未来气候变暖情景下北部冬麦区冬小麦生育期演变趋势预测分析

马倩倩

(焦作市气象局，河南焦作 454002)

自20世纪初以来，以变暖为主要特征的气候变化愈益加剧，中国北方地区是全球气温升高显著的地区之一[1-2]。据预测，至21世纪末全球平均气温将升高0.3～4.8 ℃[1]，中国华北地区将升高2.4～6.4 ℃[3]。随着气候的变化，冬小麦生育期已发生明显改变[4-5]，但其变化规律较复杂，且具有较强的区域特征。随着气候变暖，美国大平原6个站点和德国的冬小麦抽穗、开花期均提前[5-6]；对1981-2007年我国小麦生育期的变化分析发现，冬小麦播种期变化复杂，但其显著推迟的站点数多于提前的站点数，约40%的站点的抽穗和成熟期显著提前[4]，Xiao等[7]也得出类似的研究结果。Estrella等[5]研究表明，1951-2004年间，德国冬小麦的播种和出苗期均呈提前趋势。杨建莹等[8]指出，我国冬小麦返青期在华北地区西部和东南部分别表现为推迟和提前，拔节期均提前，抽穗和成熟期则均普遍推迟。生育期改变促使各生育阶段也发生变化。Tao等[4,7,9]研究均表明，冬小麦营养生长阶段显著缩短的研究站点较多，生殖生长阶段则多呈延长趋势。肖登攀和陶福禄[10]分析了过去30年华北平原冬小麦物候的变化，发现出苗-越冬开始、越冬开始-返青、返青-开花阶段呈缩短趋势，但开花-成熟阶段延长。前人对历史时段冬小麦生育期的变化开展了大量的研究，但对未来气候变暖情景下的研究较少，且在生育阶段方面的研究多分为营养生长和生殖生长两个阶段进行分析，有必要对生育阶段进行细化研究。北部冬麦区是我国冬小麦主产区之一，位于冬小麦生长北界，气候变化已显著影响了该区冬小麦的生长和产量形成[9,11]。本研究对未来北部冬麦区冬小麦各生育时期和生育阶段的变化进行了分析，以期为准确评价气候变化对研究区冬小麦生育期的影响及应对措施的选择等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

依据赵广才[12]对中国小麦区划的研究结果，选取北部冬麦区为研究区域。该区位于我国冬小麦种植区的最北部，横跨辽宁、河北、天津、北京、山西、陕西和甘肃5省2市，为一东西向狭长区域。全境地势复杂，东部为低丘，中部为平原，西部则为黄土高原，干旱、严寒是影响其冬小麦生产的主要问题。

1.2 数据来源

根据数据的完整性、连续性和研究区域的特点，分别选取位于研究区东、中、西部的霸州 (116.38°E，39.12°N，海拔9 m)、介休(111.92°E，37.03°N，海拔743.9 m)和西峰镇(107.63°E， 35.73°N，海拔1 421 m)三个农业气象站的历史资料(2001-2005年)进行生育期模型参数的调试和验证。所选站点的冬小麦生育期、产量数据和播种密度、施肥、灌溉等田间管理资料来源于国家气象信息中心。各站点的土壤剖面理化信息来源于中国土壤数据库，包括模型土壤所需的层次相对厚度、颗粒组成、有机质含量、全氮含量、水提 pH 值和阳离子交换量等信息。用于生育期模型校验的气象数据包括平均气温、最高气温、最低气温、降水、日照时数，来源于中国气象数据网。

本研究区域气候模式数据是通过对区域气候模型系统PRECIS单向嵌套全球气候模式HadGEM2-ES产生的代表浓度路径(representative concentration pathways，RCPs)下的气候模式数据进行动力降尺度得到的，选用中等排放情景的RCP4.5情景数据进行未来北部冬麦区冬小麦研究。本研究将1976-2005年作为基准期，将2031-2090年作为未来时段，使用的气候要素数据为逐日平均气温，本麦区各要素数据为霸州、介休和西峰镇三站点的均值。

1.3 冬小麦生育期模拟

1.3.1 播种期、越冬开始和返青期模拟

本研究利用五日滑动平均法，将逐日平均气温稳定通过0 ℃的终日作为冬小麦越冬期的开始[11]，稳定通过3 ℃的初日作为返青期[13-14]，从越冬开始往前推测>0 ℃积温为600 ℃·d的那天作为理论上的适宜播种期[11,15]。基于霸州、介休和西峰镇三个农业气象站点2001-2005年的冬小麦生育期数据对播种、越冬开始和返青期进行模拟检验，从图1可以看出，模拟值与实测值较为一致，能够反映出冬小麦生育时期的变化，可用于冬小麦未来相应生育时期的预测。

1.3.2 拔节、抽穗和成熟期模拟

选取2001、2002和2003年的拔节、抽穗和成熟期数据校准活动积温法、累计热生长单位法[4,16-17]和生长速率估测法[18-19]三个生育期模型对播种-拔节、播种-抽穗和抽穗-成熟天数模拟的参数，使用2004和2005年的资料进行检验，比较模型对拔节、抽穗和成熟期的模拟精度，假定品种不变，选用精度较高的模型对未来冬小麦拔节、抽穗和成熟期进行模拟。

1.4 模型检验

本研究以均方根误差(root-mean-square error，RMSE)和一致性指数 (D)为指标进行统计校验：

(7)

(8)

1.5 变化趋势

变化趋势由最小二乘法估计，计算样本Xt与时间t的线性回归系数b，一元线性方程可表示为：

Xt=a+bt(t=1,2,…,n)

(9)

式中，a为回归常数，以b的10倍作为气候倾向率。采用Student的t-test 检验法对各要素变化趋势进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 未来北部冬麦区的气候变化特征

由表1可知，2031-2090年麦区的年平均气温呈极显著升高趋势，每10年升温达0.43 ℃，60年均值较基准期升高了2.9 ℃。而年降水量和年辐射量离散度较高，变化趋势不显著，但年降水量在2031-2090年的均值较基准期增加了39.4 mm，年辐射量则减少了45.2 W·m-2。从霸州、介休和西峰镇三站点来看，2031-2090年三站点年平均气温均极显著升高，且麦区西部的西峰镇的倾向率最大(0.44 ℃·10 a-1)，东部的霸州则较小；三站点未来60年的年降水量和年辐射量的变化均不显著，但霸州的年降水量较基准期增加较多(60.6 mm)，而介休的年辐射量减少较多 (-71.6 W·m-2)。

2.2 生育期模型模拟精度的比较

图2为2004和2005年各站点冬小麦拔节、抽穗和成熟期日序的模拟值与实测值对比图。从中可以看出，参数校准后的三个生育期模型(活动积温法、生长速率估测法和累计热生长单位法)的模拟值与实测值较为一致，多均匀分布在1∶1线的两侧，但对不同生育时期的模拟精度不同。由表2可知，生长速率估测法对拔节和抽穗期的模拟结果最好，RMSE分别为1.7和2.4 d，D值均超过0.90，而活动积温法的模拟精度最差。三个模型对成熟期模拟结果均较好，RMSE为1.6～2.4 d，D值均超过0.95，其中活动积温法的模拟结果最为精确，D值为0.98。因此，本研究采用校准后的生长速率估测法模拟未来冬小麦的拔节和抽穗期，用活动积温法模拟成熟期。

表1 2031-2090年研究区气候资源的变化趋势和较基准期的变化量Table 1 Variation trend of climatic resources during 2031-2090 and the variation relative to baseline period

表2 三个生育期模型对拔节、抽穗和成熟期模拟结果的统计检验Table 2 Model accuracy evaluation for jointing,heading and maturity stages

2.3 未来冬小麦各生育期的变化

利用上述优选方法进行模拟，结果表明， 2031-2090年北部冬麦区冬小麦播种期和越冬开始均极显著推迟(P<0.01)，变化趋势分别为1.8和1.7 d·10 a-1；返青、拔节、抽穗和成熟期极显著提前(P<0.01)，变化趋势分别为-2.4、-1.2、-1.0、-1.2 d·10 a-1。进一步分析表明，2040s(2031-2060年，下同)与2070s(2061-2090年，下同)麦区未来各生育时期的变化存在阶段性差异(表3和图3)。在2040s播种期显著推迟(P<0.05)，返青、拔节、抽穗和成熟期均显著提前，而在2070s仅成熟期变化显著 (P<0.05)，变化趋势为-0.9 d·10 a-1，越冬开始在2040s和2070s变化均不显著(P>0.05)。在2040s和2070s播种期的变幅均最大，分别推迟了9.7和15.5 d，其次是越冬开始，冬后生育时期变幅较小。

分析2031-2090年霸州、介休和西峰镇三站点冬小麦生育时期的变化(表4)可知，介休和西峰镇冬小麦冬前生育时期推迟，冬后生育时期提前，而霸州的返青期变化不显著，其他生育时期变化均达到极显著水平(P<0.01)。除了越冬开始，麦区西部的西峰镇冬小麦各生育时期变化趋势的绝对值均最大，东部的霸州均最小；霸州和西峰镇越冬开始的变化趋势均为1.8 d·10 a-1，介休则较小(1.6 d·10 a-1)。各生育时期相比，介休和西峰镇冬小麦返青期变化趋势的绝对值最大，分别为2.7和 3.7 d·10 a-1(P<0.01)，而霸州则在越冬开始最大(1.8 d·10 a-1)。除2040s的返青期外，2040s和2070s的各生育时期较基准期的变幅在西峰镇均较大，在霸州的变幅最小。霸州的冬小麦返青期在2040s较基准期的变幅最大(-5.4 d)，在介休的变幅最小 (-4.2 d)。三站点的生育时期在2040s和2070s较基准期的变幅特点与麦区类似，冬前较冬后生育时期的变幅大。

表3 2031-2090年冬小麦各生育期的变化趋势和各生育期在2031-2060和2061-2090年较基准期的变化Table 3 Variation trend of growth stages during 2031-2090 and the variation relative to baseline period during 2031-2060 and 2061-2090

2.4 未来冬小麦各生育阶段的变化

分析2031-2090年麦区各生育阶段的变化可知(表5)，越冬期和播种-成熟阶段极显著缩短，变化趋势分别为-4.0和-3.1 d·10 a-1，较基准期分别缩短了20.8和23.0 d；而返青-拔节阶段则极显著延长(1.1 d·10 a-1)，较基准期延长了0.9 d，其他阶段变化均不显著。

霸州、介休和西峰镇冬小麦各生育阶段的变化特征与麦区类似(表5)。三站点的越冬期和播种-成熟阶段的天数缩短，变化趋势均达到显著水平，但西峰镇的变化速率最大，分别为-5.4和-3.8 d·10 a-1，60年均值较基准期分别缩短了23.1和25.8 d，霸州的变化则均最小。2031-2090年介休和西峰镇冬小麦返青-拔节阶段均极显著延长，变化趋势分别为1.4和2.0 d·10 a-1，霸州的抽穗-成熟阶段显著缩短，三站点冬小麦的其他阶段则变化不明显。与麦区类似，2031-2090年三站点冬小麦播种-越冬开始、返青-拔节、拔节-抽穗和抽穗-成熟阶段的天数较基准期变化不大，均在1 d左右。

表4 2031-2090年冬小麦各生育阶段的变化趋势和较基准期的变化天数Table 4 Variation trend of winter wheat growth stages and the variation relative to baseline period during 2031-2090

3 讨 论

本研究采用区域气候模式PRECIS模拟的RCP4.5情景下的气候情景数据，但气候模式对未来气候的模拟和预测仍存在较大的不确定性，包括排放情景的不确定性和对气候系统认知的局限性[3,20-21]。张玉静[3]研究指出,PRECIS对温度的模拟能力较好，对降水的模拟仍存在较大偏差，但对降水的空间模拟能力有较大改进。因此，未来应使用多种情景数据进行分析，减少科学的不确定性。此外，本研究仅选用了3个典型站点，不能充分体现北部冬麦区冬小麦的物候特点，今后需选取更多站点系统研究气候变化对研究区冬小麦物候的影响。

目前，生育期模型主要考虑了品种、温度、光周期和春化因素的影响。本研究比较了已被广泛应用的三种模型(活动积温法、生长速率估测法和累计热生长单位法)对研究区冬小麦拔节、抽穗和成熟期的模拟精度，评价其适用性，选用精度较高的模型进行未来研究区冬小麦的物候模拟。结果表明，生长速率估测法对拔节和抽穗期的模拟精度较高，RMSE分别为1.7和2.4 d，D值均超过 0.9，与Xue等[19]的研究结果一致。这可能是由于相较于活动积温法只考虑温度，生长速率估测法增加了对冬小麦拔节和抽穗有重要影响的光周期和春化等因素，且相较于累计热生长单位法，其采用曲线模型分析温度和春化因素对生长的影响。Streck等[22]研究认为，春化对物候影响的曲线模型更符合冬小麦的春化反应特性。本研究对成熟期的模拟是通过对抽穗-成熟阶段的天数来计算，冬小麦在此阶段的物候主要受温度的影响，但三种模型计算温度对物候影响的算法不同，其中活动积温法对成熟期的模拟精度较高，这与Mkhabela等[23]研究得出简单的生长度日法对春小麦生育时期的模拟优于更复杂的Beta模型的结果类似。

2031-2090年北部冬麦区的气候变化仍以增温为主要特点，位于麦区东、中和西部三个典型站点的年平均气温均极显著升高，60年均值较基准期(1976-2005年)升高了2.8～2.9 ℃，年降水量和辐射量变化不显著，但年降水量较基准时段略有增加，而辐射量则减少，与Feng等[2,24-25]利用多个气候模式对未来气候的研究结果一致。整体来看，未来气候变暖使得麦区冬小麦的播种期和越冬开始均推迟，返青、拔节、抽穗和成熟期均提前，各生育时期的变化趋势均达到极显著水平(P<0.01)，与袁静和许吟隆[26]将CERES-Wheat模型与未来气候情景数据耦合的模拟结果一致。麦区各生育时期在2040s与2070s时段较基准期的变化趋势不同，多在2040s时段变化显著，而在2070s未达到0.05显著水平，且返青期的变化趋势差异最大，冬后生育期在2070s的变化较2040s减缓。三个典型站点来看，位于西部的西峰镇未来冬小麦各生育时期变化趋势的绝对值最大，且除返青期在2040s时段外，其各生育期在2040s与2070s时段较基准期变化的天数也最多，位于中部的介休次之，东部的霸州则最小，可能是由于未来西峰镇年平均气温的倾向率(0.44 ℃·10 a-1)最大，而霸州 (0.41 ℃·10 a-1)最小导致。

从2031-2090年麦区各生育阶段天数的变化来看，越冬期和播种-成熟阶段极显著缩短，较基准期分别缩短了20.8和23.0 d，与气温升高使冬小麦全生育期(播种-成熟)缩短的研究结果一致[4,27]。而返青-拔节阶段极显著延长，其他生育阶段变化均不显著，可知冬小麦全生育期天数的变化主要是由于越冬期的缩短。未来麦区冬小麦播种期推迟且成熟期提前，使得冬小麦生长期缩短，有利于复种作物的生产。返青-拔节阶段极显著延长可能是由于冬小麦返青和拔节期极显著提前，使其处于较冷和日照长度较短的时段[4]，延缓了冬小麦在该阶段的生长发育，使得此阶段延长。

4 结 论

整体来看，2031-2090年北部冬麦区年平均气温极显著升高，每10年升温达0.43 ℃，而年降水量和年辐射量变化不明显。

三种生育期模型(活动积温法、生长速率估测法和累计热生长单位法)相比，生长速率估测法对北部冬麦区冬小麦拔节和抽穗期的模拟精度较高，活动积温法对成熟期的模拟较精确，可分别用于对应生育时期的模拟。

未来研究区冬小麦播种期和越冬开始推迟，返青、拔节、抽穗和成熟期提前，均达到极显著水平。但2061-2090年生育时期的变化较2031-2060年减缓，且未来冬前生育期较基准期 (1976-2005年)的变化幅度比冬后大。除了越冬开始，麦区西部的西峰镇冬小麦各生育时期变化趋势的绝对值均最大，东部的霸州均最小。

2031-2090年研究区冬小麦越冬期和播种-成熟阶段的天数极显著缩短，而返青-拔节阶段极显著延长，其他阶段变化不显著。越冬期、返青-拔节和播种-成熟阶段变化趋势的绝对值均在西部的西峰镇最大，而在东部的霸州最小。