基于氣候變暖背景的西安市冬小麥適播期分析

曲 靜，王 楠，樊婷麗，金麗娜

(1.西安市氣象局， 陜西 西安 710016；2.西安地球環(huán)境創(chuàng)新研究院， 陜西 西安 710000)

0 前言

【研究意義】小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物之一，在糧食生產(chǎn)中所起的作用不容忽視。近年來,在全球氣候變暖大背景下,小麥的生長發(fā)育、品種、種植制度等發(fā)生了一系列變化[1-4]。適期播種是促進(jìn)冬小麥一播全苗,形成冬前壯苗的關(guān)鍵技術(shù),也是達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)。播種過早由于氣溫較高,麥苗冬前生長旺盛,形成旺苗,消耗大量養(yǎng)分,越冬期間容易遭受凍害；播種過晚由于氣溫較低,冬前生長積溫不足,麥苗個體弱,不利安全越冬,也影響產(chǎn)量的提高[5-7]。因此，探明不同區(qū)域冬小麥適播期及預(yù)報方法,明確當(dāng)?shù)囟←溸m播溫度指標(biāo)和適播期，對促進(jìn)冬小麥生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。【前人研究進(jìn)展】針對氣候變化對冬小麥播種期的影響研究多有報道[8-11]，指出冬小麥播種期間氣溫、冬前積溫及冬季負(fù)積溫等的變化特征及對冬小麥生長的潛在影響，提出冬小麥已不能參照傳統(tǒng)的觀念播種,而應(yīng)該向后推遲，適當(dāng)晚播?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前針對冬小麥適宜播種期指標(biāo)及預(yù)報的研究較少[12-15],針對陜西省冬小麥適宜播種期指標(biāo)的研究更缺乏[16-17]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用氣候傾向率、M-K檢驗(yàn)、積溫學(xué)等氣候統(tǒng)計分析方法,對西安市7個區(qū)(縣)近58年氣溫、積溫的氣候傾向率、突變、冷暖冬年等氣候特征進(jìn)行分析,明確小麥適播溫度指標(biāo)和適播期預(yù)報方法,以增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣候變化的應(yīng)變能力,為當(dāng)?shù)囟←溸m時播種提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

播種期資料來源于西安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心調(diào)查統(tǒng)計的近10年冬小麥實(shí)際播種日期。氣象資料來源于1961—2018年西安、臨潼、長安、鄠邑、周至、藍(lán)田和1971—2018年高陵7個國家氣象站的當(dāng)年9月至翌年2月逐日平均氣溫。

1.2 研究方法

1.2.1 氣象指標(biāo)分析 采用一元線性回歸[18-19]方法分析西安市1961—2018年的10月上中旬平均氣溫之間的線性關(guān)系。采用線性趨勢對播種期氣溫、冬前積溫等進(jìn)行變化趨勢分析。冬前積溫指冬小麥播種次日到停止生長期日平均氣溫≥0℃的積溫(采用5日滑動平均法[20],以第一次5日平均氣溫降到0℃的最后一天為準(zhǔn),即日平均氣溫≥0℃的終日)。為便于日期統(tǒng)計,以1月1日為起點(diǎn)記為1,2月1日記為32,以此類推。采用M-K檢驗(yàn)方法分析冬前平均氣溫和積溫的時間變化特征。

1.2.2 小麥生長溫度指標(biāo)分析 采用積溫學(xué)指標(biāo)[21]確定冬小麥適宜播種期溫度指標(biāo)，并結(jié)合散點(diǎn)圖對冬小麥適播期進(jìn)行分析。專家研究表明[22-24],冬小麥冬前積溫低于400℃，難以形成壯苗；高于750℃容易造成冬前旺苗。因此，以冬前積溫500～600℃為冬小麥適宜播種期的溫度指標(biāo)。

2 結(jié)果分析

2.1 適宜冬小麥播種的溫度指標(biāo)

冬小麥播種過早，會導(dǎo)致冬前分蘗過多，也易形成冬前旺長，造成冬季出現(xiàn)凍害；播種過晚，分蘗少，弱苗，不利于越冬。根據(jù)冬小麥冬前旺弱苗標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計冬小麥播種和停止生長要求的日平均氣溫穩(wěn)定通過14～18℃(14℃、15℃、16℃、17℃和18℃)各界限溫度和0℃終日,以及14～18℃各界限溫度終日到0℃的有效積溫保證率。結(jié)果(表1)表明,日平均氣溫穩(wěn)定通過18℃到0℃的有效積溫>750℃的保證率達(dá)87%，即為不適宜播種溫度；日平均氣溫穩(wěn)定通過14℃到0℃的有效積溫>400℃的保證率達(dá)83%,即為適宜播種溫度。因此，西安市冬小麥適宜播種界限溫度為14～17℃。

表1 冬小麥播種期日平均氣溫穩(wěn)定通過14～18℃各界限溫度到0℃的有效積溫保證率

2.2 冬小麥冬前氣候變化特征

2.2.1 播種期氣溫變化 根據(jù)西安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心調(diào)查統(tǒng)計資料顯示，近10年西安市冬小麥播種期一般在10月上中旬。從表2看出，西安市1961—2018年10月上中旬平均氣溫均呈升高趨勢，升幅為0.12～0.40℃/10a，平均為0.24℃/10a，每10年的溫度變化，均通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。其中,在氣候變暖前提下，21世紀(jì)以來10月上中旬平均氣溫大部分縣(區(qū))增溫幅度明顯，與西安市年平均氣溫變化趨勢一致[25]。

表2 西安市1961—2018年10月上中旬氣候傾向率與平均氣溫

2.2.2 冬前溫度變化 1961—2018年西安市10—12月平均氣溫、日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃的有效積溫分別呈0.22℃/10a 和17.53℃/10a的上升趨勢；10—12月負(fù)積溫呈3.22℃/10a的減少趨勢。表明西安市冬小麥冬前有效積溫明顯增多。M-K方法[26]突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(圖1)，冬前平均氣溫和積溫波動變化基本一致，突變發(fā)生年均在1997年左右，通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 近58年西安市10—12月平均氣溫、日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃的有效積溫

2.2.3 播種日期和0℃終日變化 1961—2018年西安市日平均氣溫穩(wěn)定通過14～17℃(14℃、15℃、16℃、和17℃)的終日日期分別呈0.13 d/a、0.10 d/a、0.15 d/a和0.12 d/a的增加趨勢，均通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，即每10年西安市冬小麥播種日期將推遲1.0～1.5 d。

參照1993年國家氣象局編定的《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范(上卷)》的標(biāo)準(zhǔn)[27],確定西安市冬小麥平均越冬開始期為12月14日。1961—2018年西安市7個區(qū)(縣)日平均氣溫穩(wěn)定通過 0℃終日出現(xiàn)在12月7—18日, 年變化趨勢除周至地區(qū)提前、藍(lán)田地區(qū)基本持平外,其余5站及西安市平均0℃終日日期均為推遲趨勢；西安市日平均氣溫穩(wěn)定通過 0℃的平均日期為12月14日，每年平均推后0.25 d(表3)。1961—1993年，平均氣溫穩(wěn)定通過 0℃的平均日期年際間波動較大，進(jìn)入1994年后呈明顯推后趨勢(圖2)，說明1994年以來冬小麥冬前生長期明顯推后。

表3 西安市1961—2018年日平均氣溫穩(wěn)定通過0℃終日變化

從空間分布看(圖3),西安市1961—2018年冬小麥適宜播種期日平均溫度穩(wěn)定通過14～17℃各界限溫度、停止生長期0℃的平均日期變化趨勢都是由東南向西北遞增,東南部明顯偏早，東南部與西北部的平均適播期相差3～5 d，停止生長期相差11 d。穩(wěn)定通過 0℃終日日期推后,說明冬小麥冬前生長期延長。

圖2 西安市1961—2018年0℃終日距平變化

圖3 西安市1961—2018年冬小麥播期日平均溫度穩(wěn)定通過14～17℃各界限溫度、0℃的平均日期變化趨勢

2.3 冷暖冬年分析

冬小麥播種期是否適宜，取決于播種后到停止生長前的氣溫條件，一般冬季冷小麥停止生長時間就早，冬前生育時間將縮短，有效積溫也隨之減少，反之，則相反。根據(jù)賀皓等[28]提出的西安冷暖冬年的標(biāo)準(zhǔn),以大于多年平均值0.7℃為暖冬,小于多年平均值0.7℃為冷冬，該標(biāo)準(zhǔn)符合中國氣象局關(guān)于長期預(yù)報質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)。按照世界氣象組織統(tǒng)一規(guī)定，2002年以后,30 a氣候基準(zhǔn)值取值年代為1971—2000年。從圖4看出，西安市近58年序列中有12個暖冬年,9個冷冬年。其中,1980年以前僅出現(xiàn)2個暖冬年(1965年、1978年),冷冬年(1962—1963年、1966—1971年、1976年)均出現(xiàn)在1980年以前,1990年以來暖冬年頻繁,平均3年有1個暖冬年。1977年以來西安市冬季一直偏暖(包括正常年份)。

注：縱坐標(biāo)數(shù)字 0 表示正常,1表示偏暖,-1表示偏冷。

2.4 積溫學(xué)推算播種期

2.4.1 傳統(tǒng)播期上下限推算的播期 由近年西安市傳統(tǒng)播期上限(10月1日)、下限(10月20日)即10月上中旬平均氣溫變化情況看,1993年以來日平均氣溫基本穩(wěn)定在14～17℃。根據(jù)1961—2018年西安7個區(qū)縣冬小麥播種次日至停止生長日期(0℃終日)的有效積溫推算結(jié)果(表4)表明,西安市冬小麥理論最適播期為10月2—13日，最晚播期為10月20日(表4)。

2.4.2 散點(diǎn)圖法推算的播期 根據(jù)1961—2018年西安市7個區(qū)縣歷年冬小麥播種日期(日平均氣溫穩(wěn)定通過14～17℃各界限溫度終日)到停止生長日期(0℃終日)的有效積溫,經(jīng)散點(diǎn)圖方法分析得出，西安市冬小麥理論適宜播種期在10月2—14日，最晚播種期在10月20日(表4)。2種算法結(jié)果基本一致,且與西安市冬小麥實(shí)際播期相吻合。

表4 基于傳統(tǒng)播期與散點(diǎn)圖方法推算的西安市各區(qū)(縣)冬小麥的播種期

3 討論

近年來，隨著氣候變暖日益加劇，冬小麥冬前旺長及冬后凍害的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，影響冬小麥壯苗和產(chǎn)量的形成。因此，作物的播種期就顯得極為重要，適期播種不僅可以保證作物的安全生產(chǎn)，而且能夠使當(dāng)?shù)貧夂驐l件優(yōu)化利用，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效。研究結(jié)果表明，1961—2018年西安冬小麥播種期溫度、冬前平均氣溫和積溫的變化均呈上升趨勢，升幅分別為0.12～0.40℃/10a、0.22℃/10a 和17.53℃/10a，日平均氣溫穩(wěn)定通過14～17℃(14℃、15℃、16℃和17℃)各界限溫度的終日日期分別呈0.13 d/a、0.10 d/a、0.15 d/a和0.12 d/a的增加趨勢，負(fù)積溫變化呈3.22℃/10a的減少趨勢，與西安市年平均氣溫變化趨勢基本一致。冬小麥適宜播種期日平均溫度穩(wěn)定通過14～17℃各界限溫度、停止生長期0℃的平均日期變化趨勢都是由東南向西北遞增，東南部明顯偏早，且隨氣候變暖的變化趨勢不明顯；西安市日平均氣溫穩(wěn)定通過停止生長期0℃的平均日期為12月14日,每年平均推后0.25 d,且進(jìn)入20世紀(jì)90 年代后呈明顯推后趨勢，表明冬小麥冬前有效積溫明顯增多以及冬前生長期有所延長，進(jìn)而影響小麥冬前壯苗和后期產(chǎn)量的形成。利用積溫學(xué)和散點(diǎn)法并結(jié)合冷暖冬年情況，依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)“暖冬年應(yīng)取適宜播期下限,冷冬年則可取適宜播期上限”，最終確定西安市冬小麥適播期應(yīng)為10月9—14日,最晚播期為10月20日，與西安市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心調(diào)查統(tǒng)計的冬小麥實(shí)際播期相吻合，但由于氣候變化存在不確定性，相應(yīng)的冷暖冬年趨勢也會發(fā)生改變，故冬小麥適宜播種期也會隨之變化。

4 結(jié)論

用積溫學(xué)方法確定了西安市冬小麥適宜播種界限溫度為14～17℃。1961—2018年西安市冬小麥播種期、冬前平均氣溫、積溫以及穩(wěn)定通過適宜播期14～17℃各界限溫度的氣候變化均呈上升趨勢；冬前平均氣溫、積溫在1997年左右發(fā)生突變，1977年以來西安市冬季一直偏暖。冬小麥適播期日平均溫度穩(wěn)定通過14～17℃各界限溫度、停止生長期0℃的平均日期空間變化趨勢由東南向西北遞增，東南部與西北部的平均適播期相差3～5 d，停止生長期相差11 d。因此，在全球氣候變暖背景下，需要對冬小麥適播期進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，明確西安市冬小麥適播期應(yīng)為10月9—14日,最晚播期為10月20日。研究結(jié)果為西安市農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和糧食安全生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。