1981—2019年氣候變化對(duì)河南省冬小麥生育期的影響分析

檀艷靜，楊慧潔，李輝

（1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450003；2.周口市氣象局，河南 周口 466000；3.信陽市氣象局，河南 信陽 464000）

氣候條件是自然資源中制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分之一，農(nóng)業(yè)是對(duì)氣候變化反應(yīng)最為敏感和脆弱的領(lǐng)域之一［1，2］。大量觀測事實(shí)表明全球變暖已成為不爭的事實(shí)。IPCC第5次評(píng)估報(bào)告指出，1880—2012年全球海陸表面平均溫度升高了0.85℃，21世紀(jì)全球氣溫增幅可能超過1.5～2.5℃［3］；近 50年來中 國 平均氣溫升 高 了1.3℃［4］。氣候變暖對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［5］，對(duì)作物生長發(fā)育及其產(chǎn)量具有重要影響［6］。氣候變化對(duì)農(nóng)作物生育期的影響已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，而小麥作為主要糧食作物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中居重要地位。

研究表明，氣溫每升高1℃，冬小麥生育期將縮短 17 d［7，8］。受全球變暖影響，1961—2007年間中國冬小麥全生育期平均縮短2.2 d，其中北方冬麥區(qū)縮短3.0 d，南方麥區(qū)縮短1.9 d［9］。隨著氣溫升高，河南省小麥的播種期、出苗期、返青期明顯推遲，拔節(jié)期、開花期和成熟期顯著提前［10-12］。研究表明冬小麥春季生育期提前的主要原因在于平均氣溫的升高［13-15］，而河南省冬小麥返青后各生育期提前不僅受2—5月平均氣溫增高的影響，還受3月日照時(shí)數(shù)增加的影響［11］。此外還有研究表明，冬小麥各生育期與冬季積溫呈顯著負(fù)相關(guān)［16，17］。

河南省是我國糧食生產(chǎn)大省，是小麥主產(chǎn)區(qū)之一，在全國有著十分重要的地位。本研究利用河南省長時(shí)間尺度的氣象資料和冬小麥生育期觀測資料，分析闡明河南省冬小麥關(guān)鍵生育期的變化特征，從溫度、降水和光照三方面分析冬小麥各關(guān)鍵生育期變化的主要影響因素，以了解氣候變化對(duì)河南省冬小麥生育期的影響，為調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、合理利用氣候資源和積極應(yīng)對(duì)氣候變化提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

河南省位于中國中東部，地處中緯度（31°23′～36°22′N和 110°21′～116°39′E）內(nèi)陸地區(qū)，地勢西高東低，為亞熱帶向暖溫帶過度的大陸性季風(fēng)氣候。中部與東部為黃淮海沖積平原，西南部為南陽盆地，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%和17.7%（圖1）。主要種植制度為一年兩熟，以冬小麥-夏玉米輪作為主。

考慮到數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性，選取河南省26個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981—2019年的冬小麥生育期觀測資料和相應(yīng)站點(diǎn)的氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心及河南省氣象檔案館。生育期資料包括逐年冬小麥播種、越冬、返青、拔節(jié)、開花、成熟等關(guān)鍵生育期。為方便計(jì)算，計(jì)算生育期時(shí)采用儒略日的表示方法，如1月1日為1，12月31日為365（閏年為366）；若越冬期在翌年則在365（閏年為366）的基礎(chǔ)上加上翌年越冬期儒略日，如越冬期為翌年1月8日記為373（閏年374），越冬后生育期則正常計(jì)算。氣象數(shù)據(jù)包括逐日平均溫度、月平均氣溫、月降水量和月日照時(shí)數(shù)。

圖1 研究區(qū)域及農(nóng)試站點(diǎn)空間分布

1.2 方法

分析冬小麥關(guān)鍵生育期隨時(shí)間的變化特征采用一元線性回歸分析法［18］（公式1），顯著性檢驗(yàn)采用相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法。利用Matlab軟件對(duì)冬小麥多年變化趨勢進(jìn)行時(shí)間序列表達(dá)，并利用Arc-GIS10.0對(duì)河南省冬小麥關(guān)鍵生育期多年平均的變化趨勢特征進(jìn)行空間系統(tǒng)表達(dá)。用Microsoft Excel、SPSS統(tǒng)計(jì)軟件和 Pearson相關(guān)分析法［19］分析關(guān)鍵生育期與氣象要素的關(guān)系，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

變異系數(shù)是衡量變量變異程度的統(tǒng)計(jì)量，可反映單位均值上的離散程度，用標(biāo)準(zhǔn)差和平均值的比值表示［20］（公式 2）。

式中，a為回歸系數(shù)，b為回歸常數(shù)。a和b可以用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。文中以a的10倍作為某生育期的氣候傾向率。

式中，xi表示樣本量為n的某一生育期為 xi多年平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥關(guān)鍵生育期時(shí)間變化

由圖2、表1可知，播種期，20世紀(jì)90年代最早為10月14日，其它年代在10月18日左右，1981—2019年多年平均值在10月17日；氣候傾向率為0.4 d／10a，即每 10 a推遲 0.4 d。越冬期，20世紀(jì)80年代最早為12月23日，其它年代為12月28日，多年平均值在12月27日；氣候傾向率為1.2 d／10a，即每10年推遲1.2 d。返青期，20世紀(jì)90年代最早為2月16日，2011—2019年為2月22日，多年平均值在2月19日；氣候傾向率為1.1 d／10a，即每10 a推遲1.1 d。拔節(jié)期，21世紀(jì)00年代最早，在3月22日，最晚在20世紀(jì)80年代，為3月29日，多年平均值在3月25日；氣候傾向率為 -1.6 d／10a（P＜0.05），即每10 a提前1.6 d。開花期，最晚在20世紀(jì)80年代，為4月30日，21世紀(jì)后年代差異小，分別為4月23日、24日，多年平均值在4月27日；氣候傾向率為 -2.3 d／10a（P＜0.01），即每 10 a提前2.3 d。成熟期，最晚在20世紀(jì)80年代，為6月3日，21世紀(jì)后年代差異小，為5月30日，多年平均值在6月1日；氣候傾向率為 -1.3 d／10a（P＜0.01），即每10 a提前1.3 d。變異系數(shù)分析表明，返青期年際波動(dòng)最大，其次是拔節(jié)期，播種期最?。ū?）。

圖2 河南省冬小麥關(guān)鍵生育期出現(xiàn)日序（DOY）時(shí)間分布

表1 冬小麥關(guān)鍵生育期多年均值、氣候傾向率及變異系數(shù)

2.2 冬小麥關(guān)鍵生育期空間分布特征

由圖3可知，河南省冬小麥播種期和越冬期在空間上呈明顯的緯向分布特征，即緯度越高播種和越冬期越早。豫北一帶冬小麥播種最早，播種期在10月5—12日；豫西、豫中和豫東地區(qū)在10月13—19日；豫西南、豫南北部在10月20—25日；信陽一帶在10月26—31日。豫北北部冬小麥進(jìn)入越冬最早，越冬期在12月11—18日；豫北、豫中、豫東部分地區(qū)和西部山區(qū)在12月19—25日；豫西南、豫南和豫東部分地區(qū)在12月26日—1月1日；豫西南和豫南部分地區(qū)在1月2—9日。

河南省冬小麥返青期在空間上呈塊狀分布特征，即豫東和豫中東部地區(qū)最早開始返青，為2月14—17日；濮陽一帶、西部山區(qū)和局部地區(qū)最晚進(jìn)入返青期，為2月21—27日；其它地區(qū)2月18—20日進(jìn)入返青期。

河南省冬小麥拔節(jié)期空間分布特征不明顯，即內(nèi)鄉(xiāng)、西平、駐馬店和沈丘局部地區(qū)冬小麥最早開始拔節(jié)，為3月15—21日；豫北北部和西部山區(qū)等地區(qū)最晚進(jìn)入拔節(jié)期，為3月28日—4月2日，尤其是盧氏、欒川等地區(qū)為4月3—9日；大部分地區(qū)3月22—27日進(jìn)入拔節(jié)期。

河南省冬小麥開花和成熟期空間分布特征較一致，均呈明顯的緯向分布特征，即緯度越高，冬小麥開花和成熟越晚。豫南、豫西南和沈丘等地區(qū)冬小麥開花最早，為4月22—25日；豫中、豫東和豫西南部分地區(qū)4月26—29日進(jìn)入開花期；豫北、西部山區(qū)等地區(qū)開花較晚，為4月30日—5月3日，盧氏、欒川等局部地區(qū)開花最晚為5月4—7日。豫南、豫西南和伊川等地區(qū)冬小麥成熟最早，為5月26—30日；豫北、豫中和豫東地區(qū)5月31日—6月4日進(jìn)入成熟期；林州、濮陽一帶和西部山區(qū)成熟較晚，為6月5—9日，盧氏、欒川一帶成熟最晚，為6月10—14日。

2.3 氣象要素對(duì)關(guān)鍵生育期的影響

由1981—2019年冬小麥關(guān)鍵生育期（河南省26個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測站）與各月平均氣溫的相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，播種期與9月平均氣溫、越冬期與12月平均氣溫、返青期與2月平均氣溫、拔節(jié)期與2月平均氣溫、開花期與3月平均氣溫、成熟期與5月平均氣溫相關(guān)關(guān)系最顯著。播種期與9月平均氣溫、越冬期與12月平均氣溫呈顯著正相關(guān)（圖4a、b），相關(guān)系數(shù)分別為0.217和0.499（P＜0.01），即月平均氣溫升高，播種期和越冬期延遲；月平均氣溫每升高1℃，播種期和越冬期分別推遲1.46 d和4.41 d。返青期和拔節(jié)期與2月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4c、d），相關(guān)系數(shù)分別為-0.387和-0.560（P＜0.01）；開花期與3月平均氣溫、成熟期與5月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖4e、f），相關(guān)系數(shù)分別為 -0.675和-0.618（P＜0.01）。表明月平均氣溫升高，返青期、拔節(jié)期、開花期和成熟期提前，月平均氣溫每升高1℃，4個(gè)生育期分別提前1.66、3.01、2.38 d和2.55 d。

冬小麥關(guān)鍵生育期與各月降水量的相關(guān)分析結(jié)果（圖5）表明，播種期與8—10月降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與10月的相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)為0.408（P＜0.01）；越冬期與10月—翌年1月降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與1月的相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)為0.268（P＜0.01）；返青期與10—11月、翌年1—2月降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與12月降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與2月降水量相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)為0.08（P＜0.05）；拔節(jié)期與全生育期內(nèi)各月降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與3月降水量相關(guān)最顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.245（P＜0.01）；開花期與全生育期內(nèi)各月降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與4月降水量相關(guān)最顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.246（P＜0.01）；成熟期與全生育期內(nèi)各月降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與1月降水量相關(guān)最顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.223（P＜0.01）。播種期、越冬期、返青期與月降水量呈正相關(guān)關(guān)系，表明月降水量增加，播種期、越冬期和返青期推遲；月降水量增加10mm，3個(gè)發(fā)育期分別推遲0.8、2.2 d和 0.4 d（圖5a、b、c）。拔節(jié)期、開花期、成熟期與月降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明月降水量增加，拔節(jié)期、開花期、成熟期提前；月降水量增加10 mm，3個(gè)生育期分別提前0.9、0.5 d和0.8 d（圖5d～f）。

圖3 河南省冬小麥關(guān)鍵生育期空間分布

圖4 河南省冬小麥關(guān)鍵生育期與月平均氣溫相關(guān)關(guān)系分布

由圖6看出，播種期與8—10月日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與10月日照時(shí)數(shù)相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.314（P＜0.01）；越冬期與10月—翌年1月日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與1月的相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.141（P＜0.01）；返青期與11—12月日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系、與1—2月日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與1月的相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)為 -0.141（P＜0.01）；拔節(jié)期與全生育期內(nèi)各月日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，與12月的相關(guān)最顯著，相關(guān)系數(shù)為0.265（P＜0.01）；開花期與全生育期內(nèi)各月日照時(shí)數(shù)以正相關(guān)關(guān)系為主，與3月日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與4月日照時(shí)數(shù)相關(guān)最顯著，相關(guān)系數(shù)為0.224（P＜0.01）；成熟期與全生育期內(nèi)各月日照時(shí)數(shù)以正相關(guān)關(guān)系為主，與3月日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與1月日照時(shí)數(shù)相關(guān)最顯著，相關(guān)系數(shù)為0.278（P＜0.01）。播種期、越冬期、返青期與月日照時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明月日照時(shí)數(shù)增加，3個(gè)生育期提前；月日照時(shí)數(shù)增加10 h，3個(gè)生育期分別提前0.8、0.6 d和0.3 d（圖6a～c）。拔節(jié)期、開花期、成熟期與月日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，表明月日照時(shí)數(shù)增加，拔節(jié)期、開花期、成熟期推遲；月日照時(shí)數(shù)增加10 h，3個(gè)發(fā)育期分別推遲0.7、0.5 d和0.5 d（圖6d～f）。

圖5 河南省冬小麥關(guān)鍵生育期與月降水量相關(guān)關(guān)系分布

3 討論與結(jié)論

本研究基于河南省26個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981—2019年冬小麥生育期觀測資料和氣象觀測數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸分析法、Pearson相關(guān)分析法等分析小麥生育期變化、生育期與氣象要素的關(guān)系，具體結(jié)論如下：

3.1 1981 —2019年河南省冬小麥播種期、越冬期和返青期隨時(shí)間呈推遲趨勢，每10 a分別推遲0.4、1.2 d和1.1 d，拔節(jié)期、開花期和成熟期呈提前趨勢，每10 a分別提前1.6、2.3 d和1.3 d。返青期年際波動(dòng)最大，其次是拔節(jié)期，播種期最小。

3.2 河南省冬小麥播種期和越冬期在空間上呈明顯的緯向分布特征，即緯度越高，播種和越冬期越早；返青期在空間上呈塊狀分布特征；拔節(jié)期空間分布特征不明顯；開花和成熟期空間分布特征較一致，均呈明顯的緯向分布特征，即緯度越高，冬小麥開花和成熟越晚。

3.3 播種期與9月平均氣溫、越冬期與12月平均氣溫呈顯著正相關(guān)關(guān)系，返青期、拔節(jié)期與2月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，開花期與3月平均氣溫、成熟期與5月平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。播種期與10月降水量、越冬期與1月降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，返青期與2月降水量、拔節(jié)期與3月降水量、開花期與4月降水量、成熟期與1月降水量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。播種期與10月日照時(shí)數(shù)、越冬期與1月日照時(shí)數(shù)、返青期與1月日照時(shí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，拔節(jié)期與12月日照時(shí)數(shù)、開花期與4月日照時(shí)數(shù)、成熟期與1月日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

圖6 河南省冬小麥關(guān)鍵生育期與月日照時(shí)數(shù)相關(guān)關(guān)系分布

本研究表明河南省冬小麥播種期、越冬期、返青期推遲，拔節(jié)期、開花期和成熟期顯著提前，這一結(jié)論與已有研究一致［10-12，21，22］。從實(shí)際生產(chǎn)上看，河南省冬小麥播期不宜過晚，尤其是中北部，適期播種既可抵御暖冬凍害，也可以避免冷冬年冬前積溫不足導(dǎo)致的苗小苗弱［23］。冬小麥成熟期提前，在一定程度上可以避免初夏高溫對(duì)冬小麥生產(chǎn)的影響；此外成熟期提前，有利于麥?zhǔn)蘸蠹皶r(shí)進(jìn)行復(fù)種，延長復(fù)種作物生長期，這對(duì)有效提高復(fù)種指數(shù)、充分利用氣候資源和提高糧食總產(chǎn)具有重要意義［24］。由于河南省區(qū)域內(nèi)小麥種植品種較多且差異較大，因此在分析冬小麥生育期歷史觀測資料時(shí)難以剔除品種對(duì)其影響，而這在未來研究中可以通過單一品種試驗(yàn)等方法實(shí)現(xiàn)。