气候变暖对陕西中北部冬小麦返青前热量资源的影响

李红梅，权文婷，张树誉

（1陕西省农业遥感与经济作物气象服务中心，西安 710016；2陕西省气象局，西安 710014）

0 引言

农业气候资源伴随着全球气候变暖而变化[1]，气候因素又是影响作物生长的最主要、最活跃的因子[2]，任何的气候变化和波动都会影响作物生长，最敏感的反映就是作物物候期的变化[3]。已有研究发现，气候变暖导致冬小麦生育进程加快，全生育期缩短[4-6]。也有研究指出，冬春季温度升高造成冬小麦适宜种植北界有北移趋势[7-8]，小麦品种也逐渐由强冬性向弱冬性和偏春性转变[9]。

陕西地处中国西北地区东部，地形复杂，南北跨度较大，水热条件差异明显。冬小麦是陕西主要粮食作物之一。2018年统计数据显示，冬小麦占陕西粮食种植面积的32.1%和粮食总产的32.7%，其中关中和渭北地区冬小麦种植面积占全省冬小麦种植面积的87.8%，是陕西冬小麦主要种植区。自20世纪80年代中期开始，陕西温度呈现显著增加趋势，冬春季增温尤为显著，冬季平均气温年际变化剧烈，且陕西中北部地区增温幅度较大[10]，对陕西冬小麦生育期[11]和种植布局[12]都产生了不同程度的影响。但目前结合小麦实际发育期与界限温度的关系来研究陕西中北部冬小麦返青轻热量资源时空变化特征及其影响尚少。基于上述研究结果，笔者利用1961—2018年陕西中北部冬小麦主要种植区的气温、界限温度及实际播种期资料，将研究区分为2个区域来研究冬小麦实际发育期与界限温度的相关性，分析气候变暖背景下不同区域热量资源时空变异特征及其对冬小麦返青前可能产生的影响及应对策略，旨在为提升该区冬小麦热量资源利用率、指导冬小麦安全生产及合理布局提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区位于陕西省中北部的冬小麦主要种植区，包括关中平原的5个地市和延安南部地区。根据地貌特征、小麦品种和生育期将研究区分为2个区域。Ⅰ区为关中川道，包括关中南部4个地市共25个县，该区海拔较低，地势平坦，属大陆性季风气候，冬小麦生育期一般在10月上旬—次年6月上旬。Ⅱ区为渭北旱塬，包括关中北部和延安南部共22县，该区海拔较高，地貌以高原沟壑为主，冬小麦生育期在9月下旬—次年6月中旬。

1.2 试验数据

数据源自陕西省气象信息中心，包括研究区内50个气象站点1961—2018年日平均气温，年极端最低气温，稳定通过0、14℃界限温度初日和终日日期，13个农业气象站1997—2017年冬小麦发育期数据。气象站点空间分布如图1所示。

图1 研究区及气象站点分布

1.3 研究方法

1.3.1 冬小麦参数及热量指标的确定 由于冬小麦跨年生长，将冬小麦收获年度作为生育年度，播种期为1997—2017年的平均播种期，Ⅰ区平均播种期为10月8日，Ⅱ区为9月27日，1997—2017年陕西中北部地区冬小麦实际播期平均每10年推后1～5天。冬小麦越冬期起始日与0℃终日，返青期起始日与0℃初日均显著相关（P＜0.01），R2分别为 0.809（图 2a）和 0.726（图2b）。文中将越冬期长度定义为0℃终日至次年0℃初日的日数，即越冬期开始日至越冬期间持续的日数[13]。冬前指历年平均播种期至越冬期起始日之间的时段。越冬期负积温指冬小麦越冬期内日平均气温低于0℃的累积和，为方便描述，文中负积温以绝对值进行讨论。

冬小麦适宜播种期与温度关系密切，一般冬性品种适宜播种温度为16～18℃，弱冬性品种14～16℃，春性品种12～14℃[14]。研究区中Ⅰ区冬小麦以偏春性为主，Ⅱ区冬小麦以弱冬性为主，且研究区内冬小麦多年平均播种日期均与日平均气温稳定通过14℃终日有较好的相关性（P＜0.01，图2c）。因此选取14℃终日分析研究区冬小麦适宜播种期的变化。文中所有界限温度初、终日期均以积日为单位（简称DOY，day of year）。

图2 陕西中北部冬小麦越冬期（a）、返青期（b）、播种期（c）与界限温度的关系

1.3.2 数据统计分析与和空间表达 冬小麦生育期热量要素时间变化采用线性倾向估计法[15]。热量要素的突变检验采用Mann-Kendall（M-K）方法和滑动t检验相结合方法，具体方法见文献[16]。利用ArcGIS软件对要素倾向率变化和显著性进行表达，分析其空间变化特征。

2 结果与分析

2.1 冬前温度变化特征

2.1.1 冬小麦播种期旬平均气温 根据研究区内冬小麦品种和气象条件分析，关中川道（Ⅰ区）冬小麦播种一般在10月上旬，渭北（Ⅱ区）冬小麦播种期在9月下旬。由图3可见，Ⅰ区和Ⅱ区冬小麦播种期旬平均气温均呈上升趋势，其中Ⅱ区上升显著（P＜0.05）。M-K突变检验表明（表1），Ⅰ区和Ⅱ区冬小麦播种期旬平均气温分别在2003年和1986年发生突变，突变后较突变前分别增加0.71℃和1.03℃。

表1 陕西中北部冬小麦返青前热量要素突变检验统计结果

2.1.2 稳定通过14℃终日 由图4可见，1961—2018年陕西中北部稳定通过14℃终日呈明显推后趋势，Ⅱ区推后幅度大于Ⅰ区。从14℃终日年代变化看，Ⅰ区20世纪70年代冬小麦适播期最晚，DOY为284（10月9日），80年代后一直维持在10月上旬后期。Ⅱ区最晚适播期出现在20世纪80年代，DOY为270（9月25日），之后一直维持在9月下旬前期。

图4 1961—2018年陕西中北部稳定通过14℃终日变化趋势

Ⅰ区和Ⅱ区稳定通过14℃终日分别在1971年和1979年发生突变性延迟（表1），Ⅰ区稳定通过14℃终日由DOY273（9月29日）延后至DOY281（10月7日），Ⅱ区由DOY264（9月19日）延后至DOY268（9月23日），较突变前分别延后8天和4天。且20世纪90年代各区14℃终日延后趋势大都超过0.05显著性水平，表明20世纪90年代陕西中北部冬小麦适宜播种期温度增加较为显著。

2.1.3 冬前≥0℃积温 1961—2018年Ⅰ区冬前≥0℃积温平均为543℃，Ⅱ区为562℃，该积温条件利于冬小麦形成5～6片叶壮苗安全越冬。Ⅰ区和Ⅱ区冬前≥0℃积温最少年份均出现在1981年，分别为415℃和430℃，最多年份均出现在2006年，分别为676℃和659℃，最少和最多年份分别相差261℃和229℃，说明陕西中北部地区冬小麦越冬前≥0℃积温年际间波动较大。1961—2018年以来陕西中北部冬小麦冬前≥0℃积温增加趋势明显，Ⅰ区和Ⅱ区平均每10年增加8℃和10℃（图5）。

图5 陕西中北部冬前≥0℃积温变化趋势（1961—2018年）

突变检验（表1）表明，Ⅰ区和Ⅱ区冬前≥0℃积温分别在2004年和1997年发生突变性增加，突变后较突变前分别增加13℃和30℃，尤其是2007年以后增加趋势尤为显著。冬前≥0℃积温的增加利于壮苗形成，但如果播期过早，加之冬前积温偏多，容易造成冬前旺长，对安全越冬不利。

2.2 冬小麦越冬期及越冬期温度变化特征

2.2.1 稳定通过0℃终日和初日 由图6a～b可见，陕西中北部冬小麦越冬期开始日期Ⅰ区和Ⅱ区差异达30天，Ⅰ区冬小麦越冬期始期出现在DOY 341（12月7日）之后，Ⅱ区冬小麦越冬期始期集中在DOY 321～340（11月16日—12月16日）之间，呈随纬度升高有逐渐提前的趋势（图6a）。而冬小麦返青期空间分布与越冬期恰好相反，呈南早北晚的分布特点（图6b）。Ⅰ区返青期始于DOY 34（2月2日）之后，集中在2月上中旬；Ⅱ区冬小麦返青期出现在DOY 47～60之间，即2月中下旬，其中延安南部返青期基本都在DOY 57（2月26日）之后。

1961—2018年陕西中北部稳定通过0℃终日呈推后趋势（图7），即冬小麦越冬期在逐步推后，但推后趋势均不显著。稳定通过0℃初日提前趋势显著（P<0.05），其中Ⅱ区提前趋势较Ⅰ区更为显著（P<0.02），平均提前2.9 d/10 a，说明陕西中北部地区冬小麦返青前期热量资源明显增加，冬小麦返青期明显提前，且北部提前趋势更为显著。

突变检验表明，Ⅰ区和Ⅱ区0℃终日分别在2003年和1994年发生突变性推后，突变后较突变前Ⅰ区和Ⅱ区0℃终日分别延后5天和3天。Ⅰ区和Ⅱ区0℃初日分别在1995年和1999年突变性提前，分别提前9天和12天。

2.2.2 越冬期负积温 日平均气温＜0℃的负积温是评估农作物安全越冬条件的重要温度指标，同时也影响作物病虫害后期的发生蔓延。陕西中北部冬小麦越冬期负积温由南向北逐渐增多（图6c），1961—2018年Ⅰ区越冬期负积温绝对值多年平均值为87℃，最大值出现在1968年，为223℃，最小值是2007年的24℃。Ⅱ区越冬期负积温绝对值的多年平均值为215℃，最大为1968年401℃，最低为1999年的95℃，年际间波动较大，且1961—2018年两区冬小麦越冬期负积绝对值总体均呈显著减少趋势（图7c～d），变化率分别为9、19℃/10 a，表明陕西中北部冬小麦越冬期热量资源随时间在逐渐增加，也为冬小麦种植界限的北移提供了有利的气候条件。

图6 陕西中北部冬小麦返青前热量资源空间分布（1961—2018年）

M-K检验（表1）表明，Ⅰ区和Ⅱ区越冬期负积温分别在1981、1984年发生突变性减少，突变后较突变前分别减少39、61℃。越冬期负积温的减少降低了小麦越冬冻害概率，但明显的暖冬年份会减少冬小麦抗寒锻炼时间和强度，使小麦抗冻能力减弱、返青期提前，抵御春季倒春寒能力也随之降低。

2.2.3 年极端最低气温 一般认为年极端最低气温-24～-22℃是中国冬小麦种植的北界[17]。从空间分布看，由Ⅰ区向Ⅱ区年极端最低气温逐渐降低（图d），其中Ⅰ区年极端最低气温多年平均值为-11.9℃，1961年以来Ⅰ区年极端最低气温呈显著升高趋势（图7e），气候变化率为0.3 d/10 a。最低值为-18.2℃，出现在1991年，最高值为-7.7℃，出现在2017年，均处于冬小麦冬季生长的适宜温度范围内。Ⅱ区年极端最低气温多年平均值为-15.3℃，1961—2018年以来变化趋势不明显（图7f），最低值为-20.8℃，也在1991年，仍在小麦生长适宜温度范围内。

Ⅰ区年极端最低气温在1978年发生由冷变暖的显著突变，尤其在1986—1990年达到极显著水平，突变后较突变前升高1.6℃。Ⅱ区年极端最低气温未发生明显突变现象（表1）。

2.2.4 越冬期天数 小麦越冬期即日平均气温低于0℃后小麦缓慢或停止生长的阶段[18]。陕北中北部地区冬小麦越冬期由南向北呈增加趋势，越冬期天数为25～109天（图6g）。1961—2018年，Ⅰ区冬小麦越冬期开始日11月12日—12月24日，平均为12月8日。越冬期天数25～89天，平均为62天。1961—2018年Ⅰ区冬小麦越冬期呈显著缩短趋势，变率为-3.5 d/10 a，其中乾县、扶风、潼关、岐山4县越冬期缩短尤为明显，超过-5.1 d/10 a（图7e）。Ⅱ区小麦越冬期开始日为11月10日—12月13日，平均为11月29日。Ⅱ区越冬期天数在57～109天，平均85天，也呈显著缩短趋势，变化率为-3.7d/10a，其中合阳、千阳和耀州变率超过-5.1d/10a，仅富县一地越冬期呈延长趋势，变化率为5.9 d/10 a（图7f）。Ⅰ区和Ⅱ区小麦越冬期均在1997年发生显著性突变，较突变前分别缩短14天和13天（表1）。Ⅰ区和Ⅱ区越冬期天数变化率与其越冬期负积温变化率相关系数分别为-0.44和-0.39，均通过0.01水平显著性检验，越冬期天数缩短会导致冬季低温持续时间的减少，一定程度上也降低了冬季低温冻害发生的概率。

图7 陕西中北部冬小麦越冬期及温度变化（1961—2018年）

3 讨论

冬小麦发育期受品种、热量和降水等多因素的综合影响，其中热量资源变化对小麦物候期影响最大[19]。陕西中北部地区冬小麦播种期、越冬期和返青期始期与界限温度关系密切，这与张宸赫等[20]的研究结果一致。随着小麦适播期温度的升高和14℃初日的推后，1997—2017年陕西中北部冬小麦实际播种期也做了相应调整，呈逐渐推后趋势。在满足冬前壮苗形成的条件下，按照冬前≥0℃积温气候变化率计算，1997—2017年冬前≥0℃积温增加量相当于同期小麦平均播种期内2～6天的累计积温，与实际播种期的调整相一致[21]。在热量资源增加的情况下，播种过早会造成冬前分蘖过多或冬前旺长[22]，增加小麦冬前及越冬期能量消耗，影响来年新蘖生长，也加大了越冬冻害风险。播种过晚会则影响小麦出苗率和冬前壮苗形成。小麦实际播种期的变化除考虑热量因素外，还与小麦品种更换、栽培技术等因素有关[23-25]，因此各区域小麦播种期应综合每年实际情况而定，在保证冬前壮苗形成的情况下适当晚播，才利于冬小麦产量形成[23]。

受陕西整体气候变暖趋势的影响，尤其是冬春季增温显著[26]，加快了冬小麦发育进程[20]，导致陕西中北地区冬小麦越冬期推后、返青期提前。随着冬季温度的升高，冬小麦越冬期极端最低气温升高，冬季负积温减少，利于小麦安全越冬[27]，但是越冬期的缩短和负积温的减少，一定程度上减少了冬小麦抗寒锻炼时间和强度。气候变暖的同时，极端天气和气象灾害发生频率在增加[28]，加之近些年陕西弱春性和半冬性小麦品种种植面积的扩大，若遭遇倒春寒，受冻风险随之增大。暖冬也会导致病虫害越冬期推迟，降低越冬病虫死亡率，增加冬后虫源基数，加重春季病虫害的发生程度，不利于冬小麦后期生长。

陕西中北部地区冬小麦播种期旬平均气温、冬前≥0℃积温的增加，越冬负积温的减少，尤其是渭北地区冬小麦返青前热量资源增加明显，小麦越冬种植北界北移[29]，适宜种植区面积扩大[30]。但渭北地区极端最低气温并没有明显降低，地形复杂，不利于机械耕作，耕地质量水平也不及关中川道[31]，加之种植结构的调整，目前，渭北地区以发展苹果、梨等特色经济作物种植为主，小麦种植面积不但没有增加，反而呈减少趋势。本研究仅从热量条件驱动因子研究了热量资源变化对小麦物候期和种植面积的可能影响，结合实际变化来看，除考虑热量资源驱动条件外，后续应考虑降水、光照、种植结构调整、地形结构、土壤水肥力等因子变化及相互间综合影响效应，进一步探究其对小麦物候期、产量形成、品质及种植面积的影响。

4 结论

关中川道1997—2017年冬小麦平均播种期为10月8日，渭北地区为9月27日。1961—2018年，陕西中北部冬麦区播种期旬平均气温呈上升趋势，渭北地区上升趋势显著（P<0.05）。关中川道和渭北冬麦区播种期旬平均气温分别在2003年和1986年发生突变性增加。

1961—2018年陕西中北部日平均气温稳定通过14℃终日呈明显推后趋势，关中川道和渭北分别在1971年和1979年发生突变性推后，且在20世纪90年代两区域推后趋势尤为显著。关中川道和渭北冬小麦播种期均与14℃终日显著相关（P<0.01），伴随14℃终日的推迟，小麦适播期相应延后。冬前≥0℃积温平均在550℃左右，1961—2018年以来增加趋势明显，利于冬小麦冬前壮苗形成，但在积温过多的年份也会造成小麦冬前旺长，不利于安全越冬。

关中川道和渭北地区冬小麦进入越冬期的时间差异明显，最长相差30天，空间分布呈南早北晚的特点，返青期始期空间分布与越冬期相反，关中川道返青期集中在2月上中旬，渭北集中在2月中下旬。陕西中北部冬小麦越冬期起始日与0℃终日，返青期起始日与0℃初日均显著相关（P<0.01），1961—2018年稳定通过0℃终日推后趋势不明显，稳定通过0℃初日提前趋势显著，渭北地区尤为显著（P<0.01），说明冬小麦返青期在逐步提前，且渭北地区冬小麦返青期提前显著。

1961—2018年，陕西中北部冬小麦越冬期负积温绝对值减少趋势显著，20世纪80年代中前期发生突变性减少。关中川道年极端最低气温上升趋势显著，在1978年发生由冷转暖的显著性突变，但渭北变化趋势不明显，也未发生明显突变。关中川道和渭北地区冬小麦越冬期均呈显著缩短趋势，平均每10年分别为3.5、3.7天，且均在1997年生发生突变性缩短，较突变前分别缩短14、13天。越冬期负积温绝对值的减少、极端最低气温的上升和越冬期的缩短，均表明陕西中北部冬麦区冬季热量资源在增加，一定程度上降低了小麦越冬冻害的发生概率，但明显的暖冬年份将会削弱冬小麦抗寒能力，增加倒春寒受冻风险和病虫害越冬基数。