中國夏玉米和冬小麥近年生育期變化及其與氣候的關(guān)系*

崔耀平, 肖登攀, 劉素潔, 李 楠, 蔣 琳, 石欣瑜, 劉小萌, 李江蘇, 路婧琦, 秦耀辰**

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中國夏玉米和冬小麥近年生育期變化及其與氣候的關(guān)系*

崔耀平1, 肖登攀2, 劉素潔1, 李 楠1, 蔣 琳3, 石欣瑜1, 劉小萌1, 李江蘇1, 路婧琦1, 秦耀辰1**

(1. 中原經(jīng)濟(jì)區(qū)“三化”協(xié)調(diào)發(fā)展河南省協(xié)同創(chuàng)新中心/河南大學(xué)黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點實驗室 開封 475004; 2. 河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所 石家莊 050011; 3. 中原經(jīng)濟(jì)區(qū)智慧旅游河南省協(xié)同創(chuàng)新中心/洛陽師范學(xué)院國土與旅游學(xué)院 洛陽 471934)

作物物候期受氣候條件和人為耕作的共同影響, 而水熱氣候條件又直接影響著人為耕作時間。全球變暖背景下溫度增加的趨勢在近年來出現(xiàn)了停滯現(xiàn)象, 針對這一新的氣候變化特征, 本研究選取作物物候觀測和氣象觀測的站點數(shù)據(jù), 利用經(jīng)典的統(tǒng)計學(xué)方法分析2000—2013年中國夏玉米和冬小麥主要物候期的變化趨勢和空間分布, 及作物生育期與對應(yīng)水熱條件的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn): 夏玉米和冬小麥各主要物候期均呈現(xiàn)一定程度的延后, 其中64%的站點顯示夏玉米成熟期延后, 冬小麥成熟期延后的站點數(shù)比例達(dá)78%。研究期間, 夏玉米和冬小麥的生育期歷時對溫度和降水變化均比較敏感, 88%和64%的站點分別顯示出夏玉米和冬小麥的生育期歷時與平均溫度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 而71%和77%的站點顯示夏玉米和冬小麥生育期歷時與年均降水量呈正相關(guān)關(guān)系。本研究時段內(nèi)的氣溫變化也不同于一般性認(rèn)為的單調(diào)升溫, 夏玉米生育期對應(yīng)的平均溫度呈增加和降低趨勢的站點數(shù)基本相同, 但顯示降水量增加的站點較多, 達(dá)到總站點數(shù)的68%; 而冬小麥整個生育期顯示冷干化趨勢的站點居多, 顯示溫度降低和降水量下降的站點數(shù)均占總站點數(shù)的60%以上。此外, 本研究還用輪作站點探討說明了可以利用年值氣候數(shù)據(jù)替代生育期氣候數(shù)據(jù)分析夏玉米和冬小麥輪作的物候和生育期特征。本研究通過站點數(shù)據(jù)證實了作物生長發(fā)育過程對氣候變化的敏感性, 新的氣候條件下我國夏玉米和冬小麥的物候也對應(yīng)產(chǎn)生了新的特征。

物候; 夏玉米; 冬小麥; 輪作; 生長期; 氣溫; 降雨; 增溫停滯

以升溫為主要特征的全球氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作物生長發(fā)育過程均有直接的影響。夏玉米()和冬小麥()是我國重要的農(nóng)作物, 其物候和生育期變化, 作為指示氣候和環(huán)境因子變異的有效指標(biāo), 已引起越來越多的關(guān)注[1-3]。因此, 分析夏玉米和冬小麥物候和生長過程, 及其與水熱條件的關(guān)系, 對探討農(nóng)業(yè)的氣候適應(yīng)性、制定與氣候變化相關(guān)的農(nóng)田管理策略均具有重要意義。

作物的物候受到氣候、環(huán)境等多種因素的共同作用。有研究表明, 植被的物候與氣候變化之間均存在著密切關(guān)系[4], 氣候變化是導(dǎo)致植被物種及生產(chǎn)力時空變化的主要驅(qū)動因素[5-7]。雖然我們無法排除或量化農(nóng)作物耕作安排和耕作時間受到何種程度的人為干擾和影響, 但是所有農(nóng)業(yè)耕作活動均是在一定的氣候條件下進(jìn)行的, 其不能完全獨立于當(dāng)時氣候條件的制約[5,8-10]。

很多研究涉及氣候因子與作物物候的關(guān)系[3,6], 但當(dāng)前研究多在單一作物上, 且多在某一區(qū)域開展[11-12], 較少涉及全國的輪作作物。有些研究分析的是幾十年歷時的氣候和物候變化[1,13], 較少涉及近十幾年來的氣候及物候變化。進(jìn)入1999年以來, 氣候變化特征已不同于之前幾十年的情況, 出現(xiàn)了一些特殊的變化趨勢, 即近年來全球表面年均溫上升趨勢放緩、甚至出現(xiàn)停滯的情況。2009年, Knight等[14]率先報道了1999年至2008年全球氣候出現(xiàn)的變暖趨緩和停滯現(xiàn)象; 2013年, 英國氣象局(Met Office)連續(xù)在線發(fā)布了多個報告介紹全球變暖停滯的事實、原因和影響[15-17]。在我國, 中國氣象科學(xué)研究院、中國科學(xué)院、北京大學(xué)、清華大學(xué)等機(jī)構(gòu)的學(xué)者也密切關(guān)注著該現(xiàn)象[18-19]。當(dāng)前公認(rèn)的一個事實是: 全球氣候變化在2000s前后已經(jīng)進(jìn)入了一個變暖放緩的時期[20-21], 且這種氣候變化趨緩甚至降溫的情況已經(jīng)在我國出現(xiàn)并得到了研究證實[22-23]。幾十年的長時間序列變化會掩蓋近期的氣候變化趨勢, 也無法判定這種特殊氣候變化下的物候變化特征。盡管當(dāng)前這種氣候變化趨勢在隨后是繼續(xù)發(fā)展下去還是會進(jìn)一步升溫仍需要基于實測數(shù)據(jù)不斷追蹤, 但是十余年的時間已經(jīng)是一個氣候小周期, 該氣候條件已不可避免地對作物的生長發(fā)育過程產(chǎn)生了影響[1,3], 而當(dāng)前還缺乏針對這方面的報道。

本研究利用2000—2013年全國農(nóng)業(yè)物候觀測站點數(shù)據(jù)和氣象觀測站點數(shù)據(jù), 分析夏玉米和冬小麥的關(guān)鍵物候和生育期特征, 及其與水熱氣候條件的對應(yīng)關(guān)系, 以了解作物近年來的物候變化過程及其與氣候的關(guān)系, 進(jìn)而為農(nóng)業(yè)適應(yīng)性研究提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

研究數(shù)據(jù)包括農(nóng)業(yè)觀測站點2000—2013年的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:// www.cma.gov.cn/)提供的中國農(nóng)作物生長發(fā)育數(shù)據(jù)集。為研究作物生育期的變化, 本研究選取有連續(xù)觀測物候值的站點; 分作物按站點和年份篩選出各物候期的積日(day of year, DOY), 并分析播種期到成熟期的總生育期(growth period, GP)、播種期到抽雄/抽穗期的營養(yǎng)生長期(vegetative growth period, VGP)、抽雄/抽穗期到成熟期的生殖生長期(reprodu- ctive growth period, RGP)的變化趨勢。

氣象觀測數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集。本研究采用的指標(biāo)為日平均氣溫和降水。首先, 選取與農(nóng)業(yè)站點對應(yīng)或者最臨近的氣象站點; 之后, 結(jié)合播種、抽穗、成熟3個關(guān)鍵物候期的DOY值, 分別求出總生育期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期 3個生育期的平均氣溫和降水量; 最后, 分析各物候期與平均氣溫和降水量之間的關(guān)系。本研究利用空間分析方法根據(jù)各站點的經(jīng)緯度位置計算了農(nóng)業(yè)站點和氣象站點的距離, 用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)的相關(guān)分析分析氣候因子和作物生育期歷時的相關(guān)性, 用線性趨勢分析氣候和物候變量的增加/減少、延后/提前, 利用多元線性回歸方法量化氣候因子與作物生育期歷時的關(guān)系。

我國不同地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在明顯的地域分異, 綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃評價了農(nóng)業(yè)自然條件和自然資源, 特別是水、熱、土等條件[24-25]。全國《中國綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃》劃分中國為東北區(qū)、黃淮海區(qū)、黃土高原區(qū)、長江中下游區(qū)、華南區(qū)等九大農(nóng)業(yè)區(qū)。本研究夏玉米物候觀測站主要分布在黃淮海、西南等6區(qū), 冬小麥物候觀測站主要分布在黃淮海、西南等7區(qū)(表1)。

表1 中國夏玉米和冬小麥物候觀測站點所屬農(nóng)業(yè)區(qū)

2 研究結(jié)果

2.1 夏玉米的物候特征及其與氣象因子的關(guān)系

2.1.1 夏玉米物候期時空變化特征及趨勢

夏玉米播種期有74個連續(xù)觀測站點, 其播種期分布在3月底至7月上旬。其中31%的站點播種期集中出現(xiàn)在5月到6月上旬, 57%的站點播種期出現(xiàn)在6月中旬至7月上旬。對于夏玉米, 70%以上的站點顯示其播種期延后, 且這部分站點集中在黃淮海區(qū)和新疆南部地區(qū)。夏玉米物候期在大部分站點均呈推遲趨勢。其中, 播種期延后站點數(shù)最多, 雖然抽雄期和成熟期延后的站點數(shù)仍多于提前的站點數(shù), 但與播種期延后的站點數(shù)比已有所減少。其中, 夏玉米抽雄期有70個連續(xù)觀測站點, 抽雄期出現(xiàn)在6月下旬至8月。其中, 近90%的站點出現(xiàn)在7月中下旬至8月份。研究時間段內(nèi)夏玉米抽雄期延后的站點數(shù)稍多, 占總站點數(shù)的54%。夏玉米成熟期也選出70個連續(xù)觀測站點, 平均成熟期分布在8月中旬至10月中旬, 主要集中在9月下半月。64%的站點顯示夏玉米成熟期也呈延后趨勢(表2)。

表2 2000—2013年夏玉米播種、抽雄和成熟期(積日, DOY)變化趨勢的站點數(shù)統(tǒng)計

2.1.2 夏玉米生育期及其對應(yīng)水熱條件的變化

夏玉米營養(yǎng)生長期有68個連續(xù)觀測的站點, 營養(yǎng)生長期歷時呈縮短和延長趨勢的站點均為34個。夏玉米營養(yǎng)生長期階段對應(yīng)的氣候在某些區(qū)域出現(xiàn)了暖濕化。具體而言, 夏玉米營養(yǎng)生長期階段對應(yīng)的平均溫度以增加趨勢為主, 站點數(shù)占比為59%, 且這些站點主要分布在黃淮海區(qū)。降水量在這些區(qū)域也出現(xiàn)了明顯的增加趨勢, 68%的站點降水增加; 而在西南地區(qū)及黃淮海平原南部地區(qū)的站點則較為集中地呈現(xiàn)出降水量減少的趨勢。相關(guān)性分析顯示: 營養(yǎng)生長期歷時與平均氣溫以負(fù)相關(guān)性為主, 其中呈負(fù)相關(guān)的站點有41個; 而營養(yǎng)生長期歷時與降水量之間呈正相關(guān), 呈正相關(guān)的站點數(shù)也為41個。

夏玉米生殖生長期共篩選出69個站點, 生殖生長期歷時延長的站點數(shù)稍多。生殖生長期階段平均氣溫增加和減少的站點數(shù)之比為0.97, 站點數(shù)基本一樣, 在大部分站點夏玉米生殖生長期生長階段溫度變化均不顯著, 但黃淮海平原出現(xiàn)下降趨勢的站點較多。夏玉米生殖生長期階段對應(yīng)的降水量呈增加趨勢的站點稍多, 占比為52%。生殖生長期歷時與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)的站點占84%, 81%的站點顯示生殖生長期歷時與降水量之間呈正相關(guān)關(guān)系。

夏玉米總生育期共有68個連續(xù)觀測的站點。整體上, 57%的站點呈延長趨勢?？偵谄陂g的平均氣溫增加和下降的站點均有34個?？偵趯?yīng)的總降水量呈增加趨勢的站點占總站點數(shù)的68%。夏玉米總生育期歷時和平均氣溫之間普遍表現(xiàn)出負(fù)相關(guān), 88%的站點均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 其中達(dá)到顯著水平(<0.1)的站點占43%。有71%的站點顯示總生育期歷時與降水量呈正相關(guān)關(guān)系, 16%的站點達(dá)到顯著水平(表3)。

表3 2000—2013年夏玉米整個生育期水熱條件變化趨勢及其相互關(guān)系的站點個數(shù)統(tǒng)計

1) GP長度、溫度和降雨的變化趨勢的單位分別為積日(DOY)、℃和mm。1) Units of the variation trends of GP length, temperature and precipitation are DOY, ℃ and mm, respectively.

2.1.3 夏玉米生育期與水熱因子的多元回歸分析

分別對夏玉米3個不同生育階段(營養(yǎng)生長期、生殖生長期及總生育期)歷時與對應(yīng)時段的平均氣溫、降水量進(jìn)行多元回歸分析, 并將結(jié)果按農(nóng)業(yè)區(qū)分類(表4)。結(jié)果顯示: 總體上, 升溫會使?fàn)I養(yǎng)生長期歷時縮短。其中, 西南區(qū)營養(yǎng)生長期歷時對溫度最為敏感, 氣溫每升高1 ℃, 營養(yǎng)生長期歷時縮短1.84 d。全國范圍內(nèi), 夏玉米營養(yǎng)生長期歷時平均縮短幅度為0.67 d×℃-1。對生殖生長期歷時而言, 全國縮短幅度為0.75 d×℃-1。其中, 除西南區(qū)生殖生長期歷時隨升溫而延長外, 其余農(nóng)業(yè)區(qū)生殖生長期歷時均隨升溫而縮短。夏玉米整個總生育期歷時與平均氣溫、降水量關(guān)系較為一致。各農(nóng)業(yè)區(qū)的總生育期歷時均隨升溫而大幅縮短, 平均縮短幅度為2.74 d×℃-1。其中, 西南區(qū)的夏玉米總生育期歷時縮短幅度最大, 達(dá)5.04 d×℃-1。研究時間段內(nèi)總生育期歷時受降水的影響較小。

表4 2000—2013年夏玉米生育期歷時與水熱因子的多元回歸分析

1和2分別表示平均氣溫(℃)和降水量(mm),為積日(DOY)。站點數(shù)≤3的華南區(qū)和長江中下游區(qū)不做回歸分析。1and2represent annual temperature (℃) and precipitation (mm) respectively;is DOY (d). Middle and Lower Reaches of Yangtze zone, and Southwest zone have not been analyzed by regression method since the number of stations in the two zones is less than three.

2.2 冬小麥的物候特征及其與氣象因子的關(guān)系

2.2.1 冬小麥物候期時空變化特征及趨勢

全國冬小麥的物候期普遍出現(xiàn)了延后的情況。具體來看, 冬小麥播種期選取出202個連續(xù)觀測站點, 其播種期由北至南逐漸推后。其中, 黃土高原區(qū)以及新疆北部的30個站點的播種期出現(xiàn)在9月, 分布在秦嶺—淮河以北和黃土高原區(qū)等的96個站點的播種期出現(xiàn)在10月中上旬, 分布在長江中下游和西南區(qū)的72個站點的播種期出現(xiàn)在10月下旬至11月。冬小麥播種期整體上呈提前和延后的站點數(shù)相差不大, 比例為0.91, 延后的站點稍多。自南向北, 抽穗期出現(xiàn)時間跨度很大, 依次從2月到6月上旬, 其中以4月和5月抽穗的站點居多。據(jù)統(tǒng)計, 在選取的200個抽穗期連續(xù)觀測站點中, 抽穗期延后的站點數(shù)占站點總數(shù)的79%, 主要分布在黃淮海平原和黃土高原。自3月底的云南開始, 一直到8月上旬的甘肅、新疆北部和西藏等地, 冬小麥從南至北依次成熟。成熟期共選出199個連續(xù)觀測站點, 78%的站點顯示冬小麥的成熟期推遲(表5)。

表5 2000—2013年冬小麥播種、抽雄和成熟期(積日, DOY)變化趨勢的站點個數(shù)統(tǒng)計

2.2.2 冬小麥生育期及其對應(yīng)水熱條件的變化

冬小麥營養(yǎng)生長期有196個連續(xù)觀測站點, 冬小麥營養(yǎng)生長期歷時以延長為主, 有延長趨勢的站點占總站點的70%以上。研究時間段內(nèi), 60%的站點顯示營養(yǎng)生長期階段對應(yīng)的平均氣溫普遍降低, 主要分布在黃淮海平原。65%的站點顯示該階段的降水量下降。在196個站點中, 營養(yǎng)生長期歷時與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)的站點僅占40%, 其余大部分站點顯示出營養(yǎng)生長期歷時與平均氣溫呈正相關(guān), 且顯著正相關(guān)的站點比例為16%。冬小麥營養(yǎng)生長期歷時與降水量普遍為正相關(guān)關(guān)系, 76%的站點支持這一現(xiàn)象, 且40個站點通過了顯著性檢驗。即, 良好的降水條件往往會增加營養(yǎng)生長期歷時。

冬小麥生殖生長期選出198個連續(xù)觀測站點, 研究期內(nèi), 冬小麥的生殖生長期歷時以縮短為主, 縮短的站點數(shù)占總站點數(shù)的67%。生殖生長期對應(yīng)的平均氣溫除甘新區(qū)外, 其余各區(qū)均升高, 呈升溫趨勢的站點數(shù)占比達(dá)71%。該時期63%的站點表現(xiàn)為降水量降低趨勢。93%的站點顯示出冬小麥生殖生長期歷時與平均氣溫存在負(fù)相關(guān)性, 而92%的站點顯示出生殖生長期歷時與該階段降水量表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。

冬小麥總生育期有193個連續(xù)觀測站點, 其中64%的站點總生育期歷時在研究期呈延長趨勢。61%的站點顯示冬小麥總生育期時期對應(yīng)的平均氣溫降低了, 而冬小麥總生育期時期對應(yīng)的降水量普遍下降, 60%的站點呈下降趨勢。相關(guān)性分析表明: 總生育期歷時與平均氣溫呈正相關(guān)的站點居多, 占比為66%, 且達(dá)到顯著性的站點有34個。相對應(yīng), 降水量統(tǒng)計結(jié)果表明, 77%的站點顯示冬小麥總生育期歷時與降水量存在正相關(guān)關(guān)系, 且47個站點通過顯著性檢驗(表6)。

表6 2000—2013年冬小麥整個生育期水熱條件變化趨勢及其相互關(guān)系的站點個數(shù)統(tǒng)計

1) GP長度、溫度和降雨的變化趨勢的單位分別為積日(DOY)、℃和mm。1) Units of the variation trends of GP length, temperature and precipitation are DOY, ℃ and mm, respectively.

2.2.3 冬小麥生育期與水熱因子的多元回歸分析

分別對冬小麥營養(yǎng)生長期、生殖生長期及總生育期歷時與對應(yīng)時段的平均氣溫、降水量進(jìn)行多元回歸分析, 并將結(jié)果按農(nóng)業(yè)區(qū)歸并(表7)。結(jié)果顯示: 不同于夏玉米, 總體上, 升溫導(dǎo)致冬小麥的營養(yǎng)生長期歷時延長。其中, 除長江中下游區(qū)冬小麥營養(yǎng)生長期歷時略有縮短外, 其余各農(nóng)業(yè)區(qū)營養(yǎng)生長期歷時均呈現(xiàn)延長趨勢, 且黃土高原區(qū)的營養(yǎng)生長期歷時對溫度最為敏感, 延長幅度達(dá)2.68 d×℃-1。全國范圍內(nèi), 冬小麥營養(yǎng)生長期歷時平均延長幅度為1.28 d×℃-1。不同于營養(yǎng)生長期, 全國各農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥種植區(qū)生殖生長期歷時均隨升溫而縮短, 平均縮短幅度為1.93 d×℃-1。就冬小麥的總生育期歷時而言, 除西南區(qū)外, 其他農(nóng)業(yè)區(qū)總生育期歷時均隨升溫而延長, 平均延長幅度為1.11 d×℃-1。冬小麥營養(yǎng)生長期、生殖生長期和總生育期歷時均隨降水量增加而延長, 其中, 降水每增加10 mm, 營養(yǎng)生長期延長0.50 d, 生殖生長期歷時最為敏感, 延長1.0 d, 總生育期歷時延長0.31 d。

表7 2000—2013年冬小麥生育期歷時與水熱條件的擬合方程

1和2分別表示平均氣溫(℃)和降水量(mm),為積日(DOY)。站點數(shù)≤ 3的華南區(qū)和青藏區(qū)不做回歸分析。1and2represent annual temperature (℃) and precipitation (mm) respectively;is DOY (d). Qinghai-Tibet and Southwest zones have not been analyzed by regression method since the number of station in the two zones are less than three.

3 討論

在全球升溫的大背景下, 溫度變化存在著時間和空間的差異。就中國而言, 進(jìn)入2000年以來, 部分區(qū)域出現(xiàn)升溫變緩甚至停滯的情況[26]。我們之前的研究也證實在中國某些區(qū)域甚至出現(xiàn)了降溫[22], 該結(jié)果是對應(yīng)于年值氣候數(shù)據(jù)而言的。而本研究結(jié)果也顯示: 雖然夏玉米總生育期內(nèi)的溫度均呈現(xiàn)出一定程度的升高現(xiàn)象, 但冬小麥總生育期內(nèi)的氣溫卻呈現(xiàn)出下降的站點居多。這些結(jié)果都對應(yīng)的是生育期內(nèi)的溫度變化情況, 本研究進(jìn)一步分析了年值氣溫和生育期內(nèi)氣溫的對應(yīng)關(guān)系。

夏玉米和冬小麥輪作站點有56個, 主要分布在黃淮海和黃土高原兩個區(qū), 此外在新疆和四川也分布有若干站點。本研究比較了輪作站點當(dāng)年氣溫和降水年值數(shù)據(jù)與兩種作物整個總生育期階段對應(yīng)的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)。結(jié)果顯示: 56個站點的總生育期平均氣溫與年均氣溫之間均呈正相關(guān), 且89%的站點通過了0.1水平顯著性檢驗(表8)?？偵诮邓颗c年降水量的相關(guān)性分析表明: 89%的站點顯示兩者為正相關(guān)關(guān)系, 且通過0.1水平顯著性檢驗的站點達(dá)到40個。該結(jié)果一方面說明年值氣溫數(shù)據(jù)與生育期氣溫一致性較好而降水則稍差, 在以后的大樣本分析中, 可采用年值氣溫數(shù)據(jù)來替代生育期的氣溫數(shù)據(jù); 另一方面也再次證實了氣溫變化的區(qū)域及時間差異, 2000年以來降溫現(xiàn)象在中國站點尺度是客觀存在的。

表8 冬小麥夏玉米輪作站點年值氣候與生育期氣候的相關(guān)性統(tǒng)計表

水熱條件對作物物候及生育期影響很大, 而人為因素、作物品種特性、生產(chǎn)方式和農(nóng)業(yè)耕種技術(shù)等的影響也不可忽視[27-28]。特別是在分析物候起始時間時, 人為播種時間的選擇其實不僅僅只受到當(dāng)時溫度和土壤墑情的影響。本研究無法排除農(nóng)業(yè)耕作方式和意愿等因素的影響, 而播種時間又會影響到隨后的物候時間。比如: 本研究涉及的冬小麥, 播種期延后的站點數(shù)比僅為52%, 而到抽穗和成熟期, 延后的站點比接近80%, 說明在此期間的氣候和其他因素共同作用下, 冬小麥生育期延長。而不同于一般的理解, 本研究顯示, 溫度和降水均起到延長生育期的作用。

為了突出研究時段的特殊性, 我們可以對比他人的更長時間序列的研究。胡洵等[29]用1961—2008年的數(shù)據(jù)分析表明, 華北平原冬小麥生育期階段的氣溫明顯增加, 而降水量則變化較小; 但就整個中國而言, 1980—2009年很多冬小麥站點呈現(xiàn)出氣溫在生殖生長期階段下降現(xiàn)象[1]。肖登攀等[30]利用4個華北平原的站點研究, 結(jié)果顯示1980—2009年溫度均顯著升高, 相應(yīng)地, 冬小麥的抽穗期和成熟期提前, 營養(yǎng)生長期歷時縮短而生殖生長期歷時延長。其在新疆地區(qū)的研究也顯示溫度增加, 降水變化不明顯,對應(yīng)的夏玉米總生育期歷時延長, 而冬小麥營養(yǎng)生長期歷時縮短, 生殖生長期歷時延長[31]。Li等[32]的研究結(jié)果顯示, 1990—2012年, 較多的站點顯示出東北玉米的播種期和出穗期均提前, 而成熟期延后。這些研究結(jié)果與本研究有所不同, 這其實也證實了我們之前對近期氣候和物候特征變化的基本判斷。并且, 用長時間序列的數(shù)據(jù), 很難分析出氣候停滯這一近年來的基本氣候特征。因此, 與長時間序列的研究相比, 本研究結(jié)論更能對應(yīng)氣候增溫停滯期的作物物候和生育期變化。同時也提示我們, 在新的氣候環(huán)境下, 需要進(jìn)一步研究如輻射等對作物生長發(fā)育產(chǎn)生較大影響的其他氣候因素[30]。

盡管溫度對物候和生育期的關(guān)系已經(jīng)相對明了[1], 但我們和前人的研究均顯示出溫度在不同生長階段對冬小麥的影響不一[30], 比如, 雖然整體上溫度和生育期歷時以負(fù)相關(guān)為主, 但生育期歷時與溫度在某些站點還是存在著正相關(guān)性[32-33], 其具體原因還有待進(jìn)一步研究。而針對氣候因素, 可能是由于本研究時段對應(yīng)的升溫趨勢并不明顯造成的。此外, 各個區(qū)的站點數(shù)不一, 有些區(qū)的站點數(shù)有限且分布不均。從這個角度看, 該回歸方程具有一定的時間局限性。還有一個需要引起注意的是原有農(nóng)業(yè)區(qū)的氣候資源稟賦問題, 甘新區(qū)在冬小麥總生育期歷時內(nèi)的降水資源相對不足, 因此冬小麥總生育期歷時對降水的敏感性均較大, 且總生育期歷時均隨其增加而延長。此外, 本研究考慮站點的空間代表性, 所有結(jié)果都是在沒有考慮具體值的情況下, 根據(jù)站點數(shù)量的比對得到的。不同于前人直接比對作物統(tǒng)計特征值的做法[5,34], 該方法無法得到統(tǒng)計學(xué)意義上的物候和生育期變化特征量。同時, 本研究主要考慮到站點位置都有一定的空間代表性, 從而能對物候和生長期變化的結(jié)果開展空間上的判讀。因此, 這里僅對站點數(shù)本身進(jìn)行了比較, 側(cè)重分析站點數(shù)量對應(yīng)得到的趨勢的正負(fù)值, 而非特征統(tǒng)計值的具體大小和顯著性, 以避免統(tǒng)計分析各站點近十多年變化趨勢時出現(xiàn)的極大或極小值的干擾。盡管如此, 后續(xù)研究仍應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合具體變化數(shù)值加以分析。

4 結(jié)論

近十余年來氣候增溫停滯, 夏玉米和冬小麥的物候及其生長發(fā)育過程變化也出現(xiàn)了一些新的特征。相比之前對作物物候和生育期的研究多在單一作物、或在小范圍內(nèi)開展, 本研究擴(kuò)展到全國范圍的作物觀測站點, 從站點數(shù)量入手開展分析, 站點顯示的氣候和物候特征可以展現(xiàn)一定空間特征?；谟^測數(shù)據(jù)得到的基本結(jié)論有:

1)夏玉米各主要物候期均顯示出延后的趨勢。其中, 呈延后趨勢的站點在夏玉米播種期所占比重最大, 至抽雄期, 延后的站點數(shù)有所下降, 隨后的成熟期延后的站點又有增加, 延后站點數(shù)比例為64%?？傮w上, 升溫將導(dǎo)致總生育期歷時縮短, 全國平均縮短幅度為2.74 d×℃-1; 夏玉米總生育期歷時與降水之間呈正相關(guān)但其受降水的影響相對稍小, 但是其生育期歷時對溫度和降水變化均比較敏感。

2)冬小麥播種期沒有表現(xiàn)出普遍的延后或提前趨勢, 但抽穗至成熟期主要呈推遲趨勢, 其中成熟期延后的站點數(shù)比例達(dá)78%。冬小麥生育期中營養(yǎng)生長期階段和生殖生長期階段平均氣溫差異很大, 營養(yǎng)生長期階段對應(yīng)的平均氣溫普遍下降, 營養(yǎng)生長期歷時與平均氣溫呈正相關(guān); 而生殖生長期階段平均氣溫上升的站點較多且生殖生長期歷時與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)。從總生育期來看, 64%的站點分別顯示冬小麥的生育期歷時與平均溫度之間呈負(fù)相關(guān), 而77%的站點顯示冬小麥生育期歷時與年均降水呈正相關(guān)。

3)夏玉米總生育期對應(yīng)的平均氣溫呈增加和降低趨勢的站點數(shù)相同, 而總生育期階段大部分站點降水量增加; 其中, 營養(yǎng)生長期階段出現(xiàn)了一定程度的暖濕化。冬小麥總生育期中營養(yǎng)生長期階段站點普遍降溫, 而生殖生長期階段站點普遍升溫, 整個生育期階段以呈現(xiàn)冷干化趨勢的站點居多。

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Growth periods variation of summer maize and winter wheat and their correlations with hydrothermal conditions in recent years in China*

CUI Yaoping1, XIAO Dengpan2, LIU Sujie1, LI Nan1, JIANG Lin3, SHI Xinyu1, LIU Xiaomeng1, LI Jiangsu1, LU Jingqi1, QIN Yaochen1**

(1. Collaborative Innovation Center for the “Three Modernization” and Harmonious Development of Central Plains Economic Region / Key Laboratory of Geospatial Technology for the Middle and Lower Yellow River Regions, Henan University, Kaifeng 475004, China; 2. Institute of Geographical Sciences, Hebei Academy of Sciences, Shijiazhuang 050011, China; 3. Smart Tourism Cooperative Innovation Center of Central Plains Economic Zone, Henan Province / Land and Tourism College, Luoyang Normal University, Luoyang 471934, China)

Crop phenology is influenced by both climatic and agronomic conditions, especially temperature and precipitation, which directly affect tillage schedule. A climatic phenomenon of warming hiatus has been noted since 2000. This phenomenon differs with the popular views of global warming. From the perspective of crop phenology, numerous studies have been conducted to assess the changes in growth periods of summer maize and winter wheat in the past decades. A relatively clear linkage of phenology and climatic conditions has been confirmed. As necessary climatic variables for crop growth, both temperature and precipitation influence the processes of crop growth, including the time of occurrence of the main phenology and length of the growth period. However, the relationship between phenology and climatic condition in recent years has been hindered by the lack of specific analysis that corresponds this relationship with the warming hiatus. For this specific period therefore, analyzing inter-annual changes of main phenological events and exploring the relationship between phenology and temperature as well as precipitation have become necessary for assessing current and future impacts of climatic conditions on crop growth and food security. Using observed phenological and meteorological data for 2000–2013, this study focused on analyzing of phenological characteristics and variations in growth periods of summer maize and winter wheat. Corresponding matches were built among hydrothermal conditions during the growth periods of the two crops and then the relationships between the length of growth period and hydrothermal conditions were analyzed. Spatial analysis method was used to find the proximal meteorological stations to phenological stations. Also, classical statistic was used to analyze the trends in phenology of the two crops and the relationships between phenology and hydrothermal conditions. The results showed delays in the main phenological events of summer maize and winter wheat. About 64% of the observed data stations showed that maturity of summer maize had delayed and the proportion of station with delayed trends in winter wheat was 78%. For the period covered in the study, the growth periods of summer maize and winter wheat were more sensitive to temperature and precipitation changes. About 88% of the stations used for summer maize and 64% of the stations used for winter wheat showed negative correlation between growth period length and temperature. While 71% of the stations used for summer maize and 77% of the stations used for winter wheat showed positive correlation between growth period length and precipitation. The reason for these tends was attributed to climate change. Different from the general understanding of global warming, average temperature during the growth period of summer maize did not show an obvious increase or decrease in trend, but precipitation obviously increased in most of the stations. The proportion of the stations with increasing trends in precipitation was more than 68%, while both cold and dry trends were observed during the whole growth period of winter wheat. The proportion of the stations with decreasing trend in temperature or precipitation all was more than 60%. In addition, analysis of the crop rotation stations revealed that annual climate data could be used in place of climate data for the growth periods to analyze for phenology and growth of rotational crops.

Phenology; Summer maize; Winter wheat; Rotational crop; Growth period; Temperature; Precipitation; Warming hiatus

, E-mail: qinyc@henu.edu.cn

Jul. 29, 2017; accepted Sep. 8, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170693

S512.1+1; S513

A

1671-3990(2018)03-0388-09

秦耀辰, 主要研究方向為可持續(xù)發(fā)展和低碳城市模擬。E-mail: qinyc@henu.edu.cn崔耀平, 主要研究方向為土地利用和氣候變化。E-mail:cuiyp@lreis.ac.cn

2017-07-29

2017-09-08

* The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41401504, 41671425, 41401129), the Key Science and Technology Breakthrough Plan of Henan Province (152102310296), and the Science and Technology Innovation Team Support Project of Henan Province (16IRTSTHN012).

* 國家自然科學(xué)基金項目(41401504, 41671425, 41401129)、河南省重點科技攻關(guān)計劃(152102310296)和河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊支持計 劃(16IRTSTHN012)資助

崔耀平, 肖登攀, 劉素潔, 李楠, 蔣琳, 石欣瑜, 劉小萌, 李江蘇, 路婧琦, 秦耀辰. 中國夏玉米和冬小麥近年生育期變化及其與氣候的關(guān)系[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(3): 388-396

CUI Y P, XIAO D P, LIU S J, LI N, JIANG L, SHI X Y, LIU X M, LI J S, LU J Q, QIN Y C. Growth periods variation of summer maize and winter wheat and their correlations with hydrothermal conditions in recent years in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(3): 388-396