李紅梅，權(quán)文婷，張樹譽(yù)

（1陜西省農(nóng)業(yè)遙感與經(jīng)濟(jì)作物氣象服務(wù)中心，西安 710016；2陜西省氣象局，西安 710014）

0 引言

農(nóng)業(yè)氣候資源伴隨著全球氣候變暖而變化[1]，氣候因素又是影響作物生長(zhǎng)的最主要、最活躍的因子[2]，任何的氣候變化和波動(dòng)都會(huì)影響作物生長(zhǎng)，最敏感的反映就是作物物候期的變化[3]。已有研究發(fā)現(xiàn)，氣候變暖導(dǎo)致冬小麥生育進(jìn)程加快，全生育期縮短[4-6]。也有研究指出，冬春季溫度升高造成冬小麥適宜種植北界有北移趨勢(shì)[7-8]，小麥品種也逐漸由強(qiáng)冬性向弱冬性和偏春性轉(zhuǎn)變[9]。

陜西地處中國西北地區(qū)東部，地形復(fù)雜，南北跨度較大，水熱條件差異明顯。冬小麥?zhǔn)顷兾髦饕Z食作物之一。2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，冬小麥占陜西糧食種植面積的32.1%和糧食總產(chǎn)的32.7%，其中關(guān)中和渭北地區(qū)冬小麥種植面積占全省冬小麥種植面積的87.8%，是陜西冬小麥主要種植區(qū)。自20世紀(jì)80年代中期開始，陜西溫度呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，冬春季增溫尤為顯著，冬季平均氣溫年際變化劇烈，且陜西中北部地區(qū)增溫幅度較大[10]，對(duì)陜西冬小麥生育期[11]和種植布局[12]都產(chǎn)生了不同程度的影響。但目前結(jié)合小麥實(shí)際發(fā)育期與界限溫度的關(guān)系來研究陜西中北部冬小麥返青輕熱量資源時(shí)空變化特征及其影響尚少。基于上述研究結(jié)果，筆者利用1961—2018年陜西中北部冬小麥主要種植區(qū)的氣溫、界限溫度及實(shí)際播種期資料，將研究區(qū)分為2個(gè)區(qū)域來研究冬小麥實(shí)際發(fā)育期與界限溫度的相關(guān)性，分析氣候變暖背景下不同區(qū)域熱量資源時(shí)空變異特征及其對(duì)冬小麥返青前可能產(chǎn)生的影響及應(yīng)對(duì)策略，旨在為提升該區(qū)冬小麥熱量資源利用率、指導(dǎo)冬小麥安全生產(chǎn)及合理布局提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于陜西省中北部的冬小麥主要種植區(qū)，包括關(guān)中平原的5個(gè)地市和延安南部地區(qū)。根據(jù)地貌特征、小麥品種和生育期將研究區(qū)分為2個(gè)區(qū)域。Ⅰ區(qū)為關(guān)中川道，包括關(guān)中南部4個(gè)地市共25個(gè)縣，該區(qū)海拔較低，地勢(shì)平坦，屬大陸性季風(fēng)氣候，冬小麥生育期一般在10月上旬—次年6月上旬。Ⅱ區(qū)為渭北旱塬，包括關(guān)中北部和延安南部共22縣，該區(qū)海拔較高，地貌以高原溝壑為主，冬小麥生育期在9月下旬—次年6月中旬。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)源自陜西省氣象信息中心，包括研究區(qū)內(nèi)50個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2018年日平均氣溫，年極端最低氣溫，穩(wěn)定通過0、14℃界限溫度初日和終日日期，13個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站1997—2017年冬小麥發(fā)育期數(shù)據(jù)。氣象站點(diǎn)空間分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)及氣象站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

1.3.1 冬小麥參數(shù)及熱量指標(biāo)的確定 由于冬小麥跨年生長(zhǎng)，將冬小麥?zhǔn)斋@年度作為生育年度，播種期為1997—2017年的平均播種期，Ⅰ區(qū)平均播種期為10月8日，Ⅱ區(qū)為9月27日，1997—2017年陜西中北部地區(qū)冬小麥實(shí)際播期平均每10年推后1～5天。冬小麥越冬期起始日與0℃終日，返青期起始日與0℃初日均顯著相關(guān)（P＜0.01），R2分別為 0.809（圖 2a）和 0.726（圖2b）。文中將越冬期長(zhǎng)度定義為0℃終日至次年0℃初日的日數(shù)，即越冬期開始日至越冬期間持續(xù)的日數(shù)[13]。冬前指歷年平均播種期至越冬期起始日之間的時(shí)段。越冬期負(fù)積溫指冬小麥越冬期內(nèi)日平均氣溫低于0℃的累積和，為方便描述，文中負(fù)積溫以絕對(duì)值進(jìn)行討論。

冬小麥適宜播種期與溫度關(guān)系密切，一般冬性品種適宜播種溫度為16～18℃，弱冬性品種14～16℃，春性品種12～14℃[14]。研究區(qū)中Ⅰ區(qū)冬小麥以偏春性為主，Ⅱ區(qū)冬小麥以弱冬性為主，且研究區(qū)內(nèi)冬小麥多年平均播種日期均與日平均氣溫穩(wěn)定通過14℃終日有較好的相關(guān)性（P＜0.01，圖2c）。因此選取14℃終日分析研究區(qū)冬小麥適宜播種期的變化。文中所有界限溫度初、終日期均以積日為單位（簡(jiǎn)稱DOY，day of year）。

圖2 陜西中北部冬小麥越冬期（a）、返青期（b）、播種期（c）與界限溫度的關(guān)系

1.3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與和空間表達(dá) 冬小麥生育期熱量要素時(shí)間變化采用線性傾向估計(jì)法[15]。熱量要素的突變檢驗(yàn)采用Mann-Kendall（M-K）方法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)相結(jié)合方法，具體方法見文獻(xiàn)[16]。利用ArcGIS軟件對(duì)要素傾向率變化和顯著性進(jìn)行表達(dá)，分析其空間變化特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬前溫度變化特征

2.1.1 冬小麥播種期旬平均氣溫 根據(jù)研究區(qū)內(nèi)冬小麥品種和氣象條件分析，關(guān)中川道（Ⅰ區(qū)）冬小麥播種一般在10月上旬，渭北（Ⅱ區(qū)）冬小麥播種期在9月下旬。由圖3可見，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)冬小麥播種期旬平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，其中Ⅱ區(qū)上升顯著（P＜0.05）。M-K突變檢驗(yàn)表明（表1），Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)冬小麥播種期旬平均氣溫分別在2003年和1986年發(fā)生突變，突變后較突變前分別增加0.71℃和1.03℃。

表1 陜西中北部冬小麥返青前熱量要素突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1.2 穩(wěn)定通過14℃終日 由圖4可見，1961—2018年陜西中北部穩(wěn)定通過14℃終日呈明顯推后趨勢(shì)，Ⅱ區(qū)推后幅度大于Ⅰ區(qū)。從14℃終日年代變化看，Ⅰ區(qū)20世紀(jì)70年代冬小麥適播期最晚，DOY為284（10月9日），80年代后一直維持在10月上旬后期。Ⅱ區(qū)最晚適播期出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，DOY為270（9月25日），之后一直維持在9月下旬前期。

圖4 1961—2018年陜西中北部穩(wěn)定通過14℃終日變化趨勢(shì)

Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)穩(wěn)定通過14℃終日分別在1971年和1979年發(fā)生突變性延遲（表1），Ⅰ區(qū)穩(wěn)定通過14℃終日由DOY273（9月29日）延后至DOY281（10月7日），Ⅱ區(qū)由DOY264（9月19日）延后至DOY268（9月23日），較突變前分別延后8天和4天。且20世紀(jì)90年代各區(qū)14℃終日延后趨勢(shì)大都超過0.05顯著性水平，表明20世紀(jì)90年代陜西中北部冬小麥適宜播種期溫度增加較為顯著。

2.1.3 冬前≥0℃積溫 1961—2018年Ⅰ區(qū)冬前≥0℃積溫平均為543℃，Ⅱ區(qū)為562℃，該積溫條件利于冬小麥形成5～6片葉壯苗安全越冬。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)冬前≥0℃積溫最少年份均出現(xiàn)在1981年，分別為415℃和430℃，最多年份均出現(xiàn)在2006年，分別為676℃和659℃，最少和最多年份分別相差261℃和229℃，說明陜西中北部地區(qū)冬小麥越冬前≥0℃積溫年際間波動(dòng)較大。1961—2018年以來陜西中北部冬小麥冬前≥0℃積溫增加趨勢(shì)明顯，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)平均每10年增加8℃和10℃（圖5）。

圖5 陜西中北部冬前≥0℃積溫變化趨勢(shì)（1961—2018年）

突變檢驗(yàn)（表1）表明，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)冬前≥0℃積溫分別在2004年和1997年發(fā)生突變性增加，突變后較突變前分別增加13℃和30℃，尤其是2007年以后增加趨勢(shì)尤為顯著。冬前≥0℃積溫的增加利于壯苗形成，但如果播期過早，加之冬前積溫偏多，容易造成冬前旺長(zhǎng)，對(duì)安全越冬不利。

2.2 冬小麥越冬期及越冬期溫度變化特征

2.2.1 穩(wěn)定通過0℃終日和初日 由圖6a～b可見，陜西中北部冬小麥越冬期開始日期Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)差異達(dá)30天，Ⅰ區(qū)冬小麥越冬期始期出現(xiàn)在DOY 341（12月7日）之后，Ⅱ區(qū)冬小麥越冬期始期集中在DOY 321～340（11月16日—12月16日）之間，呈隨緯度升高有逐漸提前的趨勢(shì)（圖6a）。而冬小麥返青期空間分布與越冬期恰好相反，呈南早北晚的分布特點(diǎn)（圖6b）。Ⅰ區(qū)返青期始于DOY 34（2月2日）之后，集中在2月上中旬；Ⅱ區(qū)冬小麥返青期出現(xiàn)在DOY 47～60之間，即2月中下旬，其中延安南部返青期基本都在DOY 57（2月26日）之后。

1961—2018年陜西中北部穩(wěn)定通過0℃終日呈推后趨勢(shì)（圖7），即冬小麥越冬期在逐步推后，但推后趨勢(shì)均不顯著。穩(wěn)定通過0℃初日提前趨勢(shì)顯著（P<0.05），其中Ⅱ區(qū)提前趨勢(shì)較Ⅰ區(qū)更為顯著（P<0.02），平均提前2.9 d/10 a，說明陜西中北部地區(qū)冬小麥返青前期熱量資源明顯增加，冬小麥返青期明顯提前，且北部提前趨勢(shì)更為顯著。

突變檢驗(yàn)表明，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)0℃終日分別在2003年和1994年發(fā)生突變性推后，突變后較突變前Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)0℃終日分別延后5天和3天。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)0℃初日分別在1995年和1999年突變性提前，分別提前9天和12天。

2.2.2 越冬期負(fù)積溫 日平均氣溫＜0℃的負(fù)積溫是評(píng)估農(nóng)作物安全越冬條件的重要溫度指標(biāo)，同時(shí)也影響作物病蟲害后期的發(fā)生蔓延。陜西中北部冬小麥越冬期負(fù)積溫由南向北逐漸增多（圖6c），1961—2018年Ⅰ區(qū)越冬期負(fù)積溫絕對(duì)值多年平均值為87℃，最大值出現(xiàn)在1968年，為223℃，最小值是2007年的24℃。Ⅱ區(qū)越冬期負(fù)積溫絕對(duì)值的多年平均值為215℃，最大為1968年401℃，最低為1999年的95℃，年際間波動(dòng)較大，且1961—2018年兩區(qū)冬小麥越冬期負(fù)積絕對(duì)值總體均呈顯著減少趨勢(shì)（圖7c～d），變化率分別為9、19℃/10 a，表明陜西中北部冬小麥越冬期熱量資源隨時(shí)間在逐漸增加，也為冬小麥種植界限的北移提供了有利的氣候條件。

圖6 陜西中北部冬小麥返青前熱量資源空間分布（1961—2018年）

M-K檢驗(yàn)（表1）表明，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)越冬期負(fù)積溫分別在1981、1984年發(fā)生突變性減少，突變后較突變前分別減少39、61℃。越冬期負(fù)積溫的減少降低了小麥越冬凍害概率，但明顯的暖冬年份會(huì)減少冬小麥抗寒鍛煉時(shí)間和強(qiáng)度，使小麥抗凍能力減弱、返青期提前，抵御春季倒春寒能力也隨之降低。

2.2.3 年極端最低氣溫 一般認(rèn)為年極端最低氣溫-24～-22℃是中國冬小麥種植的北界[17]。從空間分布看，由Ⅰ區(qū)向Ⅱ區(qū)年極端最低氣溫逐漸降低（圖d），其中Ⅰ區(qū)年極端最低氣溫多年平均值為-11.9℃，1961年以來Ⅰ區(qū)年極端最低氣溫呈顯著升高趨勢(shì)（圖7e），氣候變化率為0.3 d/10 a。最低值為-18.2℃，出現(xiàn)在1991年，最高值為-7.7℃，出現(xiàn)在2017年，均處于冬小麥冬季生長(zhǎng)的適宜溫度范圍內(nèi)。Ⅱ區(qū)年極端最低氣溫多年平均值為-15.3℃，1961—2018年以來變化趨勢(shì)不明顯（圖7f），最低值為-20.8℃，也在1991年，仍在小麥生長(zhǎng)適宜溫度范圍內(nèi)。

Ⅰ區(qū)年極端最低氣溫在1978年發(fā)生由冷變暖的顯著突變，尤其在1986—1990年達(dá)到極顯著水平，突變后較突變前升高1.6℃。Ⅱ區(qū)年極端最低氣溫未發(fā)生明顯突變現(xiàn)象（表1）。

2.2.4 越冬期天數(shù) 小麥越冬期即日平均氣溫低于0℃后小麥緩慢或停止生長(zhǎng)的階段[18]。陜北中北部地區(qū)冬小麥越冬期由南向北呈增加趨勢(shì)，越冬期天數(shù)為25～109天（圖6g）。1961—2018年，Ⅰ區(qū)冬小麥越冬期開始日11月12日—12月24日，平均為12月8日。越冬期天數(shù)25～89天，平均為62天。1961—2018年Ⅰ區(qū)冬小麥越冬期呈顯著縮短趨勢(shì)，變率為-3.5 d/10 a，其中乾縣、扶風(fēng)、潼關(guān)、岐山4縣越冬期縮短尤為明顯，超過-5.1 d/10 a（圖7e）。Ⅱ區(qū)小麥越冬期開始日為11月10日—12月13日，平均為11月29日。Ⅱ區(qū)越冬期天數(shù)在57～109天，平均85天，也呈顯著縮短趨勢(shì)，變化率為-3.7d/10a，其中合陽、千陽和耀州變率超過-5.1d/10a，僅富縣一地越冬期呈延長(zhǎng)趨勢(shì)，變化率為5.9 d/10 a（圖7f）。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)小麥越冬期均在1997年發(fā)生顯著性突變，較突變前分別縮短14天和13天（表1）。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)越冬期天數(shù)變化率與其越冬期負(fù)積溫變化率相關(guān)系數(shù)分別為-0.44和-0.39，均通過0.01水平顯著性檢驗(yàn)，越冬期天數(shù)縮短會(huì)導(dǎo)致冬季低溫持續(xù)時(shí)間的減少，一定程度上也降低了冬季低溫凍害發(fā)生的概率。

圖7 陜西中北部冬小麥越冬期及溫度變化（1961—2018年）

3 討論

冬小麥發(fā)育期受品種、熱量和降水等多因素的綜合影響，其中熱量資源變化對(duì)小麥物候期影響最大[19]。陜西中北部地區(qū)冬小麥播種期、越冬期和返青期始期與界限溫度關(guān)系密切，這與張宸赫等[20]的研究結(jié)果一致。隨著小麥適播期溫度的升高和14℃初日的推后，1997—2017年陜西中北部冬小麥實(shí)際播種期也做了相應(yīng)調(diào)整，呈逐漸推后趨勢(shì)。在滿足冬前壯苗形成的條件下，按照冬前≥0℃積溫氣候變化率計(jì)算，1997—2017年冬前≥0℃積溫增加量相當(dāng)于同期小麥平均播種期內(nèi)2～6天的累計(jì)積溫，與實(shí)際播種期的調(diào)整相一致[21]。在熱量資源增加的情況下，播種過早會(huì)造成冬前分蘗過多或冬前旺長(zhǎng)[22]，增加小麥冬前及越冬期能量消耗，影響來年新蘗生長(zhǎng)，也加大了越冬凍害風(fēng)險(xiǎn)。播種過晚會(huì)則影響小麥出苗率和冬前壯苗形成。小麥實(shí)際播種期的變化除考慮熱量因素外，還與小麥品種更換、栽培技術(shù)等因素有關(guān)[23-25]，因此各區(qū)域小麥播種期應(yīng)綜合每年實(shí)際情況而定，在保證冬前壯苗形成的情況下適當(dāng)晚播，才利于冬小麥產(chǎn)量形成[23]。

受陜西整體氣候變暖趨勢(shì)的影響，尤其是冬春季增溫顯著[26]，加快了冬小麥發(fā)育進(jìn)程[20]，導(dǎo)致陜西中北地區(qū)冬小麥越冬期推后、返青期提前。隨著冬季溫度的升高，冬小麥越冬期極端最低氣溫升高，冬季負(fù)積溫減少，利于小麥安全越冬[27]，但是越冬期的縮短和負(fù)積溫的減少，一定程度上減少了冬小麥抗寒鍛煉時(shí)間和強(qiáng)度。氣候變暖的同時(shí)，極端天氣和氣象災(zāi)害發(fā)生頻率在增加[28]，加之近些年陜西弱春性和半冬性小麥品種種植面積的擴(kuò)大，若遭遇倒春寒，受凍風(fēng)險(xiǎn)隨之增大。暖冬也會(huì)導(dǎo)致病蟲害越冬期推遲，降低越冬病蟲死亡率，增加冬后蟲源基數(shù)，加重春季病蟲害的發(fā)生程度，不利于冬小麥后期生長(zhǎng)。

陜西中北部地區(qū)冬小麥播種期旬平均氣溫、冬前≥0℃積溫的增加，越冬負(fù)積溫的減少，尤其是渭北地區(qū)冬小麥返青前熱量資源增加明顯，小麥越冬種植北界北移[29]，適宜種植區(qū)面積擴(kuò)大[30]。但渭北地區(qū)極端最低氣溫并沒有明顯降低，地形復(fù)雜，不利于機(jī)械耕作，耕地質(zhì)量水平也不及關(guān)中川道[31]，加之種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，目前，渭北地區(qū)以發(fā)展蘋果、梨等特色經(jīng)濟(jì)作物種植為主，小麥種植面積不但沒有增加，反而呈減少趨勢(shì)。本研究?jī)H從熱量條件驅(qū)動(dòng)因子研究了熱量資源變化對(duì)小麥物候期和種植面積的可能影響，結(jié)合實(shí)際變化來看，除考慮熱量資源驅(qū)動(dòng)條件外，后續(xù)應(yīng)考慮降水、光照、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、地形結(jié)構(gòu)、土壤水肥力等因子變化及相互間綜合影響效應(yīng)，進(jìn)一步探究其對(duì)小麥物候期、產(chǎn)量形成、品質(zhì)及種植面積的影響。

4 結(jié)論

關(guān)中川道1997—2017年冬小麥平均播種期為10月8日，渭北地區(qū)為9月27日。1961—2018年，陜西中北部冬麥區(qū)播種期旬平均氣溫呈上升趨勢(shì)，渭北地區(qū)上升趨勢(shì)顯著（P<0.05）。關(guān)中川道和渭北冬麥區(qū)播種期旬平均氣溫分別在2003年和1986年發(fā)生突變性增加。

1961—2018年陜西中北部日平均氣溫穩(wěn)定通過14℃終日呈明顯推后趨勢(shì)，關(guān)中川道和渭北分別在1971年和1979年發(fā)生突變性推后，且在20世紀(jì)90年代兩區(qū)域推后趨勢(shì)尤為顯著。關(guān)中川道和渭北冬小麥播種期均與14℃終日顯著相關(guān)（P<0.01），伴隨14℃終日的推遲，小麥適播期相應(yīng)延后。冬前≥0℃積溫平均在550℃左右，1961—2018年以來增加趨勢(shì)明顯，利于冬小麥冬前壯苗形成，但在積溫過多的年份也會(huì)造成小麥冬前旺長(zhǎng)，不利于安全越冬。

關(guān)中川道和渭北地區(qū)冬小麥進(jìn)入越冬期的時(shí)間差異明顯，最長(zhǎng)相差30天，空間分布呈南早北晚的特點(diǎn)，返青期始期空間分布與越冬期相反，關(guān)中川道返青期集中在2月上中旬，渭北集中在2月中下旬。陜西中北部冬小麥越冬期起始日與0℃終日，返青期起始日與0℃初日均顯著相關(guān)（P<0.01），1961—2018年穩(wěn)定通過0℃終日推后趨勢(shì)不明顯，穩(wěn)定通過0℃初日提前趨勢(shì)顯著，渭北地區(qū)尤為顯著（P<0.01），說明冬小麥返青期在逐步提前，且渭北地區(qū)冬小麥返青期提前顯著。

1961—2018年，陜西中北部冬小麥越冬期負(fù)積溫絕對(duì)值減少趨勢(shì)顯著，20世紀(jì)80年代中前期發(fā)生突變性減少。關(guān)中川道年極端最低氣溫上升趨勢(shì)顯著，在1978年發(fā)生由冷轉(zhuǎn)暖的顯著性突變，但渭北變化趨勢(shì)不明顯，也未發(fā)生明顯突變。關(guān)中川道和渭北地區(qū)冬小麥越冬期均呈顯著縮短趨勢(shì)，平均每10年分別為3.5、3.7天，且均在1997年生發(fā)生突變性縮短，較突變前分別縮短14、13天。越冬期負(fù)積溫絕對(duì)值的減少、極端最低氣溫的上升和越冬期的縮短，均表明陜西中北部冬麥區(qū)冬季熱量資源在增加，一定程度上降低了小麥越冬凍害的發(fā)生概率，但明顯的暖冬年份將會(huì)削弱冬小麥抗寒能力，增加倒春寒受凍風(fēng)險(xiǎn)和病蟲害越冬基數(shù)。