未來氣候變暖情景下北部冬麥區(qū)冬小麥生育期演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

馬倩倩

(焦作市氣象局，河南焦作 454002)

自20世紀(jì)初以來，以變暖為主要特征的氣候變化愈益加劇，中國(guó)北方地區(qū)是全球氣溫升高顯著的地區(qū)之一[1-2]。據(jù)預(yù)測(cè)，至21世紀(jì)末全球平均氣溫將升高0.3～4.8 ℃[1]，中國(guó)華北地區(qū)將升高2.4～6.4 ℃[3]。隨著氣候的變化，冬小麥生育期已發(fā)生明顯改變[4-5]，但其變化規(guī)律較復(fù)雜，且具有較強(qiáng)的區(qū)域特征。隨著氣候變暖，美國(guó)大平原6個(gè)站點(diǎn)和德國(guó)的冬小麥抽穗、開花期均提前[5-6]；對(duì)1981-2007年我國(guó)小麥生育期的變化分析發(fā)現(xiàn)，冬小麥播種期變化復(fù)雜，但其顯著推遲的站點(diǎn)數(shù)多于提前的站點(diǎn)數(shù)，約40%的站點(diǎn)的抽穗和成熟期顯著提前[4]，Xiao等[7]也得出類似的研究結(jié)果。Estrella等[5]研究表明，1951-2004年間，德國(guó)冬小麥的播種和出苗期均呈提前趨勢(shì)。楊建瑩等[8]指出，我國(guó)冬小麥返青期在華北地區(qū)西部和東南部分別表現(xiàn)為推遲和提前，拔節(jié)期均提前，抽穗和成熟期則均普遍推遲。生育期改變促使各生育階段也發(fā)生變化。Tao等[4,7,9]研究均表明，冬小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段顯著縮短的研究站點(diǎn)較多，生殖生長(zhǎng)階段則多呈延長(zhǎng)趨勢(shì)。肖登攀和陶福祿[10]分析了過去30年華北平原冬小麥物候的變化，發(fā)現(xiàn)出苗-越冬開始、越冬開始-返青、返青-開花階段呈縮短趨勢(shì)，但開花-成熟階段延長(zhǎng)。前人對(duì)歷史時(shí)段冬小麥生育期的變化開展了大量的研究，但對(duì)未來氣候變暖情景下的研究較少，且在生育階段方面的研究多分為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)兩個(gè)階段進(jìn)行分析，有必要對(duì)生育階段進(jìn)行細(xì)化研究。北部冬麥區(qū)是我國(guó)冬小麥主產(chǎn)區(qū)之一，位于冬小麥生長(zhǎng)北界，氣候變化已顯著影響了該區(qū)冬小麥的生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成[9,11]。本研究對(duì)未來北部冬麥區(qū)冬小麥各生育時(shí)期和生育階段的變化進(jìn)行了分析，以期為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)研究區(qū)冬小麥生育期的影響及應(yīng)對(duì)措施的選擇等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

依據(jù)趙廣才[12]對(duì)中國(guó)小麥區(qū)劃的研究結(jié)果，選取北部冬麥區(qū)為研究區(qū)域。該區(qū)位于我國(guó)冬小麥種植區(qū)的最北部，橫跨遼寧、河北、天津、北京、山西、陜西和甘肅5省2市，為一東西向狹長(zhǎng)區(qū)域。全境地勢(shì)復(fù)雜，東部為低丘，中部為平原，西部則為黃土高原，干旱、嚴(yán)寒是影響其冬小麥生產(chǎn)的主要問題。

1.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性和研究區(qū)域的特點(diǎn)，分別選取位于研究區(qū)東、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)和西峰鎮(zhèn)(107.63°E， 35.73°N，海拔1 421 m)三個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站的歷史資料(2001-2005年)進(jìn)行生育期模型參數(shù)的調(diào)試和驗(yàn)證。所選站點(diǎn)的冬小麥生育期、產(chǎn)量數(shù)據(jù)和播種密度、施肥、灌溉等田間管理資料來源于國(guó)家氣象信息中心。各站點(diǎn)的土壤剖面理化信息來源于中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫，包括模型土壤所需的層次相對(duì)厚度、顆粒組成、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、水提 pH 值和陽離子交換量等信息。用于生育期模型校驗(yàn)的氣象數(shù)據(jù)包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)，來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。

本研究區(qū)域氣候模式數(shù)據(jù)是通過對(duì)區(qū)域氣候模型系統(tǒng)PRECIS單向嵌套全球氣候模式HadGEM2-ES產(chǎn)生的代表濃度路徑(representative concentration pathways，RCPs)下的氣候模式數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力降尺度得到的，選用中等排放情景的RCP4.5情景數(shù)據(jù)進(jìn)行未來北部冬麥區(qū)冬小麥研究。本研究將1976-2005年作為基準(zhǔn)期，將2031-2090年作為未來時(shí)段，使用的氣候要素?cái)?shù)據(jù)為逐日平均氣溫，本麥區(qū)各要素?cái)?shù)據(jù)為霸州、介休和西峰鎮(zhèn)三站點(diǎn)的均值。

1.3 冬小麥生育期模擬

1.3.1 播種期、越冬開始和返青期模擬

本研究利用五日滑動(dòng)平均法，將逐日平均氣溫穩(wěn)定通過0 ℃的終日作為冬小麥越冬期的開始[11]，穩(wěn)定通過3 ℃的初日作為返青期[13-14]，從越冬開始往前推測(cè)>0 ℃積溫為600 ℃·d的那天作為理論上的適宜播種期[11,15]?；诎灾?、介休和西峰鎮(zhèn)三個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)2001-2005年的冬小麥生育期數(shù)據(jù)對(duì)播種、越冬開始和返青期進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，從圖1可以看出，模擬值與實(shí)測(cè)值較為一致，能夠反映出冬小麥生育時(shí)期的變化，可用于冬小麥未來相應(yīng)生育時(shí)期的預(yù)測(cè)。

1.3.2 拔節(jié)、抽穗和成熟期模擬

選取2001、2002和2003年的拔節(jié)、抽穗和成熟期數(shù)據(jù)校準(zhǔn)活動(dòng)積溫法、累計(jì)熱生長(zhǎng)單位法[4,16-17]和生長(zhǎng)速率估測(cè)法[18-19]三個(gè)生育期模型對(duì)播種-拔節(jié)、播種-抽穗和抽穗-成熟天數(shù)模擬的參數(shù)，使用2004和2005年的資料進(jìn)行檢驗(yàn)，比較模型對(duì)拔節(jié)、抽穗和成熟期的模擬精度，假定品種不變，選用精度較高的模型對(duì)未來冬小麥拔節(jié)、抽穗和成熟期進(jìn)行模擬。

1.4 模型檢驗(yàn)

本研究以均方根誤差(root-mean-square error，RMSE)和一致性指數(shù) (D)為指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)校驗(yàn)：

(7)

(8)

1.5 變化趨勢(shì)

變化趨勢(shì)由最小二乘法估計(jì)，計(jì)算樣本Xt與時(shí)間t的線性回歸系數(shù)b，一元線性方程可表示為：

Xt=a+bt(t=1,2,…,n)

(9)

式中，a為回歸常數(shù)，以b的10倍作為氣候傾向率。采用Student的t-test 檢驗(yàn)法對(duì)各要素變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 未來北部冬麥區(qū)的氣候變化特征

由表1可知，2031-2090年麥區(qū)的年平均氣溫呈極顯著升高趨勢(shì)，每10年升溫達(dá)0.43 ℃，60年均值較基準(zhǔn)期升高了2.9 ℃。而年降水量和年輻射量離散度較高，變化趨勢(shì)不顯著，但年降水量在2031-2090年的均值較基準(zhǔn)期增加了39.4 mm，年輻射量則減少了45.2 W·m-2。從霸州、介休和西峰鎮(zhèn)三站點(diǎn)來看，2031-2090年三站點(diǎn)年平均氣溫均極顯著升高，且麥區(qū)西部的西峰鎮(zhèn)的傾向率最大(0.44 ℃·10 a-1)，東部的霸州則較??；三站點(diǎn)未來60年的年降水量和年輻射量的變化均不顯著，但霸州的年降水量較基準(zhǔn)期增加較多(60.6 mm)，而介休的年輻射量減少較多 (-71.6 W·m-2)。

2.2 生育期模型模擬精度的比較

圖2為2004和2005年各站點(diǎn)冬小麥拔節(jié)、抽穗和成熟期日序的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖。從中可以看出，參數(shù)校準(zhǔn)后的三個(gè)生育期模型(活動(dòng)積溫法、生長(zhǎng)速率估測(cè)法和累計(jì)熱生長(zhǎng)單位法)的模擬值與實(shí)測(cè)值較為一致，多均勻分布在1∶1線的兩側(cè)，但對(duì)不同生育時(shí)期的模擬精度不同。由表2可知，生長(zhǎng)速率估測(cè)法對(duì)拔節(jié)和抽穗期的模擬結(jié)果最好，RMSE分別為1.7和2.4 d，D值均超過0.90，而活動(dòng)積溫法的模擬精度最差。三個(gè)模型對(duì)成熟期模擬結(jié)果均較好，RMSE為1.6～2.4 d，D值均超過0.95，其中活動(dòng)積溫法的模擬結(jié)果最為精確，D值為0.98。因此，本研究采用校準(zhǔn)后的生長(zhǎng)速率估測(cè)法模擬未來冬小麥的拔節(jié)和抽穗期，用活動(dòng)積溫法模擬成熟期。

表1 2031-2090年研究區(qū)氣候資源的變化趨勢(shì)和較基準(zhǔn)期的變化量Table 1 Variation trend of climatic resources during 2031-2090 and the variation relative to baseline period

表2 三個(gè)生育期模型對(duì)拔節(jié)、抽穗和成熟期模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)Table 2 Model accuracy evaluation for jointing,heading and maturity stages

2.3 未來冬小麥各生育期的變化

利用上述優(yōu)選方法進(jìn)行模擬，結(jié)果表明， 2031-2090年北部冬麥區(qū)冬小麥播種期和越冬開始均極顯著推遲(P<0.01)，變化趨勢(shì)分別為1.8和1.7 d·10 a-1；返青、拔節(jié)、抽穗和成熟期極顯著提前(P<0.01)，變化趨勢(shì)分別為-2.4、-1.2、-1.0、-1.2 d·10 a-1。進(jìn)一步分析表明，2040s(2031-2060年，下同)與2070s(2061-2090年，下同)麥區(qū)未來各生育時(shí)期的變化存在階段性差異(表3和圖3)。在2040s播種期顯著推遲(P<0.05)，返青、拔節(jié)、抽穗和成熟期均顯著提前，而在2070s僅成熟期變化顯著 (P<0.05)，變化趨勢(shì)為-0.9 d·10 a-1，越冬開始在2040s和2070s變化均不顯著(P>0.05)。在2040s和2070s播種期的變幅均最大，分別推遲了9.7和15.5 d，其次是越冬開始，冬后生育時(shí)期變幅較小。

分析2031-2090年霸州、介休和西峰鎮(zhèn)三站點(diǎn)冬小麥生育時(shí)期的變化(表4)可知，介休和西峰鎮(zhèn)冬小麥冬前生育時(shí)期推遲，冬后生育時(shí)期提前，而霸州的返青期變化不顯著，其他生育時(shí)期變化均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。除了越冬開始，麥區(qū)西部的西峰鎮(zhèn)冬小麥各生育時(shí)期變化趨勢(shì)的絕對(duì)值均最大，東部的霸州均最小；霸州和西峰鎮(zhèn)越冬開始的變化趨勢(shì)均為1.8 d·10 a-1，介休則較小(1.6 d·10 a-1)。各生育時(shí)期相比，介休和西峰鎮(zhèn)冬小麥返青期變化趨勢(shì)的絕對(duì)值最大，分別為2.7和 3.7 d·10 a-1(P<0.01)，而霸州則在越冬開始最大(1.8 d·10 a-1)。除2040s的返青期外，2040s和2070s的各生育時(shí)期較基準(zhǔn)期的變幅在西峰鎮(zhèn)均較大，在霸州的變幅最小。霸州的冬小麥返青期在2040s較基準(zhǔn)期的變幅最大(-5.4 d)，在介休的變幅最小 (-4.2 d)。三站點(diǎn)的生育時(shí)期在2040s和2070s較基準(zhǔn)期的變幅特點(diǎn)與麥區(qū)類似，冬前較冬后生育時(shí)期的變幅大。

表3 2031-2090年冬小麥各生育期的變化趨勢(shì)和各生育期在2031-2060和2061-2090年較基準(zhǔn)期的變化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 未來冬小麥各生育階段的變化

分析2031-2090年麥區(qū)各生育階段的變化可知(表5)，越冬期和播種-成熟階段極顯著縮短，變化趨勢(shì)分別為-4.0和-3.1 d·10 a-1，較基準(zhǔn)期分別縮短了20.8和23.0 d；而返青-拔節(jié)階段則極顯著延長(zhǎng)(1.1 d·10 a-1)，較基準(zhǔn)期延長(zhǎng)了0.9 d，其他階段變化均不顯著。

霸州、介休和西峰鎮(zhèn)冬小麥各生育階段的變化特征與麥區(qū)類似(表5)。三站點(diǎn)的越冬期和播種-成熟階段的天數(shù)縮短，變化趨勢(shì)均達(dá)到顯著水平，但西峰鎮(zhèn)的變化速率最大，分別為-5.4和-3.8 d·10 a-1，60年均值較基準(zhǔn)期分別縮短了23.1和25.8 d，霸州的變化則均最小。2031-2090年介休和西峰鎮(zhèn)冬小麥返青-拔節(jié)階段均極顯著延長(zhǎng)，變化趨勢(shì)分別為1.4和2.0 d·10 a-1，霸州的抽穗-成熟階段顯著縮短，三站點(diǎn)冬小麥的其他階段則變化不明顯。與麥區(qū)類似，2031-2090年三站點(diǎn)冬小麥播種-越冬開始、返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗和抽穗-成熟階段的天數(shù)較基準(zhǔn)期變化不大，均在1 d左右。

表4 2031-2090年冬小麥各生育階段的變化趨勢(shì)和較基準(zhǔn)期的變化天數(shù)Table 4 Variation trend of winter wheat growth stages and the variation relative to baseline period during 2031-2090

3 討 論

本研究采用區(qū)域氣候模式PRECIS模擬的RCP4.5情景下的氣候情景數(shù)據(jù)，但氣候模式對(duì)未來氣候的模擬和預(yù)測(cè)仍存在較大的不確定性，包括排放情景的不確定性和對(duì)氣候系統(tǒng)認(rèn)知的局限性[3,20-21]。張玉靜[3]研究指出,PRECIS對(duì)溫度的模擬能力較好，對(duì)降水的模擬仍存在較大偏差，但對(duì)降水的空間模擬能力有較大改進(jìn)。因此，未來應(yīng)使用多種情景數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，減少科學(xué)的不確定性。此外，本研究?jī)H選用了3個(gè)典型站點(diǎn)，不能充分體現(xiàn)北部冬麥區(qū)冬小麥的物候特點(diǎn)，今后需選取更多站點(diǎn)系統(tǒng)研究氣候變化對(duì)研究區(qū)冬小麥物候的影響。

目前，生育期模型主要考慮了品種、溫度、光周期和春化因素的影響。本研究比較了已被廣泛應(yīng)用的三種模型(活動(dòng)積溫法、生長(zhǎng)速率估測(cè)法和累計(jì)熱生長(zhǎng)單位法)對(duì)研究區(qū)冬小麥拔節(jié)、抽穗和成熟期的模擬精度，評(píng)價(jià)其適用性，選用精度較高的模型進(jìn)行未來研究區(qū)冬小麥的物候模擬。結(jié)果表明，生長(zhǎng)速率估測(cè)法對(duì)拔節(jié)和抽穗期的模擬精度較高，RMSE分別為1.7和2.4 d，D值均超過 0.9，與Xue等[19]的研究結(jié)果一致。這可能是由于相較于活動(dòng)積溫法只考慮溫度，生長(zhǎng)速率估測(cè)法增加了對(duì)冬小麥拔節(jié)和抽穗有重要影響的光周期和春化等因素，且相較于累計(jì)熱生長(zhǎng)單位法，其采用曲線模型分析溫度和春化因素對(duì)生長(zhǎng)的影響。Streck等[22]研究認(rèn)為，春化對(duì)物候影響的曲線模型更符合冬小麥的春化反應(yīng)特性。本研究對(duì)成熟期的模擬是通過對(duì)抽穗-成熟階段的天數(shù)來計(jì)算，冬小麥在此階段的物候主要受溫度的影響，但三種模型計(jì)算溫度對(duì)物候影響的算法不同，其中活動(dòng)積溫法對(duì)成熟期的模擬精度較高，這與Mkhabela等[23]研究得出簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)度日法對(duì)春小麥生育時(shí)期的模擬優(yōu)于更復(fù)雜的Beta模型的結(jié)果類似。

2031-2090年北部冬麥區(qū)的氣候變化仍以增溫為主要特點(diǎn)，位于麥區(qū)東、中和西部三個(gè)典型站點(diǎn)的年平均氣溫均極顯著升高，60年均值較基準(zhǔn)期(1976-2005年)升高了2.8～2.9 ℃，年降水量和輻射量變化不顯著，但年降水量較基準(zhǔn)時(shí)段略有增加，而輻射量則減少，與Feng等[2,24-25]利用多個(gè)氣候模式對(duì)未來氣候的研究結(jié)果一致。整體來看，未來氣候變暖使得麥區(qū)冬小麥的播種期和越冬開始均推遲，返青、拔節(jié)、抽穗和成熟期均提前，各生育時(shí)期的變化趨勢(shì)均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，與袁靜和許吟隆[26]將CERES-Wheat模型與未來氣候情景數(shù)據(jù)耦合的模擬結(jié)果一致。麥區(qū)各生育時(shí)期在2040s與2070s時(shí)段較基準(zhǔn)期的變化趨勢(shì)不同，多在2040s時(shí)段變化顯著，而在2070s未達(dá)到0.05顯著水平，且返青期的變化趨勢(shì)差異最大，冬后生育期在2070s的變化較2040s減緩。三個(gè)典型站點(diǎn)來看，位于西部的西峰鎮(zhèn)未來冬小麥各生育時(shí)期變化趨勢(shì)的絕對(duì)值最大，且除返青期在2040s時(shí)段外，其各生育期在2040s與2070s時(shí)段較基準(zhǔn)期變化的天數(shù)也最多，位于中部的介休次之，東部的霸州則最小，可能是由于未來西峰鎮(zhèn)年平均氣溫的傾向率(0.44 ℃·10 a-1)最大，而霸州 (0.41 ℃·10 a-1)最小導(dǎo)致。

從2031-2090年麥區(qū)各生育階段天數(shù)的變化來看，越冬期和播種-成熟階段極顯著縮短，較基準(zhǔn)期分別縮短了20.8和23.0 d，與氣溫升高使冬小麥全生育期(播種-成熟)縮短的研究結(jié)果一致[4,27]。而返青-拔節(jié)階段極顯著延長(zhǎng)，其他生育階段變化均不顯著，可知冬小麥全生育期天數(shù)的變化主要是由于越冬期的縮短。未來麥區(qū)冬小麥播種期推遲且成熟期提前，使得冬小麥生長(zhǎng)期縮短，有利于復(fù)種作物的生產(chǎn)。返青-拔節(jié)階段極顯著延長(zhǎng)可能是由于冬小麥返青和拔節(jié)期極顯著提前，使其處于較冷和日照長(zhǎng)度較短的時(shí)段[4]，延緩了冬小麥在該階段的生長(zhǎng)發(fā)育，使得此階段延長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

整體來看，2031-2090年北部冬麥區(qū)年平均氣溫極顯著升高，每10年升溫達(dá)0.43 ℃，而年降水量和年輻射量變化不明顯。

三種生育期模型(活動(dòng)積溫法、生長(zhǎng)速率估測(cè)法和累計(jì)熱生長(zhǎng)單位法)相比，生長(zhǎng)速率估測(cè)法對(duì)北部冬麥區(qū)冬小麥拔節(jié)和抽穗期的模擬精度較高，活動(dòng)積溫法對(duì)成熟期的模擬較精確，可分別用于對(duì)應(yīng)生育時(shí)期的模擬。

未來研究區(qū)冬小麥播種期和越冬開始推遲，返青、拔節(jié)、抽穗和成熟期提前，均達(dá)到極顯著水平。但2061-2090年生育時(shí)期的變化較2031-2060年減緩，且未來冬前生育期較基準(zhǔn)期 (1976-2005年)的變化幅度比冬后大。除了越冬開始，麥區(qū)西部的西峰鎮(zhèn)冬小麥各生育時(shí)期變化趨勢(shì)的絕對(duì)值均最大，東部的霸州均最小。

2031-2090年研究區(qū)冬小麥越冬期和播種-成熟階段的天數(shù)極顯著縮短，而返青-拔節(jié)階段極顯著延長(zhǎng)，其他階段變化不顯著。越冬期、返青-拔節(jié)和播種-成熟階段變化趨勢(shì)的絕對(duì)值均在西部的西峰鎮(zhèn)最大，而在東部的霸州最小。