中国北方春小麦生育期变化的区域差异性与气候适应性

俄有浩，霍治国，马玉平，徐芸皎

(中国气象科学研究院，北京 100081)

中国春小麦种植区主要分布在新疆、甘肃、青海、宁夏、内蒙古、吉林、黑龙江等北方中高纬度和较高海拔的地区。这些地区是响应全球气候变暖的最敏感区域［1］。研究表明，近50 a来，我国东北、华北、西北东部和西部平均气温增幅分别为1.55、1.44、0.98和0.91℃，均高于全国增幅水平的0.87℃［2］。气候变暖增加了北方春小麦种植地区热量资源，改变了降水变率和降水量的空间分布模式，延长了春小麦潜在生长季，对北方作物种植制度、种植布局以及春小麦生长发育进程和产量等产生了很大影响［3-7］。然而，对部分地区春小麦生长发育响应气候变化的研究结果表明，随着气候变暖，春小麦的播种期、成熟期等主要发育期和生育期出现了不同的变化程度和趋势。一些区域春小麦播种期提前，而有些区域播种期推迟，春小麦成熟期和生育期的变化趋势和变化程度也表现出较大的区域差异性［4-10］。春小麦发育期和生育期是反映春小麦生长发育进程的主要指标，它们除了受种植区气候资源和气象条件等因素影响外，还受品种的遗传改良和栽培与管理技术等社会经济因素影响。在我国北方普遍增温的背景下，春小麦生长发育的区域差异性是否具有普遍性?影响北方春小麦的生长发育区域差异变化的主要因素是什么?本文以北方18个农业气象观测站春小麦主要发育期观测资料和气象要素观测资料为依据，分析20世纪80年代以来春小麦种植区气候变化特点及其与春小麦生育期变化相关性，研究北方春小麦种植区气候变化对春小麦生育期变化的区域差异性形成原因，为北方作物种植布局、春小麦生产和气候适应性措施的实施提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 数据及来源

自20世纪80年代以来，中国气象局在全国布设了600多个农业气象观测站，主要开展当地主栽作物品种的发育期及作物生长状况观测。在春小麦种植区布设了50多个主要针对春小麦的农业气象观测站。然而，由于当地作物种植结构和布局的调整和变动，主栽作物品种经常发生变化，造成部分春小麦观测站的观测对象发生改变，观测数据中断或终止。本研究从我国北方春小麦主要分布区收集到观测数据连续、具有典型代表性的18个农业气象观测站的春小麦主要发育期数据和日最高气温、日最低气温、日平均气温等气象要素数据。10个观测站的数据自1980年至今，8个观测站数据时间为1992—2012年。所有数据来自中国气象局国家气象信息中心。农业气象观测站主要信息见表1。

1.2 数据处理与分析

发育期数据主要包括播种期、出苗期、分蘖期、拔节期、抽穗期、开花期、乳熟期和成熟期等日期。将播种期和成熟期等关键发育期转换为日序，并计算得到生育期日数。根据1980—2012年2—8月逐日平均气温，利用五日滑动平均法，得到逐年稳定通过0℃初日，并计算逐年2—8月的平均气温作为春小麦生长季平均气温。根据播种期、开花期、成熟期及其逐日平均气温，计算18个观测站逐年的春小麦灌浆期间和全生育期间平均气温;根据播种期至成熟期和相应期间日平均气温，计算各站逐年播种期至成熟期的有效积温。计算有效积温采用的小麦生物学下限温度为5.0℃。

根据以上数据，统计分析了18个观测站1980—2012年春小麦生长季平均气温和稳定通过0℃初日变化及趋势，春小麦灌浆期间平均气温、全生育期间平均气温和播种期、成熟期变化及趋势。进行了播种期与稳定通过0℃初日、成熟期与灌浆期平均气温、成熟期与播种期、生育期与播种期、生育期与成熟期、生育期与生育期间平均气温以及生育期与生育期间有效积温等要素的相关性分析，统计显著性检验采用双尾t检验。数据统计与分析采用Excel 2007和SPSS 16.0等软件完成。

2 结果与分析

2.1 春小麦主要发育期及生育期变化

播种期:大部分站的春小麦播种日期为3月中旬，但库尔勒播种期较早，平均在2月下旬，阿勒泰和昭苏较迟，平均为4月中旬。18个观测站播种期变化趋势分析表明，中卫和平罗站播种期显著提前，分别通过0.01和0.05信度显著性检验，线性拟合的提前倾向率分别为3.2和2.3 d/10a。奇台、库尔勒、哈密、敦煌、永宁、格尔木等6个站的播种期表现为不显著性提前。而阿勒泰、酒泉、武威、武川和诺木洪5个站的播种期显著推迟，变化趋势通过0.05和0.01信度显著性检验，线性拟合的推迟倾向率最大为13.0 d/10a，最小为1.4 d/10a。昭苏、库尔勒等其余5个站播种期不显著性推迟(表2)。

表1 农业气象观测站信息Table 1 The general information of agro-meteorological observation stations

表2 春小麦生长季平均气温及生长发育期变化Table 2 Variability of the average temperature and phenology during spring wheat growing period

成熟期:大部分站点春小麦成熟日期为7月下旬，但库尔勒成熟期较早，平均在6月下旬，昭苏成熟期最迟，平均为8月底。18个观测站成熟期变化趋势结果表明，除了武川站成熟期有不显著延迟趋势外，其余各站成熟期都表现为提前，其中，昭苏、张掖、武威、中卫、平罗、临河、格尔木和诺木洪等8个站的成熟期显著提前，并通过0.01信度显著性检验，线性拟合的提前倾向率分别为14.8、3.5、3.5、1.7、2.7、2.6、3.2和7.7 d/10a。哈密和敦煌站成熟期提前变化趋势通过0.05信度显著性检验。阿勒泰等7个站成熟期提前趋势不显著(表2)。

生育期:春小麦从播种到成熟的日数为生育期。区域上，诺木洪生育期最长，多年平均为161.9 d(n=21)，阿勒泰最短，多年平均为102.8 d(n=32)。生育期变化趋势结果显示，仅有中卫的生育期变化趋势表现为不显著性延长，线性拟合的延长倾向率为1.2 d/10a，其余各站生育期都表现出缩短的变化趋势，其中，阿勒泰、昭苏、酒泉、张掖、武威、定西和诺木洪7站缩短的变化趋势最显著，均通过0.01信度显著性检验，线性拟合的缩短倾向率分别为9.1、15.1、6.3、4.2、4.9、4.0和20.7 d/10a。同心、临河和格尔木等3站缩短变化趋势通过0.05信度显著性检验，线性拟合的缩短倾向率分别为2.8和4.0和2.7 d/10a。奇台、库尔勒等7个站生育期缩短的变化趋势不显著(表2)。

2.2 春小麦生长季气温变化

北方春小麦播种期最早发生在2月中旬(库尔勒)，收获期最晚发生在8月末(昭苏、诺木洪)。因此，2月至8月为北方春小麦的生长季。根据1980—2012年2—8月生长季的年平均气温变化趋势分析表明，在18个农业气象观测站中，海拔最低的阿勒泰、奇台和哈密3个站的生长季年平均气温不显著升高(表2)，昭苏、库尔勒、敦煌等14个站生长季的年平均气温呈现极显著上升趋势(P＜0.01)，临河的生长季年平均气温呈现显著上升趋势(P＜0.05)。气温显著变化的线性拟合倾向率最大为0.84℃/10a，最小为0.41℃/10a。表明北方春小麦生长季大部分站点自1980年以来处于变暖的环境中。

1980—2012年日平均气温＞0℃初日变化趋势分析表明，仅库尔勒站的＞0℃初日表现为极显著性提前趋势(P＜0.01)，初日变化曲线的线性拟合倾向率为4.5 d/10a。阿勒泰、昭苏等14个站稳定通过0℃初日表现为提前的变化趋势，哈密、同心和中卫等3个站的＞0℃初日表现为推迟的变化趋势，但变化趋势均不显著(表2)。表明虽然大部分站点处于变暖的环境中，但是春季增温并不显著。

2.3 春小麦生育期间的气温和有效积温变化

春小麦灌浆期间温度高低对灌浆期长短和成熟期有重要的影响作用。春小麦灌浆期持续时间平均约30 d。18个观测站的灌浆期间平均气温变化趋势分析表明，阿勒泰、奇台、临河和武川等4个站不显著升高，昭苏等其余14个站灌浆期间平均气温显著升高(P＜0.01)，最高增温的线性倾向率为1.66℃/10a(诺木洪)(表2)。

春小麦从播种到成熟期间的平均气温和有效积温是决定春小麦生长发育的关键气象要素。对18个站的春小麦播种至成熟期间平均气温变化趋势分析表明，奇台、哈密、敦煌、同心、平罗、临河等6个站生育期间平均气温表现为不显著升高，其余12个站生育期间平均气温都呈现显著升高趋势，其中，昭苏、库尔勒、酒泉、张掖、武威、定西、同心、永宁、格尔木和诺木洪等10站生育期间平均气温升高趋势通过0.01信度显著性检验，阿勒泰和武川的升高趋势仅通过0.05信度显著性检验(表2)。

18个观测站中，生育期间有效积温定西站最低，多年平均为1050.2℃·d(n=27)，哈密站最高，多年平均为1687.1℃·d(n=21)。趋势分析表明，大部分站生育期间有效积温呈现升高趋势，其中，库尔勒、酒泉、张掖、武威、定西、同心、中卫、永宁和格尔木等9个站为极显著升高趋势(P＜0.01)，平罗、武川和和诺木洪3站为显著升高趋势(P＜0.05)。昭苏、奇台、哈密和敦煌变化不显著，其变化趋势和变化幅度与生育期间平均气温的变化状况相同。而阿勒泰和临河站的有效积温呈现不显著减少的趋势，分析其减少的原因发现主要与生育期减少和2010—2012年的平均气温较低有关。

2.4 春小麦发育期变化的相关性分析

春小麦生育期日数由播种期和成熟期决定。播种期主要受播前气温、土壤水分和土壤解冻深度等自然条件和播种机械、劳动力力资源、作物品种变化等社会经济因素共同影响。就自然条件而言，一般认为，日平均气温稳定通过0℃初日是确定春小麦播种期的主要气象参照指标。播种期与＞0℃初日相关性分析表明，仅有奇台、永宁和格尔木等3个站的播种期与＞0℃初日存在极显著和显著的正相关关系(P＜0.01，P＜0.05)，其它站的播种期与＞0℃初日没有显著相关性(表3)。成熟期主要受春小麦品种、播种期、土壤水分、施肥状况、生育前期气温和灌浆期间气温等条件影响。由于缺乏品种、生育期间水分和施肥状况等对发育进程影响的试验数据，仅对灌浆期间平均气温和播种期分别对成熟期影响的相关分析表明，昭苏、武威、中卫、格尔木和诺木洪5个站的成熟期与灌浆期间平均气温存在极显著负相关关系(P＜0.01)，阿勒泰、奇台、酒泉、张掖和平罗等5站成熟期与灌浆期间平均气温存在显著负相关关系(P＜0.05)，说明这10个站的成熟期受到了灌浆期间温度变化的影响，灌浆期气温升高导致成熟期提前。而库尔勒、哈密、敦煌、定西、同心、永宁、临河和武川等8站的灌浆期间平均气温与成熟期相关性不显著，可能的原因一方面由于一些站灌浆期间平均气温没有显著升高，另一方面说明这些站的灌浆期气温不是影响成熟期变化的主要因素。另外，一般而言，播种时间也影响成熟期。成熟期与播种期相关分析表明，中卫和平罗2个站的成熟期与播种期存在极显著正相关关系(P＜0.01)，阿勒泰、昭苏、库尔勒、哈密、定西、永宁、武川和格尔木等8个站的成熟期与播种期存在显著正相关关系(P＜0.05)，说明播种期早则成熟期相应较早，播种期推迟则成熟期相应较迟。然而，奇台、敦煌、酒泉、张掖、同心等5个站成熟期与播种期的正相关性不显著，武威、临河2站的成熟期与播种期为不显著负相关，诺木洪为极显著负相关关系(P＜0.01)。分析播种期与成熟期相关性不显著的原因发现，一方面由于这些站播种期和成熟期变化幅度都较小，另一方面可能与当年的生育期温度、灌溉时机、品种变化等有关。而播种期与成熟期呈现负相关主要由于整体上这些站播种期推迟和成熟期提前所致，尤其是诺木洪播种期和成熟期都有大幅度显著变化，导致播种期和成熟期呈现极显著负相关关系。

播种期和成熟期共同影响生育期，但是，不同站点播种期和成熟期对生育期的影响程度不同。生育期与播种期和生育期与成熟期相关性分析显示，播种期与生育期存在负相关性，而成熟期与生育期表现出正相关关系。除昭苏和定西2个站播种期与生育期的负相关性不显著以外，其余16个站的播种期与生育期都存在极显著负相关关系(P＜0.01)。昭苏、武威、定西、临河、格尔木和诺木洪6个站的成熟期与生育期都存在极显著正相关关系(P＜0.01)，敦煌、张掖和同心3个站的成熟期与生育期表现显著正相关关系(P＜0.05)，阿勒泰等其余9个站的成熟期与生育期相关性不显著(表3)。说明播种期对生育期变化的影响比成熟期对生育期变化的影响程度更大。

表3 春小麦发育期变化的相关性(相关系数R)Table 3 The correlation coefficients between average temperature and phenology during spring wheat growing period

3 讨论与结论

3.1 气候变暖与春小麦发育期变化

20世纪80年代以来，北方春小麦生长季(2—8月)均呈现增温趋势，其中，大部分站点2—8月平均气温达到极显著升高趋势(P＜0.01)。然而，伴随平均气温普遍升高，稳定通过0℃初日只表现为不显著性提前，部分站点稳定通过0℃初日还有推迟的趋势，表明北方春小麦种植区增温的时间主要在生长季后期，大部分站点的灌浆期平均气温呈现极显著增加的变化趋势也证明了这一点。

一般认为，稳定通过0℃初日和灌浆期平均气温是决定春小麦播种期和成熟期的关键气象因素。北方春小麦种植区稳定通过0℃初日为不显著性提前趋势，则播种期也应该表现为不显著性提前。然而，阿勒泰、酒泉、武威、武川和诺木洪等5个站的播种期却显著推迟(P＜0.05)，昭苏、库尔勒、张掖、定西、同心和临河等6个站播种期也有推迟趋势，只有中卫和平罗2个站播种期表现为显著提前(P＜0.01，P＜0.05)，奇台、哈密、敦煌、永宁、格尔木等5个站的播种期为不显著提前。播种期与稳定通过0℃初日相关性分析表明，仅有奇台、永宁和格尔木等3个站的播种期与稳定通过0℃初日存在极显著性正相关关系(P＜0.01)，虽然这3个站的播种期和稳定通过0℃初日的变化趋势都不显著。其它15个站的春小麦播种期变化没有显著地受稳定通过0℃初日变化的影响。董智强等研究表明［11］，武川春小麦播种期推迟主要是土壤相对湿度降低所致。然而，除了旱地雨养春小麦播前降水和土壤湿度对播种期有较大影响以外，阿勒泰、酒泉、武威、诺木洪、昭苏、库尔勒、张掖、永宁和临河等观测站属于灌溉农业区，降水对灌溉农业区春小麦生产的影响程度相对较弱，其播种期的安排主要由播前气温、融化土层深度等因素决定。考察以上播种期推迟的观测站发现，2000年以来，春小麦播种期间气温的年际变率有增大趋势，尤其是2003、2010等年的多次低温寒流，不仅对当年的播种期有影响，也可能对来年春小麦播种期有影响，导致了相应年份的播种期推迟。然而，即使稳定通过0℃初日显著提前的库尔勒，其春小麦播种期也没有显著提前，而稳定通过0℃初日没有显著变化的中卫和平罗，其播种期却表现出显著提前的变化趋势。这些变化特点表明，春小麦播种期改变是多种气候要素的变化与社会、经济条件变化相互作用的结果。影响播种期改变的社会和经济因素可能主要有品种变化、耕作机械化、劳动力资源、播前泡地时机与机会等等。

大部分站的灌浆期平均气温均呈现极显著升高趋势(P＜0.01)，但是，对应站的成熟期不完全为显著性提前，许多站的成熟期仅为不显著性提前，而且，成熟期显著提前的站，其灌浆期平均气温不一定显著升高(临河站)。成熟期与灌浆期间平均气温的相关性分析表明，只有10个站的成熟期提前是由灌浆期平均气温升高所引起，表明春小麦生长季后期增温并没有完全显著提前成熟期。灌浆期间平均气温显著升高而成熟期没有显著提前的一个可能原因是温度变化没有超过引起成熟期提前的温度阈值。成熟期与播种期相关性分析表明，有大约50%站的成熟期与播种期有较高相关性，表明春小麦成熟期变化一方面受播种期影响，另外，灌浆期气温、生长前期热量条件、生长期土壤水分状况和灌溉时机、氮肥使用情况等因素对成熟期有很大的综合影响作用。

3.2 春小麦发育期变化与气候适应性

适应是应对气候变化的永恒主题。随着全球变暖以及全社会对全球变暖问题的高度关注，农业生产在应对全球气候变暖过程中始终在进行气候适应性工作。我国春小麦品种由中晚熟向中早熟渐变［12］、区域种植结构调整、作物种植区布局以及耕作方式(如免耕法)变化和其它管理措施的实施，都是北方春小麦生产应对气候变化的具体表现。北方春小麦播种期呈现的较大变化，尤其是阿勒泰、酒泉、武川和诺木洪等站播种期较大幅度的显著推迟可能主要是春小麦品种由中晚熟向中早熟变化和其它适应性措施共同作用的结果。在各种气候适应性措施的实施过程中，由于区域之间存在差异以及措施的实施程度不同，造成北方春小麦生长发育过程的区域性差异。

3.3 春小麦生育期变化与热量资源关系

生育期由播种期和成熟期决定，而生育期间热量资源是促进作物生长发育进程的关键气象要素，因此，在水肥比较适宜的条件下，热量资源对成熟期和生育期有重要的影响作用。相关分析结果表明，除了永宁、武川和格尔木3个站生育期与播种至成熟期间平均气温为显著负相关外(P＜0.05)，其余15个站都为极显著负相关(P＜0.01)。然而，生育期与播种至成熟期间有效积温的关系只有武威站为极显著负相关(P＜0.01)，张掖为显著负相关(P＜0.05)，奇台和敦煌为显著正相关(P＜0.05)，其余14个站的生育期间有效积温与生育期的相关性都很弱，表现出多样性的相关关系。

区域上，春小麦生育期间的平均气温与生育期的相关性比有效积温与生育期的相关性更强(图1)，生育期与平均气温的关系能更好地定量刻画气温低生育期长、气温高生育期短的北方春小麦生长发育客观规律。造成有效积温与生育期相关性比平均气温与生育期相关性更弱的原因是:定西、同心等地区虽然具有春小麦生长较适宜的气温环境，与相同海拔区域相比理应有较长的生育期，但是可能由于干旱和品种等原因导致成熟期较早，生育期较短，相应地有效积温最低;阿勒泰等地区虽然生育期间有较高的气温环境，但是由于地处高纬度等特殊自然环境中，其播种期最迟，8月下旬降温较快，导致其生育期最短，气温高和生育期短两者相抵销，其有效积温为中等水平;格尔木和诺木洪的海拔最高，平均气温最低，但是其生育期最长，所以有效积温较高。

图1 春小麦生育期与平均气温和有效积温的相关性Fig．1 The relationship between growing duration with average temperature and growing degree days during growing period

虽然北方春小麦生育期间平均气温与生育期呈现极显著负相关关系，但生育期缩短并不完全是气温升高导致成熟期提前所引起。从生育期与播种期和生育期与成熟期相关性分析结果看出(表3)，播种期与生育期显著相关的站比成熟期与生育期显著相关的站更多，相关系数更高，表明播种期对生育期变化的影响比成熟期对生育期变化的影响程度更大。说明大部分站的春小麦生育期缩短主要由于播种期推迟所引起，成熟期提前对生育期缩短的影响程度相对较小。有效积温与生育期相关性较差也说明了这点。

因此，自1980s以来，北方春小麦生育期普遍缩短，生育期缩短是播种期推迟和成熟期提前共同作用的结果。春小麦生育期间的平均气温与生育期的相关性比有效积温与生育期的相关性更高，能更好地定量刻画北方春小麦生长发育客观规律。了解引起生育期缩短的主要原因对于制定北方春小麦生产适宜气候变化的策略有重要意义。

3.4 结论及存在问题

(1)伴随全球气候变暖，我国北方春小麦生长季普遍显著增温，但是，稳定通过0℃初日并没有显著提前，增温的时间主要发生在春小麦生长季后期。以这种气候变化特点为基础的春小麦播种期、成熟期和生育期变化存在显著的区域差异性。

(2)春小麦生育期与生长期间的平均气温虽然呈现极显著负相关关系，但是生育期缩短并不完全是气温升高导致成熟期提前的结果。大部分站的春小麦生育期缩短主要由于播种期推迟所引起，成熟期提前对生育期缩短的影响程度相对较小。春小麦生育期间的平均气温与生育期的相关性比有效积温与生育期的相关性更高，能更好地定量刻画北方春小麦生长发育客观规律。了解引起生育期缩短的主要原因对于制定北方春小麦生产适宜气候变化的策略有重要意义。

(3)春小麦品种变换、播种期调整以及其它适应性措施在实施过程中，由于区域之间存在差异以及措施的实施程度不同，造成春小麦生长发育的区域性差异。北方春小麦生长发育的区域性差异是各自适应气候变化的结果。

(4)由于收集的春小麦观测站点及其资料时间序列有限，分析结果可能与实际的变化趋势有差异，需深入研究。

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