华北平原冬小麦主要发育阶段日数对温度变化的敏感性分析*

高 静邬定荣王培娟陈京华闫 峰赵煜飞王佳强



华北平原冬小麦主要发育阶段日数对温度变化的敏感性分析*

高 静1，邬定荣2，3**，王培娟2，3，陈京华1，闫 峰4，赵煜飞1，王佳强1

（1.国家气象信息中心，北京 100081；2.中国气象科学研究院，北京 100081；3.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081；4.河北省易县气象局，保定 074200）

气候变化背景下，作物发育阶段日数发生了明显变化，其对温度变化的敏感性也成为气候变化对农业影响研究的重要内容。针对现有温度敏感性研究的不足，本文提出相对敏感性的概念，并以此分析华北平原冬小麦敏感性的时空分布特征。利用65个农业气象观测站1980-2012年冬小麦发育期观测资料及同期逐日平均气温数据，将发育期分为播种-越冬、越冬-返青、返青-抽穗和抽穗-成熟4个主要发育阶段，采用线性回归方法计算各阶段发育期日数对温度变化的相对敏感性，并用GIS空间插值方法研究相应指标的时空变化特征。结果表明：(1)各发育阶段平均温度均呈上升趋势，不同发育阶段日数具有明显的区域分布规律；(2)播种-越冬期对温度的敏感性为-0.113～0.029℃-1，区域平均-0.040℃-1，该期敏感性呈中间高两端低的区域分布特征，且敏感性具有一定的普遍性；(3)越冬-返青期敏感性为-0.081～0.091℃-1，平均0.013℃-1。该期敏感性区域波动大，但无明显区域特征，敏感性的稳定程度也较弱；(4)返青-抽穗期敏感性在-0.112～-0.035℃-1，平均-0.074℃-1。敏感性无明显区域特征，但敏感性的稳定性高；(5)抽穗-成熟期敏感性在-0.114～0.014℃-1，平均-0.042℃-1，呈显著的南高北低的空间分布特征，在区域上具有很强的稳定性。总体上，不同发育阶段对温度的敏感性差异较大，且敏感性具有明显的区域分布特征。

气候变化；发育阶段日数；温度的相对敏感性；区域分布规律；时间分布特征

气候变化对农业的影响一直是农业领域国内外研究关注的焦点[1]。作物物候对气候变化的响应是农业应对气候变化的核心研究内容之一。近几十年来，为准确评估气候变化对农业生产的影响，国内外学者对历史气象条件下作物发育期对气候变化的响应进行了广泛研究。研究表明，气候变暖使国外多种作物的发育期呈提前趋势[2]。在中国华北平原，夏玉米生育期天数增加速率为0.34d·a-1[3]。在东北，除抽穗期及成熟期外, 水稻各生育期均随着年代的增加而提前[4]。河西走廊春小麦各发育期提前明显，其中抽穗期提前0.36d·a-1，开花期提前0.41d·a-1，成熟期提前0.36d·a-1，而玉米在春夏季发育期提前，秋季乳熟期、成熟期的变化趋势不明显[5]。在关注作物发育期随年份变化的同时[6-13]，国内外学者重点关注了发育期对温度的敏感性[13-15]。德国的研究表明，温度每升高1℃，燕麦成熟期提前约4d[14]。在国内，过去30a的气候变暖对华北平原的作物物候产生了重要影响，发育期内平均温度每升高1℃,冬小麦返青-开花期和开花-成熟期分别缩短3.8d和1.2d[15-16]，夏玉米全生育期和生殖生长期天数分别平均缩短2.71d 和1.07d[3]。

上述研究极大提升了对农作物发育期与气候变化及品种改进关系的理解，为气候变化背景下农业适应的对策研究提供了坚实的科学基础。然而，现有研究的结果多以发育期日数随温度的绝对变化速率来表达，即温度每上升1℃作物发育阶段日数的变化天数[12,15-16]。但绝对变化速率受该发育阶段长度的影响，长度越长，变化速率越大，因此，这种表达方式不适合在不同作物、不同站点和不同发育期之间进行发育速率对温度敏感性的比较。

基于此，本文提出相对敏感性的概念，即将发育阶段的日数除以该阶段多年平均日数，在此基础上计算其与同期平均温度的关系，并以华北平原(北京、天津、河北、山东、河南)多个冬小麦农业气象试验站点冬小麦发育期和逐日气象观测资料为基础，在站点和区域尺度上研究冬小麦不同发育阶段日数对温度的相对敏感性及敏感性的区域差异，以期为气候变化背景下作物产量响应的区域模拟研究提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

选用1980-2012年华北平原冬小麦连续种植超过10a的65个农业气象观测站的资料进行分析(图1)。冬小麦生育期观测资料与气象资料均来自国家气象信息中心。发育期资料包括播种、开始越冬、返青、抽穗和成熟等5个发育期。气象资料为与农业气象观测站对应的65个气象台站1980-2012年的逐日平均气温数据。

1.2 研究方法

与冬小麦5个发育期对应的是4个发育阶段，分别为播种-越冬(S-O，Sowing to Overwintering)、越冬-返青(O-T，Overwintering to Turning green)、返青-抽穗(T-H，Turning green to Heading)和抽穗-成熟(H-M，Heading to Maturity)。按此划分方式，分别计算各站历年各发育阶段的日数和同期平均温度，采用线性回归方法计算日数和平均温度随年份变化的趋势，并进行显著性检验[17]。

以往研究中，发育阶段对温度的敏感性通过计算发育阶段日数与平均温度的回归关系得到[3, 14-16]，即

式中，D为该站完成某发育阶段所需的日数(d)，T为同期的平均温度(℃)，a和b为回归系数。b值代表发育期内平均温度每升高1oC时发育阶段变化的天数。当发育阶段经历的天数较多时(如返青-成熟)，作物暴露在温度升高环境中的时间更长，此时b值会比天数更短的发育阶段(如返青-拔节)更大。因此，式(1)中的b值不能用于不同发育阶段日数温度敏感性的比较。由于不同站点同一发育阶段的日数也不同，因此也不能进行不同站点同一发育阶段敏感性的比较。鉴于此，本文将D值除以日数的平均值，提出发育阶段日数受温度影响相对速率的概念，以便在不同发育阶段之间进行比较，公式为

式中，Daver是该站完成某发育阶段所需日数的多年平均值(d)。式(2)中的b值即为发育阶段日数受温度影响的相对变化量，可用于不同发育阶段日数对温度敏感性和不同区域对同一发育阶段敏感性的比较。

采用点面结合的方法分析发育阶段日数对温度的相对敏感性。首先计算各站4个主要发育阶段日数及同期平均温度，求其与年份的线性回归系数和显著性水平。在此基础上，统计成区域平均值，进行发育阶段日数和温度变化的背景分析。随后根据式(2)计算各站4个主要发育阶段日数对温度的敏感性，并利用ArcGIS空间分析工具中的反距离权重法进行敏感性区域分布规律的展示和分析。

2 结果与分析

2.1 发育阶段平均温度变化趋势

区域差值结果表明，不同发育阶段的温度差异较大，同一发育阶段不同站点的温度差异也很大。其中，越冬-返青期的平均温度呈显著的南高北低的趋势，其余3个发育阶段则相反，呈南低北高的趋势。

表1是对不同发育阶段平均温度特征的统计结果。由表可见，气候变暖背景下，全区发育阶段的温度均呈上升趋势，但不同发育阶段上升速率不同。其中播种-越冬的升温速率最低，仅为0.03℃·10a-1，抽穗-成熟期的升温速率为0.17℃·10a-1，越冬-返青期升温速率较大，为0.35℃·10a-1，返青-抽穗期升温速率最大，达0.61℃·10a-1。但上述升温速率通过显著性检验的站点并不多，播种-越冬期仅有5个站点的升温速率达显著性水平，增温最显著的返青-抽穗期也仅有22个站点达显著性水平（P＜0.05）。

表1 四个发育阶段平均温度及其随年份变化趋势的区域平均值

2.2 发育阶段日数的变化特征

表2是对不同发育阶段日数特征的统计，由表可见，不同发育阶段日数相差较大。越冬-返青期最长，达70.0d，播种-越冬期次之，抽穗-成熟期最短，仅41.1d。不同发育阶段日数多具有显著的区域分布特征(图略)。播种-越冬期日数呈由南向北递减的趋势，越冬-返青期日数趋势则相反，即由南向北递增，返青-抽穗期日数呈南北两端低中间高的趋势，抽穗-成熟期日数呈由南向北递增减的趋势。

由表2还可见，研究时段内，营养生长期日数均呈现随年份缩短的趋势。其中返青-抽穗期缩短较多，达2.98d·10a-1，但这种回归关系仅6个站点通过P＜0.05水平的显著性检验，仅占研究区域站点总数的9.23%。越冬-返青期缩短速率次之，而播种-越冬期日数变化不大。生殖生长期日数随年份有延长的趋势，延长速率达1.39d·10a-1，且有近半数的站点通过P＜0.05水平的显著性检验，其中14个站的显著性水平达到P＜0.001，表明生殖生长期日数随年份的增加而延长的趋势在全研究区域普遍存在。

表2 四个发育阶段日数及其随年份变化趋势的区域平均值

2.3 发育阶段日数对温度变化的相对敏感性

2.3.1 不同发育阶段敏感性的统计

由图2可见，不同发育阶段的日数对温度变化的相对敏感性各不相同，且同一发育期不同站点的敏感性也具有较大波动。除越冬期外，其它发育阶段日数均随温度的上升而缩短。其中，播种-越冬期相对敏感性的区域平均值为-0.040℃-1，即温度每升高1℃，日数缩短4%。返青-抽穗期是冬小麦营养生长的主要阶段，各站对温度均较为敏感，区域平均值为-0.074℃-1，即温度每升高1℃，日数缩短7.4%。抽穗-成熟期为冬小麦的生殖生长阶段，该阶段对温度较不敏感，温度每升高1℃，日数缩短4.2%。

总体上，返青-抽穗期对温度最敏感，其次是抽穗-成熟期。播种-越冬期对温度较不敏感。以往基于绝对速率的敏感性研究多表明营养生长期对温度的敏感性强于生殖生长期。如据报道，平均温度每升高1℃,华北平原冬小麦返青-开花期和开花-成熟期分别缩短3.8d和1.2d[15]。本文基于相对速率计算的二者的敏感性分别为-0.074℃-1和-0.042℃-1，虽然营养生长期的敏感性仍强于生殖生长期，但二者差距大为缩小。

注：分别代表最大值和最小值；分别代表第99和第1分位数；框图中的上、中、下三横分别为上四分位数、中位数和下四分位数；为平均值

Note:is the maximum and minimum value of relative sensitivity;is the 99th and 1st percentile; The upper, middle and lower horizontal line inare the upper quartile, median and lower quartile, respectively;is the average value

2.3.2 不同发育阶段敏感性的区域分布

图3表明，播种-越冬期日数对温度的相对敏感性在-0.113～0.029℃－1区间变化，平均-0.040℃－1。区域分布上，该生育阶段敏感性呈显著的中部区域高两端低的趋势（图3a）。平原中南部的日数对温度较敏感，普遍在-0.08℃－1以上。随着纬度的增加或降低，敏感性均呈逐渐降低的趋势。在平原南北两端，如北京密云和河南固始等地，随着温度的升高，播种-越冬期生育阶段日数基本不变或略有增加。华北平原约50%站点的敏感性通过显著性检验，表明这种敏感性具有一定的普遍性。

越冬-返青期日数对温度的相对敏感性在-0.08～0.09℃－1区间变化，平均为0.013℃－1。该生育阶段敏感性在河南波动较大（图3b），如河南西南部站点随温度的升高越冬-返青期日数呈明显减小趋势，但在河南东北部则相反，即随着温度的升高日数呈延长趋势。平原中偏南部多数站点敏感性为正值，表明随着温度升高，日数呈延长趋势，全区域的平均值也为正值，这可能是气候变化在不同季节的非均一性所致。仅有河南郑州、许昌和方城及山东济宁的敏感性通过显著性检验，表明这种敏感性的稳定程度很弱。

返青-抽穗期日数对温度的敏感性在-0.112～-0.035℃－1区间变化，平均值为-0.074℃－1。该生育阶段各区域敏感性在数值上均高于其余3个发育阶段（图3c），表明该发育阶段日数最易受温度的影响。敏感性在区域上没有显著的分布趋势。除潢川外，其它所有站点的敏感性均通过显著性检验，表明该阶段的温度敏感性非常稳定。返青-抽穗期是冬小麦主要的营养生长阶段，此阶段敏感性较强的区域，如河南方城和南阳一带，以及山东莒县、泰安和文登一带等，在气候变暖背景下，返青-抽穗期日数缩短较多，不利于干物质的积累，对后期产量的形成也造成了不利影响。而河北黄骅、河间和栾城等敏感性较弱的区域，在气候变暖背景下，返青-抽穗期日数缩短较少，因而比敏感性强的区域更有利于干物质的积累。

抽穗-成熟期日数对温度的敏感性在-0.114～0.014℃－1区间变化，平均值为-0.042℃－1，低于返青-抽穗期(-0.074)，表明在生殖生长阶段，温度对发育期的作用弱于营养生长阶段（图3d）。其中，约有80%站点的敏感性通过显著性检验，表明该生育阶段敏感性在区域上具有较强的稳定性。敏感性在区域分布上呈显著的南高北低的趋势，表明随着温度的上升，南部站点抽穗-成熟期日数缩短比北部多，尤其是河南西南部，达到-0.06℃－1以上，而北部站点约为-0.02℃－1。抽穗-成熟期是产量形成的关键时期，平原南部快速降低的抽穗-成熟期日数将可能不利于冬小麦的产量形成，而平原北部受影响的程度较弱。

3 结论与讨论

(1) 播种-越冬期、返青-抽穗期、抽穗-成熟期日数均随温度的上升而缩短，相对敏感性的区域平均值依次为-0.040℃-1、-0.074℃-1和-0.042℃-1。可见，华北平原冬小麦返青-抽穗期对温度最敏感，其次是抽穗-成熟，播种-越冬较为不敏感。虽然营养生长期的敏感性仍高于生殖生长期，但二者之间的差距较前人的研究已大为缩小[15-16]。

(2) 不同发育阶段日数对温度变化具有明显不同的敏感性，不同区域同一发育期的敏感性也各不相同。区域分布上，播种-越冬期的敏感性呈中间高两端低的趋势，且敏感性具有一定的普遍性；越冬-返青期的敏感性区域波动大，但无明显区域特征，敏感性的稳定程度也较弱；返青-抽穗期的敏感性无明显区域特征，敏感性的稳定性很高；抽穗-成熟期的敏感性呈显著的南高北低的趋势，在区域上具有较强的稳定性。多数发育阶段内的敏感性区域差异较大，呈负值和正值的站点均有，但是敏感性为正值的站点无一通过显著性检验。导致这种现象的原因还有待进一步研究。

近30a来，华北平原冬小麦各发育阶段内平均温度均呈明显上升趋势。不同站点同一发育阶段天数各不相同，同一站点不同发育期阶段日数也存在显著差异。因此，传统的表示发育阶段对日数敏感性的方法，不适于不同发育阶段之间的比较，也不适于不同站点之间的比较。本文提出相对敏感性的概念及计算方法，可供不同发育期和不同站点之间进行比较。

与基于绝对速率的敏感性相比[15-16]，本文提出的相对敏感性可较好地反映站点和区域尺度上冬小麦不同发育阶段日数对温度的敏感性，为分析敏感性的区域差异及随发育期的变化特征提供了有利工具，尤其适于历史气候变化及品种改进背景下温度对发育期影响的研究。除温度之外，土壤水分状况和耕作制度等对发育期也有重要影响，本研究仅考虑了温度这一主要因子，尚不能完整反映其它环境因子对发育期的影响，还需开展多因子对发育速率的综合影响研究，以使研究结果更具应用价值。

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Relative Sensitivity of Main Growth Durations to Temperature for Winter Wheat in North China Plain

GAO Jing1, Wu Ding-rong2,3, WANG Pei-juan2,3,CHEN Jing-hua1, YAN Feng4, ZHAO Yu-fei1, WANG Jia-qiang1

(1.National Meteorological Information Center，Beijing 100081,China; 2.Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081; 3.State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081; 4.Meteorological Bureau of Yixian, Hebei, Baoding 074200)

Under the condition of climate change, crop growth duration changed substantially. As a result, sensitivity of crop growth duration to temperature becomes an important part of the research of climate change impact on agriculture. Aiming to overcome shortcoming of the existing research about sensitivity, this paper put forward the concept of relative sensitivity and applied in North China Plain (NCP) to analyze the spatial-temporal characteristics of winter wheat. Using winter wheat phenology observation and daily-average temperature data from 65 agricultural meteorological observation stations in the NCP during 1980-2012, the changes of growth duration and average temperature during 4 major growth periods were calculated, including sowing to the start of overwintering (S-O), the start of overwintering to turning green (O-T), turning green to hearing (T-H) and heading to maturity (H-M). Based on the calculation, relative sensitivity of growth duration to temperature was calculated. Linear regression and GIS spatial interpolation were used to explain the results. Results showed that: (1) average temperature increased during all four growth period. Growth duration varied substantially spatially and temporally; (2) For the period S-O, sensitivity varied from -0.113 to 0.029℃-1, with an average of -0.040℃-1. Sensitivity is fairly stable during this period. Generally, middle plain is more sensitive than the north and south plain; (3) For the period O-T, sensitivity varied from -0.081 to 0.091℃-1, with an average of 0.013℃-1. Sensitivity is not stable for most stations and varied much among different stations; (4) For the period T-H, sensitivity varied from -0.112 to -0.035℃-1, with an average of -0.074℃-1. Value of sensitivity has no obvious regional distribution, but the stability of sensitivity is extremely high; (5) For the period H-M, sensitivity varied from -0.114 to 0.014℃-1, with an average of -0.042℃-1. The south plain is more sensitivity than the north. Stability of sensitivity is very high during this period. Temperature sensitivity is varied substantially among different developmental stages, and also varied significantly in different region. This study promotes understanding of regional crop response to climate change and varieties shift, and provides scientific basis for simulating phenology and hence yield response to future climate change.

Climate change; Growth duration; Relative sensitivity to temperature; Spatial pattern; Temporal pattern

10.3969/j.issn.1000-6362.2016.04.007

2016-01-04

通讯作者。E-mail：wudr@camscma.cn

国家气象信息中心青年科技基金（NMICQJ201603）；国家自然科学基金(41371410)

高静（1985-），女，硕士，工程师，从事气象数据分析服务工作。E-mail：duoduolaiba@163.com