1991—2020年滁州市冬小麥生育期變化特征

張?chǎng)瓮?金華星 杜少棟

滁州市氣象局，安徽 滁州 239000

0 引言

由于秋冬季變暖，我國北方地區(qū)冬小麥播種期普遍推遲4～8 d，成熟期提前4～7 d，全生育期縮短4～9 d［1］。因不同地區(qū)的氣候條件不同，同一種作物相同物候期的變化趨勢(shì)也存在明顯的地區(qū)性差異［2］。目前，針對(duì)安徽省滁州市冬小麥生育期變化特征的研究尚屬空白。因此，筆者擬運(yùn)用趨勢(shì)分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)及Morlet小波分析等方法，研究1991—2020年滁州市冬小麥生育期變化特征，為當(dāng)?shù)貧庀蟛块T開展農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域和資料

研究區(qū)域?yàn)槌菔?，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，季風(fēng)明顯，氣候濕潤，雨熱同季。滁州市年平均氣溫15.4℃，年降水量1 000～1 100mm，全年無霜期210 d左右。1991—2020年滁州市冬小麥生育期記錄來源于滁州市氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站年報(bào)表，1990—2020年（冬小麥為跨年作物）滁州市國家氣象觀測(cè)站逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)來源于全國綜合氣象信息共享平臺(tái)（CIM ISS）。為方便統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)內(nèi)冬小麥各生育期統(tǒng)一確定為該生育期的普遍日期距播種日期的天數(shù)。

1.2 研究方法

趨勢(shì)分析法是基于最小二乘法建立的一元回歸方程，其中回歸方程的系數(shù)表征生育期的變化趨勢(shì)，一般將系數(shù)的10倍定義為變化速率［3］。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法是一種氣候診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，可以判斷氣候序列中是否存在突變［4］。此次研究利用該方法分析滁州市冬小麥生育期的突變特征。Morlet小波分析可以將信號(hào)分解為一系列小波函數(shù)的疊加，以便更真實(shí)地反映原信號(hào)在某一時(shí)間尺度上的變化，從而得出時(shí)間序列的顯著波動(dòng)模式，即周期變化［5］。筆者采用Mor‐let小波分析法探究滁州市冬小麥生育期的周期變化特征。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)與Morlet小波分析均使用Matlab軟件完成。

2 結(jié)果與分析

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，1991—2020年滁州市冬小麥播種至出苗期平均為11 d，播種至三葉期平均為30 d，播種至分蘗期平均為50 d，播種至拔節(jié)期平均為134 d，播種至孕穗期平均為161 d，播種至抽穗期平均為168 d，播種至乳熟期平均為200 d，全生育期（播種至成熟期）平均為213 d。

2.1 生育期變化趨勢(shì)

趨勢(shì)分析結(jié)果表明，1991—2020年滁州市冬小麥孕穗、抽穗、乳熟、成熟4個(gè)生育期距播種期天數(shù)呈極顯著的縮短趨勢(shì)（P<0.01），其余生育期變化趨勢(shì)不顯著。由圖1可知，冬小麥播種至孕穗期每10 a縮短約6.5 d，播種至抽穗期每10 a縮短約7.9 d，播種至乳熟期每10 a縮短約8.3 d，全生育期每10 a縮短約6.8 d。

圖1 1991—2020年滁州市冬小麥生育期變化趨勢(shì)

2.2 生育期突變特征

1991—2020年對(duì)滁州市冬小麥各生育期距播種期天數(shù)進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。1991—2020年滁州市冬小麥孕穗、抽穗、乳熟、成熟4個(gè)生育期距播種期天數(shù)存在明顯的突變點(diǎn)，其余生育期突變檢驗(yàn)結(jié)果不顯著。由圖2（a）可知，2011—2020年冬小麥播種至孕穗期天數(shù)呈下降趨勢(shì)，UF與UB曲線相交于2016年，且只存在一個(gè)交叉點(diǎn)，即突變年份為2016年；自2018年起，UF曲線穩(wěn)定突破臨界值，且下降趨勢(shì)更為顯著；突變后播種至孕穗期年均天數(shù)為146 d，與突變前相比縮短18 d。由圖2（b）可知，播種至抽穗期天數(shù)突變年份為2015年，自2017年起下降趨勢(shì)更為顯著，突變后播種至抽穗期年均天數(shù)為153 d，與突變前相比縮短19 d。由圖2（c）可知，播種至乳熟期天數(shù)突變年份為2016年，自2018年起下降趨勢(shì)更為顯著，突變后播種至乳熟期年均天數(shù)為178 d，與突變前相比縮短27 d。由圖2（d）可知，1991—2020年滁州市冬小麥全生育期天數(shù)總體表現(xiàn)為先下降再上升又下降的變化過程，UF與UB曲線在95%置信區(qū)間內(nèi)只存在一個(gè)交點(diǎn)，即突變年份為2016年，突變后播種至成熟期年均天數(shù)為195 d，與突變前相比縮短22 d。

圖2 1991—2020年滁州市冬小麥生育期Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

2.3 全生育期周期分析

分析可知，1991—2020年滁州市冬小麥全生育期存在顯著的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)。選擇Matlab小波工具箱中的Morlet復(fù)小波函數(shù)對(duì)冬小麥全生育期進(jìn)行周期分析，結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，可以反映全生育期時(shí)間序列在不同時(shí)間尺度上的周期變化，實(shí)線表示小波系數(shù)實(shí)部值為正，虛線表示小波系數(shù)實(shí)部值為負(fù)，對(duì)應(yīng)冬小麥全生育期處于延長或縮短期。由圖3（a）可知，1991—2020年滁州市冬小麥全生育期變化具有明顯的周期性特征，具體表現(xiàn)為13～15 a尺度上出現(xiàn)的延長與縮短趨勢(shì)交替的準(zhǔn)3次振蕩，以及8～10 a尺度上出現(xiàn)的準(zhǔn)4次振蕩。圖3（b）為小波系數(shù)模等值線圖。模值越大，表明其所對(duì)應(yīng)的時(shí)段或尺度的周期性越強(qiáng)。由圖3（b）可知，13～15 a時(shí)間尺度的模值最大，其中2005—2010年之間模值相對(duì)較小，說明在2005年之前和2010年之后，13～15 a時(shí)間尺度的周期變化更顯著。圖3（c）為小波方差圖，可以反映冬小麥全生育期時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨尺度的分布情況，以確定全生育期變化過程中存在的主周期。由圖3（c）可知，小波方差圖中存在3個(gè)較為明顯的峰值，依次對(duì)應(yīng)4、9、14 a的時(shí)間尺度；其中最大峰值對(duì)應(yīng)14 a的時(shí)間尺度，說明14 a時(shí)間尺度的周期振蕩最強(qiáng)，為冬小麥全生育期變化的第一主周期。根據(jù)小波方差檢驗(yàn)的結(jié)果，繪制冬小麥全生育期變化過程的主周期趨勢(shì)圖，如圖3（d）所示。在14 a特征時(shí)間尺度上，1991—2020年滁州市冬小麥全生育變化的平均周期約為5 a，大約經(jīng)歷了3個(gè)周期的減增變化。

圖3 基于Morlet小波分析的冬小麥全生育期周期變化

3 結(jié)語

1991—2020年滁州市冬小麥生育期變化主要體現(xiàn)在生殖生長階段，其中孕穗、抽穗、乳熟、成熟4個(gè)生育期距播種期天數(shù)呈極顯著的縮短趨勢(shì)，生育期天數(shù)每10 a的變化速率分別為6.5、7.9、8.3、6.8 d。

1991—2020年滁州市冬小麥孕穗、抽穗、乳熟、成熟4個(gè)生育期距播種期天數(shù)存在明顯的突變點(diǎn)，除抽穗期突變年份為2015年，其余3個(gè)生育期突變年份均為2016年。突變前后，播種至孕穗期天數(shù)變化幅度最?。s短了18 d），播種至乳熟期天數(shù)變化幅度最大（縮短了27d）。

冬小麥全生育期（播種至成熟期）主要表現(xiàn)為13～15 a時(shí)間尺度上的年代際周期，且2005年之前和2010年之后，13～15 a時(shí)間尺度的周期變化更顯著。在周期振蕩最強(qiáng)的14 a特征時(shí)間尺度上，冬小麥全生育變化的平均周期約為5 a，大約經(jīng)歷了3個(gè)周期的減增變化。