吳瑾，姜紫陽(yáng)，傅學(xué)振，孫齊，楊昆

(臨沂市氣象局，山東 臨沂 276700)

0 引言

亞熱帶區(qū)域由于海洋氣團(tuán)與大陸氣團(tuán)相互作用，形成亞熱帶季風(fēng)氣候。通常情況下該氣候具有四季分明的特點(diǎn)，夏季炎熱高溫，冬季溫度適中，多年平均氣溫在16～23℃之間，季風(fēng)盛行，而且雨季與高溫同時(shí)到來(lái)[1]。中國(guó)秦嶺淮河分界線以南均屬于亞熱帶，北部至湖北、安徽一線，南至廣東，東部最遠(yuǎn)到達(dá)上海，西部則靠近重慶市區(qū)域，這廣闊的南部區(qū)域均屬于亞熱帶區(qū)域[2-3]。近年來(lái)隨著生態(tài)環(huán)境遭受破壞，全球范圍內(nèi)氣候環(huán)境發(fā)生劇烈變化，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，近30年之內(nèi)，全球氣溫平均升高0.85℃，導(dǎo)致世界各地頻繁出現(xiàn)自然災(zāi)害，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響，氣候變化所造成的問(wèn)題也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。全球氣候變暖導(dǎo)致大氣中的溫室氣體增加，同時(shí)大氣輻射失衡，這些變化進(jìn)一步加劇氣溫上升，全球氣候變化陷入惡性循環(huán)[4-6]。氣溫升高導(dǎo)致降水形態(tài)發(fā)生改變，溫室氣體濃度升高,但是氣候變化存在較為明顯的地域差異。例如寒溫帶近30年的平均溫度升高為0.5℃，而熱帶及亞熱帶的溫度增幅更大，約為0.9℃，超過(guò)全球近30年的平均升高溫度，由此可以看出，受到緯度及氣候的影響，氣候變暖出現(xiàn)明顯地域差異[7]。

氣候變化會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)水分和熱量的需求發(fā)生變化。冬小麥作為重要的糧食作物，在亞熱帶區(qū)域廣泛種植，但是受到氣候變化的影響，導(dǎo)致其產(chǎn)量不穩(wěn)定。在氣候的影響下，冬小麥產(chǎn)量會(huì)出現(xiàn)一個(gè)上限值，通常情況下這種上限值被稱作氣候生產(chǎn)潛力[8-9]。這種氣候生產(chǎn)潛力可以詳細(xì)分為光合生產(chǎn)潛力與溫度生長(zhǎng)潛力。針對(duì)冬小麥來(lái)說(shuō)，如果氣候發(fā)生劇烈變化不但會(huì)影響產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)重大自然災(zāi)害，所以在分析冬小麥生長(zhǎng)情況時(shí)還需考慮氣候變化對(duì)冬小麥生長(zhǎng)造成的脅迫性。盡管近年來(lái)科學(xué)技術(shù)手段飛速發(fā)展，已經(jīng)研究出多種應(yīng)對(duì)氣候變化的冬小麥生長(zhǎng)方式，但是在變化多端的自然氣候條件之下，自然災(zāi)害的到來(lái)無(wú)法預(yù)估，而冬小麥的脆弱性與暴露程度都是一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，極端變化的氣候條件對(duì)于冬小麥作物生長(zhǎng)的惡劣影響一直是學(xué)界研究的重點(diǎn)。趙彥茜等[10]學(xué)者針對(duì)氣候變化對(duì)小麥等糧食作物的產(chǎn)量造成的影響提出相關(guān)解決措施，該研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高有利于北方冬小麥的生長(zhǎng)，但是對(duì)于南方地區(qū)的冬小麥影響不大。王艷召等[11]以過(guò)去20年作為時(shí)間區(qū)間研究作物對(duì)氣候的響應(yīng)情況，介紹了氣候環(huán)境變化對(duì)于植物生長(zhǎng)的影響，但是針對(duì)的植物較為廣泛，沒(méi)有具體研究某種作物的動(dòng)態(tài)變化。本研究選取亞熱帶區(qū)域的浙江省和安徽省，分析氣候劇烈變化之下兩地冬小麥作物植被的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為提升冬小麥作物產(chǎn)量提供一定理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

中國(guó)秦嶺淮河以南均為亞熱帶區(qū)域，由于所涉區(qū)域廣闊，選擇2個(gè)省下轄2個(gè)市共4個(gè)城市(即浙江省的嘉興市和麗水市，安徽省的豪州市與蚌埠市)作為研究區(qū)域，收集各地農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的冬小麥生長(zhǎng)數(shù)據(jù)。這4個(gè)氣象站均儲(chǔ)存2000—2020年的氣候變化數(shù)據(jù)(表1)以及冬小麥的生長(zhǎng)數(shù)據(jù)。

表1 4個(gè)氣象站的氣候信息

1.2 研究方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)日期數(shù)據(jù)處理

由于歷年冬小麥播種日期存在差異，所以不利于記錄后續(xù)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的日期。在研究設(shè)計(jì)過(guò)程中主要記錄從冬小麥播種之初到各生長(zhǎng)階段的用時(shí)長(zhǎng)度，以及比較重要的生長(zhǎng)發(fā)育期的用時(shí)長(zhǎng)度，也就是記錄每個(gè)關(guān)鍵生長(zhǎng)期之間的所存在的日期數(shù)，由此分析得出氣候變化對(duì)于冬小麥作物植被動(dòng)態(tài)變化的影響[12]。分析氣候變化與冬小麥各生長(zhǎng)發(fā)育期之間的關(guān)系時(shí)，基于冬小麥最早播種月首日，通過(guò)計(jì)算獲得該首日與各生長(zhǎng)發(fā)育期之間的間隔天數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)每個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期的數(shù)值化轉(zhuǎn)換。計(jì)算過(guò)程中使用相關(guān)分析法與線性傾向估計(jì)法等方法[13]。

1.2.2 植被指數(shù)

在晴朗天氣下每天分2次(上午9：00—10:00，下午13:00—14:00)使用4色模式數(shù)碼相機(jī)觀測(cè)冬小麥生長(zhǎng)情況并拍攝圖像，相機(jī)角度控制在50°至65°之間[14]。使用N表示植被指數(shù)，公式如下：

(1)

式(1)中：NIR表示近紅外波段反射率；R代表紅光波段反射率。

1.2.3 氣候脅迫指數(shù)

在冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，各類氣候條件發(fā)生變化會(huì)直接影響其生長(zhǎng)狀態(tài)，也就直接影響冬小麥的產(chǎn)量[15]，本研究集中在高溫和多雨脅迫方面。

高溫脅迫就是當(dāng)前溫度遠(yuǎn)高于冬小麥生長(zhǎng)時(shí)的最佳溫度，這種脅迫會(huì)造成冬小麥產(chǎn)量降低：

(2)

(3)

式(2～3)中：Sht表示高溫脅迫指數(shù)，在第i個(gè)生育期中高溫造成冬小麥的減產(chǎn)量與光合生產(chǎn)潛力分別使用Vhti和Yqi表示；T0表示冬小麥在某個(gè)生育期中最佳生長(zhǎng)溫度，第i個(gè)生育期中溫度訂正系數(shù)表示為f(T)i。

多雨脅迫是指在冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育期中水分含量過(guò)大導(dǎo)致產(chǎn)量降低的脅迫情況，該脅迫也是氣候變化的表現(xiàn)形式之一，公式如下：

(4)

(5)

式(4～5)中：在第i個(gè)生育期中冬小麥由于過(guò)量水分出現(xiàn)的產(chǎn)量降低以及光溫生產(chǎn)潛力分別用Vhwi和Yti表示，Shw是多雨脅迫指數(shù)，第i個(gè)生育期中水分修正系數(shù)用f(W)i表示。

2 結(jié)果分析

2.1 氣候變化下冬小麥發(fā)育期的變化趨勢(shì)

根據(jù)數(shù)據(jù)收集結(jié)果，以2020年的冬小麥生長(zhǎng)數(shù)據(jù)為例，獲得冬小麥在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的用時(shí)并計(jì)算生長(zhǎng)趨勢(shì)數(shù)值，由表2可看出各氣象站統(tǒng)計(jì)的冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育情況動(dòng)態(tài)變化：

表2 冬小麥不同生長(zhǎng)期的變化

(1)從種植開(kāi)始直至越冬期這一時(shí)間段內(nèi)，浙江氣象站監(jiān)測(cè)到的冬小麥生長(zhǎng)期隨著時(shí)間變化而縮短，而安徽2個(gè)氣象站的數(shù)據(jù)則顯示其生長(zhǎng)期變長(zhǎng)；(2)起身期階段，只有麗水氣象站監(jiān)測(cè)到的冬小麥生長(zhǎng)期變長(zhǎng)，其余3個(gè)氣象站監(jiān)測(cè)結(jié)果均為縮短；(3)從種植到乳熟階段，各氣象站監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，各地冬小麥生長(zhǎng)期均縮短；(4)冬小麥開(kāi)花至成熟以及從開(kāi)花至成熟階段，各氣象站監(jiān)測(cè)結(jié)果均顯示生長(zhǎng)期變長(zhǎng)。為分析冬小麥在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)于氣候變暖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，研究了冬小麥從播種階段至成熟階段的生長(zhǎng)情況，結(jié)合表2中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靠近亞熱帶邊界的亳州和蚌埠的冬小麥平均生長(zhǎng)期在70.5天，亞熱帶中部區(qū)域的城市嘉興和麗水的冬小麥平均生長(zhǎng)期在79.5天，2個(gè)區(qū)域的生長(zhǎng)期均變長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)存在明顯差異。這2個(gè)區(qū)域，受到地理?xiàng)l件以及緯度影響，氣候變化也存在明顯差異，這種差異導(dǎo)致2個(gè)地區(qū)的冬小麥生長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)不同。安徽省豪州市與蚌埠市地理位置相對(duì)靠北，多年平均氣溫相對(duì)較低、多年平均降雨量在900 mL左右，相對(duì)較小，城市海拔也相對(duì)較高；而浙江省嘉興市和麗水市地理位置相對(duì)靠南，多年平均氣溫略高于安徽省站點(diǎn)，多年平均降雨量在1 100～1 600 mL之間，相對(duì)較大，城市海拔也相對(duì)較低，因此亳州和蚌埠的氣候環(huán)境更適應(yīng)于冬小麥的生長(zhǎng)。但是由于都處于亞熱帶地區(qū)，因此生長(zhǎng)期變化趨勢(shì)一致。冬小麥從開(kāi)花階段至乳熟階段是冬小麥產(chǎn)量形成的階段，該階段各地區(qū)生長(zhǎng)期均為變長(zhǎng)，與拔節(jié)-成熟階段類似，但仍然會(huì)受到氣候及地理環(huán)境影響，出現(xiàn)微小差異。

2.2 冬小麥植被指數(shù)變化規(guī)律

植被指數(shù)是對(duì)地表植被狀況簡(jiǎn)單、有效和經(jīng)驗(yàn)的度量。該指數(shù)能夠敏感地探測(cè)出作物的生物量，常被各位學(xué)者用來(lái)衡量作物的生長(zhǎng)發(fā)育情況。

統(tǒng)計(jì)2000—2020年4個(gè)氣象站的冬小麥植被指數(shù)變化規(guī)律(圖1)，隨著氣溫的逐年上升，各個(gè)氣象站監(jiān)測(cè)到的冬小麥植被指數(shù)始終保持上升趨勢(shì)。這說(shuō)明冬季及春季的溫度升高，有利于冬小麥在亞熱帶地區(qū)越冬，從而提高產(chǎn)量。2004年前后各地區(qū)冬小麥植被指數(shù)出現(xiàn)一個(gè)峰值，這是由于2004年前后亞熱帶區(qū)域溫度達(dá)到了一個(gè)峰值。2008年，中國(guó)亞熱帶地區(qū)遭遇百年不遇的特大暴雪，冬小麥生長(zhǎng)遭受毀滅性打擊，因此該年冬小麥植被指數(shù)出現(xiàn)下降。此后該區(qū)域受到氣候變化影響，溫度逐漸升高，冬小麥的植被指數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)上升趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，極端低溫氣候會(huì)嚴(yán)重影響冬小麥植被生長(zhǎng)，而在一定的范圍內(nèi)，小幅度升溫會(huì)促進(jìn)冬小麥植被生長(zhǎng)。整體來(lái)看浙江地區(qū)的2個(gè)氣象站監(jiān)測(cè)結(jié)果略高于安徽2個(gè)氣象站的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖1 冬小麥植被指數(shù)變化規(guī)律

2.3 冬小麥全生長(zhǎng)期植被指數(shù)變化規(guī)律

冬小麥從每年9—10月之間播種，次年5—6月之間收割，收集4個(gè)氣象站在冬小麥整個(gè)生長(zhǎng)期中的植被指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖2。4個(gè)區(qū)域的冬小麥在播種初期以及越冬期所需光合作用較少，這個(gè)階段冬小麥的植被指數(shù)保持在一個(gè)較低范圍之中。越冬之后，冬小麥進(jìn)入起身期，生長(zhǎng)所需的水分、陽(yáng)光和溫度水平均較高。亞熱帶區(qū)域受氣候變化影響，春季溫度較往年更高，且雨水充沛，所以冬小麥呈現(xiàn)植被指數(shù)迅速上升的情況；待進(jìn)入灌漿期以后，冬小麥進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，需要大量光合作用，這個(gè)階段4個(gè)地區(qū)逐漸進(jìn)入初夏，雨水減少，光照增強(qiáng)，冬小麥得以迅速生長(zhǎng)，植被指數(shù)達(dá)到頂峰。該階段以后，冬小麥進(jìn)入成熟期，整個(gè)植株葉綠素減少，轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，不再需要光合作用和水分，該階段只要不出現(xiàn)暴雨、冰雹、干旱等極端氣候變化，冬小麥就可以實(shí)現(xiàn)豐收，由于該階段冬小麥已經(jīng)停止生長(zhǎng)，因此植被指數(shù)下降。

圖2 全生長(zhǎng)期冬小麥植被指數(shù)變化

2.4 氣候脅迫下冬小麥空間變化

亞熱帶地區(qū)由于氣候變化，會(huì)出現(xiàn)高溫及洪澇等自然災(zāi)害現(xiàn)象，這些災(zāi)害都會(huì)對(duì)冬小麥產(chǎn)生脅迫作用。以安徽省為例，分析氣象站反饋的脅迫指數(shù)空間分布效果，并進(jìn)一步分析氣候變化對(duì)于冬小麥生長(zhǎng)的脅迫作用。

由圖3(a)可以看出高溫氣候?qū)Χ←溕L(zhǎng)所造成的脅迫指數(shù)較低，主要是由于亞熱帶區(qū)域高溫天氣一般集中在7—9月，冬小麥已經(jīng)完成收割。但是由于受到氣候變化影響，亞熱帶部分區(qū)域會(huì)提前進(jìn)入夏季，溫度的變化會(huì)促進(jìn)冬小麥在春季的生長(zhǎng)。反之冬季低溫會(huì)對(duì)冬小麥的生長(zhǎng)造成嚴(yán)重影響，熱量不足會(huì)直接導(dǎo)致冬小麥停止生長(zhǎng)。從圖3(b)中能夠看出，多雨脅迫也會(huì)抑制冬小麥的生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)冬小麥可能會(huì)發(fā)生發(fā)霉腐爛并停止生長(zhǎng)的情況。綜上所述，氣候變化導(dǎo)致的高溫氣候能夠促進(jìn)冬小麥生長(zhǎng)，受極端天氣影響出現(xiàn)的強(qiáng)降雨，則會(huì)嚴(yán)重危害冬小麥的生長(zhǎng)。

圖3 脅迫指數(shù)空間分布

2.5 氣候顯著變化前后冬小麥生產(chǎn)期的變化

過(guò)去近20年的氣候變化過(guò)程中，2008年中國(guó)亞熱帶地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生重大雪災(zāi)事件，導(dǎo)致氣溫突變；在2008年之后，亞熱帶區(qū)域溫度保持上升趨勢(shì)，將2008年作為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)比氣候變化前后研究區(qū)域的4個(gè)地方冬小麥生長(zhǎng)期長(zhǎng)短變化。

由表3可知，天氣轉(zhuǎn)暖以后，安徽和浙江的冬小麥整個(gè)生長(zhǎng)期均明顯縮短，冬小麥拔節(jié)生長(zhǎng)后，生長(zhǎng)速度也逐漸縮短，也就是說(shuō)，隨著氣候轉(zhuǎn)暖，冬小麥已經(jīng)不需要經(jīng)歷過(guò)長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)期，但是成熟期與乳熟期所經(jīng)歷的過(guò)程更長(zhǎng)，由于溫度升高，冬小麥需要更長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)成熟，但是總體變化不大。

表3 冬小麥生長(zhǎng)期變化統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

隨著近年全球氣候變暖以及極端天氣變化，中國(guó)亞熱帶氣候區(qū)域溫度逐年上升，偶爾出現(xiàn)極端天氣，以浙江省嘉興市和麗水市、安徽省豪州市與蚌埠市的2000—2020年氣候變化數(shù)據(jù)以及冬小麥生長(zhǎng)數(shù)據(jù)為例分析，結(jié)果顯示冬小麥由于溫度升高，生長(zhǎng)期縮短，但是成熟期變長(zhǎng)。極端低溫會(huì)影響冬小麥生長(zhǎng)甚至出現(xiàn)停止生長(zhǎng)的情況。從植被指數(shù)結(jié)果可以看出，該區(qū)域的冬小麥在遭受極端低溫氣候時(shí)出現(xiàn)植被指數(shù)降低的情況，但是隨著溫度升高，植被指數(shù)保持上升趨勢(shì)。高溫脅迫對(duì)冬小麥的影響較小，但是降雨量對(duì)冬小麥影響較大，如果雨水過(guò)剩將會(huì)導(dǎo)致冬小麥減少。