气候变化对亚热带冬小麦植被动态变化的影响

吴瑾，姜紫阳，傅学振，孙齐，杨昆

(临沂市气象局，山东 临沂 276700)

0 引言

亚热带区域由于海洋气团与大陆气团相互作用，形成亚热带季风气候。通常情况下该气候具有四季分明的特点，夏季炎热高温，冬季温度适中，多年平均气温在16～23℃之间，季风盛行，而且雨季与高温同时到来[1]。中国秦岭淮河分界线以南均属于亚热带，北部至湖北、安徽一线，南至广东，东部最远到达上海，西部则靠近重庆市区域，这广阔的南部区域均属于亚热带区域[2-3]。近年来随着生态环境遭受破坏，全球范围内气候环境发生剧烈变化，统计数据显示，近30年之内，全球气温平均升高0.85℃，导致世界各地频繁出现自然灾害，生态系统的稳定性受到严重影响，气候变化所造成的问题也逐渐显现出来。全球气候变暖导致大气中的温室气体增加，同时大气辐射失衡，这些变化进一步加剧气温上升，全球气候变化陷入恶性循环[4-6]。气温升高导致降水形态发生改变，温室气体浓度升高,但是气候变化存在较为明显的地域差异。例如寒温带近30年的平均温度升高为0.5℃，而热带及亚热带的温度增幅更大，约为0.9℃，超过全球近30年的平均升高温度，由此可以看出，受到纬度及气候的影响，气候变暖出现明显地域差异[7]。

气候变化会导致农作物在生长过程中对水分和热量的需求发生变化。冬小麦作为重要的粮食作物，在亚热带区域广泛种植，但是受到气候变化的影响，导致其产量不稳定。在气候的影响下，冬小麦产量会出现一个上限值，通常情况下这种上限值被称作气候生产潜力[8-9]。这种气候生产潜力可以详细分为光合生产潜力与温度生长潜力。针对冬小麦来说，如果气候发生剧烈变化不但会影响产量，严重时还会出现重大自然灾害，所以在分析冬小麦生长情况时还需考虑气候变化对冬小麦生长造成的胁迫性。尽管近年来科学技术手段飞速发展，已经研究出多种应对气候变化的冬小麦生长方式，但是在变化多端的自然气候条件之下，自然灾害的到来无法预估，而冬小麦的脆弱性与暴露程度都是一种实时动态变化的状态，极端变化的气候条件对于冬小麦作物生长的恶劣影响一直是学界研究的重点。赵彦茜等[10]学者针对气候变化对小麦等粮食作物的产量造成的影响提出相关解决措施，该研究发现，温度升高有利于北方冬小麦的生长，但是对于南方地区的冬小麦影响不大。王艳召等[11]以过去20年作为时间区间研究作物对气候的响应情况，介绍了气候环境变化对于植物生长的影响，但是针对的植物较为广泛，没有具体研究某种作物的动态变化。本研究选取亚热带区域的浙江省和安徽省，分析气候剧烈变化之下两地冬小麦作物植被的动态变化规律，为提升冬小麦作物产量提供一定理论指导。

1 材料与方法

1.1 数据收集

中国秦岭淮河以南均为亚热带区域，由于所涉区域广阔，选择2个省下辖2个市共4个城市(即浙江省的嘉兴市和丽水市，安徽省的豪州市与蚌埠市)作为研究区域，收集各地农业气象观测站的冬小麦生长数据。这4个气象站均储存2000—2020年的气候变化数据(表1)以及冬小麦的生长数据。

表1 4个气象站的气候信息

1.2 研究方法

1.2.1实验日期数据处理

由于历年冬小麦播种日期存在差异，所以不利于记录后续冬小麦生长发育的日期。在研究设计过程中主要记录从冬小麦播种之初到各生长阶段的用时长度，以及比较重要的生长发育期的用时长度，也就是记录每个关键生长期之间的所存在的日期数，由此分析得出气候变化对于冬小麦作物植被动态变化的影响[12]。分析气候变化与冬小麦各生长发育期之间的关系时，基于冬小麦最早播种月首日，通过计算获得该首日与各生长发育期之间的间隔天数，由此实现每个生长发育期的数值化转换。计算过程中使用相关分析法与线性倾向估计法等方法[13]。

1.2.2 植被指数

在晴朗天气下每天分2次(上午9：00—10:00，下午13:00—14:00)使用4色模式数码相机观测冬小麦生长情况并拍摄图像，相机角度控制在50°至65°之间[14]。使用N表示植被指数，公式如下：

(1)

式(1)中：NIR表示近红外波段反射率；R代表红光波段反射率。

1.2.3 气候胁迫指数

在冬小麦生长发育过程中，各类气候条件发生变化会直接影响其生长状态，也就直接影响冬小麦的产量[15]，本研究集中在高温和多雨胁迫方面。

高温胁迫就是当前温度远高于冬小麦生长时的最佳温度，这种胁迫会造成冬小麦产量降低：

(2)

(3)

式(2～3)中：Sht表示高温胁迫指数，在第i个生育期中高温造成冬小麦的减产量与光合生产潜力分别使用Vhti和Yqi表示；T0表示冬小麦在某个生育期中最佳生长温度，第i个生育期中温度订正系数表示为f(T)i。

多雨胁迫是指在冬小麦生长发育期中水分含量过大导致产量降低的胁迫情况，该胁迫也是气候变化的表现形式之一，公式如下：

(4)

(5)

式(4～5)中：在第i个生育期中冬小麦由于过量水分出现的产量降低以及光温生产潜力分别用Vhwi和Yti表示，Shw是多雨胁迫指数，第i个生育期中水分修正系数用f(W)i表示。

2 结果分析

2.1 气候变化下冬小麦发育期的变化趋势

根据数据收集结果，以2020年的冬小麦生长数据为例，获得冬小麦在不同生长发育阶段的用时并计算生长趋势数值，由表2可看出各气象站统计的冬小麦生长发育情况动态变化：

表2 冬小麦不同生长期的变化

(1)从种植开始直至越冬期这一时间段内，浙江气象站监测到的冬小麦生长期随着时间变化而缩短，而安徽2个气象站的数据则显示其生长期变长；(2)起身期阶段，只有丽水气象站监测到的冬小麦生长期变长，其余3个气象站监测结果均为缩短；(3)从种植到乳熟阶段，各气象站监测结果显示，各地冬小麦生长期均缩短；(4)冬小麦开花至成熟以及从开花至成熟阶段，各气象站监测结果均显示生长期变长。为分析冬小麦在生长过程中对于气候变暖的动态响应，研究了冬小麦从播种阶段至成熟阶段的生长情况，结合表2中的统计结果发现，靠近亚热带边界的亳州和蚌埠的冬小麦平均生长期在70.5天，亚热带中部区域的城市嘉兴和丽水的冬小麦平均生长期在79.5天，2个区域的生长期均变长，生长时长存在明显差异。这2个区域，受到地理条件以及纬度影响，气候变化也存在明显差异，这种差异导致2个地区的冬小麦生长时长不同。安徽省豪州市与蚌埠市地理位置相对靠北，多年平均气温相对较低、多年平均降雨量在900 mL左右，相对较小，城市海拔也相对较高；而浙江省嘉兴市和丽水市地理位置相对靠南，多年平均气温略高于安徽省站点，多年平均降雨量在1 100～1 600 mL之间，相对较大，城市海拔也相对较低，因此亳州和蚌埠的气候环境更适应于冬小麦的生长。但是由于都处于亚热带地区，因此生长期变化趋势一致。冬小麦从开花阶段至乳熟阶段是冬小麦产量形成的阶段，该阶段各地区生长期均为变长，与拔节-成熟阶段类似，但仍然会受到气候及地理环境影响，出现微小差异。

2.2 冬小麦植被指数变化规律

植被指数是对地表植被状况简单、有效和经验的度量。该指数能够敏感地探测出作物的生物量，常被各位学者用来衡量作物的生长发育情况。

统计2000—2020年4个气象站的冬小麦植被指数变化规律(图1)，随着气温的逐年上升，各个气象站监测到的冬小麦植被指数始终保持上升趋势。这说明冬季及春季的温度升高，有利于冬小麦在亚热带地区越冬，从而提高产量。2004年前后各地区冬小麦植被指数出现一个峰值，这是由于2004年前后亚热带区域温度达到了一个峰值。2008年，中国亚热带地区遭遇百年不遇的特大暴雪，冬小麦生长遭受毁灭性打击，因此该年冬小麦植被指数出现下降。此后该区域受到气候变化影响，温度逐渐升高，冬小麦的植被指数开始出现上升趋势。由此可见，极端低温气候会严重影响冬小麦植被生长，而在一定的范围内，小幅度升温会促进冬小麦植被生长。整体来看浙江地区的2个气象站监测结果略高于安徽2个气象站的监测结果。

图1 冬小麦植被指数变化规律

2.3 冬小麦全生长期植被指数变化规律

冬小麦从每年9—10月之间播种，次年5—6月之间收割，收集4个气象站在冬小麦整个生长期中的植被指数，结果见图2。4个区域的冬小麦在播种初期以及越冬期所需光合作用较少，这个阶段冬小麦的植被指数保持在一个较低范围之中。越冬之后，冬小麦进入起身期，生长所需的水分、阳光和温度水平均较高。亚热带区域受气候变化影响，春季温度较往年更高，且雨水充沛，所以冬小麦呈现植被指数迅速上升的情况；待进入灌浆期以后，冬小麦进入营养生长期，需要大量光合作用，这个阶段4个地区逐渐进入初夏，雨水减少，光照增强，冬小麦得以迅速生长，植被指数达到顶峰。该阶段以后，冬小麦进入成熟期，整个植株叶绿素减少，转变为黄色，不再需要光合作用和水分，该阶段只要不出现暴雨、冰雹、干旱等极端气候变化，冬小麦就可以实现丰收，由于该阶段冬小麦已经停止生长，因此植被指数下降。

图2 全生长期冬小麦植被指数变化

2.4 气候胁迫下冬小麦空间变化

亚热带地区由于气候变化，会出现高温及洪涝等自然灾害现象，这些灾害都会对冬小麦产生胁迫作用。以安徽省为例，分析气象站反馈的胁迫指数空间分布效果，并进一步分析气候变化对于冬小麦生长的胁迫作用。

由图3(a)可以看出高温气候对冬小麦生长所造成的胁迫指数较低，主要是由于亚热带区域高温天气一般集中在7—9月，冬小麦已经完成收割。但是由于受到气候变化影响，亚热带部分区域会提前进入夏季，温度的变化会促进冬小麦在春季的生长。反之冬季低温会对冬小麦的生长造成严重影响，热量不足会直接导致冬小麦停止生长。从图3(b)中能够看出，多雨胁迫也会抑制冬小麦的生长，严重时冬小麦可能会发生发霉腐烂并停止生长的情况。综上所述，气候变化导致的高温气候能够促进冬小麦生长，受极端天气影响出现的强降雨，则会严重危害冬小麦的生长。

图3 胁迫指数空间分布

2.5 气候显著变化前后冬小麦生产期的变化

过去近20年的气候变化过程中，2008年中国亚热带地区曾经发生重大雪灾事件，导致气温突变；在2008年之后，亚热带区域温度保持上升趋势，将2008年作为一个时间节点，对比气候变化前后研究区域的4个地方冬小麦生长期长短变化。

由表3可知，天气转暖以后，安徽和浙江的冬小麦整个生长期均明显缩短，冬小麦拔节生长后，生长速度也逐渐缩短，也就是说，随着气候转暖，冬小麦已经不需要经历过长的营养期，但是成熟期与乳熟期所经历的过程更长，由于温度升高，冬小麦需要更长时间才能实现成熟，但是总体变化不大。

表3 冬小麦生长期变化统计

3 结论

随着近年全球气候变暖以及极端天气变化，中国亚热带气候区域温度逐年上升，偶尔出现极端天气，以浙江省嘉兴市和丽水市、安徽省豪州市与蚌埠市的2000—2020年气候变化数据以及冬小麦生长数据为例分析，结果显示冬小麦由于温度升高，生长期缩短，但是成熟期变长。极端低温会影响冬小麦生长甚至出现停止生长的情况。从植被指数结果可以看出，该区域的冬小麦在遭受极端低温气候时出现植被指数降低的情况，但是随着温度升高，植被指数保持上升趋势。高温胁迫对冬小麦的影响较小，但是降雨量对冬小麦影响较大，如果雨水过剩将会导致冬小麦减少。