石河子棉花生长关键期与产量动态预报研究

苏朝丞，葛怡成，谢葭颖，许浩翊，王啸天

（1新疆天山区气象局，乌鲁木齐 830001；2乌鲁木齐市气象局，乌鲁木齐 830000；3石河子气象局，新疆石河子 832000）

0 引言

棉花是新疆主栽经济作物之一，2016—2020年新疆棉花种植面积为206.0万～254.1万hm2，播种面积平均递增幅度在5.1%左右。棉花总产4.078～5.161亿kg，产量平均递增6.2%。单位面积产量1970.0～2062.8 kg/hm2，单产波动在-4.0%～4.8%之间[1-2]。气象条件是产生棉花产量波动的重要因素，在较大程度上决定了棉花产量的丰歉和品质的优劣[3]。产量预报一直是各级政府及农业部门重点工作之一，产量预报已经成为合理安排农业生产的科学依据，对粮食安全预警和保障具有重要意义。并且气象产量预报是为地方服务的一项基本农业气象业务，可为地方有序安排农业生产提供科学依据。随着科学技术的进步和商业服务的拓展，农业产量预测的方法多年来不断更新[4-6]。国外对农作物产量动态预测的研究较多，在农业气象产量预测方面取得了许多成果[7]。多年来，农作物产量预报方法仍处于更新研究阶段，娄秀荣等[8]、杜春英等[9]、王贺然等[10]采用历史产量丰歉年型对应的气象影响因子建立作物产量动态模型；王建林等[11-12]采用综合聚类原理建立动态模型预测了玉米、棉花等作物的产量；潘学标等[13]采用COTGROW 模型模拟棉花生长发育预测干物质生产与分配过程；王雪姣等[14]运用COSIM模型建立动态模型预测新疆棉花产量。诸多研究为作物产量预报奠定了基础，并在粮食产量预报业务和服务运营中发挥了重要的作用。自英国遗传学家和统计学家费希尔(FISHER)提出积分回归分析方法得到广泛应用[15-17]，使产量预报准确率达到了较高的水准。贾建英等[18]采用积分回归法建立预报模型，预报甘肃省冬小麦产量的平均准确率达96%以上；朱海霞等[19]基于积分回归法建立黑龙江省春玉米、水稻和大豆单产动态预报研究模型，预报准确率平均为96%、95%和93%。运用积分回归法建立作物产量动态预报模型可实现产量预报的动态化和精细化[19]，可以满足业务服务的需要。鉴于新疆石河子地区现阶段棉花产量预报服务项目刚刚起步，筛选产量预报方法和准确率达到相应的要求，本研究对1968—2020年新疆石河子棉花产量资料与气候特征进行分析，采用积分回归方法建立棉花单产动态预报模型。开展积分回归法在石河子棉花产量动态预报的适用性研究，旨在实现石河子地区棉花的精细化、动态化及定量化产量预报。

1 材料与方法

1.1 资料来源

棉花播种面积、总产量、平均单产资料来源于石河子市统计局，资料年限为1968—2020年；气象资料来源于石河子市气象局所辖的石河子、莫索湾、炮台及乌兰乌苏国家气象基准站，包括1968—2020年逐日平均气温、日照时数和降水量。用1968—2017年资料建立积分回归产量预报模型；用后3年（2018、2019、2020年）验证产量预报模型的准确性。

1.2 研究方法

1.2.1 气象资料处理按照石河子地区棉花播种（4月下旬）至停止生长（10上旬）生长期以旬为单位划分为17 个时段，分别计算各个生育时段的平均气温、日照时数和降水量。在积分回归法[20-22]分析过程中，首先将棉花各个生育时段的气温、日照和降水资料标准化处理统一量纲，转化为新自变量。

1.2.2 产量资料处理棉花产量可视为由自然和非自然因素影响的结果，因此可将棉花产量y（实际产量）分解为趋势产量和气象产量[20-22]，见式(1)。趋势产量yt（也称为技术产量）代表历史时期社会生产力水平的产量分量，ym气象产量分量主要由天气气候条件决定的短周期变化波动产量。分解实际产量得到的气象产量为产量预报的因变量，气象产量计算如式(2)所示。趋势产量是假定在气象条件正常的情况下，起决定因素的是由品种改良、栽培技术措施的逐渐改善、管理水平的现代化等。一般情况下，趋势产量通常为时间（年份）的正函数，在时间序列上变化较平稳，特别是在较大的地域范围时更平稳。本研究根据实际产量采用三次多项式回归模拟石河子地区棉花趋势产量，见式(3)。

式中yt为趋势产量，x为年份序号。新疆石河子地区棉花实际产量、趋势产量和气象产量见图1。

图1 新疆石河子地区棉花实际单产、趋势产量和气象产量

1.2.3 积分回归法作物气象产量ym是由作物全生育期内气温、光照、水份（大气降水）气象条件共同影响的结果。棉花气象产量ym的积分回归法[23-24]模型见式(4)。

式中，c为积分常数；ym为气象产量，i=1,2,3,…,τ，τ为棉花生育期逐旬时段；t为时间段；αTi为标准化气温、αRi为标准化降水、αSi为标准化日照随时间t演变对产量影响的连续函数，表示t至t+Δt时段内标准化气温Ti(t)、标准化降水量Ri(t)和标准化日照时数Si(t)变化值对棉花产量形成的影响效应，即气象要素每变化一个标准化单位对棉花气象产量影响的平均值。

某时段或全生育期的温光水气象条件对气象产量的影响系数用式(5)计算。

式中，α(m)为棉花播种期至某生育阶段或至10月上旬气象要素对气象产量的影响系数；m为棉花播种至某生育阶段的旬数，αi(t)为第i旬气象要素对气象产量的影响系数，用式(6)计算。

根据气象产量与棉花全生育期温光水气象要素对气象产量影响系数的相关性，建立各个旬的棉花产量动态预报模型。利用DPS 数据处理系统计算逐旬积分回归影响系数。

2 结果与分析

2.1 温光水影响系数及棉花生长关键期

新疆石河子地区1968—2017年棉花生育期逐旬温、光、水积分回归影响系数与气象产量的复相关系数为R2=0.9723，F值为7.01，显著性通过了0.01 水平检验。图2所示，气温对石河子棉花气象产量影响最大，其次是日照时数对棉花气象产量的影响相对较小。石河子地区属于灌溉农业，因此大气降水对棉花气象产量影响不明显。影响系数αi(t)＞0气象要素对气象产量呈正效应，αi(t)＜0气象要素对气象产量呈负效应。

图2 1968—2017年石河子地区温光水积分回归影响系数时间变化

气温对石河子地区棉花气象产量的影响系数呈“两峰一谷”型，日照影响系数为“单峰”型，降水影响系数为“双峰双谷”型。

石河子地区棉花苗期气温要素是影响棉花生长的第一关键期，正效应波峰出现在5月中旬，标准化气温每升高1个单位，对棉花气象产量的影响系数为11.6，春季气温多变，常出现寒潮和“倒春寒”天气，气温升高有利棉花苗全苗壮。开花期气温要素是影响棉花生长的第二关键期，负效应波谷出现在7月上旬，标准化气温每升高1个单位，影响系数为-4.9，7月由于高温天气易造成棉花花蕾脱落，有效雷铃数减少，从而影响棉花产量。棉花裂铃始期气温要素是影响棉花生长第三关键期，正效应波峰出现在9月上旬，标准化气温每升高1个单位，影响系数为9.0，秋季气温下降或早霜严重影响棉花产量和质量，较高的气温有利于延长棉花吐絮期。

石河子地区光照资源丰富，是中国境内高值区之一[25]。棉花在开花期之前（5月上旬—6月下旬）光照对棉花产量影响系数趋于0，开花始期（7月上旬）至吐絮始期（8月下旬）光照对棉花气象产量影响系数正效应较为突出，7月份标准化光照每变化一个单位，影响系数为4.4。棉花开花期光照不足延迟花粉母细胞的形成,降低光合产物向棉铃的输出，使棉铃营养不足而脱落，并影响棉纤维的发育，从而影响产量和质量[26]。

石河子地区降水量较少，4—9月降水量平均为150 mm左右[26]，棉花生长用水主要以灌溉为主，因此，大气降水对棉花产量的影响也较小，标准化降水对棉花产量的影响系数在-1.7～1.8之间，仅为温度影响系数的1/5。

2.2 建立棉花气象产量动态预报模型

根据产量预报业务的规定，每年在7月中旬、8月中旬、9月中旬进行3 次产量预报，以此，利用1968—2017年资料分别建立了7月中旬、8月中旬、9月中旬的新疆石河子棉花气象产量动态预报模型，见表1。模型均通过了0.01水平的显著性检验。模型中ym气象产量，α(m)为播种至某旬的影响系数。

2.3 预报模型检验

采用2018—2020年标准化温、光、水气象资料，对表1建立的棉花产量预报模型进行试报，见表2。模型试报气象产量与实际产量对比，7月中旬、8月中旬、9月中旬棉花单产的3年平均预报准确率分别为85.1%、91.2%和94.3%。表现出预报模型越接近棉花吐絮期（作物成熟期）预报准确率越高的特点。

表2 石河子地区2018—2020年棉花产量预报模型准确率检验

3 讨论

（1）通过温光水三要素对棉花产量影响系数分析，棉花生长过程中有3 个温度关键期和1 个光照关键期。5月苗期和9月吐絮始期气温对棉花产量的影响系数为正效应，7月上中旬棉花开花期的气温升高对棉花产量的影响系数为负效应，7月开花期的光照对产量的影响系数为正效应，棉花气候关键期的分析结果，与王庆材等[26]、徐腊梅等[27]，刘婕等[28]、邹陈等[29]研究结果吻合。棉花苗期低温与春季霜冻、棉花吐絮始期的低温与秋季早霜冻对产量的影响达到极显著水平，开花期的高温热害和寡照易造成棉花雷铃脱落[30-31]，从而影响棉花产量。

（2）积分回归方法是考虑连续的气象条件对棉花产量的影响，可以有效克服时间上的间断对棉花产量预报准确率的影响。基于气象因子的产量预报方法本质仍属于数理统计建立的预报模型，期准确率依赖于数据的稳定性，若预报年发生极端天气和重大气象灾害，则影响预报准确率。预报模型的建立还应考虑作物受灾后生长机理自身的修复能力、人工干预等因素[32]。因此还应结合实地调研，建立多重模型，协同订正棉花产量预报准确率。在棉花产量预报因子的选择上，仅考虑温度、光照、水分气象因子还不够，应筛选更多的气象因子参与建模，以此提高产量预报模型的准确性和稳定性。

（3）根据作物生长过程，分析作物气候关键期，生物学意义明确，运用积分回归原理对作物产量进行动态预报，预报效果较好，可作为一种新的作物产量动态预报方法参与产量预报业务中。本研究基于积分回归法建立的石河子地区棉花单产动态预报模型虽然均通过了显著性检验，经预报模型检验发现，棉花生长前期动态预报效果不理想，越趋于成熟期准确率越高。因此，还需深化研究，在业务应用过程中不断改进完善。

4 结论

（1）气温对新疆石河子棉花气象产量的影响较大，苗期和吐絮始期气温为正效应关键期，开花期高温为负效应关键期。开花期光照对棉花产量呈正效应关键期。由于石河子地区属于灌溉农业自然降水量虽然呈正效应，但对气象产量的影响较小。

（2）建立的棉花气象产量动态预报模型对2018、2019、2020年新疆石河子地区棉花产量试报，7月中旬、8月中旬及9月中旬的平均准确率分别为85.1%、91.2%和94.3%。说明基于积分回归原理建立的棉花气象产量动态预报模型越接近成熟期准确率越高。此方法在产量预报业务中可结合其它产量预报方法订正使用。