中国北方麦区冬小麦物候期对气候变化的响应

侯学会，隋学艳，姚慧敏，梁守真，王 猛

(山东省农业可持续发展研究所 农业农村部华东都市农业重点实验室，山东济南 250100)

明确作物物候是作物长势监测和估产的重要前提之一。全球性或区域性的气候变化使我国农业气候资源、农业气象灾害、作物种植制度、生育时期及生产潜力等均受到一定影响[1-3]。冬小麦是我国第一大粮食作物，种植面积大，分布范围广，其关键生育时期对气候变化的响应得到众多学者的关注。高美玲等[4]在综合分析多篇文献的基础上发现，增温会导致亚热带季风区和温带大陆性气候区小麦全生育期持续时间缩短，但对温带季风区小麦生育期持续时间影响不大；成林等[5]基于站点数据分析也发现，受播种-返青期最低温度升高的影响，1981-2014年河南省冬小麦返青期主要呈现显著推迟趋势，而成熟期的提前趋势比较显著，且降水对河南省冬小麦关键生育时期变化也有一定负效应；而王鹤龄等[6]研究表明，在甘肃地区，冬小麦越冬-返青期的缩短与极端低温显著相关，而乳熟-成熟期的缩短与极端高温显著相关；杜莉等[7]对陕西、甘肃和新疆部分站点的小麦关键生育时期的分析结果显示，受局地小气候及干旱等气候条件影响，该地区冬小麦返青期大部分呈推迟趋势，而成熟期提前趋势在区域上比较一致；而崔耀平等[8]基于全国199个站点资料研究得出，在2000-2013年间我国冬小麦成熟期延后趋势比较明显。另外，水分对部分地区冬小麦物候变化的限制作用逐渐增大[9-11]。

我国地形复杂，东西、南北水热条件差异较大，且气候因素时间变化趋势存在明显的空间分异，如黄淮海平原地区热干化程度愈发严重[12-13]，而西北内陆区呈现由暖干向暖湿转变趋势[14-16]，且已有众多学者研究表明，自然植被物候对气候变化的响应在我国具有明显的地域性[17-19]，而已发表的小麦物候对气候变化响应的研究多是基于某几个站点/某些省市/某区域的数据开展，而对不同区域上小麦物候时空变化及主要驱动因子的区域差异的对比研究尚少。因此，本研究拟基于1992-2013年农业物候观测站点数据和气象观测站点数据，将我国北方冬小麦主要种植区分为三大区域，即黄淮海平原麦区、黄土高原麦区和西北内陆麦区，在分析不同区域冬小麦关键生育时期时间变化趋势的基础上，探讨不同区域冬小麦关键生育时期与水热气候条件的相关关系，以期明确冬小麦关键生育时期变化及主导气象要素的区域差异，为中国农业区域性研究提供参考。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源与预处理

冬小麦关键生育时期观测资料和地面气象观测资料来自中国气象科学数据共享网(http://www.cma.gov.cn/)，其中小麦关键生育时期资料包括逐年返青期和成熟期，地面气象观测资料包括月日照时数(h)、月平均最低温度(℃)、月平均最高温度(℃)、月均温(℃)、月累积降水量(mm)和根据最低、最高气温差值得到的月温差(℃)。

由于20 世纪 80 年代以后气象站的气候观测和作物生育时期记录受到的干扰较小，并且根据天气变化和作物生长状况对作物进行了较好管理，如灌溉、施肥和防治病虫害等，因此直接用这些作物资料进行与气候因素间的统计分析是可靠的[20]。本研究所使用的站点数据时间范围主要为1992-2013年，但部分站点由于物候观测数据或者气象数据的缺失，仅有部分年份资料。为保证结果可信度，本研究仅选用有效数据大于10年以上的站点资料进行分析，且综合冬小麦物候观测站点与气象资料观测站点的一致性及站点地理分布，选取了新疆(14个)、甘肃(5个)、山西(4个)、陕西(4个)、江苏(3个)、安徽(3个)、河南(8个)、山东(10个)、河北(5个)和北京(1个)共10个省市57个站点的冬小麦物候观测资料和气象资料，并将57个站点划分为西北、黄土高原和黄淮海平原三个大区，其中西北区包括新疆14个站点，黄土高原区包括甘肃、山西、陕西的13个站点，黄淮海平原区包括江苏、安徽、河南、山东、河北和北京6个省市的30个站点。站点分布及区域划分见图1。站点物候资料以年/月/日形式记录，利用Excel中的“days360”函数将其转换为儒略日。

图1 冬小麦主要区域划分及观测站点位置Fig.1 Study area and location of the stations

1.2 研究方法

采用线性逐步回归方法研究气候变化背景下三大区域冬小麦关键生育时期在1992-2013年的时间变化趋势，并计算其显著性水平。小麦关键生育时期与各气象因子之间的相关关系则采用双因子相关分析，并以其相关系数评价关键生育时期与各气象因子相关性的显著程度。

2 结果与分析

2.1 不同冬麦区小麦生育时期时空变化

根据站点数据，1992-2013年间，黄淮海平原冬麦区小麦(N=406)返青期平均日期为2月24日，成熟期为6月3日；黄土高原区(N=184)冬小麦平均返青期为3月1日，成熟期为6月17日；在西北内陆区(N=210)，小麦平均返青期为3月2日，而成熟期为6月16日。1992-2013年间，三大冬麦种植区各站点冬小麦返青期和成熟期时间变化趋势如图2所示。

从总体上看，中国三大冬小麦种植区返青期大部分呈延后趋势，而成熟期主要呈提前趋势，但大部分站点变化趋势并不显著。具体来看，黄淮海平原麦区30个站点中仅南阳站小麦返青期呈提前趋势，其余站点冬小麦返青期均呈延后趋势，且随着经度增加，即从西向东，延后幅度逐渐增大，但仅有德州、惠民和许昌3个站点小麦返青期延后趋势达到极显著水平(P<0.01)，淄博、泰安、亳州、宿县、固始4个站点小麦返青期延后趋势显著(P<0.05)；而成熟期仅在潍坊和盱眙两个站点呈显著提前趋势，而德州却呈现显著延后。在黄土高原冬麦区，除延安、洛川、西峰顶和平凉4个站点外，其余9个站点小麦返青期呈延后趋势，且榆中、临汾两个站点小麦返青期延后趋势显著，但延安站小麦返青期的提前趋势显著；冬小麦成熟期仅在长治、武功、天水北道区、平凉及环县5个站点有延后趋势，但变化趋势并不明显，而介休、延安、凤翔和榆中4个站点的小麦成熟期有显著提前趋势，特别是延安站的提前趋势达到极显著水平。在西北冬麦区，仅有塔城站小麦返青期有不明显的提前趋势，其余14个站点小麦返青期呈延后趋势，特别是喀什、巴楚、和田和且末4个南疆站点的延后趋势达到显著水平；对成熟期来讲，西北区仅在南疆的喀什、莎车、于田和巴楚4个站点呈显著提前趋势，其余10个站点冬小麦成熟期没有明显变化。

◇表示变化趋势在0.01水平上显著；□表示变化趋势在0.05水平上显著。a和b为黄淮海平原冬麦区小麦关键生育时期时间变化；c和d为黄土高原区冬麦区关键生育时期时间变化；e和f为西北麦区关键生育时期时间变化。S1:南阳(112.58);S2:郑州(113.65);S3:许昌(113.87);S4:新乡(113.88);S5:驻马店(114.02);S6:信阳(114.05);S7:南宫(115.38);S8:荷泽(115.43);S9:固始(115.62);S10:尚丘(115.67);S11:阜阳(115.73);S12:亳州(115.77);S13:德州(116.32);S14:廊坊(116.38);S15:密云(116.87);S16:宿县(116.98);S17:泰安(117.15);S18:黄骅(117.35);S19:惠民县(117.53);S20:遵化(117.95);S21:淄博(118.00);S22:唐山(118.15);S23:临沂(118.35);S24:盱眙(118.52);S25:莒县(118.83);S26:淮安(119.02);S27:赣榆(119.12);S28:潍坊(119.18);S29:莱阳(120.73);S30:福山(121.25);S31:榆中(104.15);S32:天水北道区(105.87);S33:平凉(106.67);S34:环县(107.30);S35:凤翔(107.38);S36:西峰镇(107.63);S37:武功(108.22);S38:延安(109.50);S39:洛川(109.50);S40:运城(111.05);S41:临汾(111.50);S42:介休(111.92);S43:长治(113.07);S44:喀什(75.98);S45:莎车(77.27);S46:巴楚(78.57);S47:和田(79.93);S48:阿克苏(80.23);S49:伊宁(81.33);S50:于田(81.65);S51:拜城(81.90);S52:库车(82.97);S53:塔城(83.00);S54:轮台(84.25);S55:乌苏(84.67);S56:且末(85.55);S57:若羌(88.17)。站点名后的括号内数值为经度。

◇ means the trends is significant at 0.01 level; □ means the trends is significant at 0.05 level.a and b are the change patterns of turning-green and maturity of winter wheat in Huang-Huai-Hai Plain;c and d are the change patterns of turning-green and maturity of winter wheat in Loess Plateau;e and f are the change patterns of turning-green and maturity of winter wheat in the northwest of China.S1: Nanyang(112.58); S2: Zhengzhou(113.65); S3: Xuchang(113.87); S4: Xinxiang(113.88); S5: Zhunadian(114.02); S6: Xinyang(114.05); S7: Nangoong(115.38); S8: Heze(115.43); S9: Gushi(115.62); S10: Shangqiu(115.67); S11: Fuyang(115.73); S12: Bozhou(115.77); S13: Dezhou(116.32); S14: Langfang(116.38); S15: Miyun(116.87); S16: Suxian(116.98); S17: Taian(117.15); S18: Huanghua(117.35); S19: Huimin(117.53); S20: Zunhua(117.95); S21: Zibo(118.00); S22: Tanshan(118.15); S23: Linyi(118.35); S24: Xuyi(118.52); S25: Juxian(118.83); S26: Huaian(119.02); S27: Ganyu(119.12); S28: Weifang(119.18); S29: Laiyang(120.73); S30: Fushan(121.25); S31: Yuzhong(104.15); S32: Tianshuibeidaoqu(105.87); S33: Pingliang(106.67); S34: Huanxian(107.30); S35: Fengxiang(107.38); S36: Xifengzhen(107.63); S37: Wugong(108.22); S38: Yanan(109.50); S39: Luochuan(109.50); S40: Yuncheng(111.05); S41: Linfen(111.50); S42: Jiexiu(111.92); S43: Changzhi(113.07); S44: Kashi(75.98); S45: Shache(77.27); S46: Bachu(78.57); S47: Hetian(79.93); S48: A'kesu(80.23); S49: Yining(81.33); S50: Yutian(81.65); S51: Baicheng(81.90); S52: Kuche(82.97); S53: Tacheng(83.00); S54: Luntai(84.25); S55: Wusu(84.67); S56: Qiemo(85.55); S57: Ruoqiang(88.17). The values in parentheses after the station names are longitudes.

图2不同区域冬小麦关键生育时期时间变化空间格局

Fig.2Spatio-temperolpatternsofturning-greenandmaturityperiodsofwinterwheatindifferentregions

2.2 不同冬麦区小麦关键生育时期对气候因子的响应

为明确不同区域冬小麦关键生育时期的主要影响气象要素，基于站点冬小麦物候资料和气象资料，分析了冬小麦返青期与1-3月气象要素、成熟期与1-5月气象要素的相关性。结果(表1)表明，在黄淮海平原麦区，小麦返青期与1-3月各气象要素(2月降水量除外)的相关性均极显著，其中日照时长和月温差与小麦返青期呈正相关，而月降水、月均温、月最高温度和月最低温度与黄淮海平原小麦返青期呈负相关；除2月和5月份降水外，黄淮海平原冬小麦成熟期与月日照时长、月最低温度、月最高温度、月均温、月温差及1月、3-4月降水间均存在极显著相关性，且与返青期表现一致，日照时长和月温差与成熟期呈正相关，而月最低温度、月最高温度和月均温及降水与成熟期呈负相关。总体上看，在黄淮海平原区，对返青期的影响较显著的前2个气象要素为2月均温和最低温度，3月和4月最低温度对成熟期的影响最为显著。在黄土高原区，各气象要素与冬小麦物候期的相关性与黄淮海平原类似，月日照时长与返青期和成熟期均呈显著正相关，而月最低气温、月最高气温、月均温与返青期和成熟期显著负相关，月温差对冬小麦关键生育时期也有一定的正效应，但影响不如黄淮海平原明显，仅1-2月的月温差对返青期有显著正效应，1月的月温差对成熟期的正效应达到极显著水平；另外，返青期与1月和3月的降水量均呈极显著负相关，而成熟期仅与2月降水量的负相关比较显著；对比所有气象要素，2月均温和3月最低温度对黄土高原区冬小麦返青期的影响较显著，而5月最低温度对黄土高原冬小麦成熟期的影响最为显著。分析西北麦区数据，月最低气温、月最高气温和月均温对冬小麦关键生育时期的影响与黄淮海平原及黄土高原区比较一致，均呈极显著负相关，但日照时长和月温差与冬小麦关键生育时期的相互关系比较复杂，且与黄淮海平原和黄土高原区存在较大差异，1-2月日照时长对返青期和成熟期的负效应比较显著，但3月日照时长与返青期及4-5月日照时长与成熟期均呈极显著正相关，而月温差与返青期和成熟期主要呈负相关，这与黄淮海平原和黄土高原区相反，尤其是3-4月温差与返青期和成熟期呈极显著负相关，而且与降水量对黄淮海平原和黄土高原区冬小麦关键生育时期有极显著负效应不同，1-3月降水对西北地区冬小麦返青期和1-5月份降水对该地区冬小麦成熟期的正效应均达到极显著水平。总体对比看，3月最低温度对西北麦区返青期的影响最显著，而成熟期主要受3-4月均温影响。

表1 不同区域冬小麦关键生育时期与不同时段气象因子的相关系数Table 1 Correlations of phenology of winter wheat and climate factors in different regions

**:P<0.01; *:P<0.05.

综合以上分析，黄淮海平原和黄土高原区冬小麦返青期主要受月均温的影响，而西北内陆小麦返青期主要受月最低温度影响，月最低温度的变化是影响黄淮海平原小麦成熟期的主要因素，西北区冬小麦成熟期则主要受月均温变化的影响，但在黄土高原区月均温对冬小麦成熟期稍强于月最低温度。

3 讨 论

全球气候变化导致我国农业气候资源发生显著变化。为对比气候对冬小麦物候期影响的区域差异，本研究基于1992-2013年57个农气站点资料，分析黄淮海平原、黄土高原和西北内陆区冬小麦关键生育时期变化和主要气象影响因子，结果发现，与余卫军等[21]基于省份范围的资料研究结果较为一致，在黄淮海平原和黄土高原区，冬小麦返青期延后，但趋势不显著，成熟期提前，且变化趋势比较显著。姬兴杰等[22]基于黄淮海平原16个农气站点和2个黄土高原站点资料分析也发现，16个黄淮海平原站点和2个黄土高原站点冬小麦返青期整体上呈现延后但变化不显著的趋势，而成熟期则以0. 27 d·年-1的趋势显著提前；但崔耀平等[8]的研究却指出，2000-2013年间我国冬小麦成熟期主要表现出延后趋势。这可能主要是因为崔耀平等[8]的研究关注的是全国，即加入了南方和青藏高原区冬小麦站点资料，而本研究与姬兴杰等[22]主要针对我国北方冬麦区开展研究。另外，肖登攀等[23]也发现，1981-2009年间新疆冬小麦成熟期有显著提前趋势，这与本研究结果比较一致，但肖登攀等[24-25]对该时间段华北地区农气站点冬小麦返青期和成熟期时间变化进行分析，得出1981-2009年间华北区冬小麦返青期和成熟期的提前趋势均相对比较明显，这与本研究得出的1992-2013年间黄淮海平原区冬小麦返青期以延后趋势为主的结论不一致，可能主要是因为研究时间范围不一致导致的。

基于双因子相关分析，温度是影响不同区域冬小麦关键生育时期变化的主要原因，且除月温差外，温度变化对冬小麦关键生育时期的负效应比较显著，这与车少静等[26-30]基于省级数据研究结果比较一致。但受地理位置、气象要素及小麦关键生育时期时间不同，不同地区影响小麦关键生育时期的主要温度因子存在差异，在黄淮海平原区，月平均温度和月最低温度分别是影响冬小麦返青期和成熟期的主要气象要素，但Wang等[31]对单个站点农气资料进行分析，却认为月最低温度的变化是导致华北地区冬小麦关键生育时期变化的主要气象要素，这可能主要是因为研究时间范围及分析数据范围不一致造成的。在黄土高原区，本研究发现，月平均温度是影响该地区冬小麦关键生育时期的主要气象要素，这一结论与He等[32]基于1981-2009年黄土高原农气站点数据的结论比较一致。而在西北内陆区，返青期与月最低温度的负相关性最为显著，而成熟期则主要受月平均温度变化的影响。而Wang等[33]利用敦煌和西峰两个农气站点资料进行分析，得出在1981-2004年间月最低温度的升高对冬小麦返青期有正效应，这与本研究基于区域站点数据进行分析的结果较为一致。

另外，需要注意的是，月降水对黄淮海平原/黄土高原冬小麦物候期和西北内陆冬小麦物候期的影响相反，月降水与黄淮海平原和黄土高原区冬小麦生长呈负相关，这主要是因为水分是影响作物生长的另一重要因子，对小麦生长均不利，虽然近几十年黄淮海平原和黄土高原区部分区域降水量有增加趋势[34]，但总体上减少趋势比较显著[35-36]，对该地区作物生长不利[37]，返青期干旱会导致小麦发育迟缓，物候延后，而成熟期干旱导致小麦过早成熟，物候提前，这也进一步验证了本研究的结果。但降水变化对西北地区冬小麦关键生育时期的正效应比较显著，这主要是因为西北内陆区冬小麦不同生育时期都存在水分匮缺[38]，小麦旱灾风险较高[39]。因此，降水的增加对该地区小麦生长具有显著正效应。

作物物候受气候和品种的共同驱动，且田间管理方式也有一定的影响[32]，如何剥离品种和田间管理方式导致的作物物候变化，分析长时间序列气候变化下对物候的单一影响，是以后工作需要考虑的问题。另外，本研究使用的仅是1992-2013年的很少一部分农气站点资料，尤其是黄土高原北部没有有效站点，资料时间连续性及数据量都对本研究的结果有一定影响，有待于通过增加站点数及时间序列弥补数据代表性的不足。