1981—2019年氣候變化對河南省冬小麥生育期的影響分析

檀艷靜，楊慧潔，李輝

（1.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室，河南鄭州 450003；2.周口市氣象局，河南 周口 466000；3.信陽市氣象局，河南 信陽 464000）

氣候條件是自然資源中制約農業生產的重要組成部分之一，農業是對氣候變化反應最為敏感和脆弱的領域之一［1，2］。大量觀測事實表明全球變暖已成為不爭的事實。IPCC第5次評估報告指出，1880—2012年全球海陸表面平均溫度升高了0.85℃，21世紀全球氣溫增幅可能超過1.5～2.5℃［3］；近 50年來中 國 平均氣溫升 高 了1.3℃［4］。氣候變暖對農業生產產生深遠影響［5］，對作物生長發育及其產量具有重要影響［6］。氣候變化對農作物生育期的影響已成為國內外研究的熱點，而小麥作為主要糧食作物在農業生產中居重要地位。

研究表明，氣溫每升高1℃，冬小麥生育期將縮短 17 d［7，8］。受全球變暖影響，1961—2007年間中國冬小麥全生育期平均縮短2.2 d，其中北方冬麥區縮短3.0 d，南方麥區縮短1.9 d［9］。隨著氣溫升高，河南省小麥的播種期、出苗期、返青期明顯推遲，拔節期、開花期和成熟期顯著提前［10-12］。研究表明冬小麥春季生育期提前的主要原因在于平均氣溫的升高［13-15］，而河南省冬小麥返青后各生育期提前不僅受2—5月平均氣溫增高的影響，還受3月日照時數增加的影響［11］。此外還有研究表明，冬小麥各生育期與冬季積溫呈顯著負相關［16，17］。

河南省是我國糧食生產大省，是小麥主產區之一，在全國有著十分重要的地位。本研究利用河南省長時間尺度的氣象資料和冬小麥生育期觀測資料，分析闡明河南省冬小麥關鍵生育期的變化特征，從溫度、降水和光照三方面分析冬小麥各關鍵生育期變化的主要影響因素，以了解氣候變化對河南省冬小麥生育期的影響，為調整農作物種植結構、合理利用氣候資源和積極應對氣候變化提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區域與數據來源

河南省位于中國中東部，地處中緯度（31°23′～36°22′N和 110°21′～116°39′E）內陸地區，地勢西高東低，為亞熱帶向暖溫帶過度的大陸性季風氣候。中部與東部為黃淮海沖積平原，西南部為南陽盆地，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%和17.7%（圖1）。主要種植制度為一年兩熟，以冬小麥-夏玉米輪作為主。

考慮到數據的連續性、完整性，選取河南省26個農業氣象觀測站1981—2019年的冬小麥生育期觀測資料和相應站點的氣象觀測數據進行分析。數據來源于國家氣象信息中心及河南省氣象檔案館。生育期資料包括逐年冬小麥播種、越冬、返青、拔節、開花、成熟等關鍵生育期。為方便計算，計算生育期時采用儒略日的表示方法，如1月1日為1，12月31日為365（閏年為366）；若越冬期在翌年則在365（閏年為366）的基礎上加上翌年越冬期儒略日，如越冬期為翌年1月8日記為373（閏年374），越冬后生育期則正常計算。氣象數據包括逐日平均溫度、月平均氣溫、月降水量和月日照時數。

圖1 研究區域及農試站點空間分布

1.2 方法

分析冬小麥關鍵生育期隨時間的變化特征采用一元線性回歸分析法［18］（公式1），顯著性檢驗采用相關系數檢驗法。利用Matlab軟件對冬小麥多年變化趨勢進行時間序列表達，并利用Arc-GIS10.0對河南省冬小麥關鍵生育期多年平均的變化趨勢特征進行空間系統表達。用Microsoft Excel、SPSS統計軟件和 Pearson相關分析法［19］分析關鍵生育期與氣象要素的關系，并進行顯著性檢驗。

變異系數是衡量變量變異程度的統計量，可反映單位均值上的離散程度，用標準差和平均值的比值表示［20］（公式 2）。

式中，a為回歸系數，b為回歸常數。a和b可以用最小二乘法進行估計。文中以a的10倍作為某生育期的氣候傾向率。

式中，xi表示樣本量為n的某一生育期為 xi多年平均值。

2 結果與分析

2.1 冬小麥關鍵生育期時間變化

由圖2、表1可知，播種期，20世紀90年代最早為10月14日，其它年代在10月18日左右，1981—2019年多年平均值在10月17日；氣候傾向率為0.4 d／10a，即每 10 a推遲 0.4 d。越冬期，20世紀80年代最早為12月23日，其它年代為12月28日，多年平均值在12月27日；氣候傾向率為1.2 d／10a，即每10年推遲1.2 d。返青期，20世紀90年代最早為2月16日，2011—2019年為2月22日，多年平均值在2月19日；氣候傾向率為1.1 d／10a，即每10 a推遲1.1 d。拔節期，21世紀00年代最早，在3月22日，最晚在20世紀80年代，為3月29日，多年平均值在3月25日；氣候傾向率為 -1.6 d／10a（P＜0.05），即每10 a提前1.6 d。開花期，最晚在20世紀80年代，為4月30日，21世紀后年代差異小，分別為4月23日、24日，多年平均值在4月27日；氣候傾向率為 -2.3 d／10a（P＜0.01），即每 10 a提前2.3 d。成熟期，最晚在20世紀80年代，為6月3日，21世紀后年代差異小，為5月30日，多年平均值在6月1日；氣候傾向率為 -1.3 d／10a（P＜0.01），即每10 a提前1.3 d。變異系數分析表明，返青期年際波動最大，其次是拔節期，播種期最小（表1）。

圖2 河南省冬小麥關鍵生育期出現日序（DOY）時間分布

表1 冬小麥關鍵生育期多年均值、氣候傾向率及變異系數

2.2 冬小麥關鍵生育期空間分布特征

由圖3可知，河南省冬小麥播種期和越冬期在空間上呈明顯的緯向分布特征，即緯度越高播種和越冬期越早。豫北一帶冬小麥播種最早，播種期在10月5—12日；豫西、豫中和豫東地區在10月13—19日；豫西南、豫南北部在10月20—25日；信陽一帶在10月26—31日。豫北北部冬小麥進入越冬最早，越冬期在12月11—18日；豫北、豫中、豫東部分地區和西部山區在12月19—25日；豫西南、豫南和豫東部分地區在12月26日—1月1日；豫西南和豫南部分地區在1月2—9日。

河南省冬小麥返青期在空間上呈塊狀分布特征，即豫東和豫中東部地區最早開始返青，為2月14—17日；濮陽一帶、西部山區和局部地區最晚進入返青期，為2月21—27日；其它地區2月18—20日進入返青期。

河南省冬小麥拔節期空間分布特征不明顯，即內鄉、西平、駐馬店和沈丘局部地區冬小麥最早開始拔節，為3月15—21日；豫北北部和西部山區等地區最晚進入拔節期，為3月28日—4月2日，尤其是盧氏、欒川等地區為4月3—9日；大部分地區3月22—27日進入拔節期。

河南省冬小麥開花和成熟期空間分布特征較一致，均呈明顯的緯向分布特征，即緯度越高，冬小麥開花和成熟越晚。豫南、豫西南和沈丘等地區冬小麥開花最早，為4月22—25日；豫中、豫東和豫西南部分地區4月26—29日進入開花期；豫北、西部山區等地區開花較晚，為4月30日—5月3日，盧氏、欒川等局部地區開花最晚為5月4—7日。豫南、豫西南和伊川等地區冬小麥成熟最早，為5月26—30日；豫北、豫中和豫東地區5月31日—6月4日進入成熟期；林州、濮陽一帶和西部山區成熟較晚，為6月5—9日，盧氏、欒川一帶成熟最晚，為6月10—14日。

2.3 氣象要素對關鍵生育期的影響

由1981—2019年冬小麥關鍵生育期（河南省26個農業氣象觀測站）與各月平均氣溫的相關分析結果發現，播種期與9月平均氣溫、越冬期與12月平均氣溫、返青期與2月平均氣溫、拔節期與2月平均氣溫、開花期與3月平均氣溫、成熟期與5月平均氣溫相關關系最顯著。播種期與9月平均氣溫、越冬期與12月平均氣溫呈顯著正相關（圖4a、b），相關系數分別為0.217和0.499（P＜0.01），即月平均氣溫升高，播種期和越冬期延遲；月平均氣溫每升高1℃，播種期和越冬期分別推遲1.46 d和4.41 d。返青期和拔節期與2月平均氣溫呈顯著負相關關系（圖4c、d），相關系數分別為-0.387和-0.560（P＜0.01）；開花期與3月平均氣溫、成熟期與5月平均氣溫呈顯著負相關關系（圖4e、f），相關系數分別為 -0.675和-0.618（P＜0.01）。表明月平均氣溫升高，返青期、拔節期、開花期和成熟期提前，月平均氣溫每升高1℃，4個生育期分別提前1.66、3.01、2.38 d和2.55 d。

冬小麥關鍵生育期與各月降水量的相關分析結果（圖5）表明，播種期與8—10月降水量呈正相關關系，與10月的相關性最顯著，相關系數為0.408（P＜0.01）；越冬期與10月—翌年1月降水量呈正相關關系，與1月的相關性最顯著，相關系數為0.268（P＜0.01）；返青期與10—11月、翌年1—2月降水量呈正相關關系，與12月降水量呈負相關關系，與2月降水量相關性最顯著，相關系數為0.08（P＜0.05）；拔節期與全生育期內各月降水量呈負相關關系，與3月降水量相關最顯著，相關系數為-0.245（P＜0.01）；開花期與全生育期內各月降水量呈負相關關系，與4月降水量相關最顯著，相關系數為-0.246（P＜0.01）；成熟期與全生育期內各月降水量呈負相關關系，與1月降水量相關最顯著，相關系數為-0.223（P＜0.01）。播種期、越冬期、返青期與月降水量呈正相關關系，表明月降水量增加，播種期、越冬期和返青期推遲；月降水量增加10mm，3個發育期分別推遲0.8、2.2 d和 0.4 d（圖5a、b、c）。拔節期、開花期、成熟期與月降水量呈負相關關系，表明月降水量增加，拔節期、開花期、成熟期提前；月降水量增加10 mm，3個生育期分別提前0.9、0.5 d和0.8 d（圖5d～f）。

圖3 河南省冬小麥關鍵生育期空間分布

圖4 河南省冬小麥關鍵生育期與月平均氣溫相關關系分布

由圖6看出，播種期與8—10月日照時數呈負相關關系，與10月日照時數相關性最顯著，相關系數為-0.314（P＜0.01）；越冬期與10月—翌年1月日照時數呈負相關關系，與1月的相關性最顯著，相關系數為-0.141（P＜0.01）；返青期與11—12月日照時數呈正相關關系、與1—2月日照時數呈負相關關系，與1月的相關性最顯著，相關系數為 -0.141（P＜0.01）；拔節期與全生育期內各月日照時數呈正相關關系，與12月的相關最顯著，相關系數為0.265（P＜0.01）；開花期與全生育期內各月日照時數以正相關關系為主，與3月日照時數呈負相關關系，與4月日照時數相關最顯著，相關系數為0.224（P＜0.01）；成熟期與全生育期內各月日照時數以正相關關系為主，與3月日照時數呈負相關關系，與1月日照時數相關最顯著，相關系數為0.278（P＜0.01）。播種期、越冬期、返青期與月日照時數呈負相關關系，表明月日照時數增加，3個生育期提前；月日照時數增加10 h，3個生育期分別提前0.8、0.6 d和0.3 d（圖6a～c）。拔節期、開花期、成熟期與月日照時數呈正相關關系，表明月日照時數增加，拔節期、開花期、成熟期推遲；月日照時數增加10 h，3個發育期分別推遲0.7、0.5 d和0.5 d（圖6d～f）。

圖5 河南省冬小麥關鍵生育期與月降水量相關關系分布

3 討論與結論

本研究基于河南省26個農業氣象觀測站1981—2019年冬小麥生育期觀測資料和氣象觀測數據，采用一元線性回歸分析法、Pearson相關分析法等分析小麥生育期變化、生育期與氣象要素的關系，具體結論如下：

3.1 1981 —2019年河南省冬小麥播種期、越冬期和返青期隨時間呈推遲趨勢，每10 a分別推遲0.4、1.2 d和1.1 d，拔節期、開花期和成熟期呈提前趨勢，每10 a分別提前1.6、2.3 d和1.3 d。返青期年際波動最大，其次是拔節期，播種期最小。

3.2 河南省冬小麥播種期和越冬期在空間上呈明顯的緯向分布特征，即緯度越高，播種和越冬期越早；返青期在空間上呈塊狀分布特征；拔節期空間分布特征不明顯；開花和成熟期空間分布特征較一致，均呈明顯的緯向分布特征，即緯度越高，冬小麥開花和成熟越晚。

3.3 播種期與9月平均氣溫、越冬期與12月平均氣溫呈顯著正相關關系，返青期、拔節期與2月平均氣溫呈顯著負相關關系，開花期與3月平均氣溫、成熟期與5月平均氣溫呈顯著負相關關系。播種期與10月降水量、越冬期與1月降水量呈顯著正相關關系，返青期與2月降水量、拔節期與3月降水量、開花期與4月降水量、成熟期與1月降水量呈顯著負相關關系。播種期與10月日照時數、越冬期與1月日照時數、返青期與1月日照時數呈顯著負相關關系，拔節期與12月日照時數、開花期與4月日照時數、成熟期與1月日照時數呈顯著正相關關系。

圖6 河南省冬小麥關鍵生育期與月日照時數相關關系分布

本研究表明河南省冬小麥播種期、越冬期、返青期推遲，拔節期、開花期和成熟期顯著提前，這一結論與已有研究一致［10-12，21，22］。從實際生產上看，河南省冬小麥播期不宜過晚，尤其是中北部，適期播種既可抵御暖冬凍害，也可以避免冷冬年冬前積溫不足導致的苗小苗弱［23］。冬小麥成熟期提前，在一定程度上可以避免初夏高溫對冬小麥生產的影響；此外成熟期提前，有利于麥收后及時進行復種，延長復種作物生長期，這對有效提高復種指數、充分利用氣候資源和提高糧食總產具有重要意義［24］。由于河南省區域內小麥種植品種較多且差異較大，因此在分析冬小麥生育期歷史觀測資料時難以剔除品種對其影響，而這在未來研究中可以通過單一品種試驗等方法實現。