馬倩倩，賀 勇，張夢婷，張 聰，許吟隆

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中國北部冬麥區(qū)小麥生育期對生育階段積溫變化的響應(yīng)*

馬倩倩，賀 勇**，張夢婷，張 聰，許吟隆**

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

利用1993-2013年中國北部冬麥區(qū)19個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測站的冬小麥生育期及氣象資料，研究了冬小麥各生育階段積溫和生育期的時(shí)空變異特征。通過皮爾遜相關(guān)性分析等方法，探究冬小麥各生育階段積溫變化對生育期的影響。結(jié)果表明：（1）播種-出苗、返青-拔節(jié)階段≥0℃積溫和越冬期負(fù)積溫的值呈東高西低的空間分布，拔節(jié)-抽穗、抽穗-乳熟、乳熟-成熟和播種-成熟階段≥0℃積溫為東南低西北高，而出苗-越冬開始階段≥0℃積溫則呈東南高西北低的分布；拔節(jié)-抽穗和乳熟-成熟階段≥0℃積溫均在21%的站點(diǎn)上顯著減少，返青-拔節(jié)、抽穗-乳熟和播種-成熟階段≥0℃積溫及越冬期負(fù)積溫分別在26%、37%、21%和42%的站點(diǎn)上顯著增加，而播種-出苗和出苗-越冬開始階段≥0℃積溫的變化較小；（2）播種和出苗期呈東部晚西部早的空間分布，抽穗、乳熟和成熟期則相反；越冬開始期呈東南晚西北早的分布，返青期則相反；拔節(jié)早的站點(diǎn)主要位于麥區(qū)東部。播種、出苗、返青、拔節(jié)、乳熟和成熟期分別在21%、16%、37%、26%、42%和21%站點(diǎn)顯著推遲且多位于麥區(qū)東部，而越冬開始期和抽穗期僅在5%站點(diǎn)變化顯著；（3）相關(guān)分析表明，各生育階段≥0℃積溫（或越冬期負(fù)積溫）與多個(gè)生育期的相關(guān)性顯著，生育階段積溫的變化可能直接或間接影響了冬小麥的生長發(fā)育。越冬期負(fù)積溫與返青、拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期相關(guān)性最大，且與冬后多個(gè)生育期呈現(xiàn)一致的時(shí)空變異特征，其時(shí)空變異性可能是造成冬小麥冬后生育期在時(shí)空上存在差異的原因。

冬小麥；生育期；積溫需求；越冬期負(fù)積溫；北部冬麥區(qū)

氣候的任何波動(dòng)和變化都會影響作物的生長[1]，明顯地反映在作物生育期的變化上[2-4]。Oteros等[4]研究指出，在氣候變化的影響下，西班牙大部分谷物的生育期提前。Tao等[5]分析了中國水稻、小麥、玉米生育期的變化發(fā)現(xiàn)，溫度顯著升高使作物生育期改變。已有研究表明，氣候變暖在冬、春季尤為明顯[6-7]，而冬小麥主要生長在10月-翌年6月，受氣候變化的影響較大[4]。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，氣候變暖導(dǎo)致冬小麥冬前生育期推遲，冬后生育期提前[8-11]。Hu等[8]研究發(fā)現(xiàn)美國大平原6個(gè)站點(diǎn)冬小麥的抽穗或開花期均提前。Xiao等[12]研究表明，中國冬小麥播種期推遲，抽穗和成熟期提前。但也有研究指出，冬小麥播種和出苗期呈提前趨勢，返青期變化較復(fù)雜，抽穗和成熟期推遲[3, 13-14]?？梢姡跉夂蜃兓挠绊懴?，冬小麥生育期的變化規(guī)律非常復(fù)雜，且具有較強(qiáng)的區(qū)域特征。

冬小麥生育期的變化受品種、熱量和水分等因素的影響，而熱量因素尤為重要[2, 10, 15-16]。Xiao等[10, 16]研究表明，氣候變暖是冬小麥生育期變化的主要原因。積溫為熱量資源的指標(biāo)之一，顯著影響了冬小麥的生育期。已有研究表明，冬后各生育期與冬季積溫呈顯著負(fù)相關(guān)[17-18]，春季積溫增加可導(dǎo)致抽穗或開花期提前[8]。冬小麥完成一個(gè)生育階段需要一定的熱量累積，生育階段內(nèi)的積溫可以反映其熱量需求特性[2]。 Tao等[2, 14]研究指出，在氣候變化的影響下，冬小麥從播種到幾乎每個(gè)生育期內(nèi)的積溫多呈增加趨勢，不同生育階段內(nèi)也發(fā)生了改變，但目前關(guān)于積溫對冬小麥生育期的影響研究還未細(xì)化到生育階段。因此，有必要細(xì)致地分析各生育階段內(nèi)積溫對冬小麥生育期的影響。

北部冬麥區(qū)為中國冬小麥最北部種植區(qū)，冬小麥生長期內(nèi)光熱資源較為適宜，但氣候波動(dòng)對冬小麥的生產(chǎn)影響較大[19]。已有研究表明，氣候變化顯著影響了該地區(qū)冬小麥的生長發(fā)育[14, 20]。因此，明確該地區(qū)冬小麥生育期的演變規(guī)律及影響要素，能更好地適應(yīng)氣候變化，提高冬小麥的產(chǎn)量。

基于上述研究，本文利用中國北部冬麥區(qū)19個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站1993-2013年的冬小麥生育期數(shù)據(jù)，研究冬小麥各生育階段積溫和生育期的時(shí)空變異特征，并進(jìn)行相關(guān)性分析，旨在為該區(qū)冬小麥的品種選育和種植決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

依據(jù)趙廣才[19]對中國小麥區(qū)劃的研究結(jié)果，選取北部冬麥區(qū)中除遼寧省外的區(qū)域?yàn)檠芯繉ο螅瑱M跨河北、天津、北京、山西、陜西和甘肅6省市，為一條狹長地帶（圖1）。研究區(qū)內(nèi)冬小麥占糧食作物種植面積的30%～40%，全年≥10℃的積溫為3500℃·d左右，最冷月平均氣溫為?10.7～?4.1℃，冬小麥生育期太陽輻射總量為276～293kJ·cm?2，播種-成熟期＞0℃積溫為2200℃·d左右，干旱、嚴(yán)寒是影響冬小麥生產(chǎn)的主要問題[19]。

圖1 研究區(qū)域及站點(diǎn)分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

綜合考慮數(shù)據(jù)的完整性與連續(xù)性，選取研究區(qū)域內(nèi)19個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)21a（1993-2013年）的冬小麥生育期資料，包括播種、出苗、越冬開始、返青、拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的《中國農(nóng)作物生長發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集》。氣象資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的《中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集》，僅使用平均氣溫（℃）資料。對于個(gè)別缺測的平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，利用五日滑動(dòng)平均法插補(bǔ)[21]。因選用的氣候資料數(shù)據(jù)集并不完全具有所選農(nóng)業(yè)氣象站的氣象資料，故采取就近匹配原則，即對于沒有氣象資料的農(nóng)業(yè)氣象站，選用最近的氣象站（位于相鄰縣或市，氣候條件接近）作為替代站與其對應(yīng)，見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 核密度估計(jì)

核密度估計(jì)是一種能從樣本估計(jì)總體的非參數(shù)密度估計(jì)方法。一方面，應(yīng)用核密度估計(jì)不需要引入對數(shù)據(jù)分布的先驗(yàn)假設(shè)，只從樣本本身出發(fā)獲取數(shù)據(jù)分布特征，可以用來估計(jì)任意形狀密度估計(jì)的方法，另一方面，相比于直方圖等其它密度估計(jì)方法，通過核密度估計(jì)得到的概率密度連續(xù)性更好，并且不會依賴于選取的區(qū)間長度[22-23]。生育期的核密度測算依據(jù)研究站點(diǎn)1993-2013年的生育日期數(shù)據(jù)集來計(jì)算其集聚特征，核密度估算值越大，則生育期出現(xiàn)在該日期的概率相對越大。核密度的基本表達(dá)式為

式中，f(x)為獨(dú)立分布的數(shù)據(jù)x1，x2，…，xn估計(jì)得到的概率密度函數(shù)；K為核函數(shù)；h為帶寬。

表1 農(nóng)業(yè)氣象站和對應(yīng)的氣象站

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)差（σ）可以反映組內(nèi)個(gè)體間的離散程度，變異系數(shù)（cv）可以衡量波動(dòng)程度，變異系數(shù)大，說明要素的穩(wěn)定性差，波動(dòng)性大。設(shè)數(shù)據(jù)系列為xi，則計(jì)算式為

1.3.3 變化趨勢分析

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)法對各要素變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，P＜0.05為顯著，P＜0.01為極顯著。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以1月1日為1，將各生育日期轉(zhuǎn)換為日序。根據(jù)實(shí)測生育期和逐日平均氣溫計(jì)算各站逐年各生育階段積溫，其中，播種-出苗、出苗-越冬開始、返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗、抽穗-乳熟、乳熟-成熟和播種-成熟階段計(jì)算≥0℃積溫（以下簡稱為積溫），而越冬期計(jì)算該階段的負(fù)積溫（下同）。各站點(diǎn)的生育階段積溫（或生育期）為該站多年平均值，分析各站點(diǎn)的生育階段積溫?cái)?shù)據(jù)集的變異系數(shù)（絕對值），以反映生育階段積溫的空間變異特征。由于生育期數(shù)據(jù)的缺失，使得分析1993-2013年冬小麥不同生育階段積溫與生育期相關(guān)性的樣本量在374～395，因其樣本量較大，進(jìn)行相關(guān)性大小的比較時(shí)，假定其樣本量相同。采用R語言進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)性檢驗(yàn)，使用ArcGIS和R語言進(jìn)行圖形制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 北部冬麥區(qū)小麥各生育階段積溫的時(shí)空變異特征

2.1.1 空間變異

比較變異系數(shù)可知，播種-成熟和抽穗-乳熟階段積溫的變異系數(shù)較小，而越冬期負(fù)積溫的變異系數(shù)最大（25.2%），表明播種-成熟和抽穗-乳熟階段積溫的空間差異較小，而越冬期負(fù)積溫的差異則較大，其它生育階段積溫居中（圖2）。在空間上，播種-出苗階段積溫的區(qū)域平均為122.9℃·d，高于平均值的站點(diǎn)多集中在麥區(qū)的東北部，低于平均值的站點(diǎn)多位于山西、陜西和甘肅境內(nèi)，整體呈東高西低的空間分布；出苗-越冬開始階段積溫的區(qū)域平均為360.4℃·d，高于平均值的站點(diǎn)多位于河北的昌黎、黃驊、霸州和定州、北京通縣、山西長治、陜西洛川和甘肅西峰鎮(zhèn)一帶，呈東南高西北低的分布；越冬期負(fù)積溫的區(qū)域平均值為?258.8℃·d，高于平均值的站點(diǎn)多位于麥區(qū)東部，呈東高西低的分布；返青-拔節(jié)階段積溫的區(qū)域平均值為376.1℃·d，低于平均值的站點(diǎn)多位于麥區(qū)南部邊界的甘肅西峰、陜西洛川和山西長治一帶，呈東高西低的分布；拔節(jié)-抽穗階段積溫的區(qū)域平均值為334.6℃·d，高于平均值的站點(diǎn)多位于麥區(qū)西北部，呈東南低西北高的分布；抽穗-乳熟階段積溫的區(qū)域平均值為490.4℃·d，空間分布與拔節(jié)-抽穗階段一致；乳熟-成熟階段積溫的區(qū)域平均值為329.6℃·d，空間分布與拔節(jié)-抽穗階段一致；播種-成熟階段積溫的區(qū)域平均值為2088.6℃·d，低于平均值的站點(diǎn)多位于甘肅的平?jīng)龊蜎艽?、山西長治、天津靜海、河北的河間和昌黎一帶，整體呈東南低西北高的分布。

圖2 1993-2013年研究區(qū)19個(gè)農(nóng)氣站冬小麥各生育階段的積溫

注：cv為19個(gè)站點(diǎn)生育階段積溫多年平均值數(shù)據(jù)集的變異系數(shù)；越冬期為負(fù)積溫。下同。

Note: cv is coefficient of variation of the data set that mean of accumulated temperature during growth stages at the 19 stations. Negative accumulated temperature was calculated during the overwintering period. The same as below.

2.1.2 變化趨勢

從冬小麥生育階段積溫傾向率的區(qū)域平均值來看，越冬期負(fù)積溫和返青-拔節(jié)階段積溫顯著增加，抽穗-乳熟階段積溫呈極顯著增加，其余階段積溫變化則不顯著（圖3）。從各站點(diǎn)來看，冬小麥播種-出苗階段，11%的站點(diǎn)積溫變化顯著，均位于麥區(qū)東部；出苗-越冬開始積溫呈顯著減少和增加的站點(diǎn)均占11%，顯著減少的站點(diǎn)位于麥區(qū)的中、東部，顯著增加的站點(diǎn)均位于麥區(qū)的西部；42%的站點(diǎn)越冬期負(fù)積溫顯著增加，即越冬期變冷，且均位于麥區(qū)東部；返青?拔節(jié)階段，26%的站點(diǎn)積溫變化顯著，均呈增加趨勢且位于麥區(qū)東南部；拔節(jié)-抽穗階段，16%的站點(diǎn)積溫顯著增加且均位于麥區(qū)西部，21%的站點(diǎn)顯著減少且多位于麥區(qū)東部；抽穗-乳熟階段，47%的站點(diǎn)積溫變化顯著，37%的站點(diǎn)為顯著增加，且多位于麥區(qū)東部；乳熟-成熟階段，21%的站點(diǎn)積溫顯著減少且均位于麥區(qū)東部，11%站點(diǎn)顯著增加且均位于麥區(qū)中部的山西??；播種-成熟階段，21%的站點(diǎn)積溫顯著增加，11%站點(diǎn)顯著減少，顯著增加的站點(diǎn)均位于麥區(qū)東部，呈顯著減少的站點(diǎn)均位于麥區(qū)東北部。

圖3 1993-2013年研究區(qū)19個(gè)站點(diǎn)冬小麥各生育階段積溫的傾向率

注：*、**分別表示相關(guān)系數(shù)通過0.05、0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。下同。

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

2.2 北部冬麥區(qū)小麥生育期的時(shí)空變異特征

2.2.1 基本特征

利用所有站點(diǎn)和年份生育期實(shí)際觀測資料繪制各生育期的核密度估計(jì)圖，并計(jì)算平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見圖4。由圖可見，研究區(qū)內(nèi)冬小麥各生育期出現(xiàn)日期均符合正態(tài)分布規(guī)律。其中，播種期大概率出現(xiàn)在10月初，平均日序?yàn)?75（以1月1日為1，播期在10月2日）；出苗期大概率出現(xiàn)在10月中旬，平均日序?yàn)?84（10月11日）；越冬開始大概率出現(xiàn)在12月初，平均日序?yàn)?36（12月2日）；返青期大概率出現(xiàn)在3月上旬，平均日序?yàn)?7（3月8日）；拔節(jié)期大概率出現(xiàn)在4月中旬，平均日序?yàn)?08（4月18日）；抽穗期大概率出現(xiàn)在5月上旬，平均日序?yàn)?29（5月9日）；乳熟期大概率出現(xiàn)在6月初，平均日序?yàn)?54（6月3日）；成熟期大概率出現(xiàn)在6月中旬，平均日序?yàn)?68（6月17日）。由于冬小麥生育期數(shù)據(jù)系列包括19個(gè)站點(diǎn)21a的資料，因此，標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值大小包含了空間和時(shí)間兩方面的變化。從各生育期的標(biāo)準(zhǔn)差來看，越冬開始和返青期的標(biāo)準(zhǔn)差較大，分別為8.64d和9.48d，而拔節(jié)、抽穗期的標(biāo)準(zhǔn)差較小，分別為6.25d和6.07d。表明1993-2013年北部冬麥區(qū)冬小麥越冬開始和返青期的時(shí)空變異較大，拔節(jié)、抽穗期的時(shí)空變異較小，其它生育期變異程度居中。

圖4 研究區(qū)19個(gè)站點(diǎn)1993-2013年冬小麥實(shí)測生育期的核密度估計(jì)

注：σ為每個(gè)生育期19個(gè)站點(diǎn)21a實(shí)測數(shù)據(jù)系列的標(biāo)準(zhǔn)差。

Note: σ is standard deviation of each measured phenology data（including the data of 21 years at 19 stations）.

2.2.2 空間變異

計(jì)算各研究站生育日期的多年平均值和19個(gè)站點(diǎn)生育期多年平均值數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差，分析生育期的空間變異特征。由圖5可見，各站點(diǎn)播種期日序的多年平均值在263～285，出苗期在272～293，越冬開始在329～341，返青期在53～81，拔節(jié)期在103～117，抽穗期在122～141，乳熟期在146～163，成熟期在157～180。在空間上，播種和出苗期早于區(qū)域平均日期的站點(diǎn)主要在甘肅西峰、陜西洛川和山西長治地區(qū)，整體呈西早東晚的空間分布；越冬開始晚于區(qū)域平均日期的站點(diǎn)主要在甘肅西峰、陜西洛川、山西介休、河北河間、天津靜海一帶，整體呈東南晚西北早的空間分布；返青期早于區(qū)域平均日期的站點(diǎn)主要在甘肅平?jīng)?、山西汾陽、河北的定州和黃驊、天津?qū)氎娴貐^(qū)，整體呈東南早西北晚的空間分布；拔節(jié)期早于區(qū)域平均日期的站點(diǎn)主要集中在麥區(qū)東部；而抽穗、乳熟和成熟期早于區(qū)域平均日期的站點(diǎn)主要位于麥區(qū)東部的河北、北京和天津境內(nèi)，整體呈東早西晚的空間分布。比較標(biāo)準(zhǔn)差的大小可知，返青和成熟期的標(biāo)準(zhǔn)差較大，分別為6.52d和6.70d，而越冬開始和拔節(jié)期的標(biāo)準(zhǔn)差較小，分別為3.73d和3.19d。表明返青和成熟期的空間差異較大，越冬開始和拔節(jié)期則較小，其它生育期居中。

2.2.3 變化趨勢

從各生育期的變化趨勢來看（圖6），線性變化傾向率的區(qū)域平均值均為正值，且播種期顯著推遲（u=1.7d·10a?1, P<0.05）。各研究站點(diǎn)中，播種期，21%的站點(diǎn)顯著推遲，呈推遲趨勢的站點(diǎn)位于麥區(qū)中部的山西境內(nèi)和東部臨海地區(qū)；出苗期，16%的站點(diǎn)顯著推遲，11%的站點(diǎn)呈顯著提前的趨勢，變化顯著的站點(diǎn)均位于麥區(qū)東南部；越冬開始期，僅5%的站點(diǎn)變化顯著，只在麥區(qū)東北部的北京通縣顯著推遲；返青、乳熟和成熟期分別有37%、42%、21%的站點(diǎn)變化顯著，均呈推遲趨勢且位于麥區(qū)東部；拔節(jié)期，26%的站點(diǎn)顯著推遲，其中11%的站點(diǎn)顯著提前，顯著推遲的站點(diǎn)均位于麥區(qū)東部，顯著提前的站點(diǎn)均位于西部；僅有5%的站點(diǎn)的抽穗期變化顯著，在麥區(qū)西南部的甘肅西峰顯著提前，多數(shù)站點(diǎn)的變化幅度較小。

圖5 1993-2013年研究區(qū)19個(gè)站點(diǎn)實(shí)測冬小麥的生育期（年日序）

注：σ為19個(gè)站點(diǎn)生育期多年平均值數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差。

Note: σ is standard deviation of the data set that mean date of winter wheat phenology at the 19 stations.

圖6 1993-2013年研究區(qū)19個(gè)站點(diǎn)冬小麥各生育期的線性傾向率

2.3 冬小麥生育期與生育階段積溫的相關(guān)性分析

由表2的相關(guān)性分析可知，播種-出苗階段積溫與出苗期呈極顯著正相關(guān)，而與乳熟和成熟期呈顯著負(fù)相關(guān)，與其它生育期的相關(guān)性不顯著，表明出苗、乳熟和成熟期受到了播種-出苗階段積溫變化的影響，播種-出苗階段積溫增加使出苗期推遲，乳熟和成熟期提前；出苗-越冬開始階段積溫與拔節(jié)、乳熟和成熟期呈極顯著負(fù)相關(guān)，與抽穗期呈顯著負(fù)相關(guān)，與返青期的相關(guān)性則不顯著，表明出苗-越冬開始階段積溫越大，拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期將提前，而對返青期影響較??；越冬期負(fù)積溫與返青、拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期均呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明越冬期負(fù)積溫減少，小麥冬后生育期提前；返青-拔節(jié)階段積溫與拔節(jié)期呈極顯著正相關(guān)，與抽穗、乳熟和成熟期呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明返青-拔節(jié)階段積溫增加使拔節(jié)期推遲，抽穗、乳熟和成熟期提前；拔節(jié)-抽穗階段積溫與抽穗、乳熟期呈極顯著正相關(guān)，與成熟期呈顯著正相關(guān)，表明拔節(jié)-抽穗階段積溫增加，則抽穗、乳熟和成熟期均推遲；抽穗-乳熟階段積溫與乳熟期呈極顯著正相關(guān)，與成熟期相關(guān)性不顯著，表明抽穗-乳熟階段積溫增加使乳熟期推遲，而成熟期受該階段熱量需求特性的影響較小；乳熟-成熟階段積溫與成熟期呈極顯著正相關(guān)，說明乳熟-成熟階段積溫增加導(dǎo)致成熟期推遲；播種-成熟階段積溫與成熟期相關(guān)性不顯著。就各生育期而言，出苗期受播種-出苗階段積溫的影響顯著，返青、拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期均與越冬期負(fù)積溫的相關(guān)性最大，表明生育階段積溫的變化對冬小麥生育期產(chǎn)生了不同程度的影響，但冬后生育期受越冬期負(fù)積溫的影響程度更大。

分析各站點(diǎn)冬小麥越冬期負(fù)積溫與冬后各生育期的相關(guān)性（圖7）可知，冬小麥越冬期負(fù)積溫與返青、拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期分別在79%、79%、47%、26%、42%的站點(diǎn)上呈顯著負(fù)相關(guān)，與返青和拔節(jié)期顯著相關(guān)的站點(diǎn)較多。在空間上，越冬期負(fù)積溫與抽穗、乳熟和成熟期相關(guān)性顯著的站點(diǎn)多位于麥區(qū)的東部，在西部站點(diǎn)上的相關(guān)性多不顯著，而與返青和拔節(jié)期的相關(guān)性在區(qū)域上的差異較小，普遍呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 冬小麥各生育階段積溫與生育期的相關(guān)性

Note: ATSE, ATEO, ATRJ, ATJH, ATHM, ATMMand ATSMrepresent ≥0℃ accumulated temperature during sowing to emergence, emergence to overwintering, regreening to jointing, jointing to heading, heading to milk-ripe, milk-ripe to maturity and sowing to maturity periods, respectively.

圖7 1993-2013年冬小麥越冬期負(fù)積溫與冬后各生育期的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

冬小麥各生育階段內(nèi)積溫的變化影響了其生長發(fā)育進(jìn)程，研究區(qū)內(nèi)21%的站點(diǎn)拔節(jié)-抽穗、乳熟-成熟階段積溫均顯著減少，返青-拔節(jié)、抽穗-乳熟和播種-成熟階段積溫及越冬期負(fù)積溫分別在26%、37%、21%和42%的站點(diǎn)顯著增加，而播種-出苗和出苗-越冬階段積溫的變化幅度較小，且各生育階段積溫的變化多存在東西部區(qū)域差異。表明冬小麥的積溫需求結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，且在不同生育階段和區(qū)域的變化存在差異。就區(qū)域平均而言，麥區(qū)冬小麥各生育期在1993-2013年的傾向率均為正值，且播種期顯著推遲，與楊建瑩等[13]對華北地區(qū)和高輝明等[14]對北部冬小麥的研究結(jié)果一致。相關(guān)性分析表明，播種-出苗階段積溫與出苗、乳熟和成熟期，出苗-越冬開始階段積溫與拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期的相關(guān)性均顯著；返青-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗和乳熟-成熟階段積溫及越冬期負(fù)積溫與相應(yīng)階段之后生育期的相關(guān)性均顯著，且多呈極顯著相關(guān)；抽穗-乳熟階段積溫與乳熟期呈極顯著相關(guān)。表明生育階段積溫的變化直接影響下個(gè)生育期，同時(shí)也可能間接影響了之后多個(gè)生育期的發(fā)生。

冬小麥在播種-出苗階段對積溫的需求影響出苗日期。在各站點(diǎn)平均值的空間分布上，播種-出苗階段積溫在麥區(qū)東部較高，西部則較低；東部出苗晚，西部則較早。相關(guān)性分析表明，播種-出苗階段積溫與出苗呈顯著正相關(guān)關(guān)系。但在1993-2013年，冬小麥播種-出苗階段積溫和出苗期分別在11%和26%站點(diǎn)上變化顯著，播種-出苗階段積溫和出苗期在時(shí)間上的變化存在差異。表明播種-出苗階段積溫需求的改變將影響冬小麥的出苗，但播期、播種深度、溫度、土壤水分狀況等因素對出苗期仍有較大的影響[4, 24-25]。

對生育期與生育階段積溫進(jìn)行相關(guān)性分析可知，返青、拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期與越冬期負(fù)積溫的相關(guān)性最大，且均呈極顯著負(fù)相關(guān)。在空間分布上，麥區(qū)東部站點(diǎn)越冬期負(fù)積溫的多年平均值多大于區(qū)域平均，拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期早于區(qū)域平均日期的站點(diǎn)主要位于麥區(qū)東部的河北、北京和天津境內(nèi)，整體均存在東西部差異。在時(shí)間尺度上，越冬期負(fù)積溫在42%的站點(diǎn)上顯著增加，且均位于麥區(qū)東部，西部站點(diǎn)變化不顯著；麥區(qū)東部多個(gè)站點(diǎn)冬小麥的返青、乳熟和成熟期呈顯著推遲趨勢，西部站點(diǎn)的變化則多不顯著；拔節(jié)期顯著推遲的站點(diǎn)位于麥區(qū)東部，顯著提前的站點(diǎn)位于麥區(qū)西部。可以看出，越冬期負(fù)積溫與冬后多個(gè)生育期呈現(xiàn)一致的時(shí)空變異特征。已有研究指出，越冬期負(fù)積溫影響冬小麥的生理代謝和形態(tài)建成，負(fù)積溫越多，冬小麥越易發(fā)生凍害，根系吸水慢，發(fā)芽遲，影響返青和拔節(jié)成穗[26-29]。綜上所述，越冬期負(fù)積溫影響冬小麥冬后的生長發(fā)育，其時(shí)空變異性可能是造成冬后生育期在時(shí)空上存在差異的原因。

越冬期負(fù)積溫與返青、拔節(jié)、抽穗、乳熟和成熟期的相關(guān)性在空間上差異較大。越冬期負(fù)積溫與抽穗、乳熟和成熟期顯著相關(guān)的站點(diǎn)多位于麥區(qū)東部，在西部站點(diǎn)上的相關(guān)性則多不顯著，與返青和拔節(jié)期則普遍呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，麥區(qū)東部冬小麥越冬期負(fù)積溫普遍顯著增加可能是造成返青、拔節(jié)、乳熟和成熟期推遲的原因。此外，為適應(yīng)氣候變暖而使用冬性減弱、熱量需求增加、開花與成熟較晚的品種[2, 30]，可能也導(dǎo)致了冬后生育期的推遲。但東部站點(diǎn)的抽穗期變化均不顯著，可能是由于越冬期負(fù)積溫增加使抽穗期推遲，而返青-拔節(jié)階段積溫增加和拔節(jié)-抽穗階段積溫減少使抽穗期提前共同作用的結(jié)果。西部多數(shù)站點(diǎn)的越冬期負(fù)積溫與冬后生育期相關(guān)性不顯著，一方面可能是西部站點(diǎn)的越冬期負(fù)積溫變化幅度較小導(dǎo)致，另一方面也說明這些相關(guān)性不顯著站點(diǎn)的抽穗、乳熟和成熟期變化的主要因素不是越冬期負(fù)積溫。

冬小麥各生育階段積溫與冬后多個(gè)生育期的相關(guān)性顯著，但相比于越冬期負(fù)積溫，其相關(guān)性均較低。這可能是由于在各生育階段內(nèi)，冬小麥對積溫的需求影響其生長發(fā)育，同時(shí)，生育期在很大程度上可能也受生長前期的熱量條件、光照、土壤水分狀況及施肥等因素的影響[31]，特別是冬小麥在返青-拔節(jié)階段受光周期效應(yīng)的影響尤為顯著[25]，拔節(jié)-乳熟階段又是冬小麥的需水關(guān)鍵期[32]。冬小麥在抽穗-乳熟階段主要進(jìn)行灌漿，此階段的積溫與乳熟期呈極顯著正相關(guān)。并且，東部多數(shù)站點(diǎn)抽穗-乳熟階段積溫顯著增加，乳熟期也多顯著推遲。表明抽穗-乳熟階段的熱量需求增加使乳熟期推遲，乳熟較抽穗期推遲幅度大使抽穗-乳熟階段延長，延長了灌漿時(shí)間。Fernández等[33]研究指出，灌漿期的長度與千粒重呈正相關(guān)關(guān)系?？芍樗?乳熟階段積溫的增加有利于提高千粒重，增加產(chǎn)量。因此，選育抽穗-乳熟階段積溫需求高的品種可能是適應(yīng)氣候變化的有效措施[2, 14]。

由于本研究收集的冬小麥生育期觀測站點(diǎn)及其資料的時(shí)間序列有限，分析結(jié)果可能與實(shí)際有差異。此外，冬小麥生育期的變化受光、溫、水等多種氣候要素的影響，而本文只進(jìn)行了生育階段積溫的影響分析，在未來應(yīng)進(jìn)一步分析生育期對多種要素變化及要素間互作效應(yīng)的響應(yīng)，并探究冬小麥不同生育期階段積溫的變化對其品質(zhì)和產(chǎn)量的影響。

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Responses of Winter Wheat Phenology to Accumulated Temperature during Growing Periods in Northern China Wheat Belt

MA Qian-qian，HE Yong，ZHANG Meng-ting，ZHANG Cong，XU Yin-long

（Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China）

Based on data collected from 19 agro-meteorological stations located in the winter wheat belt of Northern China from 1993 to 2013, this study analyzed temporal and spatial variability of winter wheat phenology and accumulated temperature in each growing period. Pearson correlation analysis and other methods were used to analyze the effects of accumulated temperature in each growing period on winter wheat phenology. The results showed that,（1）the spatial distribution of ≥0℃accumulated temperature during sowing to emergence and regreening to jointing periods along with the negative accumulated temperature value during the overwintering period (NATop) increased from east to west, and ≥0℃ accumulated temperature during jointing to heading, heading to milk-ripe, milk-ripe to maturity and sowing to maturity periods increased from southeast to northwest, while the distribution during emergency to start of overwintering period was contrary. The ≥0℃accumulated temperature for jointing to heading and milk-ripe to maturity periods decreased significantly at 21% of the investigated stations. The value of NATop, ≥0℃accumulated temperature during regreening to jointing, heading to milk-ripe and sowing to maturity periods increased significantly at 42%, 26%, 37% and 21% of the investigated stations, respectively. The variations of ≥0℃ accumulated temperature during sowing to emergency and emergency to the start of overwintering periods were much smaller. (2) Sowing and emergency date in the east was later than the counterpart in the west, of which variation trend was contrary to heading, milk-ripe and maturity date. Start of overwintering date in the southeast was later than the counterpart in the northwest, of which variation trend was contrary to regreening date. The stations of earlier jointing date were mainly located in the east. Sowing, emergency, regreening, jointing, milk-ripe and maturity date delayed significantly at 21%, 16%, 37%, 26%, 42% and 21% of the investigated stations, respectively. And most of these stations were in the east of the study area. Overwintering and heading date changed significantly only at 5% of the investigated stations. (3) Correlation analysis showed that the correlation between ≥0℃ accumulated temperature (or NATop) and multiple development stages was significant, which indicated that the growth and development of winter wheat might be directly or indirectly influenced by the accumulated temperature during growing periods. The NATop had the highest correlation with regreening, jointing, heading, milk-ripe and maturity date, and showed consistent spatiotemporal variation characteristics with multiple post-winter development stages. Spatiotemporal variability of the NATop might be the factor that caused spatiotemporal variations of winter wheat post-winter phenology.

Winter wheat; Phenology; Accumulated temperature requirement; Negative accumulated temperature during the overwintering period; Northern China winter wheat belt

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.04.003

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2017-08-22

。E-mail: heyong01@caas.cn; xuyinlong@caas.cn

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAC09B04)；國家基金委青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41501118)

馬倩倩（1992-），女，碩士生，研究方向?yàn)闅夂蛸Y源與氣候變化。E-mail: maer12366@163.com