譚凱炎，鄔定榮，趙花榮

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氣候變暖背景下華北平原冬小麥生育期溫度條件變化趨勢分析*

譚凱炎，鄔定榮，趙花榮

（中國氣象科學研究院，北京 100081）

利用華北平原42個農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981-2010年逐日平均氣溫和冬小麥發(fā)育期觀測資料，結(jié)合增溫試驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析冬小麥生長季各月平均氣溫的變化特征、冬小麥關(guān)鍵發(fā)育日期和各主要生育階段平均氣溫的變化趨勢，以探究氣候變暖對華北平原冬小麥生育過程溫度條件的影響。結(jié)果表明：研究期內(nèi)華北平原冬小麥生長季的10月、12月和2-6月增溫趨勢顯著，2月平均氣溫上升線性傾向率最大。氣候變暖使冬小麥越冬階段和返青-拔節(jié)階段的平均溫度顯著升高，從而導(dǎo)致冬小麥拔節(jié)-成熟日期顯著提前，但冬小麥冬前生長階段和拔節(jié)-成熟階段的平均溫度則未呈現(xiàn)上升趨勢。冬小麥冬前生長階段的溫度環(huán)境因播種期適應(yīng)性推遲而保持基本穩(wěn)定，拔節(jié)-成熟階段平均溫度變化不明顯則歸因于發(fā)育期前移和當?shù)貧鉁氐募竟?jié)性變化特點。氣候進一步變暖將使冬小麥冬后發(fā)育期提前更多，而拔節(jié)-成熟階段的平均溫度則不會明顯升高。

氣候變暖；增溫；冬小麥；發(fā)育期；氣象條件；華北平原

全球氣候變暖以地表氣溫升高為主要特征，中國年平均氣溫在過去100a里升高了0.65 ± 0.15℃，預(yù)計到本世紀末中國地表氣溫將相對1961-1990年再升高3.5～3.7?C[1]。地表氣溫不斷升高已對農(nóng)作物生產(chǎn)帶來明顯影響[2-4]。隨著氣候變暖，農(nóng)作物種植界限、生育期、病蟲災(zāi)害[5-8]等發(fā)生了改變，農(nóng)作物生長季溫度升高減少了部分作物低溫災(zāi)害，但也加重了某些作物的高溫危害[9-10]。在圍繞生長季溫度升高的影響研究中，以往偏重于探討生長季熱量資源和作物氣候生產(chǎn)潛力的時空變化特征[11-13]，或不同幅度和時段的增溫對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響[14-16]。而對于某一作物在當?shù)貧夂蜃兣尘跋拢潢P(guān)鍵生育過程溫度條件的變化特征及其在未來增溫情景下的變化趨勢鮮有報道，而這正是研究氣候變暖對具體作物生長發(fā)育和產(chǎn)量影響機制的基礎(chǔ)。

冬小麥是中國第二大口糧作物，華北平原是中國灌溉高產(chǎn)冬小麥主產(chǎn)區(qū)。華北平原冬小麥在生長過程中需要經(jīng)歷一個停止生長階段（越冬休眠期），而冬小麥休眠開始和結(jié)束的日期主要受外界溫度的影響和控制，同時溫度還主導(dǎo)著冬小麥的發(fā)育速率[17]。相關(guān)研究表明，過去幾十年氣候變暖已使華北平原冬小麥返青-成熟各階段提前，從而導(dǎo)致整個生育期縮短，并對產(chǎn)量產(chǎn)生影響[ 3,18-19 ]。由于冬小麥在不同生長階段對氣候因子的響應(yīng)和敏感性存在差異[20]以及發(fā)育期的變化，有關(guān)整個冬小麥生長季氣候變暖特征的研究并不能用來解釋其對生長和產(chǎn)量的影響機制。胡洵瑀等[21]曾按生育階段來分析增溫的線性傾向率，但其采用多年平均發(fā)育期而忽略了冬小麥發(fā)育期隨氣候變暖的變化。目前，關(guān)于氣候變暖對冬小麥影響的研究較多，但結(jié)合物候變化來研究氣候變暖背景下冬小麥各主要生育階段溫度條件的變化特征還鮮見報道。本文利用華北平原1981-2010年冬小麥逐年發(fā)育期資料和氣象觀測資料以及試驗觀測數(shù)據(jù)，按發(fā)育階段分析氣候變暖對各階段溫度條件的影響，以期進一步深入了解氣候變暖對冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響機制。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

華北平原（31-42°N，110-123°E）北抵燕山南側(cè)，南至淮河，西起太行山、伏牛山，東靠渤海、黃海，屬暖溫帶大陸性季風氣候，受季風影響，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。年日照時數(shù)2800h，無霜期170～220d，年均降水量500～900mm，栽培制度以冬小麥-夏玉米輪作為主，是中國灌溉高產(chǎn)冬小麥生產(chǎn)區(qū)。本研究以天津市、河北省、山東省和河南省代表華北平原。

1.2 歷史資料及其來源

冬小麥發(fā)育期資料和氣象資料來源于國家氣象信息中心氣象資料室。選取津、冀、魯、豫4省（市）具有1981-2010年完整觀測序列的42個農(nóng)業(yè)氣象觀測站，這些站點同時也是基本氣象觀測站，站點分布見圖1，資料包括各站逐日平均氣溫和逐年冬小麥播種、越冬、返青、拔節(jié)、抽穗、開花和成熟日期。分析各月氣候變暖特征時應(yīng)用其中分布均勻的20個站點資料。

1.3 試驗資料來源

試驗資料來自于國家自然科學基金面上項目“增溫與CO2濃度升高對冬小麥協(xié)同影響效應(yīng)及其作用機制”的增溫試驗，試驗于2013-2015年兩個冬小麥生長季在中國氣象科學研究院固城生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗站的一組（6個）開頂式氣室中進行，試驗站位于河北省定興縣（39°08′N，115°40′E，圖1）。試驗設(shè)2個處理，即對照（CK）和增溫處理（TI），每個處理3個重復(fù)；增溫處理設(shè)計為白天溫度升高1～2℃，夜間溫度升高3.5～4.5℃。2013-2014生長季兩個處理于10月10日同時播種；2014-2015年生 長季，作為氣候變暖的一種適應(yīng)措施，對照氣室于10月10日播種，增溫氣室10月22日播種。增溫自小麥播種后開始，一直持續(xù)至小麥成熟。對照氣室的北面和東北面玻璃被拆除，以消除其白天自身的增溫效應(yīng)；增溫處理氣室白天依靠自身的增溫效應(yīng)并結(jié)合通風系統(tǒng)的降溫作用使其與對照氣室在白天的溫差達到試驗設(shè)計要求；夜間（21：00?-次日7：00）采用安裝在氣室頂部四周框架上的紅外輻射器（4×850W）進行輻射增溫，輻射器不會遮擋太陽光。在每個氣室中央地面以上50cm高度安裝帶自然通風輻射罩的溫度傳感器，采集器每10min采集一次溫度數(shù)據(jù)，一天內(nèi)各次讀數(shù)（20：00-20：00）的平均值為日平均氣溫。兩年中增溫處理氣室冬小麥全生育期日平均氣溫分別比對照平均升高2.8℃和2.6℃。試驗中同步觀測記錄冬小麥的發(fā)育日期。

1.4 數(shù)據(jù)分析

歷史數(shù)據(jù)采用FORTRAN進行編程數(shù)據(jù)分析，采用ArcGIS作圖，試驗數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)分析和作圖，用SPSS統(tǒng)計軟件進行顯著性分析。

以發(fā)育日期年際日序變化的線性傾向率表征冬小麥各發(fā)育期的變化趨勢，線性傾向率為負，表示發(fā)育日期提前，為正則表示發(fā)育日期推遲。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于歷史資料的冬小麥生長季各月平均氣溫的線性變化趨勢

由表1可見，從全區(qū)平均情況看，1981-2010年研究區(qū)域各站點冬小麥生長季（10月-翌年6月）10月、12月和翌年2-6月氣溫均呈顯著升高趨勢，氣候傾向率在0.44～1.05℃×10a-1（P＜0.05），2月增溫速率最大，3月次之，而11月和1月增溫趨勢未通過顯著性檢驗。從各月平均氣溫的線性變化傾向率可見，20個站點中70%站點其10月平均氣溫表現(xiàn)出顯著升高趨勢（P＜0.05），線性傾向率在0.50～0.78℃×10a-1；11月僅有20%站點增溫趨勢顯著；12月各站平均氣溫線性傾向率在0.22～0.80℃×10a-1，其中65%的站點通過顯著性檢驗；1月各站平均氣溫線性傾向率在0.17～1.16℃×10a-1，其中30%站點增溫顯著；2月和3月變暖趨勢最突出，顯著增溫的站點比例分別為100%和90%，其中65%的站點增溫趨勢達到極顯著水平（P＜0.01），各站線性傾向率分別在0.82～1.32℃×10a-1和0.66～1.34℃×10a-1；4-6月變暖特征明顯，增溫顯著的站點達到55%～65%，其增溫線性傾向率在0.37～0.77℃×10a-1。

表1 1981-2010年華北平原冬小麥生長季月平均氣溫的線性變化傾向率（℃×10a-1）

注：*、**分別表示通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗。下同。

Note:*is P＜0.05，**is P＜0.01. The same as below.

2.2 基于歷史資料的冬小麥各發(fā)育階段平均溫度的變化特點

2.2.1 冬小麥冬后發(fā)育期變化特點

華北平原42個站點1981-2010年冬小麥冬后主要發(fā)育期變化的線性傾向率如表2，由表可見，返青 期變化趨勢不明顯，個別顯著提前，個別顯著推遲；但拔節(jié)期年際變化線性傾向率為負值的站點比例達83%，其中51%站點的提前趨勢達到顯著或極顯著水平，平均每10a提前2.1～7.4d，說明拔節(jié)期呈顯著提前趨勢；開花期年際變化線性傾向率為負值的站點占88%，其中59%的站點通過顯著性檢驗，其線性傾向率在-5.7～-1.9d×10a-1；成熟期年際變化線性傾向率為負值的站點占71%，其中53%通過顯著性檢驗，其線性傾向率在-3.9～-1.6d×10a-1。觀測數(shù)據(jù)表明，隨著氣候變暖，華北平原冬小麥冬后主要發(fā)育期呈明顯提前趨勢，拔節(jié)期提前的線性傾向率普遍較大，成熟期提前的線性傾向率較小，而返青期變化不明顯，表明拔節(jié)-成熟的持續(xù)時間延長，返青-拔節(jié)期縮短。

2.2.2 主要發(fā)育階段平均溫度的變化趨勢

根據(jù)1981-2010年觀測的冬小麥發(fā)育期日期及氣溫資料，計算每年冬小麥各主要發(fā)育階段的平均氣溫，進而分發(fā)育階段統(tǒng)計其年際線性變化特征（表3）。 由表3可以看出，各站冬小麥出苗-越冬階段的平均溫度變化不明顯，越冬-返青階段50%的站點表現(xiàn)為顯著增溫，增溫線性傾向率在0.45～1.18℃×10a-1；在返青-拔節(jié)階段，64%的站點增溫顯著，增溫速率達0.49～1.57℃×10a-1；而自冬小麥拔節(jié)后，各生育階段的平均溫度除個別站在個別階段表現(xiàn)出增加或下降的趨勢外，其余均無明顯的變化趨勢，年際變化線性傾向率在-0.88～0.66℃×10a-1。就全區(qū)平均而言，僅冬小麥越冬階段（越冬-返青）和返青-拔節(jié)階段表現(xiàn)出顯著的增溫趨勢，其它階段均無顯著增溫趨勢。

表2 1981-2010年冬小麥發(fā)育期的線性變化傾向率（d ×10a-1）

Note: RE is reviving, JO is jointing, HE is heading, FL is flowering, RI is ripeness. The same as below.

表3 1981-2010年冬小麥主要發(fā)育階段平均溫度的年際變化特征（℃×10a-1）

Note：EM is emergence, OV is overwintering.The same as below.

2.3 增溫試驗中冬小麥發(fā)育期及發(fā)育階段平均溫度的變化特點

2.3.1 冬小麥發(fā)育期的變化

如表4所示，全生育期日平均氣溫升高2.6～2.8℃后，冬小麥各冬后發(fā)育期均大幅提前，其中 返青期提前14～18d，拔節(jié)期提前16～18d，抽穗、開花和成熟期均相應(yīng)提前15～20d，但返青-成熟期的持續(xù)天數(shù)則無顯著變化。說明增溫后冬小麥冬后生育過程整體前移，生長發(fā)育持續(xù)時間并未縮短。

2.3.2 冬小麥主要發(fā)育階段平均溫度的變化

在全生育期日平均氣溫升高2.6～2.8℃的模擬增溫情景下，兩個試驗季冬小麥各主要生育階段的平均溫度變化如圖2所示。由圖可見，播期相同即2013/2014生長季時，增溫處理在冬前生長階段的平均氣溫明顯升高，而推遲播期后（2014/2015生長季），增溫處理與對照的冬前平均氣溫差異則不顯著；兩個試驗季內(nèi)越冬階段（越冬-返青）增溫處理的平均氣溫均顯著提高（P＜0.05）；而返青-成熟期各階段增溫處理的平均溫度反而比對照有所降低，其中返青-拔節(jié)階段增溫處理的平均溫度顯著低于對照，2015年推遲播期后拔節(jié)-抽穗和抽穗-成熟階段增溫處理平均氣溫顯著低于對照，2014年兩個處理同時播種時相應(yīng)生長階段的平均氣溫則無明顯差異。

表4 增溫試驗冬小麥冬后發(fā)育日期（月-日）和生長持續(xù)時間（d）

注：短線表示均方差。小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性

Note: The bar is standard deviation. Lowercase indicates the difference significance between two treatments at 0.05 level

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

歷史資料統(tǒng)計分析表明，華北平原地區(qū)冬小麥生長季氣候變暖明顯，但增溫呈現(xiàn)不均勻特征，10月、12月和2-6月增溫趨勢顯著，以2月增溫幅度最大,這一結(jié)果與前人的相關(guān)研究結(jié)果基本一致[22-23]。氣候變暖導(dǎo)致華北平原冬小麥冬后發(fā)育期提前，主要表現(xiàn)為拔節(jié)-成熟日期提前，返青期提前的趨勢不明顯，該結(jié)果與同類研究結(jié)果也基本相同[8,23]。但也有研究顯示返青期同樣呈提前趨勢[7]，這可能與所選站點有關(guān)。

冬小麥生長季氣候變暖顯著提高了冬小麥生育過程中越冬-拔節(jié)階段的平均溫度。越冬階段（越冬-返青期）平均溫度升高的最明顯影響是導(dǎo)致冬小麥冬后發(fā)育期提前，同時可以減少越冬凍害、增加分蘗[24]，但也可能提高病蟲越冬基數(shù)，從而導(dǎo)致后期病蟲災(zāi)害發(fā)生風險增加[6]；返青-拔節(jié)期溫度升高則可能加速穗分化，縮短穗分化時間，從而降低穗粒數(shù)[25]，對于華北平原南部冬小麥而言，穗分化自冬前就已開始，一定幅度的增溫導(dǎo)致返青-拔節(jié)階段縮短對穗分化產(chǎn)生的影響可能有限[25]。

氣候變暖并未提高冬前生長階段和拔節(jié)-成熟階段的平均溫度。冬前溫度變化較小主要是由于生產(chǎn)實踐中為適應(yīng)氣候變暖，通常會推遲播種[7]，本研究的模擬試驗也證明了推遲播種可以部分抵消增溫對冬前溫度的影響。拔節(jié)-成熟階段溫度未升高則是由于冬小麥拔節(jié)及后續(xù)生育階段隨著氣候變暖逐漸提前發(fā)生的緣故。華北地區(qū)春季常年日平均氣溫具有隨日期推進呈線性升高的特征，雖然全季節(jié)日平均氣溫在逐漸升高，但因發(fā)育期向溫度較低的較早日期移動，對同一發(fā)育階段而言，冬小麥生育的溫度環(huán)境變化并不明顯。拔節(jié)-成熟階段持續(xù)日數(shù)未縮短以及增溫并未明顯影響冬小麥產(chǎn)量[26]應(yīng)與關(guān)鍵發(fā)育階段平均溫度無明顯升高相關(guān)。拔節(jié)-成熟階段是冬小麥產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期，冬小麥屬喜涼作物，過高溫度不利于穗花發(fā)育、籽粒形成和灌漿，尤其是花后高溫顯著降低冬小麥產(chǎn)量[27]。本研究的歷史資料統(tǒng)計和模擬試驗結(jié)果均表明，就平均態(tài)而言，氣候變暖不會加重華北平原冬小麥生育后期的高溫危害。

模擬增溫試驗結(jié)果表明，在未來的增溫情景下，冬小麥冬后生育期將進一步提前，冬后主要發(fā)育階段的平均溫度仍然不會升高。與較小幅度增溫試驗結(jié)果[28]相比，增溫幅度越大，冬小麥冬后發(fā)育期提前越多，冬后發(fā)育階段的平均溫度越趨向于降低。雖然模擬的平均增溫情景沒有準確體現(xiàn)現(xiàn)實氣候變暖特征，其影響結(jié)果不能全面反映實際氣候變暖的效應(yīng)，但一定程度上反映了變化趨勢。

隨著氣候變暖，各地種植的冬小麥品種在逐漸由冬性向春性方向轉(zhuǎn)變[29]，品種屬性變化并沒有改變?nèi)A北平原冬后主要發(fā)育期隨冬春季增溫逐漸提前的特征，因此，在一定增溫幅度下，未來冬小麥品種屬性進一步更替仍然不會改變其冬后主要發(fā)育階段溫度條件的變化趨勢。華北平原冬小麥生育過程溫度條件的變化特征與越冬后發(fā)育期隨氣候變暖逐漸提前密切相關(guān)，但冬小麥發(fā)育期還受到土壤水分條件的影響[30]，這可能是導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)各站點特征不完全一致的重要原因。

3.2 結(jié)論

華北平原冬小麥生長季氣候變暖明顯，10月、12月和2-6月增溫趨勢顯著，2月平均氣溫增溫線性傾向率最大。生長季氣候變暖使冬小麥越冬階段和返青-拔節(jié)階段的平均溫度顯著升高，同時引起冬小麥拔節(jié)-成熟日期顯著提前。因發(fā)育期隨氣候變暖相應(yīng)前移，冬小麥拔節(jié)-成熟階段的平均溫度并未如相應(yīng)各月平均氣溫呈現(xiàn)一致上升趨勢。在更大的增溫幅度下，冬小麥冬后發(fā)育期將提前更多，冬后主要發(fā)育階段的平均溫度仍然不會升高。冬小麥冬前生長階段的溫度環(huán)境可以通過推遲播種而保持基本穩(wěn)定；越冬-拔節(jié)期溫度持續(xù)升高可能對冬小麥生產(chǎn)帶來不利影響。

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Trend Analysis of Temperature Conditions over Different Growth Periods of Winter Wheat under Climate Warming in North China Plain

TAN Kai-yan, WU Ding-rong, ZHAO Hua-rong

(Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China)

In order to understand the effects of warming on temperature conditions during various growing periods of winter wheat, the changes of monthly averaged temperature and the changing trends of the dates of critical developmental stages and averaged temperatures during the growing periods of winter wheat in North China Plain were analyzed based on the meteorological and phonological data collected from agrometeorological observation stations from 1981 to 2010 and warming experiments in the region. The results showed that there was a significant warming trend in October, December and between February and June during the growing season in the Plain. Furthermore, the average temperature in February exhibited the maximum linear tendency rate of temperature increasing among the months. Climate warming significantly increased the average temperatures over overwintering and the period from reviving to jointing stage of winter wheat. At the same time, the warming caused the jointing to maturity dates of winter wheat significantly advanced. However, the average temperatures over two periods did not show the same increase trend as the corresponding monthly averaged temperatures. The temperature condition over the period before winter was stable because of delayed sowing, an insignificant change in average temperature during the period from jointing to maturity was attributed to advance of developmental stages and local climatic characteristics of seasonal variation. In addition, climate warming would lead to more advance of post-winter developmental stages of winter wheat, which would keep the average temperature over the period less change.

Warming; Temperature increase; Winter wheat; Development stage; Meteorological condition; North China Plain

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.06.001

2016-10-27

國家自然科學基金（41375118）；國家級科研院所基本科研業(yè)務(wù)費（2016Y009）

譚凱炎（1963-），高級工程師，研究方向為農(nóng)業(yè)氣象和氣候變化對農(nóng)作物的影響。E-mail：tanky@camscma.cn

譚凱炎,鄔定榮,趙花榮.氣候變暖背景下華北平原冬小麥生育期溫度條件變化趨勢分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(6): 333-341