气候变化影响下我国冬油菜物候期时空演变分析

黄稳清，黄洪宇*，蒋范晨，叶智燕，闫 超

(1.福州大学 空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室，福建 福州 350116;2.数字中国研究院(福建)，福建 福州 350116)

油菜是世界四大油料作物之一，是我国食用植物油生产的主要原料来源，兼具油、花、蜜等多维度利用价值[1]。保证油料作物生产是我国粮食生产安全的重要组成部分，具有重要的贸易战略意义。油菜是我国第一大油料作物，目前我国的油菜种植规模不断增长，但在油菜的生产过程中仍然面临着诸多挑战[2]。我国油菜生产中冬油菜种植比例最大，冬油菜物候期变化将影响冬油菜的产量及质量。因此，对冬油菜物候期变化的研究能够为我国冬油菜的生产提供决策依据。

植物物候是植物应对环境变化时表现出的一系列生活史对策，是随气候季节性变化的各生长阶段更替的自然现象[3-4]。过去的几十年里，学者们进行了大量关于植被物候变化的研究，发现大多数植物表现出了春季物候提前以及秋季物候推迟[5]。针对不同区域自然植被的研究表明，气候变化背景下植被的物候变化普遍表现为生长开始时间提前以及生长结束时间推迟[6-10]，反映了自然植被的生长受到自然气候变化的影响。气候变化背景下，我国学者进行了许多农作物物候的变化研究，包括水稻、玉米、冬小麦、大豆、棉花[11-15]等。其中，我国水稻的主要物候期提前[11]，玉米和大豆的主要物候期推迟[12-13]；华北平原棉花吐絮之前的物候期提前，吐絮之后的物候期推迟[14]；冬小麦是越冬作物，越冬期之前的物候期推迟，越冬期后的物候期提前[15]。而国内外学者针对冬油菜物候期变化的相关研究，却得到了不同的结果。其中，AHMAD等[16]通过线性回归的方法发现，1980—2014年间，巴基斯坦日均温度的上升导致冬油菜播种、出苗、开花和生理成熟期每十年平均推迟6.02、3.14、3.31和1.89 d；REZAEI等[17]通过分段线性回归的方法发现，1960—2013年，德国冬油菜的播种期提前了4 d，成熟期推迟了10 d；张佩等[18]通过多元线性回归的方法，发现变暖导致江苏冬油菜开花期提前；李文静等[19]通过建立有效积温与开花时间的线性关系，对长江流域的冬油菜花期进行预报，得到实际开花时间偏早的结果。作物的生长受种植习惯和播种时间的影响，其物候变化与自然植被不同，并且农艺措施差异也使得作物的物候变化更复杂，不同作物间物候的变化也存在差异，其中,冬油菜作为越冬作物，物候变化差异更为特殊。

由于我国幅员辽阔，在过去的二十多年里，我国冬油菜的物候期状况在时间和空间上存在着巨大的差异。过去国内冬油菜物候期的研究大多仅针对一两个物候期或局限在小区域尺度上[18-20]，没有反映出我国不同区域和气候条件下冬油菜各个物候期间的差异。因此，有必要在大区域尺度上对冬油菜多个物候期进行研究，探究影响冬油菜物候期变化的因素，为我国冬油菜生产提供策略依据。本研究将调查油菜物候格局的时空变化，探究油菜物候变化与温度、日照、降水的关系，推测未来油菜物候期的变化并为油菜生产实践提供建议。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区包括我国一级农业区中的黄土高原区、黄淮海区、西南区以及长江中下游区[21]，地理范围在98°21′—122°42′E、23°1′—40°43′N之间(图1)。黄土高原区按气候可分为东南部和西北部气候区，年平均气温分别为12～15 ℃和6～10 ℃，降水量分别为600 mm以上和350～600 mm，地区海拔较高，晴天太阳辐射强，昼夜温差大[22]。黄淮海区年均气温10～15 ℃，年降水量为500～950 mm，大部分降水集中在夏季[23]。西南区年均气温在10～22 ℃，热量丰富，冬暖突出，年降水量600～1 800 mm，降水集中于下半年，该区光照资源较少，时空分布差异大[24]。长江中下游区是我国重要的商品粮基地，属亚热带季风气候，年平均气温14～18 ℃，年降水量1 000～1 500 mm，水热条件好[25]。

图1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area

1.2 数据来源与处理

1.2.1数据来源

油菜物候期资料采用中国气象数据网(data.cma.cn)提供的农业物候观测站点资料。该资料包含1992—2013年的油菜物候数据，记录了油菜多个物候的发生日期，其中，有冬油菜记录的站点103个。冬油菜物候期验证数据通过2021年实地调研获得，经过筛选，共获得现蕾期、开花期和成熟期点位分别为19、17和43个。日均温度、日照时数、降水等气象数据同样采用中国气象数据网提供的中国地面资料日值数据集，选择相应或临近的气象站记录作为物候站点的气候条件。

1.2.2物候数据处理

当同一站点同一年份的单个物候期有多个物候日期记录时，取多个记录的中值作为该物候期的时间。考虑气候因子对冬油菜物候期的影响时，温度、降水和日照为播种期开始到相应物候期之间的日平均值。

1.3 研究方法

1.3.1显著性检验

在物候期时间序列趋势分析中，采用曼-肯德尔(Mann-Kenda11)检验法[26]，检验冬油菜物候期变化的显著性。MK检验的Z绝对值大于1.28、1.64、1.96时，分别表示通过了置信度80%、90%和95%的显著性检验。在本文中选择Z的绝对值大于1.64(90%)作为显著性检验的标准。当考虑模型拟合效果以及模型验证的显著性时采用t检验方法[27]，P<0.05时为显著，P<0.01时为极显著。

1.3.2线性回归

采用线性回归的方法，对冬油菜的物候期及其气候因子进行线性拟合。将纬度作为物候期的影响因素时，通过一元线性回归，拟合纬度与物候期的关系。对于油菜物候期变化及气候因子趋势同样采用一元线性回归，将一元回归方程斜率作为变化率，正值代表正趋势，负值代表负趋势。探究温度、降水、日照对冬油菜物候期的综合影响时，则使用多元线性回归的方法。

2 结果与分析

2.1 冬油菜物候期分布

基于冬油菜的播种期、现蕾期、开花期和成熟期，分析油菜物候期的时空分布变化。根据农业分区，冬油菜的物候站点分布在西南区、长江中下游区、黄土高原区和黄淮海区，其中大多数点位分布在西南区和长江中下游区。利用物候站点记录的1992—2013年的物候期时间，计算各站点冬油菜物候期时间的均值，分布如图2所示。

图2 1992—2013年冬油菜物候期均值分布Fig.2 Mean distribution of winter rapeseed phenology from 1992 to 2013

根据物候期分布特点，将西南区和黄土高原区归为西南-黄土区，长江中下游区和黄淮海区归为长江-黄淮区。从冬油菜物候期时间来看，播种期总体上呈现从南往北逐渐提前的分布规律，在西南-黄土区这一规律尤为明显。冬油菜播种期最早在第240天，最迟在第342天。现蕾日期分布不规则，没有明显的纬度渐变特征。冬油菜现蕾期最早在发生在第317天，最迟发生在次年的第132天。冬油菜开花和成熟期总体上呈现从南到北逐渐推迟的趋势，尤其是在长江-黄淮区。冬油菜开花时间最早在第9天，最迟在第141天。冬油菜成熟期最早在第89天，最迟在第165天。油菜物候期中，现蕾期的早晚差异最大，达到了180 d，成熟期差异最小，仅76 d。除了现蕾期外，其他物候期最早和最晚的点位几乎都分布在最南或最北边。冬油菜与冬小麦同属越冬作物，物候期的时空分布相似，纬度越高播种期越早。冬小麦抽穗期和成熟期纬度越低物候期越早，而冬油菜开花期和成熟期纬度越低物候期越早。冬油菜与冬小麦同样表现出播种早的站点生长季较长，播种晚的站点生长季较短的特点[15]。

由冬油菜物候期分布(图2)可知，冬油菜的播种期、开花期、成熟期有较明显的纬度渐变趋势，而现蕾期没有表现出纬度渐变的特点。其中，在黄土高原区播种最早，越冬后的物候期到来最晚。纬度与播种期、开花期、成熟期的关系如表1所示。

表1 冬油菜物候期与纬度关系拟合模型Tab.1 Fitting models of winter rapeseed phenological and latitude

由表1可知，冬油菜播种期、开花期和成熟期都体现了明显的随纬度渐变特点。研究区整体上表现为纬度每增加1°，冬油菜播种期提前2.84 d，开花期、成熟期分别推迟5.3和3.74 d；西南-黄土区纬度每增加1°，冬油菜播种期提前3.67 d，开花期、成熟期分别推迟4.74和2.77 d；长江-黄淮区纬度每增加1°，冬油菜播种期提前2.89 d，开花期、成熟期分别推迟6.99和5.04 d。播种期在西南-黄土区与纬度的相关性更强，而开花期和成熟期在长江-黄淮区与纬度的相关性更强。研究表明在西南-黄土区，播种期向南推迟的趋势比长江-黄淮区明显，在长江-黄淮区开花期和成熟期向北推迟的趋势比西南-黄土区明显，冬油菜物候期变化存在空间差异。

2.2 冬油菜物候历史趋势及变化

探究冬油菜历史物候期的变化，分析过去我国冬油菜物候的变化情况。冬油菜播种期受人为决策影响大，在此及下文中仅探究现蕾期、开花期、成熟期的趋势及变化。通过一元回归方程拟合多年物候期，仅对有十年记录以上的站点物候进行趋势计算，并且通过MK检验计算变化的显著性。有效记录的站点中，现蕾期、开花期和成熟期的点位分别有39、44和43个。其中27个(69.2%)站点现蕾期推迟；开花期推迟和提前的站点数量相同，但推迟显著的站点更多；27个(62.8%)站点成熟期推迟。因此冬油菜现蕾期、开花期和成熟期趋势都以推迟为主。1992—2013年，我国不同区域冬油菜物候期变化存在差异(图3)。研究时间内，我国冬油菜现蕾期、开花期和成熟期平均推迟了3.10、0.03和0.13 d/10 a。表明过去我国冬油菜物候期的变化存在时间和空间上的差异，而气候特征是影响作物物候期的重要因素[28]，因此有必要进一步研究气候因子与冬油菜物候期的关系及影响程度。

图3 1992—2013年冬油菜物候期变化分布直方图Fig.3 Histograms of phenological changes in winter rapeseed from 1992 to 2013

2.3 气候因子与冬油菜物候期的关系

考虑温度、日照和降水3个气候因子对冬油菜物候期的影响。基于播种开始至现蕾期、开花期和成熟期期间的气候均值，研究现蕾期、开花期和成熟期与3个气候因子的关系。将播种开始至现蕾期、开花期和成熟期的单个气候因子与冬油菜物候期时间进行拟合，结果如表2所示。

结果显示，播种期到相应物候期的日照、降水与物候期时间的R2较小，温度的R2最大。表明3个气候因子中，温度对物候期的影响最大，但是这种影响在现蕾期往后变弱(图4)。温度对现蕾期、开花期和成熟期的影响呈现负趋势，日均温度越高，物候期到来越早。日照对现蕾期、开花期和成熟期的影响表现为正趋势。降水对现蕾期和成熟期表现为负趋势，对开花期则为正趋势。冬油菜播种期到现蕾期的发育经历了晚秋、冬季和早春，并且晚秋和早春的热量条件也不足。热量条件不足，导致温度对现蕾期影响程度最大。发育阶段到达开花期和成熟期后，温度条件逐渐改善，温度对物候期的作用降低。相关研究表明温度、日照和降水这3个气候因子中，温度是影响油菜物候日期的主要[16,29]因素，与本研究得到的结果一致。

表2 冬油菜物候期与气候要素拟合模型Tab.2 Fitting model of phenological period and climatic in winter rapeseed

图4 冬油菜物候日期与温度关系Fig.4 Relationship between winter rapeseed phenological date and temperature

2.4 气候因子对冬油菜物候期的影响程度

冬油菜物候期受温度、日照和降水的综合影响。因此，通过播种期到物候期的日平均温度、日照时数和降水量与冬油菜的物候期时间进行多元线性拟合，探究气候因子对冬油菜物候期的影响程度，拟合结果见表3。从表3可知，将温度、日照和降水作为物候期的影响因素时，发育期间内温度每增加1 ℃，冬油菜的现蕾期、开花期和成熟期将分别提前6.05、1.94和0.43 d；日照每增加1 h，现蕾期、开花期和成熟期分别推迟0.86、2.62和2.47 d；降水每增加1 mm，现蕾期和成熟期分别提前0.62和0.82 d，开花期推迟0.59 d。该结果体现了气候条件对冬油菜物候期的影响：增温使冬油菜物候期提前，日照增多使物候期推迟，降水增加使现蕾期和成熟期提前，开花期推迟。利用2021年实地调研的冬油菜物候数据与相应物候观测站模拟的2021年冬油菜物候期相应时间分别进行验证。

表3 冬油菜物候期与气候要素的多元回归拟合模型Tab.3 Multiple regression model of phenological period and climatic elements in winter rapeseed

图5 模型验证结果Fig.5 Linear model validation results

验证结果显示(图5)，相对于模拟结果，实际物候时间提前和推迟比例分别为43.04%和49.37%，与模拟结果相一致的比例为6.33%。相较于模拟结果，实际现蕾期更倾向于提前，占现蕾期验证数据的68.42%，开花期的物候时间更倾向于推迟(52.94%)，成熟期推迟和提前的点位数量相同。3个物候期总体验证累计精度在±7 d、±14 d内的比例分别为68.35%、88.61%。模型的验证R2和均方根误差(RMSE)如表3所示，表明模型模拟的冬油菜现蕾期和开花期的平均误差在8 d以内，成熟期平均误差在10 d以内，模型的模拟效果良好。

2.5 冬油菜物候趋势及未来变化

过去的几十年里，由于自然及人为因素导致气候发生变化。受地理条件差异影响，不同区域气候变化的幅度有所差异，气候变化也会影响到冬油菜的物候期。根据表3中冬油菜物候期与气候因子的关系，结合各物候站点1992—2021年的气候变化趋势，计算我国冬油菜物候期的变化率。例如，现蕾期的变化便依据1992—2021年播种期到现蕾期的气候变化率计算，依此类推。

1992—2021年冬油菜播种到成熟期物候站点的气候变化情况如图6(a)、(b)、(c)所示。冬油菜生长期内，温度增加的站点占42.7%(44个)，主要在长江中下游区的北部。日照增加的站点占57.3%(59个)，主要在长江中下游区中部。绝大部分站点的降水都减少，占93.2%(97个)，降水减少幅度大的区域在长江中下游区中部。物候期变化结果如图6(d)、(e)、(f)所示。云贵高原地区相邻站点冬油菜开花期的变化率差异较大，而成熟期的差异较小。表明在冬油菜开花期内，云贵高原山地垂直的气候变化差异更大。随着夏季到来日均温升高，这样的气候变化差异被弥补，因此，云贵高原成熟期变化率差异较小。长江中下游区北部以及黄淮海区南部开花期提前的程度较为明显，表明该区域过去增温明显，很可能是城市化所致。日照增加和降水减少，使长江中下游区中部的冬油菜成熟期发生推迟。按照1992—2021年的气候变化趋势，冬油菜现蕾期的最大提前速率为-3.25 d/a，最大推迟速率为0.64 d/a；开花期最大提前速率为-0.99 d/a，最大推迟速率为0.2 d/a；成熟期最大提前速率为-0.25 d/a，最大推迟速率为0.15 d/a。按照1992—2021年的气候变化趋势推测，相较于2021年，2050年我国冬油菜现蕾期、开花期和成熟期将平均提前9.96、2.58和0.88 d。

图6 冬油菜物候站点气候及物候期变化率分布Fig.6 Climate and phenological change rate of winter rapeseed

3 结论与展望

文中研究了气候变化对我国冬油菜物候期时空变化的影响，分析了冬油菜物候期对气候变化的响应程度，并对未来冬油菜物候期变化进行推测。得到以下结论：

我国冬油菜播种期由北向南逐渐推迟，开花期和成熟期由南向北逐渐推迟。温度的纬度梯度影响了冬油菜的发育，导致冬油菜播种期、开花期和成熟期呈现南北梯度分布。在播种时间和气候的综合影响下，冬油菜现蕾期没有呈现出明显的纬度特征。温度仍是影响冬油菜物候期的主要因素，温度对冬油菜物候期影响最大，气候变暖使冬油菜的相应物候期提前，而日照和降水对冬油菜物候期的变化趋势影响并不明显。在气候变化背景下，1992—2013年我国大多数地区冬油菜的现蕾期、开花期、成熟期发生了推迟。按照1992—2021年气候趋势，到2050年我国冬油菜现蕾期、开花期、成熟期将平均提前9.96、2.58和0.88 d。冬油菜物候期提前很可能导致产量降低，因此，为保证我国冬油菜的生产，应培育生育期更长的品种以适应气候的变化。

选取了温度、降水和日照作为冬油菜物候期变化的影响因素，结果显示日照和降水对冬油菜物候期变化趋势的影响并不明显，但日照和降水作为重要的气候因子，其对冬油菜物候期的影响值得进一步探讨。因此，在不同气候条件下进行地块试验，量化日照和降水因素，是进一步理解日照和降水变化对冬油菜物候期影响的重要方法。相关研究表明，气候是影响作物物候的主要因素，但是农作物物候也受农艺技术、管理措施以及作物品种更替等影响。文中仅研究了温度、日照和降水对冬油菜物候期的影响，可能忽略了其他影响因素。在以后的研究中，可以纳入更多的相关影响因素，深入揭示冬油菜物候变化的原因及特点。