氣候變化對青海省青稞物候期的影響

李 璠，校瑞香，嚴應存，趙夢凡，李 菲，顏亮東

(1.青海省氣象科學研究所，青海西寧 810001；2.青海省防災減災重點實驗室，青海西寧 810001)

IPCC第五次評估報告指出，至21世紀末全球平均氣溫將升高0.3～4.8 ℃，以變暖為主要特征的氣候變化愈益加劇，中國北方地區(qū)是全球氣溫升高顯著的地區(qū)之一。氣候變化帶來農(nóng)業(yè)氣候資源的變化，導致作物生長發(fā)育的改變、糧食作物產(chǎn)量的降低和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)脆弱性的加重，因而研究作物物候期對氣候變化的響應早已是農(nóng)業(yè)氣象領域的熱點話題。作物物候期的變化不僅會改變作物的生長周期，同時還會改變作物在生長過程中對光、溫、水資源及其他營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用，影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)；同時氣候變化對生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、衛(wèi)生等方面也會產(chǎn)生重要影響。目前，作物物候期對氣候變化響應的研究對象多為冬小麥、玉米等作物，而對種植于青藏高原地區(qū)特有作物青稞的研究較少。青稞是禾本科大麥屬的一個種，因其生長期短、抗逆性強和耐寒耐旱的特點，在海拔較高的冷涼地區(qū)廣泛被種植，是青藏高原種植面積最大的麥類作物。青稞籽粒含有豐富的營養(yǎng)成分，特別是β-葡聚糖、黃酮等含量較高，是牧區(qū)人民主要的糧食作物及青稞酒的主要原料，秸稈也是牲畜的飼料之一。青稞在青海省種植面積為6.39萬hm，占全省糧食作物種植面積的23%，現(xiàn)階段主要品種有肚里黃、昆侖15號、柴青1號和北青6號。本研究利用1980-2020年青海省氣象資料和青稞長期觀測數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計學方法，分析青稞生長季光溫水氣象要素變化特征以及青稞物候期的演化趨勢，并探討青稞物候期變化的氣候驅動因子，以期為應對氣候變化下青藏高原青稞品種選育和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省青稞主要種植在海南州、海北州和海西州，西寧市、海東市和玉樹州也有小面積種植。青海省氣象局在門源縣和貴南縣2地開展青稞農(nóng)業(yè)氣象觀測業(yè)務，2地區(qū)位于青海省東部，介于北緯35°9′～37°52′、東經(jīng)100°12′～102°39′范圍，海拔2 201～4 982 m(圖1)，氣溫低，日照長，輻射強，降水集中，雨熱同季，但降水不足，蒸發(fā)量大，屬高原大陸性氣候，年平均氣溫0.8～3.1 ℃，年降水量485～522 mm。兩個地區(qū)均位于農(nóng)牧交錯帶，主要種植青稞、油菜，作物種植受氣候、土壤、灌溉等條件的影響，種植結構相對簡單。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 General situation of the study area

1.2 觀測資料

青稞物候期觀測資料來源于門源回族自治縣氣象局和貴南縣氣象局，氣象數(shù)據(jù)取自于中國氣象局綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)，其中門源數(shù)據(jù)為1980-2020年4-9月的觀測數(shù)據(jù)，貴南數(shù)據(jù)為2007-2020年4-9月的觀測數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日降水量、日照時數(shù)、月平均氣溫、月降水量和月日照時數(shù)。本研究中營養(yǎng)生長期指出苗至抽穗期，生殖生長期指抽穗至成熟期，全生育期指出苗至成熟期。因為播種期受氣象條件和人為因素的雙重影響，故而本研究并未將播種期納入全生育期范疇。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)在Excel整理后，采用SPSS軟件進行線性擬合和相關性分析，采用一元線性趨勢分析生長季(4-9月)氣象要素、物候期和生育期時長隨時間的變化趨勢；采用Pearson相關性分析物候期、生育期時長與氣候因子的相關性。并檢驗變化趨勢、擬合方程和相關系數(shù)的顯著性。

2 結果與分析

2.1 青海省青稞生長季氣候變化特征

1980-2020年青海省青稞主要種植區(qū)生長季平均氣溫9.6 ℃，氣溫傾向率為0.4 ℃·10 a。門源和貴南生長季平均氣溫傾向率分別為0.6和0.3 ℃·10 a，且增溫速率均通過極顯著水平檢驗(<0.001)(圖2a)；生長季降水量為442 mm，兩地的降水量雖然呈增加趨勢，但只有門源表現(xiàn)顯著(44 mm·10 a，<0.001)；生長季累計日照時數(shù) 1 297 h，門源、貴南分別以39和38 h·10 a的速率在減少(<0.01)。綜上可知，青海省青稞主產(chǎn)區(qū)生長季平均氣溫顯著升高，降水量略微增加，日照時數(shù)明顯減少。

圖2 1980-2020年青海青稞主要種植區(qū)生長季光溫水變化Fig.2 Changes of average temperature,precipitation and sunshine hours during the growing seasons of hulless barely from 1980 to 2020

青稞主產(chǎn)區(qū)逐月平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(表1)。門源月升溫速率為0.40～0.76 ℃·10 a(<0.01)；貴南4-6月升溫不顯著，7-9月升溫顯著，升溫速率為0.32～0.41 ℃·10 a。月降水量在兩地表現(xiàn)不一。貴南各月降水量均呈增加趨勢，其中8月降水量變化顯著(22.32 mm·10 a，<0.01)；門源5-7月降水量減少，其他月份降水量在增加，其中8月的增加趨勢顯著(9.89 mm·10 a，<0.05)。日照時數(shù)各月均減少，貴南5月和8月極顯著減少(<0.01)，門源8-9月極顯著減少。

表1 1980-2020年逐月氣象要素及其線性傾向率Table 1 Monthly meteorological element and its linear trend rate from 1980 to 2020

2.2 青海青稞物候期分布特征及變化趨勢

青稞播種期、出苗期、三葉期、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、乳熟期、成熟期分別集中在每年第99-112天、124-130天、138-142天、146-150天、168-171天、180-182天、188-192天、195-200天、216-226天和238-243天，營養(yǎng)生長期、生殖生長期、生育期時長分別為62～64、50～51和132～139 d(表2)。物候期中，播種期在兩地的差異最大，差值達13 d，主要因為貴南4月平均氣溫比門源低1.4 ℃，從而導致播種期晚于門源；兩地的孕穗期差異最小，相差2 d，主要因為該時期是兩地氣溫、降水、日照時數(shù)差異最小的階段。另外，門源青稞的物候期普遍早于貴南，但拔節(jié)期較晚，這可能是因為兩地氣候差異和播種期不一所致。

表2 青海省青稞各物候期平均出現(xiàn)日期及生育期時長Table 2 Average date of different phenophases and duration of growth periods of hulless barely in Qinghai

近40年間青稞物候期和生育期時長變化趨勢略有不同。生育前期物候期推遲，生育后期提前，生殖生長期和生育期時長均縮短(圖3)。門源播種期以1.8 d·10 a的速率推遲 (<0.05)，生育期時長以3.0 d·10 a的縮短(<0.01)；貴南拔節(jié)期、孕穗期分別以5.8和6.4 d·10 a的速率推遲(<0.05)，成熟期以10.8 d·10 a的速率提前(<0.01)，生殖生長期的和生育期時長分別以14.6和11.0 d·10 a的速率縮短(<0.01)。整體而言，青稞主產(chǎn)區(qū)出苗期推遲0.6～1.5 d，拔節(jié)期推遲2.0～4.2 d，成熟期提前8.5～11.0 d；其余物候期在兩地表現(xiàn)相反。貴南和門源的營養(yǎng)生長期分別延長2.6 d和縮短 6.8 d，但兩地生殖生長期均縮短 3.3～14.2 d，生育期縮短10.2～12.0 d。

*:P<0.05;**:P<0.01.

2.3 氣象要素對青稞物候期的影響

2.3.1 溫度影響

熱量是影響作物生長發(fā)育的重要因素之一，物候期變化與溫度變化關系密切。以門源縣為例，從青稞關鍵物候期與生育前期逐日平均氣溫的相關性看，出苗前的日平均氣溫對出苗期的影響表現(xiàn)不一，4月26日以前日平均氣溫與出苗期大多呈負相關，即氣溫越高，出苗越早，而在4月26日至5月4日的日平均氣溫越高，出苗越晚。進入營養(yǎng)生長階段后，在5月10日至5月28日、6月2日至7月7日兩個階段的日平均氣溫與抽穗期均呈負相關，即溫度越高，抽穗越早。在成熟階段，日平均氣溫越高，成熟越早。從整個物候期看，日平均氣溫對關鍵物候期的影響時段較分散，生育前期正效應和負效應的時段交替出現(xiàn)，后期均表現(xiàn)為負效應(圖4)。

圖4 門源縣青稞關鍵物候期與日平均氣溫相關性Fig.4 Correlation coefficients between daily mean temperature and key phenophases of hulless barely in Menyuan

利用上述方法，分析得到日平均氣溫對青海省青稞關鍵物候期、營養(yǎng)生長期、生殖生長期、全生育期時長的效應特征(表3)。結果表明，日平均氣溫對青稞物候期和生育期時長主要表現(xiàn)為負效應，對門源青稞關鍵物候期的正效應主要發(fā)生在4月下旬至5月上旬，對貴南青稞的正效應主要發(fā)生在5月中下旬，說明青稞生長前期部分時段日平均氣溫對前期物候期產(chǎn)生正效應。結合兩地青稞物候期來看，出苗至三葉期的日平均氣溫越高，抽穗時間越晚。日平均氣溫對生育期時長的影響與物候期的影響基本類似，也是出苗至三葉期的日平均氣溫越高，則營養(yǎng)生長時間越長。從整個生育期來看，門源除出苗至三葉期的日平均氣溫對全生育期時長表現(xiàn)為正效應外，其余時段均表現(xiàn)為負效應；貴南則表現(xiàn)為播種至出苗期、分蘗至拔節(jié)期的日平均氣溫越高，全生育期時長越長，其余時段的日平均氣溫越高，全生育期時長越短。

表3 日平均氣溫對青稞物候期、生育期時長的影響時段Table 3 Influencing time of daily mean temperature on phenophases and growth period duration of hulless barely

分析青稞關鍵物候期、生育期時長與對應時段的平均氣溫的相關性發(fā)現(xiàn)，播種至出苗期的平均氣溫與出苗日期呈正相關(圖5)，播種至出苗期間平均氣溫每升高1 ℃，出苗期推遲0.4～1.6 d，但這一關系并不顯著(>0.05)，其余關鍵物候期、生育期時長與對應期間的平均氣溫均呈現(xiàn)負相關，其中營養(yǎng)生長期間平均氣溫每升高1 ℃，抽穗期提前1.2～1.5 d，時長縮短3.1～3.8 d，生殖生長期間平均氣溫每升高1 ℃，成熟期提前 1.9～4.0 d(<0.01)，時長縮短0.7～3.1 d (>0.05)。門源生育期平均氣溫與生育期時長極顯著相關(<0.01)，貴南則不顯著 (>0.05)(表5)。

2.3.2 降水影響

水資源是干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制性資源，是影響農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)的主要環(huán)境因素。因日降水量在時間和量級上差異較大，故而只分析階段降水量與物候期的相關性(圖5)。階段降水量與青稞物候期和生育期時長均呈正相關，但均未通過顯著性檢驗，說明階段降水量對青稞物候期和生育期時長的影響不大。前人認為種子萌發(fā)時降水多可促進發(fā)芽，但在進入營養(yǎng)生長期后，降水多反而會降低生長速率。而青海省青稞出苗期未表現(xiàn)出這一特征，其原因可能是青稞出苗主要受土壤水分限制，而土壤水分受降水長期累計和地下水實時補給的雙重影響，從而使青稞出苗對降水變化未表現(xiàn)出明顯的響應特征。另外一原因可能是因為青稞在青海主要種植在海拔較高的腦山地區(qū)，該地區(qū)降水充沛，降水因子并不是影響物候和生育期長短的主要限制因子，同時降水量對青稞的影響是一個較為復雜的過程，每個物候期對降水的響應存在較高不確定性。從階段降水量與物候期和生育期時長之間的傾向率(表4)來看，隨著降水的增多，兩地的青稞關鍵物候期推遲，生育期時長延長，但線性傾向率也均未通過顯著性檢驗，再次證實降水并不是影響青稞物候期和生育期時長的關鍵氣象要素。

2.3.3 日照影響

日照時數(shù)是作物獲得光照時間長短的標志，是太陽輻射最直觀的表現(xiàn)。從線性傾向率(表4)來看，日照時數(shù)主要影響青稞生育期時長，尤其在門源地區(qū)階段性日照時數(shù)與生育期時長的關系通過0.01水平的顯著性檢驗。營養(yǎng)生長期和生殖生長期日照時數(shù)每增加1 h，營養(yǎng)生長期和生殖生長期延長0.06 d(<0.001)；出苗至成熟期日照時數(shù)每增加1 h，生育期時長延長0.03 d (<0.01)。相關分析(圖5)表明，階段性日照時數(shù)與生育期時長呈顯著正相關，即階段性日照時數(shù)累計越多，生育期時長越長。日照時數(shù)對物候期影響不顯著，這可能是物候期出現(xiàn)的早晚不僅與氣象要素有關，還與前一物候期出現(xiàn)時間密切相關，而生育期時長是在一段相對穩(wěn)定的時間段內(nèi)變化，故而對日照時數(shù)的響應更明顯。

表4 階段性氣象要素與物候期、生育期時長的線性傾向率Table 4 Linear trend rate of meteorological factor to phenophases and growth stage duration

**:P<0.01.

3 討 論

近40年來，青海省青稞主產(chǎn)地生長季氣溫升高，降水增多，日照時數(shù)減少。就平均氣溫而言，貴南4-6月逐月平均氣溫增溫不顯著，7-9月增溫顯著；門源4-9月逐月平均氣溫增溫均顯著。就降水而言，兩地只有8月降水量增加顯著，其中門源5-7月降水還存在減少趨勢。就日照時數(shù)而言，兩地4-9月逐月日照時數(shù)均減少，其中貴南5月、8月顯著；門源8-9月顯著，其余月份均不顯著。

在該氣候變化背景下，兩地青稞物候期變化趨勢略有不同。門源播種至拔節(jié)期的每一物候期大都推遲，但從拔節(jié)期以后每個物候期都提前，因此全生育期時長縮短；而貴南自播種至乳熟均推遲，到成熟期時顯著提前，因此全生育期時長縮短，這與前人研究成果一致。綜合來看，門源青稞生育期縮短是拔節(jié)后物候期提前造成的，而貴南青稞生育期縮短是成熟期顯著縮短造成的。針對這些變化可從品種選育和栽培技術兩方面調(diào)整青稞生產(chǎn)方式，貴南應傾向于種植耐高寒陰濕、生育期較短的品種，而門源更多傾向于種植抗寒耐旱、抗倒伏的品種，同時可適當提前播種日期，科學輪作，促進各地青稞高產(chǎn)。

本研究分析光溫水與對應時段物候期和生育期時長的關系發(fā)現(xiàn)，青海省青稞主產(chǎn)區(qū)氣候變暖使得出苗期推遲、抽穗期和成熟期提前。進一步分析表明，逐日平均氣溫對出苗期的影響則是正負交替出現(xiàn)，也就是說，臨近出苗前8～12 d的日平均氣溫升高對青稞出苗有一定抑制作用，而更早期的日平均氣溫升高對青稞出苗有一定促進作用，分析逐日平均氣溫升高對抽穗期和成熟期大都表現(xiàn)為負效應，即溫度越高，抽穗和成熟越早。因此，該結論印證了7-8月氣溫顯著升高對青稞生殖生長期時長會產(chǎn)生負效應。雖然播種至三葉期氣溫升高，推遲了青稞出苗期，但青稞后期生長受氣溫升高的影響，整個生育期仍表現(xiàn)出明顯縮短趨勢。降水對關鍵物候期出現(xiàn)時間和各生長季長度雖表現(xiàn)出正效應，但都未通過顯著性檢驗。其原因有兩個：一是青稞種植區(qū)降水充沛，但其不是影響青稞生長發(fā)育的關鍵氣象因子；二是降水過程復雜、量級差異大，對青稞生理生化的影響尚未查明，其影響機理還有待進一步研究。光照對作物物候期的影響主要表現(xiàn)為光周期對作物發(fā)育進程的影響，但本研究發(fā)現(xiàn)日照時數(shù)對青稞物候期影響不顯著，對時長影響顯著。這可能是因為不同作物對光周期的敏感性不同，因此光照條件對作物物候期的影響也各異。

影響作物物候期和生育期時長的要素很多，除了溫度、降水、光照外，還應考慮土壤、大氣CO濃度、作物品種等條件，目前對該方面的研究還待進一步深入。近幾年以作物生理過程為基礎，量化外部環(huán)境要素的物候期模型成為主流，但弄清每個變量的影響機制，對解釋模型結果的過程變化仍是重要工作之一。