Effects of climate warming on the yield of major crops in the irrigation areas of yanqi basin oasis

Journal of Modern Agriculture October 2014, Volume 3, Issue 4, PP.66-72

Effects of Climate Warming on the Yield of Major Crops in the Irrigation Areas of Yanqi Basin Oasis Aihong Fu#, Yaning Chen, Weihong Li State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences (CAS), Urumqi, 830011, P. R. China #Email: fuah@ms.xjb.ac.cn

Abstract The study utilized the yield data of corn, wheat, potato and cotton in Yanqi County, Hejing County and Heshuo County in the Yanqi Basin and annual temperature data during 1961-2010 and analyzed the effects of climate warming on agricultural production. The results showed that: (1) Since 1960s, the average annual temperature (AAT), growing season temperature (GST) and annual accumulated temperature above 10°C (AATA10) remained relatively stable in Hejing County, but increased significantly in Yanqi County and Hejing County. The overall temperature has risen rapidly in Yanqi County and Hejing County since the 1990s, and currently is still in a rapid warming state in Yanqi County, but in a stably and slightly decreased state in Hejing County; (2) Wheat yield in the three counties showed a “W" shape during 1995 and 2010, corn yield increased yearly after 2008, potato and cotton yields showed a unimodal trend and significantly decreased after 2007; (3) Wheat yield showed a significant negative correlation with all temperature factors, and cotton yield showed a highly significant positive correlation with all temperature factors, especially GST, which has the greatest impact on wheat and cotton yield. Regression analyses of wheat and cotton yield and temperature factors showed that cotton but not wheat yield had a extremely significant relationship with GST (p<0.01); (4) Increased GST prolongs the cotton growth period, provides enough heat, reduces frost-caused damages to cotton and improves cotton yield and quality. By contrary, climate warming has also brought many negative effects, such as enlarged droughtand pest- affected areas, thus affecting agricultural production.

Keywords: Climate Warming; Crop Yields; Influencing Factors; Yanqi Basin

气候变暖对焉耆盆地绿洲灌区主要作物产量的影响

*

付爱红，陈亚宁，李卫红 荒漠与绿洲生态国家重点实验室，中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐，830011 摘

要：利用焉耆盆地焉耆县、和静县和和硕县 1961-2010 年气温资料与玉米、小麦、薯类和棉花产量资料，分析了气候

变暖对农业生产的可能影响。结果表明：（1）20 世纪 60 年代以来，焉耆县和和静县多年平均气温、生长季气温和≥10 ℃积温显著升高，和静县 20 世纪 90 年代以来气温呈快速上升趋势，但目前正处于升温平稳且略微下降期；焉耆县目前 处于快速升温期。和硕县气温升高不明显。 （2）1995-2010 年焉耆县、和硕县和和静县小麦产量呈“W”型，玉米产量在 2008 年后随年代逐年递增，薯类和棉花产量呈单峰趋势，2007 年后显著下降。 （3）小麦产量与各气温因子均呈显著的负 相关性，棉花产量与各气温因子均呈极显著的正相关性，尤其是作物生长期气温对小麦和棉花产量影响最大。通过对小 

资助项目：中国科学院“西部之光”人才培养计划西部博士专项（XBBS201026），国家自然科学基金项目（41271052）和国 家重点基础研究发展计划 973 项目（2010CB951003）共同资助 - 66 www.jma-journal.org

麦和棉花产量与各气温因子进行回归分析发现，棉花产量与作物生长期气温间的回归方程通过了 0.01 的显著性检验，小 麦则未通过。（4）作物生长期气温升高延长了棉花生长季，补充了足够的热量，减轻了霜冻对棉花的危害，提高了棉花 的产量和品质。气候变暖也带来许多负面影响，例如：气候变暖使得旱灾面积和病虫害受灾面积增大，影响了农业生产。 关键词：气候变暖；作物产量；影响因子；焉耆盆地

引言 据 IPCC 第四次气候变化评估报告：近百年全球气温升高了 0.74℃ [1]，19 世纪 60 年代至今，北半球的 气温平均升高了 0.4-0.8℃，在 1980s 后，中国年平均气温增加 1.1℃，变化率为 0.22℃/10a，高于全球平均增 温速率[2]。而且越来越多的事实证明，人类活动排放的温室气体在全球变暖中起着重要作用。人们对未来气 候变化造成的不良后果十分关心。随着全球气候变暖的频繁发生，全球气候变暖已经成为当前科研热点问题。 人们对未来气候变化对农业造成的影响十分关注，国内外众多学者对此做了大量的研究[3-8]，以便采取相应的 对策，对农业生产布局作出最优的调整。 气候变化对农业生产的影响可以是有利或不利的。自20世纪8O年代以来，不断有研究结果表明[9-10]，在 全球气候变化下，植被对气候变化的响应迅速，农业生产是反应最为敏感的产业之一。随着气候变暖，作物 种植界限北移、播种期提前、生长期延长，作物引种成功率提高；同时，农业也面临着生产不稳定和产量波 动大的突出问题。 焉耆盆地地处天山南麓，具有南北疆气候过渡特征，光照充足，水、土资源丰富，田地块大而平整，可 种植经济作物品种多，便于轮作倒茬，土壤肥力好，棉花病虫害危害小，不足之处为热量条件欠佳，属于风 险棉区。近年来，新疆气候有明显变暖变湿的趋势，焉耆盆地热量条件有明显好转，加之早熟、特早熟棉花 品种的推广及种植技术的提高，焉耆盆地植棉获得成功，植棉比较效益稳定上升，棉农植棉积极性高涨。许 多研究已发现热量和气温等气候条件对焉耆盆地棉花产量有显著影响[11-12]，那么，气候条件尤其是气候变暖 对焉耆盆地其他农作物产量有何影响尚未见报道。 焉耆盆地远离海洋，属大陆性干旱气候，极端干旱缺水，是气候变化脆弱的地区，作物的生长对气候变 化比较敏感。本文以新疆开都河流域焉耆盆地为研究对象，分析气候变暖对农业生产的可能影响，期望为未 来农业生产的结构调整和资源优化配置提供科学对策。

1 研究区和方法 1.1 研究区概况 焉耆盆地位于新疆塔里木河盆地东北侧，巴音郭楞蒙古自治州境内，是天山山脉中的一个山间盆地，东 西长约 160km，南北宽 60-90km，面积约 1.3×104km2，盆地略呈菱形，地势西高东低，北高南低，总体呈现 为四周向盆地倾斜的地貌形态，地面海拔一般在 1050-1200m，盆地内流水地貌、风沙地貌、湖泊地貌类型十 分发育，因盆地中的焉耆县而得名。该地区为典型的大陆性干旱气候，降水稀少，蒸发强烈，热量充足，日 照长，温差较大，且凉爽湿润，平均降水量 50.7-79.9mm，相对湿度 50％-60％，蒸发量为 2000.5-2449.7mm， 蒸发量超过降水量 30 倍以上。区内水土资源丰富，是巴音郭楞蒙古自治州主要的农牧业基地。焉耆盆地（图 1）东南有我国目前最大的内陆淡水湖泊博斯腾湖，水域面积为 1210.5km5，容积为 90×108m3，该湖是焉耆 盆地工农业生产及人民生活的主要水源，在水资源十分珍贵的新疆南部地区，有着十分重要的地位。然而， 焉耆盆地地表水资源虽然丰富，但分布极不均匀，资源性缺水、工程性缺水和管理性缺水的现象同时存在， 现有的水资源和水利工程不能满足国民经济发展的需要，也不能满足工农业生产和经济社会可持续发展的需 要，水利建设的现状同国民经济对水的需求间的矛盾十分突出。盆地内各灌区灌溉粗放，灌溉定额过高，极 大的浪费了水资源，大量的农田排水排入博斯腾湖，加剧了湖水的咸化，湖滨湿地生境退化，生物多样性受 损。 - 67 www.jma-journal.org

图 1 焉耆盆地主要县域示意图

Fig.1The sketch map on the main counties in Yanqi Basin

1.2 方法 1.2.1

数据收集

在焉耆盆地较大的三个县—焉耆县、和硕县和和静县气象局获取1961-2010年逐月的平均气象数据，包括 月平均气温、月最高气温、月最低气温等数据。基于该数据计算获得4-9月生长季平均气温和≥10℃积温资料。 通过查阅近十年焉耆盆地统计年鉴，收集得到1995年和2002-2009年玉米、小麦、薯类和棉花生育期观测资料， 包括作物年总产量、耕地面积、作物受灾面积等。 1.2.2

气温分析方法

采用回归统计、综合对比分析方法研究气候变化下作物产量的变化。本文计算年平均气温、生长季(4～ 9月)平均气温和≥10℃积温的气候倾向率[8-10]。即以年代( t)为时间因子，气候要素( x)为模拟对象，则以直线 方程拟合：

x(t )  c  bt 式中c、b为待定系数，其中b为气候要素趋势，若b>0表示气候要素呈上升趋势，b<0表示气候要素呈下降趋 势，b×10称为气候倾向率。气候要素的年代际变化趋势为二阶多项式拟合。

2 结果与分析 2.1 气候变暖分析 从20世纪80年代以来，全球气温持续上升，尤其是90年代以后，增温更加显著，增温幅度为0.3-0.6℃。 基于此，本文研究了中国西北干旱区焉耆盆地气温年际的变化情况。从表1可知，焉耆县和和静县多年平均 气温、生长季气温和≥10℃积温与年代之间均呈显著或极显著的正相关关系，而和硕县气温和积温与年代间 无显著相关性。通过计算气温倾向率b值发现，在焉耆县和和静县表征气候变暖特征的因子变化趋势值均大 于零（b>0），结合相关分析可推知，在这两个县多年平均气温、生长季气温和≥10℃积温均显著升高；和硕 县b<0，说明气温和≥10℃积温呈下降趋势，但因其与年代间无显著的相关性，故可推知，和硕县气温和≥ 10℃积温的下降趋势不显著。 - 68 www.jma-journal.org

A

B

C

图 2 焉耆盆地典型县域多年平均气温(A)、生长季气温(B)和≥10℃积温(C)的年际变化

Fig.2 The change of annual mean air temperature(A), air temperature in the growing seasons(B) and accumulated temperature of ≥10℃(C) in the typical counties in Yanqi Basin 从年平均气温和生长季气温变化趋势（图2a和图2b）来看，和静县年平均气温和生长季气温的年际变化 趋势都是缓慢递增的，五阶多项式拟合相关系数分别为0.5148和0.4504，20世纪90年代以来气温呈快速上升 趋势，过去50年增温率为0.84℃/10a和1.82℃/10a。气温与年代之间的线性拟合的相关系数为0.722和0.635，通 过了0.01的显著性检验，但目前正处于升温平稳且略微下降期。焉耆县年平均气温和生长季气温的年际变化 趋势都是快速升温的，线性拟合相关系数分别为0.5296和0.4003，过去50年增温率分别为0.336℃/10a和0.219 ℃/10a，气温与年代之间线性拟合的相关系数分别为0.499和0.282，分别通过了0.05和0.01的显著性检验，目 前仍然处于快速升温期。和硕县年平均气温和生长季气温的年际变化趋势均是缓慢降低的，但因气温与年代 间不存在显著的线性拟合关系，故可推知，气温的年际变化趋势是不显著的。 从≥10℃积温的变化趋势（图2c）来看，和静县≥10℃积温的年际变化趋势是缓慢递增的，焉耆县则呈 快速升温的变化趋势。和静县四阶多项式拟合相关系数为0.4831，20世纪90年代以来积温增加最快，说明气 温从90年代以来变暖贡献最大的是冬季（≥10℃积温累积时间为3-10月，即春季、夏季和秋季） ，过去50年积 温增温率为591.61℃/10a；焉耆县线性拟合的相关系数为0.4207，过去50年积温增温率为64.278℃/10a。和静 - 69 www.jma-journal.org

县和焉耆县≥10℃积温与年代之间线性拟合的相关系数分别为0.622和0.280，分别通过了0.01和0.05的显著性 检验。和硕县≥10℃积温与年平均气温和生长季气温的年际变化趋势一致，即气温与年代间线性降低趋势不 显著。目前≥10℃积温的变化状况与年平均气温目前的变化趋势一致。 表1 焉耆盆地气温的年际变化

Table 1 Temperature change in Yanqi Basin 县域 和静县

和硕县

焉耆县

气温因子 年平均气温 作物生长期气温 ≥10℃积温 年平均气温 作物生长期气温 ≥10℃积温 年平均气温 作物生长期气温 ≥10℃积温

R 0.722 0.090 0.499 0.635 -0.237 0.282 0.622 -0.202 0.280

b 0.0848 -0.0109 0.0336 0.1828 -0.0386 0.0219 59.161 -33.298 6.4278

注：R为相关系数，b为气温倾向率

2.2 作物产量分析 通过分析1995-2010年焉耆盆地焉耆县、和硕县和和静县主要农作物小麦、玉米、棉花和薯类产量变化（图 3）发现，三个县小麦多年平均产量随时间呈“W”型，产量最高值出现在2005年，分别达66996t、43003t和 8845t，最低值出现在2003年和2007年，2007年以后产量逐年递增；三个县玉米产量呈单峰“V”型，最低值 出现在2006-2008年期间，2008年后产量随年代逐年递增；薯类和棉花产量随年代的变化趋势与小米和玉米不 相同，总体上来看，均呈单峰趋势，只是峰值出现年代不同。具体来看，和静县和和硕县薯类产量最高值均 出现在2009年，三个县棉花产量最高值均出现在2007年，和静县棉花产量于2009年后、和硕县棉花产量于2008 年后均缓慢增高，焉耆县棉花产量2008年后比较稳定。当前，小麦和玉米产量处于峰值处，有继续增大的迹 象，薯类未来有减少的迹象，棉花也有升高迹象。

图 3 1995-2010 年焉耆盆地主要农作物产量，其中，(A)：小麦；(B)：玉米；(C)：薯类；(D)：棉花

Fig.3 Crop yields in Yanqi Basin in 1995-2010 Thereinto: (A): Wheat; (B): Corn; (C): Potato; (D): Cotton - 70 www.jma-journal.org

2.3 气温因子与作物产量的关系 从表2可以看出，小麦产量与各气温因子的相关系数均为负值，它们之间呈显著的负相关性，尤其是与 作物生长期气温间呈极显著负相关性，说明小麦主要受整个生长期的热量限制，随着气温的升高，小麦产量 呈下降趋势，当前该区热量已能满足小麦生长所需，气候变暖对该区小麦生长不利；而棉花正好相反，各气 温因子与棉花产量之间均呈极显著的正相关性，与作物生长期气温间的相关系数最大，即随着气温，特别是 生长期气温的升高，棉花产量随之增大，说明目前该区热量满足不了棉花生长的需求，气候变暖对该区棉花 产量的提高有利。各气温因子与玉米和薯类产量之间不存在显著的相关关系，说明气温波动对玉米和薯类产 量影响不大。 表2 作物产量与气温因子的相关系数

Table 2 Correlation coefficients between the crop yields and temperatures 气温因子

相关系数

小麦 -0.403* 年平均气温 -0.477** 作物生长期气温 ≥10℃积温 -0.395* 注：*通过了0.05显著性检验，**通过了0.01显著性检验

玉米 -0.192 -0.272 -0.250

薯类 -0.247 -0.330 -0.219

棉花 0.578** 0.749** 0.665**

2.4 气候变暖对作物生长的可能影响 选取与小麦和棉花产量相关系数最大的年平均气温、作物生长期气温和≥10℃积温三个气温因子为自变 量，与小麦和棉花产量分别做Stepwise直线逐步回归分析发现，棉花产量与作物生长期气温间的回归方程通 过了0.01的显著性检验，方程为Y棉花＝-167473+8838.826X作物生长期气温；小麦产量与各气温因子间的回归方程均未 通过0.05的显著性检验。分析回归方程可知，作物生长期气温每增加1℃，棉花年总产量将增加8838.83t。作 物生长期气温增加对该区小麦、玉米和薯类生产没有明显影响。棉花产量随气温升高而增加，可能是因为作 物生长期气温升高延长了生长季，补充了足够的热量，减轻了霜冻对棉花的危害。据调查，2007-2008年与 2002-2006年相比，作物生长期平均气温升高了1.42-1.62℃，作物生长期也相应延长。 棉区的热量条件与棉花产量及品质之间的关系密切，热量好的年份，棉花产量及品质都高。气温升高、 热量增多还提高了棉花的产量和品质。 气候变暖还大大增加了土壤的蒸发量。研究表明，气温每上升1℃，蒸发量将增加0.5％-10％。这将增大 干旱发生的机率，加重干旱的程度。据调查，2002-2006年旱灾面积很小，有些年份无旱灾情况；2007年开始 旱灾突然增加到39859hm2，2009年高达54946.9 hm2，干旱受灾面积大幅增加。而冬季气候变暖，有利于病虫 及病原菌越冬，这将增加来年的虫口密度和增强病菌的繁殖能力，加快蔓延速度，使农田受害的机率增多， 造成作物减产。据统计，2007年农作物受虫灾面积达380 hm2。气候变暖将使异常天气时间增加，对农业产生 不利影响，给该区不稳定的农业生产，更增加了其他不稳定因素。

3 结论 20世纪60年代以来，焉耆盆地绿洲焉耆县和和静县多年平均气温、生长季气温和≥10℃积温显著升高， 和静县20世纪90年代以来气温呈快速上升趋势，气温从90年代以来变暖贡献最大的是冬季，但目前正处于升 温平稳且略微下降期；焉耆县目前处于快速升温期。和硕县气温升高不明显。1995-2010年焉耆县、和硕县和 和静县小麦产量最高值出现在2005年，最低值出现在2003年和2007年，2007年以后产量逐年递增；玉米产量 在2008年后随年代逐年递增；薯类和棉花产量随年代增长呈单峰趋势。小麦产量与各气温因子均呈显著的负 相关性，棉花产量与各气温因子均呈极显著的正相关性，尤其是作物生长期气温对小麦和棉花影响最大。通 过对小麦和棉花产量与各气温因子进行回归分析发现，棉花产量与作物生长期气温间的回归方程通过了0.01 - 71 www.jma-journal.org

的显著性检验，小麦则未通过。作物生长期气温升高延长了生长季，补充了足够的热量，减轻了霜冻对棉花 的危害，提高了棉花的产量和品质。气候变暖也带来许多负面影响，例如：气候变暖使得旱灾面积和病虫害 受灾面积增大，影响了农业生产。

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