近20年來陜西中部地區(qū)主要農(nóng)作物生育期變化趨勢分析

蔣 沖，王 飛，2，穆興民，2，焦 俏

（1.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100）

由于全球氣候變暖引起的氣溫、降水、日照等氣候要素變化，對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境以及作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成已經(jīng)產(chǎn)生了不同影響，國內(nèi)外許多學者在氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響方面做了大量卓有成效的工作［1－4］。這些研究多集中在氣候變暖對作物種植區(qū)域界限和物候的變化以及對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響等方面［5－8］，對作物生育期的影響也多從溫度變化的角度去研究［9］，但針對我國主要作物之一的冬小麥和夏玉米生育期的研究還很少［10］。陜西中部地區(qū)屬于中國最大麥區(qū)——黃淮冬麥區(qū)的西末端，三面與四大麥區(qū)（北部冬麥區(qū)、西北春麥區(qū)、西南冬麥區(qū)、長江中下游冬麥區(qū)）環(huán)繞毗鄰，作為我國重要的優(yōu)質商品糧生產(chǎn)基地［11］，該地區(qū)對于陜西省乃至全國的糧食供應起到舉足輕重的作用。因此在氣候變化背景下分析陜西中部地區(qū)冬小麥、夏玉米生育期的變化趨勢，了解氣候變化對主要農(nóng)作物生長發(fā)育的影響，對于趨利避害，充分合理地利用氣候資源，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出準確及時的指導建議，進而提高冬小麥的產(chǎn)量和品質，增加農(nóng)民收入具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省中部糧食主產(chǎn)區(qū)，包括關中平原（渭河谷地和秦嶺山前沖洪積平原）和渭北旱塬區(qū)，包括西安、銅川、寶雞、咸陽、渭南5個省轄地級市共52個縣（市、區(qū)）。該區(qū)屬半干旱半濕潤季風氣候，南鄰秦嶺，北傍東西走向的北山（北靈山、藥王山、黃龍山等）和溝壑縱橫、梁峁交錯的黃土高原；東臨黃河，與晉南盆地直至華北平原相望；西出寶雞，與綿延起伏的西北山地相接，加之區(qū)域內(nèi)常發(fā)多變的小氣候，使得該地區(qū)成為我國五大麥區(qū)多種類型小麥種植利用的過渡區(qū)域［12］。渭河從關中中間偏南自西向東貫通，渭河與秦嶺之間，形成了俗稱關中川道灌區(qū)小麥種植帶；渭河與北山之間，形成了俗稱關中平原灌區(qū)小麥種植帶；由東西綿延的北山、臺塬、溝坡、梁峁等地貌組成的丘陵帶，成為俗稱渭北旱塬區(qū)的小麥種植帶［12］。該地區(qū)屬中國西北黃土高原區(qū)域，土壤主要為黃土母質，以土分布最廣，土層深厚，中壤質地，通透性好，保水保肥能力強［12－13］。因此該地區(qū)為作物的遺傳、育種、栽培、生態(tài)等各類研究提供了人力難以設定的多種考察因素、自然條件和試驗環(huán)境，為多種作物資源的引進利用和組織生產(chǎn)提供了廣闊天地。

2 資料與方法

2.1 資料選取

本文所采用的數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的《中國農(nóng)作物生長發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集》。該數(shù)據(jù)集包含了1991年9月至2010年12月間中國778個農(nóng)業(yè)氣象站逐旬觀測記錄的農(nóng)作物生長發(fā)育狀況報告，具體內(nèi)容包括：作物名稱、發(fā)育期名稱、發(fā)育期日期、發(fā)育程度、發(fā)育期距平、植株高度、生長狀況、植株密度、積溫距平、干土層厚度、不同深度的土壤相對濕度。在綜合考慮了陜西省中部地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測站點的地理分布和作物生育期觀測資料的連續(xù)性及完整性的基礎上，選取該地區(qū)的大荔、臨潼、咸陽、鳳翔、武功、韓城、永壽、蒲城共8個臺站的作物生育期資料。冬小麥觀測資料為韓城、鳳翔、永壽、蒲城、臨潼、咸陽、武功7個站點的歷年主要生育期資料，因為大荔站冬小麥觀測記錄缺失嚴重，所以不予采用。以上站點的生育期資料主要包括冬小麥歷年播種、出苗、分蘗、越冬、返青、拔節(jié)、抽穗、乳熟、成熟的生育日期以及播種－出苗、出苗－分蘗、分蘗－越冬、越冬－返青、返青－拔節(jié)、拔節(jié)－抽穗、抽穗－乳熟、乳熟－成熟、播種－越冬、播種－成熟各個重要生育階段的持續(xù)天數(shù)等；夏玉米的觀測資料為大荔、臨潼、咸陽、武功、鳳翔5個站點的歷年主要生育期資料，因為渭南站觀測記錄缺失嚴重，所以不予采用，其它站點沒有夏玉米生育期觀測資料。夏玉米生育期觀測資料主要包括播種、三葉、七葉、拔節(jié)、乳熟、成熟的生育日期（因為以上各站點的出苗、抽穗、抽雄期觀測資料缺失較多，所以不列入統(tǒng)計）以及播種－三葉、三葉－七葉、七葉－拔節(jié)、拔節(jié)－乳熟、乳熟－成熟、播種－成熟等各個重要生育階段的持續(xù)天數(shù)。冬小麥和夏玉米的生育期觀測資料年代序列均為1992－2010年，觀測資料缺失年份利用多年均值替代。需要說明的是，小麥和玉米作為陜西中部地區(qū)主要糧食作物，多年來更新?lián)Q代較為頻繁。小麥方面該地區(qū)從20世紀90年代至今陸續(xù)推廣了小堰6號、晉麥33號、晉麥47號、小堰22號、西農(nóng)2611、西農(nóng)979等品種，當前主栽品種為小堰22號、西農(nóng)979和西農(nóng)88號［11，14］。玉米方面以鄭單958、浚單20號為主［13－14］。

2.2 資料處理

將冬小麥和夏玉米的各個臺站相同的生育期記錄平均后得到陜西中部地區(qū)生育期的平均值，利用一元線性回歸方程分析每個生育期持續(xù)時間隨年代變化的趨勢。根據(jù)不同臺站不同作物生育期的起止日期和時間間隔，分別統(tǒng)計生育期內(nèi)各個生育階段的持續(xù)天數(shù)。為了確定回歸方程是否達到顯著水平，利用時間與要素變量之間的相關系數(shù)對變化趨勢進行顯著性檢驗。一般情況下，相關系數(shù)的檢驗，是在給定的置信水平下，通過查相關系數(shù)檢驗的臨界值表來完成的?？紤]到對于一元線性回歸分析，T檢驗、F檢驗和R檢驗是等價的，本文采用R檢驗的方法。需要說明的是由于冬小麥為跨年度生產(chǎn)的糧食作物，為方便起見，將冬小麥播種年度作為整個小麥生育年度。此外，對于農(nóng)作物的觀測是在不漏測不遲測的前提下，根據(jù)不同發(fā)育期出現(xiàn)的規(guī)律確定。一般從發(fā)育期始期前開始一直到發(fā)育期末期，期間保持連續(xù)觀測。進入發(fā)育期植株的百分率＞10%為發(fā)育期始期，＞50%為普遍期，＞80%為末期。因為作物發(fā)育初始期較短不易測得，加之本數(shù)據(jù)集對于初始期缺測嚴重。故采取目前為多數(shù)研究所采取的普遍期作為各生育期標志。

3 結果與分析

3.1 冬小麥不同生育期持續(xù)天數(shù)的變化趨勢分析

從表1可以看出，不同生育階段持續(xù)天數(shù)隨時間變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。7個觀測站中分蘗－越冬、越冬－返青期并未呈現(xiàn)出比較明顯的一致性趨勢，其它各個生育階段均呈現(xiàn)出比較明顯的一致性變化趨勢。播種－出苗階段，除鳳翔和咸陽站外，其余5個站點均表現(xiàn)出縮短趨勢。減幅最大的是蒲城站，速度為－3.47 d／10 a，且該趨勢顯著性達到0.01水平。其次是臨潼站，減速達到1.3 d／10 a，但趨勢并不明顯。出苗－分蘗期的變化趨勢與播種－出苗期相反，整體呈延長趨勢，7個站中有4個站延長，3個站縮短，趨勢變化不一致且均未達到顯著水平。

表1 冬小麥不同生育期持續(xù)日數(shù)及變化趨勢

7個觀測站點中，有4個站越冬期縮短，其余3個均呈現(xiàn)不同程度的延長趨勢，其中減幅較大的是韓城、咸陽、蒲城站，速度分別為－4.47 d／10 a、－4.25 d／10 a和－3.74 d／10 a。呈現(xiàn)延長趨勢的站點中永壽站增速較大，達到6.96 d／10 a。除臨潼、武功和永壽站外，其余各觀測站的播種－越冬期的持續(xù)天數(shù)都表現(xiàn)出增加的趨勢，韓城站增幅最大，平均每10 a增加4.63 d，其次是咸陽站，增速為4.47 d／10 a。整個中部地區(qū)平均增幅為0.32 d／10 a，但增加并不明顯。

圖1 研究區(qū)冬小麥返青一成熟期持續(xù)時間

從返青到成熟期（圖1），這一階段生育期持續(xù)天數(shù)除韓城站外的所有站點均表現(xiàn)出縮短的趨勢，其中減幅最大的是永壽站和武功站，平均每10 a分別減少6.39 d和5.54 d，整個中部地區(qū)減幅為3.06 d／10 a，但具體到各個站點則略有不同。這一階段以返青到拔節(jié)期減少的程度最大，達到3.6 d／10 a，且通過0.1的置信度檢驗。返青－成熟期的其余各生育階段即抽穗－乳熟、乳熟－成熟期的持續(xù)天數(shù)又表現(xiàn)出延長的趨勢，中部地區(qū)平均增速分別為0.94 d／10 a和0.49 d／10 a。該地區(qū)除韓城站外其余各站冬小麥的全生育期在不斷縮短，減幅最大的是鳳翔站，平均每10 a減少5.58 d，7個站平均減少2.96 d／10 a（圖2）。

圖2 研究區(qū)冬小麥全生育期持續(xù)時間

3.2 夏玉米不同生育期持續(xù)天數(shù)的變化趨勢分析

陜西中部5個觀測站歷年夏玉米各生育階段持續(xù)天數(shù)統(tǒng)計結果見表2。不同生育期持續(xù)天數(shù)隨時間變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。5個觀測站中三葉－七葉、拔節(jié)－乳熟期并未呈現(xiàn)出比較明顯的一致性的變化趨勢，其它各個生育期則表現(xiàn)出一致性的變化趨勢。

表2 夏玉米不同生育期持續(xù)日數(shù)及變化趨勢

5個觀測站中有3個站的三葉－七葉階段呈現(xiàn)縮短趨勢，減幅較大的是大荔和臨潼站，分別為－4.7 d／10 a和－2.9 d／10 a，且均達到0.05顯著性水平，整體平均減速為1.11 d／10 a。此外，拔節(jié)－乳熟期的變化在各個站點間也不一致。有3個站點呈現(xiàn)延長趨勢，其余均縮短，增幅最大的是鳳翔站，達到4.56 d／10 a。中部地區(qū)夏玉米播種－三葉、七葉－拔節(jié)、乳熟－成熟期的持續(xù)天數(shù)以及全生育期天數(shù)都表現(xiàn)出增加的趨勢。除咸陽站外，其余站點的播種－三葉期的持續(xù)時間都有所延長，增幅最大的是大荔站，速度為3.91 d／10 a（α＝0.05）。七葉－拔節(jié)期持續(xù)時間在所有站點都一致，均表現(xiàn)出延長趨勢，其中以咸陽站的增速最大，達到1.84 d／10 a，整個中部地區(qū)平均達到0.85 d／10 a的增速。對于夏玉米的乳熟－成熟期持續(xù)時間延長的趨勢更為明顯，5個觀測站均表現(xiàn)出不同程度的增加趨勢，其中以臨潼站的增速最大，達到10.63 d／10 a，咸陽站也達到了4.72 d／10 a，臨潼站和咸陽站的延長趨勢均通過了0.01水平的顯著性檢驗，中部地區(qū)平均增速也達到3.96 d／10 a。

圖3 研究區(qū)夏玉米全生育期持續(xù)時間

中部地區(qū)夏玉米的全生育期變化趨勢也比較顯著，呈現(xiàn)延長的趨勢（α＝0.05），增速較大的三個站點是臨潼站、武功站和鳳翔站，增速分別為7.05 d／10 a、4.30 d／10 a和5.61 d／10 a，且均達到比較顯著水平（α＝0.05），中部地區(qū)平均增速達到4.29 d／10 a（α＝0.05）（圖3）。

4 結論和討論

4.1 冬小麥生育期變化

陜西中部7個觀測站歷年冬小麥不同生育階段持續(xù)天數(shù)隨時間變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。7個觀測站中分蘗－越冬、越冬－返青期變化趨勢不一致，其它各個生育階段均呈現(xiàn)出比較明顯的一致性的變化趨勢，與王志偉［12］“西北地區(qū)陜西、新疆一帶近20 a來（1984－2004）多個生育階段變化趨勢基本相同”的論述一致。陜西中部播種－出苗階段，除鳳翔和咸陽站外，其余5個站點均表現(xiàn)出縮短趨勢，與王志偉［12］、孫芳［15］關于陜西省和西北地區(qū)冬小麥生育期變化的描述基本一致。出苗－分蘗期的變化趨勢與播種－出苗期相反，整體呈延長趨勢，7個站中有4個站延長，3個站縮短，趨勢變化不一致且均未達到顯著水平。

根據(jù)前人研究成果［1，3－6，12］在氣候變暖背景下，冬季氣溫升高，小麥進入越冬期時間相對推遲，返青期提前，越冬期持續(xù)時間縮短，但這一規(guī)律在中部地區(qū)表現(xiàn)不明顯。7個觀測站點中，有4個站越冬期縮短，其余3個均呈現(xiàn)不同程度的延長趨勢，整體變化趨勢不顯著，與他人論述［1，3－6，12］不一致。這可能是由于不同研究的研究尺度、時間跨度、數(shù)據(jù)來源、取舍原則、處理方法、站點選取不同造成的。也可能與本研究所選取的研究區(qū)域獨特的氣候特點、水熱資源分布、栽培耕作管理措施、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)習慣、作物品種特性（如晚熟品種）有關［16－19］，具體原因尚待深入分析。

7個站點中除臨潼、武功和永壽站外，其余各觀測站的播種－越冬期的持續(xù)天數(shù)都表現(xiàn)出增加的趨勢，但增加并不明顯。而從返青到成熟期，這一階段生育期持續(xù)天數(shù)除韓城站外的所有站點均表現(xiàn)出縮短的趨勢。該結論與王志偉［12］“西北地區(qū)的新疆、陜西一帶近20多年來春、夏氣溫升高導致冬小麥返青以后發(fā)育進程加快，生育期縮短，成熟期普遍提前”的結論在趨勢上基本一致。返青－成熟階段以返青到拔節(jié)期減少的程度最大，達到3.6 d／10 a。這與冬、春季氣溫升高趨勢相一致，但對冬小麥產(chǎn)量不利，因為返青期持續(xù)時間縮短，春季分蘗數(shù)減少，分蘗成穗率降低［4－5］。返青－成熟期的其余各生育階段即抽穗－乳熟、乳熟－成熟期的持續(xù)天數(shù)表現(xiàn)出延長的趨勢，有利于提高冬小麥千粒重，提高產(chǎn)量，與張強［21］的論述在趨勢上基本一致。正因為如此，農(nóng)業(yè)科技工作者一直致力于通過培育優(yōu)質的冬小麥品種和改進栽培管理措施來延長抽穗到成熟期間的時間，如通過適時澆水施肥，噴施化學藥劑等措施，也是人類通過改變冬小麥品種和栽培管理措施克服氣候變暖不利影響的結果［9］。

4.2 夏玉米生育期變化

陜西中部5個觀測站夏玉米不同生育期持續(xù)天數(shù)隨時間變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。5個觀測站中三葉－七葉、拔節(jié)－乳熟期并未呈現(xiàn)出比較明顯的一致性的變化趨勢，其它各個生育期則表現(xiàn)出一致性的變化趨勢，與王志偉［12］、王潤元［19］、張強［21］、劉德祥［22］關于西北地區(qū)和陜西省夏玉米生育期變化的論述基本一致。

拔節(jié)－乳熟期的變化在各個站點間也不一致，增幅最大的是鳳翔站，達到4.56 d／10 a，與王春娟［17］“鳳翔縣近40 a來拔節(jié)期普遍提前，成熟期不斷延后”的論述趨勢上基本一致，但具體數(shù)值有出入，很可能由于數(shù)據(jù)時間跨度不同而造成的計算結果不同。陜西中部地區(qū)夏玉米播種－三葉、七葉－拔節(jié)、乳熟－成熟期的持續(xù)天數(shù)以及全生育期天數(shù)都表現(xiàn)出增加的趨勢，與王志偉［12］有關西北地區(qū)陜西省近20 a來（1984－2004）夏玉米全生育期變化趨勢的描述趨勢上基本一致。

除咸陽站外，其余站點的播種－三葉期的持續(xù)時間都有所延長。七葉－拔節(jié)期持續(xù)時間在所有站點都是一致的，均表現(xiàn)出延長趨勢，這一結論與王潤元、張謀草、張強、劉德祥［19－22］的論述在趨勢上基本一致。對于夏玉米的乳熟－成熟期持續(xù)時間延長的趨勢則更為明顯，5個觀測站均表現(xiàn)出不同程度的增加趨勢。該地區(qū)夏玉米的全生育期變化趨勢也比較顯著，呈現(xiàn)延長的趨勢（α＝0.05），與王志偉［12］、孫芳［15］的論述在趨勢上基本一致。

從近20 a來陜西中部地區(qū)冬小麥和夏玉米生育期的變化趨勢上看這兩種作物的生育期存在一定程度的一致性變化規(guī)律，但具體到某一生育階段的規(guī)律又具有明顯的不一致性。筆者認為，本文部分結論與他人的研究結果不同的原因是多方面的。王志偉［12］、孫芳［15］、王潤元［19］、張強［21］、劉德祥［22］等人的研究多集中于全國范圍內(nèi)或黃淮麥區(qū)、西北地區(qū)等大范圍區(qū)域，所考慮到的對應區(qū)域的氣候特點、水熱資源分布、作物品種等因素也大多是宏觀粗尺度的，并沒有針對陜西中部地區(qū)獨特的氣候、水熱分布、栽培耕作管理措施（前茬、施肥、播種、灌溉）、作物品種等特點進行具體分析，所得出的適用于某一區(qū)域宏觀大范圍的結論也未必能夠準確客觀地反映陜西中部地區(qū)作物生育期的變化。另外，由于數(shù)據(jù)所限，本研究只能分析1992－2010年間作物生育期的變化，站點數(shù)量和分布也明顯有欠合理，而他人的研究［12，15－20］基本上都至少能保證20 a的時間跨度，站點分布上也更加均勻合理。以上提及的各種原因都有可能導致本文結論與他人研究結果有所出入。因此在全球氣候變暖的背景下研究陜西中部地區(qū)農(nóng)作物對氣候變化等系列因素的響應及對策還有待深入。

致謝：中國科學院水利部水土保持研究所李銳研究員對本文提出了修改意見，特此致謝。

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