華北平原冬小麥主要發(fā)育階段日數(shù)對溫度變化的敏感性分析*

高 靜鄔定榮王培娟陳京華閆 峰趙煜飛王佳強

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華北平原冬小麥主要發(fā)育階段日數(shù)對溫度變化的敏感性分析*

高 靜1，鄔定榮2，3**，王培娟2，3，陳京華1，閆 峰4，趙煜飛1，王佳強1

（1.國家氣象信息中心，北京 100081；2.中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081；3.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京 100081；4.河北省易縣氣象局，保定 074200）

氣候變化背景下，作物發(fā)育階段日數(shù)發(fā)生了明顯變化，其對溫度變化的敏感性也成為氣候變化對農(nóng)業(yè)影響研究的重要內(nèi)容。針對現(xiàn)有溫度敏感性研究的不足，本文提出相對敏感性的概念，并以此分析華北平原冬小麥敏感性的時空分布特征。利用65個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1980-2012年冬小麥發(fā)育期觀測資料及同期逐日平均氣溫數(shù)據(jù)，將發(fā)育期分為播種-越冬、越冬-返青、返青-抽穗和抽穗-成熟4個主要發(fā)育階段，采用線性回歸方法計算各階段發(fā)育期日數(shù)對溫度變化的相對敏感性，并用GIS空間插值方法研究相應(yīng)指標(biāo)的時空變化特征。結(jié)果表明：(1)各發(fā)育階段平均溫度均呈上升趨勢，不同發(fā)育階段日數(shù)具有明顯的區(qū)域分布規(guī)律；(2)播種-越冬期對溫度的敏感性為-0.113～0.029℃-1，區(qū)域平均-0.040℃-1，該期敏感性呈中間高兩端低的區(qū)域分布特征，且敏感性具有一定的普遍性；(3)越冬-返青期敏感性為-0.081～0.091℃-1，平均0.013℃-1。該期敏感性區(qū)域波動大，但無明顯區(qū)域特征，敏感性的穩(wěn)定程度也較弱；(4)返青-抽穗期敏感性在-0.112～-0.035℃-1，平均-0.074℃-1。敏感性無明顯區(qū)域特征，但敏感性的穩(wěn)定性高；(5)抽穗-成熟期敏感性在-0.114～0.014℃-1，平均-0.042℃-1，呈顯著的南高北低的空間分布特征，在區(qū)域上具有很強的穩(wěn)定性。總體上，不同發(fā)育階段對溫度的敏感性差異較大，且敏感性具有明顯的區(qū)域分布特征。

氣候變化；發(fā)育階段日數(shù)；溫度的相對敏感性；區(qū)域分布規(guī)律；時間分布特征

氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響一直是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域國內(nèi)外研究關(guān)注的焦點[1]。作物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)是農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化的核心研究內(nèi)容之一。近幾十年來，為準確評估氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，國內(nèi)外學(xué)者對歷史氣象條件下作物發(fā)育期對氣候變化的響應(yīng)進行了廣泛研究。研究表明，氣候變暖使國外多種作物的發(fā)育期呈提前趨勢[2]。在中國華北平原，夏玉米生育期天數(shù)增加速率為0.34d·a-1[3]。在東北，除抽穗期及成熟期外, 水稻各生育期均隨著年代的增加而提前[4]。河西走廊春小麥各發(fā)育期提前明顯，其中抽穗期提前0.36d·a-1，開花期提前0.41d·a-1，成熟期提前0.36d·a-1，而玉米在春夏季發(fā)育期提前，秋季乳熟期、成熟期的變化趨勢不明顯[5]。在關(guān)注作物發(fā)育期隨年份變化的同時[6-13]，國內(nèi)外學(xué)者重點關(guān)注了發(fā)育期對溫度的敏感性[13-15]。德國的研究表明，溫度每升高1℃，燕麥成熟期提前約4d[14]。在國內(nèi)，過去30a的氣候變暖對華北平原的作物物候產(chǎn)生了重要影響，發(fā)育期內(nèi)平均溫度每升高1℃,冬小麥返青-開花期和開花-成熟期分別縮短3.8d和1.2d[15-16]，夏玉米全生育期和生殖生長期天數(shù)分別平均縮短2.71d 和1.07d[3]。

上述研究極大提升了對農(nóng)作物發(fā)育期與氣候變化及品種改進關(guān)系的理解，為氣候變化背景下農(nóng)業(yè)適應(yīng)的對策研究提供了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有研究的結(jié)果多以發(fā)育期日數(shù)隨溫度的絕對變化速率來表達，即溫度每上升1℃作物發(fā)育階段日數(shù)的變化天數(shù)[12,15-16]。但絕對變化速率受該發(fā)育階段長度的影響，長度越長，變化速率越大，因此，這種表達方式不適合在不同作物、不同站點和不同發(fā)育期之間進行發(fā)育速率對溫度敏感性的比較。

基于此，本文提出相對敏感性的概念，即將發(fā)育階段的日數(shù)除以該階段多年平均日數(shù)，在此基礎(chǔ)上計算其與同期平均溫度的關(guān)系，并以華北平原(北京、天津、河北、山東、河南)多個冬小麥農(nóng)業(yè)氣象試驗站點冬小麥發(fā)育期和逐日氣象觀測資料為基礎(chǔ)，在站點和區(qū)域尺度上研究冬小麥不同發(fā)育階段日數(shù)對溫度的相對敏感性及敏感性的區(qū)域差異，以期為氣候變化背景下作物產(chǎn)量響應(yīng)的區(qū)域模擬研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

選用1980-2012年華北平原冬小麥連續(xù)種植超過10a的65個農(nóng)業(yè)氣象觀測站的資料進行分析(圖1)。冬小麥生育期觀測資料與氣象資料均來自國家氣象信息中心。發(fā)育期資料包括播種、開始越冬、返青、抽穗和成熟等5個發(fā)育期。氣象資料為與農(nóng)業(yè)氣象觀測站對應(yīng)的65個氣象臺站1980-2012年的逐日平均氣溫數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

與冬小麥5個發(fā)育期對應(yīng)的是4個發(fā)育階段，分別為播種-越冬(S-O，Sowing to Overwintering)、越冬-返青(O-T，Overwintering to Turning green)、返青-抽穗(T-H，Turning green to Heading)和抽穗-成熟(H-M，Heading to Maturity)。按此劃分方式，分別計算各站歷年各發(fā)育階段的日數(shù)和同期平均溫度，采用線性回歸方法計算日數(shù)和平均溫度隨年份變化的趨勢，并進行顯著性檢驗[17]。

以往研究中，發(fā)育階段對溫度的敏感性通過計算發(fā)育階段日數(shù)與平均溫度的回歸關(guān)系得到[3, 14-16]，即

式中，D為該站完成某發(fā)育階段所需的日數(shù)(d)，T為同期的平均溫度(℃)，a和b為回歸系數(shù)。b值代表發(fā)育期內(nèi)平均溫度每升高1oC時發(fā)育階段變化的天數(shù)。當(dāng)發(fā)育階段經(jīng)歷的天數(shù)較多時(如返青-成熟)，作物暴露在溫度升高環(huán)境中的時間更長，此時b值會比天數(shù)更短的發(fā)育階段(如返青-拔節(jié))更大。因此，式(1)中的b值不能用于不同發(fā)育階段日數(shù)溫度敏感性的比較。由于不同站點同一發(fā)育階段的日數(shù)也不同，因此也不能進行不同站點同一發(fā)育階段敏感性的比較。鑒于此，本文將D值除以日數(shù)的平均值，提出發(fā)育階段日數(shù)受溫度影響相對速率的概念，以便在不同發(fā)育階段之間進行比較，公式為

式中，Daver是該站完成某發(fā)育階段所需日數(shù)的多年平均值(d)。式(2)中的b值即為發(fā)育階段日數(shù)受溫度影響的相對變化量，可用于不同發(fā)育階段日數(shù)對溫度敏感性和不同區(qū)域?qū)ν话l(fā)育階段敏感性的比較。

采用點面結(jié)合的方法分析發(fā)育階段日數(shù)對溫度的相對敏感性。首先計算各站4個主要發(fā)育階段日數(shù)及同期平均溫度，求其與年份的線性回歸系數(shù)和顯著性水平。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計成區(qū)域平均值，進行發(fā)育階段日數(shù)和溫度變化的背景分析。隨后根據(jù)式(2)計算各站4個主要發(fā)育階段日數(shù)對溫度的敏感性，并利用ArcGIS空間分析工具中的反距離權(quán)重法進行敏感性區(qū)域分布規(guī)律的展示和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)育階段平均溫度變化趨勢

區(qū)域差值結(jié)果表明，不同發(fā)育階段的溫度差異較大，同一發(fā)育階段不同站點的溫度差異也很大。其中，越冬-返青期的平均溫度呈顯著的南高北低的趨勢，其余3個發(fā)育階段則相反，呈南低北高的趨勢。

表1是對不同發(fā)育階段平均溫度特征的統(tǒng)計結(jié)果。由表可見，氣候變暖背景下，全區(qū)發(fā)育階段的溫度均呈上升趨勢，但不同發(fā)育階段上升速率不同。其中播種-越冬的升溫速率最低，僅為0.03℃·10a-1，抽穗-成熟期的升溫速率為0.17℃·10a-1，越冬-返青期升溫速率較大，為0.35℃·10a-1，返青-抽穗期升溫速率最大，達0.61℃·10a-1。但上述升溫速率通過顯著性檢驗的站點并不多，播種-越冬期僅有5個站點的升溫速率達顯著性水平，增溫最顯著的返青-抽穗期也僅有22個站點達顯著性水平（P＜0.05）。

表1 四個發(fā)育階段平均溫度及其隨年份變化趨勢的區(qū)域平均值

2.2 發(fā)育階段日數(shù)的變化特征

表2是對不同發(fā)育階段日數(shù)特征的統(tǒng)計，由表可見，不同發(fā)育階段日數(shù)相差較大。越冬-返青期最長，達70.0d，播種-越冬期次之，抽穗-成熟期最短，僅41.1d。不同發(fā)育階段日數(shù)多具有顯著的區(qū)域分布特征(圖略)。播種-越冬期日數(shù)呈由南向北遞減的趨勢，越冬-返青期日數(shù)趨勢則相反，即由南向北遞增，返青-抽穗期日數(shù)呈南北兩端低中間高的趨勢，抽穗-成熟期日數(shù)呈由南向北遞增減的趨勢。

由表2還可見，研究時段內(nèi)，營養(yǎng)生長期日數(shù)均呈現(xiàn)隨年份縮短的趨勢。其中返青-抽穗期縮短較多，達2.98d·10a-1，但這種回歸關(guān)系僅6個站點通過P＜0.05水平的顯著性檢驗，僅占研究區(qū)域站點總數(shù)的9.23%。越冬-返青期縮短速率次之，而播種-越冬期日數(shù)變化不大。生殖生長期日數(shù)隨年份有延長的趨勢，延長速率達1.39d·10a-1，且有近半數(shù)的站點通過P＜0.05水平的顯著性檢驗，其中14個站的顯著性水平達到P＜0.001，表明生殖生長期日數(shù)隨年份的增加而延長的趨勢在全研究區(qū)域普遍存在。

表2 四個發(fā)育階段日數(shù)及其隨年份變化趨勢的區(qū)域平均值

2.3 發(fā)育階段日數(shù)對溫度變化的相對敏感性

2.3.1 不同發(fā)育階段敏感性的統(tǒng)計

由圖2可見，不同發(fā)育階段的日數(shù)對溫度變化的相對敏感性各不相同，且同一發(fā)育期不同站點的敏感性也具有較大波動。除越冬期外，其它發(fā)育階段日數(shù)均隨溫度的上升而縮短。其中，播種-越冬期相對敏感性的區(qū)域平均值為-0.040℃-1，即溫度每升高1℃，日數(shù)縮短4%。返青-抽穗期是冬小麥營養(yǎng)生長的主要階段，各站對溫度均較為敏感，區(qū)域平均值為-0.074℃-1，即溫度每升高1℃，日數(shù)縮短7.4%。抽穗-成熟期為冬小麥的生殖生長階段，該階段對溫度較不敏感，溫度每升高1℃，日數(shù)縮短4.2%。

總體上，返青-抽穗期對溫度最敏感，其次是抽穗-成熟期。播種-越冬期對溫度較不敏感。以往基于絕對速率的敏感性研究多表明營養(yǎng)生長期對溫度的敏感性強于生殖生長期。如據(jù)報道，平均溫度每升高1℃,華北平原冬小麥返青-開花期和開花-成熟期分別縮短3.8d和1.2d[15]。本文基于相對速率計算的二者的敏感性分別為-0.074℃-1和-0.042℃-1，雖然營養(yǎng)生長期的敏感性仍強于生殖生長期，但二者差距大為縮小。

注：分別代表最大值和最小值；分別代表第99和第1分位數(shù)；框圖中的上、中、下三橫分別為上四分位數(shù)、中位數(shù)和下四分位數(shù)；為平均值

Note:is the maximum and minimum value of relative sensitivity;is the 99th and 1st percentile; The upper, middle and lower horizontal line inare the upper quartile, median and lower quartile, respectively;is the average value

2.3.2 不同發(fā)育階段敏感性的區(qū)域分布

圖3表明，播種-越冬期日數(shù)對溫度的相對敏感性在-0.113～0.029℃－1區(qū)間變化，平均-0.040℃－1。區(qū)域分布上，該生育階段敏感性呈顯著的中部區(qū)域高兩端低的趨勢（圖3a）。平原中南部的日數(shù)對溫度較敏感，普遍在-0.08℃－1以上。隨著緯度的增加或降低，敏感性均呈逐漸降低的趨勢。在平原南北兩端，如北京密云和河南固始等地，隨著溫度的升高，播種-越冬期生育階段日數(shù)基本不變或略有增加。華北平原約50%站點的敏感性通過顯著性檢驗，表明這種敏感性具有一定的普遍性。

越冬-返青期日數(shù)對溫度的相對敏感性在-0.08～0.09℃－1區(qū)間變化，平均為0.013℃－1。該生育階段敏感性在河南波動較大（圖3b），如河南西南部站點隨溫度的升高越冬-返青期日數(shù)呈明顯減小趨勢，但在河南東北部則相反，即隨著溫度的升高日數(shù)呈延長趨勢。平原中偏南部多數(shù)站點敏感性為正值，表明隨著溫度升高，日數(shù)呈延長趨勢，全區(qū)域的平均值也為正值，這可能是氣候變化在不同季節(jié)的非均一性所致。僅有河南鄭州、許昌和方城及山東濟寧的敏感性通過顯著性檢驗，表明這種敏感性的穩(wěn)定程度很弱。

返青-抽穗期日數(shù)對溫度的敏感性在-0.112～-0.035℃－1區(qū)間變化，平均值為-0.074℃－1。該生育階段各區(qū)域敏感性在數(shù)值上均高于其余3個發(fā)育階段（圖3c），表明該發(fā)育階段日數(shù)最易受溫度的影響。敏感性在區(qū)域上沒有顯著的分布趨勢。除潢川外，其它所有站點的敏感性均通過顯著性檢驗，表明該階段的溫度敏感性非常穩(wěn)定。返青-抽穗期是冬小麥主要的營養(yǎng)生長階段，此階段敏感性較強的區(qū)域，如河南方城和南陽一帶，以及山東莒縣、泰安和文登一帶等，在氣候變暖背景下，返青-抽穗期日數(shù)縮短較多，不利于干物質(zhì)的積累，對后期產(chǎn)量的形成也造成了不利影響。而河北黃驊、河間和欒城等敏感性較弱的區(qū)域，在氣候變暖背景下，返青-抽穗期日數(shù)縮短較少，因而比敏感性強的區(qū)域更有利于干物質(zhì)的積累。

抽穗-成熟期日數(shù)對溫度的敏感性在-0.114～0.014℃－1區(qū)間變化，平均值為-0.042℃－1，低于返青-抽穗期(-0.074)，表明在生殖生長階段，溫度對發(fā)育期的作用弱于營養(yǎng)生長階段（圖3d）。其中，約有80%站點的敏感性通過顯著性檢驗，表明該生育階段敏感性在區(qū)域上具有較強的穩(wěn)定性。敏感性在區(qū)域分布上呈顯著的南高北低的趨勢，表明隨著溫度的上升，南部站點抽穗-成熟期日數(shù)縮短比北部多，尤其是河南西南部，達到-0.06℃－1以上，而北部站點約為-0.02℃－1。抽穗-成熟期是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期，平原南部快速降低的抽穗-成熟期日數(shù)將可能不利于冬小麥的產(chǎn)量形成，而平原北部受影響的程度較弱。

3 結(jié)論與討論

(1) 播種-越冬期、返青-抽穗期、抽穗-成熟期日數(shù)均隨溫度的上升而縮短，相對敏感性的區(qū)域平均值依次為-0.040℃-1、-0.074℃-1和-0.042℃-1。可見，華北平原冬小麥返青-抽穗期對溫度最敏感，其次是抽穗-成熟，播種-越冬較為不敏感。雖然營養(yǎng)生長期的敏感性仍高于生殖生長期，但二者之間的差距較前人的研究已大為縮小[15-16]。

(2) 不同發(fā)育階段日數(shù)對溫度變化具有明顯不同的敏感性，不同區(qū)域同一發(fā)育期的敏感性也各不相同。區(qū)域分布上，播種-越冬期的敏感性呈中間高兩端低的趨勢，且敏感性具有一定的普遍性；越冬-返青期的敏感性區(qū)域波動大，但無明顯區(qū)域特征，敏感性的穩(wěn)定程度也較弱；返青-抽穗期的敏感性無明顯區(qū)域特征，敏感性的穩(wěn)定性很高；抽穗-成熟期的敏感性呈顯著的南高北低的趨勢，在區(qū)域上具有較強的穩(wěn)定性。多數(shù)發(fā)育階段內(nèi)的敏感性區(qū)域差異較大，呈負值和正值的站點均有，但是敏感性為正值的站點無一通過顯著性檢驗。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因還有待進一步研究。

近30a來，華北平原冬小麥各發(fā)育階段內(nèi)平均溫度均呈明顯上升趨勢。不同站點同一發(fā)育階段天數(shù)各不相同，同一站點不同發(fā)育期階段日數(shù)也存在顯著差異。因此，傳統(tǒng)的表示發(fā)育階段對日數(shù)敏感性的方法，不適于不同發(fā)育階段之間的比較，也不適于不同站點之間的比較。本文提出相對敏感性的概念及計算方法，可供不同發(fā)育期和不同站點之間進行比較。

與基于絕對速率的敏感性相比[15-16]，本文提出的相對敏感性可較好地反映站點和區(qū)域尺度上冬小麥不同發(fā)育階段日數(shù)對溫度的敏感性，為分析敏感性的區(qū)域差異及隨發(fā)育期的變化特征提供了有利工具，尤其適于歷史氣候變化及品種改進背景下溫度對發(fā)育期影響的研究。除溫度之外，土壤水分狀況和耕作制度等對發(fā)育期也有重要影響，本研究僅考慮了溫度這一主要因子，尚不能完整反映其它環(huán)境因子對發(fā)育期的影響，還需開展多因子對發(fā)育速率的綜合影響研究，以使研究結(jié)果更具應(yīng)用價值。

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Relative Sensitivity of Main Growth Durations to Temperature for Winter Wheat in North China Plain

GAO Jing1, Wu Ding-rong2,3, WANG Pei-juan2,3,CHEN Jing-hua1, YAN Feng4, ZHAO Yu-fei1, WANG Jia-qiang1

(1.National Meteorological Information Center，Beijing 100081,China; 2.Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081; 3.State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081; 4.Meteorological Bureau of Yixian, Hebei, Baoding 074200)

Under the condition of climate change, crop growth duration changed substantially. As a result, sensitivity of crop growth duration to temperature becomes an important part of the research of climate change impact on agriculture. Aiming to overcome shortcoming of the existing research about sensitivity, this paper put forward the concept of relative sensitivity and applied in North China Plain (NCP) to analyze the spatial-temporal characteristics of winter wheat. Using winter wheat phenology observation and daily-average temperature data from 65 agricultural meteorological observation stations in the NCP during 1980-2012, the changes of growth duration and average temperature during 4 major growth periods were calculated, including sowing to the start of overwintering (S-O), the start of overwintering to turning green (O-T), turning green to hearing (T-H) and heading to maturity (H-M). Based on the calculation, relative sensitivity of growth duration to temperature was calculated. Linear regression and GIS spatial interpolation were used to explain the results. Results showed that: (1) average temperature increased during all four growth period. Growth duration varied substantially spatially and temporally; (2) For the period S-O, sensitivity varied from -0.113 to 0.029℃-1, with an average of -0.040℃-1. Sensitivity is fairly stable during this period. Generally, middle plain is more sensitive than the north and south plain; (3) For the period O-T, sensitivity varied from -0.081 to 0.091℃-1, with an average of 0.013℃-1. Sensitivity is not stable for most stations and varied much among different stations; (4) For the period T-H, sensitivity varied from -0.112 to -0.035℃-1, with an average of -0.074℃-1. Value of sensitivity has no obvious regional distribution, but the stability of sensitivity is extremely high; (5) For the period H-M, sensitivity varied from -0.114 to 0.014℃-1, with an average of -0.042℃-1. The south plain is more sensitivity than the north. Stability of sensitivity is very high during this period. Temperature sensitivity is varied substantially among different developmental stages, and also varied significantly in different region. This study promotes understanding of regional crop response to climate change and varieties shift, and provides scientific basis for simulating phenology and hence yield response to future climate change.

Climate change; Growth duration; Relative sensitivity to temperature; Spatial pattern; Temporal pattern

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.04.007

2016-01-04

通訊作者。E-mail：wudr@camscma.cn

國家氣象信息中心青年科技基金（NMICQJ201603）；國家自然科學(xué)基金(41371410)

高靜（1985-），女，碩士，工程師，從事氣象數(shù)據(jù)分析服務(wù)工作。E-mail：duoduolaiba@163.com