气候变暖背景下中国三大棉区水热时空变化

气候变化背景下,我国棉区气候资源也发生了相应的变化。研究棉花各生育期的水热时空变化特征,并提出相应技术与策略,对气候变化背景下稳定我国棉花生产具有重要意义。本文基于我国三大棉区——西北内陆(总产占全国80%以上,包括北疆亚区、南疆亚区、东疆亚区及河西走廊亚区)、黄河流域及长江流域棉区377个气象站点的逐日气象数据和50个农业气象试验站的物候期数据,分析了1961—2017年棉花各生育阶段及全生育期的生长度日(GDD)、高温度日(HDD)、降水量及其气候倾向率的时空分布,并提出应对策略。结果显示,1)1961—2017年,三大棉区GDD总体呈增加趋势,全生育期有94.16%的站点棉花GDD呈增加的趋势,各生育阶段GDD倾向率高值(除播种—出苗、吐絮—收获期)主要分布在东疆亚区的淖毛湖、哈密、伊吾及红柳河一带,河西走廊亚区的酒泉、高台及张掖一带,其次是北疆亚区。2)各生育时期HDD空间分布差异明显,现蕾—开花期、开花—吐絮期HDD总体呈增加趋势,分别有85.94%和76.40%站点棉花HDD呈现增加趋势;花铃期前后,长江下游亚区东部、南疆与北疆亚区东部、东疆亚区、河西走廊亚区西部、黄河流域棉区的特早熟亚区西北部及长江流域棉区的长江上游亚区东部棉区,棉花HDD增加趋势明显,高温风险较大;总体上高温风险最小的是北疆亚区。3)棉花全生育期降水量在长江流域的长江中游亚区、长江下游亚区与西北内陆棉区大部呈增加趋势,其他地区均呈减少趋势;棉花全生育期降水量出现北移现象,西北内陆棉区降水量的高值主要分布在北疆亚区,且增加最多。播种—出苗期,除北疆亚区降水量明显增加外,全国大部分棉区干旱风险呈增加趋势。三大棉区GDD总体上均呈现增加的趋势,有利于棉区的扩大与高产优质的潜力挖掘,但需选用具有高产潜力的品种;西北内陆棉区现蕾—吐絮期,在南疆亚区与北疆亚区东部、东疆亚区、河西走廊亚区西部棉花种植存在极端高温风险,生产上需选用抗高温品种,合理水肥运筹等措施,来应对极端高温风险的增加;黄河流域棉区和长江流域棉区北部,干旱风险增加,生产上应采用适当的抗旱品种,采取配套抗旱栽培管理措施来降低气候变化带来的干旱风险。     

新疆南部棉区气候与品种配置

本文通过田间不同开花期挂牌单铃品质鉴定资料,分析棉纤维伸长和细胞壁增厚时期所要求的温度和积温指标,结合南北疆棉区花铃期热量条件对比,笔者认为南疆棉区种植中熟棉品种,铃期热量条件不足,加之秋后夜间低温频繁,是造成南疆棉单强低,含糖量高的气候原因。因此南疆棉区应种植早熟品种并采取促进早熟措施,是提高棉纤维品质的关键所在。     

天山北坡经济带棉花精细化气候区划研究

探索气候变化对新疆天山北坡经济带棉花种植区划的影响,对新疆棉花产业的发展规划具有重要意义。利用1961—2010年天山北坡经济带棉区11个代表站的气象资料,采用气候倾向率、滑动t-检验、MannKendall法和IDW插值等方法,同时以≥10℃积温、7月平均气温和无霜期3个气候要素作为衡量棉花气候区划的指标,通过GIS技术研究各年代棉花种植区划的风险棉区、次宜棉区和宜棉区的变化。结果表明,近50年,新疆天山北坡经济带7月平均气温、无霜期和≥l0℃积温,分别以0.05℃?10a?1、2.9 d?10a?1和64.6℃?d?10a?1的速率升高、延长和增多。受气候变暖的影响,天山北坡经济带棉花区划总体呈现风险棉区向东缩小并南移、次宜棉区向东缩小和宜棉区南移并东西双向扩展的变化特征。21世纪前10年与20世纪60年代相比,风险棉区从石河子市站点附近以及呼图壁县以东广大地区缩小至乌鲁木齐市站点附近,面积缩小98.4%,减少至3.6×102 km2;次宜棉区从原来的呼图壁县以西的大部分县市缩小至乌鲁木齐市站点以南的地区,面积缩小88.0%,减少至8.6×103 km2;宜棉区面积则增加18.4倍,达9.2×104 km2,占天山北坡经济带棉花总分区的91.2%。随着气候变化天山北坡经济带适宜种植棉花的潜在区域不断扩大,21世纪之后宜棉区已成为天山北坡经济带棉区的主体,有利于当地棉花产业的合理布局,对促进天山北坡经济带棉花产业的稳步发展具有现实意义。     

气候变化对新疆地区棉花生产的影响

经分析发现新疆棉区近50年来气侯变暖变湿并且日照时数明显减少。利用COPRAS动力评估模型研究得出：气侯变化对新疆棉区不同区域的棉花生长发育影响是不同的，北疆棉区、南疆盆地西缘区和南疆盆地东缘区棉花的开花期和吐絮期明显提前，棉花停止生长期明显延后，70年代、80年代和90年代比60年代全生育期分别平均延长8．2d、2．4d和5．2d；近50年来新疆地区棉花模拟产量明显增加，平均增产为15．7kg/hm^2/10年，尤其在北疆棉区。棉花模拟产量波动性明显加强，说明受气侯变化的影响棉花生产风险也在加大。     

棉花剪无效花铃指标确定及预测模型探讨

根据试验和调查,确定铃重〈２．５ｇ作为关中棉区无效花铃的铃重指标,根据铃重与花铃期热量条件折定量关系,给出了关中棉区无效花铃的热量指标为〈２３５℃．ｄ（日平均气温≥１５℃有效积温）,提出了推算剪无效花铃日期的方法,建立了关中棉区剪无效花铃时间段的马尔柯夫链预测模型,并进行了实例分析和回代,效果好。     

北疆棉花典型丰歉年的气象条件对比分析

以北疆典型植棉区农六师为例,通过对农六师1981-2007年气温、积温、无霜期以及各生育时期温度、降水、日照等气象资料进行整理汇总,并结合农六师阶段棉花单产,选取两个连续的丰歉年份为代表,进行气象条件的比较分析。初步得出北疆棉区丰歉年的主要气象条件评价指标,其中,丰产年为全年≥10℃积温大于3600℃.d,7月份平均气温高于25℃,无霜期大于170d,歉产年全年≥10℃积温小于3300℃.d,7月份平均气温低于24℃,无霜期小于160d;造成丰歉年产量差异的主要原因是中后期热量不足,及受夏秋季低温等不利气候条件的影响。研究结果可为棉花的栽培管理、气候评价和种植结构调整提供理论依据。     

新疆棉花低温冷害逐步回归预测模型

为及时采取防御措施和减轻低温冷害对新疆棉花生产的严重影响,利用1961-2005年逐日平均温度资料、棉花多年产量和发育期资料,计算了新疆主要棉区棉花的热量指数,确定了低温冷害的热量指数指标,可以较好地判断预报年新疆主要棉区的冷害发生情况及灾害程度.在此基础上以74类大气环流特征量为预测因子,从棉花的播种期开始到停止生长,逐月滚动建立了各个棉区热量指数的逐步回归模型.各月模型的预测准确率达到90%以上,能较好地预测该区棉花生长季内的热量状况;且可以看出,预报月前期的高纬度极涡环流系统的特征对新疆棉花生长的热量条件有着重要影响.从研究结果可知,通过运用滚动预报的方法,可以有效地提高预测棉花生长季内热量指数的准确率,从而更准确地预测冷害发生年,为棉花生产布局和及时采取防冻措施提供参考.     

我国主产棉区棉花纤维品质性状的区域分布特征

我国主产棉区及其亚区的棉纤维品质区域特征明显,适时评价各棉区的纤维品质发展现状有助于稳定优势棉花产区和促进特色棉花产区的发展。本研究采用GGE双标图分析了2011—2015年全国棉花品种区域试验中各亚区环境与纤维品质性状的互作模式,分析比较了各主产棉区和亚区的纤维品质特征。结果表明:1)在主产棉区尺度上,长江流域棉区纤维长度和比强度最好,并且都达到了国家棉花品种审定的Ⅱ级标准,而马克隆值和纺纱均匀性指数居中;黄河流域棉区的纤维长度和比强度较好,但马克隆值偏高;西北内陆棉区的马克隆值和纺纱均匀性指数表现最好,纤维长度和马克隆值达到了国家棉花品种审定的Ⅱ级标准,但比强度在三大棉区中表现最差。2)在棉花亚区尺度上,纤维长度表现以长江下游和长江上游亚区为最好,黄土高原亚区稍差,其余亚区表现较好;比强度表现以长江下游、长江中游、淮北平原、南襄盆地和黄土高原最好,而南疆棉区、长江上游和北疆棉区比强度稍差;马克隆值以北疆棉区、南疆棉区和长江上游表现最好,而黄土高原、淮北平原、长江中游和华北平原的马克隆值偏高。3)在纤维品质的综合表现上,北疆棉区、长江下游、长江上游和南疆棉区的纤维品质综合表现最好,淮北平原、长江中游和南襄盆地次之,华北平原和黄土高原稍差。本研究展示了GGE双标图的"环境?性状"功能图在纤维品质区域特征评价方面的应用效果,可为我国棉花优势产区发展和棉纺企业合理用棉提供理论依据,也对全国棉花纤维品质生态区划分具有指导意义。     

气候突变后伊犁河谷两熟制作物种植区的变化及风险分析

利用伊犁河谷10个气象台站1961-2010年≥0℃和≥10℃积温、无霜期逐日气象数据指标,采用线性趋势分析、累积距平及t-检验和空间插值等方法对伊犁河谷热量资源的时空特征进行分析;结合当地两熟制种植方式即冬小麦-早熟玉米、冬小麦-早熟大豆和冬小麦-牧草对热量条件的要求,分析了气候突变前后两熟制种植区的变化情况;利用突变后历年热量资料计算各地热量大于两熟制所需热量临界值的保证率,分析了两熟制种植区的气候风险.结果表明,（1）50a来伊犁河谷≥0℃和≥10℃积温、无霜期分别以89.9℃·d/10a、88.0℃·d/10a及5.4d/10a的倾向率上升（P＜0.05）,并均在1997年发生了突变.（2）突变后伊犁河谷热量资源在空间分布上总体呈平原最多,丘陵次之,山区最少的特点.（3）伊犁河谷各区域突变前热量条件无法满足两熟制种植要求,突变后平原区域≥0℃和≥10℃积温、无霜期年平均分别达4217.7℃·d、3649.6℃·d和197d,均超过两熟制热量要求,且最低热量条件保证率85.7％,成为伊犁河谷两熟制最适宜种植区,若平原麦后复播大豆,其热量保证率可达93％以上,但复种早熟玉米仍有一定风险.研究结果可为伊犁河谷乃至整个北疆地区发展多熟制种植提供理论依据.     

种植密度对新疆膜下滴灌棉花群体光合速率、冠层结构及产量的影响

田间试验研究了3个水平的种植密度(21万株/hm2、24万株/hm2、27万株/hm2)对膜下滴灌棉花群体光合速率(CAP)、冠层结构及产量的影响。结果表明北疆棉区适宜播种条件下,24万株/hm2密度的群体冠层结构优于其他密度,生育后期仍可保持较高CAP,叶面积指数高值持续期进入早、持续时间长,光合物质累积多且分配到生殖器官中的比例大,皮棉产量较高。     

水肥耦合效应研究与新疆棉区可持续发展

新疆作为我国最大的植棉区,其适宜的宜棉条件促进新疆棉区的迅速发展,但水资源短缺和土壤肥力低下成为限制新疆棉区发展的主要因素,要实现新疆棉区高产、优质、高效可持续发展,为达到目的必须研究水肥耦合效应。讨论了新疆棉区可持续发展的限制因素、肥水关系、水肥耦合的研究现状以及水肥耦合研究对新疆棉区的重要意义。     

新疆棉花播种-开花期低温冷害的初步判断

参考新疆不同棉区地膜栽培棉花的气候减产年方面的研究，结合各监测点的农业气象资料和单产资料，初步研究不同棉区棉花播种-开花期低温冷害判别的气象指标。结果表明：当北疆棉区6月月平均气温距平≤-0．5℃，南疆棉区5—6月气温持续偏低且月气温距平均≤-0．5℃、或棉花的开花日期滞后，其中喀什棉区棉花开花期比常年晚5d以上，石河子棉区、博州、巴州和阿克苏棉区晚3d以上时、或当6—8月中至少有两个月的月气温为负距平、且6—8月的平均气温距平在0～-0．4℃时，就可能出现一般气候减产年。而当6—8月各月的气温距平均为负值，且其平均气温距平≤-0．5℃时，就可能出现严重的气候减产年。研究结果为当地棉花生产防灾减灾提供参考。     

新疆棉花种植面积的时空变化及适度规模研究

本研究通过对建国以来新疆植棉业的调查数据进行统计分析, 探究其时序演变规律和空间分布特点,并运用模糊数学理论和层次分析法, 构建植棉规模及其影响因素的交互作用模型, 揭示新疆植棉业发展的适度规模。研究结果表明: (1)1949 年以来, 新疆植棉规模不断扩大, 从1949 年的33.41×10³ hm² 上升到2007 年的1 782.60×10³ hm², 且表现出明显的阶段性和波动性; 三大棉区即南疆棉区、北疆棉区、东疆棉区变化特点各异, 其中南疆棉区起主导作用; 按绿洲分类棉区中, 以塔里木盆地绿洲棉区和西北沿边绿洲棉区变化明显。(2)现有条件下, 整个新疆棉花种植经营适度规模以800×10³~1 000×10³ hm² 为最优, 600×10³~800×10³ hm² 次之,400×10³～600×10³ hm² 再次之, ＞1 000×10³ hm² 最差。该规模标准可作为制定新疆植棉业发展、安排植棉业经济投入和劳动力投入、进一步优化农业产业结构的依据。     

基于GIS的内蒙古东部地区玉米低温冷害精细化风险区划

通过分析内蒙古东部地区的热量条件、热量条件变异性及低温冷害发生频率,得出低温冷害综合风险指数,运用逐步回归建立其与地理信息的空间推算模型,基于GIS和1∶5万地理信息数据,对玉米低温冷害风险进行空间展布并分区,得出内蒙古东部地区玉米低温冷害精细化风险区划图。结果表明,低温冷害高风险区位于纬度和海拔较高的呼伦贝尔市北部和西部地区;通辽市中南部、赤峰市东南部和兴安盟南部等海拔较低、地势相对平坦的地区低温冷害风险最低;低温冷害风险程度基本呈西北-东南向带状分布,受海拔高度及地形、地势等因素的影响,低温冷害风险分布又具有错落的局地性特点。研究结果有利于规避玉米低温冷害风险,发掘可利用气候资源,优化种植结构和布局,保障区域粮食安全。     

河北棉区气候影响效应的时空变化

河北棉区位于棉花种植北界,该区南北跨度大,气候差异显著,棉花产量对气候条件的反映较敏感。本文利用河北省棉区1965-2005年的光、温、水与棉花产量资料,采用积分回归方法,首先确定影响河北省各棉区棉花产量的关键气候因子;其次,分别根据降水、气温、日照时数对棉花产量影响效应系数,把河北棉区各分为3个降水影响区、3个气温影响区和3个日照影响区;最后,采用滑动积分回归方法,分析各棉区3个因子对棉花产量影响效应的年际变化。     

气候变暖背景下南疆棉花种植区划的变化

利用南疆地区52个气象台站1961-2013年逐年≥10℃积温、无霜冻期和最热月(7月)平均气温资料,使用线性趋势分析、累积距平和t检验以及基于Arc GIS的混合插值法对各热量要素的时空变化进行分析;结合新疆棉花种植气候区划指标,对比分析了1997年前后南疆棉花种植气候区划的变化。结果表明:南疆地区热量资源的空间分布总体呈现平原和盆地多,山区少的特点。全球变暖背景下,近53a,南疆地区≥l0℃积温、无霜冻期和7月平均气温分别以56.64℃?d?10a-1、3.15d?10a-1和0.15℃?10a-1(P0.05)的倾向率呈显著上升趋势,并分别于1997、1997和1994年发生突变,受其影响,1997年后较其之前,南疆地区中熟棉、中早熟棉区面积分别扩大17682km2和43033km2,早熟棉区面积变化不明显,特早熟棉区和不宜棉区分别减少4940km2和56589km2。     

新疆棉花遥感监测识别区域的划分

对新疆棉花遥感监测识别区域进行划分,其目的是为新疆棉花监测运行系统中的样点布设、遥感信息获取和处理、遥感最佳时相的选择、作物识别和面积估测等提供科学依据.以遥感监测区划的原则、依据和指标为指导,以新疆遥感图像数据库、地理基础与专题图空间数据库、统计数据库为研究资料,结合农作物物候历、地面光谱与实地调查进行分析研究,做出了新疆三大棉区的遥感信息源区的划分、最佳时相区的划分与棉花遥感识别区的划分.区划结果表明:新疆三大棉区均定为陆地资源卫星信息源区;新疆三大棉区除吐鲁番地区6月上、中旬为棉花识别的次佳时相期,8月下旬为最佳时相期外,其他棉区棉花遥感识别最佳时相均为9月,次佳时相也均为6月;并在此基础上,把新疆三大棉区划分为6种棉花遥感识别区,即主棉区、重棉区、次重棉区、次棉区、零星棉区与无棉区.     

祁连地区的农业与水热条件

祁连县地处祁连山脉腹地。境内的黑河,八宝河下游峡谷地带,海拔较低,热量条件相对较好,为小片农业区,共有耕地面积4.45万亩,以种植青稞、油菜和小麦为主,其它杂粮和饲料等作物也占一定比例。 (一)农业种植上限高度与热量条件热量是农作物生长发育的重要条件,对于热量条件较差的祁连山区来说,热量的时、空分布,对作物布局、品种类型和种植制度的     

气候变暖和覆膜对新疆不同熟性棉花种植区划的影响

利用新疆地区及外延200 km范围内173个气象站点1960-2015年逐日气温资料和ANUSPLIN插值软件,综合分析了气候变暖背景下新疆≥10℃的有效积温、无霜冻期和7月平均温度的时空变化特征,并结合地膜增温效应机制,探讨了气候变暖和覆膜对不同熟性棉区种植界限及可种植面积的影响。结果表明:新疆热量资源总体呈增加的趋势,空间分布呈平原和盆地高(多)于山地。气候变暖背景下,中熟棉区、早中熟棉区的种植面积增加,早熟棉区的可种植面积变化不明显,特早熟棉区和不适宜区均减少。地膜增温机制对中熟、特早熟棉区和不宜棉区的种植界限基本无影响,但对准噶尔盆地区域各棉区的种植界限影响显著,其中准噶尔盆地内早中熟棉区东扩65km,早熟棉区东扩范围在0～300 km;地膜增温机制下早中熟Ⅱ叶塔次亚棉区可种植区域增加了5.47×104km2,早熟和特早熟棉区分别减少1.4%和1.6%,但对中熟棉区种植面积基本无影响。研究能为新疆不同熟性棉花的区划和高产提供科学依据。     

基于GGE分析的西北内陆棉区纤维品质生态区划分

本文选用2005—2014年我国棉花区域试验西北内陆早熟棉区7个和早中熟棉区10个试验点作为试验环境进行纤维品质区域分布分析。运用GGE模型划出双标图,研究西北内陆棉区的试验环境与参试品种纤维品质性状互作模式,对参试品种性状选择适宜的生态区进行探讨与划分,并基于GGE双标图对纤维物理性能指标相关性进行研究,为西北内陆棉区棉花品种区域化种植和理想试验环境选择提供依据。结果表明:(1)棉花各纤维品质性状相互之间存在着一定的相关关系,纺纱均匀性指数与长度、比强度和整齐度指数表现极显著或显著正相关。(2)西北内陆棉区早熟组纤维品质性状可划分为3个生态区:优质棉纤维生态区(精河)、普通优质纤维生态区(兵团第六师昌吉、乌苏)、普通纤维生态区(兵团第七师125团、兵团第八师121团、石河子以及敦煌)。(3)西北内陆棉区早中熟组品质性状由优质到普通亦可划分为3个生态区:优质纤维生态区(莎车、轮台、巴州、库车、疏附、兵团第一师阿拉尔13团以及新疆塔河10团)、普通优质纤维生态区(麦盖提和兵团第三师喀什)、普通纤维生态区(阿克苏)。因此西北内陆早熟棉区应在注重品种早熟性选育的基础上,注重优质纤维综合品质性状的培育,提高纤维的长度和比强度。南疆的早中熟棉区,注重推选适合机采棉的长度和比强度的棉花品种外,应精准掌握合理的棉花采摘期,提高纤维成熟度,但要注重降低马克隆值,划分优化种植区域为棉纺企业合理用棉提供多层次的原棉材料。