新源縣冬小麥對氣候變化的響應(yīng)

嚴(yán) 華，馬玉平，晏中文

（1.新源縣氣象局，新疆 新源 835800；2.伊犁州氣象局，新疆伊寧 835000）

IPCC第五次評估報告（IPCC，2013）指出，過去30 a地球表面溫度比1850年以來的任何一個10 a都高，降水量的區(qū)域性差異進(jìn)一步增加[1]。全球主要干旱區(qū)近百年呈明顯變干趨勢，且氣候變暖時段干旱年發(fā)生概率明顯偏高[2]。農(nóng)業(yè)是受氣候變化影響很大的行業(yè)，由于光熱水資源的不同，各地的作物種類、品種、種植制度也相應(yīng)不同[3]。以氣溫升高為主要特點(diǎn)的氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響已引起人們的普遍關(guān)注。權(quán)暢等[4]指出就全國范圍氣候變暖將使糧食產(chǎn)量呈下降趨勢，但各區(qū)域不同。肖登攀等[5]研究1981—2019年華北平原冬小麥物候的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)過去30 a華北平原冬小麥播種、出苗、越冬開始期推遲，返青、開花、成熟期提前，整個生育期呈減少趨勢。侯學(xué)會等[6]指出在西北內(nèi)陸3月最低溫度對返青期的影響最顯著，成熟期主要受3—4月平均溫度的影響，1—3月降水對返青期、1—5月降水對成熟期的正效應(yīng)均達(dá)到顯著性水平，降水增加對冬小麥生長有利，可延緩干旱導(dǎo)致的物候提前。檀艷靜[7]發(fā)現(xiàn)河南省冬小麥氣象產(chǎn)量與出苗—返青期、返青—開花期、開花—成熟期各階段最高溫度均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與這三個階段最低溫度均為正相關(guān)關(guān)系，與出苗—返青期、返青—開花期降水為正相關(guān)關(guān)系，與開花—成熟期降水為負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣候變暖還極大地影響了農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，王鶴齡等[8]研究認(rèn)為甘肅省冬小麥適宜種植區(qū)北界20世紀(jì)90年代比60年代向西北擴(kuò)展100~200 km，適宜種植區(qū)的海拔也比過去升高了300~400 m。

近50 a來，新疆氣候變暖、降水增多的趨勢明顯，極端冷暖事件發(fā)生的日數(shù)趨于減少，極端冷暖事件強(qiáng)度也具有顯著減小的趨勢[9]。氣候變暖使新疆冬小麥播期推遲，全生育期縮短[10]。20世紀(jì)80年代后期，新疆北部從一年一熟為主轉(zhuǎn)變?yōu)槎耆旌鸵荒甓鞛橹鱗11]。新疆由于地域廣闊，氣候多樣，各地農(nóng)業(yè)氣候資源差異較大，對農(nóng)作物的影響因子也不盡相同。冬小麥生長季內(nèi)前期氣溫偏低、后期氣溫偏高是影響南疆巴楚縣冬小麥產(chǎn)量的主要?dú)夂蛞蜃覽12]，北疆吉木乃縣春、夏季0、10℃積溫與春小麥產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系顯著[13]。在全球變暖背景下，研究新源縣氣候變化對當(dāng)?shù)囟←湹挠绊懠叭绾尾扇≮吚芎Υ胧┦强h域經(jīng)濟(jì)亟待解決的問題，也是為農(nóng)服務(wù)的要求。

新源縣（82°28'~84°57'E、43°01'~43°40'N）位于新疆北部的伊犁河谷東部，地形東高西低、三面環(huán)山、西部敞開，全縣總面積7 581 km2，海拔792~4 621 m，屬于溫帶大陸性半干旱氣候；主要種植小麥、玉米等糧食作物，其中冬小麥在小麥面積及產(chǎn)量中占據(jù)主要地位。本文分析了新源縣冬小麥生育期氣候特點(diǎn)，冬小麥主要生育期及產(chǎn)量變化，影響冬小麥的關(guān)鍵氣候因子，以期為冬小麥應(yīng)對氣候變化與穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供參考。

1 資料及方法

1.1 資料來源

采用新源縣氣象站（83°18'E，43°27'N）1981—2018年地面觀測資料，冬小麥生育期數(shù)據(jù)來自該站農(nóng)氣觀測報表，冬小麥產(chǎn)量來自新源縣統(tǒng)計(jì)局。冬小麥屬于越冬跨年作物，故將冬小麥?zhǔn)斋@年度作為生育年度（1982—2018年）。文中四季劃分：3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

1.2 研究方法

文中用一元線性回歸系數(shù)求出各要素的傾向率，利用pearson相關(guān)系數(shù)求各要素之間的相關(guān)性。作物的產(chǎn)量可以分離為時間趨勢產(chǎn)量與氣候產(chǎn)量之和，時間趨勢產(chǎn)量主要受品種、施肥水平、水利條件、栽培技術(shù)等影響，氣候產(chǎn)量指天氣氣候因素對產(chǎn)量的影響[14]。本文用3a直線滑動平均法[15]計(jì)算冬小麥的時間趨勢產(chǎn)量，該方法結(jié)合線性回歸方程與滑動平均法，既過濾了產(chǎn)量的波動，數(shù)據(jù)又沒有損失；從每年的實(shí)際產(chǎn)量中減去時間趨勢產(chǎn)量，得到當(dāng)年的氣候產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生長季氣候特征

新源縣冬小麥平均播種期是10月上旬，成熟期為7月上旬（表1），故10月上旬至翌年7月上旬可視為冬小麥生長季。生長季平均氣溫為4.5~8.1℃，多年平均氣溫為6.4℃；降水量為270.2~568.4 mm，平均降水量為413.8 mm；日照時數(shù)為1 843.4~2 189.1 h，平均達(dá)1 993.6 h。

表1 新源縣冬小麥主要生育期及傾向率

冬前（10月上旬—11月中旬）氣溫趨勢系數(shù)大多為正（圖1a），說明冬前以升溫為主。越冬前中期（11月下旬—2月中旬）趨勢系數(shù)有正有負(fù)，但均未通過顯著性檢驗(yàn)，該時段是新源縣冬季，氣溫變化不明顯，其中1月中旬溫度居全年最低，該旬氣溫呈上升趨勢，利于緩解低溫。年極端低溫出現(xiàn)在越冬期，一般5 cm雪深可以抵御-25℃低溫，10 cm雪深可以抵御-30℃低溫[16]。37 a來新源縣極端最低溫度在-13~-26℃，常年雪深在10 cm以上，越冬期間累積負(fù)積溫呈不顯著減少趨勢（y=2.29x-498.7，P=0.248），所以冬小麥因極端低溫產(chǎn)生凍害的可能性小，能安全過冬。

越冬期后期（2月下旬—3月上旬）氣溫上升趨勢顯著（P＜0.05），開春后各旬氣溫均呈上升趨勢。返青期（3月中、下旬）旬平均氣溫上升趨勢非常顯著（P＜0.01），冬小麥隨之開始快速恢復(fù)生長。4月上、中旬日平均氣溫上升到10℃以上，冬小麥逐漸進(jìn)入拔節(jié)期，拔節(jié)前后旬溫度比較穩(wěn)定，上升趨勢不顯著。5月中下旬小麥抽穗揚(yáng)花期平均氣溫為16.9~17.8℃，在適宜溫度16~22℃范圍內(nèi)。灌漿成熟期冬小麥適宜溫度為20~25℃，新源縣冬小麥6月開始進(jìn)入灌漿期，6月上、中旬與7月上旬盡管氣溫上升趨勢非常顯著（P＜0.01），但平均氣溫在20.0~21.5℃，仍在適宜溫度內(nèi)。

冬小麥生長季降水冬前較多，越冬期少，開春后較多，呈現(xiàn)U字型（圖1b），符合作物生長用水規(guī)律。各旬中僅1月中旬降水量增加趨勢通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。從趨勢上看，冬小麥生長前中期降水以增加為主，后期（6—7月）降水呈減少趨勢。

冬小麥生長季日照時數(shù)與降水分布類似（圖1c），也是呈現(xiàn)“多—少—多”的分布。近37 a秋、冬季日照時數(shù)呈減少趨勢，返青恢復(fù)生長后逐漸增加，但全部生育期僅7月上旬成熟期日照時數(shù)增加趨勢明顯（P=0.041）。

圖1 新源縣1982—2018年冬小麥生長季旬平均溫度（a）、旬降水量（b）、旬日照時數(shù)及趨勢系數(shù)

2.2 冬小麥生長特征

2.2.1 冬小麥主要生育期特征及其變化

新源縣冬小麥越冬前生長期約一個半月，越冬期近4個月，春季返青后冬小麥恢復(fù)生長，大約40 d后開始拔節(jié)，5月是孕穗、抽穗、開花期，6月灌漿期，乳熟后約20 d成熟，全生育期是250~301 d。

冬小麥以變化不顯著的越冬開始期為界（表1），之前各生育期均顯著推遲，之后各主要生育期除了成熟期提前趨勢不顯著外，其余均顯著提前，其中拔節(jié)、抽穗、乳熟期提前趨勢通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)。

由表2可知，出苗—越冬開始期之間的間隔天數(shù)顯著減少，原因可能是播種期顯著延后，出苗期相應(yīng)地延后，但越冬開始期變化不顯著，導(dǎo)致出苗—越冬開始期間隔日數(shù)以8.1 d/10 a的速率縮短。開春后主要生育期之間的間隔呈縮短—延長交替狀態(tài)，除乳熟—成熟期間隔顯著延長，其他各間隔變化趨勢未通過顯著性檢驗(yàn)。

表2 新源縣冬小麥主要生育期歷期傾向率

2.2.2 冬小麥主要生育期年代變化

按年代統(tǒng)計(jì)（表3），冬小麥播種期從20世紀(jì)80年代的9月下旬逐漸推遲到90年代、21世紀(jì)前10 a的10月上旬，至10年代平均播種期推遲至10月中旬，推遲了近20 d；出苗期相應(yīng)地推遲近20 d。越冬開始期與返青期、成熟期年代變化不大，拔節(jié)—乳熟的主要生育期21世紀(jì)10年代比20世紀(jì)80年代提前了10 d左右。全生育期呈顯著縮短趨勢（y=-0.638 5x+284.78，P＜0.001），從286 d減少到265 d。

表3 新源縣冬小麥主要生育期年代際變化

出苗—越冬開始期間隔明顯縮短，從20世紀(jì)80年代的41 d到90年代、21世紀(jì)前10 a的30多天，21世紀(jì)10年代減少至21 d。返青—拔節(jié)期共縮短7 d，乳熟—成熟期延長7 d，其他發(fā)育期間隔變化不大，多在2 d內(nèi)。

總的來說，新源縣冬小麥主要生育期20世紀(jì)90年代與80年代比較，冬前推遲較明顯，開春后提前較明顯。21世紀(jì)前10 a與20世紀(jì)90年代相比，冬前主要生育期略提前，開春后提前較明顯。21世紀(jì)10年代較前10 a冬前主要生育期推遲，開春后各生育期出現(xiàn)時間接近。

2.3 冬小麥產(chǎn)量特征

隨著生產(chǎn)力、田間管理等水平的提高，冬小麥實(shí)際產(chǎn)量波動上升（圖2），每年增速為102.41 kg/hm2（P＜0.001），氣候產(chǎn)量多年變化趨勢不明顯，但年際變化在-439.4~360.7 kg/hm2，氣候的影響導(dǎo)致每公頃冬小麥產(chǎn)量差別達(dá)到800 kg。37 a間有20 a氣候產(chǎn)量為負(fù)，有17 a為正。

圖2 新源縣1982—2018年冬小麥產(chǎn)量

2.4 氣象要素對冬小麥的影響

2.4.1 氣象要素對冬小麥生育期的影響

近37 a新源縣冬小麥播種期從9月下旬逐漸延遲到10月上、中旬，事實(shí)上10月上旬氣溫、降水、日照增長趨勢均不顯著，10月中旬僅氣溫升高趨勢顯著（P＜0.05），播種期與10月各旬月溫度、降水、日照相關(guān)關(guān)系均未通過顯著性檢驗(yàn)，播種期的延遲可能是人們判斷溫度升高主觀上推遲播種造成的。冬小麥適宜播種期應(yīng)該是日平均氣溫降至15~17℃，適宜出苗的日平均溫度為15~18℃，適時播種的冬小麥冬前＞0℃積溫達(dá)到450~500℃·d時能形成壯苗[16]。新源縣冬小麥播種期日平均氣溫隨著播期的推遲而降低，21世紀(jì)10年代達(dá)到最低，為11.1℃；出苗期溫度在7.5~9.7℃，越冬前＞0℃的平均積溫為333.3℃·d，37 a來呈下降趨勢（y=-4.556 6x+430.76，R2=0.123 9），近10 a冬前積溫嚴(yán)重不足，平均為216℃·d，各項(xiàng)指標(biāo)均低于適宜標(biāo)準(zhǔn)，可見新源縣冬小麥播種期總體偏晚，不利于冬前壯苗。新源縣9月下旬平均氣溫為14.7~15.7℃，9月25—29日播種，越冬始期＞0℃積溫基本在450~500℃·d，所以9月第六候是新源冬小麥的適播期，不宜太晚。

出苗期與10月下旬日照時數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（P=0.022），說明日照越充足，出苗越早。出苗期與10月平均溫度呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），這主要是因播種期推遲所致。

越冬開始期與11月中下旬氣溫顯著正相關(guān)（P＜0.001），與10月上旬降水呈顯著負(fù)相關(guān)（P=0.022），與10—11月月降水呈負(fù)相關(guān)。在農(nóng)業(yè)氣象觀測中越冬開始期是以5 d滑動平均氣溫達(dá)到0℃以下來確定。新源縣11月中下旬氣溫與10—11月各旬降水比較穩(wěn)定，越冬開始期出現(xiàn)日期各年代變化不大，基本出現(xiàn)在11月下旬。

12月—翌年1月各旬的光熱水與冬小麥各生育期均未通過顯著性檢驗(yàn)（P＞0.05）。翌年7個主要生育期（返青—成熟期）出現(xiàn)時間與全生育期內(nèi)各旬平均溫度均呈負(fù)相關(guān)（表4），即全生育期內(nèi)各旬溫度越高，返青—成熟期越早。全生育期與各旬降水除了成熟期與4月中旬降水量呈顯著正相關(guān)（P=0.019）外，與其他各旬降水量關(guān)系均不顯著。全發(fā)育期與2月之前各旬日照時數(shù)呈不顯著相關(guān)，與2月之后各旬日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)。表4、表5分別列出了7個主要生育期與旬溫度、日照時數(shù)的相關(guān)系數(shù)，可以看出，3月上、中旬平均溫度對返青后各生育期的影響最為顯著，這兩旬氣溫上升顯著，中旬氣溫已達(dá)到3.0℃，北方麥區(qū)日平均氣溫達(dá)到3.0℃冬小麥返青[17]。新源縣冬小麥返青期近37 a已由3月下旬提前至3月中旬。冬小麥生長中后期由營養(yǎng)生長、生殖生長并進(jìn)轉(zhuǎn)為生殖生長為主，除孕穗期（5月中旬）與乳熟期（6月中旬）、成熟期（7月上旬）氣溫上升趨勢顯著，其他生育期氣溫變化不顯著，各生育期氣溫均在適宜溫度范圍內(nèi)，因此中后期各生育期大多無顯著變化，冬小麥穗分化、子粒形成、灌漿過程都比較穩(wěn)定，利于小麥穩(wěn)產(chǎn)。4月中旬是冬小麥拔節(jié)前，充沛的降水有利于延緩成熟期，延長灌漿時間，增加粒重。

表4 返青—成熟期與主要旬氣溫相關(guān)系數(shù)

表5 返青—成熟期與主要旬日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)

日照時數(shù)是以2月中旬與5月下旬影響較明顯。2月中旬日照時數(shù)越長，返青、孕穗、抽穗、成熟期越早。5月下旬日照時數(shù)與開花、乳熟期呈顯著負(fù)相關(guān)，大量的日照可以促進(jìn)冬小麥提前進(jìn)入灌漿階段。新源縣近37 a來2月中旬與5月下旬日照變化趨勢不明顯，所以日照對生育期的影響不大。

全生育期長度與生育期內(nèi)溫度、日照時數(shù)呈負(fù)相關(guān)，與降水呈正相關(guān)，即溫度越高、日照時數(shù)越長，生育期越短，降水越多，生育期越長。新源縣春、夏、秋季氣溫上升趨勢顯著（P春＜0.001，P夏＜0.001，P秋=0.041），春溫升幅最大，達(dá)到0.83℃/10 a，生育期長度與春季、夏季平均氣溫正相關(guān)系數(shù)分別通過了0.01、0.05的顯著性檢驗(yàn)（表6）。盡管全生育期呈縮短趨勢，但結(jié)合表1、表3可知，冬小麥越冬開始期與成熟期無顯著變化，且該時段內(nèi)各生育期日數(shù)僅乳熟—成熟期間隔顯著延長，其它各生育期未出現(xiàn)明顯變化，這一方面保證了冬小麥開春后吸收充足的光熱水資源，另一方面也說明全生育期日數(shù)縮短主要是播期推遲造成的。

表6 全生育期長與各要素的相關(guān)系數(shù)

2.4.2 氣象要素對冬小麥產(chǎn)量的影響

計(jì)算冬小麥氣候產(chǎn)量與生長季各旬平均溫度、降水、日照時數(shù)、年極端最低氣溫、各階段＞0℃積溫、越冬期負(fù)積溫、旬平均雪深的相關(guān)系數(shù)，表7列出了通過顯著性檢驗(yàn)的7個氣象要素。

表7 新源縣冬小麥氣候產(chǎn)量與要素相關(guān)系數(shù)

氣候產(chǎn)量與播種期降水、越冬前日照呈正相關(guān)，是因?yàn)椴テ诔渥愕慕邓梢栽黾油恋睾?，縮短出苗天數(shù)，增加出苗率。11月中、下旬冬小麥進(jìn)入抗寒鍛煉第一階段，日光充足涼爽的天氣有利于冬麥體內(nèi)糖分的積累，可溶性糖分含量直接影響到抵御冬季低溫的能力，還關(guān)系到翌年生命活動。

新源縣1月中旬是最冷旬，2月上旬氣溫下降的趨勢系數(shù)最大，冬季這兩旬平均氣溫和越冬期負(fù)積溫與冬小麥氣候產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。由于新源縣冬小麥播種晚，冬前正積溫不夠，有的年份麥苗未達(dá)到長出2～3個分蘗的壯苗標(biāo)準(zhǔn)，甚至還未到三葉期就進(jìn)入越冬期開始休眠。在穩(wěn)定積雪覆蓋下，越冬期溫度高，冬小麥有緩慢的生長過程，彌補(bǔ)了冬前生育期不足，利于分蘗數(shù)的增加[18]。

3月中旬雪深與氣候產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)，此時雪深厚則麥苗在雪下持續(xù)時間長，植株返青慢，長勢弱，分蘗成穗低，容易減產(chǎn)，另一方面越冬期太長容易引發(fā)雪腐病。近37 a新源縣3月各旬增溫明顯，促進(jìn)積雪融化，縮短越冬期，大大降低了雪腐病的發(fā)生。

3月中下旬冬麥返青開始恢復(fù)生長，進(jìn)入光照階段，穗分化開始，穗分化時間長可以增加每穗的穗粒數(shù)，但長日照促進(jìn)穗分化，縮短發(fā)育期，不利于穗粒數(shù)增加。

這7個要素雖然與氣候產(chǎn)量相關(guān)關(guān)系顯著，但37 a來變化都不顯著，對增加氣候產(chǎn)量的作用有限。根據(jù)上述分析如果新源縣冬小麥播種期提前至9月下旬，較平均播期（10月上旬）氣溫高、降水少，針對播前墑情比較差、未造墑的地塊，播種應(yīng)及時澆蒙頭水，促進(jìn)種子吸水萌發(fā)。

3 結(jié)論與討論

新源縣冬小麥生育期以越冬開始為界，之前主要生育期顯著推遲，之后主要生育期除成熟期提前趨勢不顯著，其它均顯著提前。越冬開始期近37 a基本出現(xiàn)在11月下旬。從年代變化看，播種期及受其影響的出苗期變幅最大，達(dá)20 d左右；拔節(jié)至乳熟之間各生育期變幅在10 d左右；返青期、成熟期變幅最小。

冬小麥全生育期顯著縮短，主要是播種期延遲造成的，播種期溫度偏低，無法在入冬前形成壯苗，建議播種期提前至9月第六候，如果此階段溫度偏高，可適當(dāng)推遲至10月第一候。出苗—越冬開始期縮短、乳熟—成熟期延長趨勢均通過了顯著性檢驗(yàn)，其它各生育期之間間隔變化不顯著，所以冬小麥返青后有足夠的時間吸收光熱水資源。

冬小麥春、夏季處于旺盛生長階段，新源縣光熱水資源主要集中在該階段，水熱同季對冬小麥生長有利。盡管春、夏季溫度呈極顯著上升趨勢，但由于同期小麥生長各生育期呈提前趨勢，因此小麥春、夏季各生育期的溫度條件仍在適宜范圍內(nèi)。

影響新源縣冬小麥氣候產(chǎn)量的氣象要素變幅不顯著，增加氣候產(chǎn)量要從播期入手，選擇合適播期，澆蒙頭水，促進(jìn)出苗率，增加冬前積溫，形成壯苗。若播種期受降雨的影響推遲，則應(yīng)加大播種量，確保出苗率和基本苗[19]。

新源縣屬于灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，以水澆地為主，一般在拔節(jié)與乳熟期有人工灌溉滿足冬小麥對水分的需求，降水對新源縣冬小麥的影響較小可能與此有關(guān)。本文僅考慮了溫度、降水、日照對冬小麥的影響，有一定的局限性，有待于進(jìn)一步的研究。