氣候變化影響下我國冬油菜物候期時空演變分析

黃穩(wěn)清，黃洪宇*，蔣范晨，葉智燕，閆 超

(1.福州大學 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建 福州 350116;2.數(shù)字中國研究院(福建)，福建 福州 350116)

油菜是世界四大油料作物之一，是我國食用植物油生產(chǎn)的主要原料來源，兼具油、花、蜜等多維度利用價值[1]。保證油料作物生產(chǎn)是我國糧食生產(chǎn)安全的重要組成部分，具有重要的貿(mào)易戰(zhàn)略意義。油菜是我國第一大油料作物，目前我國的油菜種植規(guī)模不斷增長，但在油菜的生產(chǎn)過程中仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)[2]。我國油菜生產(chǎn)中冬油菜種植比例最大，冬油菜物候期變化將影響冬油菜的產(chǎn)量及質(zhì)量。因此，對冬油菜物候期變化的研究能夠為我國冬油菜的生產(chǎn)提供決策依據(jù)。

植物物候是植物應對環(huán)境變化時表現(xiàn)出的一系列生活史對策，是隨氣候季節(jié)性變化的各生長階段更替的自然現(xiàn)象[3-4]。過去的幾十年里，學者們進行了大量關(guān)于植被物候變化的研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)植物表現(xiàn)出了春季物候提前以及秋季物候推遲[5]。針對不同區(qū)域自然植被的研究表明，氣候變化背景下植被的物候變化普遍表現(xiàn)為生長開始時間提前以及生長結(jié)束時間推遲[6-10]，反映了自然植被的生長受到自然氣候變化的影響。氣候變化背景下，我國學者進行了許多農(nóng)作物物候的變化研究，包括水稻、玉米、冬小麥、大豆、棉花[11-15]等。其中，我國水稻的主要物候期提前[11]，玉米和大豆的主要物候期推遲[12-13]；華北平原棉花吐絮之前的物候期提前，吐絮之后的物候期推遲[14]；冬小麥是越冬作物，越冬期之前的物候期推遲，越冬期后的物候期提前[15]。而國內(nèi)外學者針對冬油菜物候期變化的相關(guān)研究，卻得到了不同的結(jié)果。其中，AHMAD等[16]通過線性回歸的方法發(fā)現(xiàn)，1980—2014年間，巴基斯坦日均溫度的上升導致冬油菜播種、出苗、開花和生理成熟期每十年平均推遲6.02、3.14、3.31和1.89 d；REZAEI等[17]通過分段線性回歸的方法發(fā)現(xiàn)，1960—2013年，德國冬油菜的播種期提前了4 d，成熟期推遲了10 d；張佩等[18]通過多元線性回歸的方法，發(fā)現(xiàn)變暖導致江蘇冬油菜開花期提前；李文靜等[19]通過建立有效積溫與開花時間的線性關(guān)系，對長江流域的冬油菜花期進行預報，得到實際開花時間偏早的結(jié)果。作物的生長受種植習慣和播種時間的影響，其物候變化與自然植被不同，并且農(nóng)藝措施差異也使得作物的物候變化更復雜，不同作物間物候的變化也存在差異，其中,冬油菜作為越冬作物，物候變化差異更為特殊。

由于我國幅員遼闊，在過去的二十多年里，我國冬油菜的物候期狀況在時間和空間上存在著巨大的差異。過去國內(nèi)冬油菜物候期的研究大多僅針對一兩個物候期或局限在小區(qū)域尺度上[18-20]，沒有反映出我國不同區(qū)域和氣候條件下冬油菜各個物候期間的差異。因此，有必要在大區(qū)域尺度上對冬油菜多個物候期進行研究，探究影響冬油菜物候期變化的因素，為我國冬油菜生產(chǎn)提供策略依據(jù)。本研究將調(diào)查油菜物候格局的時空變化，探究油菜物候變化與溫度、日照、降水的關(guān)系，推測未來油菜物候期的變化并為油菜生產(chǎn)實踐提供建議。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括我國一級農(nóng)業(yè)區(qū)中的黃土高原區(qū)、黃淮海區(qū)、西南區(qū)以及長江中下游區(qū)[21]，地理范圍在98°21′—122°42′E、23°1′—40°43′N之間(圖1)。黃土高原區(qū)按氣候可分為東南部和西北部氣候區(qū)，年平均氣溫分別為12～15 ℃和6～10 ℃，降水量分別為600 mm以上和350～600 mm，地區(qū)海拔較高，晴天太陽輻射強，晝夜溫差大[22]。黃淮海區(qū)年均氣溫10～15 ℃，年降水量為500～950 mm，大部分降水集中在夏季[23]。西南區(qū)年均氣溫在10～22 ℃，熱量豐富，冬暖突出，年降水量600～1 800 mm，降水集中于下半年，該區(qū)光照資源較少，時空分布差異大[24]。長江中下游區(qū)是我國重要的商品糧基地，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫14～18 ℃，年降水量1 000～1 500 mm，水熱條件好[25]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1數(shù)據(jù)來源

油菜物候期資料采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(data.cma.cn)提供的農(nóng)業(yè)物候觀測站點資料。該資料包含1992—2013年的油菜物候數(shù)據(jù)，記錄了油菜多個物候的發(fā)生日期，其中，有冬油菜記錄的站點103個。冬油菜物候期驗證數(shù)據(jù)通過2021年實地調(diào)研獲得，經(jīng)過篩選，共獲得現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期點位分別為19、17和43個。日均溫度、日照時數(shù)、降水等氣象數(shù)據(jù)同樣采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的中國地面資料日值數(shù)據(jù)集，選擇相應或臨近的氣象站記錄作為物候站點的氣候條件。

1.2.2物候數(shù)據(jù)處理

當同一站點同一年份的單個物候期有多個物候日期記錄時，取多個記錄的中值作為該物候期的時間?？紤]氣候因子對冬油菜物候期的影響時，溫度、降水和日照為播種期開始到相應物候期之間的日平均值。

1.3 研究方法

1.3.1顯著性檢驗

在物候期時間序列趨勢分析中，采用曼-肯德爾(Mann-Kenda11)檢驗法[26]，檢驗冬油菜物候期變化的顯著性。MK檢驗的Z絕對值大于1.28、1.64、1.96時，分別表示通過了置信度80%、90%和95%的顯著性檢驗。在本文中選擇Z的絕對值大于1.64(90%)作為顯著性檢驗的標準。當考慮模型擬合效果以及模型驗證的顯著性時采用t檢驗方法[27]，P<0.05時為顯著，P<0.01時為極顯著。

1.3.2線性回歸

采用線性回歸的方法，對冬油菜的物候期及其氣候因子進行線性擬合。將緯度作為物候期的影響因素時，通過一元線性回歸，擬合緯度與物候期的關(guān)系。對于油菜物候期變化及氣候因子趨勢同樣采用一元線性回歸，將一元回歸方程斜率作為變化率，正值代表正趨勢，負值代表負趨勢。探究溫度、降水、日照對冬油菜物候期的綜合影響時，則使用多元線性回歸的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬油菜物候期分布

基于冬油菜的播種期、現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期，分析油菜物候期的時空分布變化。根據(jù)農(nóng)業(yè)分區(qū)，冬油菜的物候站點分布在西南區(qū)、長江中下游區(qū)、黃土高原區(qū)和黃淮海區(qū)，其中大多數(shù)點位分布在西南區(qū)和長江中下游區(qū)。利用物候站點記錄的1992—2013年的物候期時間，計算各站點冬油菜物候期時間的均值，分布如圖2所示。

圖2 1992—2013年冬油菜物候期均值分布Fig.2 Mean distribution of winter rapeseed phenology from 1992 to 2013

根據(jù)物候期分布特點，將西南區(qū)和黃土高原區(qū)歸為西南-黃土區(qū)，長江中下游區(qū)和黃淮海區(qū)歸為長江-黃淮區(qū)。從冬油菜物候期時間來看，播種期總體上呈現(xiàn)從南往北逐漸提前的分布規(guī)律，在西南-黃土區(qū)這一規(guī)律尤為明顯。冬油菜播種期最早在第240天，最遲在第342天?，F(xiàn)蕾日期分布不規(guī)則，沒有明顯的緯度漸變特征。冬油菜現(xiàn)蕾期最早在發(fā)生在第317天，最遲發(fā)生在次年的第132天。冬油菜開花和成熟期總體上呈現(xiàn)從南到北逐漸推遲的趨勢，尤其是在長江-黃淮區(qū)。冬油菜開花時間最早在第9天，最遲在第141天。冬油菜成熟期最早在第89天，最遲在第165天。油菜物候期中，現(xiàn)蕾期的早晚差異最大，達到了180 d，成熟期差異最小，僅76 d。除了現(xiàn)蕾期外，其他物候期最早和最晚的點位幾乎都分布在最南或最北邊。冬油菜與冬小麥同屬越冬作物，物候期的時空分布相似，緯度越高播種期越早。冬小麥抽穗期和成熟期緯度越低物候期越早，而冬油菜開花期和成熟期緯度越低物候期越早。冬油菜與冬小麥同樣表現(xiàn)出播種早的站點生長季較長，播種晚的站點生長季較短的特點[15]。

由冬油菜物候期分布(圖2)可知，冬油菜的播種期、開花期、成熟期有較明顯的緯度漸變趨勢，而現(xiàn)蕾期沒有表現(xiàn)出緯度漸變的特點。其中，在黃土高原區(qū)播種最早，越冬后的物候期到來最晚。緯度與播種期、開花期、成熟期的關(guān)系如表1所示。

表1 冬油菜物候期與緯度關(guān)系擬合模型Tab.1 Fitting models of winter rapeseed phenological and latitude

由表1可知，冬油菜播種期、開花期和成熟期都體現(xiàn)了明顯的隨緯度漸變特點。研究區(qū)整體上表現(xiàn)為緯度每增加1°，冬油菜播種期提前2.84 d，開花期、成熟期分別推遲5.3和3.74 d；西南-黃土區(qū)緯度每增加1°，冬油菜播種期提前3.67 d，開花期、成熟期分別推遲4.74和2.77 d；長江-黃淮區(qū)緯度每增加1°，冬油菜播種期提前2.89 d，開花期、成熟期分別推遲6.99和5.04 d。播種期在西南-黃土區(qū)與緯度的相關(guān)性更強，而開花期和成熟期在長江-黃淮區(qū)與緯度的相關(guān)性更強。研究表明在西南-黃土區(qū)，播種期向南推遲的趨勢比長江-黃淮區(qū)明顯，在長江-黃淮區(qū)開花期和成熟期向北推遲的趨勢比西南-黃土區(qū)明顯，冬油菜物候期變化存在空間差異。

2.2 冬油菜物候歷史趨勢及變化

探究冬油菜歷史物候期的變化，分析過去我國冬油菜物候的變化情況。冬油菜播種期受人為決策影響大，在此及下文中僅探究現(xiàn)蕾期、開花期、成熟期的趨勢及變化。通過一元回歸方程擬合多年物候期，僅對有十年記錄以上的站點物候進行趨勢計算，并且通過MK檢驗計算變化的顯著性。有效記錄的站點中，現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期的點位分別有39、44和43個。其中27個(69.2%)站點現(xiàn)蕾期推遲；開花期推遲和提前的站點數(shù)量相同，但推遲顯著的站點更多；27個(62.8%)站點成熟期推遲。因此冬油菜現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期趨勢都以推遲為主。1992—2013年，我國不同區(qū)域冬油菜物候期變化存在差異(圖3)。研究時間內(nèi)，我國冬油菜現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期平均推遲了3.10、0.03和0.13 d/10 a。表明過去我國冬油菜物候期的變化存在時間和空間上的差異，而氣候特征是影響作物物候期的重要因素[28]，因此有必要進一步研究氣候因子與冬油菜物候期的關(guān)系及影響程度。

圖3 1992—2013年冬油菜物候期變化分布直方圖Fig.3 Histograms of phenological changes in winter rapeseed from 1992 to 2013

2.3 氣候因子與冬油菜物候期的關(guān)系

考慮溫度、日照和降水3個氣候因子對冬油菜物候期的影響。基于播種開始至現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期期間的氣候均值，研究現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期與3個氣候因子的關(guān)系。將播種開始至現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期的單個氣候因子與冬油菜物候期時間進行擬合，結(jié)果如表2所示。

結(jié)果顯示，播種期到相應物候期的日照、降水與物候期時間的R2較小，溫度的R2最大。表明3個氣候因子中，溫度對物候期的影響最大，但是這種影響在現(xiàn)蕾期往后變?nèi)?圖4)。溫度對現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期的影響呈現(xiàn)負趨勢，日均溫度越高，物候期到來越早。日照對現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期的影響表現(xiàn)為正趨勢。降水對現(xiàn)蕾期和成熟期表現(xiàn)為負趨勢，對開花期則為正趨勢。冬油菜播種期到現(xiàn)蕾期的發(fā)育經(jīng)歷了晚秋、冬季和早春，并且晚秋和早春的熱量條件也不足。熱量條件不足，導致溫度對現(xiàn)蕾期影響程度最大。發(fā)育階段到達開花期和成熟期后，溫度條件逐漸改善，溫度對物候期的作用降低。相關(guān)研究表明溫度、日照和降水這3個氣候因子中，溫度是影響油菜物候日期的主要[16,29]因素，與本研究得到的結(jié)果一致。

表2 冬油菜物候期與氣候要素擬合模型Tab.2 Fitting model of phenological period and climatic in winter rapeseed

圖4 冬油菜物候日期與溫度關(guān)系Fig.4 Relationship between winter rapeseed phenological date and temperature

2.4 氣候因子對冬油菜物候期的影響程度

冬油菜物候期受溫度、日照和降水的綜合影響。因此，通過播種期到物候期的日平均溫度、日照時數(shù)和降水量與冬油菜的物候期時間進行多元線性擬合，探究氣候因子對冬油菜物候期的影響程度，擬合結(jié)果見表3。從表3可知，將溫度、日照和降水作為物候期的影響因素時，發(fā)育期間內(nèi)溫度每增加1 ℃，冬油菜的現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期將分別提前6.05、1.94和0.43 d；日照每增加1 h，現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期分別推遲0.86、2.62和2.47 d；降水每增加1 mm，現(xiàn)蕾期和成熟期分別提前0.62和0.82 d，開花期推遲0.59 d。該結(jié)果體現(xiàn)了氣候條件對冬油菜物候期的影響：增溫使冬油菜物候期提前，日照增多使物候期推遲，降水增加使現(xiàn)蕾期和成熟期提前，開花期推遲。利用2021年實地調(diào)研的冬油菜物候數(shù)據(jù)與相應物候觀測站模擬的2021年冬油菜物候期相應時間分別進行驗證。

表3 冬油菜物候期與氣候要素的多元回歸擬合模型Tab.3 Multiple regression model of phenological period and climatic elements in winter rapeseed

圖5 模型驗證結(jié)果Fig.5 Linear model validation results

驗證結(jié)果顯示(圖5)，相對于模擬結(jié)果，實際物候時間提前和推遲比例分別為43.04%和49.37%，與模擬結(jié)果相一致的比例為6.33%。相較于模擬結(jié)果，實際現(xiàn)蕾期更傾向于提前，占現(xiàn)蕾期驗證數(shù)據(jù)的68.42%，開花期的物候時間更傾向于推遲(52.94%)，成熟期推遲和提前的點位數(shù)量相同。3個物候期總體驗證累計精度在±7 d、±14 d內(nèi)的比例分別為68.35%、88.61%。模型的驗證R2和均方根誤差(RMSE)如表3所示，表明模型模擬的冬油菜現(xiàn)蕾期和開花期的平均誤差在8 d以內(nèi)，成熟期平均誤差在10 d以內(nèi)，模型的模擬效果良好。

2.5 冬油菜物候趨勢及未來變化

過去的幾十年里，由于自然及人為因素導致氣候發(fā)生變化。受地理條件差異影響，不同區(qū)域氣候變化的幅度有所差異，氣候變化也會影響到冬油菜的物候期。根據(jù)表3中冬油菜物候期與氣候因子的關(guān)系，結(jié)合各物候站點1992—2021年的氣候變化趨勢，計算我國冬油菜物候期的變化率。例如，現(xiàn)蕾期的變化便依據(jù)1992—2021年播種期到現(xiàn)蕾期的氣候變化率計算，依此類推。

1992—2021年冬油菜播種到成熟期物候站點的氣候變化情況如圖6(a)、(b)、(c)所示。冬油菜生長期內(nèi)，溫度增加的站點占42.7%(44個)，主要在長江中下游區(qū)的北部。日照增加的站點占57.3%(59個)，主要在長江中下游區(qū)中部。絕大部分站點的降水都減少，占93.2%(97個)，降水減少幅度大的區(qū)域在長江中下游區(qū)中部。物候期變化結(jié)果如圖6(d)、(e)、(f)所示。云貴高原地區(qū)相鄰站點冬油菜開花期的變化率差異較大，而成熟期的差異較小。表明在冬油菜開花期內(nèi)，云貴高原山地垂直的氣候變化差異更大。隨著夏季到來日均溫升高，這樣的氣候變化差異被彌補，因此，云貴高原成熟期變化率差異較小。長江中下游區(qū)北部以及黃淮海區(qū)南部開花期提前的程度較為明顯，表明該區(qū)域過去增溫明顯，很可能是城市化所致。日照增加和降水減少，使長江中下游區(qū)中部的冬油菜成熟期發(fā)生推遲。按照1992—2021年的氣候變化趨勢，冬油菜現(xiàn)蕾期的最大提前速率為-3.25 d/a，最大推遲速率為0.64 d/a；開花期最大提前速率為-0.99 d/a，最大推遲速率為0.2 d/a；成熟期最大提前速率為-0.25 d/a，最大推遲速率為0.15 d/a。按照1992—2021年的氣候變化趨勢推測，相較于2021年，2050年我國冬油菜現(xiàn)蕾期、開花期和成熟期將平均提前9.96、2.58和0.88 d。

圖6 冬油菜物候站點氣候及物候期變化率分布Fig.6 Climate and phenological change rate of winter rapeseed

3 結(jié)論與展望

文中研究了氣候變化對我國冬油菜物候期時空變化的影響，分析了冬油菜物候期對氣候變化的響應程度，并對未來冬油菜物候期變化進行推測。得到以下結(jié)論：

我國冬油菜播種期由北向南逐漸推遲，開花期和成熟期由南向北逐漸推遲。溫度的緯度梯度影響了冬油菜的發(fā)育，導致冬油菜播種期、開花期和成熟期呈現(xiàn)南北梯度分布。在播種時間和氣候的綜合影響下，冬油菜現(xiàn)蕾期沒有呈現(xiàn)出明顯的緯度特征。溫度仍是影響冬油菜物候期的主要因素，溫度對冬油菜物候期影響最大，氣候變暖使冬油菜的相應物候期提前，而日照和降水對冬油菜物候期的變化趨勢影響并不明顯。在氣候變化背景下，1992—2013年我國大多數(shù)地區(qū)冬油菜的現(xiàn)蕾期、開花期、成熟期發(fā)生了推遲。按照1992—2021年氣候趨勢，到2050年我國冬油菜現(xiàn)蕾期、開花期、成熟期將平均提前9.96、2.58和0.88 d。冬油菜物候期提前很可能導致產(chǎn)量降低，因此，為保證我國冬油菜的生產(chǎn)，應培育生育期更長的品種以適應氣候的變化。

選取了溫度、降水和日照作為冬油菜物候期變化的影響因素，結(jié)果顯示日照和降水對冬油菜物候期變化趨勢的影響并不明顯，但日照和降水作為重要的氣候因子，其對冬油菜物候期的影響值得進一步探討。因此，在不同氣候條件下進行地塊試驗，量化日照和降水因素，是進一步理解日照和降水變化對冬油菜物候期影響的重要方法。相關(guān)研究表明，氣候是影響作物物候的主要因素，但是農(nóng)作物物候也受農(nóng)藝技術(shù)、管理措施以及作物品種更替等影響。文中僅研究了溫度、日照和降水對冬油菜物候期的影響，可能忽略了其他影響因素。在以后的研究中，可以納入更多的相關(guān)影響因素，深入揭示冬油菜物候變化的原因及特點。