巴楚县冬小麦生育期气温变化及其对小麦产量的影响

郝宏飞，辜永强，郝宏蕾

（1.巴楚县气象局，新疆喀什 843800；2.喀什地区气象局，新疆喀什 843000）

巴楚县冬小麦生育期气温变化及其对小麦产量的影响

郝宏飞1，辜永强1，郝宏蕾2

（1.巴楚县气象局，新疆喀什 843800；2.喀什地区气象局，新疆喀什 843000）

利用新疆巴楚气象站1984—2013年逐日气象资料，运用线性回归、趋势系数、异常度、Mann-Kendall突变检验等方法，分析了巴楚县多时间尺度气温的变化特征对冬小麦生长发育和产量的影响。结果表明：近30 a巴楚县冬季、春季平均气温均呈上升趋势，其中春季平均气温上升趋势显著，并于1998年发生了增暖性突变；寒冷日和酷冷日数均呈减少趋势，其中寒冷日数在1996年发生了减少性突变；稳定通过0℃界限温度的初日表现为提前、终日表现为推迟，持续日数则相应表现为增加趋势；日最高气温≥30℃日数呈增加趋势；冬小麦生长季内前期气温偏低，后期气温偏高是影响小麦产量的主要气候因子，其中抽穗、开花期的平均气温与小麦产量显著相关。

气温变化；突变；冬小麦；产量；巴楚

巴楚县位于新疆维吾尔自治区西南部，地处天山南麓、塔里木盆地西北边缘（77°22′～79°56′E，38° 47′～40°17′N），总面积2.17×104km2。土地、光照、热量等农业资源丰富，加之县境内叶尔羌河冰川积雪融水提供了较稳定的灌溉水资源，发展农业条件较好。冬小麦是巴楚县主要粮食作物，2013年全县冬小麦播种面积1.67×104hm2，总产1.03×108kg，分别占全县粮食种植面积的55.6%和总产的51.8%。由于全球增暖[1-2]，过去的几十年新疆气候也发生了较大的变化，表现为气温升高、降水量增多，气候由暖干向暖湿转型[3-7]。气候变暖将对各地农作物种植布局、生长发育、产量和品质产生重要影响[8-9]。研究表明，气候变暖对冬小麦生产影响较显著，主要表现为越冬期日数明显减少，返青期与成熟期提前，全生育期缩短[10]。同时小麦遭受高温、干旱等气象灾害的几率增加，对小麦生产将造成不利影响[11]。但有关气候变暖背景下，巴楚县气温变化及其对冬小麦生产影响的研究目前还未见报道，因此，分析近几十年巴楚县的气温变化及其对冬小麦产量的影响，对指导巴楚县冬小麦种植布局、品种优选及产量的提高等具有重要的意义。

1 资料来源及分析方法

1.1 资料来源

利用巴楚国家基本气象站1984—2013年逐日气象资料、冬小麦观测报表资料；冬小麦产量资料来源于巴楚县统计局；4个季节划分分别为：春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季为上一年的12月至当年2月。由于冬小麦是跨年度越冬作物，将冬小麦收获年度作为冬小麦生育年度，即上一年秋播种起至当年收获止（上年10月上旬—当年6月中旬）。小麦品种1984—1998年为唐山6898，1999—2013年为新冬20，均引自河北，弱冬性，早熟类型，生物学特性相似，产量相差不大[12]。

1.2 研究方法

1.2.1长期变化的定量指标

为了了解气候要素的长期变化趋势，本文借鉴前人的研究方法[13]，计算气候要素的时间序列与自然数列之间的相关系数，称为趋势系数。这种方法计算的趋势系数，是无量纲，数值在±1之间，是标准化的一元线性回归系数，它消去了气候要素的均方差及单位对线性回归系数数值大小的影响[14]，从而能更好地了解气候要素长期变化趋势，再用气候倾向率方法得出气候要素的变化速率，用这两种方法了解气候要素总的变化趋势。为了进一步知道气候要素历年变化情况，本文选取了异常度分析法[15]分析各气候要素的变化发生时间及显著程度。

1.2.2冬小麦气候产量的提取方法

在忽略随机因素影响的前提下，冬小麦产量可看作是由生产力水平（栽培技术、品种改良、水肥条件改善）等人为因素影响的趋势产量和气候条件的年际间差异影响的气候产量而组成，即，实际产量=趋势产量+气候产量，在冬小麦产量与各要素的相关分析中需剔除非气候影响因子影响的产量波动，本文采用3 a滑动平均方法，求算趋势产量，从实际产量中减去趋势产量即为气候产量，并据此研究气候变化对冬小麦产量的影响。

2 结果与分析

2.1 近30 a温度条件变化

2.1.1 冬小麦生长季冬季、春季平均气温

由图1可知，巴楚县1984—2013年冬季平均气温呈不显著上升趋势（p=0.802 2），上升速率为0.063℃/10 a；而春季平均气温却以0.722℃/10 a（P=0.000 2）的速率呈显著上升趋势，30 a来已升高了2.2℃，春季气候变暖明显。

异常度（ω）采用全国气候影响评价标准（表1），表示巴楚县冬、春季近30 a平均气温变化发生时间及显著程度。由图2可知，分析期内，有2 a冬季气温异常偏低，分别为1984、2008年；有1 a显著偏低，为2012年；偏低的有2 a，分别为1995、2006年，其余年份均为正常。显著偏高年份也只有1 a，为2004年；偏高的有3 a，分别为1999、2007、2009年；异常偏低和显著偏高的年份均出现在21世纪近10 a内，说明目前巴楚县冬季气温处在冷暖交替的剧烈震荡期。春季气温以1997年为分界点，1997年之前ω全部为负值，异常偏低、显著偏低、偏低各只有1 a，分别为1996、1986、1988年；从1997年开始春季气温明显升高，ω大多为正值，偏高的有6 a，分别为1997、2004、2007—2009及2013年，其中2007—2008连续2 a为显著偏高，除了1997年为20世纪末外，其它偏高年份均出现在21世纪，说明21世纪以来巴楚县正处于暖春期。

表1 全国气候影响评价标准[16]

对巴楚县冬、春季近30 a平均气温异常度序列进行M-K突变检验，冬季气温异常度未发生突变。而春季序列自20世纪90年代中期有一明显的增暖趋势，至21世纪初，这种增暖趋势超过显著性水平0.05（U0.05=1.96）临界线，从2005开始至今均超过0.001（U0.001=2.56）显著性水平。说明巴楚县春季气温增暖趋势是十分显著的，根据曲线交点位置，确定巴楚县春季平均气温在1998年发生了增暖性突变，气温从前期较冷的状态跃变成逐年升温的暖春状态。

图1 1984—2013年巴楚县冬季、春季平均气温变化

图2 1984—2013年巴楚县冬季/春季逐年平均气温异常度

2.1.2 旬平均气温

由图3可知，冬小麦生育期内各旬气候趋势系数具有明显差异，苗期即播种至冬前（10月上旬—11月下旬），为正的上升趋势，其中11月上旬的气候趋势系数显著（r=0.49，P=0.005 6），秋季气温升高，有利于培育冬前壮苗。越冬阶段（12月—2月中旬）除12月上、中旬及1月中旬为正的上升趋势外，其它各旬均为负的下降趋势，冬季气温下降对小麦安全越冬不利，个别年份小麦会遭受冻害,如2008年冬季平均气温为-6.6℃，为近30 a最低，当年巴楚县冬小麦普遍发生冻害，冻害率高达13%；春季小麦返青后至成熟（2月下旬—6月中旬）均为正的上升趋势，其中2月下旬及3月上、中旬的气候趋势系数显著（r2下=0.55，P2下=0.001 5；r3上=0.43，P3上= 0.016 3；r3中=0.47，P3中=0.009 5），此时正值小麦返青起身期，返青期持续时间长，春季分蘖数就多，分孽成穗率也高，反之则少。近30 a巴楚县小麦返青—拔节始期为45 d，小麦返青期较短，因此气温升高对春季分孽成穗将产生一定影响。

图3 1984—2013年巴楚县冬小麦生育期各旬气温趋势系数变化

2.1.3 寒冷日和酷冷日数

日最低气温≤0℃称为一个寒冷日，最低气温≤-10℃称为一个酷冷日[17]。1984—2013年巴楚县冬小麦生长季内寒冷日和酷冷日数分别以5.326 d/10 a（y=-0.532 6x+132.99，R2=0.297 6，P=0.001 8）、2.587 d/10 a（y=-0.258 7x+44.444，R2=0.047 3，P= 0.248 3）的倾向率均呈减少趋势，30 a来分别减少了16.0 d、7.8 d。对巴楚县寒冷日和酷冷日数进行M-K趋势性突变检验，发现酷冷日未发生突变，而寒冷日在1996年发生了减少性突变，由1984—1995年的平均131 d跃降至1996—2013年平均120 d，平均减少了11 d，从2004年开始至今均超过0.001（U0.001=2.56）显著性水平，说明巴楚县冬季寒冷日减少趋势显著。越冬期极端天气减少，对冬小麦安全越冬有利。

2.1.4 稳定通过0℃界限温度的初、终日变化

1984—2013年巴楚县日平均气温稳定通过0℃界限温度的初日以4.703 d/10 a（y=-0.470 3x+ 57.356，R2=0.226，P=0.007 8）的倾向率呈显著提前趋势，30 a来已提前了14.1 d，开春期明显提前；而日平均气温稳定通过0℃终日却以1.74 d/10 a（y= 0.174x+327.77，R2=0.060 9，P=0.188 4）的倾向率呈推后趋势，30 a来已推后了5.2 d。受初、终日变化的综合影响，日平均气温≥0℃的持续日数以5.115 d/ 10 a（y=0.511 5x+271.77，R2=0.173 5，P=0.021 8）的倾向率呈显著增加趋势，30 a来已增加了15.3 d。

2.1.5 冬小麦生长季日最高气温≥30℃日数变化

小麦生长季内日最高气温≥30℃的高温将对小麦生长发育产生危害，造成减产[8]。1984—2013年巴楚县冬小麦生长季日最高气温≥30℃日数的多年平均为32 d，但年际间差异较大，最大值出现在2007年（51 d），最小值出现在1996年（19 d），近30 a巴楚县冬小麦生长季日最高气温≥30℃日数总体以0.892/10 a（y=0.089 2x+30.717，R2=0.007 9，P= 0.640 1）的倾向率呈不显著增加趋势，30 a来只增加了2.7 d。

2.2 近30 a冬小麦产量变化

由图4可知，1984—2013年巴楚县冬小麦实际产量和趋势产量总体呈极显著增加（P=0.000 1）趋势。20世纪80年代冬小麦单产只有2 512.0 kg/hm2左右，至21世纪已高达6 481.0 kg/hm2，说明冬小麦生产技术进步很快，近30 a来冬小麦产量大幅度的提高主要是由于生产力水平、栽培技术、品种改良等技术手段提高的影响。但气候条件的年际波动对冬小麦产量的影响也不能忽视。由图5可以看出，其气候产量年际波动十分明显，波动在-519.0～566.3 kg/hm2，尤其是20世纪90年代气候产量年际间波动剧烈，峰值和谷值均出现在此时段内，说明此时期气象条件变化大，进而影响到产量的波动，至21世纪年际间波动有所缓和，这说明，2000年以来气候变化对产量影响不大。

2.3 冬小麦产量与各热量要素的相关分析

2.3.1 冬小麦生长季旬平均气温与气候产量的相关关系

将巴楚县冬小麦生长季（10月上旬—6月中旬）旬（月）平均气温当作自变量与冬小麦气候产量进行相关统计，结果见图6。可以看出，1984—2013年巴楚县冬小麦生长季内，苗期即播种至冬前（10月上旬—12月上旬），均呈正相关。苗期是决定亩穗数的关键时期，此阶段的温度条件对产量有很大影响，气温高有利于冬前麦苗稳健生长，促进分蘖，形成壮苗。最适宜的温度指标为10～16℃，低于2℃分蘖基本停止，巴楚县11月平均气温为3.5～7.4℃左右，温度条件严重不足，分蘖缓慢，难以在冬前形成壮苗；进入越冬期后（12月中旬—2月上旬），各旬（月）平均气温与气候产量相关系数均呈弱的正相关，说明巴楚县冬季气温条件有利于冬小麦安全越冬。巴楚县冬小麦越冬期有85 d左右，能否安全越冬与抗寒锻炼阶段长短和越冬期间低温状况有关。抗寒锻炼第一阶段为气温降至5～0℃时，约需14～18 d；气温降至0～-5℃则进入第二阶段抗寒锻炼，约需12～16 d。巴楚县约有90%以上年份这两个阶段共有20 d以上，能满足冬小麦抗寒锻炼阶段需要（表2）。巴楚县平均极端最低气温为-17.1℃，最冷代表月1月平均最低气温为-11.6℃，可见温度并不太低，一般年份半冬性品种均能安全越冬；2月中旬—4月下旬的返青、起身、拔节、孕穗期旬（月）平均气温与气候产量全部相关不显著，且绝对值较小。说明该阶段的温度条件与当地小麦生育要求相适宜，基本能满足小麦生长发育及形成一定产量水平的要求，可增加有效分蘖，促进幼穗分化，穗子增长，小穗数增加，有利于增产；5月上旬—6月中旬旬（月）平均气温与气候产量均呈负相关，其中5月平均气温与气候产量呈显著负相关（r=-0.40，P=0.033 4），5月为小麦抽穗开花期，对温度条件要求比较严格，要求适宜温度为16～21℃，30℃以上高温天气对小麦开花、授粉危害严重，巴楚县5月平均气温均高于20℃，各旬日最高气温≥30℃的时间为4 d左右，对小麦抽穗、开花及授粉有不利影响，结实率降低。6月上、中旬小麦渐次进入灌浆成熟期，要求适宜温度为20～25℃，巴楚县此时段平均气温为20～27℃左右，较适宜温度偏高，各旬日最高气温≥30℃的时间为8 d左右，不利于干物质的积累，千粒重下降。

图4 1984—2013年巴楚县冬小麦实产、趋势产量变化

图5 1984—2013年巴楚县冬小麦气候产量变化

图6 气候产量与气温相关系数

表2 冬小麦抗寒锻炼阶段天数及频率

2.3.2 各热量要素与气候产量的相关关系

由表3可以看出，巴楚县冬小麦气候产量与抽穗期、开花期平均气温相关显著，相关系数均通过了α=0.01的显著性检验。这和上面的分析结果是一致的，这也进一步说明，巴楚县冬小麦生长季内前期气温偏低，后期气温偏高是影响小麦高产稳产的主要气候因子。

2.4 近30 a气温变化对冬小麦生产的影响

表3 巴楚县冬小麦气候产量与各热量要素相关关系

近30 a巴楚县冬小麦苗期气温升高，开春期提前，寒冷日和酷冷日数减少，稳定通过0℃界限温度的初日提前、终日推后，这些热量条件的增加对冬小麦生育前、中期（播种—孕穗）生长是极为有利的，对照图3和图6可以看出，小麦冬前的温度变化与温度和冬小麦产量相关关系具有较好的适应性，即气温和气候产量的相关关系为正相关时段气温恰好也呈上升趋势，对小麦的生长发育较为有利。越冬阶段虽然除12月上、中旬及1月中旬为正的上升趋势外，其它各旬均为负的下降趋势，从理论上来说，这对冬小麦的越冬似乎不利，但越冬期寒冷日和酷冷日数呈现逐年减少趋势，冬小麦受冻害的机率大大减少，对安全越冬有利；冬小麦生育后期（抽穗—成熟）的温度变化与温度和冬小麦产量相关关系不适应，呈完全反相变化，具体表现为，5月上旬—6月中旬，温度和冬小麦产量相关关系均为负相关，但近30 a，此时期的旬温度却是升高的，并且生长季日最高气温≥30℃日数也呈增加趋势，这对冬小麦生产是极为不利的，将导致冬小麦结实率降低、千粒重下降，发生干热风的频次和强度增加，对产量造成不利影响。

3 结论

（1）1984—2013年，巴楚县冬季、春季平均气温均呈上升趋势，其中春季平均气温上升趋势显著，并于1998年发生了增暖性突变；平均气温稳定通过0℃初日表现为提前，终日表现为推迟，持续日数则相应表现为增加，这与郑红莲等[18]及刘进新等[19]针对南疆地区的研究结果一致；寒冷日和酷冷日数均呈现减少趋势，其中寒冷日数在1996年发生了减少性突变；冬小麦生长季日最高气温≥30℃日数呈不显著增加趋势。

（2）在整个冬小麦生长季中，温度与冬小麦产量相关关系呈显著正相关的为11月平均气温；呈显著负相关的为5月、春季平均气温及日最高气温≥30℃日数，说明冬小麦生长季内前期气温偏低，后期气温偏高是影响小麦高产稳产的主要气候因子，其中抽穗、开花期的平均气温和生长季内日最高气温≥30℃日数的时间对小麦产量影响较大。胡洵瑀等[20]的研究也认为小麦抽穗开花期温度升高有利于小花的分化，但温度过高会使营养生长过于旺盛，不利于穗粒数的形成。近30 a巴楚县冬小麦生育前、中期（播种—孕穗）旬（月）温度变化对冬小麦生长有利，生育后期（抽穗—成熟）的温度变化与冬小麦生长发育和产量形成的需求并不适应，呈完全反相变化，这对冬小麦产量造成不利影响。

（3）由于日平均气温稳定通过0℃终日推迟，秋季气温升高，因此，当地应积极适应气候变化，充分利用冬前热量，适时早播，使麦苗稳健生长，促进早分蘖，依靠以主茎和分蘖成穗为主的途径夺取高产。适期早播不仅可以保证穗数，而且有利于灌浆和产量形成，使灌浆期处于较有利的温度条件下，增加干物质积累。

本研究主要从对小麦生育期和产量影响最显著的气温方面进行分析，对于小麦自身生物学特性及综合因子等方面的交互影响有待于今后做进一步的研究。

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Effects of Temperature Changes during the Growing Season forWinterWheat on Yield in Bachu County

HAO Hongfei1，GU Yongqiang1，HAO Honglei2
（1.Meteological Bureau of Bachu County，Kashi843800，China；2.Meteological Bureau of Kashi Area，Kashi843000，China）

The effects of the change characteristics of temperature formulti-time scales in Bachu county on growth,development and yield of winter wheat were analyzed by using the linear regression,trend coefficient,anomalous degree and Mann-Kendall testwith the dailymeteorological data from 1984 to 2013.The results showed that the mean temperatures in winter and spring had increasing trends during the past 30 years.The mean temperature in spring had a significant increasing trend,and the abrupt warming change was in 1998.Both the cold days and wintry days showed decreasing trends.And the abrupt change of cold days occurred in 1996.The first and the last day on which the 0℃lasted through stably had an advance and a delay trend,respectively. The duration between the first and the last day increased.The days of daily maximum temperature≥30℃significantly increased.During the growing season ofwinter wheat,the lower temperature in the earlier stage and the higher temperature in the later stage were themajor climatic factors that affected the yield ofwinter wheat.The average temperatures during the head sprouting and anthesis periods had significant correlationswith the yield ofwinterwheat.

temperature change；abrupt change；winter wheat；yield;Bachu county

S161.2

B

1002-0799（2016）05-0052-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.05.008

2015-10-06；

2016-03-16

科技部、财政部公益性行业科研专项“农田水分利用效率对气候变化的响应与适应技术”（GYHY201106029-09）；国家重大科学研究计划“973”项目（2012CB956204-2）资助。

郝宏飞（1978-），女，工程师，研究方向为农业气象。E-mail：448766726@qq.com

郝宏飞，辜永强，郝宏蕾.巴楚县冬小麦生育期气温变化及其对小麦产量的影响[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（5）：52-57.