1 研究区地形和气象站点分布

1.3 研究方法

1.3.1 区划指标

根据前人研究成果，使用≥10 ℃积温、无霜冻期和7 月平均气温作为新疆棉花种植气候区划指标因子，各品种熟级划分标准见表1[14-16]，分区时，该3项指标因子须同时必备[14-16，24-27]。

表1 新疆棉区分区气候指标

1.3.2 气候要素变化趋势和突变特征分析方法

使用线性趋势、累积距平和t 检验[29]等方法研究分析1961—2020 年新疆棉花气候区划各指标气候要素的变化趋势和突变特征。

1.3.3 气候要素的栅格化数学模型

新疆地形地貌复杂，地势高差悬殊，气候类型多样[10-11]，但气象站点稀疏且分布不均，为提高各指标气候要素空间插值的精度，在GIS 平台上采用宏观地理因子的三维二次趋势面与反距离加权残差订正相结合的混合插值法对各指标要素进行250 m×250 m 栅格点的空间插值模拟[18-22]。

2 结果与分析

2.1 气候要素变化趋势

2.1.1 ≥10 ℃积温

1961—2020 年新疆≥10 ℃积温以65.80 ℃·d·（10 a）-1的倾向率呈极显著（P=0.001）增多趋势（图2a），60 年来增加了394.8 ℃·d。由≥10 ℃积温累积距平分析可知，1996 年出现了累积距平的最小值，对1961—1996 年与1997—2020 年≥10 ℃积温序列进行t 检验，|t0|=8.245 3＞tα=0.001，说明近60 年新疆≥10 ℃积温于1997 年发生突变，突变后较突变前全疆平均≥10 ℃积温增加了268.2 ℃·d，但各地变化具有区域性差异（图2b），北疆沿天山中西部、伊犁河谷、塔额盆地，南疆塔里木盆地南缘及东疆吐鲁番、哈密盆地北部增加300～450 ℃·d；北疆和东疆大部，南疆塔里木盆地中、东部增加200～300 ℃·d；塔里木盆地北部以及南北疆山前倾斜平原增加100～200 ℃·d，天山、阿尔泰山、昆仑山山区增加0～100 ℃·d，其中局部区域有所减少。

图2 1961—2020 年新疆≥10 ℃积温变化（a）以及突变前后变化量的空间分布（b）

2.1.2 无霜冻期

1961—2020 年新疆年无霜冻期以3.80 d/10 a 的倾向率呈极显著（P=0.001）的增加趋势（图3a），60年来增加了22.8 d。由无霜冻期累积距平的变化（图3a）可以看出，1996 年出现了最小值。对1961—1996年和1997—2020 年无霜冻期序列进行t 检验，|t0|=8.121 6＞tα=0.001，说明近60 年新疆无霜冻期于1997 年发生了突变。突变后较突变前全疆平均无霜冻期增加了13.5 d，但各地变化差异明显（图3b），北疆沿天山中西部、伊犁河谷、塔额盆地，南疆塔里木盆地南缘的部分区域，东疆吐鲁番、哈密盆地北部增加15～32 d；北疆和东疆大部，南疆塔里木盆地中、东部增加10～15 d；塔里木盆地北部以及南、北疆山前倾斜平原和山区增加5～10 d，局部区域增幅＜5 d。

图3 1961—2020 年新疆无霜冻期变化（a）以及突变前后变化量的空间分布（b）

2.1.3 7 月平均气温

1961—2020 年7 月平均气温以0.22 ℃/10 a的倾向率呈极显著（P=0.001）上升趋势（图4a），近60 年升高了1.33 ℃。1996 年出现了最小值。对1961—1996 年和1997—2020 年7 月平均气温进行t 检验，|t0|=4.117 说明近60 年新疆7 月平均气温于1997 年发生了突变，突变后较突变前全疆7 月平均气温升高了0.8 ℃。由升温幅度的空间分布（图4b）可知，天山、昆仑山和阿尔泰山高山带升温幅度较大，一般在1.5～2.7 ℃；中、低山带及山前倾斜平原以及伊犁河谷升高1.0～1.5 ℃；准噶尔盆地、塔里木盆地及吐鲁番盆地大部升高0.5～1.0 ℃；准噶尔盆地西南部、塔里木盆地西部升高0.0～0.5 ℃。

图4 1961—2020 年新疆7 月平均气温变化（a）以及突变前后变化量的空间分布（b）

2.2 气候要素空间分布及其变化

以近60 年各指标气候要素发生突变的1997 年为时间节点，对比分析1997 年前、后各要素值空间分布的变化[9，19-21]。

2.2.1 ≥10 ℃积温

由图5 可知，新疆≥10 ℃积温的空间分布总体呈现“南疆多，北疆少；平原和盆地多，山区少”的格局。以不同熟性棉花对≥10 ℃积温的要求分级（表1）的各等级积温分布可知，1997 年前，≥10 ℃积温多于4 500 ℃·d 的区域仅出现在南疆塔里木盆地东北部海拔低于550 m 的罗布泊以及东疆吐鲁番、哈密盆地海拔低于450 m 的盆地腹地；≥10 ℃积温为3 800～4 500 ℃·d 分布在塔里木盆地自北向南海拔不超过1 100～1 500 m 的区域，以及吐鲁番、哈密盆地海拔450～850 m 的边缘地带，另在准噶尔盆地西南缘海拔350 m 以下的局部区域也有少量出现。≥10 ℃积温为3 500～3 800℃·d 主要分布在塔里木盆地北部海拔1 100～1 400 m、南部1 400～1 700 m 的带状区域，吐鲁番、哈密盆地周边海拔850～1 200 m 的山前倾斜平原和丘陵地带，以及北疆准噶尔盆地南缘海拔不超过600 m 的区域；≥10 ℃积温为3 200～3 500 ℃·d 主要分布在南疆塔里木盆地北部海拔1 400～1 600 m、南部1 700～1 900 m，东疆吐鲁番、哈密盆地周边海拔1 200～1 400 m 的环形区域，以及准噶尔盆地海拔600～750 m 的范围内。塔里木盆地北部海拔1 600 m 以上、南部1 900 m 以上，吐鲁番、哈密盆地周边海拔1 400 m 以上，准噶尔盆地海拔750 m 以上的区域≥10 ℃积温不足3 200 ℃·d。

图5 1961—1996 年（a）和1997—2020 年（b）新疆≥10 ℃积温空间分布的比较

1997 年后较之前，≥10 ℃积温多于4 500 ℃·d 区域的海拔上限在塔里木盆抬升了150～200 m，在吐鲁番、哈密盆地抬升了200～250 m，面积明显扩大；3 800～4 500 ℃·d 区域的海拔上限在塔里木盆地抬升了约100～150 m，吐鲁番、哈密盆地抬升了150～200 m，准噶尔盆地南缘抬升了200 m；3 500～3 800 ℃·d 的海拔上限，南疆和东疆抬升了100～150 m，北疆抬升了约200 m；相应地，3 200～3 500℃·d 的区域，在南疆和东疆海拔上限抬升约100 m，北疆抬升150～200 m；全疆≥10 ℃积温不足3 200℃·d 的区域自南向北普遍向高海拔抬升并压缩了100～150 m。

2.2.2 无霜冻期

新疆无霜冻期的空间分布总体呈现“南疆长，北疆短；平原和盆地长，山区短”的格局（图6）。以不同熟性棉花对无霜冻期要求分级（表1）的各等级分布情况来看，1997 年前，无霜冻期≥200 d 的区域主要在塔里木盆地自北向南海拔高度900～1 400 m 以下的平原地带，另在吐鲁番、哈密盆地海拔不超过450 m 的盆地腹地也有少量分布。185～200 d 主要在塔里木盆地北部海拔900～1 200 m、南部海拔1 400～1 600 m 的山前倾斜平原，以及吐鲁番、哈密盆地海拔450～700 m 的盆地边缘地带，准噶尔盆地西南缘海拔低于400 m 的低平原地带也有一定规模。180～185 d 主要在塔里木盆地北部海拔1 200～1 300 m、南部1 600～1 700 m，准噶尔盆地南缘海拔400～500 m的平原地带，以及吐鲁番、哈密盆地海拔700～800 m的山前倾斜平原。175～180 d 在塔里木盆地北部海拔1 300～1 400 m、南部1 700～1 800 m，准噶尔盆地南缘海拔500～600 m 的平原地带，以及吐鲁番、哈密盆地海拔800～900 m 的山前倾斜平原。165～175 d的区域在塔里木盆地北部海拔1 400～1 500 m、南部海拔1 800～2 000 m 山前丘陵，准噶尔盆地海拔600～800 m 的冲击平原，以及吐鲁番、哈密盆地海拔900～1 100 m 的低山丘陵地带；其余区域无霜冻期不足165 d。

图6 1961—1996 年（a）和1997—2020 年（b）新疆无霜冻期空间分布的比较

1997 年后较之前，各级无霜冻期分布带的海拔上限均不同程度地抬升，其中，准噶尔盆地抬升250～350 m，吐鲁番、哈密盆地抬升200～300 m，塔里木盆地抬升100～200 m。受其影响，塔里木盆地自北向南海拔1 200～1 600 m 以下，吐鲁番、哈密盆地海拔700 m 以下几乎被无霜冻期≥200 d 所覆盖，另外，准噶尔盆地西南缘海拔低于400 m 的低平原地带也被无霜冻期≥200 d 所替代；无霜冻期185～200 d 的区域在塔里木盆地被明显压缩，而在准噶尔盆地则明显东扩北抬，面积扩大；各地无霜冻期180～185 d、175～180 d 及165～175 d 的区域向高海拔、高纬度地区转移，无霜冻期不足165 d 的区域被明显压缩。

2.2.3 7 月平均气温

新疆7 月平均气温空间分布总体呈现“平原和盆地高，山区低”的格局（图7）。以不同熟性棉花对7月平均气温要求分级（表1）的各等级分布情况来看，1997 年前，7 月平均气温29.0 ℃以上的区域仅在吐鲁番、哈密盆地海拔400 m 以下的盆地腹地有局部出现；25.5～29.0 ℃主要在塔里木盆地自北向南海拔低于1 100～1 500 m，吐鲁番、哈密盆地海拔400～1 100 m 以及准噶尔盆地南缘海拔低于500 m的区域；24.6～25.5 ℃在塔里木盆地自北向南海拔低于1 200～1 600 m，吐鲁番、哈密盆地海拔1 100～1 200 m，准噶尔盆地南缘海拔500～600 m 的区域；23.3～24.6 ℃在塔里木盆地北部海拔1 200～1 400 m、南部1 600～1 800 m，吐鲁番、哈密盆地海拔1 200～1 300 m，准噶尔盆地海拔600～700 m 的区域内；塔里木盆地北部海拔1 400～1 500 m、南部1 800～1 900 m，吐鲁番、哈密盆地海拔1 300～1 400 m 以及准噶尔盆地海拔700～800 m 的区域为23.0～23.3 ℃；塔里木盆地北部海拔1 500 m 以上、南部1 900 m以上，吐鲁番、哈密盆地海拔1 400 m 以上以及准噶尔盆地海拔800 m 以上的区域7 月平均气温低于23.0 ℃。

图7 1961—1996 年（a）和1997—2020 年（b）新疆7 月平均气温空间分布的比较

1997 年后较之前，7 月平均气温≥29.0 ℃的区域在吐鲁番、哈密盆地明显扩大，在塔里木盆地东北部罗布泊海拔700 m 以下的区域也有局部出现；25.5～29.0 ℃区域的海拔上限，准噶尔盆地上升了150～200 m，吐鲁番、哈密盆地上升了约250 m，南疆塔里木盆地上升100～150 m，面积有所扩大。与此同时，各地7 月平均气温24.6～25.5 ℃、23.3～24.6 ℃和23.0～23.3 ℃温度带的海拔上限较1997 年之前有不同程度的抬升，其中，准噶尔盆地上升100～150 m，吐鲁番、哈密盆地上升约200 m，塔里木盆地上升50～100 m，受其影响，7 月平均气温不足23.0 ℃的区域向高海拔退缩。

2.3 棉花气候适宜性分区及其变化

2.3.1 中熟棉区

中熟棉区是新疆最小的棉花种植气候分区（图8），1997 年前该区仅在吐鲁番、哈密盆地海拔不超过400 m 的盆地腹地有少量分布，面积仅16 565 km2，仅占新疆总面积的1.0%。1997 年后，吐鲁番、哈密盆地中熟棉区的海拔上限抬升至600 m，分布区域有所扩大，另在塔里木盆地东北部海拔700 m 以下的罗布泊也有一定规模的出现，面积增至48 252 km2，占全疆总面积的比率增加到2.9%，较1997 年前增加了31 687 km2和1.9%。

图8 1961—1996 年（a）和1997—2020 年（b）新疆棉花气候适宜性区划的比较

2.3.2 中早熟棉区

中早熟棉区是新疆最大的棉花种植气候分区（图8），1997 年前该区主要分布在塔里木盆地北部海拔800～1 000 m、南部1 000～1 300 m，以及吐鲁番、哈密盆地海拔400～650 m 的区域，在准噶尔盆地西南缘海拔不超过400 m 的区域也有少量出现，面积为487 088 km2，占新疆总面积的29.3%；1997年后较之前，中早熟棉区的海拔上限在塔里木盆地抬升了100～200 m，在吐鲁番、哈密盆地抬升150～250 m，在准噶尔盆地南缘抬升约250 m，面积增至494 802 km2，占全疆总面积的比率增大到29.7%，面积增加了7 713 km2。

2.3.3 早熟棉区

1997 年前，早熟棉区主要在准噶尔盆地南缘海拔400～550 m，吐鲁番、哈密盆地周边海拔650～900 m，塔里木盆地周边海拔1 100～1 400 m 的山前倾斜平原地带（图8），面积为115 054 km2，占新疆总面积的6.9%；1997 年后早熟棉区总体向高海拔地区抬升，在准噶尔盆地和吐鲁番、哈密盆地抬升了150～200 m，在塔里木盆地抬升了50～100 m，面积增至263 951 km2，占全疆总面积的比率增大到15.9%。

2.3.4 特早熟棉区

1997 年前，特早熟棉区主要在准噶尔盆地周边海拔550～700 m，吐鲁番、哈密盆地周边海拔900～1 200 m 以及塔里木盆地周边海拔1 200～1 500 m的带状区域内（图8），面积为125 384 km2，占全疆总面积的7.5%。1997 年后特早熟棉区向高海拔地区有所抬升并略有压缩，在准噶尔盆地和吐鲁番、哈密盆地抬升了100～150 m，在塔里木盆地抬升了50～100 m，面积减至96 753 km2，占全疆总面积的比率降至5.8%，面积减少了28 631 km2。

2.3.5 不宜棉区

阿尔泰山、天山和昆仑山区以及山前高海拔地带因热量条件不足，不宜种植棉花（图8）。1997 年前不宜棉区海拔下限大致为准噶尔盆地为700 m、塔里木盆地北部以及吐哈盆地为1 200 m、塔里木盆地南部为1 500 m，面积为920 919 km2，占全疆总面积的55.3%。1997 年后不宜棉区的海拔下限总体向高海拔抬升了50～150 m，面积降至761 097 km2，占全疆总面积的比率降至45.7%，面积减少了159 823 km2。

3 讨论与结论

3.1 讨论

（1）气候变暖使新疆宜棉区扩大，不宜棉区缩小；同时，生育期较长、产量较高的中熟、中早熟棉花适宜种植区扩大，特早熟棉花适宜种植区缩小，这与宋艳玲等[23]关于气候变暖对中国以及新疆棉花生产影响的研究结论基本一致。20 世纪90 年代中期以来新疆棉花生产进入快速发展阶段，种植面积、产量持续增长并长期位居全国首位，这除了与政策的支持以及栽培技术的提高等因素有关外[12-14]，与气候变暖对棉花生产的有利影响也密不可分[23-28]。

（2）值得说明的是，棉花的种植不仅受以热量条件为主的气候因素的影响，还与土壤、灌溉条件、种植技术以及市场状况等因素关系密切。因此，在本研究工作的基础上，统筹考虑自然、社会和经济因素对棉花生产的综合影响，制定更加符合新疆实际的棉花种植区划和发展规划，应是今后有关新疆棉花种植业发展的重点研究工作之一。

3.2 结论

（1）影响新疆棉花种植的主要热量要素≥10 ℃积温、无霜冻期和7 月平均气温总体呈现“南疆多，北疆，平原和盆地多、山区少”的空间分布格局。受气候变暖的影响，1961—2020 年全疆≥10 ℃积温和7月平均气温分别以65.80 ℃·d/10 a 和0.22 ℃/10 a的倾向率呈极显著（P=0.001）上升趋势，1961—2020年无霜冻期以3.80 d/10 a 的倾向率呈显著增多趋势，并均于1997 年发生突变。突变后较突变前，≥10 ℃积温和7 月平均气温分别升高了268.2 ℃·d和0.8 ℃，无霜冻期增加了13.5 d，但变化具有区域性差异。

（2）因热量条件不同，新疆各地适宜种植的棉花品种存在差异。1997 年前，中熟棉区仅在吐鲁番、哈密盆地腹地有少量出现；中早熟棉区分布在塔里木盆地以及吐鲁番、哈密盆地的大部分区域；早熟棉区主要分布在准噶尔盆地南缘低海拔区域，以及塔里木盆地、吐鲁番、哈密盆地及其周边山前倾斜平原地带；特早熟棉区主要在准噶尔盆地周边山前倾斜平原以及塔里木盆地和吐鲁番、哈密盆地周边低山带；上述各盆地周边中高山带因热量条件严重不足，为不宜棉区。1997 年后较之前，各棉区不同熟性棉花适宜种植区的海拔上限均有抬升，其中，在准噶尔盆地以及吐鲁番、哈密盆地抬升了150～200 m，在塔里木盆地抬升了50～100 m。全疆中熟、中早熟和早熟棉区占新疆总面积的百分率分别增大了1.9%、0.5%和8.9%，特早熟棉区和不宜棉区分别减小了1.7%和9.6%。