1981—2019年气候变化对河南省冬小麦生育期的影响分析

檀艳静，杨慧洁，李辉

（1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，河南郑州 450003；2.周口市气象局，河南 周口 466000；3.信阳市气象局，河南 信阳 464000）

气候条件是自然资源中制约农业生产的重要组成部分之一，农业是对气候变化反应最为敏感和脆弱的领域之一［1，2］。大量观测事实表明全球变暖已成为不争的事实。IPCC第5次评估报告指出，1880—2012年全球海陆表面平均温度升高了0.85℃，21世纪全球气温增幅可能超过1.5～2.5℃［3］；近 50年来中 国 平均气温升 高 了1.3℃［4］。气候变暖对农业生产产生深远影响［5］，对作物生长发育及其产量具有重要影响［6］。气候变化对农作物生育期的影响已成为国内外研究的热点，而小麦作为主要粮食作物在农业生产中居重要地位。

研究表明，气温每升高1℃，冬小麦生育期将缩短 17 d［7，8］。受全球变暖影响，1961—2007年间中国冬小麦全生育期平均缩短2.2 d，其中北方冬麦区缩短3.0 d，南方麦区缩短1.9 d［9］。随着气温升高，河南省小麦的播种期、出苗期、返青期明显推迟，拔节期、开花期和成熟期显著提前［10-12］。研究表明冬小麦春季生育期提前的主要原因在于平均气温的升高［13-15］，而河南省冬小麦返青后各生育期提前不仅受2—5月平均气温增高的影响，还受3月日照时数增加的影响［11］。此外还有研究表明，冬小麦各生育期与冬季积温呈显著负相关［16，17］。

河南省是我国粮食生产大省，是小麦主产区之一，在全国有着十分重要的地位。本研究利用河南省长时间尺度的气象资料和冬小麦生育期观测资料，分析阐明河南省冬小麦关键生育期的变化特征，从温度、降水和光照三方面分析冬小麦各关键生育期变化的主要影响因素，以了解气候变化对河南省冬小麦生育期的影响，为调整农作物种植结构、合理利用气候资源和积极应对气候变化提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域与数据来源

河南省位于中国中东部，地处中纬度（31°23′～36°22′N和 110°21′～116°39′E）内陆地区，地势西高东低，为亚热带向暖温带过度的大陆性季风气候。中部与东部为黄淮海冲积平原，西南部为南阳盆地，平原和盆地、山地、丘陵分别占总面积的55.7%、26.6%和17.7%（图1）。主要种植制度为一年两熟，以冬小麦-夏玉米轮作为主。

考虑到数据的连续性、完整性，选取河南省26个农业气象观测站1981—2019年的冬小麦生育期观测资料和相应站点的气象观测数据进行分析。数据来源于国家气象信息中心及河南省气象档案馆。生育期资料包括逐年冬小麦播种、越冬、返青、拔节、开花、成熟等关键生育期。为方便计算，计算生育期时采用儒略日的表示方法，如1月1日为1，12月31日为365（闰年为366）；若越冬期在翌年则在365（闰年为366）的基础上加上翌年越冬期儒略日，如越冬期为翌年1月8日记为373（闰年374），越冬后生育期则正常计算。气象数据包括逐日平均温度、月平均气温、月降水量和月日照时数。

图1 研究区域及农试站点空间分布

1.2 方法

分析冬小麦关键生育期随时间的变化特征采用一元线性回归分析法［18］（公式1），显著性检验采用相关系数检验法。利用Matlab软件对冬小麦多年变化趋势进行时间序列表达，并利用Arc-GIS10.0对河南省冬小麦关键生育期多年平均的变化趋势特征进行空间系统表达。用Microsoft Excel、SPSS统计软件和 Pearson相关分析法［19］分析关键生育期与气象要素的关系，并进行显著性检验。

变异系数是衡量变量变异程度的统计量，可反映单位均值上的离散程度，用标准差和平均值的比值表示［20］（公式 2）。

式中，a为回归系数，b为回归常数。a和b可以用最小二乘法进行估计。文中以a的10倍作为某生育期的气候倾向率。

式中，xi表示样本量为n的某一生育期为 xi多年平均值。

2 结果与分析

2.1 冬小麦关键生育期时间变化

由图2、表1可知，播种期，20世纪90年代最早为10月14日，其它年代在10月18日左右，1981—2019年多年平均值在10月17日；气候倾向率为0.4 d／10a，即每 10 a推迟 0.4 d。越冬期，20世纪80年代最早为12月23日，其它年代为12月28日，多年平均值在12月27日；气候倾向率为1.2 d／10a，即每10年推迟1.2 d。返青期，20世纪90年代最早为2月16日，2011—2019年为2月22日，多年平均值在2月19日；气候倾向率为1.1 d／10a，即每10 a推迟1.1 d。拔节期，21世纪00年代最早，在3月22日，最晚在20世纪80年代，为3月29日，多年平均值在3月25日；气候倾向率为 -1.6 d／10a（P＜0.05），即每10 a提前1.6 d。开花期，最晚在20世纪80年代，为4月30日，21世纪后年代差异小，分别为4月23日、24日，多年平均值在4月27日；气候倾向率为 -2.3 d／10a（P＜0.01），即每 10 a提前2.3 d。成熟期，最晚在20世纪80年代，为6月3日，21世纪后年代差异小，为5月30日，多年平均值在6月1日；气候倾向率为 -1.3 d／10a（P＜0.01），即每10 a提前1.3 d。变异系数分析表明，返青期年际波动最大，其次是拔节期，播种期最小（表1）。

图2 河南省冬小麦关键生育期出现日序（DOY）时间分布

表1 冬小麦关键生育期多年均值、气候倾向率及变异系数

2.2 冬小麦关键生育期空间分布特征

由图3可知，河南省冬小麦播种期和越冬期在空间上呈明显的纬向分布特征，即纬度越高播种和越冬期越早。豫北一带冬小麦播种最早，播种期在10月5—12日；豫西、豫中和豫东地区在10月13—19日；豫西南、豫南北部在10月20—25日；信阳一带在10月26—31日。豫北北部冬小麦进入越冬最早，越冬期在12月11—18日；豫北、豫中、豫东部分地区和西部山区在12月19—25日；豫西南、豫南和豫东部分地区在12月26日—1月1日；豫西南和豫南部分地区在1月2—9日。

河南省冬小麦返青期在空间上呈块状分布特征，即豫东和豫中东部地区最早开始返青，为2月14—17日；濮阳一带、西部山区和局部地区最晚进入返青期，为2月21—27日；其它地区2月18—20日进入返青期。

河南省冬小麦拔节期空间分布特征不明显，即内乡、西平、驻马店和沈丘局部地区冬小麦最早开始拔节，为3月15—21日；豫北北部和西部山区等地区最晚进入拔节期，为3月28日—4月2日，尤其是卢氏、栾川等地区为4月3—9日；大部分地区3月22—27日进入拔节期。

河南省冬小麦开花和成熟期空间分布特征较一致，均呈明显的纬向分布特征，即纬度越高，冬小麦开花和成熟越晚。豫南、豫西南和沈丘等地区冬小麦开花最早，为4月22—25日；豫中、豫东和豫西南部分地区4月26—29日进入开花期；豫北、西部山区等地区开花较晚，为4月30日—5月3日，卢氏、栾川等局部地区开花最晚为5月4—7日。豫南、豫西南和伊川等地区冬小麦成熟最早，为5月26—30日；豫北、豫中和豫东地区5月31日—6月4日进入成熟期；林州、濮阳一带和西部山区成熟较晚，为6月5—9日，卢氏、栾川一带成熟最晚，为6月10—14日。

2.3 气象要素对关键生育期的影响

由1981—2019年冬小麦关键生育期（河南省26个农业气象观测站）与各月平均气温的相关分析结果发现，播种期与9月平均气温、越冬期与12月平均气温、返青期与2月平均气温、拔节期与2月平均气温、开花期与3月平均气温、成熟期与5月平均气温相关关系最显著。播种期与9月平均气温、越冬期与12月平均气温呈显著正相关（图4a、b），相关系数分别为0.217和0.499（P＜0.01），即月平均气温升高，播种期和越冬期延迟；月平均气温每升高1℃，播种期和越冬期分别推迟1.46 d和4.41 d。返青期和拔节期与2月平均气温呈显著负相关关系（图4c、d），相关系数分别为-0.387和-0.560（P＜0.01）；开花期与3月平均气温、成熟期与5月平均气温呈显著负相关关系（图4e、f），相关系数分别为 -0.675和-0.618（P＜0.01）。表明月平均气温升高，返青期、拔节期、开花期和成熟期提前，月平均气温每升高1℃，4个生育期分别提前1.66、3.01、2.38 d和2.55 d。

冬小麦关键生育期与各月降水量的相关分析结果（图5）表明，播种期与8—10月降水量呈正相关关系，与10月的相关性最显著，相关系数为0.408（P＜0.01）；越冬期与10月—翌年1月降水量呈正相关关系，与1月的相关性最显著，相关系数为0.268（P＜0.01）；返青期与10—11月、翌年1—2月降水量呈正相关关系，与12月降水量呈负相关关系，与2月降水量相关性最显著，相关系数为0.08（P＜0.05）；拔节期与全生育期内各月降水量呈负相关关系，与3月降水量相关最显著，相关系数为-0.245（P＜0.01）；开花期与全生育期内各月降水量呈负相关关系，与4月降水量相关最显著，相关系数为-0.246（P＜0.01）；成熟期与全生育期内各月降水量呈负相关关系，与1月降水量相关最显著，相关系数为-0.223（P＜0.01）。播种期、越冬期、返青期与月降水量呈正相关关系，表明月降水量增加，播种期、越冬期和返青期推迟；月降水量增加10mm，3个发育期分别推迟0.8、2.2 d和 0.4 d（图5a、b、c）。拔节期、开花期、成熟期与月降水量呈负相关关系，表明月降水量增加，拔节期、开花期、成熟期提前；月降水量增加10 mm，3个生育期分别提前0.9、0.5 d和0.8 d（图5d～f）。

图3 河南省冬小麦关键生育期空间分布

图4 河南省冬小麦关键生育期与月平均气温相关关系分布

由图6看出，播种期与8—10月日照时数呈负相关关系，与10月日照时数相关性最显著，相关系数为-0.314（P＜0.01）；越冬期与10月—翌年1月日照时数呈负相关关系，与1月的相关性最显著，相关系数为-0.141（P＜0.01）；返青期与11—12月日照时数呈正相关关系、与1—2月日照时数呈负相关关系，与1月的相关性最显著，相关系数为 -0.141（P＜0.01）；拔节期与全生育期内各月日照时数呈正相关关系，与12月的相关最显著，相关系数为0.265（P＜0.01）；开花期与全生育期内各月日照时数以正相关关系为主，与3月日照时数呈负相关关系，与4月日照时数相关最显著，相关系数为0.224（P＜0.01）；成熟期与全生育期内各月日照时数以正相关关系为主，与3月日照时数呈负相关关系，与1月日照时数相关最显著，相关系数为0.278（P＜0.01）。播种期、越冬期、返青期与月日照时数呈负相关关系，表明月日照时数增加，3个生育期提前；月日照时数增加10 h，3个生育期分别提前0.8、0.6 d和0.3 d（图6a～c）。拔节期、开花期、成熟期与月日照时数呈正相关关系，表明月日照时数增加，拔节期、开花期、成熟期推迟；月日照时数增加10 h，3个发育期分别推迟0.7、0.5 d和0.5 d（图6d～f）。

图5 河南省冬小麦关键生育期与月降水量相关关系分布

3 讨论与结论

本研究基于河南省26个农业气象观测站1981—2019年冬小麦生育期观测资料和气象观测数据，采用一元线性回归分析法、Pearson相关分析法等分析小麦生育期变化、生育期与气象要素的关系，具体结论如下：

3.1 1981 —2019年河南省冬小麦播种期、越冬期和返青期随时间呈推迟趋势，每10 a分别推迟0.4、1.2 d和1.1 d，拔节期、开花期和成熟期呈提前趋势，每10 a分别提前1.6、2.3 d和1.3 d。返青期年际波动最大，其次是拔节期，播种期最小。

3.2 河南省冬小麦播种期和越冬期在空间上呈明显的纬向分布特征，即纬度越高，播种和越冬期越早；返青期在空间上呈块状分布特征；拔节期空间分布特征不明显；开花和成熟期空间分布特征较一致，均呈明显的纬向分布特征，即纬度越高，冬小麦开花和成熟越晚。

3.3 播种期与9月平均气温、越冬期与12月平均气温呈显著正相关关系，返青期、拔节期与2月平均气温呈显著负相关关系，开花期与3月平均气温、成熟期与5月平均气温呈显著负相关关系。播种期与10月降水量、越冬期与1月降水量呈显著正相关关系，返青期与2月降水量、拔节期与3月降水量、开花期与4月降水量、成熟期与1月降水量呈显著负相关关系。播种期与10月日照时数、越冬期与1月日照时数、返青期与1月日照时数呈显著负相关关系，拔节期与12月日照时数、开花期与4月日照时数、成熟期与1月日照时数呈显著正相关关系。

图6 河南省冬小麦关键生育期与月日照时数相关关系分布

本研究表明河南省冬小麦播种期、越冬期、返青期推迟，拔节期、开花期和成熟期显著提前，这一结论与已有研究一致［10-12，21，22］。从实际生产上看，河南省冬小麦播期不宜过晚，尤其是中北部，适期播种既可抵御暖冬冻害，也可以避免冷冬年冬前积温不足导致的苗小苗弱［23］。冬小麦成熟期提前，在一定程度上可以避免初夏高温对冬小麦生产的影响；此外成熟期提前，有利于麦收后及时进行复种，延长复种作物生长期，这对有效提高复种指数、充分利用气候资源和提高粮食总产具有重要意义［24］。由于河南省区域内小麦种植品种较多且差异较大，因此在分析冬小麦生育期历史观测资料时难以剔除品种对其影响，而这在未来研究中可以通过单一品种试验等方法实现。