1991-2020年西藏春小麥生育期對氣候變化的響應

杜 軍，高佳佳，索朗塔杰，次旺頓珠

(1.西藏高原大氣環境科學研究所，西藏拉薩 850001；2.西藏高原大氣環境研究重點實驗室，西藏拉薩 850001； 3.西藏自治區氣候中心，西藏拉薩 850001)

隨著全球氣候變暖，我國地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢[1]，素有“世界屋脊”和“亞洲水塔”之稱的青藏高原[2-3]的增溫趨勢更為顯著[1]。在氣候變化背景下，作物生長發育所需的光、溫、水等氣候資源都會發生改變，進而影響生育期。小麥是我國主要糧食作物之一，近年來國內眾多學者對其物候期變化進行了研究[4-9]。由于區域氣候、地理環境和農業管理措施的差異，小麥區域間物候變化趨勢不盡相同[10]。對中國眾多農業氣象試驗站數據分析表明，40%的站點春小麥和冬小麥抽穗期和成熟期顯著提前，60%的站點生殖生長期顯著延長，30%的站點全生育期和營養生長期顯著縮短，華北平原、黃土高原、四川盆地等全生育期縮短最顯著。春小麥和冬小麥生長季不同，物候變化程度也有較大差異。

西藏海拔高，冬小麥和春小麥均有種植，冬小麥主要分布在雅魯藏布江中、下游及其主要支流拉薩河、尼洋河、年楚河、帕隆藏布等干支流域，三江流域以及喜馬拉雅山南坡等海拔4 000 m以下地區；海拔3 000～4 000 m溫暖半濕潤半干旱河谷農區是西藏中晚熟或晚熟冬春小麥兼種區，為一年一熟；海拔4 000 m以上地區基本是春小麥種植區[11]。在全球氣候變暖背景下，西藏氣溫上升較快，1961—2018年地表年平均氣溫增幅為 0.32 ℃·10 a-1，明顯高于全球(0.16 ℃·10 a-1)、亞洲(0.26 ℃·10 a-1)和全國(0.29 ℃·10 a-1)；同時，年降水量以7.65 mm·10 a-1的速率呈增加趨勢[12]。氣溫升高和降水增加必然對小麥種植范圍、物候期、產量等造成影響，但目前有關西藏小麥物候期對氣候變化響應的研究尚未見報道。本研究利用西藏日喀則農業氣象觀測站1991—2020年春小麥生育期和氣象觀測資料，分析西藏春小麥主要生育時期及生育期間氣象要素的變化特征，探討氣候變化對西藏春小麥生育期的影響，以期為西藏農業生產適應氣候變化和農業管理提供基礎性科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西藏僅有日喀則農業氣象觀測站觀測春小麥，觀測站位于88°32′E、29°09′N，海拔3 836 m。該站在日喀則市桑珠孜區，處于雅魯藏布江與年楚河匯流處的沖積平原。氣候屬于高原溫帶季風半干旱氣候，年日照時數3 176.3 h，年太陽總輻射6 836.6 MJ·m-2，年平均氣溫6.8 ℃，氣溫年較差17.7 ℃，年極端最高氣溫29.0 ℃(2009年7月25日)，年極端最低氣溫-25.1 ℃(1966年1月7日)，≥0 ℃積溫2 698.4 ℃·d，年降水量429.9 mm，日最大降水量53.5 mm(2018年8月30日)，年蒸發量2 102.1 mm，年平均相對濕度44%，年平均風速1.5 m·s-1，年無霜期114 d。總體上該區日照時間長，太陽輻射強烈，降水集中在夏季，雨熱同季，多夜雨，光、溫、水等農業氣候資源較為豐富。農作物主要有春青稞、春小麥、冬小麥、油菜、豌豆等。其中，春小麥播種面積為 1 333.30 hm2，總產量為18 812.65 t，單產量為 14 109.84 kg·hm-2[13]。

1.2 研究資料與方法

1.2.1 資料來源

春小麥資料來源于西藏日喀則農業氣象觀測站，年限為1991—2020年，生育期資料包括播種、出苗、三葉、分蘗、拔節、孕穗、抽穗、開花、乳熟和成熟普遍期日期，嚴格按照《農業氣象觀測規范》進行觀測。觀測地為大田，面積0.10 hm2，春小麥品種主要有日喀則54、日農10，觀測地段土質為沙壤土，土壤肥力、施肥、管理均為中上等水平，灌溉條件良好。根據春小麥各階段的生長發育特點，將小麥整個生育期劃分為3個生長階段，即營養生長期(出苗—抽穗)、生殖生長期(抽穗—成熟)和全生育期(播種—成熟)。春小麥平均生長季為4—9月。氣象資料選取1991—2020年4—9月日喀則氣象站逐日平均氣溫(Tm)、最高氣溫(Tmax)、最低氣溫(Tmin)、降水量(Pr)、相對濕度(RH)、日照時數(S)和平均風速(Ws)等。

1.2.2 研究方法

數據處理、分析、繪圖均采用Excel 2007軟件完成，通過線性回歸對生育期日期、生育期天數、氣象要素等進行變化趨勢分析，并對趨勢系數進行顯著性檢驗。

另外，采用Mann-Kendall(M-K)法[14-15]對生育期日期、天數進行突變檢驗，并利用逐步回歸分析法[16]來討論影響生育期天數變化的主導因子。

2 結果與分析

2.1 春小麥生長季氣象要素的變化趨勢

經線性回歸分析，在1991—2020年期間，近30年西藏春小麥生長季氣溫日較差(DTR)、Pr、RH和S均呈下降趨勢(圖1)，變化速度分別為-0.27 ℃·10 a-1(P<0.05)、-5.69 mm·10 a-1、-0.43%·10 a-1(P<0.001)和-8.1 h·10 a-1；其他氣象要素均呈增加趨勢，其中Tmin的變化速度(0.65 ℃·10 a-1，P<0.001)明顯大于Tmax(0.38 ℃·10 a-1，P<0.01)，≥0 ℃積溫(∑T0)、Tm和Ws的增速依次為97.1 ℃·d·10 a-1、0.52 ℃·10 a-1和0.24 m·s-1·10 a-1(P<0.001)。總體來看，近30年西藏春小麥生長季氣候趨于暖干化，∑T0增高，S減少，Ws增大。

Tm:平均氣溫; Tmax:平均最高氣溫; Tmin:平均最低氣溫; DTR:氣溫日較差; Pr:降水量; RH:平均相對濕度; S:日照時數; ∑T0:≥0 ℃積溫; Ws:平均風速; LTV:趨勢線。下圖同開花日期為7月20日。乳熟期為7月下旬至9月下旬，早晚相差56 d，平均乳熟期為8月21日。7月下旬陸續進入成熟期，直至8月中旬結束，平均成熟期為9月10日。

2.2 春小麥不同生育階段氣象要素的變化趨勢

從不同生育階段來看，除乳熟—成熟期Tmax略有降低外，其他生育階段Tm、Tmax、Tmin均表現出升高趨勢，平均每10年升高0.17～1.84 ℃，多以Tmin變化最快(表1)。其中，播種—分蘗期的Tm、Tmax、Tmin增加速度在1.10 ℃·10 a-1以上；乳熟期前各生育階段的氣溫上升速度逐漸在變小。∑T0在孕穗前以增加為主，之后以下降居多。DTR除在乳熟—成熟期趨于增大外，在其他生育階段上呈變小趨勢，以孕穗—抽穗期變化最明顯，平均每10年下降0.99 ℃(P<0.05)。S僅在開花—乳熟期呈顯著增加趨勢(74.93 h·10 a-1，P<0.001)，在其他生育階段都表現出減少趨勢，下降速度為-0.57～-123.19 h·10 a-1，以乳熟—成熟期下降最快。各生育階段的Pr以增加為主，只在抽穗—開花期、乳熟—成熟期分別以-9.35 mm·10 a-1和-57.4 mm·10 a-1(P<0.001)的速度呈減少趨勢。RH在各生育階段均呈下降趨勢，特別是在乳熟—成熟期，平均每10年下降6.74%(P<0.001)。Ws在播種—出苗期趨于減小，出苗—三葉期無變化，其他生育階段呈增大趨勢，增速為0.11～0.34 m·s-1·10 a-1。春小麥營養生長期、生殖生長期以及全生育期的Tm、Tmax、Tmin、∑T0和Ws都呈增加趨勢，S與RH均趨于減少。Pr在營養生長期增多，生殖生長期減少，全生育期略增。小麥營養生長期的氣溫升速是生殖生長期的4.7～5.8倍。

表1 1991—2020年西藏春小麥生育期氣象要素的變化趨勢

2.3 春小麥生育期的變化趨勢

2.3.1 生育期日期變化

西藏春小麥一般在3月下旬至5月中旬播種，平均播種期為4月19日(表2)。因播期影響，出苗最早在4月上旬，最晚可推遲到5月下旬，平均出苗期為4月30日。4月下旬至6月上旬進入三葉期，平均三葉期為5月12日。分蘗期在5月上旬至6月上旬，平均分蘗期為5月19日。拔節期出現在5月下旬至7月中旬，平均拔節期為6月21日。6月中旬至7月下旬進入孕穗期，平均孕穗日期為7月2日。7月上旬至8月上旬，小麥進入抽穗期，平均抽穗期為7月12日。開花期介于7月上旬至8月上旬之間，平均

從1991—2020年，西藏春小麥各生育時期均表現出推遲趨勢(圖2)，平均每10年推遲2.33～13.36 d。除開花期、成熟期外，其他生育時期變化趨勢均通過了0.05以上顯著性水平，其中乳熟期推遲最為明顯，其次是播種期(11.53 d·10 a-1)，開花期推遲趨勢最小(表2)。總體來看，春小麥物候期從播種期到開花期推遲速度逐漸變小，乳熟期推遲趨勢明顯增大，而成熟期推遲趨勢又變小。春小麥物候期推遲的主要原因除氣候變暖外，與當地播種期推遲密切相關。

表2 1991—2020年春小麥生育期日期氣候值

圖2 1991—2020年西藏春小麥生育期日期變化趨勢

2.3.2 生育期天數變化

西藏春小麥從播種到成熟需128～170 d，最長、最短年相差42 d，分別出現1991和2019年，其原因除與品種有關，與全生育期平均氣溫也有直接聯系，兩者間存在著極顯著的負相關關系，相關系數達-0.806(P<0.001)，1991年氣溫較常年值偏低1.8 ℃，而2019年氣溫較常年值偏高1.8 ℃；全生育期平均天數為144 d。

根據1991—2020年生育期天數的變化趨勢來看(表3)，春小麥播種—出苗、拔節—孕穗2個生育階段天數變化較小，變化幅度在±0.50 d·10 a-1之內，說明其對氣候變化無明顯的響應；開花—乳熟期天數表現出顯著的增加趨勢，平均每10年延長11.03 d(P<0.001)；其他生育階段天數均呈減少趨勢，其中乳熟—成熟期天數減少速度最大，為-9.97 d·10 a-1(P<0.001)，出苗—三葉期天數減少速度最小，僅為-1.45 d·10 a-1(P<0.10)。總體來看，近30年春小麥營養生長期、生殖生長期以及全生育期天數均呈減少趨勢(圖3)。其中，營養生長期天數以 -7.27 d·10 a-1的速度顯著減少(P<0.001)，全生育期天數平均每10年減少8.13 d (P<0.001)，生殖生長期天數減少速度最小(-0.78 d·10 a-1)且未通過顯著性檢驗水平。但近20年(2001—2010年)中，生殖生長期天數減少速度明顯增大，為-2.47 d·10 a-1(P< 0.10)，營養生長期天數減少速度有所變小，為 -5.66 d·10 a-1(P<0.01)，而全生育期天數減少趨勢基本未變(-8.14 d·10 a-1，P<0.001)。

表3 1991—2020年春小麥生育期天數氣候值

圖3 1991—2020年西藏春小麥生育期天數的變化趨勢

2.4 突變分析

2.4.1 生育期日期

通過對1991—2020年西藏春小麥10個生育期日期進行M-K突變檢驗(表2、圖4)，播種期的UF曲線在1991—2005年期間呈振動變化，從2006年開始快速上升，與UB曲線在2005年交叉，且在臨界線±1.96之間，確定2005年發生了突變，其中2008—2020年播種期推遲趨勢超過了0.05顯著性檢驗的臨界線，表明播種期推遲趨勢顯著；突變前后播種平均值分別為4月9日和4月27日，突變后較突變前推遲了18 d。同理，開花期無突變年，其他生育時期日期均出現了氣候突變，推遲趨勢顯著，突變時間發生在2003—2011年，以乳熟期突變最早(2003年)，抽穗期突變最晚(2011年)。總體來看，近30年西藏春小麥90%的生育期日期發生了推遲的氣候突變，突變時間主要出現2005—2009年。

圖4 1991—2020年西藏春小麥生育期日期的M-K檢驗

2.4.2 生育期天數

同樣，采用M-K方法檢驗了1991—2020年西藏春小麥營養生長期、生殖生長期和全生育期天數的氣候突變(圖5)。營養生長期天數的UF曲線從2001年開始呈下降趨勢，與UB曲線交叉于2003年，且在臨界線±1.96之間，確定2003年發生了突變，其中2008—2020年營養生長期天數下降趨勢超過了0.05顯著性檢驗臨界線，表明營養生長期天數下降趨勢十分顯著；突變前后平均值分別為92 d和79 d，突變后較突變前減少13 d。生殖生長期天數的UF曲線1991—2000年呈振蕩下降趨勢，在2001—2013年趨于上升，與UB交叉點較多，而2001年的突變點較為明顯，生殖生長期由相對偏短期躍變為相對偏長期，突變前后平均值相差不大，僅為3 d。全生育期天數的UF曲線在1991—1996年呈下降趨勢，1997—2006年趨于上升，之后又呈明顯的下降趨勢，與UB曲線在2007年交叉，且在臨界線±1.96之間，確定2007年為突變時間，其中2008—2020年全生育期天數下降趨勢超過0.05顯著性檢驗臨界線，表明全生育期天數減少趨勢顯著；突變前后平均值分別為150 d和138 d，突變后較突變前減少12 d。

圖5 1991—2020年西藏春小麥生育期天數的M-K檢驗

此外，在播種—成熟期9個生育階段天數中，三葉—分蘗期、分蘗—拔節期、開花—乳熟期、乳熟—成熟期的天數發生了氣候突變，突變點分別出現在2002年、2007年、2001年和2002年(表3)。其中，開花—乳熟期天數是由相對偏短期躍變為相對偏長期，突變后較突變前延長了22 d；其他3個生育階段天數均由相對偏長期躍變為相對偏短期，突變后較突變前分別減少4 d、4 d和15 d。

2.5 春小麥生育期天數的影響因素分析

對春小麥各生育階段天數與同期氣象要素的相關分析(表4)表明，大部分生育階段天數與S、∑T0呈顯著的正相關，相關系數大于0.464(P<0.01)；與DTR相關性不大。Tm、Tmax、Tmin僅與播種—拔節期、抽穗—開花期的天數呈顯著負相關(P<0.05)。Pr只與拔節—成熟期的天數呈顯著正相關，相關系數在0.410以上(P<0.05)。RH與播種—出苗、三葉—分蘗、乳熟—成熟的天數呈顯著正相關(P<0.10)，而與開花—乳熟期天數呈極顯著負相關。Ws對生育期天數的影響多為負效應，只與出苗—三葉期、開花—乳熟期天數呈顯著正相關。春小麥營養生長期、全生育期天數都與S、DTR呈顯著正相關，還與氣溫(Tm、Tmax、Tmin)呈顯著負相關，而生殖生長期天數只與S、∑T0呈顯著正相關，與Tmin呈顯著負相關。

表4 1991—2020年西藏春小麥生育期天數與氣象要素的相關

標準化回歸系數的絕對值能夠揭示各氣候因子對春小麥生育期天數變化的相對重要性。經逐步回歸分析，春小麥各生育階段天數與氣候因子的標準化回歸方程為：

DGPSE-EM=-1.027Tm-0.077RH+0.231S+ 0.908∑T0，R2=0.974，P<0.000 1

(2)

DGPEM-TH=-0.368Tm-0.267Tmax+ 0.238S+0.674∑T0，R2=0.966，P<0.000 1

(3)

DGPTH-TI=-0.307Tmax+0.704S，R2= 0.673，P<0.000 1

(4)

DGPTI-JO=-0.218Tmax+0.804RH- 0.389Pr+0.849S，R2=0.431，P<0.005

(5)

DGPJO-BO=0.248Tm-0.198Ws+0.542∑T0，R2=0.467，P<0.001

(6)

DGPBO-HE=-0.205Tm+0.828S，R2= 0.757，P<0.000 1

(7)

DGPHE-FL=-0.221Tm-0.060Tmin- 0.199S+1.084∑T0，R2=0.987，P<0.000 1

(8)

DGPFL-MI=-0.199Tm+0.261Tmin+ 0.196Pr+0.949S，R2=0.977，P<0.000 1

(9)

DGPMI-MA=-0.128Tm+0.048Ws+1.013∑T0，R2=0.992，P<0.000 1

(10)

DGPVGP=-0.929Tm-0.058Tmin+0.628∑T0，R2=0.987，P<0.000 1

(11)

DGPRGP=-0.541Tm-0.042Tmin+1.031∑T0，R2=0.996，P<0.000 1

(12)

DGPWGP=-1.112Tm+0.040Ws+0.623∑T0，R2=0.992，P<0.000 1

(13)

從標準化回歸系數來看，影響生育期天數(DGP)的主導因子為S、∑T0和Tm，以S、∑T0居多，兩者均表現出正效應，而Tm表現出負效應。也就是說，S多、∑T0高、Tm低，DGP延長，反之DGP下降。

綜上所述，影響營養生長期、全生育期天數的主導因子是Tm，次要因子是∑T0，而∑T0是影響生殖生長期天數的主導因子，Tm為次要因子。1991—2020年西藏春小麥營養生長期、生殖生長期和全生育期天數減少，主要是因為Tm顯著升高造成的。

3 討 論

全球氣候變暖導致我國農業氣候資源發生了明顯變化，氣候變化對春小麥物候期的響應程度也不盡相同。劉玉潔等[17]認為，春小麥物候期變化趨勢具有顯著的空間分異特征。在春麥區春小麥出苗期的平均推遲幅度以及孕穗期和開花期的平均提前幅度均較大，但播種期、三葉期、拔節期、抽穗期和成熟期的平均推遲幅度較小；在冬春兼麥區，春小麥從三葉期至開花期，平均變化趨勢均表現為提前。崔耀平等[18]指出，春小麥各物候期以推遲趨勢站點所占比重較大，但從播種期至成熟期的物候期推遲趨勢的站點數有所減少，提前趨勢站點數有所增加。其中，抽穗期推遲趨勢站點占53%，主要分布在東北、內蒙古、甘新青交界和西藏。本研究表明，西藏春小麥各生育時期均表現為推遲趨勢，這與崔耀平等[18]的結論一致。劉玉潔等[17]還認為，盡管不同小麥種植區內春小麥物候期的變化趨勢差異明顯，但營養生長期、全生育期的長度普遍呈減少趨勢，而生殖生長期長度普遍呈延長趨勢。而在西藏近30年春小麥營養生長期、生殖生長期和全生育期長度均呈減少趨勢。

日照是影響作物物候氣候因素中一個的重要因素[19]。對于冬小麥這種長日照植物來說，日照時數的變化主要影響冬小麥的返青期和拔節期。楊建瑩等[19]研究表明，日照時數減少對冬小麥返青期和拔節期的提前有正向作用。本研究認為日照時數減少對春小麥三葉—分蘗、分蘗—拔節、孕穗—抽穗和開花—乳熟期4個生育階段長度的減少有正效應。

諸多研究表明，氣溫變化是引起小麥物候期變化的主要原因，不同種植區小麥物候期變化方向也存在差異。劉玉潔等[17]研究發現，春小麥生長季長度均隨著生長季內Tm上升而減少，而冬小麥生長季長度隨著生長季內Tm上升而延長。崔耀平等[18]認為，春小麥生長期長度變化與Tm之間總體上呈負相關，但是該關系在黃土高原區的部分站點上表現并不明顯。西藏春小麥營養生長期、全生育期長度與Tm存在顯著的負相關，并隨著Tm的升高而減少，但在拔節—孕穗期、開花—乳熟期和乳熟—成熟期，生育期長度與平均氣溫的相關性不明顯。

水分是影響小麥物候期的另一重要氣候因子。劉玉潔等[17]分析得出，小麥生長季長度均隨生長季內降水增加而延長，其中春小麥生長季長度對降水的敏感度小于冬小麥。楊建瑩等[19]認為，降水對21世紀初近10年冬小麥生長的拔節期和抽穗有促進作用，當光照和熱量條件滿足時，年降水量每增加100 mm，冬小麥的拔節期和抽穗期將分別提前0.84 d和1.65 d。侯瓊等[20]發現，旱作區春小麥也因干旱使播種期明顯推后，生育期減少較明顯，大興安嶺東麓生育期減少達到12 d·10 a-1。而崔耀平等[18]研究指出，春小麥生長期長度基本不受降水量變化的影響。本研究中，降水量即不是影響春小麥物候期變化的主要因子，也不是次要因子，其原因可能與觀測地段為保灌地有關。

本研究數據來源于日喀則農業氣象觀測站，分析發現該地段春小麥播種期呈較為明顯的推遲趨勢，與當地大田春小麥播種期不一致。一般來說，春季氣溫變化穩定在3～5 ℃、地表解凍5～6 cm時為春小麥最適宜播種期。西藏日喀則市適宜播種期為3月下旬至4月中旬，過早或過晚播種均不利春小麥產量的形成。劉國一等[21]分析認為，春小麥產量隨著播期的推遲而降低。麥類作物分蘗最適溫度為13～18 ℃，當氣溫高于18 ℃時，分蘗就受到抑制，不利于分蘗和幼穗分化，進而影響穗粒數和成穗數。有研究表明，播種期推遲不利于西藏小麥、青稞增產。至于地段春小麥播種期推遲的原因，筆者認為與當地播期調整無關，可能與觀測員主觀性有關。建議觀測員嚴格按照《農業氣象觀測規范》，觀測地段必須具有代表性，代表當地一般地形、地勢、氣候、土壤、產量水平和主要耕作制度等。

以上分析表明，小麥物候除受氣候變化影響外，田間管理措施(品種更新、播期調整、灌溉、施肥等)也會在一定程度上改變小麥物候期。本研究基于西藏春小麥物候期觀測記錄觀測到的物候變化，是氣候變化和人為管理共同作用的結果，而現階段也無法定量化人為管理措施的影響程度，分析氣候變化對小麥物候期的單一影響還需今后進一步探討。同時，還有待通過增加大田觀測站點數和時間序列以彌補數據代表性的不足。

另外，近30年西藏日喀則作物生長季氣候趨于暖干化，針對春小麥生育進程及產量的響應特征，可采取如下應對措施：(1)根據氣候變暖趨勢，適當提早春小麥播種時間，使麥類作物分蘗處于最適溫度范圍內，延長苗期低溫蹲苗和春化過程，有利于作物分蘗和幼穗分化；(2)加強農田水利基礎設施建設，擴大保灌地面積，提高作物抗旱能力；(3)采用高光效育種，抗高溫育種技術，選育具有高抗性可以適應未來氣候變化的新型春小麥、春青稞品種。

4 結 論

1991—2020年西藏春小麥生長季Pr、RH和S表現為下降趨勢，Tmin升溫率明顯大于Tmax升溫率，Tm、∑T0和Ws均呈增加趨勢。總體來看，近30年西藏春小麥生長季氣候趨于暖干化，∑T0增高，S減少，Ws增大。

春小麥各生育期日期均表現為推遲趨勢，平均每10年推遲2.33～13.36 d，以乳熟期推遲的最為明顯。播種—出苗、拔節—孕穗2個生育期天數對氣候變化響應不明顯，開花—乳熟期天數表現為顯著的增加趨勢，其他各生育時期天數均呈現出減少趨勢。盡管各物候期長度的變化趨勢差異明顯，但營養生長期、生殖生長期和全生育期天數均呈減少趨勢。春小麥90%的生育期日期發生了推遲的氣候突變，突變時間主要出現在21世紀前10年的中后期(2005—2009年)，主要是因播期推遲所致。

影響春小麥營養生長期和全生育期天數的主導因子是Tm，次要因子為∑T0，而∑T0卻是影響生殖生長期天數的主導因子，Tm為次要因子。近30年西藏春小麥營養生長期、生殖生長期和全生育期天數減少，主要是因為Tm顯著升高造 成的。