中國北方春小麥生育期變化的區域差異性與氣候適應性

俄有浩，霍治國，馬玉平，徐蕓皎

(中國氣象科學研究院，北京 100081)

中國春小麥種植區主要分布在新疆、甘肅、青海、寧夏、內蒙古、吉林、黑龍江等北方中高緯度和較高海拔的地區。這些地區是響應全球氣候變暖的最敏感區域［1］。研究表明，近50 a來，我國東北、華北、西北東部和西部平均氣溫增幅分別為1.55、1.44、0.98和0.91℃，均高于全國增幅水平的0.87℃［2］。氣候變暖增加了北方春小麥種植地區熱量資源，改變了降水變率和降水量的空間分布模式，延長了春小麥潛在生長季，對北方作物種植制度、種植布局以及春小麥生長發育進程和產量等產生了很大影響［3-7］。然而，對部分地區春小麥生長發育響應氣候變化的研究結果表明，隨著氣候變暖，春小麥的播種期、成熟期等主要發育期和生育期出現了不同的變化程度和趨勢。一些區域春小麥播種期提前，而有些區域播種期推遲，春小麥成熟期和生育期的變化趨勢和變化程度也表現出較大的區域差異性［4-10］。春小麥發育期和生育期是反映春小麥生長發育進程的主要指標，它們除了受種植區氣候資源和氣象條件等因素影響外，還受品種的遺傳改良和栽培與管理技術等社會經濟因素影響。在我國北方普遍增溫的背景下，春小麥生長發育的區域差異性是否具有普遍性?影響北方春小麥的生長發育區域差異變化的主要因素是什么?本文以北方18個農業氣象觀測站春小麥主要發育期觀測資料和氣象要素觀測資料為依據，分析20世紀80年代以來春小麥種植區氣候變化特點及其與春小麥生育期變化相關性，研究北方春小麥種植區氣候變化對春小麥生育期變化的區域差異性形成原因，為北方作物種植布局、春小麥生產和氣候適應性措施的實施提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 數據及來源

自20世紀80年代以來，中國氣象局在全國布設了600多個農業氣象觀測站，主要開展當地主栽作物品種的發育期及作物生長狀況觀測。在春小麥種植區布設了50多個主要針對春小麥的農業氣象觀測站。然而，由于當地作物種植結構和布局的調整和變動，主栽作物品種經常發生變化，造成部分春小麥觀測站的觀測對象發生改變，觀測數據中斷或終止。本研究從我國北方春小麥主要分布區收集到觀測數據連續、具有典型代表性的18個農業氣象觀測站的春小麥主要發育期數據和日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫等氣象要素數據。10個觀測站的數據自1980年至今，8個觀測站數據時間為1992—2012年。所有數據來自中國氣象局國家氣象信息中心。農業氣象觀測站主要信息見表1。

1.2 數據處理與分析

發育期數據主要包括播種期、出苗期、分蘗期、拔節期、抽穗期、開花期、乳熟期和成熟期等日期。將播種期和成熟期等關鍵發育期轉換為日序，并計算得到生育期日數。根據1980—2012年2—8月逐日平均氣溫，利用五日滑動平均法，得到逐年穩定通過0℃初日，并計算逐年2—8月的平均氣溫作為春小麥生長季平均氣溫。根據播種期、開花期、成熟期及其逐日平均氣溫，計算18個觀測站逐年的春小麥灌漿期間和全生育期間平均氣溫;根據播種期至成熟期和相應期間日平均氣溫，計算各站逐年播種期至成熟期的有效積溫。計算有效積溫采用的小麥生物學下限溫度為5.0℃。

根據以上數據，統計分析了18個觀測站1980—2012年春小麥生長季平均氣溫和穩定通過0℃初日變化及趨勢，春小麥灌漿期間平均氣溫、全生育期間平均氣溫和播種期、成熟期變化及趨勢。進行了播種期與穩定通過0℃初日、成熟期與灌漿期平均氣溫、成熟期與播種期、生育期與播種期、生育期與成熟期、生育期與生育期間平均氣溫以及生育期與生育期間有效積溫等要素的相關性分析，統計顯著性檢驗采用雙尾t檢驗。數據統計與分析采用Excel 2007和SPSS 16.0等軟件完成。

2 結果與分析

2.1 春小麥主要發育期及生育期變化

播種期:大部分站的春小麥播種日期為3月中旬，但庫爾勒播種期較早，平均在2月下旬，阿勒泰和昭蘇較遲，平均為4月中旬。18個觀測站播種期變化趨勢分析表明，中衛和平羅站播種期顯著提前，分別通過0.01和0.05信度顯著性檢驗，線性擬合的提前傾向率分別為3.2和2.3 d/10a。奇臺、庫爾勒、哈密、敦煌、永寧、格爾木等6個站的播種期表現為不顯著性提前。而阿勒泰、酒泉、武威、武川和諾木洪5個站的播種期顯著推遲，變化趨勢通過0.05和0.01信度顯著性檢驗，線性擬合的推遲傾向率最大為13.0 d/10a，最小為1.4 d/10a。昭蘇、庫爾勒等其余5個站播種期不顯著性推遲(表2)。

表1 農業氣象觀測站信息Table 1 The general information of agro-meteorological observation stations

表2 春小麥生長季平均氣溫及生長發育期變化Table 2 Variability of the average temperature and phenology during spring wheat growing period

成熟期:大部分站點春小麥成熟日期為7月下旬，但庫爾勒成熟期較早，平均在6月下旬，昭蘇成熟期最遲，平均為8月底。18個觀測站成熟期變化趨勢結果表明，除了武川站成熟期有不顯著延遲趨勢外，其余各站成熟期都表現為提前，其中，昭蘇、張掖、武威、中衛、平羅、臨河、格爾木和諾木洪等8個站的成熟期顯著提前，并通過0.01信度顯著性檢驗，線性擬合的提前傾向率分別為14.8、3.5、3.5、1.7、2.7、2.6、3.2和7.7 d/10a。哈密和敦煌站成熟期提前變化趨勢通過0.05信度顯著性檢驗。阿勒泰等7個站成熟期提前趨勢不顯著(表2)。

生育期:春小麥從播種到成熟的日數為生育期。區域上，諾木洪生育期最長，多年平均為161.9 d(n=21)，阿勒泰最短，多年平均為102.8 d(n=32)。生育期變化趨勢結果顯示，僅有中衛的生育期變化趨勢表現為不顯著性延長，線性擬合的延長傾向率為1.2 d/10a，其余各站生育期都表現出縮短的變化趨勢，其中，阿勒泰、昭蘇、酒泉、張掖、武威、定西和諾木洪7站縮短的變化趨勢最顯著，均通過0.01信度顯著性檢驗，線性擬合的縮短傾向率分別為9.1、15.1、6.3、4.2、4.9、4.0和20.7 d/10a。同心、臨河和格爾木等3站縮短變化趨勢通過0.05信度顯著性檢驗，線性擬合的縮短傾向率分別為2.8和4.0和2.7 d/10a。奇臺、庫爾勒等7個站生育期縮短的變化趨勢不顯著(表2)。

2.2 春小麥生長季氣溫變化

北方春小麥播種期最早發生在2月中旬(庫爾勒)，收獲期最晚發生在8月末(昭蘇、諾木洪)。因此，2月至8月為北方春小麥的生長季。根據1980—2012年2—8月生長季的年平均氣溫變化趨勢分析表明，在18個農業氣象觀測站中，海拔最低的阿勒泰、奇臺和哈密3個站的生長季年平均氣溫不顯著升高(表2)，昭蘇、庫爾勒、敦煌等14個站生長季的年平均氣溫呈現極顯著上升趨勢(P＜0.01)，臨河的生長季年平均氣溫呈現顯著上升趨勢(P＜0.05)。氣溫顯著變化的線性擬合傾向率最大為0.84℃/10a，最小為0.41℃/10a。表明北方春小麥生長季大部分站點自1980年以來處于變暖的環境中。

1980—2012年日平均氣溫＞0℃初日變化趨勢分析表明，僅庫爾勒站的＞0℃初日表現為極顯著性提前趨勢(P＜0.01)，初日變化曲線的線性擬合傾向率為4.5 d/10a。阿勒泰、昭蘇等14個站穩定通過0℃初日表現為提前的變化趨勢，哈密、同心和中衛等3個站的＞0℃初日表現為推遲的變化趨勢，但變化趨勢均不顯著(表2)。表明雖然大部分站點處于變暖的環境中，但是春季增溫并不顯著。

2.3 春小麥生育期間的氣溫和有效積溫變化

春小麥灌漿期間溫度高低對灌漿期長短和成熟期有重要的影響作用。春小麥灌漿期持續時間平均約30 d。18個觀測站的灌漿期間平均氣溫變化趨勢分析表明，阿勒泰、奇臺、臨河和武川等4個站不顯著升高，昭蘇等其余14個站灌漿期間平均氣溫顯著升高(P＜0.01)，最高增溫的線性傾向率為1.66℃/10a(諾木洪)(表2)。

春小麥從播種到成熟期間的平均氣溫和有效積溫是決定春小麥生長發育的關鍵氣象要素。對18個站的春小麥播種至成熟期間平均氣溫變化趨勢分析表明，奇臺、哈密、敦煌、同心、平羅、臨河等6個站生育期間平均氣溫表現為不顯著升高，其余12個站生育期間平均氣溫都呈現顯著升高趨勢，其中，昭蘇、庫爾勒、酒泉、張掖、武威、定西、同心、永寧、格爾木和諾木洪等10站生育期間平均氣溫升高趨勢通過0.01信度顯著性檢驗，阿勒泰和武川的升高趨勢僅通過0.05信度顯著性檢驗(表2)。

18個觀測站中，生育期間有效積溫定西站最低，多年平均為1050.2℃·d(n=27)，哈密站最高，多年平均為1687.1℃·d(n=21)。趨勢分析表明，大部分站生育期間有效積溫呈現升高趨勢，其中，庫爾勒、酒泉、張掖、武威、定西、同心、中衛、永寧和格爾木等9個站為極顯著升高趨勢(P＜0.01)，平羅、武川和和諾木洪3站為顯著升高趨勢(P＜0.05)。昭蘇、奇臺、哈密和敦煌變化不顯著，其變化趨勢和變化幅度與生育期間平均氣溫的變化狀況相同。而阿勒泰和臨河站的有效積溫呈現不顯著減少的趨勢，分析其減少的原因發現主要與生育期減少和2010—2012年的平均氣溫較低有關。

2.4 春小麥發育期變化的相關性分析

春小麥生育期日數由播種期和成熟期決定。播種期主要受播前氣溫、土壤水分和土壤解凍深度等自然條件和播種機械、勞動力力資源、作物品種變化等社會經濟因素共同影響。就自然條件而言，一般認為，日平均氣溫穩定通過0℃初日是確定春小麥播種期的主要氣象參照指標。播種期與＞0℃初日相關性分析表明，僅有奇臺、永寧和格爾木等3個站的播種期與＞0℃初日存在極顯著和顯著的正相關關系(P＜0.01，P＜0.05)，其它站的播種期與＞0℃初日沒有顯著相關性(表3)。成熟期主要受春小麥品種、播種期、土壤水分、施肥狀況、生育前期氣溫和灌漿期間氣溫等條件影響。由于缺乏品種、生育期間水分和施肥狀況等對發育進程影響的試驗數據，僅對灌漿期間平均氣溫和播種期分別對成熟期影響的相關分析表明，昭蘇、武威、中衛、格爾木和諾木洪5個站的成熟期與灌漿期間平均氣溫存在極顯著負相關關系(P＜0.01)，阿勒泰、奇臺、酒泉、張掖和平羅等5站成熟期與灌漿期間平均氣溫存在顯著負相關關系(P＜0.05)，說明這10個站的成熟期受到了灌漿期間溫度變化的影響，灌漿期氣溫升高導致成熟期提前。而庫爾勒、哈密、敦煌、定西、同心、永寧、臨河和武川等8站的灌漿期間平均氣溫與成熟期相關性不顯著，可能的原因一方面由于一些站灌漿期間平均氣溫沒有顯著升高，另一方面說明這些站的灌漿期氣溫不是影響成熟期變化的主要因素。另外，一般而言，播種時間也影響成熟期。成熟期與播種期相關分析表明，中衛和平羅2個站的成熟期與播種期存在極顯著正相關關系(P＜0.01)，阿勒泰、昭蘇、庫爾勒、哈密、定西、永寧、武川和格爾木等8個站的成熟期與播種期存在顯著正相關關系(P＜0.05)，說明播種期早則成熟期相應較早，播種期推遲則成熟期相應較遲。然而，奇臺、敦煌、酒泉、張掖、同心等5個站成熟期與播種期的正相關性不顯著，武威、臨河2站的成熟期與播種期為不顯著負相關，諾木洪為極顯著負相關關系(P＜0.01)。分析播種期與成熟期相關性不顯著的原因發現，一方面由于這些站播種期和成熟期變化幅度都較小，另一方面可能與當年的生育期溫度、灌溉時機、品種變化等有關。而播種期與成熟期呈現負相關主要由于整體上這些站播種期推遲和成熟期提前所致，尤其是諾木洪播種期和成熟期都有大幅度顯著變化，導致播種期和成熟期呈現極顯著負相關關系。

播種期和成熟期共同影響生育期，但是，不同站點播種期和成熟期對生育期的影響程度不同。生育期與播種期和生育期與成熟期相關性分析顯示，播種期與生育期存在負相關性，而成熟期與生育期表現出正相關關系。除昭蘇和定西2個站播種期與生育期的負相關性不顯著以外，其余16個站的播種期與生育期都存在極顯著負相關關系(P＜0.01)。昭蘇、武威、定西、臨河、格爾木和諾木洪6個站的成熟期與生育期都存在極顯著正相關關系(P＜0.01)，敦煌、張掖和同心3個站的成熟期與生育期表現顯著正相關關系(P＜0.05)，阿勒泰等其余9個站的成熟期與生育期相關性不顯著(表3)。說明播種期對生育期變化的影響比成熟期對生育期變化的影響程度更大。

表3 春小麥發育期變化的相關性(相關系數R)Table 3 The correlation coefficients between average temperature and phenology during spring wheat growing period

3 討論與結論

3.1 氣候變暖與春小麥發育期變化

20世紀80年代以來，北方春小麥生長季(2—8月)均呈現增溫趨勢，其中，大部分站點2—8月平均氣溫達到極顯著升高趨勢(P＜0.01)。然而，伴隨平均氣溫普遍升高，穩定通過0℃初日只表現為不顯著性提前，部分站點穩定通過0℃初日還有推遲的趨勢，表明北方春小麥種植區增溫的時間主要在生長季后期，大部分站點的灌漿期平均氣溫呈現極顯著增加的變化趨勢也證明了這一點。

一般認為，穩定通過0℃初日和灌漿期平均氣溫是決定春小麥播種期和成熟期的關鍵氣象因素。北方春小麥種植區穩定通過0℃初日為不顯著性提前趨勢，則播種期也應該表現為不顯著性提前。然而，阿勒泰、酒泉、武威、武川和諾木洪等5個站的播種期卻顯著推遲(P＜0.05)，昭蘇、庫爾勒、張掖、定西、同心和臨河等6個站播種期也有推遲趨勢，只有中衛和平羅2個站播種期表現為顯著提前(P＜0.01，P＜0.05)，奇臺、哈密、敦煌、永寧、格爾木等5個站的播種期為不顯著提前。播種期與穩定通過0℃初日相關性分析表明，僅有奇臺、永寧和格爾木等3個站的播種期與穩定通過0℃初日存在極顯著性正相關關系(P＜0.01)，雖然這3個站的播種期和穩定通過0℃初日的變化趨勢都不顯著。其它15個站的春小麥播種期變化沒有顯著地受穩定通過0℃初日變化的影響。董智強等研究表明［11］，武川春小麥播種期推遲主要是土壤相對濕度降低所致。然而，除了旱地雨養春小麥播前降水和土壤濕度對播種期有較大影響以外，阿勒泰、酒泉、武威、諾木洪、昭蘇、庫爾勒、張掖、永寧和臨河等觀測站屬于灌溉農業區，降水對灌溉農業區春小麥生產的影響程度相對較弱，其播種期的安排主要由播前氣溫、融化土層深度等因素決定?？疾煲陨喜シN期推遲的觀測站發現，2000年以來，春小麥播種期間氣溫的年際變率有增大趨勢，尤其是2003、2010等年的多次低溫寒流，不僅對當年的播種期有影響，也可能對來年春小麥播種期有影響，導致了相應年份的播種期推遲。然而，即使穩定通過0℃初日顯著提前的庫爾勒，其春小麥播種期也沒有顯著提前，而穩定通過0℃初日沒有顯著變化的中衛和平羅，其播種期卻表現出顯著提前的變化趨勢。這些變化特點表明，春小麥播種期改變是多種氣候要素的變化與社會、經濟條件變化相互作用的結果。影響播種期改變的社會和經濟因素可能主要有品種變化、耕作機械化、勞動力資源、播前泡地時機與機會等等。

大部分站的灌漿期平均氣溫均呈現極顯著升高趨勢(P＜0.01)，但是，對應站的成熟期不完全為顯著性提前，許多站的成熟期僅為不顯著性提前，而且，成熟期顯著提前的站，其灌漿期平均氣溫不一定顯著升高(臨河站)。成熟期與灌漿期間平均氣溫的相關性分析表明，只有10個站的成熟期提前是由灌漿期平均氣溫升高所引起，表明春小麥生長季后期增溫并沒有完全顯著提前成熟期。灌漿期間平均氣溫顯著升高而成熟期沒有顯著提前的一個可能原因是溫度變化沒有超過引起成熟期提前的溫度閾值。成熟期與播種期相關性分析表明，有大約50%站的成熟期與播種期有較高相關性，表明春小麥成熟期變化一方面受播種期影響，另外，灌漿期氣溫、生長前期熱量條件、生長期土壤水分狀況和灌溉時機、氮肥使用情況等因素對成熟期有很大的綜合影響作用。

3.2 春小麥發育期變化與氣候適應性

適應是應對氣候變化的永恒主題。隨著全球變暖以及全社會對全球變暖問題的高度關注，農業生產在應對全球氣候變暖過程中始終在進行氣候適應性工作。我國春小麥品種由中晚熟向中早熟漸變［12］、區域種植結構調整、作物種植區布局以及耕作方式(如免耕法)變化和其它管理措施的實施，都是北方春小麥生產應對氣候變化的具體表現。北方春小麥播種期呈現的較大變化，尤其是阿勒泰、酒泉、武川和諾木洪等站播種期較大幅度的顯著推遲可能主要是春小麥品種由中晚熟向中早熟變化和其它適應性措施共同作用的結果。在各種氣候適應性措施的實施過程中，由于區域之間存在差異以及措施的實施程度不同，造成北方春小麥生長發育過程的區域性差異。

3.3 春小麥生育期變化與熱量資源關系

生育期由播種期和成熟期決定，而生育期間熱量資源是促進作物生長發育進程的關鍵氣象要素，因此，在水肥比較適宜的條件下，熱量資源對成熟期和生育期有重要的影響作用。相關分析結果表明，除了永寧、武川和格爾木3個站生育期與播種至成熟期間平均氣溫為顯著負相關外(P＜0.05)，其余15個站都為極顯著負相關(P＜0.01)。然而，生育期與播種至成熟期間有效積溫的關系只有武威站為極顯著負相關(P＜0.01)，張掖為顯著負相關(P＜0.05)，奇臺和敦煌為顯著正相關(P＜0.05)，其余14個站的生育期間有效積溫與生育期的相關性都很弱，表現出多樣性的相關關系。

區域上，春小麥生育期間的平均氣溫與生育期的相關性比有效積溫與生育期的相關性更強(圖1)，生育期與平均氣溫的關系能更好地定量刻畫氣溫低生育期長、氣溫高生育期短的北方春小麥生長發育客觀規律。造成有效積溫與生育期相關性比平均氣溫與生育期相關性更弱的原因是:定西、同心等地區雖然具有春小麥生長較適宜的氣溫環境，與相同海拔區域相比理應有較長的生育期，但是可能由于干旱和品種等原因導致成熟期較早，生育期較短，相應地有效積溫最低;阿勒泰等地區雖然生育期間有較高的氣溫環境，但是由于地處高緯度等特殊自然環境中，其播種期最遲，8月下旬降溫較快，導致其生育期最短，氣溫高和生育期短兩者相抵銷，其有效積溫為中等水平;格爾木和諾木洪的海拔最高，平均氣溫最低，但是其生育期最長，所以有效積溫較高。

圖1 春小麥生育期與平均氣溫和有效積溫的相關性Fig．1 The relationship between growing duration with average temperature and growing degree days during growing period

雖然北方春小麥生育期間平均氣溫與生育期呈現極顯著負相關關系，但生育期縮短并不完全是氣溫升高導致成熟期提前所引起。從生育期與播種期和生育期與成熟期相關性分析結果看出(表3)，播種期與生育期顯著相關的站比成熟期與生育期顯著相關的站更多，相關系數更高，表明播種期對生育期變化的影響比成熟期對生育期變化的影響程度更大。說明大部分站的春小麥生育期縮短主要由于播種期推遲所引起，成熟期提前對生育期縮短的影響程度相對較小。有效積溫與生育期相關性較差也說明了這點。

因此，自1980s以來，北方春小麥生育期普遍縮短，生育期縮短是播種期推遲和成熟期提前共同作用的結果。春小麥生育期間的平均氣溫與生育期的相關性比有效積溫與生育期的相關性更高，能更好地定量刻畫北方春小麥生長發育客觀規律。了解引起生育期縮短的主要原因對于制定北方春小麥生產適宜氣候變化的策略有重要意義。

3.4 結論及存在問題

(1)伴隨全球氣候變暖，我國北方春小麥生長季普遍顯著增溫，但是，穩定通過0℃初日并沒有顯著提前，增溫的時間主要發生在春小麥生長季后期。以這種氣候變化特點為基礎的春小麥播種期、成熟期和生育期變化存在顯著的區域差異性。

(2)春小麥生育期與生長期間的平均氣溫雖然呈現極顯著負相關關系，但是生育期縮短并不完全是氣溫升高導致成熟期提前的結果。大部分站的春小麥生育期縮短主要由于播種期推遲所引起，成熟期提前對生育期縮短的影響程度相對較小。春小麥生育期間的平均氣溫與生育期的相關性比有效積溫與生育期的相關性更高，能更好地定量刻畫北方春小麥生長發育客觀規律。了解引起生育期縮短的主要原因對于制定北方春小麥生產適宜氣候變化的策略有重要意義。

(3)春小麥品種變換、播種期調整以及其它適應性措施在實施過程中，由于區域之間存在差異以及措施的實施程度不同，造成春小麥生長發育的區域性差異。北方春小麥生長發育的區域性差異是各自適應氣候變化的結果。

(4)由于收集的春小麥觀測站點及其資料時間序列有限，分析結果可能與實際的變化趨勢有差異，需深入研究。

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