巴楚縣冬小麥生育期氣溫變化及其對小麥產(chǎn)量的影響

郝宏飛，辜永強，郝宏蕾

（1.巴楚縣氣象局，新疆喀什 843800；2.喀什地區(qū)氣象局，新疆喀什 843000）

巴楚縣冬小麥生育期氣溫變化及其對小麥產(chǎn)量的影響

郝宏飛1，辜永強1，郝宏蕾2

（1.巴楚縣氣象局，新疆喀什 843800；2.喀什地區(qū)氣象局，新疆喀什 843000）

利用新疆巴楚氣象站1984—2013年逐日氣象資料，運用線性回歸、趨勢系數(shù)、異常度、Mann-Kendall突變檢驗等方法，分析了巴楚縣多時間尺度氣溫的變化特征對冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響。結果表明：近30 a巴楚縣冬季、春季平均氣溫均呈上升趨勢，其中春季平均氣溫上升趨勢顯著，并于1998年發(fā)生了增暖性突變；寒冷日和酷冷日數(shù)均呈減少趨勢，其中寒冷日數(shù)在1996年發(fā)生了減少性突變；穩(wěn)定通過0℃界限溫度的初日表現(xiàn)為提前、終日表現(xiàn)為推遲，持續(xù)日數(shù)則相應表現(xiàn)為增加趨勢；日最高氣溫≥30℃日數(shù)呈增加趨勢；冬小麥生長季內前期氣溫偏低，后期氣溫偏高是影響小麥產(chǎn)量的主要氣候因子，其中抽穗、開花期的平均氣溫與小麥產(chǎn)量顯著相關。

氣溫變化；突變；冬小麥；產(chǎn)量；巴楚

巴楚縣位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，地處天山南麓、塔里木盆地西北邊緣（77°22′～79°56′E，38° 47′～40°17′N），總面積2.17×104km2。土地、光照、熱量等農業(yè)資源豐富，加之縣境內葉爾羌河冰川積雪融水提供了較穩(wěn)定的灌溉水資源，發(fā)展農業(yè)條件較好。冬小麥是巴楚縣主要糧食作物，2013年全縣冬小麥播種面積1.67×104hm2，總產(chǎn)1.03×108kg，分別占全縣糧食種植面積的55.6%和總產(chǎn)的51.8%。由于全球增暖[1-2]，過去的幾十年新疆氣候也發(fā)生了較大的變化，表現(xiàn)為氣溫升高、降水量增多，氣候由暖干向暖濕轉型[3-7]。氣候變暖將對各地農作物種植布局、生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質產(chǎn)生重要影響[8-9]。研究表明，氣候變暖對冬小麥生產(chǎn)影響較顯著，主要表現(xiàn)為越冬期日數(shù)明顯減少，返青期與成熟期提前，全生育期縮短[10]。同時小麥遭受高溫、干旱等氣象災害的幾率增加，對小麥生產(chǎn)將造成不利影響[11]。但有關氣候變暖背景下，巴楚縣氣溫變化及其對冬小麥生產(chǎn)影響的研究目前還未見報道，因此，分析近幾十年巴楚縣的氣溫變化及其對冬小麥產(chǎn)量的影響，對指導巴楚縣冬小麥種植布局、品種優(yōu)選及產(chǎn)量的提高等具有重要的意義。

1 資料來源及分析方法

1.1 資料來源

利用巴楚國家基本氣象站1984—2013年逐日氣象資料、冬小麥觀測報表資料；冬小麥產(chǎn)量資料來源于巴楚縣統(tǒng)計局；4個季節(jié)劃分分別為：春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季為上一年的12月至當年2月。由于冬小麥是跨年度越冬作物，將冬小麥收獲年度作為冬小麥生育年度，即上一年秋播種起至當年收獲止（上年10月上旬—當年6月中旬）。小麥品種1984—1998年為唐山6898，1999—2013年為新冬20，均引自河北，弱冬性，早熟類型，生物學特性相似，產(chǎn)量相差不大[12]。

1.2 研究方法

1.2.1長期變化的定量指標

為了了解氣候要素的長期變化趨勢，本文借鑒前人的研究方法[13]，計算氣候要素的時間序列與自然數(shù)列之間的相關系數(shù)，稱為趨勢系數(shù)。這種方法計算的趨勢系數(shù)，是無量綱，數(shù)值在±1之間，是標準化的一元線性回歸系數(shù)，它消去了氣候要素的均方差及單位對線性回歸系數(shù)數(shù)值大小的影響[14]，從而能更好地了解氣候要素長期變化趨勢，再用氣候傾向率方法得出氣候要素的變化速率，用這兩種方法了解氣候要素總的變化趨勢。為了進一步知道氣候要素歷年變化情況，本文選取了異常度分析法[15]分析各氣候要素的變化發(fā)生時間及顯著程度。

1.2.2冬小麥氣候產(chǎn)量的提取方法

在忽略隨機因素影響的前提下，冬小麥產(chǎn)量可看作是由生產(chǎn)力水平（栽培技術、品種改良、水肥條件改善）等人為因素影響的趨勢產(chǎn)量和氣候條件的年際間差異影響的氣候產(chǎn)量而組成，即，實際產(chǎn)量=趨勢產(chǎn)量+氣候產(chǎn)量，在冬小麥產(chǎn)量與各要素的相關分析中需剔除非氣候影響因子影響的產(chǎn)量波動，本文采用3 a滑動平均方法，求算趨勢產(chǎn)量，從實際產(chǎn)量中減去趨勢產(chǎn)量即為氣候產(chǎn)量，并據(jù)此研究氣候變化對冬小麥產(chǎn)量的影響。

2 結果與分析

2.1 近30 a溫度條件變化

2.1.1 冬小麥生長季冬季、春季平均氣溫

由圖1可知，巴楚縣1984—2013年冬季平均氣溫呈不顯著上升趨勢（p=0.802 2），上升速率為0.063℃/10 a；而春季平均氣溫卻以0.722℃/10 a（P=0.000 2）的速率呈顯著上升趨勢，30 a來已升高了2.2℃，春季氣候變暖明顯。

異常度（ω）采用全國氣候影響評價標準（表1），表示巴楚縣冬、春季近30 a平均氣溫變化發(fā)生時間及顯著程度。由圖2可知，分析期內，有2 a冬季氣溫異常偏低，分別為1984、2008年；有1 a顯著偏低，為2012年；偏低的有2 a，分別為1995、2006年，其余年份均為正常。顯著偏高年份也只有1 a，為2004年；偏高的有3 a，分別為1999、2007、2009年；異常偏低和顯著偏高的年份均出現(xiàn)在21世紀近10 a內，說明目前巴楚縣冬季氣溫處在冷暖交替的劇烈震蕩期。春季氣溫以1997年為分界點，1997年之前ω全部為負值，異常偏低、顯著偏低、偏低各只有1 a，分別為1996、1986、1988年；從1997年開始春季氣溫明顯升高，ω大多為正值，偏高的有6 a，分別為1997、2004、2007—2009及2013年，其中2007—2008連續(xù)2 a為顯著偏高，除了1997年為20世紀末外，其它偏高年份均出現(xiàn)在21世紀，說明21世紀以來巴楚縣正處于暖春期。

表1 全國氣候影響評價標準[16]

對巴楚縣冬、春季近30 a平均氣溫異常度序列進行M-K突變檢驗，冬季氣溫異常度未發(fā)生突變。而春季序列自20世紀90年代中期有一明顯的增暖趨勢，至21世紀初，這種增暖趨勢超過顯著性水平0.05（U0.05=1.96）臨界線，從2005開始至今均超過0.001（U0.001=2.56）顯著性水平。說明巴楚縣春季氣溫增暖趨勢是十分顯著的，根據(jù)曲線交點位置，確定巴楚縣春季平均氣溫在1998年發(fā)生了增暖性突變，氣溫從前期較冷的狀態(tài)躍變成逐年升溫的暖春狀態(tài)。

圖1 1984—2013年巴楚縣冬季、春季平均氣溫變化

圖2 1984—2013年巴楚縣冬季/春季逐年平均氣溫異常度

2.1.2 旬平均氣溫

由圖3可知，冬小麥生育期內各旬氣候趨勢系數(shù)具有明顯差異，苗期即播種至冬前（10月上旬—11月下旬），為正的上升趨勢，其中11月上旬的氣候趨勢系數(shù)顯著（r=0.49，P=0.005 6），秋季氣溫升高，有利于培育冬前壯苗。越冬階段（12月—2月中旬）除12月上、中旬及1月中旬為正的上升趨勢外，其它各旬均為負的下降趨勢，冬季氣溫下降對小麥安全越冬不利，個別年份小麥會遭受凍害,如2008年冬季平均氣溫為-6.6℃，為近30 a最低，當年巴楚縣冬小麥普遍發(fā)生凍害，凍害率高達13%；春季小麥返青后至成熟（2月下旬—6月中旬）均為正的上升趨勢，其中2月下旬及3月上、中旬的氣候趨勢系數(shù)顯著（r2下=0.55，P2下=0.001 5；r3上=0.43，P3上= 0.016 3；r3中=0.47，P3中=0.009 5），此時正值小麥返青起身期，返青期持續(xù)時間長，春季分蘗數(shù)就多，分孽成穗率也高，反之則少。近30 a巴楚縣小麥返青—拔節(jié)始期為45 d，小麥返青期較短，因此氣溫升高對春季分孽成穗將產(chǎn)生一定影響。

圖3 1984—2013年巴楚縣冬小麥生育期各旬氣溫趨勢系數(shù)變化

2.1.3 寒冷日和酷冷日數(shù)

日最低氣溫≤0℃稱為一個寒冷日，最低氣溫≤-10℃稱為一個酷冷日[17]。1984—2013年巴楚縣冬小麥生長季內寒冷日和酷冷日數(shù)分別以5.326 d/10 a（y=-0.532 6x+132.99，R2=0.297 6，P=0.001 8）、2.587 d/10 a（y=-0.258 7x+44.444，R2=0.047 3，P= 0.248 3）的傾向率均呈減少趨勢，30 a來分別減少了16.0 d、7.8 d。對巴楚縣寒冷日和酷冷日數(shù)進行M-K趨勢性突變檢驗，發(fā)現(xiàn)酷冷日未發(fā)生突變，而寒冷日在1996年發(fā)生了減少性突變，由1984—1995年的平均131 d躍降至1996—2013年平均120 d，平均減少了11 d，從2004年開始至今均超過0.001（U0.001=2.56）顯著性水平，說明巴楚縣冬季寒冷日減少趨勢顯著。越冬期極端天氣減少，對冬小麥安全越冬有利。

2.1.4 穩(wěn)定通過0℃界限溫度的初、終日變化

1984—2013年巴楚縣日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃界限溫度的初日以4.703 d/10 a（y=-0.470 3x+ 57.356，R2=0.226，P=0.007 8）的傾向率呈顯著提前趨勢，30 a來已提前了14.1 d，開春期明顯提前；而日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃終日卻以1.74 d/10 a（y= 0.174x+327.77，R2=0.060 9，P=0.188 4）的傾向率呈推后趨勢，30 a來已推后了5.2 d。受初、終日變化的綜合影響，日平均氣溫≥0℃的持續(xù)日數(shù)以5.115 d/ 10 a（y=0.511 5x+271.77，R2=0.173 5，P=0.021 8）的傾向率呈顯著增加趨勢，30 a來已增加了15.3 d。

2.1.5 冬小麥生長季日最高氣溫≥30℃日數(shù)變化

小麥生長季內日最高氣溫≥30℃的高溫將對小麥生長發(fā)育產(chǎn)生危害，造成減產(chǎn)[8]。1984—2013年巴楚縣冬小麥生長季日最高氣溫≥30℃日數(shù)的多年平均為32 d，但年際間差異較大，最大值出現(xiàn)在2007年（51 d），最小值出現(xiàn)在1996年（19 d），近30 a巴楚縣冬小麥生長季日最高氣溫≥30℃日數(shù)總體以0.892/10 a（y=0.089 2x+30.717，R2=0.007 9，P= 0.640 1）的傾向率呈不顯著增加趨勢，30 a來只增加了2.7 d。

2.2 近30 a冬小麥產(chǎn)量變化

由圖4可知，1984—2013年巴楚縣冬小麥實際產(chǎn)量和趨勢產(chǎn)量總體呈極顯著增加（P=0.000 1）趨勢。20世紀80年代冬小麥單產(chǎn)只有2 512.0 kg/hm2左右，至21世紀已高達6 481.0 kg/hm2，說明冬小麥生產(chǎn)技術進步很快，近30 a來冬小麥產(chǎn)量大幅度的提高主要是由于生產(chǎn)力水平、栽培技術、品種改良等技術手段提高的影響。但氣候條件的年際波動對冬小麥產(chǎn)量的影響也不能忽視。由圖5可以看出，其氣候產(chǎn)量年際波動十分明顯，波動在-519.0～566.3 kg/hm2，尤其是20世紀90年代氣候產(chǎn)量年際間波動劇烈，峰值和谷值均出現(xiàn)在此時段內，說明此時期氣象條件變化大，進而影響到產(chǎn)量的波動，至21世紀年際間波動有所緩和，這說明，2000年以來氣候變化對產(chǎn)量影響不大。

2.3 冬小麥產(chǎn)量與各熱量要素的相關分析

2.3.1 冬小麥生長季旬平均氣溫與氣候產(chǎn)量的相關關系

將巴楚縣冬小麥生長季（10月上旬—6月中旬）旬（月）平均氣溫當作自變量與冬小麥氣候產(chǎn)量進行相關統(tǒng)計，結果見圖6。可以看出，1984—2013年巴楚縣冬小麥生長季內，苗期即播種至冬前（10月上旬—12月上旬），均呈正相關。苗期是決定畝穗數(shù)的關鍵時期，此階段的溫度條件對產(chǎn)量有很大影響，氣溫高有利于冬前麥苗穩(wěn)健生長，促進分蘗，形成壯苗。最適宜的溫度指標為10～16℃，低于2℃分蘗基本停止，巴楚縣11月平均氣溫為3.5～7.4℃左右，溫度條件嚴重不足，分蘗緩慢，難以在冬前形成壯苗；進入越冬期后（12月中旬—2月上旬），各旬（月）平均氣溫與氣候產(chǎn)量相關系數(shù)均呈弱的正相關，說明巴楚縣冬季氣溫條件有利于冬小麥安全越冬。巴楚縣冬小麥越冬期有85 d左右，能否安全越冬與抗寒鍛煉階段長短和越冬期間低溫狀況有關。抗寒鍛煉第一階段為氣溫降至5～0℃時，約需14～18 d；氣溫降至0～-5℃則進入第二階段抗寒鍛煉，約需12～16 d。巴楚縣約有90%以上年份這兩個階段共有20 d以上，能滿足冬小麥抗寒鍛煉階段需要（表2）。巴楚縣平均極端最低氣溫為-17.1℃，最冷代表月1月平均最低氣溫為-11.6℃，可見溫度并不太低，一般年份半冬性品種均能安全越冬；2月中旬—4月下旬的返青、起身、拔節(jié)、孕穗期旬（月）平均氣溫與氣候產(chǎn)量全部相關不顯著，且絕對值較小。說明該階段的溫度條件與當?shù)匦←溕笙噙m宜，基本能滿足小麥生長發(fā)育及形成一定產(chǎn)量水平的要求，可增加有效分蘗，促進幼穗分化，穗子增長，小穗數(shù)增加，有利于增產(chǎn)；5月上旬—6月中旬旬（月）平均氣溫與氣候產(chǎn)量均呈負相關，其中5月平均氣溫與氣候產(chǎn)量呈顯著負相關（r=-0.40，P=0.033 4），5月為小麥抽穗開花期，對溫度條件要求比較嚴格，要求適宜溫度為16～21℃，30℃以上高溫天氣對小麥開花、授粉危害嚴重，巴楚縣5月平均氣溫均高于20℃，各旬日最高氣溫≥30℃的時間為4 d左右，對小麥抽穗、開花及授粉有不利影響，結實率降低。6月上、中旬小麥漸次進入灌漿成熟期，要求適宜溫度為20～25℃，巴楚縣此時段平均氣溫為20～27℃左右，較適宜溫度偏高，各旬日最高氣溫≥30℃的時間為8 d左右，不利于干物質的積累，千粒重下降。

圖4 1984—2013年巴楚縣冬小麥實產(chǎn)、趨勢產(chǎn)量變化

圖5 1984—2013年巴楚縣冬小麥氣候產(chǎn)量變化

圖6 氣候產(chǎn)量與氣溫相關系數(shù)

表2 冬小麥抗寒鍛煉階段天數(shù)及頻率

2.3.2 各熱量要素與氣候產(chǎn)量的相關關系

由表3可以看出，巴楚縣冬小麥氣候產(chǎn)量與抽穗期、開花期平均氣溫相關顯著，相關系數(shù)均通過了α=0.01的顯著性檢驗。這和上面的分析結果是一致的，這也進一步說明，巴楚縣冬小麥生長季內前期氣溫偏低，后期氣溫偏高是影響小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要氣候因子。

2.4 近30 a氣溫變化對冬小麥生產(chǎn)的影響

表3 巴楚縣冬小麥氣候產(chǎn)量與各熱量要素相關關系

近30 a巴楚縣冬小麥苗期氣溫升高，開春期提前，寒冷日和酷冷日數(shù)減少，穩(wěn)定通過0℃界限溫度的初日提前、終日推后，這些熱量條件的增加對冬小麥生育前、中期（播種—孕穗）生長是極為有利的，對照圖3和圖6可以看出，小麥冬前的溫度變化與溫度和冬小麥產(chǎn)量相關關系具有較好的適應性，即氣溫和氣候產(chǎn)量的相關關系為正相關時段氣溫恰好也呈上升趨勢，對小麥的生長發(fā)育較為有利。越冬階段雖然除12月上、中旬及1月中旬為正的上升趨勢外，其它各旬均為負的下降趨勢，從理論上來說，這對冬小麥的越冬似乎不利，但越冬期寒冷日和酷冷日數(shù)呈現(xiàn)逐年減少趨勢，冬小麥受凍害的機率大大減少，對安全越冬有利；冬小麥生育后期（抽穗—成熟）的溫度變化與溫度和冬小麥產(chǎn)量相關關系不適應，呈完全反相變化，具體表現(xiàn)為，5月上旬—6月中旬，溫度和冬小麥產(chǎn)量相關關系均為負相關，但近30 a，此時期的旬溫度卻是升高的，并且生長季日最高氣溫≥30℃日數(shù)也呈增加趨勢，這對冬小麥生產(chǎn)是極為不利的，將導致冬小麥結實率降低、千粒重下降，發(fā)生干熱風的頻次和強度增加，對產(chǎn)量造成不利影響。

3 結論

（1）1984—2013年，巴楚縣冬季、春季平均氣溫均呈上升趨勢，其中春季平均氣溫上升趨勢顯著，并于1998年發(fā)生了增暖性突變；平均氣溫穩(wěn)定通過0℃初日表現(xiàn)為提前，終日表現(xiàn)為推遲，持續(xù)日數(shù)則相應表現(xiàn)為增加，這與鄭紅蓮等[18]及劉進新等[19]針對南疆地區(qū)的研究結果一致；寒冷日和酷冷日數(shù)均呈現(xiàn)減少趨勢，其中寒冷日數(shù)在1996年發(fā)生了減少性突變；冬小麥生長季日最高氣溫≥30℃日數(shù)呈不顯著增加趨勢。

（2）在整個冬小麥生長季中，溫度與冬小麥產(chǎn)量相關關系呈顯著正相關的為11月平均氣溫；呈顯著負相關的為5月、春季平均氣溫及日最高氣溫≥30℃日數(shù)，說明冬小麥生長季內前期氣溫偏低，后期氣溫偏高是影響小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要氣候因子，其中抽穗、開花期的平均氣溫和生長季內日最高氣溫≥30℃日數(shù)的時間對小麥產(chǎn)量影響較大。胡洵瑀等[20]的研究也認為小麥抽穗開花期溫度升高有利于小花的分化，但溫度過高會使營養(yǎng)生長過于旺盛，不利于穗粒數(shù)的形成。近30 a巴楚縣冬小麥生育前、中期（播種—孕穗）旬（月）溫度變化對冬小麥生長有利，生育后期（抽穗—成熟）的溫度變化與冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的需求并不適應，呈完全反相變化，這對冬小麥產(chǎn)量造成不利影響。

（3）由于日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃終日推遲，秋季氣溫升高，因此，當?shù)貞e極適應氣候變化，充分利用冬前熱量，適時早播，使麥苗穩(wěn)健生長，促進早分蘗，依靠以主莖和分蘗成穗為主的途徑奪取高產(chǎn)。適期早播不僅可以保證穗數(shù)，而且有利于灌漿和產(chǎn)量形成，使灌漿期處于較有利的溫度條件下，增加干物質積累。

本研究主要從對小麥生育期和產(chǎn)量影響最顯著的氣溫方面進行分析，對于小麥自身生物學特性及綜合因子等方面的交互影響有待于今后做進一步的研究。

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Effects of Temperature Changes during the Growing Season forWinterWheat on Yield in Bachu County

HAO Hongfei1，GU Yongqiang1，HAO Honglei2
（1.Meteological Bureau of Bachu County，Kashi843800，China；2.Meteological Bureau of Kashi Area，Kashi843000，China）

The effects of the change characteristics of temperature formulti-time scales in Bachu county on growth,development and yield of winter wheat were analyzed by using the linear regression,trend coefficient,anomalous degree and Mann-Kendall testwith the dailymeteorological data from 1984 to 2013.The results showed that the mean temperatures in winter and spring had increasing trends during the past 30 years.The mean temperature in spring had a significant increasing trend,and the abrupt warming change was in 1998.Both the cold days and wintry days showed decreasing trends.And the abrupt change of cold days occurred in 1996.The first and the last day on which the 0℃lasted through stably had an advance and a delay trend,respectively. The duration between the first and the last day increased.The days of daily maximum temperature≥30℃significantly increased.During the growing season ofwinter wheat,the lower temperature in the earlier stage and the higher temperature in the later stage were themajor climatic factors that affected the yield ofwinter wheat.The average temperatures during the head sprouting and anthesis periods had significant correlationswith the yield ofwinterwheat.

temperature change；abrupt change；winter wheat；yield;Bachu county

S161.2

B

1002-0799（2016）05-0052-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.05.008

2015-10-06；

2016-03-16

科技部、財政部公益性行業(yè)科研專項“農田水分利用效率對氣候變化的響應與適應技術”（GYHY201106029-09）；國家重大科學研究計劃“973”項目（2012CB956204-2）資助。

郝宏飛（1978-），女，工程師，研究方向為農業(yè)氣象。E-mail：448766726@qq.com

郝宏飛，辜永強，郝宏蕾.巴楚縣冬小麥生育期氣溫變化及其對小麥產(chǎn)量的影響[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（5）：52-57.