未來氣候變暖情景下北部冬麥區冬小麥生育期演變趨勢預測分析

馬倩倩

(焦作市氣象局，河南焦作 454002)

自20世紀初以來，以變暖為主要特征的氣候變化愈益加劇，中國北方地區是全球氣溫升高顯著的地區之一[1-2]。據預測，至21世紀末全球平均氣溫將升高0.3～4.8 ℃[1]，中國華北地區將升高2.4～6.4 ℃[3]。隨著氣候的變化，冬小麥生育期已發生明顯改變[4-5]，但其變化規律較復雜，且具有較強的區域特征。隨著氣候變暖，美國大平原6個站點和德國的冬小麥抽穗、開花期均提前[5-6]；對1981-2007年我國小麥生育期的變化分析發現，冬小麥播種期變化復雜，但其顯著推遲的站點數多于提前的站點數，約40%的站點的抽穗和成熟期顯著提前[4]，Xiao等[7]也得出類似的研究結果。Estrella等[5]研究表明，1951-2004年間，德國冬小麥的播種和出苗期均呈提前趨勢。楊建瑩等[8]指出，我國冬小麥返青期在華北地區西部和東南部分別表現為推遲和提前，拔節期均提前，抽穗和成熟期則均普遍推遲。生育期改變促使各生育階段也發生變化。Tao等[4,7,9]研究均表明，冬小麥營養生長階段顯著縮短的研究站點較多，生殖生長階段則多呈延長趨勢。肖登攀和陶福祿[10]分析了過去30年華北平原冬小麥物候的變化，發現出苗-越冬開始、越冬開始-返青、返青-開花階段呈縮短趨勢，但開花-成熟階段延長。前人對歷史時段冬小麥生育期的變化開展了大量的研究，但對未來氣候變暖情景下的研究較少，且在生育階段方面的研究多分為營養生長和生殖生長兩個階段進行分析，有必要對生育階段進行細化研究。北部冬麥區是我國冬小麥主產區之一，位于冬小麥生長北界，氣候變化已顯著影響了該區冬小麥的生長和產量形成[9,11]。本研究對未來北部冬麥區冬小麥各生育時期和生育階段的變化進行了分析，以期為準確評價氣候變化對研究區冬小麥生育期的影響及應對措施的選擇等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

依據趙廣才[12]對中國小麥區劃的研究結果，選取北部冬麥區為研究區域。該區位于我國冬小麥種植區的最北部，橫跨遼寧、河北、天津、北京、山西、陜西和甘肅5省2市，為一東西向狹長區域。全境地勢復雜，東部為低丘，中部為平原，西部則為黃土高原，干旱、嚴寒是影響其冬小麥生產的主要問題。

1.2 數據來源

根據數據的完整性、連續性和研究區域的特點，分別選取位于研究區東、中、西部的霸州 (116.38°E，39.12°N，海拔9 m)、介休(111.92°E，37.03°N，海拔743.9 m)和西峰鎮(107.63°E， 35.73°N，海拔1 421 m)三個農業氣象站的歷史資料(2001-2005年)進行生育期模型參數的調試和驗證。所選站點的冬小麥生育期、產量數據和播種密度、施肥、灌溉等田間管理資料來源于國家氣象信息中心。各站點的土壤剖面理化信息來源于中國土壤數據庫，包括模型土壤所需的層次相對厚度、顆粒組成、有機質含量、全氮含量、水提 pH 值和陽離子交換量等信息。用于生育期模型校驗的氣象數據包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水、日照時數，來源于中國氣象數據網。

本研究區域氣候模式數據是通過對區域氣候模型系統PRECIS單向嵌套全球氣候模式HadGEM2-ES產生的代表濃度路徑(representative concentration pathways，RCPs)下的氣候模式數據進行動力降尺度得到的，選用中等排放情景的RCP4.5情景數據進行未來北部冬麥區冬小麥研究。本研究將1976-2005年作為基準期，將2031-2090年作為未來時段，使用的氣候要素數據為逐日平均氣溫，本麥區各要素數據為霸州、介休和西峰鎮三站點的均值。

1.3 冬小麥生育期模擬

1.3.1 播種期、越冬開始和返青期模擬

本研究利用五日滑動平均法，將逐日平均氣溫穩定通過0 ℃的終日作為冬小麥越冬期的開始[11]，穩定通過3 ℃的初日作為返青期[13-14]，從越冬開始往前推測>0 ℃積溫為600 ℃·d的那天作為理論上的適宜播種期[11,15]。基于霸州、介休和西峰鎮三個農業氣象站點2001-2005年的冬小麥生育期數據對播種、越冬開始和返青期進行模擬檢驗，從圖1可以看出，模擬值與實測值較為一致，能夠反映出冬小麥生育時期的變化，可用于冬小麥未來相應生育時期的預測。

1.3.2 拔節、抽穗和成熟期模擬

選取2001、2002和2003年的拔節、抽穗和成熟期數據校準活動積溫法、累計熱生長單位法[4,16-17]和生長速率估測法[18-19]三個生育期模型對播種-拔節、播種-抽穗和抽穗-成熟天數模擬的參數，使用2004和2005年的資料進行檢驗，比較模型對拔節、抽穗和成熟期的模擬精度，假定品種不變，選用精度較高的模型對未來冬小麥拔節、抽穗和成熟期進行模擬。

1.4 模型檢驗

本研究以均方根誤差(root-mean-square error，RMSE)和一致性指數 (D)為指標進行統計校驗：

(7)

(8)

1.5 變化趨勢

變化趨勢由最小二乘法估計，計算樣本Xt與時間t的線性回歸系數b，一元線性方程可表示為：

Xt=a+bt(t=1,2,…,n)

(9)

式中，a為回歸常數，以b的10倍作為氣候傾向率。采用Student的t-test 檢驗法對各要素變化趨勢進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 未來北部冬麥區的氣候變化特征

由表1可知，2031-2090年麥區的年平均氣溫呈極顯著升高趨勢，每10年升溫達0.43 ℃，60年均值較基準期升高了2.9 ℃。而年降水量和年輻射量離散度較高，變化趨勢不顯著，但年降水量在2031-2090年的均值較基準期增加了39.4 mm，年輻射量則減少了45.2 W·m-2。從霸州、介休和西峰鎮三站點來看，2031-2090年三站點年平均氣溫均極顯著升高，且麥區西部的西峰鎮的傾向率最大(0.44 ℃·10 a-1)，東部的霸州則較小；三站點未來60年的年降水量和年輻射量的變化均不顯著，但霸州的年降水量較基準期增加較多(60.6 mm)，而介休的年輻射量減少較多 (-71.6 W·m-2)。

2.2 生育期模型模擬精度的比較

圖2為2004和2005年各站點冬小麥拔節、抽穗和成熟期日序的模擬值與實測值對比圖。從中可以看出，參數校準后的三個生育期模型(活動積溫法、生長速率估測法和累計熱生長單位法)的模擬值與實測值較為一致，多均勻分布在1∶1線的兩側，但對不同生育時期的模擬精度不同。由表2可知，生長速率估測法對拔節和抽穗期的模擬結果最好，RMSE分別為1.7和2.4 d，D值均超過0.90，而活動積溫法的模擬精度最差。三個模型對成熟期模擬結果均較好，RMSE為1.6～2.4 d，D值均超過0.95，其中活動積溫法的模擬結果最為精確，D值為0.98。因此，本研究采用校準后的生長速率估測法模擬未來冬小麥的拔節和抽穗期，用活動積溫法模擬成熟期。

表1 2031-2090年研究區氣候資源的變化趨勢和較基準期的變化量Table 1 Variation trend of climatic resources during 2031-2090 and the variation relative to baseline period

表2 三個生育期模型對拔節、抽穗和成熟期模擬結果的統計檢驗Table 2 Model accuracy evaluation for jointing,heading and maturity stages

2.3 未來冬小麥各生育期的變化

利用上述優選方法進行模擬，結果表明， 2031-2090年北部冬麥區冬小麥播種期和越冬開始均極顯著推遲(P<0.01)，變化趨勢分別為1.8和1.7 d·10 a-1；返青、拔節、抽穗和成熟期極顯著提前(P<0.01)，變化趨勢分別為-2.4、-1.2、-1.0、-1.2 d·10 a-1。進一步分析表明，2040s(2031-2060年，下同)與2070s(2061-2090年，下同)麥區未來各生育時期的變化存在階段性差異(表3和圖3)。在2040s播種期顯著推遲(P<0.05)，返青、拔節、抽穗和成熟期均顯著提前，而在2070s僅成熟期變化顯著 (P<0.05)，變化趨勢為-0.9 d·10 a-1，越冬開始在2040s和2070s變化均不顯著(P>0.05)。在2040s和2070s播種期的變幅均最大，分別推遲了9.7和15.5 d，其次是越冬開始，冬后生育時期變幅較小。

分析2031-2090年霸州、介休和西峰鎮三站點冬小麥生育時期的變化(表4)可知，介休和西峰鎮冬小麥冬前生育時期推遲，冬后生育時期提前，而霸州的返青期變化不顯著，其他生育時期變化均達到極顯著水平(P<0.01)。除了越冬開始，麥區西部的西峰鎮冬小麥各生育時期變化趨勢的絕對值均最大，東部的霸州均最小；霸州和西峰鎮越冬開始的變化趨勢均為1.8 d·10 a-1，介休則較小(1.6 d·10 a-1)。各生育時期相比，介休和西峰鎮冬小麥返青期變化趨勢的絕對值最大，分別為2.7和 3.7 d·10 a-1(P<0.01)，而霸州則在越冬開始最大(1.8 d·10 a-1)。除2040s的返青期外，2040s和2070s的各生育時期較基準期的變幅在西峰鎮均較大，在霸州的變幅最小。霸州的冬小麥返青期在2040s較基準期的變幅最大(-5.4 d)，在介休的變幅最小 (-4.2 d)。三站點的生育時期在2040s和2070s較基準期的變幅特點與麥區類似，冬前較冬后生育時期的變幅大。

表3 2031-2090年冬小麥各生育期的變化趨勢和各生育期在2031-2060和2061-2090年較基準期的變化Table 3 Variation trend of growth stages during 2031-2090 and the variation relative to baseline period during 2031-2060 and 2061-2090

2.4 未來冬小麥各生育階段的變化

分析2031-2090年麥區各生育階段的變化可知(表5)，越冬期和播種-成熟階段極顯著縮短，變化趨勢分別為-4.0和-3.1 d·10 a-1，較基準期分別縮短了20.8和23.0 d；而返青-拔節階段則極顯著延長(1.1 d·10 a-1)，較基準期延長了0.9 d，其他階段變化均不顯著。

霸州、介休和西峰鎮冬小麥各生育階段的變化特征與麥區類似(表5)。三站點的越冬期和播種-成熟階段的天數縮短，變化趨勢均達到顯著水平，但西峰鎮的變化速率最大，分別為-5.4和-3.8 d·10 a-1，60年均值較基準期分別縮短了23.1和25.8 d，霸州的變化則均最小。2031-2090年介休和西峰鎮冬小麥返青-拔節階段均極顯著延長，變化趨勢分別為1.4和2.0 d·10 a-1，霸州的抽穗-成熟階段顯著縮短，三站點冬小麥的其他階段則變化不明顯。與麥區類似，2031-2090年三站點冬小麥播種-越冬開始、返青-拔節、拔節-抽穗和抽穗-成熟階段的天數較基準期變化不大，均在1 d左右。

表4 2031-2090年冬小麥各生育階段的變化趨勢和較基準期的變化天數Table 4 Variation trend of winter wheat growth stages and the variation relative to baseline period during 2031-2090

3 討 論

本研究采用區域氣候模式PRECIS模擬的RCP4.5情景下的氣候情景數據，但氣候模式對未來氣候的模擬和預測仍存在較大的不確定性，包括排放情景的不確定性和對氣候系統認知的局限性[3,20-21]。張玉靜[3]研究指出,PRECIS對溫度的模擬能力較好，對降水的模擬仍存在較大偏差，但對降水的空間模擬能力有較大改進。因此，未來應使用多種情景數據進行分析，減少科學的不確定性。此外，本研究僅選用了3個典型站點，不能充分體現北部冬麥區冬小麥的物候特點，今后需選取更多站點系統研究氣候變化對研究區冬小麥物候的影響。

目前，生育期模型主要考慮了品種、溫度、光周期和春化因素的影響。本研究比較了已被廣泛應用的三種模型(活動積溫法、生長速率估測法和累計熱生長單位法)對研究區冬小麥拔節、抽穗和成熟期的模擬精度，評價其適用性，選用精度較高的模型進行未來研究區冬小麥的物候模擬。結果表明，生長速率估測法對拔節和抽穗期的模擬精度較高，RMSE分別為1.7和2.4 d，D值均超過 0.9，與Xue等[19]的研究結果一致。這可能是由于相較于活動積溫法只考慮溫度，生長速率估測法增加了對冬小麥拔節和抽穗有重要影響的光周期和春化等因素，且相較于累計熱生長單位法，其采用曲線模型分析溫度和春化因素對生長的影響。Streck等[22]研究認為，春化對物候影響的曲線模型更符合冬小麥的春化反應特性。本研究對成熟期的模擬是通過對抽穗-成熟階段的天數來計算，冬小麥在此階段的物候主要受溫度的影響，但三種模型計算溫度對物候影響的算法不同，其中活動積溫法對成熟期的模擬精度較高，這與Mkhabela等[23]研究得出簡單的生長度日法對春小麥生育時期的模擬優于更復雜的Beta模型的結果類似。

2031-2090年北部冬麥區的氣候變化仍以增溫為主要特點，位于麥區東、中和西部三個典型站點的年平均氣溫均極顯著升高，60年均值較基準期(1976-2005年)升高了2.8～2.9 ℃，年降水量和輻射量變化不顯著，但年降水量較基準時段略有增加，而輻射量則減少，與Feng等[2,24-25]利用多個氣候模式對未來氣候的研究結果一致。整體來看，未來氣候變暖使得麥區冬小麥的播種期和越冬開始均推遲，返青、拔節、抽穗和成熟期均提前，各生育時期的變化趨勢均達到極顯著水平(P<0.01)，與袁靜和許吟隆[26]將CERES-Wheat模型與未來氣候情景數據耦合的模擬結果一致。麥區各生育時期在2040s與2070s時段較基準期的變化趨勢不同，多在2040s時段變化顯著，而在2070s未達到0.05顯著水平，且返青期的變化趨勢差異最大，冬后生育期在2070s的變化較2040s減緩。三個典型站點來看，位于西部的西峰鎮未來冬小麥各生育時期變化趨勢的絕對值最大，且除返青期在2040s時段外，其各生育期在2040s與2070s時段較基準期變化的天數也最多，位于中部的介休次之，東部的霸州則最小，可能是由于未來西峰鎮年平均氣溫的傾向率(0.44 ℃·10 a-1)最大，而霸州 (0.41 ℃·10 a-1)最小導致。

從2031-2090年麥區各生育階段天數的變化來看，越冬期和播種-成熟階段極顯著縮短，較基準期分別縮短了20.8和23.0 d，與氣溫升高使冬小麥全生育期(播種-成熟)縮短的研究結果一致[4,27]。而返青-拔節階段極顯著延長，其他生育階段變化均不顯著，可知冬小麥全生育期天數的變化主要是由于越冬期的縮短。未來麥區冬小麥播種期推遲且成熟期提前，使得冬小麥生長期縮短，有利于復種作物的生產。返青-拔節階段極顯著延長可能是由于冬小麥返青和拔節期極顯著提前，使其處于較冷和日照長度較短的時段[4]，延緩了冬小麥在該階段的生長發育，使得此階段延長。

4 結 論

整體來看，2031-2090年北部冬麥區年平均氣溫極顯著升高，每10年升溫達0.43 ℃，而年降水量和年輻射量變化不明顯。

三種生育期模型(活動積溫法、生長速率估測法和累計熱生長單位法)相比，生長速率估測法對北部冬麥區冬小麥拔節和抽穗期的模擬精度較高，活動積溫法對成熟期的模擬較精確，可分別用于對應生育時期的模擬。

未來研究區冬小麥播種期和越冬開始推遲，返青、拔節、抽穗和成熟期提前，均達到極顯著水平。但2061-2090年生育時期的變化較2031-2060年減緩，且未來冬前生育期較基準期 (1976-2005年)的變化幅度比冬后大。除了越冬開始，麥區西部的西峰鎮冬小麥各生育時期變化趨勢的絕對值均最大，東部的霸州均最小。

2031-2090年研究區冬小麥越冬期和播種-成熟階段的天數極顯著縮短，而返青-拔節階段極顯著延長，其他階段變化不顯著。越冬期、返青-拔節和播種-成熟階段變化趨勢的絕對值均在西部的西峰鎮最大，而在東部的霸州最小。