冬小麦生长适宜光温指标研究

李树岩，刘荣花，成 林，马青荣

(河南省气象科学研究所，河南郑州450003)

农业气象指标是农业气象业务服务的重要基础．自20世纪50年代中期以来，各地陆续开展相关的农业气象研究工作，特别是20世纪70年代后期以来，随着北方干热风、南方寒露风、东北低温冷害以及全国农业气候区划等研究项目的开展，取得了一系列重大农业气象科技成果，也确定了一系列较适用的农业气象指标［1～3］．20世纪80年代以后的相关工作具有较强的针对性，如美国的LEVITT通过研究作物对环境胁迫的响应，重点讨论了作物水分适宜指标［4］;JENSEN模型研究确定了作物－水分关系，为需水指标的建立提供了依据［5］．中国也有许多专家开展了此类研究工作，丘宝剑等［6］、卢其尧等［7］开展了农业气候条件及其指标的研究工作;华北平原作物水分胁迫与干旱研究课题组［8］对冬小麦、夏玉米主要生育阶段水分指标进行了较为详细的研究;袁文平等［9］、李百凤等［10］探讨了作物干旱判别指标与灌溉适宜下限指标;王俊儒等［11］、孙宏勇等［12］对冬小麦不同生育时期受水分胁迫的影响进行了分析;郭建平等［13］应用预测模拟方法建立了东北地区玉米热量指数预测模型;王远皓等［14］开展了作物低温冷害指标及风险评估方法研究．各类指标在农业气象业务服务中发挥了重要作用．然而，自20世纪90年代以来，以气候变暖为主要特征的全球环境变化，在一定程度上破坏、扰乱了作物与气候生态环境间的相对平衡和适应关系，对农业生产造成了巨大影响［15，16］．另一方面，近年来中国的社会经济发生了巨大变化，农业生产形势也发生了很大的变化［17，18］，主要体现在农业结构的调整、农作物品种的更新、栽培技术的不断提高以及耕作方式和种植制度的改进等．由于气候环境和农业生产形势的变化，原有的农业气象指标已不能全面反映作物与环境间的关系．同时现代农业的发展也对农业气象工作提出了迫切要求，为了使农业气象服务具有较强的针对性，做到有的放矢，避免盲目沿用20世纪70～80年代气象指标有可能导致的服务失误，研究确定新环境下各类农业气象指标，就显得异常迫切和需要．本研究利用近年试验和农业气象观测站作物观测资料，通过概率统计的方法，研究在新的农业生产和气候变化背景下冬小麦生长适宜指标探讨，以期为提高农业气象业务服务的质量和水平，为社会主义新农村建设提供高质量的气象保障服务发挥作用．

1 材料与方法

1．1 数据来源

适宜指标确定所用资料为河南、山东和河北3省共45个农业气象站作物生育期观测资料和相应的逐日气象资料，其中河南站点28个，资料年代为1981—2005年;山东站点 10个，资料年代为1985—2005年;河北站点6个，资料年代为1981—2005年．冬小麦生育期为《农业气象观测规范》规定的生育时期观测资料，包括播种期、出苗期、三叶始期、三叶期、分蘖始期、分蘖期、越冬期、返青期、起身期、拔节始期、拔节期、孕穗期、抽穗始期、抽穗期、开花始期、开花期、乳熟期、成熟期．气象资料主要包括逐日气温、降水、日照时数等．作物资料按小麦品种属性分类，主要分冬性、半冬性和春性．农业气象指标验证所用资料为2006—2008年郑州农业试验站冬小麦分期播种试验数据．

冬小麦适宜农业气象指标，根据影响小麦生长的各气象要素来确定，主要包括生育期内适宜的温度和光照指标．由于适宜水分指标受降水和灌溉综合影响，而降水的随机性很大，本研究暂未考虑降水指标．适宜日平均气温指标按观测规范中确定的各个生育时期来划分，适宜积温和日照时数的指标按各个生育阶段来划分，包括播种－出苗、出苗－分蘖、分蘖－越冬、越冬－拔节、拔节－抽穗、抽穗－乳熟、乳熟－成熟7个生育阶段．

1．2 不同生育时期适宜日平均气温指标的确定

1．2．1 不同生育时期气温样本序列的构建 按不同的品种属性计算关键生育时期的适宜日平均温度指标．以冬小麦半冬性品种为例，首先筛选出种植半冬性品种的年份及站点，然后根据达到某一生育时期的观测日期，选择当前日期及其前后共3 d的日平均气温作为统计样本．按照同样的方法计算所有的站点所有年份对应这一生育时期的气温数据，建立此生育时期气温样本序列．例如方城站1982年冬小麦出苗日期为1982－10－28，选取1982－10－27—1982－10－29的气温资料为部分样本．以此类推，计算方城站所有年份的出苗期气温数据作为一组统计样本，通过对样本的统计分析，以确定冬小麦出苗期的适宜气温．

1．2．2 样本序列的正态分布检验 根据偏度和峰度检验结果，半冬性小麦出苗期偏度系数为－0．117，峰度系数 Kurtosis= －0．392，开花期偏度系数为 －0．022，峰度系数 Kurtosis= －0．325，2 个系数都小于1，可认为近似于正态分布．

另外，由Q－Q Plot检验图(图1)可知，各点近似围绕着直线，说明数据呈近似正态分布．

经正态性检验研究发现，大多数生育时期气温序列服从正态分布，对于个别不符合正态分布的序列，已通过坐标转换将其转变成正态分布［19，20］．

图1 冬小麦半冬性品种出苗期、开花期气温序列正态分布检验Fig．1 Normal distribution test of temperature sequence at seedling and flowering stage for semi-winterness type of winter wheat

1．2．3 根据样本序列确定适宜气温指标 根据符合正态分布的不同生育时期气温样本序列，绘制正态分布曲线图(图2)．本研究中分别以50%，80%的概率作为作物生长的适宜、较适宜指标的上、下限值(图3)．计算过程如下:

由检验可知，样本序列服从正态分布，即随机变量 X ～N(u，σ2)

将样本序列先转化为标准正态分布序列，利用公式(2)，即 X’～N(0，1)

图2 根据样本序列绘制正态分布图(春性小麦开花期气温)Fig．2 Normal distribution figure according to the sample sequence(Air temperature of flowering stage for springness type of wheat)

图3 50%，80%的概率对应的适宜气温范围(春性小麦开花期)Fig．3 Corresponding suitable scope of air temperature for probability(Flowering stage for springness type of winter wheat)

1．3 不同生育阶段适宜积温、日照时数指标的确定

首先根据不同生育阶段统计积温和日照时数，即从一个生育时期进入到下一个生育时期所需要的温度或日照时数的总和．建立样本序列，对样本序列进行正态分布检验，适宜积温、日照时数上下限的确定方法同气温指标．

需要注意的是，对于春性品种，种植界限比较靠南，某些年份由于播种日期较晚，冬季气温较高，常有无越冬期或冬后分蘖的情况，即分蘖日期晚于越冬日期，这时计算出的积温和日照时数为0，所以注意剔除相应年份的数据．

2 结果与分析

2．1 适宜光温指标的计算结果

由上面的方法计算得到华北地区冬小麦不同属性品种各生育时期的适宜气象指标(上、下限取值50%的适宜指标)见表1．由各生育时期适宜或较适宜气温指标，可作为预报冬小麦是否正常进入某生育时期的参考．

表1 冬小麦主要生育时期适宜平均气温指标Table 1 Optimum indexes of average air temperature for main growing stage of winter wheat ℃

表2和表3为冬小麦发育间隔内所需的适宜积温指标和日照时数指标，可作为判断小麦某发育间隔内是否达到适宜程度的参考依据．积温指标基本上反映了作物达到适宜生长状态时的所需积温，也可作为各地选择种植品种的参考．适宜日照时数指标，尤其是影响小麦品质形成关键时期的适宜日照时数指标，具有鲜明的生产意义和服务指导价值．

2．2 不同属性品种各适宜光温指标比较

从图5可以看出，不同属性的冬小麦品种生长所需要的适宜气温趋势相同，但春性品种各生育时期的平均适宜气温低于半冬性和冬性品种．半冬性和冬性品种之间的差异不明显，仅是在个别生育时期如三叶始期、拔节期，冬性品种要求的气温略偏高;2个品种属性各生育阶段所需热量条件也相似．

表2 冬小麦不同生育阶段期适宜积温指标Table 2 Suitable indexes of accumulated temperature between different growing stage of winter wheat ℃·d

表3 冬小麦不同生育阶段适宜日照时数指标Table 3 Suitable indexes of sunshine hours between different growing stage of winter wheath

由图6和图7可知，冬小麦春性品种越冬时间短，所需积温较少，适宜积温60～200℃·d，甚至在有的年份冬季气温偏高，冬小麦不会停长，其他生育阶段和半冬性品种的差异不大．冬性品种一般播种较早，分蘖—越冬—拔节所需适宜积温高于半冬性品种，其余生育阶段所需适宜积温均低于半冬性品种．不同属性冬小麦品种对日照时数的要求差异不大，但冬性品种越冬－拔节期所需的适宜日照时数明显高于半冬性和春性品种，这主要是由于冬性品种越冬期持续天数明显长于半冬性和春性品种．

2．3 适宜光温气象指标验证

利用2006—2007，2007—2008年3个播期的冬小麦田间试验资料，按照相同的方法提取不同播期、不同生育时期及不同生育阶段对应的温度、积温及日照时数，作为统计指标验证数据，分析大田实际状况下各阶段气象因子值是否出现在数理统计的阈值范围内，以确认统计指标对实际生产的指导性．

2006—2007，2007—2008 冬小麦分期播种试验为半冬性品种，共3个播期，分别为10－10，10－20和10－30播种，记为早播、中播和晚播．根据不同播期的生育时期观测记录，提取对应的气象要素，表4和表5列出了不同适宜气象指标的验证结果(以上、下限取值80%的“较适宜”指标作为验证标准)．

表4 冬小麦(半冬性)适宜温度指标验证Table 4 Verification of suitable temperature indexes of winter wheat(semi-winterness) ℃

由表5可见，适宜播种期内播种的作物各生育时期气象要素值基本出现在统计的“较适宜”指标范围内．如10－20播种的小麦;其他播期某些生育时期气象要素值超出了适宜范围，如晚播小麦乳熟期日平均气温、冬小麦抽穗－乳熟－成熟期内积温等，因此，利用统计的指标可判断当年某作物某生长期内气象条件是否有利于作物生长．同样地，通过适宜气象条件指标反查，也可为确定作物适宜播期提供依据．

表5 冬小麦(半冬性)适宜积温及日照时数指标验证Table 5 Verification of suitable accumulated temperature and sunshine hours indexes of winter wheat(semi-winterness)

3 结论与讨论

1)农业气象业务服务与科学研究工作都需要细致、准确的农业气象指标作为基础［2，21～22］．传统的农业气象指标对农业气象灾害的描述较多［23，24］，作物不同生育阶段适宜指标的判定多是经验性的［21］．本研究设定概率分布 ＜50%和 ＜80%分别为冬小麦生长发育的适宜指标和较适宜指标界限，量化了华北地区春性、半冬性和冬性小麦品种不同时期生长发育的适宜或较适宜平均气温、积温和日照时数指标．其中，冬小麦主要生育时期平均气温指标包括了进入某一生育始期及普遍期的气温范围，可作为预报冬小麦是否正常进入某生育时期的参考;积温和日照时数指标则为冬小麦某两个生育时期间隔内所需的积温和日照总量，可作为判断小麦某生育阶段间隔内是否达到适宜程度的参考依据．

2)传统的农业气象温度、积温指标多针对冬小麦全生育期而言，例如崔学明［25］提出冬小麦全生育期最适温度为20～22℃，全生育期所需≥10℃积温为1 600～2 400℃，这类指标主要用于判定某地区是否适于冬小麦种植，而无法作为衡量某生长季内气象条件是否利于作物生长的标准．而日照时数对作物的影响判断则多限于将当前日照与历史平均对比，定性分析日照条件对作物生长是否有利．同时，在全球升温背景下，一方面，不同属性的冬小麦种植界限发生了变化，另一方面，中国冬小麦产量连续增产的事实表明，除了农业技术进步的影响外，农业生产和冬小麦生长存在着对外界环境的自适应过程．因此，基于冬小麦生长发育与气象要素观测事实统计而来的农业气象指标相对精细、真实、可靠，符合农业生产的现实情况，且资料简单易查，使用方便，可为开展农业生长状况评估、农业气象服务和科研提供基础．

3)引入概率统计的方法确定适宜指标，克服了以往以气候保证率方法确定指标的不足，所得结果更加客观，这种方法还可用于求算其他作物各生育阶段的适宜气象指标．由于作物品种更新、环境要素变化等其他因素，作物生长的适宜指标应该是动态变化的，因此，指标研究工作还应该继续研究和不断更新．

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