氣候變化對亞熱帶冬小麥植被動態(tài)變化的影響

吳瑾，姜紫陽，傅學振，孫齊，楊昆

(臨沂市氣象局，山東 臨沂 276700)

0 引言

亞熱帶區(qū)域由于海洋氣團與大陸氣團相互作用，形成亞熱帶季風氣候。通常情況下該氣候具有四季分明的特點，夏季炎熱高溫，冬季溫度適中，多年平均氣溫在16～23℃之間，季風盛行，而且雨季與高溫同時到來[1]。中國秦嶺淮河分界線以南均屬于亞熱帶，北部至湖北、安徽一線，南至廣東，東部最遠到達上海，西部則靠近重慶市區(qū)域，這廣闊的南部區(qū)域均屬于亞熱帶區(qū)域[2-3]。近年來隨著生態(tài)環(huán)境遭受破壞，全球范圍內(nèi)氣候環(huán)境發(fā)生劇烈變化，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，近30年之內(nèi)，全球氣溫平均升高0.85℃，導致世界各地頻繁出現(xiàn)自然災害，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴重影響，氣候變化所造成的問題也逐漸顯現(xiàn)出來。全球氣候變暖導致大氣中的溫室氣體增加，同時大氣輻射失衡，這些變化進一步加劇氣溫上升，全球氣候變化陷入惡性循環(huán)[4-6]。氣溫升高導致降水形態(tài)發(fā)生改變，溫室氣體濃度升高,但是氣候變化存在較為明顯的地域差異。例如寒溫帶近30年的平均溫度升高為0.5℃，而熱帶及亞熱帶的溫度增幅更大，約為0.9℃，超過全球近30年的平均升高溫度，由此可以看出，受到緯度及氣候的影響，氣候變暖出現(xiàn)明顯地域差異[7]。

氣候變化會導致農(nóng)作物在生長過程中對水分和熱量的需求發(fā)生變化。冬小麥作為重要的糧食作物，在亞熱帶區(qū)域廣泛種植，但是受到氣候變化的影響，導致其產(chǎn)量不穩(wěn)定。在氣候的影響下，冬小麥產(chǎn)量會出現(xiàn)一個上限值，通常情況下這種上限值被稱作氣候生產(chǎn)潛力[8-9]。這種氣候生產(chǎn)潛力可以詳細分為光合生產(chǎn)潛力與溫度生長潛力。針對冬小麥來說，如果氣候發(fā)生劇烈變化不但會影響產(chǎn)量，嚴重時還會出現(xiàn)重大自然災害，所以在分析冬小麥生長情況時還需考慮氣候變化對冬小麥生長造成的脅迫性。盡管近年來科學技術手段飛速發(fā)展，已經(jīng)研究出多種應對氣候變化的冬小麥生長方式，但是在變化多端的自然氣候條件之下，自然災害的到來無法預估，而冬小麥的脆弱性與暴露程度都是一種實時動態(tài)變化的狀態(tài)，極端變化的氣候條件對于冬小麥作物生長的惡劣影響一直是學界研究的重點。趙彥茜等[10]學者針對氣候變化對小麥等糧食作物的產(chǎn)量造成的影響提出相關解決措施，該研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高有利于北方冬小麥的生長，但是對于南方地區(qū)的冬小麥影響不大。王艷召等[11]以過去20年作為時間區(qū)間研究作物對氣候的響應情況，介紹了氣候環(huán)境變化對于植物生長的影響，但是針對的植物較為廣泛，沒有具體研究某種作物的動態(tài)變化。本研究選取亞熱帶區(qū)域的浙江省和安徽省，分析氣候劇烈變化之下兩地冬小麥作物植被的動態(tài)變化規(guī)律，為提升冬小麥作物產(chǎn)量提供一定理論指導。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

中國秦嶺淮河以南均為亞熱帶區(qū)域，由于所涉區(qū)域廣闊，選擇2個省下轄2個市共4個城市(即浙江省的嘉興市和麗水市，安徽省的豪州市與蚌埠市)作為研究區(qū)域，收集各地農(nóng)業(yè)氣象觀測站的冬小麥生長數(shù)據(jù)。這4個氣象站均儲存2000—2020年的氣候變化數(shù)據(jù)(表1)以及冬小麥的生長數(shù)據(jù)。

表1 4個氣象站的氣候信息

1.2 研究方法

1.2.1實驗日期數(shù)據(jù)處理

由于歷年冬小麥播種日期存在差異，所以不利于記錄后續(xù)冬小麥生長發(fā)育的日期。在研究設計過程中主要記錄從冬小麥播種之初到各生長階段的用時長度，以及比較重要的生長發(fā)育期的用時長度，也就是記錄每個關鍵生長期之間的所存在的日期數(shù)，由此分析得出氣候變化對于冬小麥作物植被動態(tài)變化的影響[12]。分析氣候變化與冬小麥各生長發(fā)育期之間的關系時，基于冬小麥最早播種月首日，通過計算獲得該首日與各生長發(fā)育期之間的間隔天數(shù)，由此實現(xiàn)每個生長發(fā)育期的數(shù)值化轉(zhuǎn)換。計算過程中使用相關分析法與線性傾向估計法等方法[13]。

1.2.2 植被指數(shù)

在晴朗天氣下每天分2次(上午9：00—10:00，下午13:00—14:00)使用4色模式數(shù)碼相機觀測冬小麥生長情況并拍攝圖像，相機角度控制在50°至65°之間[14]。使用N表示植被指數(shù)，公式如下：

(1)

式(1)中：NIR表示近紅外波段反射率；R代表紅光波段反射率。

1.2.3 氣候脅迫指數(shù)

在冬小麥生長發(fā)育過程中，各類氣候條件發(fā)生變化會直接影響其生長狀態(tài)，也就直接影響冬小麥的產(chǎn)量[15]，本研究集中在高溫和多雨脅迫方面。

高溫脅迫就是當前溫度遠高于冬小麥生長時的最佳溫度，這種脅迫會造成冬小麥產(chǎn)量降低：

(2)

(3)

式(2～3)中：Sht表示高溫脅迫指數(shù)，在第i個生育期中高溫造成冬小麥的減產(chǎn)量與光合生產(chǎn)潛力分別使用Vhti和Yqi表示；T0表示冬小麥在某個生育期中最佳生長溫度，第i個生育期中溫度訂正系數(shù)表示為f(T)i。

多雨脅迫是指在冬小麥生長發(fā)育期中水分含量過大導致產(chǎn)量降低的脅迫情況，該脅迫也是氣候變化的表現(xiàn)形式之一，公式如下：

(4)

(5)

式(4～5)中：在第i個生育期中冬小麥由于過量水分出現(xiàn)的產(chǎn)量降低以及光溫生產(chǎn)潛力分別用Vhwi和Yti表示，Shw是多雨脅迫指數(shù)，第i個生育期中水分修正系數(shù)用f(W)i表示。

2 結(jié)果分析

2.1 氣候變化下冬小麥發(fā)育期的變化趨勢

根據(jù)數(shù)據(jù)收集結(jié)果，以2020年的冬小麥生長數(shù)據(jù)為例，獲得冬小麥在不同生長發(fā)育階段的用時并計算生長趨勢數(shù)值，由表2可看出各氣象站統(tǒng)計的冬小麥生長發(fā)育情況動態(tài)變化：

表2 冬小麥不同生長期的變化

(1)從種植開始直至越冬期這一時間段內(nèi)，浙江氣象站監(jiān)測到的冬小麥生長期隨著時間變化而縮短，而安徽2個氣象站的數(shù)據(jù)則顯示其生長期變長；(2)起身期階段，只有麗水氣象站監(jiān)測到的冬小麥生長期變長，其余3個氣象站監(jiān)測結(jié)果均為縮短；(3)從種植到乳熟階段，各氣象站監(jiān)測結(jié)果顯示，各地冬小麥生長期均縮短；(4)冬小麥開花至成熟以及從開花至成熟階段，各氣象站監(jiān)測結(jié)果均顯示生長期變長。為分析冬小麥在生長過程中對于氣候變暖的動態(tài)響應，研究了冬小麥從播種階段至成熟階段的生長情況，結(jié)合表2中的統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靠近亞熱帶邊界的亳州和蚌埠的冬小麥平均生長期在70.5天，亞熱帶中部區(qū)域的城市嘉興和麗水的冬小麥平均生長期在79.5天，2個區(qū)域的生長期均變長，生長時長存在明顯差異。這2個區(qū)域，受到地理條件以及緯度影響，氣候變化也存在明顯差異，這種差異導致2個地區(qū)的冬小麥生長時長不同。安徽省豪州市與蚌埠市地理位置相對靠北，多年平均氣溫相對較低、多年平均降雨量在900 mL左右，相對較小，城市海拔也相對較高；而浙江省嘉興市和麗水市地理位置相對靠南，多年平均氣溫略高于安徽省站點，多年平均降雨量在1 100～1 600 mL之間，相對較大，城市海拔也相對較低，因此亳州和蚌埠的氣候環(huán)境更適應于冬小麥的生長。但是由于都處于亞熱帶地區(qū)，因此生長期變化趨勢一致。冬小麥從開花階段至乳熟階段是冬小麥產(chǎn)量形成的階段，該階段各地區(qū)生長期均為變長，與拔節(jié)-成熟階段類似，但仍然會受到氣候及地理環(huán)境影響，出現(xiàn)微小差異。

2.2 冬小麥植被指數(shù)變化規(guī)律

植被指數(shù)是對地表植被狀況簡單、有效和經(jīng)驗的度量。該指數(shù)能夠敏感地探測出作物的生物量，常被各位學者用來衡量作物的生長發(fā)育情況。

統(tǒng)計2000—2020年4個氣象站的冬小麥植被指數(shù)變化規(guī)律(圖1)，隨著氣溫的逐年上升，各個氣象站監(jiān)測到的冬小麥植被指數(shù)始終保持上升趨勢。這說明冬季及春季的溫度升高，有利于冬小麥在亞熱帶地區(qū)越冬，從而提高產(chǎn)量。2004年前后各地區(qū)冬小麥植被指數(shù)出現(xiàn)一個峰值，這是由于2004年前后亞熱帶區(qū)域溫度達到了一個峰值。2008年，中國亞熱帶地區(qū)遭遇百年不遇的特大暴雪，冬小麥生長遭受毀滅性打擊，因此該年冬小麥植被指數(shù)出現(xiàn)下降。此后該區(qū)域受到氣候變化影響，溫度逐漸升高，冬小麥的植被指數(shù)開始出現(xiàn)上升趨勢。由此可見，極端低溫氣候會嚴重影響冬小麥植被生長，而在一定的范圍內(nèi)，小幅度升溫會促進冬小麥植被生長。整體來看浙江地區(qū)的2個氣象站監(jiān)測結(jié)果略高于安徽2個氣象站的監(jiān)測結(jié)果。

圖1 冬小麥植被指數(shù)變化規(guī)律

2.3 冬小麥全生長期植被指數(shù)變化規(guī)律

冬小麥從每年9—10月之間播種，次年5—6月之間收割，收集4個氣象站在冬小麥整個生長期中的植被指數(shù)，結(jié)果見圖2。4個區(qū)域的冬小麥在播種初期以及越冬期所需光合作用較少，這個階段冬小麥的植被指數(shù)保持在一個較低范圍之中。越冬之后，冬小麥進入起身期，生長所需的水分、陽光和溫度水平均較高。亞熱帶區(qū)域受氣候變化影響，春季溫度較往年更高，且雨水充沛，所以冬小麥呈現(xiàn)植被指數(shù)迅速上升的情況；待進入灌漿期以后，冬小麥進入營養(yǎng)生長期，需要大量光合作用，這個階段4個地區(qū)逐漸進入初夏，雨水減少，光照增強，冬小麥得以迅速生長，植被指數(shù)達到頂峰。該階段以后，冬小麥進入成熟期，整個植株葉綠素減少，轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，不再需要光合作用和水分，該階段只要不出現(xiàn)暴雨、冰雹、干旱等極端氣候變化，冬小麥就可以實現(xiàn)豐收，由于該階段冬小麥已經(jīng)停止生長，因此植被指數(shù)下降。

圖2 全生長期冬小麥植被指數(shù)變化

2.4 氣候脅迫下冬小麥空間變化

亞熱帶地區(qū)由于氣候變化，會出現(xiàn)高溫及洪澇等自然災害現(xiàn)象，這些災害都會對冬小麥產(chǎn)生脅迫作用。以安徽省為例，分析氣象站反饋的脅迫指數(shù)空間分布效果，并進一步分析氣候變化對于冬小麥生長的脅迫作用。

由圖3(a)可以看出高溫氣候?qū)Χ←溕L所造成的脅迫指數(shù)較低，主要是由于亞熱帶區(qū)域高溫天氣一般集中在7—9月，冬小麥已經(jīng)完成收割。但是由于受到氣候變化影響，亞熱帶部分區(qū)域會提前進入夏季，溫度的變化會促進冬小麥在春季的生長。反之冬季低溫會對冬小麥的生長造成嚴重影響，熱量不足會直接導致冬小麥停止生長。從圖3(b)中能夠看出，多雨脅迫也會抑制冬小麥的生長，嚴重時冬小麥可能會發(fā)生發(fā)霉腐爛并停止生長的情況。綜上所述，氣候變化導致的高溫氣候能夠促進冬小麥生長，受極端天氣影響出現(xiàn)的強降雨，則會嚴重危害冬小麥的生長。

圖3 脅迫指數(shù)空間分布

2.5 氣候顯著變化前后冬小麥生產(chǎn)期的變化

過去近20年的氣候變化過程中，2008年中國亞熱帶地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生重大雪災事件，導致氣溫突變；在2008年之后，亞熱帶區(qū)域溫度保持上升趨勢，將2008年作為一個時間節(jié)點，對比氣候變化前后研究區(qū)域的4個地方冬小麥生長期長短變化。

由表3可知，天氣轉(zhuǎn)暖以后，安徽和浙江的冬小麥整個生長期均明顯縮短，冬小麥拔節(jié)生長后，生長速度也逐漸縮短，也就是說，隨著氣候轉(zhuǎn)暖，冬小麥已經(jīng)不需要經(jīng)歷過長的營養(yǎng)期，但是成熟期與乳熟期所經(jīng)歷的過程更長，由于溫度升高，冬小麥需要更長時間才能實現(xiàn)成熟，但是總體變化不大。

表3 冬小麥生長期變化統(tǒng)計

3 結(jié)論

隨著近年全球氣候變暖以及極端天氣變化，中國亞熱帶氣候區(qū)域溫度逐年上升，偶爾出現(xiàn)極端天氣，以浙江省嘉興市和麗水市、安徽省豪州市與蚌埠市的2000—2020年氣候變化數(shù)據(jù)以及冬小麥生長數(shù)據(jù)為例分析，結(jié)果顯示冬小麥由于溫度升高，生長期縮短，但是成熟期變長。極端低溫會影響冬小麥生長甚至出現(xiàn)停止生長的情況。從植被指數(shù)結(jié)果可以看出，該區(qū)域的冬小麥在遭受極端低溫氣候時出現(xiàn)植被指數(shù)降低的情況，但是隨著溫度升高，植被指數(shù)保持上升趨勢。高溫脅迫對冬小麥的影響較小，但是降雨量對冬小麥影響較大，如果雨水過剩將會導致冬小麥減少。