侯學(xué)會,隋學(xué)艷,姚慧敏,梁守真,王 猛
(山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南 250100)
明確作物物候是作物長勢監(jiān)測和估產(chǎn)的重要前提之一。全球性或區(qū)域性的氣候變化使我國農(nóng)業(yè)氣候資源、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、作物種植制度、生育時(shí)期及生產(chǎn)潛力等均受到一定影響[1-3]。冬小麥?zhǔn)俏覈谝淮蠹Z食作物,種植面積大,分布范圍廣,其關(guān)鍵生育時(shí)期對氣候變化的響應(yīng)得到眾多學(xué)者的關(guān)注。高美玲等[4]在綜合分析多篇文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),增溫會導(dǎo)致亞熱帶季風(fēng)區(qū)和溫帶大陸性氣候區(qū)小麥全生育期持續(xù)時(shí)間縮短,但對溫帶季風(fēng)區(qū)小麥生育期持續(xù)時(shí)間影響不大;成林等[5]基于站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析也發(fā)現(xiàn),受播種-返青期最低溫度升高的影響,1981-2014年河南省冬小麥返青期主要呈現(xiàn)顯著推遲趨勢,而成熟期的提前趨勢比較顯著,且降水對河南省冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期變化也有一定負(fù)效應(yīng);而王鶴齡等[6]研究表明,在甘肅地區(qū),冬小麥越冬-返青期的縮短與極端低溫顯著相關(guān),而乳熟-成熟期的縮短與極端高溫顯著相關(guān);杜莉等[7]對陜西、甘肅和新疆部分站點(diǎn)的小麥關(guān)鍵生育時(shí)期的分析結(jié)果顯示,受局地小氣候及干旱等氣候條件影響,該地區(qū)冬小麥返青期大部分呈推遲趨勢,而成熟期提前趨勢在區(qū)域上比較一致;而崔耀平等[8]基于全國199個(gè)站點(diǎn)資料研究得出,在2000-2013年間我國冬小麥成熟期延后趨勢比較明顯。另外,水分對部分地區(qū)冬小麥物候變化的限制作用逐漸增大[9-11]。
我國地形復(fù)雜,東西、南北水熱條件差異較大,且氣候因素時(shí)間變化趨勢存在明顯的空間分異,如黃淮海平原地區(qū)熱干化程度愈發(fā)嚴(yán)重[12-13],而西北內(nèi)陸區(qū)呈現(xiàn)由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變趨勢[14-16],且已有眾多學(xué)者研究表明,自然植被物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)在我國具有明顯的地域性[17-19],而已發(fā)表的小麥物候?qū)夂蜃兓憫?yīng)的研究多是基于某幾個(gè)站點(diǎn)/某些省市/某區(qū)域的數(shù)據(jù)開展,而對不同區(qū)域上小麥物候時(shí)空變化及主要驅(qū)動因子的區(qū)域差異的對比研究尚少。因此,本研究擬基于1992-2013年農(nóng)業(yè)物候觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)和氣象觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù),將我國北方冬小麥主要種植區(qū)分為三大區(qū)域,即黃淮海平原麥區(qū)、黃土高原麥區(qū)和西北內(nèi)陸麥區(qū),在分析不同區(qū)域冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期時(shí)間變化趨勢的基礎(chǔ)上,探討不同區(qū)域冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期與水熱氣候條件的相關(guān)關(guān)系,以期明確冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期變化及主導(dǎo)氣象要素的區(qū)域差異,為中國農(nóng)業(yè)區(qū)域性研究提供參考。
冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期觀測資料和地面氣象觀測資料來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://www.cma.gov.cn/),其中小麥關(guān)鍵生育時(shí)期資料包括逐年返青期和成熟期,地面氣象觀測資料包括月日照時(shí)數(shù)(h)、月平均最低溫度(℃)、月平均最高溫度(℃)、月均溫(℃)、月累積降水量(mm)和根據(jù)最低、最高氣溫差值得到的月溫差(℃)。
由于20 世紀(jì) 80 年代以后氣象站的氣候觀測和作物生育時(shí)期記錄受到的干擾較小,并且根據(jù)天氣變化和作物生長狀況對作物進(jìn)行了較好管理,如灌溉、施肥和防治病蟲害等,因此直接用這些作物資料進(jìn)行與氣候因素間的統(tǒng)計(jì)分析是可靠的[20]。本研究所使用的站點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)間范圍主要為1992-2013年,但部分站點(diǎn)由于物候觀測數(shù)據(jù)或者氣象數(shù)據(jù)的缺失,僅有部分年份資料。為保證結(jié)果可信度,本研究僅選用有效數(shù)據(jù)大于10年以上的站點(diǎn)資料進(jìn)行分析,且綜合冬小麥物候觀測站點(diǎn)與氣象資料觀測站點(diǎn)的一致性及站點(diǎn)地理分布,選取了新疆(14個(gè))、甘肅(5個(gè))、山西(4個(gè))、陜西(4個(gè))、江蘇(3個(gè))、安徽(3個(gè))、河南(8個(gè))、山東(10個(gè))、河北(5個(gè))和北京(1個(gè))共10個(gè)省市57個(gè)站點(diǎn)的冬小麥物候觀測資料和氣象資料,并將57個(gè)站點(diǎn)劃分為西北、黃土高原和黃淮海平原三個(gè)大區(qū),其中西北區(qū)包括新疆14個(gè)站點(diǎn),黃土高原區(qū)包括甘肅、山西、陜西的13個(gè)站點(diǎn),黃淮海平原區(qū)包括江蘇、安徽、河南、山東、河北和北京6個(gè)省市的30個(gè)站點(diǎn)。站點(diǎn)分布及區(qū)域劃分見圖1。站點(diǎn)物候資料以年/月/日形式記錄,利用Excel中的“days360”函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為儒略日。
圖1 冬小麥主要區(qū)域劃分及觀測站點(diǎn)位置Fig.1 Study area and location of the stations
采用線性逐步回歸方法研究氣候變化背景下三大區(qū)域冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期在1992-2013年的時(shí)間變化趨勢,并計(jì)算其顯著性水平。小麥關(guān)鍵生育時(shí)期與各氣象因子之間的相關(guān)關(guān)系則采用雙因子相關(guān)分析,并以其相關(guān)系數(shù)評價(jià)關(guān)鍵生育時(shí)期與各氣象因子相關(guān)性的顯著程度。
根據(jù)站點(diǎn)數(shù)據(jù),1992-2013年間,黃淮海平原冬麥區(qū)小麥(N=406)返青期平均日期為2月24日,成熟期為6月3日;黃土高原區(qū)(N=184)冬小麥平均返青期為3月1日,成熟期為6月17日;在西北內(nèi)陸區(qū)(N=210),小麥平均返青期為3月2日,而成熟期為6月16日。1992-2013年間,三大冬麥種植區(qū)各站點(diǎn)冬小麥返青期和成熟期時(shí)間變化趨勢如圖2所示。
從總體上看,中國三大冬小麥種植區(qū)返青期大部分呈延后趨勢,而成熟期主要呈提前趨勢,但大部分站點(diǎn)變化趨勢并不顯著。具體來看,黃淮海平原麥區(qū)30個(gè)站點(diǎn)中僅南陽站小麥返青期呈提前趨勢,其余站點(diǎn)冬小麥返青期均呈延后趨勢,且隨著經(jīng)度增加,即從西向東,延后幅度逐漸增大,但僅有德州、惠民和許昌3個(gè)站點(diǎn)小麥返青期延后趨勢達(dá)到極顯著水平(P<0.01),淄博、泰安、亳州、宿縣、固始4個(gè)站點(diǎn)小麥返青期延后趨勢顯著(P<0.05);而成熟期僅在濰坊和盱眙兩個(gè)站點(diǎn)呈顯著提前趨勢,而德州卻呈現(xiàn)顯著延后。在黃土高原冬麥區(qū),除延安、洛川、西峰頂和平?jīng)?個(gè)站點(diǎn)外,其余9個(gè)站點(diǎn)小麥返青期呈延后趨勢,且榆中、臨汾兩個(gè)站點(diǎn)小麥返青期延后趨勢顯著,但延安站小麥返青期的提前趨勢顯著;冬小麥成熟期僅在長治、武功、天水北道區(qū)、平?jīng)黾碍h(huán)縣5個(gè)站點(diǎn)有延后趨勢,但變化趨勢并不明顯,而介休、延安、鳳翔和榆中4個(gè)站點(diǎn)的小麥成熟期有顯著提前趨勢,特別是延安站的提前趨勢達(dá)到極顯著水平。在西北冬麥區(qū),僅有塔城站小麥返青期有不明顯的提前趨勢,其余14個(gè)站點(diǎn)小麥返青期呈延后趨勢,特別是喀什、巴楚、和田和且末4個(gè)南疆站點(diǎn)的延后趨勢達(dá)到顯著水平;對成熟期來講,西北區(qū)僅在南疆的喀什、莎車、于田和巴楚4個(gè)站點(diǎn)呈顯著提前趨勢,其余10個(gè)站點(diǎn)冬小麥成熟期沒有明顯變化。
◇表示變化趨勢在0.01水平上顯著;□表示變化趨勢在0.05水平上顯著。a和b為黃淮海平原冬麥區(qū)小麥關(guān)鍵生育時(shí)期時(shí)間變化;c和d為黃土高原區(qū)冬麥區(qū)關(guān)鍵生育時(shí)期時(shí)間變化;e和f為西北麥區(qū)關(guān)鍵生育時(shí)期時(shí)間變化。S1:南陽(112.58);S2:鄭州(113.65);S3:許昌(113.87);S4:新鄉(xiāng)(113.88);S5:駐馬店(114.02);S6:信陽(114.05);S7:南宮(115.38);S8:荷澤(115.43);S9:固始(115.62);S10:尚丘(115.67);S11:阜陽(115.73);S12:亳州(115.77);S13:德州(116.32);S14:廊坊(116.38);S15:密云(116.87);S16:宿縣(116.98);S17:泰安(117.15);S18:黃驊(117.35);S19:惠民縣(117.53);S20:遵化(117.95);S21:淄博(118.00);S22:唐山(118.15);S23:臨沂(118.35);S24:盱眙(118.52);S25:莒縣(118.83);S26:淮安(119.02);S27:贛榆(119.12);S28:濰坊(119.18);S29:萊陽(120.73);S30:福山(121.25);S31:榆中(104.15);S32:天水北道區(qū)(105.87);S33:平?jīng)?106.67);S34:環(huán)縣(107.30);S35:鳳翔(107.38);S36:西峰鎮(zhèn)(107.63);S37:武功(108.22);S38:延安(109.50);S39:洛川(109.50);S40:運(yùn)城(111.05);S41:臨汾(111.50);S42:介休(111.92);S43:長治(113.07);S44:喀什(75.98);S45:莎車(77.27);S46:巴楚(78.57);S47:和田(79.93);S48:阿克蘇(80.23);S49:伊寧(81.33);S50:于田(81.65);S51:拜城(81.90);S52:庫車(82.97);S53:塔城(83.00);S54:輪臺(84.25);S55:烏蘇(84.67);S56:且末(85.55);S57:若羌(88.17)。站點(diǎn)名后的括號內(nèi)數(shù)值為經(jīng)度。
◇ means the trends is significant at 0.01 level; □ means the trends is significant at 0.05 level.a and b are the change patterns of turning-green and maturity of winter wheat in Huang-Huai-Hai Plain;c and d are the change patterns of turning-green and maturity of winter wheat in Loess Plateau;e and f are the change patterns of turning-green and maturity of winter wheat in the northwest of China.S1: Nanyang(112.58); S2: Zhengzhou(113.65); S3: Xuchang(113.87); S4: Xinxiang(113.88); S5: Zhunadian(114.02); S6: Xinyang(114.05); S7: Nangoong(115.38); S8: Heze(115.43); S9: Gushi(115.62); S10: Shangqiu(115.67); S11: Fuyang(115.73); S12: Bozhou(115.77); S13: Dezhou(116.32); S14: Langfang(116.38); S15: Miyun(116.87); S16: Suxian(116.98); S17: Taian(117.15); S18: Huanghua(117.35); S19: Huimin(117.53); S20: Zunhua(117.95); S21: Zibo(118.00); S22: Tanshan(118.15); S23: Linyi(118.35); S24: Xuyi(118.52); S25: Juxian(118.83); S26: Huaian(119.02); S27: Ganyu(119.12); S28: Weifang(119.18); S29: Laiyang(120.73); S30: Fushan(121.25); S31: Yuzhong(104.15); S32: Tianshuibeidaoqu(105.87); S33: Pingliang(106.67); S34: Huanxian(107.30); S35: Fengxiang(107.38); S36: Xifengzhen(107.63); S37: Wugong(108.22); S38: Yanan(109.50); S39: Luochuan(109.50); S40: Yuncheng(111.05); S41: Linfen(111.50); S42: Jiexiu(111.92); S43: Changzhi(113.07); S44: Kashi(75.98); S45: Shache(77.27); S46: Bachu(78.57); S47: Hetian(79.93); S48: A'kesu(80.23); S49: Yining(81.33); S50: Yutian(81.65); S51: Baicheng(81.90); S52: Kuche(82.97); S53: Tacheng(83.00); S54: Luntai(84.25); S55: Wusu(84.67); S56: Qiemo(85.55); S57: Ruoqiang(88.17). The values in parentheses after the station names are longitudes.
圖2不同區(qū)域冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期時(shí)間變化空間格局
Fig.2Spatio-temperolpatternsofturning-greenandmaturityperiodsofwinterwheatindifferentregions
為明確不同區(qū)域冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期的主要影響氣象要素,基于站點(diǎn)冬小麥物候資料和氣象資料,分析了冬小麥返青期與1-3月氣象要素、成熟期與1-5月氣象要素的相關(guān)性。結(jié)果(表1)表明,在黃淮海平原麥區(qū),小麥返青期與1-3月各氣象要素(2月降水量除外)的相關(guān)性均極顯著,其中日照時(shí)長和月溫差與小麥返青期呈正相關(guān),而月降水、月均溫、月最高溫度和月最低溫度與黃淮海平原小麥返青期呈負(fù)相關(guān);除2月和5月份降水外,黃淮海平原冬小麥成熟期與月日照時(shí)長、月最低溫度、月最高溫度、月均溫、月溫差及1月、3-4月降水間均存在極顯著相關(guān)性,且與返青期表現(xiàn)一致,日照時(shí)長和月溫差與成熟期呈正相關(guān),而月最低溫度、月最高溫度和月均溫及降水與成熟期呈負(fù)相關(guān)。總體上看,在黃淮海平原區(qū),對返青期的影響較顯著的前2個(gè)氣象要素為2月均溫和最低溫度,3月和4月最低溫度對成熟期的影響最為顯著。在黃土高原區(qū),各氣象要素與冬小麥物候期的相關(guān)性與黃淮海平原類似,月日照時(shí)長與返青期和成熟期均呈顯著正相關(guān),而月最低氣溫、月最高氣溫、月均溫與返青期和成熟期顯著負(fù)相關(guān),月溫差對冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期也有一定的正效應(yīng),但影響不如黃淮海平原明顯,僅1-2月的月溫差對返青期有顯著正效應(yīng),1月的月溫差對成熟期的正效應(yīng)達(dá)到極顯著水平;另外,返青期與1月和3月的降水量均呈極顯著負(fù)相關(guān),而成熟期僅與2月降水量的負(fù)相關(guān)比較顯著;對比所有氣象要素,2月均溫和3月最低溫度對黃土高原區(qū)冬小麥返青期的影響較顯著,而5月最低溫度對黃土高原冬小麥成熟期的影響最為顯著。分析西北麥區(qū)數(shù)據(jù),月最低氣溫、月最高氣溫和月均溫對冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期的影響與黃淮海平原及黃土高原區(qū)比較一致,均呈極顯著負(fù)相關(guān),但日照時(shí)長和月溫差與冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期的相互關(guān)系比較復(fù)雜,且與黃淮海平原和黃土高原區(qū)存在較大差異,1-2月日照時(shí)長對返青期和成熟期的負(fù)效應(yīng)比較顯著,但3月日照時(shí)長與返青期及4-5月日照時(shí)長與成熟期均呈極顯著正相關(guān),而月溫差與返青期和成熟期主要呈負(fù)相關(guān),這與黃淮海平原和黃土高原區(qū)相反,尤其是3-4月溫差與返青期和成熟期呈極顯著負(fù)相關(guān),而且與降水量對黃淮海平原和黃土高原區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期有極顯著負(fù)效應(yīng)不同,1-3月降水對西北地區(qū)冬小麥返青期和1-5月份降水對該地區(qū)冬小麥成熟期的正效應(yīng)均達(dá)到極顯著水平??傮w對比看,3月最低溫度對西北麥區(qū)返青期的影響最顯著,而成熟期主要受3-4月均溫影響。
表1 不同區(qū)域冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期與不同時(shí)段氣象因子的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlations of phenology of winter wheat and climate factors in different regions
**:P<0.01; *:P<0.05.
綜合以上分析,黃淮海平原和黃土高原區(qū)冬小麥返青期主要受月均溫的影響,而西北內(nèi)陸小麥返青期主要受月最低溫度影響,月最低溫度的變化是影響黃淮海平原小麥成熟期的主要因素,西北區(qū)冬小麥成熟期則主要受月均溫變化的影響,但在黃土高原區(qū)月均溫對冬小麥成熟期稍強(qiáng)于月最低溫度。
全球氣候變化導(dǎo)致我國農(nóng)業(yè)氣候資源發(fā)生顯著變化。為對比氣候?qū)Χ←溛锖蚱谟绊懙膮^(qū)域差異,本研究基于1992-2013年57個(gè)農(nóng)氣站點(diǎn)資料,分析黃淮海平原、黃土高原和西北內(nèi)陸區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期變化和主要?dú)庀笥绊懸蜃?,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與余衛(wèi)軍等[21]基于省份范圍的資料研究結(jié)果較為一致,在黃淮海平原和黃土高原區(qū),冬小麥返青期延后,但趨勢不顯著,成熟期提前,且變化趨勢比較顯著。姬興杰等[22]基于黃淮海平原16個(gè)農(nóng)氣站點(diǎn)和2個(gè)黃土高原站點(diǎn)資料分析也發(fā)現(xiàn),16個(gè)黃淮海平原站點(diǎn)和2個(gè)黃土高原站點(diǎn)冬小麥返青期整體上呈現(xiàn)延后但變化不顯著的趨勢,而成熟期則以0. 27 d·年-1的趨勢顯著提前;但崔耀平等[8]的研究卻指出,2000-2013年間我國冬小麥成熟期主要表現(xiàn)出延后趨勢。這可能主要是因?yàn)榇抟降萚8]的研究關(guān)注的是全國,即加入了南方和青藏高原區(qū)冬小麥站點(diǎn)資料,而本研究與姬興杰等[22]主要針對我國北方冬麥區(qū)開展研究。另外,肖登攀等[23]也發(fā)現(xiàn),1981-2009年間新疆冬小麥成熟期有顯著提前趨勢,這與本研究結(jié)果比較一致,但肖登攀等[24-25]對該時(shí)間段華北地區(qū)農(nóng)氣站點(diǎn)冬小麥返青期和成熟期時(shí)間變化進(jìn)行分析,得出1981-2009年間華北區(qū)冬小麥返青期和成熟期的提前趨勢均相對比較明顯,這與本研究得出的1992-2013年間黃淮海平原區(qū)冬小麥返青期以延后趨勢為主的結(jié)論不一致,可能主要是因?yàn)檠芯繒r(shí)間范圍不一致導(dǎo)致的。
基于雙因子相關(guān)分析,溫度是影響不同區(qū)域冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期變化的主要原因,且除月溫差外,溫度變化對冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期的負(fù)效應(yīng)比較顯著,這與車少靜等[26-30]基于省級數(shù)據(jù)研究結(jié)果比較一致。但受地理位置、氣象要素及小麥關(guān)鍵生育時(shí)期時(shí)間不同,不同地區(qū)影響小麥關(guān)鍵生育時(shí)期的主要溫度因子存在差異,在黃淮海平原區(qū),月平均溫度和月最低溫度分別是影響冬小麥返青期和成熟期的主要?dú)庀笠?,但Wang等[31]對單個(gè)站點(diǎn)農(nóng)氣資料進(jìn)行分析,卻認(rèn)為月最低溫度的變化是導(dǎo)致華北地區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期變化的主要?dú)庀笠兀@可能主要是因?yàn)檠芯繒r(shí)間范圍及分析數(shù)據(jù)范圍不一致造成的。在黃土高原區(qū),本研究發(fā)現(xiàn),月平均溫度是影響該地區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期的主要?dú)庀笠?,這一結(jié)論與He等[32]基于1981-2009年黃土高原農(nóng)氣站點(diǎn)數(shù)據(jù)的結(jié)論比較一致。而在西北內(nèi)陸區(qū),返青期與月最低溫度的負(fù)相關(guān)性最為顯著,而成熟期則主要受月平均溫度變化的影響。而Wang等[33]利用敦煌和西峰兩個(gè)農(nóng)氣站點(diǎn)資料進(jìn)行分析,得出在1981-2004年間月最低溫度的升高對冬小麥返青期有正效應(yīng),這與本研究基于區(qū)域站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的結(jié)果較為一致。
另外,需要注意的是,月降水對黃淮海平原/黃土高原冬小麥物候期和西北內(nèi)陸冬小麥物候期的影響相反,月降水與黃淮海平原和黃土高原區(qū)冬小麥生長呈負(fù)相關(guān),這主要是因?yàn)樗质怯绊懽魑锷L的另一重要因子,對小麥生長均不利,雖然近幾十年黃淮海平原和黃土高原區(qū)部分區(qū)域降水量有增加趨勢[34],但總體上減少趨勢比較顯著[35-36],對該地區(qū)作物生長不利[37],返青期干旱會導(dǎo)致小麥發(fā)育遲緩,物候延后,而成熟期干旱導(dǎo)致小麥過早成熟,物候提前,這也進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究的結(jié)果。但降水變化對西北地區(qū)冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期的正效應(yīng)比較顯著,這主要是因?yàn)槲鞅眱?nèi)陸區(qū)冬小麥不同生育時(shí)期都存在水分匱缺[38],小麥旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高[39]。因此,降水的增加對該地區(qū)小麥生長具有顯著正效應(yīng)。
作物物候受氣候和品種的共同驅(qū)動,且田間管理方式也有一定的影響[32],如何剝離品種和田間管理方式導(dǎo)致的作物物候變化,分析長時(shí)間序列氣候變化下對物候的單一影響,是以后工作需要考慮的問題。另外,本研究使用的僅是1992-2013年的很少一部分農(nóng)氣站點(diǎn)資料,尤其是黃土高原北部沒有有效站點(diǎn),資料時(shí)間連續(xù)性及數(shù)據(jù)量都對本研究的結(jié)果有一定影響,有待于通過增加站點(diǎn)數(shù)及時(shí)間序列彌補(bǔ)數(shù)據(jù)代表性的不足。