石河子垦区照片_石河子垦区气候变化与棉花产量的关系
摘要：在全球气候变暖的总体趋势下，新疆干旱区的气候也正在发生相应的变化。利用石河子垦区３个气象台站１９６１～２００９年的气候变化和棉花产量变化资料，采用距平百分率、线性倾向估计、趋势系数、滑动ｔ检验、回归分析等方法，分析了石河子垦区的气候变化及棉花产量变化特征。结果表明，石河子地区年均气温、年总降水量及年总日照时数均呈上升趋势，上升的幅度气温变化倾向率为０．３℃／１０年，年总降水量为１０．３ｍｍ／１０年，年日照时数为６．４６ｈ／１０年；棉花产量呈明显增加的趋势。近５０年来石河子地区气候的变暖、降水量的增加、日照时数的增加均有利于棉花产量的提高。
关键词：气候变化；棉花产量；石河子垦区；线性回归
中图分类号：Ｐ４２；Ｓ５６２文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）08－1533-04
The Relationship between Climate Change and Yield of Cotton in Shihezi Region
ＴＡＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｌｉｎｇ１，Ｌ?� Ｘｉｎ２
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｉｈｅｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２０００， Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏａｓｉｓ Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｒｐｓ ｉｎ Ｘｉｎｊｉａｎｇ， Ｓｈｉｈｅｚｉ ８３２００3，Ｘｉｎｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｇｌｏｂａｌ ｗａｒｍｉｎｇ， ｔｈｅ ｃｌｉｍａｔｅ ｏｆ Ｓｈｉｈｅｚｉ ｒｅｇｉｏｎ ａｌｓｏ ｃｈａｎｇｅd ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ． Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ｃｌｉｍａｔｅ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ ｉｎ Ｓｈｉｈｅｚｉ ｒｅｇｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｔａ ｏｆ ｃｌｉｍａｔｅ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ｗｅａｔｈｅｒ ｓｔａｔｉｏｎs ｏｆ Ｓｈｉｈｅｚｉ ｒｅｇｉｏｎ ｉｎ 1961~2009， ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ａｎｏｍａｌｙ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ， ｌｉｎｅａｒ ｔｒｅｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ， ｔｒｅｎｄ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ｓｌｉｄｉｎｇ t ｔｅｓｔ， ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ｔｈｅ ａｎｎｕａｌ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｎｕａｌ ａｖｅｒａｇｅ ｓｕｎｓｈｉｎｅ ａｌｌ ｓｈｏｗｅｄ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ． Ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， ａｎｎｕａｌ ｒａｉｎｆａｌｌ， ａｎｄ ｓｕｎｓｈｉｎｅ ｈｏｕｒｓ ｗｅｒｅ ０．３°Ｃ／１０ ｙｅａｒｓ， １０．３ｍｍ／１０ ｙｅａｒｓ， ａｎｄ ６．４６ｈ／１０ ｙｅａｒｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．， Ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｒｅｎｄ． Ｔｈｅ ｃｌｉｍａｔｅ ｗａｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒａｉｎｆａｌｌ ａｎｄ ｓｕｎｓｈｉｎｅ ｈｏｕｒｓ ｄｕｒｉｎｇ ｏｖｅｒ ５０ ｙｅａｒｓ ｉｎ Ｓｈｉｈｅｚｉ ｈｅｌｐｅｄ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ； ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｔｔｏｎ； Ｓｈｉｈｅｚｉ region； ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ
近百年来，全球气候变暖，导致气候异常现象频繁发生。农业作为对气候反应较为敏感的产业之一，气候变化对其存在着非常明显的影响［１］。近年来有关专家对我国西北气候变化进行了很多研究，施雅风等［２］对西北气候由暖干向暖湿转型的信号影响和前景进行了初步探讨，李栋梁等［３］对我国西北现代气候变化事实与未来趋势展望进行了研究，宋连春等［４］对２０世纪西北地区降水变化特征进行了分析，张存杰等［５］全球气候变暖对我国西北地区秋季降水影响进行了研究，上述研究对西北地区气候变化的认识做出了有益贡献。但是，西北地区气候变化（尤其是热量资源变化）对农业生产影响的研究相对较少。
新疆是我国主要优质棉花基地，在全国棉花生产中占有不可替代的位置。新疆棉花产区光照资源丰富，但不同棉区的热量条件不尽相同。徐德源［６］、郑维等［７］、李新建等［８］曾指出，新疆棉花生产与热量关系最密切，生长关键季节热量强度不足与棉花品质低有一定关系，生长季节的热量不足对棉花产量也有较大影响。石河子地区是新疆主要棉花产区之一，气候变暖对该地区热量资源带来怎样的变化，对棉花产量有何影响等是值得研究的课题。运用数据统计的方法，依据石河子垦区近５０年来气候变化和棉花产量变化的特点，分析气候变化对石河子垦区棉花产量变化趋势的影响，为干旱区农作物生产对气候变化的响应提供参考依据。
１研究方法
处理气候和农作物产量数据的方法有很多种，几种主要处理方法如下。
１．１距平百分率
距平百分率是用来表示某时段气候量相对平均气候量变率的大小，其数学表达式见公式（１）。
式中，ｂ１是反应上升或下降的变化趋势，ｂ１＜０表示在计算时段内呈下降趋势，ｂ１＞０表示呈上升趋势，ｂ１值绝对值的大小可以度量其演变趋势上升、下降的程度。
１．３趋势系数
为了解气象要素的长期趋势变化，计算气象要素时间序列与自然数数列之间的相关系数（称为趋势系数）。这样定义的趋势系数削去了气象要素的均方差和单位对线性回归系数数值大小的影响，从而可以在不同的地理位置的不同气象要素之间比较趋势变化的大小。
趋势系数可表示要素长期趋势变化的方向和程度。对趋势系数的统计检验使用相关系数的ｔ检验方法。
ｎ个时刻（年）的要素序列与自然数数列１，２，３，…，ｎ相关系数见公式（5）。
公式（６）遵从自由度ｎ１＋ｎ２－２的t分布。
２结果与分析
２．１气候变化特征分析
２．１．１年平均气温为了分析气温变化趋势，采用线性倾向分析和５年滑动平均趋势分析，结果见图１。从图１可以看出，近５０年来石河子地区的年平均气温在波动中呈升高趋势，气温变化倾向率为０．３ ℃／１０年。近５０年的平均气温为７．６ ℃，最高气温是９．１ ℃（２００６年），最低气温是５．６ ℃（１９６９年）。通过5年滑动平均气温变化趋势线可以看到，石河子地区在１９８９年以前基本处于低温阶段，１９８９年以来一直处于偏暖阶段，目前仍处于偏暖时期。
２．１．２年日照时数年日照时数分析见图２。日照是气候的重要因素，日照时数是表征气候变化的气象要素之一。日照时数多，有利于棉花的成铃率和单铃重的提高［１１］，日照时数也是影响棉花纤维品级的主要气候因子之一［１２］。４～９月是农作物的主要生长季节，特别是棉花对热量条件要求较高，热量条件的好坏直接影响棉花的产量和品质。随着全球气候变暖，大气中污染物的增加，日照时数发生了明显的变化。由图２可知，近５０年来石河子地区日照时数年平均值为２ ７３６ ｈ，年平均日照时数呈增加趋势，其幅度是６．４６ ｈ／１０年。从５年滑动平均趋势可以看出，石河子地区年日照时数在１９８５～１９９５年低于平均值，自１９９６年以来开始高于平均值。
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２．１．３年降水总量变化年降水总量分析见图３。由图３可知，石河子地区全年的降水总量呈明显增多趋势，其增加的幅度为１０．３ ｍｍ／１０年。从５年滑动平均曲线可知，石河子地区年降水总量的波动性很大，在１９６１～１９７１年、１９７６～１９８７年这两个时间段内明显低于平均值，在１９７１～１９７５年、１９８８～１９９１年这两个时间段内明显高于平均值，自１９９８年以来一直高于平均值。从实测点上可以看出，在１９６５年、１９７８年、１９９１年及１９９７年出现了较为严重的旱情，而在１９６４年、１９８７年、１９９９年及２００４年则出现严重的降水偏多现象。
２．２石河子地区棉花年产量变化规律
对棉花年产量的分析，也采用了线性倾向分析和５年滑动平均趋势分析的方法，结果如图４。图４表明，石河子地区近５０年来棉花产量呈现出较强劲的增长势头。20世纪９０年代初期，黄淮海平原棉区因棉花枯、黄萎病和棉铃虫危害严重，效益下降，棉花主产区转向生产条件优越的新疆棉区。１９９５年，新疆棉花种植面积和总产量分别占全国的１３．７％和２０．８％，至此，新疆棉区已经成为我国最大的产棉区，肩负着保证国家棉花储备，促进我国棉纺织工业发展的重任。１９９６年，国务院根据当时棉花生产形势，决定于“九五”期间在新疆建成国家特大型商品棉基地。随着国家棉花基地建设项目的启动，带动了新疆棉花迅猛发展，而石河子地区是新疆主要的棉花生产区。从５年滑动平均曲线来看，自１９９７年以来石河子地区棉花年产量一直高于历年平均值，呈直线上升趋势。
２．３气候变化对棉花年产量的影响分析
影响棉花年产量的因素很多，包括气候因素、病虫害因素、生产技术水平、社会因素等。研究仅从气候因素考虑对棉花年产量的影响，而气候因素中，影响棉花年产量的主要因素在于温度、日照和降水量。依据石河子地区年平均气温、年日照时数、年降水总量的原始数据。采用多元线性回归的方法处理棉花年产量与年平均气温、年日照时数、年降水总量之间的关系。
２．３．１棉花年产量与气候因子的相关关系从表１可见，在石河子地区棉花年产量与年降水总量、年平均气温、年日照时数均为正相关，相关系数分别为０．２６７、０．５２２、０．２７５，其中与年平均气温的相关系数通过了０．０１的显著性水平检验，统计检验的相伴概率小于０．０１，但与年降水总量、年日照时数的相关系数没有通过０．０５的显著性水平检验。说明石河子地区年平均气温的变化对棉花年产量的增加影响很大，年降水总量与年日照时数的变化对棉花年产量有影响但影响不显著。
２．３．２建立回归模型通过对气候因子序列进行逐步回归分析，建立回归模型，来分析棉花年产量与年平均气温、年降水总量、年日照时数之间的关系。建立回归模型方法为：研究在线性相关条件下，两个或两个以上自变量对一个因变量的数量变化关系，称为多元线性回归分析，表现这一数量关系的数学公式，称为多元线性回归模型。多元线性回归模型是一元线性回归模型的扩展，其基本原理与一元线性回归模型类似。
假设棉花产量与年平均气温、年日照时数、年降水总量存在如下线性关系：
Ｙ＝ｂ０＋ｂ１ＩＴ＋ｂ２ＩＰ＋ｂ３ＩＲ （８）
其中ｂ０为常数项，ＩＴ为年平均气温，ＩＰ为年降水总量，ＩＲ为年日照时数，ｂａ即ｂ１、ｂ2、ｂ3称Ｙ对Ｉｘ（即ＩＴ、ＩＰ、ＩＲ）的回归系数。根据最小二乘法的原理计算求出回归系数及常数项。采用ＳＰＳＳ １６．０对石河子地区近５０年来的棉花年产量、年平均气温、年日照时数、年降水总量原始数据进行标准化处理及回归模型的求解，得 ｂ０=２．７５７×１０１５，ｂ１＝０．４８６，ｂ2＝０．４０７，ｂ3＝０．２９３。故所求棉花年产量与年平均气温、年日照时数、年降水总量的回归方程为：
Ｙ＝２．７５７×１０１５＋０．４８６ＩＴ＋０．４０７ＩＰ＋０．２９３ＩＲ
其中，Ｙ为棉花年产量标准化以后的数值。
该回归方程Ｒ２＝０．６６５ ０，对回归方程的检验极显著，表明所建立的回归方程可以对棉花年产量与年平均气温、年降总水量、年日照时数之间的关系进行拟合。
３结论与讨论
分析了石河子地区年平均气温、年日照时数、年降水总量及棉花年产量的变化特征，该地区年平均气温、年日照时数、年降水总量均呈总体上升趋势。并且探讨了气候变化对棉花年产量的影响，从线性回归分析可知，年平均气温的升高、年降水总量的增加及年日照时数的增多都有利于棉花年产量的增加。
棉花的年产量毕竟受到很多因素的影响，上述分析中所采用的３个指标是气候因素中最重要的３个指标，基本上可以表示出气候变化对棉花年产量的影响，在今后的研究中，如果在公式（８）中加入一个随时间变化的扰动项可能更能说明气候变化对棉花年产量的影响。
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