吉林春大豆生育期变化及其对气候变暖的响应*

邱译萱，马树庆，李秀芬



吉林春大豆生育期变化及其对气候变暖的响应*

邱译萱1，马树庆2**，李秀芬3

（1．吉林省气候中心，长春 130062；2．吉林省气象台，长春 130062；3.黑龙江省气象科学研究所，哈尔滨 150030）

基于1981−2014年吉林省4个代表站大豆生育期观测资料和同期气象观测资料，运用数理统计方法，分析大豆关键生育期的时间变化趋势及其与气候变暖的关系，并建立当地大豆生长发育速率对气温变化的响应模型。结果表明：大豆生长发育时空变化明显，平均而言，大豆播种和成熟日期分别为5月4日和9月24日，全生育期143d，需≥10℃活动积温2640.8℃∙d，吉林省东部地区大豆主要发育期偏晚，生育期内平均气温与活动积温均偏低。吉林大豆主产区在20世纪90年代气温出现突变，大豆生长季气温明显升高（P＜0.01），5−9月气温平均增长速率为0.34℃·10a−1，大豆出苗−成熟期气温平均增长速率为0.43℃·10a−1。34a间，大豆播种期、出苗期和三叶期显著推迟（P＜0.05），成熟期无明显变化，营养生长期对气候变暖的响应更为显著，大豆生育期逐渐缩短（P＜0.01）。大豆生长发育速率与平均气温均呈极显著正相关（P＜0.01），随着气候变暖，大豆生长速度加快，总体上，全生育期内平均气温每升高1℃，大豆生长发育速率增加2.8%，生育期缩短约5.4d。

春大豆；生长速率；气候变暖；吉林省

大豆是中国主要农作物之一，主要种植在东北和黄淮地区[1]。东北地区的北部和东部是单季春大豆主产区，气候温凉半湿润或湿润，适合大豆生长。近年来，气候变化对作物生长影响研究成为热点[2]，但针对玉米[3−4]、水稻[5]和小麦[6−7]等大宗粮食作物的相关研究较多，而对大豆的相关研究报道较少。大豆的生长、产量、品质和种植区域都与气候条件有关[8−9]，潘铁夫等[10−11]概述了温度、降水和光照等气候要素变化对大豆生长和产量的影响，认为气温升高对不同地区大豆的影响不一致，在中高纬度地区和高海拔地区，气温升高有利于大豆生长。研究表明[12−13]，过去30a黑龙江省增温导致大豆发育期提前，一定程度的增温有助于增加大豆产量，气温每升高1℃，黑龙江省大豆增产195.8kg·hm−2，增温还使大豆种植中心北移，种植比重增加；但也有研究认为，温度升高导致内蒙古大豆等作物发育进程加快，全生育期缩短，气候暖干化有可能造成产量下降，其中生长季平均最高气温或温差增加1℃，可导致大豆减产86.6kg·hm−2[14−15]。杨飞等[16]研究表明，近20a松嫩平原大豆各生育期平均推迟4～10d，且各个生育期推迟时空差异明显。国外关于气候变化对大豆生长的研究也较多，Bhatia等[17−18]基于CROPGRO大豆模型研究印度大豆生长，表明延缓播种能够减缓高温胁迫带来的不利影响，提高大豆生产潜力；Goldblum[19]研究了美国伊利诺斯大豆产量对气温和降水的敏感性，表明在未来气候模式下，夏季增温、干旱可能降低大豆产量。以往相关研究揭示了气候变化对大豆生长的影响，为科学种植大豆提供了理论基础，但也表明大豆等作物生长发育进程和产量变化对气候变暖的响应还存在明显的区域差异和不确定性，尚待深入研究。考虑到恢复土壤肥力、改善农田生态、优化种植结构、减少玉米库存和增加国内大豆供给，2014年国家出台大豆种植激励政策，吉林乃至东北春大豆种植有回升势头。本研究基于近34a吉林省大豆生育期观测资料及气象资料，建立大豆生长发育与温度变化的关系模式，以揭示春大豆生育期变化趋势及其对气候变暖的响应，以期为当地充分合理利用气候资源发展大豆生产，实现大豆稳产高产提供科学基础，也为相关气象服务提供科学指标。

1 资料与方法

1.1 大豆气象观测站点及资料

吉林春大豆栽培完全靠雨养，吉林省西部地区因干燥少雨，目前没有大豆栽培，东部地区气候条件为温凉半湿润或湿润，较适合大豆栽培，历来是中国大豆主产地。目前吉林省大豆主产地进行大豆生长连续观测的（1981年以来不间断）气象站有榆树、桦甸、敦化和延吉4个，均位于吉林省中东部。4个站点资料相对完整，可代表吉林大豆主产地的大豆生产和气象情况。1981−2014年的大豆发育期观测数据和逐日平均气温及降水量数据均来自吉林省气象档案馆。延吉气象站于2006年、榆树气象站于2007年迁站，采用t检验（显著性水平0.05）对气温及降水量的年值序列进行均一性分析，表明观测资料序列连续性较好。历年大豆发育期观测按《农业气象观测规范》[20]进行，保持了观测方法的一致性，期间大豆品种的熟型与耕作方式基本保持一致，施肥水平为当地平均状态。

1.2 分析方法

根据气温等气象条件对大豆生长发育影响，采用气候倾向率、回归分析、M−K检验等数理统计方法分析大豆生育期、生长季平均气温和降水量等要素的变化特征，并分析大豆生长发育速率与平均气温的关系，建立大豆生长对气温的响应模式。

2 结果与分析

2.1 大豆生育期及其气象要素平均值分析

吉林春大豆5月初播种，9月末收获，因此，将5−9月作为研究区域大豆的主要生长季，将50%植株出现生育期特征视为生长发育进入该生育期[20]。榆树、桦甸、敦化和延吉站大豆生育期多年平均日期比较见图1。由图可见，榆树站各生育期出现时间普遍偏早，东部敦化、延吉站各生育期出现时间普遍偏晚，延吉站比其它站推迟2～4d。全省多年平均播种期为5月4日，平均开花期为7月9日，平均成熟期为9月24日。均方差可以表示数据的离散程度，生育期多年平均日期的均方差越小，表示其年际间的稳定程度越高。就单个站点而言，桦甸站大豆各生育期出现时间多年间稳定性较好，榆树站大豆各生育期出现时间年际间波动较大。

对代表县市大豆主要生长阶段平均间隔日数、期间平均气温、≥10℃活动积温及降水量进行比较分析，结果见表1。由表可见，除播种−出苗期外，4个站点的主要生长阶段平均间隔日数均以延吉站最多，敦化站最少，敦化站大豆全生育期最短，历年平均为137d，与延吉站相差9d。开花−成熟期和全生育期，4个站点的平均气温和活动积温均以榆树站最高，敦化站最低，敦化站大豆全生育期活动积温明显较低，与其它3站相差280～410℃∙d。4个站点在各主要生长阶段的降雨量均以桦甸站最多，延吉站最少，全生育期内桦甸站降水量高达614.3mm，较之其它3站高出120～200mm。总体而言，研究区域大豆全生育期平均历期143d，≥10℃活动积温2640.8℃∙d；出苗−成熟平均历期124d，活动积温2381.1℃∙d。域内各县市活动积温多在2650～3000℃∙d，无霜期145d左右，常年条件可满足大豆生长要求。

图1 大豆主要生育期的多年平均日期（1981−2014年）

表1 代表县市大豆主要生长阶段平均间隔日数及气象要素平均值（1981−2014年）

Table 1 Average days between two main growth stages of soybean and mean values of meteorological elements of main county stations(1981−2014)

注：n为间隔日数；T为平均气温；ΣT为≥10℃活动积温；r为降水量。

Note: n is growth days; T is mean temperature; ΣT is active accumulated temperature; r is rainfall.

2.2 大豆生育期变化趋势分析

统计代表县市大豆生育期年代际变化，结果见表2。由表可见，随着年代的变化，4个站点大豆播种期均有不同程度的推迟（除桦甸外），相应出苗期和三叶期也均有3～5d的推迟，但有些站点和年代大豆结荚期和成熟期却有所提前，所以大豆整个生育期明显缩短（P＜0.01）。各站点比较来看，与20世纪80年代相比，在2010−2014年最偏北的榆树站平均播种期推迟最多（16d），而成熟期却提前4d，因此，该站大豆全生育期缩短最多（20d）；敦化和延吉站在2010−2014年平均播种期均推迟11d，而成熟期却分别提前3d和5d，因此，全生育期分别缩短14d和16d；桦甸站大豆播种期则无变化，均在5月4日，结荚期提前了3d，但成熟期无变化。总之，除桦甸站外，其它各站大豆播种期随着年代推迟，成熟期有所提前，大豆生育期逐渐缩短。由图2可见，1981−2014年，敦化、榆树和延吉各站大豆播种期、出苗期和三叶期逐年推迟，均通过了0.05水平的显著性检验，说明推迟趋势显著。敦化、榆树和延吉各站大豆播种期推迟速率分别为3.1、6.6和3.2d·10a−1。榆树站大豆的开花期、结荚期，以及敦化站大豆的结荚期也存在明显的逐年推迟趋势（P＜0.01）；延吉站大豆的开花期、结荚期则逐年极显著提前（P＜0.01）。4个站点的大豆成熟期和桦甸站大豆各生育期均未出现明显变化。

统计代表站点大豆主要生长阶段间隔日数的变化趋势可知，敦化、榆树和延吉站的大豆主要生长阶段间隔日数大体呈现逐年减少的趋势（P＜0.05），桦甸站变化不显著。榆树站全生育期日数递减速率最高，达7.0d·10a−1，敦化站出苗−成熟期生育期日数逐年减少最多，递减速率达3.2d·10a−1。2010年以前，敦化、桦甸、榆树和延吉站大豆全生育期分别为140、144、146和149d，2010年以后分别为126、142、126和133d，均明显缩短。不同站点大豆主要生育期间隔日数与年份的相关程度存在差异（表略），榆树和敦化站表现为极显著相关，延吉和桦甸站次之。总体而言，研究区域大豆生育天数逐年减少，2010年以来减少显著。

表2 吉林春大豆产地代表站大豆生育期年代际平均状况（月−日）

Table 2 The decadal average date of soybean growth stages at each station in soybean area (mm−dd)

注：图中线端数字为发育期与年份的相关系数，未通过显著性检验的不标注。*、**分别表示相关系数通过0.05、0.01水平的显著性检验。下同。

Note: The figure of line end is correlation coefficient of the stages and years, if the relationship doesn’t pass the significance test, there is no figure. * is P＜0.05, ** is P＜0.01. The same as below.

2.3 大豆生育期变化对气候变暖的响应

2.3.1 生长季气温变化趋势

采用5a滑动平均法建立研究站点历年5−9月平均气温序列变化，结果见表3。由表可见，自1981年起，4个研究站点5−9月平均气温整体呈极显著波动上升趋势（P＜0.01），敦化、桦甸、榆树和延吉站气温平均增长速率分别为0.5、0.31、0.34和0.24℃·10a−1。采用M−K检验法对4个站点历年5−9月平均气温序列进行检验，结果见图3。由UF曲线可见，1981−2014年，除敦化站5−9月平均气温呈持续极显著升高外（P＜0.01），其它3站均在90年代初发生气温突变，之后气温呈极显著上升趋势（P＜0.01），其中桦甸站在1995年发生气温突变，榆树和延吉站均在1992年发生气温突变，显示了20世纪90年代以来的突变性增温。总体而言，敦化站变暖趋势最显著。统计4个站点出苗−开花、出苗−成熟阶段的气温逐年变化，建立线性回归方程，结果见表3。由表可见，与5−9月平均气温变化趋势相近，自1981年起，研究区域内大豆主要生长阶段气温均呈显著上升趋势（P＜0.05）。出苗−成熟期间，敦化、桦甸、榆树和延吉站气温平均增长速率分别为0.63、0.25、0.38和0.47℃·10a−1，敦化站大豆主要生长阶段气温平均增长速率最高，气温上升趋势最为显著。

统计4个站点全生育期内≥10℃活动积温及降雨量逐年变化趋势可知，1981−2014年，桦甸站大豆全生育期内活动积温有增加趋势，其它站则无明显变化。敦化和榆树站大豆全生育期内降水呈显著减少趋势（P＜0.05），桦甸和延吉站逐年降水量无明显变化。

表3 大豆不同生育阶段平均气温（T）的趋势方程（1981−2014年）

注：x为年序（1−34）。 Note: x is annual series from 1 to 34.

图3 5−9月平均气温序列的M−K统计量曲线（1981−2014年）

2.3.2 大豆生长发育速率对气候变暖的响应

将作物完成某一生长发育阶段所需天数的倒数作为生长速率[21−22]，表示每天完成发育进程占该发育阶段的比率（S，%），用以反映作物生育进程的快慢。研究区域内大豆主要生长阶段生长发育速率与平均气温的线性方程参数见表4。由表可见，各站点大豆生长发育速率与同期平均气温存在正相关的响应关系，但4个站点对气温的响应存在差异。敦化站在各主要生长阶段的生长发育速率与平均气温均呈极显著正相关（P＜0.01），该站大豆生长季平均气温和活动积温为4站中最低，近30a来气温上升较快，因此，温度对大豆生长的促进作用更为显著。

生长时间段越长，期间涵盖的生物和气象信息越多，生长速率与温度的相关性越强。出苗−成熟期和播种−成熟期，各站大豆生长速率与平均气温均呈极显著正相关（P＜0.01），即在一定的温度范围内，温度升高，大豆生长发育速率加快。各站播种−成熟期间生长发育速率与平均气温的关系如图4。由图中方程推断，平均气温每升高1℃，敦化、桦甸、榆树和延吉大豆生长发育速率分别增加4%、1.8%、3.4%和2%左右；生育天数分别缩短7.1、3.6、6.6和4.1d。平均来说，研究区域内平均气温每升高1℃，大豆生长发育速率增加2.8%，生育天数缩短约5.4d。

表4 大豆生长速率（S）与平均气温（T）间相关方程的参数

Table 4 Parameters of the relationship equation between mean temperature(T) and growth rate(S) in soybean growth stages

注：b为线性方程斜率；a为截距；R为相关系数；S是生长速率，即大豆完成某一生长发育阶段所需天数的倒数。

Note: b is the slope of the linear equation; a is intercept of the equation; R is correlation coefficient. S (growth rate) is the reciprocal value of days required for the crop to complete a certain growth stage.

图4 大豆播种−成熟期间生长发育速率（y）与平均气温（x）的关系

3 结论与讨论

吉林中东部春大豆主产区多年平均播种期、开花期和成熟期分别为5月4日、7月9日和9月24日，大豆全生育期平均为143d，活动积温2640.8℃∙d，大豆生育期在年际间和区域内存在差异，气候偏冷的东部地区大豆发育偏晚，生育期内平均气温与活动积温均偏低。1981−2014年，吉林春大豆生育期内平均气温呈极显著上升趋势（P＜0.01），5−9月气温平均增长速率为0.34℃·10a−1，出苗−成熟期平均气温增长速率为0.43℃·10a−1，高于中国年平均气温增长速率（0.24℃·10a−1）[23]。吉林春大豆主产县市于20世纪90年代以来出现突变性增温，这一事实与相邻地区研究结果相符[24−25]。

农业是对气候变暖响应最为敏感的行业之一[26−27]，吉林春大豆生长季气温升高，逐日热量增加，导致大豆完成某一生长阶段的日数减少，相应地出现生育期缩短，生长发育速率加快，这符合积温学说和作物生态学原理，与其它省区的研究结果也有相似之处[11,15,27]。除桦甸市外，大豆播种期随年代呈极显著推迟（P＜0.01），平均变化速率为−4.3d·10a−1，相应地出苗期和三叶期均显著推迟（P＜0.05），榆树、敦化和延吉3市表现出相同的变化规律，表明大豆在营养生长阶段，生育期日数对气候变暖响应较为一致，区域差异性较小。各市开花期和结荚期日期随年代变化表现出不同的特征，榆树市大豆开花期和结荚期日期均极显著推迟（P＜0.01），敦化仅结荚期推迟极显著（P＜0.01），延吉市大豆开花期和结荚期则随年代明显提前（P＜0.01）。各市大豆成熟期均无明显变化，表明在生殖生长阶段，大豆生育期日期对气候变暖的响应程度低于营养生长阶段。播种期推迟，成熟期变化不大，则大豆生育期逐渐缩短（P＜0.05），2010年以来这种变化更为显著。总的来说，主要生长季内大豆生长发育速率与平均气温均呈极显著正相关（P＜0.01），生长发育速率均随着温度升高而显著加快，其中播种−成熟期间平均气温每升高1℃，生长发育速率平均增加2.8%，生育天数缩短约5.4d。但研究区域各代表县市变化的速度有差异，各生长阶段对气候变暖响应也不尽相同。

气候变暖使作物生育进程加快、生育期缩短是生物学规律[28]，而大豆播种期延后则是当地人们通过改变农事活动主动适应气候变暖。气候变暖导致积温增加，无霜期延长，大豆遭遇冷害的几率下降[25]，在品种所需积温基本不变的条件下，适当推迟播种也完全可以保证秋季大豆正常成熟，还可以躲避春旱，提高出苗质量。随着未来气候变化的持续，当地可以考虑采用晚熟高产大豆品种，适当提前播种，可保证成熟，提高单产，从而高效利用气候变暖增加的积温资源。但如果不更新品种，在大豆品种的光温响应类型多年基本不变的条件下，气候变暖使大豆生育期缩短可能导致提前成熟，大豆生长过程中干物质积累不充分，浪费热量资源，限制大豆产量和品质。此外，大豆相对不耐干旱，如果气候变暖导致地表蒸发加快，气候干热化，大豆生长季干旱加剧，也会影响产量。敦化和榆树市大豆生育期内降水已出现减少趋势，将对干物质积累和产量形成造成不利影响。因此，气候变暖对吉林春大豆的种植也存在潜在负面影响，需要因地制宜积极应对，趋利避害。

除气温和积温条件外，大豆生长发育还受到水分等条件的影响[15,27]，这可能是造成各主产县市大豆主要生育期变化趋势及其对气候变暖响应出现一定偏差的主要原因，如桦甸市大豆生长对气候变暖的响应与其它代表县市差异较大，主要原因可能是该市大豆生育期内雨水相对充沛，气候偏湿润[27]，影响了生长进程，削弱了温度的影响，也不排除品种和栽培等其它方面原因。研究区域内大豆主要生育期存在年际波动，多数与温度的年际变化有关，但个别年大豆生育期变化不符合规律，存在随机性，原因可能是观测误差，或降水、旱涝等其它因素的影响。这些不确定性问题尚待深入探究。

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Changes of Growth Stage for Spring Soybean in Jilin Province and Its Response to Climate Warming

QIU Yi-xuan1, MA Shu-qing2, LI Xiu-fen3

(1.Climate Center of Jilin Province, Changchun 130062, China; 2.Meteorological Observatory of Jilin Province, Changchun 130062; 3.Heilongjiang Institute of Meteorological Sciences, Harbin 150030)

Based on the soybean growth stages and climate data in 4 representative stations from 1981 to 2014 in Jilin Province, the change trends of main soybean growth stages and its relationship with climate warming were analyzed, the influence pattern of temperature on soybean growth rate was established. The results showed that the temporal and spatial variation of soybean growth in Jilin Province was obvious, the average sowing date of soybean was May 4, and the maturing date was September 24, the whole growth season of soybean was 143 days and the active accumulated temperature was 2640.8℃∙d. The growth season of soybean delayed in eastern region of Jilin Province, the mean temperature and active accumulated temperature were both lower. The abrupt change of the mean temperature appeared in the 1990s in soybean production area of Jilin Province, the mean temperature during main growth season of soybean fluctuated at upward trend significantly (P＜0.01), the mean temperature from May to September increased by 0.34℃·10y−1, and the mean temperature from seedling emergence to maturity increased by 0.43℃·10y−1. In the latest 34 years, the date of soybean sowing, emergence and third leaf was delayed significantly (P＜0.05), but there was no significant change for soybean maturity date. The vegetative growth phase of soybean showed a more significant response to climate warming. The whole growth season decreased gradually (P＜0.01). The soybean growth rate was positively correlated with mean temperature significantly (P＜0.01), the soybean growth was accelerated with climate warming. During the whole growth season of spring soybean, if the mean temperature rose by 1℃, the soybean growth rate increased by 2.8%, and growth season decreased approximately 5.4 days.

Spring soybean; Growth rate; Climate warming; Jilin Province

2018−04−25

。E-mail：jlmasq@aliyun.com

国家自然科学基金面上项目（31671576）

邱译萱（1990−），女，硕士，工程师，主要从事应用气象研究。E-mail：qiuyixuan27@163.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.11.003

邱译萱,马树庆,李秀芬.吉林春大豆生育期变化及其对气候变暖的响应[J].中国农业气象,2018,39(11):715-724