環(huán)青海湖地區(qū)小油菜生育期變化及其氣候驅(qū)動(dòng)因子

嚴(yán)應(yīng)存，何生錄，高貴生，趙夢(mèng)凡

（1.青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810001；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810001；3.格爾木市氣象局，青海 格爾木 816099；4.海北牧業(yè)氣象試驗(yàn)站，青海 海北 810200）

氣候變化已成為當(dāng)今科學(xué)界、各國(guó)政府和社會(huì)公眾普遍關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一。氣候變化可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生災(zāi)難性影響。農(nóng)業(yè)是受氣候變化影響最直接的脆弱產(chǎn)業(yè)。因此，氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究一直是氣候變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，氣候變化已經(jīng)對(duì)我國(guó)作物種植制度產(chǎn)生重大影響。具體表現(xiàn)為：一年生作物物候期變化地區(qū)差異大[2-6]；多年生植物春季物候期提前、秋季物候期推遲，生育期延長(zhǎng)[7-11]。劉明春等[12]研究了甘肅省春油菜生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成對(duì)氣候變化的響應(yīng)，表明氣候變暖使油菜生育進(jìn)程加快，氣候變化對(duì)高寒陰濕區(qū)油菜產(chǎn)量增加和品質(zhì)形成更為有利；陳銳杰等[13]在研究青海河湟谷地氣候變化對(duì)糧食產(chǎn)量貢獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)東北黑龍江地區(qū)，氣候變暖對(duì)河湟谷地的影響較小。

小油菜是北方小油菜區(qū)的重要油料作物，由于它在食用、飼用、工業(yè)用、農(nóng)作物復(fù)種、生態(tài)修復(fù)、景觀帶造景、改善土壤上具有重要作用，近年來(lái)發(fā)展較快[14-18]。但到目前為止，由于觀測(cè)資料稀缺，對(duì)高寒地區(qū)小油菜響應(yīng)氣候變化的研究較少，研究的焦點(diǎn)大都集中在冬油菜抗寒越冬性方面[19-22]，研究地域大部分為甘肅及以南地區(qū)。

小油菜占青海環(huán)湖地區(qū)油菜播種面積的70%以上[23]，在環(huán)湖地區(qū)生態(tài)恢復(fù)、畜牧業(yè)養(yǎng)殖和防治土地退化方面起著重要作用，同時(shí)也是草原文明的美好載體。門(mén)源回族自治縣農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站系統(tǒng)觀測(cè)了近40 a 高寒地區(qū)小油菜物候期及其平行氣象資料，擬對(duì)環(huán)青海湖地區(qū)小油菜開(kāi)展生育期變化規(guī)律及其氣候驅(qū)動(dòng)因素研究，為高寒地區(qū)有效應(yīng)對(duì)氣候變化、提高生態(tài)生產(chǎn)潛力、美化生態(tài)環(huán)境、改善土壤結(jié)構(gòu)、合理布局和更新品種、指導(dǎo)旅游活動(dòng)、促進(jìn)環(huán)湖地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)等提供理論依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

1980—2017 年小油菜播種—成熟物候期氣象資料來(lái)源于青海省氣象局信息中心。小油菜物候期觀測(cè)方法根據(jù)《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》（上卷）作物分冊(cè)進(jìn)行。

1.2 研究方法

采用人工觀測(cè)物候期。由于小油菜現(xiàn)蕾、五真葉、抽薹3 個(gè)物候期時(shí)有交替，五真葉期與現(xiàn)蕾、抽薹相關(guān)性極顯著，分別為0.863 和0.686。因此，分析油菜各生育期相關(guān)問(wèn)題時(shí)考慮播種—出苗、出苗—五真葉、五真葉—開(kāi)花、開(kāi)花—成熟4 個(gè)階段。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中采用氣候傾向率分析氣候變化趨勢(shì)，利用曼-肯德?tīng)枺∕ann-Kendall）法做突變檢測(cè)，氣候變化影響采用相關(guān)系數(shù)法和逐步回歸法。

氣候傾向率計(jì)算如下：

突變檢驗(yàn)采用Fortran 語(yǔ)言編程法實(shí)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)和逐步回歸利用SPSS 17.0 軟件計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 小油菜物候期特征及歷時(shí)

小油菜物候期包括播種、出苗、現(xiàn)蕾、五真葉、抽薹、開(kāi)花、成熟。由表1 可知，門(mén)源小油菜5 月15—27 日播種，5 月26 日—6 月18 日出苗，6 月12 日—7 月3 日現(xiàn)蕾，6 月16 日—7 月4 日五真葉，6 月19日—7 月4 日抽薹，7 月1 日—14 日開(kāi)花，8 月8 日—9 月1 日綠熟，8 月24 日—9 月15 日成熟。生育期歷時(shí)播種—出苗9～23 d，出苗—五真葉10～34 d，五真葉—開(kāi)花3～22 d，開(kāi)花—成熟49～68 d。播種—成熟89～116 d，出苗—成熟80～98 d。

表1 門(mén)源小油菜生育期歷時(shí) （d）

2.2 小油菜生育期變化診斷

2.2.1 生育期年際變化 由表2 可知，播種—出苗和五真葉—開(kāi)花歷時(shí)分別以0.213 和0.222 d/a 的趨勢(shì)極顯著延長(zhǎng)，出苗—五真葉歷時(shí)以0.387 d/a 的趨勢(shì)極顯著縮短，出苗—成熟歷時(shí)以0.112 d/a 的趨勢(shì)弱顯著縮短。小油菜播種期以0.042 d/a 的趨勢(shì)提前，成熟期則以0.081 d/a 的趨勢(shì)推遲（P＜0.1），出苗期以0.193 d/a 的趨勢(shì)極顯著推遲（P＜0.01），導(dǎo)致播種—成熟歷時(shí)有所延長(zhǎng)，但出苗—成熟歷時(shí)弱顯著縮短。

表2 1980—2019 年小油菜生育期變化趨勢(shì)

2.2.2 小油菜生育期變化突變?cè)\斷 采用曼-肯德?tīng)枺∕ann-Kendall）法進(jìn)行突變檢測(cè)，將1980—2019 年變化趨勢(shì)顯著的生育階段（即：播種—出苗、出苗—五真葉、五真葉—開(kāi)花和出苗—成熟）給定顯著性水平α=0.05，即μ0.05=±1.96，計(jì)算結(jié)果繪成圖1。由圖1 可知，自20 世紀(jì)80 年代末期以后，播種—出苗歷時(shí)呈持續(xù)延長(zhǎng)趨勢(shì)，1988 年以后延長(zhǎng)趨勢(shì)均超過(guò)顯著性水平0.05 臨界線；根據(jù)UF 和UB 曲線相交于1987年，確定20 世紀(jì)80 年代末期的延長(zhǎng)是一突變現(xiàn)象。出苗—五真葉歷時(shí)自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)呈現(xiàn)波動(dòng)縮短趨勢(shì)，1996 年起縮短趨勢(shì)均超過(guò)顯著性水平0.05臨界線；根據(jù)UB 和UF 曲線相交于1996 年，但交點(diǎn)不在臨界線之間，表明出苗—五真葉歷時(shí)縮短不是突變現(xiàn)象。五真葉—開(kāi)花歷時(shí)自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)呈現(xiàn)波動(dòng)延長(zhǎng)趨勢(shì)，1993 年起延長(zhǎng)趨勢(shì)均超過(guò)顯著性水平0.05 臨界線；根據(jù)UB 和UF 曲線相交于1991 年，確定五真葉—開(kāi)花歷時(shí)縮短是一突變現(xiàn)象。小油菜生育期（出苗—成熟）在1980—2000 年出現(xiàn)2 次大波動(dòng)，1996 年以來(lái)呈現(xiàn)波動(dòng)縮短趨勢(shì)，2016 年起縮短趨勢(shì)均超過(guò)顯著性水平0.05 臨界線；UB 和UF 曲線相交于2010 年，確定生育期縮短是一突變現(xiàn)象。

圖1 小油菜生育期歷時(shí)M-K 突變檢驗(yàn)

2.3 小油菜生育期變化及其驅(qū)動(dòng)因素分析

2.3.1 油菜生育期與氣象條件的相關(guān)系數(shù) 由圖2A可知，影響播種—出苗歷時(shí)的主要因子是積溫、日照、4 月中旬以來(lái)的氣溫，其中播種—出苗歷時(shí)與期間的積溫、日照和前期氣溫呈顯著正相關(guān)，表明播種—出苗期間積溫越高歷時(shí)越長(zhǎng)，日照越多歷時(shí)越長(zhǎng)，播種前氣溫越高歷時(shí)越長(zhǎng)。

由圖2B 可知，出苗—五真葉歷時(shí)的主要影響因子是積溫、日照、4—6 月氣溫、4—6 月＜0℃的低溫日數(shù)、霜日數(shù)、最長(zhǎng)連續(xù)降水量、≥0.1 mm 降水日數(shù)。其中，出苗—五真葉歷時(shí)與期間的積溫、降水和日照呈極顯著正相關(guān)，表明出苗—五真葉期間積溫越高歷時(shí)越長(zhǎng)，日照越多歷時(shí)越長(zhǎng)，降水越多歷時(shí)越長(zhǎng)；出苗—五真葉歷時(shí)與期間氣溫、4—6 月最低、最高、平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)，與4—6 月氣溫＜0℃、2℃和-2℃的低溫日數(shù)、降水量≥0.1 mm 日數(shù)和月最長(zhǎng)連續(xù)降水量呈顯著正相關(guān)，表明油菜進(jìn)入苗期后，氣溫越高，出苗—五真葉歷時(shí)越短；低溫日數(shù)越長(zhǎng)，出苗—五真葉歷時(shí)越長(zhǎng)；降水量和降水日數(shù)越多，出苗—五真葉歷時(shí)越長(zhǎng)。

由圖2C 可知，影響五真葉—開(kāi)花期歷時(shí)的主要因子較多，其中，五真葉—開(kāi)花期歷時(shí)與期間的積溫和日照呈極顯著正相關(guān)，表明五真葉—開(kāi)花期期間積溫越高歷時(shí)越長(zhǎng)，日照越多歷時(shí)越長(zhǎng)；與期間積溫和日照呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明前期光溫積累越多，五真葉—開(kāi)花期歷時(shí)越短，反之則越長(zhǎng)；與4—7 月溫度呈顯著正相關(guān)，表明溫度越高，五真葉—開(kāi)花期歷時(shí)越長(zhǎng)，反之越短；與4—5 月氣溫≤0℃、2℃和-2℃的低溫日數(shù)，7 月降水量和月最長(zhǎng)連續(xù)降水日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，表明前期低溫日數(shù)與7 月降水可促進(jìn)油菜抽薹，前期低溫日數(shù)和7 月降水、降水日數(shù)越多，五真葉—開(kāi)花期歷時(shí)越短。

由圖2D 可知，影響開(kāi)花—成熟期歷時(shí)的主要因子相對(duì)較少，其中開(kāi)花—成熟期歷時(shí)與播種—出苗期積溫、開(kāi)花—成熟期間的積溫、5 月最低溫度呈顯著正相關(guān)，而與五真葉—出苗期間積溫、5 月最高氣溫和5 月最低氣溫≤-2℃日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖2 關(guān)鍵生育期歷時(shí)與相關(guān)氣象因子的相關(guān)系數(shù)

由圖2E 可知，播種—成熟期歷時(shí)與期間的積溫、日照時(shí)數(shù)，五真葉—開(kāi)花、開(kāi)花—成熟、播種—成熟期間的日照時(shí)數(shù)，5 月中旬最低氣溫和最低地溫，9月上旬最高氣溫呈顯著正相關(guān)，與出苗—五真葉、五真葉—開(kāi)花期間的平均氣溫，5 月最高氣溫、5 月最低氣溫≤-2℃日數(shù)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。

由圖2F 可知，影響出苗—成熟期歷時(shí)的氣象因子很多，其中出苗—成熟期歷時(shí)與出苗—五真葉、五真葉—開(kāi)花、開(kāi)花—成熟各階段及播種—成熟期間平均氣溫，5—8 月旬月氣溫，6—7 月低溫霜日呈顯著負(fù)相關(guān)，表明氣溫越高，出苗—成熟歷時(shí)越短，反之越長(zhǎng)；與出苗—成熟、開(kāi)花—成熟和播種—成熟期間的日照時(shí)數(shù)呈顯著正相關(guān)，表明期間日照時(shí)數(shù)越長(zhǎng)，出苗—成熟歷時(shí)越長(zhǎng)，反之越短，也說(shuō)明門(mén)源光照明顯不足。

2.3.2 油菜生育期逐步回歸法擬合 從表3 可看出，顯著影響油菜生育期的因素主要是積溫和氣溫。開(kāi)花前油菜生育期對(duì)積溫的依賴(lài)很強(qiáng)，積溫每升高1℃，播種—出苗、五真葉—開(kāi)花歷時(shí)分別延長(zhǎng)0.08、0.07 d；出苗—五真葉歷時(shí)延長(zhǎng)0.10 d；五真葉—開(kāi)花期間的平均氣溫升高1℃，出苗—成熟歷時(shí)縮短2.69 d。

表3 油菜生育期逐步回歸方程

2.3.3 氣候變化及突變檢驗(yàn) 由圖3 可知，播種—出苗、五真葉—開(kāi)花期間的積溫和五真葉—開(kāi)花期間的平均氣溫自1980 年以來(lái)均呈極顯著升高趨勢(shì)，升高幅度分別為2.739、3.430 和0.047℃/a；而出苗—五真葉期間的積溫呈極顯著降低趨勢(shì)，降低幅度達(dá)3.194℃/a。播種—出苗期間積溫（圖4A）、五真葉—開(kāi)花期間積溫（圖4C）、五真葉—開(kāi)花期間平均氣溫（圖4D）自1980 年以來(lái)呈顯著升高趨勢(shì)，分別從1993 年、2001 年和2012 年以來(lái)升高趨勢(shì)超過(guò)顯著性水平0.05臨界線；根據(jù)UB 和UF 曲線交點(diǎn)的位置，確定積溫和平均氣溫的升高是突變現(xiàn)象，具體分別是1993 年、2001 年和2007 年開(kāi)始的。出苗—五真葉期間的積溫（圖4B）自1980 年以來(lái)呈波動(dòng)降低趨勢(shì)，從1997 年以來(lái)降低趨勢(shì)超過(guò)了顯著性水平0.05 臨界線；根據(jù)UB 和UF 曲線交點(diǎn)的位置，確定其降低趨勢(shì)為突變現(xiàn)象，具體從1995 年開(kāi)始。

圖3 小油菜生育期氣候因子的變化

圖4 小油菜生育期氣候因子M-K 突變檢驗(yàn)曲線

2.3.4 小油菜生育期及其驅(qū)動(dòng)氣候因子間關(guān)系 從表4 可看出，小油菜生育期變化氣候驅(qū)動(dòng)因素突變開(kāi)始年份和突變顯著開(kāi)始年份大部分出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)氣候因子突變前，分析圖3 氣候驅(qū)動(dòng)因子變化規(guī)律表明，小油菜生育期突變開(kāi)始年份與主要熱量因子呈持續(xù)升高（降低）變化起始年份基本一致。

表4 小油菜生育期與氣候的驅(qū)動(dòng)因子突變特征

3 結(jié) 論

門(mén)源小油菜出苗—成熟需要80～98 d，播種—成熟需要89～116 d，年際間相差18 和27 d，表明生育期對(duì)年際間氣候變化反應(yīng)敏感。近40 a 以來(lái)影響小油菜生育期長(zhǎng)短的氣候驅(qū)動(dòng)因子是積溫和平均氣溫，主要影響的生育期為播種—出苗（延長(zhǎng)P＜0.01）、出苗—五真葉（縮短P＜0.01）、五真葉—開(kāi)花期（延長(zhǎng)P＜0.01）、出苗—成熟期（縮短P＜0.1）。開(kāi)花期，小油菜各階段生育期對(duì)光溫條件的依賴(lài)大，開(kāi)花后，對(duì)氣候因子的依賴(lài)逐漸變小。小油菜生育期突變與熱量因子變化協(xié)同性良好，恰好與熱量因子持續(xù)升高（降低）起始年份基本一致。

4 討 論

4.1 出苗期推遲的原因

以一年生小油菜為研究對(duì)象，研究時(shí)段內(nèi)小油菜品種先后為門(mén)油3 號(hào)、門(mén)油1 號(hào)、門(mén)源小油菜、浩門(mén)11 號(hào)、浩油5 號(hào)、浩油4 號(hào)、浩油3 號(hào)、浩油2 號(hào)和浩油11 號(hào)，熟性由極早熟向中早熟發(fā)展。門(mén)源油菜播種期提前，但出苗期仍呈推遲趨勢(shì)，進(jìn)一步分析播種期和出苗期及光溫水條件表明，隨著氣候變暖，播種前5 月中旬溫度整體顯著升高，日照時(shí)數(shù)未顯著增加，降水未顯著減少，但尚能滿(mǎn)足播種所需水分，為小油菜播種創(chuàng)造了良好條件，播種期呈不顯著提前趨勢(shì)。但在出苗關(guān)鍵期的6 月上中旬，氣溫顯著升高、降水和日照均未顯著減少，導(dǎo)致出苗期推遲。氣候條件對(duì)小油菜出苗—成熟和播種—成熟的影響分析表明，出苗期—成熟期間光溫水條件的生物學(xué)意義突出，可在生產(chǎn)中指導(dǎo)農(nóng)戶(hù)了解作物生長(zhǎng)需求，根據(jù)氣象條件及時(shí)調(diào)整作物播種期。

4.2 氣候變化對(duì)小油菜生育期的影響

縱觀氣象條件對(duì)小油菜不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的影響，播種—出苗、出苗—五真葉、五真葉—開(kāi)花各階段歷時(shí)與其期間的積溫和日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)分別在0.903～0.948 和0.741～0.885 之間，呈極顯著正相關(guān)；開(kāi)花—成熟歷時(shí)與其期間的積溫和日照時(shí)數(shù)相關(guān)系數(shù)分別為0.463 和0.377，呈弱顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)。這表明門(mén)源油菜主要受光溫條件的影響，開(kāi)花前，光溫條件對(duì)油菜生育期的影響極顯著，播種—出苗、五真葉—開(kāi)花期間積溫每升高1℃，其生育期分別延長(zhǎng)0.08、0.07 d；出苗—五真葉期間的積溫每升高1℃，出苗—五真葉歷時(shí)延長(zhǎng)0.10 d。開(kāi)花期后油菜生育期對(duì)光溫水的依賴(lài)明顯變小，主要受前期氣候條件的滯后影響。五真葉—開(kāi)花期間的平均氣溫升高1℃，出苗—成熟歷時(shí)縮短2.69 d。

4.3 關(guān)鍵生育期突變與驅(qū)動(dòng)因子的協(xié)同性

小油菜播種—出苗歷時(shí)從20 世紀(jì)80 年代末期以后呈持續(xù)延長(zhǎng)趨勢(shì)，五真葉—開(kāi)花歷時(shí)自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)呈波動(dòng)延長(zhǎng)趨勢(shì)；出苗—五真葉歷時(shí)自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)呈現(xiàn)波動(dòng)縮短趨勢(shì)，出苗—成熟在1980—2000 年出現(xiàn)2 次大波動(dòng)，1996 年以來(lái)呈現(xiàn)波動(dòng)縮短趨勢(shì)；且各生育期延長(zhǎng)或縮短趨勢(shì)是一突變現(xiàn)象。影響播種—出苗、五真葉—開(kāi)花期的積溫和五真葉—開(kāi)花期的平均氣溫自1980 年以來(lái)分別以2.739、3.430 和0.047℃/a 的幅度極顯著升高，出苗—五真葉期的積溫以3.194℃/a 的幅度呈極顯著降低，各影響因素在1993 年、2001 年、2007 年和1995 年出現(xiàn)突變現(xiàn)象。小油菜生育期突變與熱量因子持續(xù)升高（降低）起始年份基本一致。

4.4 關(guān)于小油菜研究的進(jìn)一步思考

在青藏高原氣候變化背景下，如何結(jié)合產(chǎn)量、品質(zhì)等因素進(jìn)一步開(kāi)展小油菜適宜播種期研究，開(kāi)發(fā)基于多種模型的小油菜開(kāi)花期預(yù)報(bào)，保護(hù)和發(fā)揚(yáng)優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源，挖掘其飼用價(jià)值及其他應(yīng)用價(jià)值，開(kāi)展小油菜種植對(duì)高寒地區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)功能的影響等工作，積極應(yīng)對(duì)氣候變化帶來(lái)的影響是以后應(yīng)持續(xù)深入開(kāi)展的工作。