南疆阿拉尔垦区棉花物候期变化的关键气候驱动因子分析

程 珍 牛建龙， 马玉婷 王 煜 蒋学玮柳维扬， 唐晓璇

（1塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔 843300；2南疆干旱区特色作物遗传改良与高效生产兵团重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；3塔里木绿洲农业教育部重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；4塔里木大学园艺与林学学院，新疆 阿拉尔 843300）

物候学是研究自然界动植物和环境条件（气候、水文和土壤条件）周期变化及其相互关系的科学［1］，能客观反映作物生长发育对气候变化的响应［2］。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次报告指出，2011—2020年全球地表平均温度比1850—1900 年间平均温度高1.09 ℃［3］，2016—2020年是人类有记录以来最热的5年［4-5］。20世纪90年代后期，新疆北部出现由暖干向暖湿的信号转变，新疆南部阿克苏地区、阿拉尔垦区年平均气温和降水量均呈现增加趋势，且年平均气温的增幅快于年降水量的增幅［6-8］，这种以温度升高为主要标志的气候变化已对作物物候期时间分配及其动态变化产生严重影响，对农业高产稳产造成严重威胁［9］。目前，国内外学者对物候期变化的气候响应研究主要集中在小麦、水稻、玉米、青稞等粮食作物上［10-16］，对棉花物候期变化的气候响应研究主要集中在河北省、陕西省、河西走廊和新疆北疆地区［17-22］，主要表现在气温升高总体上导致我国棉花主产区棉花出苗期、现蕾期、开花期、吐絮期呈现提前趋势，播种期、成熟期呈现推迟趋势［17］。平均气温的升高和≥0 ℃活动积温的增加是河北省棉花播种期、出苗期、现蕾期、开花期和吐絮期提前的主要气候驱动因子［18］；春季平均气温的升高是河西走廊棉花播种期提前的主要气候驱动因子［19］；温度升高和日照时数的增加对陕西省棉花苗期到收获期的提前均起到促进作用，以对出苗期和收获期的提前影响最显著［20］。新疆地区棉花物候期空间差异显著，生长季开始期由南向北呈现推迟趋势，生长季结束期呈现提前趋势，气温升高导致新疆大部分地区棉花播种期、出苗期、现蕾期和开花期呈现提前趋势，吐絮期和停止生长期呈现推迟趋势［21-22］。以往研究主要偏重于棉花物候期的总体变化及其气候驱动研究，对南疆地区棉花物候期阶段性变化及其关键气候驱动研究较少。

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。垦区光热资源丰富，降水量极为稀少，干燥度均在16 以上［23］，属于典型的暖温带极端大陆性干旱荒漠气候［24］。20世纪90年代以来，垦区棉花种植面积逐年增大，至2019 年达232.51 万亩，占垦区作物种植面积的85.8%，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［25］。本研究选取1990—2020 年南疆阿拉尔垦区棉花物候期及同期地面气象观测资料，重点分析垦区棉花物候期变化规律及其关键气候驱动因子，旨在为提高垦区棉田气候变化适应能力提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

1990—2020 年南疆阿拉尔垦区棉花物候期数据和同期地面气象数据均来源于新疆阿拉尔市气象局。其中，棉花物候期主要包括播种期、出苗期、现蕾期、开花期、吐絮期和停止生长期共6个生长阶段；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。

1.2 研究方法

1.2.1 棉花物候期/气候要素倾向率 棉花物候期/气候要素随时间序列的动态变化可用一次线性方程表示。如公式1所示：

式中，x为要素值；a 为常数项；b 为回归系数；i为时间序列。文中倾向率等于回归系数，采用最小二乘法［26］计算。

1.2.2 棉花物候期/气候要素变化的显著性 棉花物候期/气候要素随时间序列的动态变化主要利用slope函数［27］求算。如公式2所示：

式中，slope为变化率；m为时间序列长度；Qi为某一年的要素值。slope＞0 为提前趋势，反之为推迟趋势。文中采用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）两个等级。

1.2.3 Mann-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，能客观反映棉花物候期随时间序列的突变［28］。当UFk和UBk两条曲线在临界线之间出现交点，则交点对应的时刻即为突变开始的时间。文中给定显著性水平α= 0.05，所对应的临界值为±1.96。

1.2.4 优势主导分析方法 气候要素对棉花物候期变化的贡献率主要采用优势主导分析方法［29］，该方法的优点在物候期变化与同期气候要素显著相关的基础上，各气候要素对棉花物候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示，其相对重要性更为直观和准确［29］。

2 结果与分析

2.1 棉花物候期变化趋势及其突变

1990—2020 年南疆阿拉尔垦区棉花物候期出现时间及其变化趋势分别如表1 和图1 所示。1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花平均播种期、出苗期、现蕾期、开花期、吐絮期和停止生长期分别出现在4月14日、4月29日、6月3日、7月2日、9月17日和10月20日，极差分别为25、22、21、22、44 和23 d（表1）。其中，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呈现显著提前趋势，吐絮期呈现不显著提前趋势，提前速率分别为0.279、0.231、0.025、0.043 和0.408 d·a-1，1990—2020 年分别累计提前了8.37、6.93、0.75、1.29和12.24 d；现蕾期呈现不显著推迟趋势，推迟速率为0.003 d·a-1，1990—2020 年累计推迟了0.09 d（图1）。

图1 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花物候期变化趋势Fig.1 Trends of cotton phenological period in Alar reclamation in southern Xinjiang from 1990 to 2020

表1 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花物候期出现时间Table 1 Time of occurrence on cotton phenological period in Alar reclamation of southern Xinjiang from 1990 to 2020

1990—2020 年南疆阿拉尔垦区棉花物候期M-K突变结果及其阶段性变化如图1所示。1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花现蕾期和吐絮期分别在2000 和2010 年出现突变，开花期在2000 和2010 年出现突变，主要表现在1990—2000 年棉花现蕾期呈现不显著推迟趋势，2001—2020 年棉花现蕾期呈现显著推迟趋势，推迟速率分别为0.773 和0.153 d·a-1；1990—2000和2001—2010 年棉花开花期均呈现不显著推迟趋势，2011—2020 年棉花开花期呈现不显著提前趋势，变化速率分别为0.555、0.206和0.812 d·a-1；1990—2010和2011—2020 年棉花吐絮期均呈现不显著提前趋势，提前速率分别为0.460 和2.164 d·a-1；棉花播种期、出苗期和停止生长期阶段性变化特征不明显。

2.2 棉花物候期同期气候要素变化趋势

1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花物候期同期气候要素变化趋势如图2所示。1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花播种期最高气温和出苗期最低气温均呈现显著升高趋势，升高速率分别为0.005和0.037 ℃·a-1；现蕾期最低气温呈现极显著升高趋势，日照时数呈现显著减少趋势，变化速率分别为0.032 ℃·a-1和0.056 h·a-1；开花期气温日较差呈现显著增大趋势，最高气温、最低气温和日照时数均呈现显著降低趋势，日照时数呈现极显著减少趋势，变化速率分别为0.025、0.001、0.026 ℃·a-1和0.013 h·a-1；吐絮期降水量呈现极显著增加趋势，增加速率为0.034 mm·a-1；停止生长期气温日较差和日照时数均呈现极显著减小（减少）趋势，相对湿度呈现显著减小趋势，减小速率分别为0.091 ℃·a-1、0.021 h·a-1和0.207个百分点·a-1。

图2 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花物候期同期气候要素变化趋势Fig.2 Trends of climate factors change on cotton phenological period in Alar reclamation in southern Xinjiang from 1990 to 2020

1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花现蕾期、开花期和吐絮期气候要素阶段性变化趋势如表2所示。1990—2000 年棉花现蕾期最低气温呈现极显著降低趋势，2001—2020 年最低气温和降水量均呈现极显著降低（减少）趋势，日照时数呈现显著增加趋势，变化速率分别为0.002、0.005 ℃·a-1、0.029 mm·a-1和0.059 h·a-1；1990—2000 年棉花开花期相对湿度呈现极显著减小趋势，最低气温呈现显著升高趋势，2001—2010 年平均气温和最低气温均呈现显著升高趋势，最高气温和日照时数均呈现显著降低（减少）趋势，2011—2020 年气温日较差和日照时数均呈现显著增大（加）趋势，最低气温呈现极显著降低趋势，变化速率分别为0.024个百分点·a-1、0.003、0.015和0.001、0.215 ℃·a-1、0.292 h·a-1和0.249 ℃·a-1；1990—2010 年棉花吐絮期最高气温、日照时数和相对湿度均呈现显著降低（减少）趋势，2011—2020 年降水量呈现极显著增加趋势，变化速率分别为0.004 ℃·a-1、0.018 h·a-1、0.034 个百分点·a-1和0.011 mm·a-1。

表2 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花现蕾期、开花期和吐絮期同期气候要素阶段性变化趋势Table 2 Trends of climate factors change in squaring stage，flowering stage and boll opening stage on cotton phenological period in Alar reclamation in southern Xinjiang from 1990 to 2020

2.3 同期气候要素对棉花物候期变化的影响程度

1990—2020 年南疆阿拉尔垦区主要气候要素对同期棉花物候期变化的影响程度分别如图3 和图4 所示。1990—2020 年棉花播种期的提前与最高气温和平均气温的升高均呈显著正相关，各影响因子贡献率分别为47.61%和52.39%；出苗期的提前仅与气温日较差的增大呈显著负相关，贡献率达100%。现蕾期的推迟与降水量的减少呈极显著正相关，与相对湿度的减小呈显著正相关，各影响因子贡献率分别为60.55%和39.45%，主要表现在1990—2000 年现蕾期阶段性推迟与降水量的减少呈极显著正相关，与相对湿度的减小呈显著正相关，各影响因子贡献率分别为57.04%和42.96%，2001—2020 年现蕾期阶段性推迟与气候要素关系不大。1990—2000 年开花期阶段性的推迟仅与气温日较差减小呈显著负相关，贡献率达100%，2001—2010 年开花期的阶段性推迟、2011—2020 年的阶段性提前和1990—2020 年的提前与气候要素关系不明显。吐絮期的提前与最高气温、最低气温和平均气温的升高呈极显著负相关，与气温日较差的减小呈显著正相关，各影响因子贡献率分别为22.02%、31.35%、30.59%和16.04%，主要表现在1990—2010 年吐絮期阶段性提前与最高气温降低、最低气温和平均气温升高均呈极显著负相关，与降水量的增多呈显著正相关，各影响因子贡献率分别为23.00%、30.57%、30.89%和15.54%。2011—2020 年吐絮期阶段性提前与气温日较差的减小呈极显著正相关，与最低气温和平均气温的升高呈极显著负相关，各影响因子贡献率分别为32.65%、36.46%和30.89%。停止生长期的提前仅与最高气温的升高呈显著负相关，贡献率达100%。

图3 1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花物候期变化与同期主要气候要素的相关性Fig.3 The correlation between cotton phenological period and corresponding period major climate factors in Alar reclamation of southern Xinjiang from 1990 to 2020

图4 1990—2020年南疆阿拉尔垦区主要气候要素变化对同期棉花物候期变化的贡献率Fig.4 The contribution rate of major climate factors change on corresponding period cotton phenological period change in Alar reclamation of southern Xinjiang from 1990 to 2020

3 讨论

3.1 全球气候变暖背景下不同地区棉花物候期的差异性

全球气候变暖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变化［30-32］，进而造成不同地区作物物候期时间分配及其动态变化存在明显差异性［17-22］。本研究发现，1990—2020 年南疆阿拉尔垦区棉花播种期、出苗期、开花期、吐絮期和停止生长期均呈现提前趋势，现蕾期呈现推迟趋势，与河北省、陕西省棉花播种期、出苗期、开花期和吐絮期呈现提前趋势的结论一致［18，20］，与河西走廊棉花播种期呈现提前趋势的结论一致［19］，与新疆大部分地区棉花播种期、出苗期和开花期呈现提前趋势的结论一致［22］，这表明全球气候变暖大背景下我国不同地区棉花物候期总体上呈现不同程度的提前趋势；与河北省、陕西省和新疆大部分地区棉花现蕾期呈现提前趋势的结论不一致［18，20，22］，这主要与不同地区棉花品种类型及更替快慢、田间管理措施改变、区域地理环境差异和研究所选取资料的时间序列长短不同有关。

3.2 气候变化对不同地区棉花物候期变化的影响程度

气候变化对不同地区作物物候期时间分配及其动态变化的影响程度不尽相同［17-22］，气候变暖总体上有利于我国小麦、玉米、水稻等粮食作物主产区春季适宜播种期的提前、冬小麦秋季适宜播种期的提前和传统作物品种物候期的缩短［10-16］。本研究发现，1990—2020年南疆阿拉尔垦区平均气温的升高、气温日较差的增大、最低气温的升高和最高气温的升高分别是棉花播种期、出苗期、吐絮期和停止生长期提前的主要气候驱动因子，这表明气温升高总体上有利于垦区棉花物候期的提前，与气温升高是导致河北省、陕西省和新疆大部分地区棉花物候期总体呈现提前趋势的结论较一致［18，20，22］，与气温升高是导致我国主产棉区棉花出苗期、现蕾期、开花期、吐絮期呈现提前趋势，播种期、成熟期呈现推迟趋势的结论不完全一致［17］；1990—2020年南疆阿拉尔垦区棉花现蕾期的推迟主要以降水量的减少影响为主，相对湿度的减小影响为辅，表明大气降水不足及大气干燥不利于垦区棉花现蕾期的提前，这可能与期间棉花叶片生长受限，导致棉花叶面积缩小与光合作用效率的降低有关。

3.3 基于棉花物候期的气候变化应对与适应策略

作物物候期的提前或推迟会导致作物生育期的缩短或延长，直接决定着作物产量的高低［33］，对预测作物产量、调控作物生长发育和合理布局具有重要意义［34］。本研究发现，1990—2020 年南疆阿拉尔垦区温度升高总体上有利于棉花播种期、出苗期、吐絮期和停止生长期的提前，降水量减少和相对湿度的减小将会导致垦区棉花现蕾期的推迟，这就需要当地有关部门高度重视气候变化对棉花物候期的影响，因地制宜，因时制宜，通过改革棉花种植制度、调整棉花品种与结构布局、调控棉田温湿环境等多途径改变棉花生长物候期，以确保区域棉花高产稳产。本研究仅从区域尺度分析垦区棉花物候期变化的关键气候驱动，今后有待于加强棉花品种更替、田间管理措施和生态气候因子综合作用对棉花生长发育、产量及其品质的影响研究。

4 结论

1990—2020 年南疆阿拉尔垦区物候期的变化是由多种气候因子综合作用的结果，平均气温的升高、气温日较差的增大、最低气温的升高和最高气温的升高分别是垦区棉花播种期、出苗期、吐絮期和停止生长期提前的主要气候驱动因子，降水量的减少是垦区棉花现蕾期推迟的主要气候驱动因子。