張宸赫+王琳+趙天良+蘇航

摘要：利用國家農(nóng)業(yè)氣象試驗站和國家基本氣象站實測的冬小麥物候數(shù)據(jù)和氣溫數(shù)據(jù)，通過地理信息技術(shù)、5日滑動平均法、相關(guān)性分析，探討了2003—2012年我國冬小麥主要種植區(qū)內(nèi)冬小麥返青期、拔節(jié)期、成熟期起始日期的時空分布特征及其對氣溫因素的響應(yīng)。結(jié)果表明：近年來研究區(qū)域內(nèi)冬小麥返青期、拔節(jié)期、成熟期起始日期在空間上自東南向西北逐漸推遲，在時間序列中返青期、拔節(jié)期、成熟期的發(fā)生時間主要呈延后趨勢；農(nóng)業(yè)界限溫度初日自東南向西北逐漸推遲；農(nóng)業(yè)界限溫度的通過日期在西北地區(qū)呈提前趨勢，在東部地區(qū)呈延后趨勢；冬小麥物候期起始日期與農(nóng)業(yè)界限溫度初日呈極顯著正相關(guān)，說明溫度升高可以促進冬小麥生物過程進行，有利于冬小麥拔節(jié)期、成熟期等生育期發(fā)生，從而導(dǎo)致冬小麥物候期提前發(fā)生。

關(guān)鍵詞：冬小麥；物候期；時空特征；氣溫因素；相關(guān)分析

中圖分類號：S162.5

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0448-05

植物物候是指植物受到氣候和其他環(huán)境因子的影響而出現(xiàn)的具有一定周期的自然現(xiàn)象，包括發(fā)芽、展葉、開花、葉變色、落葉等[1]，是植物通過長期適應(yīng)環(huán)境的季節(jié)性變化而形成的生長發(fā)育節(jié)律[2]。植物物候?qū)W實質(zhì)上是研究植物生長發(fā)育與環(huán)境條件之間關(guān)系的科學(xué)[3]。在影響植物物候期的眾多因子中，氣候是最主要、最活躍的因子[4]。物候期是作物對氣候變化的響應(yīng)信號之一。

2014年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告指出，1880—2012年全球地表平均溫度約升高0.85 ℃，我國氣溫升高0.91 ℃。自1986年以來，我國已經(jīng)連續(xù)出現(xiàn)19個全國范圍的暖冬[5]。趙宗慈對我國近40年來氣溫變化的研究指出，我國有明顯變暖趨勢，春季平均增溫0.34 ℃[6]。陳隆勛等研究發(fā)現(xiàn)，華北地區(qū)是我國變暖最明顯的地區(qū)[7]。施雅風(fēng)通過模擬我國變暖趨勢認為，到2050年我國北方地區(qū)升溫1.5～2.0 ℃[8]。氣候變暖導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改變，對農(nóng)作物的熟制、布局、種植結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生較大影響，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的負面影響逐漸顯露[9-10]。

全球氣候變暖背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到影響。冬小麥是我國主要糧食作物之一，約占我國小麥總產(chǎn)量的90%。冬小麥生育期長度會影響冬小麥產(chǎn)量與麥粒品質(zhì)，這關(guān)系到冬小麥種植者的收入情況與國家相關(guān)糧食政策。冬小麥耐寒性較強，一般在9月中下旬至10月上旬播種，在晚秋、早春低溫條件下生長發(fā)育，在次年初夏較高溫度下灌漿成熟[11]，全生育期8個月左右[12]。冬小麥各物候期受溫度影響最大。因此，研究近年來我國冬小麥主要種植區(qū)物候期的時空變化規(guī)律及其對氣溫變化的響應(yīng)，有利于認知和適應(yīng)氣候變化，有利于充分利用氣候和農(nóng)業(yè)資源，從而為適時調(diào)整相應(yīng)農(nóng)事活動提供決策依據(jù)[13]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者就作物生長發(fā)育、農(nóng)業(yè)界限溫度變化及二者間的關(guān)系做了大量研究工作[11，14-17]，其中有關(guān)冬小麥物候期與氣溫關(guān)系的研究也取得了很多成果。王勝等對1961—2012年安徽省冬小麥物候期的研究指出，淮北地區(qū)冬小麥物候期普遍提前，全生育期縮短，但各物候期空間變化趨勢差異較大[13]。高強等對甘肅省天水地區(qū)冬小麥生長對氣候變暖的響應(yīng)研究指出，1980年以來天水地區(qū)冬小麥返青期延遲，氣溫升高使冬小麥全生育期變短[18]。但以往研究大多是在某個省或一部分站點所做的小范圍討論，未能在大空間范圍內(nèi)對冬小麥物候期變化進行空間分布差異討論。本研究利用地理信息技術(shù)，將我國冬小麥主要種植區(qū)作為完整的空間區(qū)塊考慮，研究冬小麥物候期的空間分布情況，以期得出冬小麥物候期在整個研究區(qū)內(nèi)的分布差異狀況和變化趨勢。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究選擇的研究區(qū)域是我國冬小麥主要種植區(qū)，處于30 °～35 °N、103 °～120 °E，包括江蘇、安徽、河南、湖北、陜西、寧夏、甘肅等7個省（區(qū)），地跨長江、黃河流域，地勢西高東低；大部分地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，是北亞熱帶和南暖溫帶的過渡區(qū)，南北冷暖氣團交綏頻繁[13]，冬季干燥寒冷，夏季高溫多雨，春季易發(fā)干旱；年平均溫度8～13 ℃。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的冬小麥物候期數(shù)據(jù)來自研究區(qū)域內(nèi)中國氣象局各農(nóng)業(yè)氣象試驗站2003—2012年的實測記錄。本研究選取了冬小麥3個處于生殖生長階段的物候期作為研究對象，分別為返青期（G1）、拔節(jié)期（G2）、成熟期（G3）。這3個物候期出現(xiàn)在越冬后的春季，其發(fā)生時間會影響冬小麥組織生長和籽粒形成等生物過程，對冬小麥產(chǎn)量具有重要影響。為保證本研究的客觀性，選取生育狀態(tài)為普遍期的首日作為生育期的起始日期。為衡量物候期出現(xiàn)的先后狀況，將冬小麥物候日期轉(zhuǎn)換為距離同年1月1日的日期序數(shù)（以下簡稱日序）（Gi）[19]。

當(dāng)前對于冬小麥物候與氣溫之間關(guān)系的研究，主要采用平均氣溫或積溫等指標來表征氣溫水平。本研究采用的是農(nóng)業(yè)界限溫度，農(nóng)業(yè)界限溫度初日、終日是其穩(wěn)定通過某一溫度的日期，應(yīng)用該日期與物候期起始日期相比較可使結(jié)果更加直觀。

本研究使用的電子行政區(qū)劃圖來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。使用的氣象數(shù)據(jù)下載于中國氣象局網(wǎng)站，包括2003—2012年研究區(qū)域內(nèi)各基本氣象站當(dāng)年逐日平均氣溫數(shù)據(jù)。利用日平均氣溫數(shù)據(jù)可以計算出農(nóng)業(yè)界限溫度穩(wěn)定通過5 ℃的初日日期 （D5）和農(nóng)業(yè)界限溫度穩(wěn)定通過10 ℃的初日日期 （D10）。

1.3 數(shù)據(jù)處理與方法

本研究使用的數(shù)據(jù)處理軟件包括ArcGIS 10.1、Matlab 8.0、Excel 2003軟件。數(shù)據(jù)處理分為3部分：冬小麥物候期數(shù)據(jù)處理；農(nóng)業(yè)界限溫度數(shù)據(jù)處理；相關(guān)性分析。

1.3.1 冬小麥物候期數(shù)據(jù)處理 首先利用Excel 2003軟件，將物候期起始日期換算成日序（Gi），并為各站點添加經(jīng)度、緯度坐標。然后利用ArcGIS 10.1軟件對物候期日序（Gi）進行UTM（universal transverse mercator）投影，并用邊界圖對Gi進行剪切提取和插值分析[20]，得到柵格圖。最后使用ArcGIS 10.1軟件中的柵格計算器將2003—2012年的Gi圖像進行疊加計算，得到多年平均Gi空間分布圖。

為了分析冬小麥物候期起始日期10年間的空間變化特征，對每年的Gi值與年份進行一元線性回歸分析，即可模擬出Gi值的變化趨勢，獲得其在10年間的變化斜率（θ），計算公式為[21]：

式中：n為觀測時間段的年數(shù)；i為觀測年份。如果θ大于0，Gi值為增加趨勢，即物候期延遲；反之Gi值呈減小趨勢，即物候期提前。若θ通過0.05的顯著水平，則認為Gi值的變化趨勢顯著，若θ通過0.01的顯著水平，則認為Gi值的變化極顯著。

在ArcGIS 10.1中利用（1）式可得到相關(guān)系數(shù)θ的空間分布圖。在所有柵格圖中，將每個柵格內(nèi)的值利用相關(guān)性表格中的值進行分類，從而區(qū)分變化趨勢的顯著性。

1.3.2 農(nóng)業(yè)界限溫度數(shù)據(jù)處理 農(nóng)業(yè)界限溫度初日的處理方法選取了目前國內(nèi)廣泛使用的5日滑動平均法。利用Matlab 8.0軟件得到各年的農(nóng)業(yè)界限溫度穩(wěn)定通過5 ℃的日期 （D5）和農(nóng)業(yè)界限溫度穩(wěn)定通過10 ℃的日期 （D10）的數(shù)據(jù)。上述農(nóng)業(yè)界限溫度數(shù)據(jù)也要在ArcGIS 10.1軟件進行投影變換和差值分析等處理，從而得到研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)界限溫度的空間分布圖和變化趨勢圖。數(shù)據(jù)處理方式與冬小麥物候期數(shù)據(jù)處理方式相同。

1.3.3 相關(guān)性分析 利用ArcGIS 10.1軟件中的“Band Collection Statistics”模塊，將冬小麥物候期10年平均起始日期空間分布圖與10年平均農(nóng)業(yè)界限溫度初日空間分布圖進行空間相關(guān)分析，算出各物候期多年平均物候期起始日期與農(nóng)業(yè)界限溫度初日的相關(guān)系數(shù)，并標記出相關(guān)性通過0.05、0.01顯著性水平檢驗的數(shù)據(jù)，從而判斷冬小麥物候起始日期與農(nóng)業(yè)界限溫度初日的相關(guān)水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)界限溫度及其變化趨勢的空間分布規(guī)律

利用ArcGIS 10.1軟件得到研究區(qū)域內(nèi)2003—2012年農(nóng)業(yè)界限溫度5、10 ℃初日的空間分布圖（圖1）和2003—2012年農(nóng)業(yè)界限溫度5、10 ℃初日的變化趨勢圖（圖2）。從圖1、圖2可見，2003—2012年農(nóng)業(yè)界限溫度初日自東南向西北方向逐漸推遲，即西北地區(qū)農(nóng)業(yè)界限溫度初日較晚。這種分布差異是因為西北地區(qū)緯度較高，春季溫度回暖比東部地區(qū)慢，造成該地區(qū)農(nóng)業(yè)界限溫度初日出現(xiàn)較晚。就變化趨勢而言，5 ℃ 初日在甘肅、寧夏、陜西地區(qū)顯著提前；在江蘇、安徽、河南、湖北地區(qū)延后。10 ℃初日在甘肅、寧夏地區(qū)提前；在江蘇、安徽、河南、湖北、陜西地區(qū)延后，其中在河南部分地區(qū)顯著延后。

總體來說，2003—2012年農(nóng)業(yè)界限溫度初日在西北地區(qū)呈提前趨勢。有研究指出，我國氣候變暖最明顯的地區(qū)是西北、華北、東北地區(qū)，其中西北地區(qū)（陜西省、甘肅省、寧夏）變暖的強度高于全國平均值，甘肅省黃土高原地區(qū)是受氣候變暖影響比較明顯的地區(qū)[22]。近10年西北地區(qū)升溫趨勢明顯，導(dǎo)致該地區(qū)農(nóng)業(yè)界限溫度初日提前，這與本研究結(jié)果一致。東部地區(qū)農(nóng)業(yè)界限溫度初日呈延后趨勢，但大部分地區(qū)沒有達到顯著水平，有研究指出近年來湖北地區(qū)和淮河流域春季氣溫升高幅度較大，農(nóng)業(yè)界限溫度初日提前[23-24]。造成該結(jié)論與本研究結(jié)論不同的原因可能是本研究采用的時間序列為2003—2012年，而上述對湖北地區(qū)與淮河流域的研究采用的時間序列為20世紀60年代至21世紀初，時間序列不同可能對農(nóng)業(yè)界限溫度變化趨勢產(chǎn)生影響。

2.2 冬小麥物候期的空間分布

由圖3可見，2003—2012年研究區(qū)域冬小麥返青期、拔節(jié)期、成熟期起始日期的空間分布特征基本一致，由東南地區(qū)向西北地區(qū)逐漸推遲。甘肅、寧夏及陜西西部地區(qū)為日序高值區(qū)；江蘇、安徽、湖北和陜西南部地區(qū)為日序低值區(qū)。黃敬峰等認為，緯度愈高，海拔愈高，春季返青等物候期愈晚[25]。本研究中西北地區(qū)緯度、海拔均高于東部地區(qū)，冬小麥物候期起始時間也顯示出“東南早，西北晚”的特征。

對返青期而言，在甘肅，寧夏、陜北地區(qū)，其起始日期大多遲于第60天；在陜西南部、湖北直至江蘇等東部地區(qū)，返青期起始日期介于第20～60天；在東部地區(qū)，受緯度影響，季風(fēng)活動頻繁且距離海洋較近，春季溫度回升較早，農(nóng)業(yè)界限溫度通過日期也較早，造成該地區(qū)冬小麥返青期較早發(fā)生，從而使返青期起始日期與西北地區(qū)存在差異。

對拔節(jié)期而言，在江蘇、安徽、湖北3省的南部地區(qū)，其起始日期一般在第80天前，在其他地區(qū)都要明顯晚于這個時間，介于第80～140天。造成這種現(xiàn)象的原因可能是江蘇、安徽、湖北3省南部地區(qū)處于長江流域，該區(qū)域熱量條件優(yōu)于北方地區(qū)，年內(nèi)正積溫較高且持續(xù)時間長，導(dǎo)致物候期開始較早。

成熟期起始日期在安徽省西部、河南省南部、陜西省南部和湖北地區(qū)都介于第90～150天，其他地區(qū)的成熟期發(fā)生均晚于第150天。這種分布差異可能是因為深處內(nèi)陸的地區(qū)受季風(fēng)影響較弱，當(dāng)?shù)貧鉁嘏c受季風(fēng)影響強烈的東部、西北地區(qū)存在差異，從而導(dǎo)致物候期起始日期的分布不同。

綜上所述，由于氣候隨緯度、經(jīng)度和海拔變化而存在的規(guī)律性變化，導(dǎo)致物候現(xiàn)象隨緯度、經(jīng)度和海拔的變化具有相同的推移性、規(guī)律性特點[4]。

2.3 冬小麥物候期的時間變化趨勢

將2003—2012年冬小麥物候期起始日期數(shù)據(jù)代入公式（1），得到冬小麥各生育期起始日期隨時間變化趨勢的空間分布（圖4）。從圖4可見，冬小麥不同物候期隨時間變化趨勢的空間分布差異較大，返青期在整個研究區(qū)域內(nèi)的90%以上地區(qū)呈延后趨勢。拔節(jié)期只有在甘肅西南部分地區(qū)呈提前趨勢，其他大部分地區(qū)都是延后的。成熟期在甘肅地區(qū)和安徽省中部地區(qū)、湖北省東部地區(qū)的小部分地區(qū)呈提前趨勢，其他地區(qū)都是延后的。

本研究所得的冬小麥物候期起始日期變化趨勢與前人研究結(jié)果基本一致。林文等研究表明，陜西地區(qū)冬小麥返青期呈延后趨勢[26]。有研究表明，春季平均溫度升高時，土壤水分含量顯著變化，這不利于冬小麥的正常返青[18]。李德等對安徽省宿州地區(qū)冬小麥物候期的研究得出，近年來受早播保苗觀念影響，當(dāng)?shù)爻Ｔ趥鹘y(tǒng)播期日限的前期甚至提早到上限之前播種，導(dǎo)致拔節(jié)期等物候期提早發(fā)生[27]。寧夏地區(qū)冬小麥拔節(jié)期呈延后趨勢，甘肅地區(qū)冬小麥成熟期呈提前趨勢，這與高強等[18]、王鶴齡等[28-29]的研究結(jié)果一致。

2.4 冬小麥物候期對農(nóng)業(yè)界限溫度因子的相關(guān)分析

如表1所示，研究區(qū)域內(nèi)冬小麥返青期、拔節(jié)期、成熟期起始日期的空間分布與農(nóng)業(yè)界限溫度初日的空間分布均達到0.01顯著性水平，表明2003—2012年間研究區(qū)域內(nèi)冬小麥物候期起始日期與農(nóng)業(yè)界限溫度初日在空間分布上存在很好的相關(guān)性，冬小麥物候期的發(fā)生受到溫度條件限制。

拔節(jié)期、成熟期等物候期須要在光合作用基礎(chǔ)上進行。進入春季后日照增多，光合作用時間延長，有利于有機物質(zhì)形成，使小麥生長加快，物候期提前發(fā)生[13]。物候期的發(fā)生實質(zhì)上是植物生理活動，植物生理活動在微觀上就是一系列生化反應(yīng)。溫度可以使酶的活性發(fā)生變化，溫度升高可促進酶的活性，有利于加快植物物候期發(fā)生。在一定范圍內(nèi)，溫度升高有利于光合作用進行，從而促進冬小麥抽穗、灌漿、乳熟的提前進行。溫度升高，農(nóng)業(yè)界限溫度通過日期也就提前。因此，冬小麥物候期與氣溫狀況息息相關(guān)，各種物候期的開始日期與其前期氣溫之間有顯著相關(guān)性[3]。

在一定范圍內(nèi)，溫度升高對冬小麥生長具有促進作用，若溫度過高，冬小麥物候期的發(fā)生可能會受到抑制。西北地區(qū)冬季氣溫有升高趨勢[5]，而冬季溫度升高會對冬小麥的春化及后期生長造成干擾，就會導(dǎo)致拔節(jié)期在一定程度延遲發(fā)生。研究表明，春季平均溫度升高時，土壤水分顯著變化，這不利于冬小麥正常返青[18]。

對比冬小麥物候期空間分布圖與農(nóng)業(yè)界限溫度初日空間分布圖，可以發(fā)現(xiàn)物候期起始日期梯度等值線與農(nóng)業(yè)界限溫度初日梯度等值線出現(xiàn)的位置與走向呈相同特征。這就說明，冬小麥物候期與農(nóng)業(yè)界限溫度具有較好的相關(guān)性。農(nóng)業(yè)界限溫度分布受經(jīng)度、緯度、海拔、地形等自然因素影響。在研究區(qū)域內(nèi)，從西北向東南存在自然條件梯度，這種差異就導(dǎo)致溫度在西北至東南走向存在梯度，并反映在農(nóng)業(yè)界限溫度的空間分布上，而溫度分布的梯度也影響了冬小麥各物候期起始日期的空間分布。

3 結(jié)論與討論

利用ArcGIS 10.1、Matlab 8.0、Excel 2003等軟件，分析了2003—2012年我國冬小麥主要種植區(qū)各物候期起始日期的時空變化特征及其對農(nóng)業(yè)界限溫度因素的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明：（1）在冬小麥主要種植區(qū)，農(nóng)業(yè)界限溫度初日自東南地區(qū)向西北地區(qū)逐漸推遲。西北地區(qū)農(nóng)業(yè)界限溫度初日呈提前趨勢，東部地區(qū)農(nóng)業(yè)界限溫度初日呈延后趨勢。（2）在冬小麥主要種植區(qū)，冬小麥返青期、拔節(jié)期、成熟期起始日期日序自東南地區(qū)向西北地區(qū)逐漸推遲，高緯度、低溫地區(qū)日序大于低緯度、高溫地區(qū)。返青期發(fā)生時間呈延后趨勢；拔節(jié)期發(fā)生時間除在甘肅省南部地區(qū)呈提前趨勢外，其他地區(qū)均呈延后趨勢；成熟期發(fā)生時間只在甘肅地區(qū)呈提前趨勢，其他地區(qū)均呈延后趨勢。（3）冬小麥物候期起始日期與農(nóng)業(yè)界限溫度初日呈極顯著正相關(guān)。春季溫度升高，農(nóng)業(yè)界限溫度的通過日期提前，可以促進冬小麥生物過程，有利于冬小麥拔節(jié)期、成熟期等生育期發(fā)生，從而導(dǎo)致冬小麥物候期提前。但溫度過高會抑制冬小麥生長，特別是冬季溫度升高帶來了正積溫不利于冬小麥在春季進行返青生長，物候期可能延后發(fā)生。

冬小麥物候期除受氣候因素影響外，還受土壤類型、作物品種、農(nóng)業(yè)管理措施諸多因素的影響，這就可能導(dǎo)致相關(guān)研究在時空變化上存在一定差異。將上述因素進行綜合分析值得進一步研究。此外，由于受到數(shù)據(jù)完整性的限制，本研究使用了近10年的物候期數(shù)據(jù)，若今后能夠統(tǒng)一農(nóng)作物物候期的觀測規(guī)范以得到更多年份的完整數(shù)據(jù)，可使相關(guān)研究更為深入。

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