1961—2020年新疆棉花花铃期高温热害时空变化特征

Spatiotemporal variation characteristics of high temperature heat damage to cotton during flowering and boll-forming period in Xinjiang from 1961 to 2020

摘要

为明确新疆棉花花铃期高温热害的时空分布特征和变化趋势，基于1961—2020年新疆棉花种植区101个气象站点逐日地面气象观测资料、灾情资料、棉花生产资料，选取新疆地区棉花花铃期高温热害指标，采用线性趋势分析、空间插值分析和MK趋势分析等方法，从代际、年际和候尺度分析新疆棉花花铃期高温热害发生频率和强度的时空分布和变化特征。结果表明：1）新疆棉花花铃期高温热害的发生以重度为主，中度次之，各等级高温热害发生频率呈南高北低的空间分布特征，高值区集中在和田地区、巴音郭楞蒙古自治州、吐鲁番市和昌吉回族自治州。2）1961—2020年新疆地区棉花高温热害发生站次比、天数、危害热积温均呈增加趋势，其中南、北疆站次比每10年倾向率分别为2.2%和1.6%，危害热积温每10年变化1.7和1.9 ℃·d。21世纪10年代高温热害最严重。3）新疆棉花7月1候—9月3候高温热害站次比和发生频率随候序推移呈先增加后减小的趋势，在7月4候—8月1候高温热害发生频率较大；时段Ⅰ（1961—1990年）与时段Ⅱ（1991—2020年）相比，时段Ⅱ站次比最大的候序有提前的趋势，北疆站次比最大的候序由8月1候（29.2%）提前到7月3候（31.6%），南疆由7月6候（28.9%）提前到7月4候（33.2%）。

Abstract

In order to clarify the spatial and temporal distribution and change trend of cotton meteorological disasters in Xinjiang，based on the daily surface meteorological observation data of 101 meteorological stations，disaster data and cotton production data in Xinjiang cotton planting area from 1961 to 2020，the high temperature heat damage index of cotton flowering and boll-forming period in Xinjiang was selected. The linear trend analysis，spatial interpolation analysis and M-K trend analysis were used to analyze the spatial and temporal distribution and variation characteristics of the frequency and intensity of high temperature heat damage at cotton flowering and boll-forming period in Xinjiang from the decadal，interannual and pentad scales. The results showed that：1）The high temperature damage of cotton in Xinjiang was mainly severe，followed by moderate. The frequency of high temperature damage in each grade was high in the south and low in the north. The high value areas were concentrated in Hotan Area，Bayingolin Mongol Autonomous Prefecture，Turpan Ctiy and Changji Hui Autonomous Prefecture. 2）From 1961 to 2020，the station proportion，number of days and hazardous heat accumulation temperature of high temperature heat damage of cotton in Xinjiang showed an increasing trend. The trend rate of station proportion in southern and northern Xinjiang was 2.2% and 1.6% per 10 years，and the hazardous heat accumulation temperature changed by 1.7 and 1.9 °C·d per 10 years，respectively. High temperature damage was the most serious in the 2010s. 3）From July 1st pentad to September 3rd pentad，the station proportion and occurrence frequency of high temperature heat damage in Xinjiang cotton increased first and then decreased with the passage of pentad sequence，and the occurrence frequency of high temperature heat damage was higher from July 4th pentad to August 1st pentad. Compared with period I and period II，the pentad sequence with the largest ratio of stations in period II tends to advance. The pentad sequence with the largest ratio of stations in northern Xinjiang is advanced from August 1st pentad （29.2%） to July 3rd pentad（31.6%），and that in southern Xinjiang is advanced from July 6th pentad （28.9%） to July 4th pentad （33.2%）.

Graphical abstract

关键词

新疆 / 棉花 / 高温热害 / 时空特征

Key words

Xinjiang / cotton / high temperature damage / spatiotemporal characteristics

新疆棉花不仅在我国国民经济中占有重要地位，而且对国际市场亦有举足轻重的影响^［1］。新疆地形条件复杂多样且地域间气候资源分布不均匀，属于气候变化敏感带^［2-3］。自20世纪50年代以来，全球绝大部分地区极端高温事件的发生频率和强度持续增加^［4］，受全球气候变化和种植制度及耕作方式的影响，新疆地区高温热害在时序、强度和影响范围等方面均存在显著变化^［5］。邬晓丹等^［6］利用Hurst指数分析新疆极端气候指数变化特征发现，新疆存在极端高温事件发生增加的风险。明确新疆棉花高温热害的时空分布和变化趋势，对该地区调整种植结构趋利避害、保障棉花生产安全具有重要意义。

花铃期是棉花产量形成的关键期（7—8月）^［7］，也是一年中极端高温天气发生最为频繁的季节，花铃期高温胁迫在新疆频繁发生^［8］，如2011—2020年中有5年（2011、2012、2015、2018、2019年）发生了全疆大范围的高温天气（>35 ℃）、4年（2013、2014、2016、2017年）发生了南疆大范围的高温天气。已有研究表明棉花生殖生长期遭遇高温天气会降低花粉活力、受精率^［9-11］等，并使得蒸腾、光合、干物质积累与分配等生理过程受阻，进而影响结铃率^［12-13］、棉铃体积、棉籽数量、纤维发育等^［14-15］，最终导致减产^［16］和纤维品质降低^［17］。在高温胁迫下，日最高温度每升高1 ℃，棉花减产110 kg/hm^2［18］。气候变暖背景下花铃期高温已成为影响新疆棉区高产、优质和稳产的重要气象灾害之一。向导等^［19］针对1964—2019年石河子垦区高温天气进行分析发现连续3 天的高温出现概率为76.3%，且高温持续时间越长、温度越高，其蕾铃脱落率、叶片脱落率越高。蒙华月等^［20］基于湖北省1961—2020年26个国家气象站的气象数据分析发现2010s高温事件的发生处于历史较高水平。目前针对候尺度棉花高温热害发生演变规律的研究鲜有报道，本研究利用1961—2020年新疆棉花生育期逐日气象数据，采用线性趋势分析、空间插值分析和MK趋势分析等方法，从代际、年际和候尺度分析新疆棉花花铃期高温热害发生频率和强度的时空分布及变化特征，旨在明确新疆地区棉花花铃期高温热害时空变化规律，以期为棉花生产和科学防灾减灾提供可靠依据。

1　材料与方法

1.1　数据来源及预处理

研究区域为新疆维吾尔族自治区（73.6~97.3° E、34.4~48.1° N，海拔4 383 m），该地区属于典型的温带大陆性气候区，光照充足、干旱少雨。本研究以位于新疆中部的天山山脉为界，天山以北即为北疆，包括伊犁哈萨克自治州、博尔塔拉蒙古自治州、昌吉回族自治州、乌鲁木齐市、吐鲁番市、哈密市等；以南则为南疆，包括巴音郭楞蒙古自治州、和田地区、阿克苏地区、喀什地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州等。气象数据选取1961—2020年新疆逐日地表观测资料，共计101个气象站点（图1），数据来源于中国气象数据共享服务网（https：//data.cma.cn/）的“中国地面气候资料日值数据V3.0”数据集，包括了逐日平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、相对湿度、降水量等，气象数据经过严格的质量控制，缺测率<1‰，采用线性插值方法对缺测的气象数据进行订正。

2000—2018年新疆棉花生产数据来源于国家统计局的《中国统计年鉴》^［21］、新疆维吾尔自治区统计局（https：//www.xinjiang.gov.cn/）和新疆兴农网信息中心（https：//www.xjxnw.com/sc/nqhy/），主要用于分析棉花种植面积、产量和生育期的变化情况。

新疆棉花作物区划数据来源于《气候变化对新疆农业的影响及区划》^［22］；灾情数据主要来源于《中国气象灾害大典（新疆卷）》^［23］。

1.2　指标计算

1.2.1　热害发生天数（T）

新疆某一站点某年份发生高温热害的总天数记为t，d；某年所有站点发生高温热害的总天数记为T， d·站；某年某站点发生高温热害的平均天数记为\overline{T}，d。

t={\sum }_{i=\mathrm{1}}^k{l}_i（1）

\overline{T}=\overline{{\sum }_{j=\mathrm{1}}^n{t}_j}（2）

式中：l_i为第i次热害发生天数，d；t_j为第j个站点发生热害的天数，d；k为热害发生次数；n为站点数。

1.2.2　危害热积温（H_a）

根据高温热害指标，统计某年平均每个站点气温>35 ℃的值，记为H_a， ℃·d。

H_{\mathrm{a}}=\frac{{\sum }_{j=\mathrm{1}}^m{\sum }_{i=\mathrm{1}}^{n_j}(T_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^{ij}-\mathrm{35.0})}{N}（3）

式中：N为棉花种植区的站点数；m为某年发生棉花高温热害的站点数；j为发生棉花高温热害站点的序号，j=1，2，3，…，m；n_j为第j个棉花高温热害过程中总高温日数，d；i为第j个棉花高温热害过程中每天的序号，i=1，2，3，…，n_j；T_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}^{ij}为第j个站点高温热害第i次>35 ℃的温度，℃。

1.2.3　站次比（S）

新疆某年份发生高温热害的站点数占总站点数的百分比记为S。

S=n/N\times \mathrm{100}\%（4）

式中：n为发生热害的站点数；N为总站点数。

1.2.4　发生频率（E）

新疆某站点发生高温热害的年份数占总年数的百分比记为E。

E=m/M\times \mathrm{100}\%（5）

式中：m为发生热害的年份数；M为总年数。

1.2.5　棉花花铃期高温热害指标

参考2000—2018年新疆棉花生产数据，北疆棉花花铃期为7月6日—9月10日，南疆棉花花铃期为7月1日—9月5日。根据《棉花花铃期热害温度指标》（DB36/T 1325—2020）^［24］，并结合周妍等^［25］关于棉花高温热害的实际研究情况，确定棉花花铃期热害分为轻度、中度、重度3个等级，采用日最高气温及其发生日数作为划分依据，见表1。

1.2.6　Mann-Kendall（M-K）非参数突变检验

对1961—2020年新疆棉花花铃期高温热害站次比、天数和危害热积温进行Mann-Kendall检验，分析其趋势变化及突变特征，本研究给定显著性水平a=0.05，所对应的临界值为±1.96。

1.3　数据处理

将1961—2020年划分为2个时段：时段Ⅰ为1961—1990年，时段Ⅱ为1991—2020年。将新疆棉花花铃期分为15个候，分别为7月1候（07-01—07-05）、7月2候（07-06—07-10）、7月3候（07-11—07-15）、7月4候（07-16—07-20）、7月5候（07-21—07-25）、7月6候（07-26—07-31）、8月1候（08-01—08-05）、8月2候（08-06—08-10）、8月3候（08-11—08-15）、8月4候（08-16—08-20）、8月5候（08-21—08-25）、8月6候（08-26—08-31）、9月1候（09-01—09-05）、9月2候（09-06—09-10）、9月3候（09-11—09-15）。

数据处理均利用 Matlab 2014 软件；空间分布图利用ArcGIS10.1 软件反距离权重插值法（Inverse distance weighted，IDW）制作；折线图采用 Origin 软件制作。

2　结果与分析

2.1　棉花花铃期高温热害指标的验证

由表2可知，选取8个站点对棉花花铃期高温热害实际发生情况进行调查，资料中是以县为最小尺度，在验证时，若该站点在此县域内，则视作该站点发生高温热害。利用表1中的棉花花铃期高温热害指标结合气象数据判断是否发生高温热害，将其与实际发生情况进行对比，符合实际情况的占比100%。由此可见，该指标可以用于分析新疆棉花花铃期高温热害的发生特征。

2.2　棉花花铃期高温热害空间分布特征

由图2可知，1961—2020年新疆棉花花铃期重度高温热害发生频率最高、中度次之、轻度最小。新疆高温热害发生总频率呈南高北低的空间分布特征，发生频率均≥40%，尤其是和田地区和巴音郭楞蒙古自治州发生频率在60%~100%（图2（a））。发生频率<40%的区域的面积为6.7万km²，发生频率达到80%~100%的区域的面积为62.3万km²。

轻度高温热害发生频率呈西高东低的空间分布特征，新疆西部轻度高温热害发生频率集中在10%~20%，新疆东部轻度热害发生频率<10%，有21个站点不发生轻度高温热害（图2（b）），发生频率≥10%的区域面积为93.5万km²。

中度高温热害发生频率呈西高东低的空间分布特征，和田地区和昌吉回族自治州的西部中度高温热害发生频率较高，可以达到40%~60%（图2（c））。发生频率≥40%的区域的面积为33.2万km²。

重度高温热害发生频率呈东南高西北低的空间分布特征，和田地区、巴音郭楞蒙古自治州、吐鲁番市、塔城地区和昌吉回族自治州高温热害发生频率≥60%，阿克苏地区发生频率<20%，有21个站点不发生重度高温热害（图2（d））。发生频率<40%的区域的面积为50.2万km²，发生频率达到80%~100%的区域的面积为18.3万km²。

由图3可知，1961—2020年新疆棉花花铃期高温热害发生频率代际空间变化特征为重度高温热害发生频率最高、中度次之、轻度发生频率最小。各等级高温热害发生总频率为80%~100%的区域的面积由63.4万（1960s）增加到76.1万km²（2010s），升高20.0%；频率<40%的区域面积由29.9万（1960s）下降到3.7万km²（2010s），降低87.6%。轻度高温热害发生频率≥10%的区域面积由110.1万（1960s）下降到88.8万km²（2010s），降低19.3%。中度高温热害发生频率≥40%的区域面积由38.4万（1960s）下降到7.4万km²（2010s），降低80.7%；<20%的区域的面积由58.0万（1960s）下降到49.0万km² （2010s），降低15.5%。重度高温热害发生频率为80%~100%的区域面积由3.3万（1960s）增加到43.9万km²（2010s），升高123%；发生频率<40%的区域由65.1万（1960s）下降到27.6万km²（2010s），降低57.6%。高温热害发生总频率的高值区面积呈增加趋势；低值区面积呈下降趋势。轻度高温热害发生频率高值区面积呈下降趋势；低值区面积呈增长趋势，但增幅和降幅都比较小。中度高温热害发生频率高值区和低值区的面积均呈下降趋势，但高值区的面积降幅较大。重度高温热害发生频率高值区面积呈增长趋势，且涨幅巨大；低值区面积呈下降趋势。

2.3　棉花花铃期高温热害时间变化趋势

由图4可知，北疆和南疆的棉花花铃期高温热害站次比平均值分别为58.2%和72.3%，每个站点平均发生15.9和13.5 d，危害热积温分别为29.2和17.1 ℃·d。1961—2020年北疆棉花花铃期高温热害发生站次比、天数和危害热积温均呈上升趋势，倾向率分别为1.6%/10年、0.8 d/10年、1.9 （℃·d）/10 年，南疆棉花花铃期高温热害发生站次比、天数和危害热积温也呈上升趋势，倾向率分别为2.2%/10年、1.0 d/10年、1.7 （℃·d）/10年，南疆高温热害站次比增加幅度高于北疆。

2008和2015年北疆高温热害站次比>80%，南疆有15年高温热害站次比>80%，即有超过32个站点发生了高温热害，南北疆站次比均呈逐渐升高的趋势（图4（a）和（b））。从代际变化来看，北疆和南疆站次比最大值均出现在21世纪10年代，分别为62.7%和81.0%，站次比最小值均出现在20世纪60年代，分别为52.5%和65.0%。

北疆棉花花铃期高温热害发生天数范围在6.0~23.0 d，2015年高温热害发生天数高达29.7 d，占棉花花铃期的44.8%，1995年高温热害发生天数最少，为5.6 d。南疆棉花花铃期高温热害发生天数范围在4.0~32.0 d，有9年高温热害发生天数>20.0 d（图4（c）和（d））。从代际变化来看，20世纪80年代—21世纪10年代北疆高温热害天数呈增加趋势，南疆高温热害发生天数呈先减小后增大的趋势，北疆和南疆热害天数最大值均出现在21世纪10年代，分别为18.9和18.0 d。

北疆每个站点危害热积温范围在9.0~61.0 ℃·d，2015年危害热积温最高为60.2 ℃·d；1993年危害热积温最低为9.5 ℃·d。南疆每个站点危害热积温范围在4.0~49.0 ℃·d，2015年危害热积温最高为48.2 ℃·d（图4（e）和（f））。从代际变化来看，北疆和南疆危害热积温最大值均出现在21世纪10年代，分别为36.7和25.1 ℃·d。

由图5可知，北疆棉花高温热害站次比在1961—2020年呈不显著上升趋势（P>0.05）；高温热害发生天数在1961—2018年呈不显著上升趋势（P>0.05），2019—2020年UF统计量超过0.05水平线，呈显著上升趋势（P<0.05）；危害热积温在1961—2017年呈不显著上升趋势（P>0.05），2018—2020年呈显著上升趋势（P<0.05）。南疆棉花高温热害站次比在1961—2018年呈不显著上升趋势（P>0.05），2019—2020年呈显著上升趋势（P<0.05）；高温热害发生天数在1961—2018年呈不显著上升趋势（P>0.05），2019—2020年呈显著上升趋势（P<0.05）；危害热积温在1961—2015年呈不显著上升趋势（P>0.05），2016—2020年呈显著上升趋势（P<0.05）。

2.4　棉花高温热害候尺度分析

由图6可知，7月1候—9月3候南北疆高温热害站次比随候序推移呈增大后减小的趋势。北疆站次比平均值最大的候序是7月第3候，为29.6%，即每年7月第3候约有18个站点会发生高温热害，其次是8月第1候，为28.1%。站次比最大值出现在7月第5候，为74.6%。9月1候—9月3候的站次比平均值<10%，其中，9月第3候站次比的平均值最小，为2.0%。南疆站次比平均值最大的候序是7月第6候，为30.8%，即每年在7月第6候约有13个站点会发生高温热害，其次是7月第4候，为28.7%。站次比最大值出现在7月第4候，为90.0%。8月5候—9月3候的站次比平均值均<10%，其中，9月第3候站次比平均值最小，为0.04%。

由图7可知，与时段Ⅰ相比（1961—1990年），时段Ⅱ（1991—2020年）逐候的高温热害站次比有所升高，并且发生高温热害站次比最高的候序有提前的趋势。北疆7月第4候站次比提高的幅度最大，从21.9%提高到30.0%，其次是7月第2候，从22.6%提高到29.3%。时段Ⅰ中8月第1候的高温热害站次比最大，为29.2%；时段Ⅱ中7月第3候的高温热害站次比最大，为31.6%。南疆7月第1候站次比升高幅度最大，从10.2%升高到24.5%。时段Ⅰ中7月第6候的高温热害站次比最大，为28.9%，时段Ⅱ中7月第4候的高温热害站次比最大，为33.2%。

由图8可知，新疆高温热害发生频率随着候序推移呈先增大后减小的趋势，且每一候的发生频率呈东南高西北低的空间分布特征。高温热害发生频率≥60%的区域普遍集中在巴音郭楞蒙古自治州和吐鲁番市，8月第1候发生频率为60%~100%的区域的面积最大，为28.9万km²，其次是7月第6候，面积为26.8万km²。高温热害发生频率为20%~60%的区域集中在和田地区、塔城地区、昌吉回族自治州和哈密地区，7月第6候发生频率为20%~60%的区域面积最大，为108.2万km²。热害发生频率<10%的区域集中在阿克苏地区和克孜勒苏柯尔克孜自治州，9月第3候新疆全域高温热害发生频率<10%，有53个站点不发生高温热害。

3　讨 论

本研究基于棉花花铃期高温热害指标，并结合农业气候特征对新疆棉花高温热害进行分析，计算代际、年际和候尺度不同等级高温热害发生站次比、天数、危害热积温和发生频率，分析其时空特征。棉花花铃期对温度比较敏感，一方面，35.0 ℃以上的高温天气对棉花生长发育不利^［26］，另一方面，相同的温度条件下不同的胁迫时长对棉花授粉影响不同^［27］。本研究在筛选指标时综合考虑了高温热害的温度及持续天数，相较已有的研究进一步量化了棉花花铃期高温热害发生的强度；研究结果表明，1961—2020年新疆棉花花铃期时空分布特征主要体现为喀什地区、和田地区和巴音郭楞蒙古自治州棉花花铃期高温热害发生频率高于南疆其他地区，吐鲁番市和塔城地区棉花花铃期高温热害发生频率高于北疆其他地区。本研究引入“候”作为灾害精细化研究的时间尺度，新疆在7月4候—8月1候发生高温热害的站点较多，时段Ⅱ棉花高温热害更为严重。棉花花铃期候尺度的高温热害强度增大，但棉花物候期也在发生改变，导致不同年份实际高温热害发生时间与关键生育期可能存在偏差。这些问题导致了棉花高温热害的复杂性，近年来新疆地区极端高温发生概率增加，对保障棉花安全生产提出了更严峻的挑战。未来需要在气候变化背景下把棉花物候期时空变化与高温热害时空变化情况进行结合，在此基础上制定与实际情况密切相符的灾害监测、预测系统和灾损评估方法；同时多措并举加强热害防御，如优化作物布局、调整棉花播期，使棉花花铃期错过高温时期，减轻或规避热害风险，或选择耐高温的优良品种、增加耐热品种种植面积、采取人工辅助授粉或喷洒药剂等栽培措施减轻危害。

需要指出的是，棉花高温热害的承灾体为棉花，本研究采用的棉花气候适宜性区划结果未考虑水资源影响，对土地利用情况（如沙漠地区）考虑不全面，随着资料获取途径的拓展和监测能力提升，下一步可以结合热害风险的暴露度和作物的抗灾性等多个方面，全面系统评估新疆棉花高温热害发生风险及影响。

4　结 论

20世纪60年代—21世纪10年代，新疆棉花花铃期高温热害发生频率呈南高北低的空间分布特征，以重度热害为主，中度热害次之。热害发生频率高值区（80%~100%）的面积由63.4万增加到76.1万km²，升高20.0%，且各等级高温热害均呈现不同程度的升高。随着年份的推移南北疆棉花花铃期高温热害站次比、天数及危害热积温均呈增加趋势，且南疆棉花高温热害站次比和天数的增加幅度高于北疆。21世纪00年代和10年代高温热害较为严重，20世纪60年代和80年代高温热害较轻。新疆棉花高温热害的站次比和频率随候序的推移呈先增大后减小的趋势，7月4候—8月1候棉花高温热害的站次比和频率都比较高。与时段Ⅰ（1961—1990年）相比，时段Ⅱ（1991—2020年）逐候的高温热害站次比有所提高，并且发生高温热害站次比最高的候序有提前趋势，北疆由8月1候前移到7月3候，南疆由7月6候前移到7月4候。

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基金资助

国家自然科学基金(42105172)

新疆维吾尔自治区重点研发计划(2022B02001-1)

新疆维吾尔自治区“天山英才”—“三农”骨干人才项目(2022SNGGNT067)

新疆维吾尔自治区自然科学基金(2022D01A295)