鄱陽湖區(qū)棉花花鈴期降水資源變化與影響研究

吳 昊，楊 柳，楊 磊

(1.江西省九江市氣象局，江西 九江 332000；2.南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.江西省棉花研究所，江西 九江 332105)

棉花喜高溫、耐干旱、生長期長[1]。在江西鄱陽湖種植區(qū)，7～9月棉花進入生長發(fā)育最旺、需水需肥最多的花鈴期，這是實現(xiàn)“三桃”齊結(jié)的關(guān)鍵期[2]。研究表明，棉花花鈴期的需水量占全生育期總需水量的50%[3]；7～9月雨量大、雨日多，棉花的鈴重則輕[4]。由此可見，花鈴期降水對棉花生產(chǎn)至關(guān)重要。然而，受加強西伸的副熱帶高壓系統(tǒng)的影響，7月初前后鄱陽湖地區(qū)雨季結(jié)束，進入高溫少雨的酷暑季節(jié)，此期若持續(xù)20 d高溫?zé)o降水天氣，棉地30 cm以上土層土壤濕度變化率可達50%，5～40 cm土層相對土壤濕度平均下降到65%以下，棉花蕾、鈴脫落加劇，單株成鈴日增量減少[2]。7～9月也是臺風(fēng)的活躍期，鄱陽湖地區(qū)會出現(xiàn)明顯降水，對緩解鄱陽湖區(qū)域伏秋干旱十分有利，但如果雨日持續(xù)時間偏長、雨量大，棉花蕾鈴脫落率也會升高[5]、產(chǎn)量降低[6]；此外，“二度入梅”現(xiàn)象在個別年份也會發(fā)生，造成受淹棉田因澇絕收[7]，降水過多對棉花產(chǎn)量形成的危害同樣是非常嚴重的。因此，開展降水對鄱陽湖區(qū)棉花產(chǎn)量與品質(zhì)形成影響的研究具有重要價值。盡管目前已有一些關(guān)于棉花花鈴期受澇、高溫和高溫加受澇對棉花產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究[8-10]，但針對鄱陽湖區(qū)花鈴期降水對棉花產(chǎn)量品質(zhì)形成影響的定量分析還未見報道。

本研究通過對棉花產(chǎn)量(品質(zhì))因素與花鈴期降水相關(guān)性分析，提取影響棉花產(chǎn)量形成的花鈴期限制性影響因子，運用比較、回歸、小波、M-K檢驗等方法，分析研究其變化特征，預(yù)估其影響趨勢，提出了棉花產(chǎn)業(yè)減災(zāi)增效的對策。

1 材料與方法

1.1 資料來源與處理

棉花與降水資料均來源于江西省氣象信息中心，經(jīng)過質(zhì)量控制檢驗。

1.1.1 降水資料 根據(jù)最新的棉花產(chǎn)業(yè)布局，將鄱陽、德安、都昌、湖口等4個站作為鄱陽湖棉花種植區(qū)代表站，資料時間序列為1959～2017年。本研究擬從降水的強度與頻率即降水量與降水日數(shù)2個方面分析其變化特征與影響。

降水量(或降水日數(shù))距平，指某一時段的降水量或降水日數(shù)與其氣候平均值(1981～2010年同期降水量或降水日數(shù)的平均值)之間的差。將這一差取絕對值，本研究稱之為“絕對距平”。

降水日數(shù)在本研究中是指日降水量≥0.1 mm的日數(shù)。

1.1.2 棉花資料 棉花觀測代表站為湖口(國家農(nóng)業(yè)氣象基本站)，時間序列取1994～2012年；觀測方法依據(jù)《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[11]。

(1)花鈴期。根據(jù)多年的觀測資料分析，鄱陽湖區(qū)棉花進入開花普遍期的時間為7月上旬，正常年份的9月中下旬仍有40%左右的棉鈴處于生長期，為便于統(tǒng)計與比較分析，將7～9月定為該地區(qū)棉花花鈴期。

(2)棉花產(chǎn)量因素與品質(zhì)因素?；诨ㄢ徠诮邓挠绊懗潭瓤紤]，本研究僅將伏桃數(shù)、秋桃數(shù)、蕾鈴脫落率、單鈴重等產(chǎn)量因素，以及霜前花率、衣分、纖維長等品質(zhì)因素作為研究對象。伏前桃和晚秋桃因其與花鈴期存在時間差，故不列入本文研究對象。

(3)棉花品種與地段說明。觀測地段距湖口縣氣象觀測場以東1000 m以內(nèi)，海拔高度差約2 m，所屬當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的生產(chǎn)管理與產(chǎn)量水平為中等；棉花品種為當(dāng)?shù)禺?dāng)年的主打品種，具體見表1。

表1 觀測地段棉花種植品種

1.2 研究方法

采用逐步回歸分析方法，分析棉花產(chǎn)量品質(zhì)要素與降水的相關(guān)性，提取影響顯著的降水因子；針對提取出的棉花產(chǎn)量品質(zhì)形成限制性影響因子，采用線性回歸方法，分析其線性趨勢特征，相關(guān)系數(shù)的顯著水平P稱為“氣候傾向顯著水平”，擬合線斜率b稱為“趨勢傾向率”，10b稱為某氣象要素每10 a的氣候傾向率[12]；采用小波分析方法，分析其周期性趨勢特征[13-16]；采用Mann-Kendall檢驗方法，分析其突變性趨勢特征[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花產(chǎn)量品質(zhì)因素與花鈴期降水的相關(guān)性分析

2.1.1 產(chǎn)量因素影響因子 鄱陽湖區(qū)棉花伏桃數(shù)與秋桃數(shù)分別與7、8月份的降水日數(shù)呈顯著的負相關(guān)(圖1-A、圖1-B)。即棉花伏、秋桃的生長對降水日數(shù)的多少較為敏感，當(dāng)7、8月份的降水日數(shù)越多，伏、秋桃數(shù)就越少，對棉花的產(chǎn)量形成越不利。

棉花蕾鈴脫落率、單鈴重分別與花鈴期降水量的絕對距平呈顯著的正相關(guān)和極顯著的負相關(guān)(圖1-C、圖1-D)。即當(dāng)花鈴期降水量的絕對距平越大，棉花蕾鈴脫落率就越高、單鈴重就越輕，越不利于棉花產(chǎn)量的形成；當(dāng)花鈴期降水量的絕對距平越小，棉花蕾鈴脫落率就越低、單鈴重就越重，越有利于棉花產(chǎn)量的形成。由此可知，在正常年份，鄱陽湖區(qū)花鈴期的降水量對棉花蕾鈴生長是適宜的；而當(dāng)花鈴期降水量越偏離氣候平均值，即當(dāng)雨水異常偏多或嚴重干旱時，棉花蕾鈴脫落率會升高、單鈴重會降低，從而影響棉花的產(chǎn)量。

圖1 棉花產(chǎn)量因素與花鈴期降水因子相關(guān)分析散點圖

2.1.2 品質(zhì)因素 鄱陽湖區(qū)棉花霜前花率與花鈴期降水量絕對距平呈較顯著的負相關(guān)(圖2-A)。即當(dāng)花鈴期降水量絕對距平越小，即花鈴期降水量越接近氣候平均值，棉花霜前花所占比率就越高；反之，當(dāng)花鈴期雨水越偏多或干旱越嚴重，也就是花鈴期降水量越偏離氣候平均值，棉花霜前花率就越低，品質(zhì)就越差。

棉花衣分與“花鈴期降水日數(shù)絕對距平的立方值”呈較顯著的負相關(guān)(圖2-B)；纖維長與“花鈴期降水量絕對距平的4次方根”亦呈較顯著的負相關(guān)(圖2-C)。由于“立方值”和“4次方根”與“原值”均存在正相關(guān)關(guān)系，因此，可以認為當(dāng)花鈴期降水量的絕對距平越小，也就是降水量越接近正常年份，棉花的衣分就越高、纖維就越長，品質(zhì)就越好；反之，當(dāng)花鈴期降水量的絕對距平越大，也就是花鈴期雨水越偏多或干旱越嚴重，棉花的衣分就越低、纖維就越短，品質(zhì)就越差。

圖2 棉花產(chǎn)量因素與花鈴期降水因子相關(guān)分析散點圖

綜上所述，就花鈴期降水資源而言，7月、8月的降水日數(shù)以及花鈴期降水量與降水日數(shù)，是影響研究地區(qū)棉花產(chǎn)量品質(zhì)形成的主要限制性因子，而且，在正常年份花鈴期降水量與降水日數(shù)對棉花產(chǎn)量品質(zhì)的形成是適宜的。

2.2 限制性降水因子的變化趨勢與利弊分析

2.2.1 7～8月的降水日數(shù)

2.2.1.1 線性變化趨勢 7、8月降水日數(shù)氣候平均值分別為7.9 d和7.2 d。1959～2017年鄱陽湖地區(qū)7月、8月降水日數(shù)均呈不顯著的遞增趨勢，氣候傾向顯著水平分別為0.55和0.23(均大于0.1)，氣候傾向率分別為0.17 d/10 a和0.33 d/10 a(圖3)。

圖3 7、8月降水日數(shù)線性變化趨勢散點圖

2.2.1.2 周期性變化趨勢 1959～2017年鄱陽湖區(qū)7、8月降水日數(shù)年變化的主振蕩周期不明顯，其中7月份降水日數(shù)僅存在尺度分別為5 a和22 a的次周期，8月份降水日數(shù)的小波方差曲線僅存在尺度分別為3 a、9 a的次周期(圖4-A)。

7月份降水日數(shù)尺度為5 a的次振蕩短周期在1970年代中期、1980年代后期、1990年代中期、2000年代中期及2010年代中期有所表現(xiàn)，尺度為22 a的次振蕩長周期在1960～2000年代初有所表現(xiàn)(圖4-B)；8月份降水日數(shù)尺度為3 a的次振蕩短周期在1960年代中期、1980年代中期有所表現(xiàn)，尺度為9 a 的次振蕩長周期在1960年代后期至1970年代前期、1990年代前期有所表現(xiàn)(圖4-C)。

圖4 7、8月降水日數(shù)小波分析圖

2.2.1.3 突變性趨勢 研究地區(qū)7月降水日數(shù)長期處于增多的變化態(tài)勢，其突變點出現(xiàn)在1962～1963年，突變期從1970年代不連續(xù)地持續(xù)到2000年代初，累計達16 a；該地區(qū)8月降水日數(shù)出現(xiàn)1次增多的突變，突變點出現(xiàn)在1960年代末，突變期為2000～2004年。但進入2000年代7月降水日數(shù)的減少趨勢明顯，而8月份降水日數(shù)的減少趨勢不夠顯著(圖5)。

圖5 7、8月降水量Mann-Kendall檢驗分析

2.2.1.4 降水變化的利弊分析 7月與8月的降水日數(shù)近59 a來總體上呈不顯著的增多趨勢且主振蕩周期不明顯，分別對棉花伏、秋桃的形成有不利影響；但進入21世紀00年代7月降水日數(shù)減少趨勢明顯，有利于降低伏桃形成的災(zāi)害風(fēng)險。

2.2.2 7～9月降水量與降水日數(shù)絕對距平

2.2.2.1 線性變化趨勢 研究地區(qū)棉花花鈴期降水量與降水日數(shù)的氣候平均值分別為368 mm和29 d。由圖6可知，1959～2017年該地區(qū)棉花花鈴期降水量的絕對距平變化呈較接近顯著水平的線性遞減趨勢，氣候傾向顯著水平為0.17，氣候傾向率分別為-7.9 mm/10 a；同期降水日數(shù)絕對距平變化呈顯著的線性遞減趨勢，氣候傾向顯著水平為0.06，氣候傾向率分別為-0.55 d/10 a。

圖6 花鈴期降水量(日數(shù))絕對距平線性趨勢散點圖

2.2.2.2 周期性變化趨勢 Wave子波30 a對稱延伸法分析結(jié)果表明(圖7)，研究地區(qū)1959～2017年棉花花鈴期降水量及降水日數(shù)絕對距平變化的主振蕩周期不明顯，兩者的周期性振蕩趨勢特征不顯著。

圖7 花鈴期降水量(降水日數(shù))絕對距平小波方差

2.2.2.3 突變性趨勢 由圖8-A可知，研究地區(qū)棉花花鈴期降水量的絕對距平時間序列減小的變化趨勢明顯，1980年出現(xiàn)了減小的突變點，1982～2017年持續(xù)35 a出現(xiàn)UF<0，且在2002年以及2004～2012年處于減小的突變期，表明花鈴期降水量時間序列總體變化平穩(wěn)，非常接近氣候平均值；2013年以來的5 a間UF線呈上升趨勢，與近年來伏秋期降水量增多有關(guān)。

由圖8-B可知，該地區(qū)花鈴期降水日數(shù)的絕對距平在近59 a無突變現(xiàn)象，但自1980年代以來有35 a出現(xiàn)UF<0，表明花鈴期降水日數(shù)絕對距平的時間序列變化總體呈變小趨勢，花鈴期降水日數(shù)的時間序列變化基本平穩(wěn)，接近氣候平均值。

圖8 1959～2016年7～9月降水量(日數(shù))絕對距平的Mann-Kendall檢驗分析

2.2.2.4 變化趨勢的利弊分析 近59 a來，研究地區(qū)棉花花鈴期降水量的絕對距平變化呈較接近顯著水平的線性遞減趨勢，且于2000年代初至2010年初達到減小的突變狀態(tài)并繼續(xù)處于負增長狀態(tài)，表明花鈴期降水量時間變化總體趨于正常且平穩(wěn)。這一態(tài)勢有利于降低棉花蕾鈴脫落率、增加單鈴重、提高霜前花率和纖維長，提高棉花產(chǎn)量和品質(zhì)。

近59 a來，研究地區(qū)棉花花鈴期降水日數(shù)的絕對距平呈顯著的線性遞減趨勢，周期性不顯著；突變性分析結(jié)果也表明，近20年的花鈴期降水日數(shù)的絕對距平小幅下行狀態(tài)，花鈴期降水日數(shù)在接近氣候平均的狀態(tài)下波動。這一變化趨勢有利于棉花衣分的提高，提高棉花品質(zhì)。

3 結(jié)論與討論

7月、8月降水日數(shù)以及花鈴期降水量與降水日數(shù)是鄱陽湖區(qū)棉花產(chǎn)量品質(zhì)形成的限制性降水因子，正常年份鄱陽湖區(qū)花鈴期降水條件對棉花產(chǎn)量品質(zhì)形成是適宜的。

棉花伏、秋桃數(shù)分別與7月、8月降水日數(shù)呈負相關(guān)；蕾鈴脫落率與花鈴期降水量絕對距平呈正相關(guān)，單鈴重、霜前花率均與花鈴期雨量絕對距平呈負相關(guān)；衣分、纖維長分別與花鈴期降水日數(shù)絕對距平的“立方值”和“4次方根”呈負相關(guān)。

7、8月降水日數(shù)總體呈不顯著的線性遞增趨勢，且均有增多的突變期，周期性變化趨勢不顯著；進入21世紀00年代以來7月份降水日數(shù)減少趨勢明顯，有利于降低伏桃形成的災(zāi)害風(fēng)險。

花鈴期降水量與降水日數(shù)的絕對距平總體上均呈減小的變化趨勢，特別是21世紀以來這一趨勢表現(xiàn)得更加明顯，有利于研究地區(qū)棉花產(chǎn)量品質(zhì)形成和棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

致謝：誠摯感謝中國氣象科學(xué)研究院副院長周廣勝研究員對本研究的悉心指導(dǎo)！