氣候變暖背景下中國冬小麥物候期的時空特征

張宸赫+王琳+趙天良+蘇航

摘要：利用國家農業氣象試驗站和國家基本氣象站實測的冬小麥物候數據和氣溫數據，通過地理信息技術、5日滑動平均法、相關性分析，探討了2003—2012年我國冬小麥主要種植區內冬小麥返青期、拔節期、成熟期起始日期的時空分布特征及其對氣溫因素的響應。結果表明：近年來研究區域內冬小麥返青期、拔節期、成熟期起始日期在空間上自東南向西北逐漸推遲，在時間序列中返青期、拔節期、成熟期的發生時間主要呈延后趨勢；農業界限溫度初日自東南向西北逐漸推遲；農業界限溫度的通過日期在西北地區呈提前趨勢，在東部地區呈延后趨勢；冬小麥物候期起始日期與農業界限溫度初日呈極顯著正相關，說明溫度升高可以促進冬小麥生物過程進行，有利于冬小麥拔節期、成熟期等生育期發生，從而導致冬小麥物候期提前發生。

關鍵詞：冬小麥；物候期；時空特征；氣溫因素；相關分析

中圖分類號：S162.5

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0448-05

植物物候是指植物受到氣候和其他環境因子的影響而出現的具有一定周期的自然現象，包括發芽、展葉、開花、葉變色、落葉等[1]，是植物通過長期適應環境的季節性變化而形成的生長發育節律[2]。植物物候學實質上是研究植物生長發育與環境條件之間關系的科學[3]。在影響植物物候期的眾多因子中，氣候是最主要、最活躍的因子[4]。物候期是作物對氣候變化的響應信號之一。

2014年聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告指出，1880—2012年全球地表平均溫度約升高0.85 ℃，我國氣溫升高0.91 ℃。自1986年以來，我國已經連續出現19個全國范圍的暖冬[5]。趙宗慈對我國近40年來氣溫變化的研究指出，我國有明顯變暖趨勢，春季平均增溫0.34 ℃[6]。陳隆勛等研究發現，華北地區是我國變暖最明顯的地區[7]。施雅風通過模擬我國變暖趨勢認為，到2050年我國北方地區升溫1.5～2.0 ℃[8]。氣候變暖導致生態環境改變，對農作物的熟制、布局、種植結構都產生較大影響，對農業生產可持續發展的負面影響逐漸顯露[9-10]。

全球氣候變暖背景下，農業生產受到影響。冬小麥是我國主要糧食作物之一，約占我國小麥總產量的90%。冬小麥生育期長度會影響冬小麥產量與麥粒品質，這關系到冬小麥種植者的收入情況與國家相關糧食政策。冬小麥耐寒性較強，一般在9月中下旬至10月上旬播種，在晚秋、早春低溫條件下生長發育，在次年初夏較高溫度下灌漿成熟[11]，全生育期8個月左右[12]。冬小麥各物候期受溫度影響最大。因此，研究近年來我國冬小麥主要種植區物候期的時空變化規律及其對氣溫變化的響應，有利于認知和適應氣候變化，有利于充分利用氣候和農業資源，從而為適時調整相應農事活動提供決策依據[13]。

近年來，國內外學者就作物生長發育、農業界限溫度變化及二者間的關系做了大量研究工作[11，14-17]，其中有關冬小麥物候期與氣溫關系的研究也取得了很多成果。王勝等對1961—2012年安徽省冬小麥物候期的研究指出，淮北地區冬小麥物候期普遍提前，全生育期縮短，但各物候期空間變化趨勢差異較大[13]。高強等對甘肅省天水地區冬小麥生長對氣候變暖的響應研究指出，1980年以來天水地區冬小麥返青期延遲，氣溫升高使冬小麥全生育期變短[18]。但以往研究大多是在某個省或一部分站點所做的小范圍討論，未能在大空間范圍內對冬小麥物候期變化進行空間分布差異討論。本研究利用地理信息技術，將我國冬小麥主要種植區作為完整的空間區塊考慮，研究冬小麥物候期的空間分布情況，以期得出冬小麥物候期在整個研究區內的分布差異狀況和變化趨勢。

1 材料與方法

1.1 研究區域

本研究選擇的研究區域是我國冬小麥主要種植區，處于30 °～35 °N、103 °～120 °E，包括江蘇、安徽、河南、湖北、陜西、寧夏、甘肅等7個省（區），地跨長江、黃河流域，地勢西高東低；大部分地區屬于溫帶季風氣候，是北亞熱帶和南暖溫帶的過渡區，南北冷暖氣團交綏頻繁[13]，冬季干燥寒冷，夏季高溫多雨，春季易發干旱；年平均溫度8～13 ℃。

1.2 數據來源

本研究采用的冬小麥物候期數據來自研究區域內中國氣象局各農業氣象試驗站2003—2012年的實測記錄。本研究選取了冬小麥3個處于生殖生長階段的物候期作為研究對象，分別為返青期（G1）、拔節期（G2）、成熟期（G3）。這3個物候期出現在越冬后的春季，其發生時間會影響冬小麥組織生長和籽粒形成等生物過程，對冬小麥產量具有重要影響。為保證本研究的客觀性，選取生育狀態為普遍期的首日作為生育期的起始日期。為衡量物候期出現的先后狀況，將冬小麥物候日期轉換為距離同年1月1日的日期序數（以下簡稱日序）（Gi）[19]。

當前對于冬小麥物候與氣溫之間關系的研究，主要采用平均氣溫或積溫等指標來表征氣溫水平。本研究采用的是農業界限溫度，農業界限溫度初日、終日是其穩定通過某一溫度的日期，應用該日期與物候期起始日期相比較可使結果更加直觀。

本研究使用的電子行政區劃圖來源于國家基礎地理信息系統。使用的氣象數據下載于中國氣象局網站，包括2003—2012年研究區域內各基本氣象站當年逐日平均氣溫數據。利用日平均氣溫數據可以計算出農業界限溫度穩定通過5 ℃的初日日期 （D5）和農業界限溫度穩定通過10 ℃的初日日期 （D10）。

1.3 數據處理與方法

本研究使用的數據處理軟件包括ArcGIS 10.1、Matlab 8.0、Excel 2003軟件。數據處理分為3部分：冬小麥物候期數據處理；農業界限溫度數據處理；相關性分析。

1.3.1 冬小麥物候期數據處理 首先利用Excel 2003軟件，將物候期起始日期換算成日序（Gi），并為各站點添加經度、緯度坐標。然后利用ArcGIS 10.1軟件對物候期日序（Gi）進行UTM（universal transverse mercator）投影，并用邊界圖對Gi進行剪切提取和插值分析[20]，得到柵格圖。最后使用ArcGIS 10.1軟件中的柵格計算器將2003—2012年的Gi圖像進行疊加計算，得到多年平均Gi空間分布圖。

為了分析冬小麥物候期起始日期10年間的空間變化特征，對每年的Gi值與年份進行一元線性回歸分析，即可模擬出Gi值的變化趨勢，獲得其在10年間的變化斜率（θ），計算公式為[21]：

式中：n為觀測時間段的年數；i為觀測年份。如果θ大于0，Gi值為增加趨勢，即物候期延遲；反之Gi值呈減小趨勢，即物候期提前。若θ通過0.05的顯著水平，則認為Gi值的變化趨勢顯著，若θ通過0.01的顯著水平，則認為Gi值的變化極顯著。

在ArcGIS 10.1中利用（1）式可得到相關系數θ的空間分布圖。在所有柵格圖中，將每個柵格內的值利用相關性表格中的值進行分類，從而區分變化趨勢的顯著性。

1.3.2 農業界限溫度數據處理 農業界限溫度初日的處理方法選取了目前國內廣泛使用的5日滑動平均法。利用Matlab 8.0軟件得到各年的農業界限溫度穩定通過5 ℃的日期 （D5）和農業界限溫度穩定通過10 ℃的日期 （D10）的數據。上述農業界限溫度數據也要在ArcGIS 10.1軟件進行投影變換和差值分析等處理，從而得到研究區域內農業界限溫度的空間分布圖和變化趨勢圖。數據處理方式與冬小麥物候期數據處理方式相同。

1.3.3 相關性分析 利用ArcGIS 10.1軟件中的“Band Collection Statistics”模塊，將冬小麥物候期10年平均起始日期空間分布圖與10年平均農業界限溫度初日空間分布圖進行空間相關分析，算出各物候期多年平均物候期起始日期與農業界限溫度初日的相關系數，并標記出相關性通過0.05、0.01顯著性水平檢驗的數據，從而判斷冬小麥物候起始日期與農業界限溫度初日的相關水平。

2 結果與分析

2.1 農業界限溫度及其變化趨勢的空間分布規律

利用ArcGIS 10.1軟件得到研究區域內2003—2012年農業界限溫度5、10 ℃初日的空間分布圖（圖1）和2003—2012年農業界限溫度5、10 ℃初日的變化趨勢圖（圖2）。從圖1、圖2可見，2003—2012年農業界限溫度初日自東南向西北方向逐漸推遲，即西北地區農業界限溫度初日較晚。這種分布差異是因為西北地區緯度較高，春季溫度回暖比東部地區慢，造成該地區農業界限溫度初日出現較晚。就變化趨勢而言，5 ℃ 初日在甘肅、寧夏、陜西地區顯著提前；在江蘇、安徽、河南、湖北地區延后。10 ℃初日在甘肅、寧夏地區提前；在江蘇、安徽、河南、湖北、陜西地區延后，其中在河南部分地區顯著延后。

總體來說，2003—2012年農業界限溫度初日在西北地區呈提前趨勢。有研究指出，我國氣候變暖最明顯的地區是西北、華北、東北地區，其中西北地區（陜西省、甘肅省、寧夏）變暖的強度高于全國平均值，甘肅省黃土高原地區是受氣候變暖影響比較明顯的地區[22]。近10年西北地區升溫趨勢明顯，導致該地區農業界限溫度初日提前，這與本研究結果一致。東部地區農業界限溫度初日呈延后趨勢，但大部分地區沒有達到顯著水平，有研究指出近年來湖北地區和淮河流域春季氣溫升高幅度較大，農業界限溫度初日提前[23-24]。造成該結論與本研究結論不同的原因可能是本研究采用的時間序列為2003—2012年，而上述對湖北地區與淮河流域的研究采用的時間序列為20世紀60年代至21世紀初，時間序列不同可能對農業界限溫度變化趨勢產生影響。

2.2 冬小麥物候期的空間分布

由圖3可見，2003—2012年研究區域冬小麥返青期、拔節期、成熟期起始日期的空間分布特征基本一致，由東南地區向西北地區逐漸推遲。甘肅、寧夏及陜西西部地區為日序高值區；江蘇、安徽、湖北和陜西南部地區為日序低值區。黃敬峰等認為，緯度愈高，海拔愈高，春季返青等物候期愈晚[25]。本研究中西北地區緯度、海拔均高于東部地區，冬小麥物候期起始時間也顯示出“東南早，西北晚”的特征。

對返青期而言，在甘肅，寧夏、陜北地區，其起始日期大多遲于第60天；在陜西南部、湖北直至江蘇等東部地區，返青期起始日期介于第20～60天；在東部地區，受緯度影響，季風活動頻繁且距離海洋較近，春季溫度回升較早，農業界限溫度通過日期也較早，造成該地區冬小麥返青期較早發生，從而使返青期起始日期與西北地區存在差異。

對拔節期而言，在江蘇、安徽、湖北3省的南部地區，其起始日期一般在第80天前，在其他地區都要明顯晚于這個時間，介于第80～140天。造成這種現象的原因可能是江蘇、安徽、湖北3省南部地區處于長江流域，該區域熱量條件優于北方地區，年內正積溫較高且持續時間長，導致物候期開始較早。

成熟期起始日期在安徽省西部、河南省南部、陜西省南部和湖北地區都介于第90～150天，其他地區的成熟期發生均晚于第150天。這種分布差異可能是因為深處內陸的地區受季風影響較弱，當地氣溫與受季風影響強烈的東部、西北地區存在差異，從而導致物候期起始日期的分布不同。

綜上所述，由于氣候隨緯度、經度和海拔變化而存在的規律性變化，導致物候現象隨緯度、經度和海拔的變化具有相同的推移性、規律性特點[4]。

2.3 冬小麥物候期的時間變化趨勢

將2003—2012年冬小麥物候期起始日期數據代入公式（1），得到冬小麥各生育期起始日期隨時間變化趨勢的空間分布（圖4）。從圖4可見，冬小麥不同物候期隨時間變化趨勢的空間分布差異較大，返青期在整個研究區域內的90%以上地區呈延后趨勢。拔節期只有在甘肅西南部分地區呈提前趨勢，其他大部分地區都是延后的。成熟期在甘肅地區和安徽省中部地區、湖北省東部地區的小部分地區呈提前趨勢，其他地區都是延后的。

本研究所得的冬小麥物候期起始日期變化趨勢與前人研究結果基本一致。林文等研究表明，陜西地區冬小麥返青期呈延后趨勢[26]。有研究表明，春季平均溫度升高時，土壤水分含量顯著變化，這不利于冬小麥的正常返青[18]。李德等對安徽省宿州地區冬小麥物候期的研究得出，近年來受早播保苗觀念影響，當地常在傳統播期日限的前期甚至提早到上限之前播種，導致拔節期等物候期提早發生[27]。寧夏地區冬小麥拔節期呈延后趨勢，甘肅地區冬小麥成熟期呈提前趨勢，這與高強等[18]、王鶴齡等[28-29]的研究結果一致。

2.4 冬小麥物候期對農業界限溫度因子的相關分析

如表1所示，研究區域內冬小麥返青期、拔節期、成熟期起始日期的空間分布與農業界限溫度初日的空間分布均達到0.01顯著性水平，表明2003—2012年間研究區域內冬小麥物候期起始日期與農業界限溫度初日在空間分布上存在很好的相關性，冬小麥物候期的發生受到溫度條件限制。

拔節期、成熟期等物候期須要在光合作用基礎上進行。進入春季后日照增多，光合作用時間延長，有利于有機物質形成，使小麥生長加快，物候期提前發生[13]。物候期的發生實質上是植物生理活動，植物生理活動在微觀上就是一系列生化反應。溫度可以使酶的活性發生變化，溫度升高可促進酶的活性，有利于加快植物物候期發生。在一定范圍內，溫度升高有利于光合作用進行，從而促進冬小麥抽穗、灌漿、乳熟的提前進行。溫度升高，農業界限溫度通過日期也就提前。因此，冬小麥物候期與氣溫狀況息息相關，各種物候期的開始日期與其前期氣溫之間有顯著相關性[3]。

在一定范圍內，溫度升高對冬小麥生長具有促進作用，若溫度過高，冬小麥物候期的發生可能會受到抑制。西北地區冬季氣溫有升高趨勢[5]，而冬季溫度升高會對冬小麥的春化及后期生長造成干擾，就會導致拔節期在一定程度延遲發生。研究表明，春季平均溫度升高時，土壤水分顯著變化，這不利于冬小麥正常返青[18]。

對比冬小麥物候期空間分布圖與農業界限溫度初日空間分布圖，可以發現物候期起始日期梯度等值線與農業界限溫度初日梯度等值線出現的位置與走向呈相同特征。這就說明，冬小麥物候期與農業界限溫度具有較好的相關性。農業界限溫度分布受經度、緯度、海拔、地形等自然因素影響。在研究區域內，從西北向東南存在自然條件梯度，這種差異就導致溫度在西北至東南走向存在梯度，并反映在農業界限溫度的空間分布上，而溫度分布的梯度也影響了冬小麥各物候期起始日期的空間分布。

3 結論與討論

利用ArcGIS 10.1、Matlab 8.0、Excel 2003等軟件，分析了2003—2012年我國冬小麥主要種植區各物候期起始日期的時空變化特征及其對農業界限溫度因素的響應規律。結果表明：（1）在冬小麥主要種植區，農業界限溫度初日自東南地區向西北地區逐漸推遲。西北地區農業界限溫度初日呈提前趨勢，東部地區農業界限溫度初日呈延后趨勢。（2）在冬小麥主要種植區，冬小麥返青期、拔節期、成熟期起始日期日序自東南地區向西北地區逐漸推遲，高緯度、低溫地區日序大于低緯度、高溫地區。返青期發生時間呈延后趨勢；拔節期發生時間除在甘肅省南部地區呈提前趨勢外，其他地區均呈延后趨勢；成熟期發生時間只在甘肅地區呈提前趨勢，其他地區均呈延后趨勢。（3）冬小麥物候期起始日期與農業界限溫度初日呈極顯著正相關。春季溫度升高，農業界限溫度的通過日期提前，可以促進冬小麥生物過程，有利于冬小麥拔節期、成熟期等生育期發生，從而導致冬小麥物候期提前。但溫度過高會抑制冬小麥生長，特別是冬季溫度升高帶來了正積溫不利于冬小麥在春季進行返青生長，物候期可能延后發生。

冬小麥物候期除受氣候因素影響外，還受土壤類型、作物品種、農業管理措施諸多因素的影響，這就可能導致相關研究在時空變化上存在一定差異。將上述因素進行綜合分析值得進一步研究。此外，由于受到數據完整性的限制，本研究使用了近10年的物候期數據，若今后能夠統一農作物物候期的觀測規范以得到更多年份的完整數據，可使相關研究更為深入。

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