李 璠，校瑞香，嚴(yán)應(yīng)存，趙夢(mèng)凡，李 菲，顏亮東

(1.青海省氣象科學(xué)研究所，青海西寧 810001；2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海西寧 810001)

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，至21世紀(jì)末全球平均氣溫將升高0.3～4.8 ℃，以變暖為主要特征的氣候變化愈益加劇，中國(guó)北方地區(qū)是全球氣溫升高顯著的地區(qū)之一。氣候變化帶來農(nóng)業(yè)氣候資源的變化，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)發(fā)育的改變、糧食作物產(chǎn)量的降低和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)脆弱性的加重，因而研究作物物候期對(duì)氣候變化的響應(yīng)早已是農(nóng)業(yè)氣象領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。作物物候期的變化不僅會(huì)改變作物的生長(zhǎng)周期，同時(shí)還會(huì)改變作物在生長(zhǎng)過程中對(duì)光、溫、水資源及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用，影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)；同時(shí)氣候變化對(duì)生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、衛(wèi)生等方面也會(huì)產(chǎn)生重要影響。目前，作物物候期對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究對(duì)象多為冬小麥、玉米等作物，而對(duì)種植于青藏高原地區(qū)特有作物青稞的研究較少。青稞是禾本科大麥屬的一個(gè)種，因其生長(zhǎng)期短、抗逆性強(qiáng)和耐寒耐旱的特點(diǎn)，在海拔較高的冷涼地區(qū)廣泛被種植，是青藏高原種植面積最大的麥類作物。青稞籽粒含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，特別是β-葡聚糖、黃酮等含量較高，是牧區(qū)人民主要的糧食作物及青稞酒的主要原料，秸稈也是牲畜的飼料之一。青稞在青海省種植面積為6.39萬hm，占全省糧食作物種植面積的23%，現(xiàn)階段主要品種有肚里黃、昆侖15號(hào)、柴青1號(hào)和北青6號(hào)。本研究利用1980-2020年青海省氣象資料和青稞長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析青稞生長(zhǎng)季光溫水氣象要素變化特征以及青稞物候期的演化趨勢(shì)，并探討青稞物候期變化的氣候驅(qū)動(dòng)因子，以期為應(yīng)對(duì)氣候變化下青藏高原青稞品種選育和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省青稞主要種植在海南州、海北州和海西州，西寧市、海東市和玉樹州也有小面積種植。青海省氣象局在門源縣和貴南縣2地開展青稞農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)，2地區(qū)位于青海省東部，介于北緯35°9′～37°52′、東經(jīng)100°12′～102°39′范圍，海拔2 201～4 982 m(圖1)，氣溫低，日照長(zhǎng)，輻射強(qiáng)，降水集中，雨熱同季，但降水不足，蒸發(fā)量大，屬高原大陸性氣候，年平均氣溫0.8～3.1 ℃，年降水量485～522 mm。兩個(gè)地區(qū)均位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶，主要種植青稞、油菜，作物種植受氣候、土壤、灌溉等條件的影響，種植結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 General situation of the study area

1.2 觀測(cè)資料

青稞物候期觀測(cè)資料來源于門源回族自治縣氣象局和貴南縣氣象局，氣象數(shù)據(jù)取自于中國(guó)氣象局綜合氣象信息共享平臺(tái)(CIMISS)，其中門源數(shù)據(jù)為1980-2020年4-9月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，貴南數(shù)據(jù)為2007-2020年4-9月的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日降水量、日照時(shí)數(shù)、月平均氣溫、月降水量和月日照時(shí)數(shù)。本研究中營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期指出苗至抽穗期，生殖生長(zhǎng)期指抽穗至成熟期，全生育期指出苗至成熟期。因?yàn)椴シN期受氣象條件和人為因素的雙重影響，故而本研究并未將播種期納入全生育期范疇。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)在Excel整理后，采用SPSS軟件進(jìn)行線性擬合和相關(guān)性分析，采用一元線性趨勢(shì)分析生長(zhǎng)季(4-9月)氣象要素、物候期和生育期時(shí)長(zhǎng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)；采用Pearson相關(guān)性分析物候期、生育期時(shí)長(zhǎng)與氣候因子的相關(guān)性。并檢驗(yàn)變化趨勢(shì)、擬合方程和相關(guān)系數(shù)的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海省青稞生長(zhǎng)季氣候變化特征

1980-2020年青海省青稞主要種植區(qū)生長(zhǎng)季平均氣溫9.6 ℃，氣溫傾向率為0.4 ℃·10 a。門源和貴南生長(zhǎng)季平均氣溫傾向率分別為0.6和0.3 ℃·10 a，且增溫速率均通過極顯著水平檢驗(yàn)(<0.001)(圖2a)；生長(zhǎng)季降水量為442 mm，兩地的降水量雖然呈增加趨勢(shì)，但只有門源表現(xiàn)顯著(44 mm·10 a，<0.001)；生長(zhǎng)季累計(jì)日照時(shí)數(shù) 1 297 h，門源、貴南分別以39和38 h·10 a的速率在減少(<0.01)。綜上可知，青海省青稞主產(chǎn)區(qū)生長(zhǎng)季平均氣溫顯著升高，降水量略微增加，日照時(shí)數(shù)明顯減少。

圖2 1980-2020年青海青稞主要種植區(qū)生長(zhǎng)季光溫水變化Fig.2 Changes of average temperature,precipitation and sunshine hours during the growing seasons of hulless barely from 1980 to 2020

青稞主產(chǎn)區(qū)逐月平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(表1)。門源月升溫速率為0.40～0.76 ℃·10 a(<0.01)；貴南4-6月升溫不顯著，7-9月升溫顯著，升溫速率為0.32～0.41 ℃·10 a。月降水量在兩地表現(xiàn)不一。貴南各月降水量均呈增加趨勢(shì)，其中8月降水量變化顯著(22.32 mm·10 a，<0.01)；門源5-7月降水量減少，其他月份降水量在增加，其中8月的增加趨勢(shì)顯著(9.89 mm·10 a，<0.05)。日照時(shí)數(shù)各月均減少，貴南5月和8月極顯著減少(<0.01)，門源8-9月極顯著減少。

表1 1980-2020年逐月氣象要素及其線性傾向率Table 1 Monthly meteorological element and its linear trend rate from 1980 to 2020

2.2 青海青稞物候期分布特征及變化趨勢(shì)

青稞播種期、出苗期、三葉期、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期、乳熟期、成熟期分別集中在每年第99-112天、124-130天、138-142天、146-150天、168-171天、180-182天、188-192天、195-200天、216-226天和238-243天，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、生殖生長(zhǎng)期、生育期時(shí)長(zhǎng)分別為62～64、50～51和132～139 d(表2)。物候期中，播種期在兩地的差異最大，差值達(dá)13 d，主要因?yàn)橘F南4月平均氣溫比門源低1.4 ℃，從而導(dǎo)致播種期晚于門源；兩地的孕穗期差異最小，相差2 d，主要因?yàn)樵摃r(shí)期是兩地氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)差異最小的階段。另外，門源青稞的物候期普遍早于貴南，但拔節(jié)期較晚，這可能是因?yàn)閮傻貧夂虿町惡筒シN期不一所致。

表2 青海省青稞各物候期平均出現(xiàn)日期及生育期時(shí)長(zhǎng)Table 2 Average date of different phenophases and duration of growth periods of hulless barely in Qinghai

近40年間青稞物候期和生育期時(shí)長(zhǎng)變化趨勢(shì)略有不同。生育前期物候期推遲，生育后期提前，生殖生長(zhǎng)期和生育期時(shí)長(zhǎng)均縮短(圖3)。門源播種期以1.8 d·10 a的速率推遲 (<0.05)，生育期時(shí)長(zhǎng)以3.0 d·10 a的縮短(<0.01)；貴南拔節(jié)期、孕穗期分別以5.8和6.4 d·10 a的速率推遲(<0.05)，成熟期以10.8 d·10 a的速率提前(<0.01)，生殖生長(zhǎng)期的和生育期時(shí)長(zhǎng)分別以14.6和11.0 d·10 a的速率縮短(<0.01)。整體而言，青稞主產(chǎn)區(qū)出苗期推遲0.6～1.5 d，拔節(jié)期推遲2.0～4.2 d，成熟期提前8.5～11.0 d；其余物候期在兩地表現(xiàn)相反。貴南和門源的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期分別延長(zhǎng)2.6 d和縮短 6.8 d，但兩地生殖生長(zhǎng)期均縮短 3.3～14.2 d，生育期縮短10.2～12.0 d。

*:P<0.05;**:P<0.01.

2.3 氣象要素對(duì)青稞物候期的影響

2.3.1 溫度影響

熱量是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素之一，物候期變化與溫度變化關(guān)系密切。以門源縣為例，從青稞關(guān)鍵物候期與生育前期逐日平均氣溫的相關(guān)性看，出苗前的日平均氣溫對(duì)出苗期的影響表現(xiàn)不一，4月26日以前日平均氣溫與出苗期大多呈負(fù)相關(guān)，即氣溫越高，出苗越早，而在4月26日至5月4日的日平均氣溫越高，出苗越晚。進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段后，在5月10日至5月28日、6月2日至7月7日兩個(gè)階段的日平均氣溫與抽穗期均呈負(fù)相關(guān)，即溫度越高，抽穗越早。在成熟階段，日平均氣溫越高，成熟越早。從整個(gè)物候期看，日平均氣溫對(duì)關(guān)鍵物候期的影響時(shí)段較分散，生育前期正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)的時(shí)段交替出現(xiàn)，后期均表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)(圖4)。

圖4 門源縣青稞關(guān)鍵物候期與日平均氣溫相關(guān)性Fig.4 Correlation coefficients between daily mean temperature and key phenophases of hulless barely in Menyuan

利用上述方法，分析得到日平均氣溫對(duì)青海省青稞關(guān)鍵物候期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、生殖生長(zhǎng)期、全生育期時(shí)長(zhǎng)的效應(yīng)特征(表3)。結(jié)果表明，日平均氣溫對(duì)青稞物候期和生育期時(shí)長(zhǎng)主要表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，對(duì)門源青稞關(guān)鍵物候期的正效應(yīng)主要發(fā)生在4月下旬至5月上旬，對(duì)貴南青稞的正效應(yīng)主要發(fā)生在5月中下旬，說明青稞生長(zhǎng)前期部分時(shí)段日平均氣溫對(duì)前期物候期產(chǎn)生正效應(yīng)。結(jié)合兩地青稞物候期來看，出苗至三葉期的日平均氣溫越高，抽穗時(shí)間越晚。日平均氣溫對(duì)生育期時(shí)長(zhǎng)的影響與物候期的影響基本類似，也是出苗至三葉期的日平均氣溫越高，則營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng)。從整個(gè)生育期來看，門源除出苗至三葉期的日平均氣溫對(duì)全生育期時(shí)長(zhǎng)表現(xiàn)為正效應(yīng)外，其余時(shí)段均表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)；貴南則表現(xiàn)為播種至出苗期、分蘗至拔節(jié)期的日平均氣溫越高，全生育期時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，其余時(shí)段的日平均氣溫越高，全生育期時(shí)長(zhǎng)越短。

表3 日平均氣溫對(duì)青稞物候期、生育期時(shí)長(zhǎng)的影響時(shí)段Table 3 Influencing time of daily mean temperature on phenophases and growth period duration of hulless barely

分析青稞關(guān)鍵物候期、生育期時(shí)長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)時(shí)段的平均氣溫的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，播種至出苗期的平均氣溫與出苗日期呈正相關(guān)(圖5)，播種至出苗期間平均氣溫每升高1 ℃，出苗期推遲0.4～1.6 d，但這一關(guān)系并不顯著(>0.05)，其余關(guān)鍵物候期、生育期時(shí)長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)期間的平均氣溫均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，其中營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期間平均氣溫每升高1 ℃，抽穗期提前1.2～1.5 d，時(shí)長(zhǎng)縮短3.1～3.8 d，生殖生長(zhǎng)期間平均氣溫每升高1 ℃，成熟期提前 1.9～4.0 d(<0.01)，時(shí)長(zhǎng)縮短0.7～3.1 d (>0.05)。門源生育期平均氣溫與生育期時(shí)長(zhǎng)極顯著相關(guān)(<0.01)，貴南則不顯著 (>0.05)(表5)。

2.3.2 降水影響

水資源是干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制性資源，是影響農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)的主要環(huán)境因素。因日降水量在時(shí)間和量級(jí)上差異較大，故而只分析階段降水量與物候期的相關(guān)性(圖5)。階段降水量與青稞物候期和生育期時(shí)長(zhǎng)均呈正相關(guān)，但均未通過顯著性檢驗(yàn)，說明階段降水量對(duì)青稞物候期和生育期時(shí)長(zhǎng)的影響不大。前人認(rèn)為種子萌發(fā)時(shí)降水多可促進(jìn)發(fā)芽，但在進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期后，降水多反而會(huì)降低生長(zhǎng)速率。而青海省青稞出苗期未表現(xiàn)出這一特征，其原因可能是青稞出苗主要受土壤水分限制，而土壤水分受降水長(zhǎng)期累計(jì)和地下水實(shí)時(shí)補(bǔ)給的雙重影響，從而使青稞出苗對(duì)降水變化未表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)特征。另外一原因可能是因?yàn)榍囡谇嗪Ｖ饕N植在海拔較高的腦山地區(qū)，該地區(qū)降水充沛，降水因子并不是影響物候和生育期長(zhǎng)短的主要限制因子，同時(shí)降水量對(duì)青稞的影響是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，每個(gè)物候期對(duì)降水的響應(yīng)存在較高不確定性。從階段降水量與物候期和生育期時(shí)長(zhǎng)之間的傾向率(表4)來看，隨著降水的增多，兩地的青稞關(guān)鍵物候期推遲，生育期時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)，但線性傾向率也均未通過顯著性檢驗(yàn)，再次證實(shí)降水并不是影響青稞物候期和生育期時(shí)長(zhǎng)的關(guān)鍵氣象要素。

2.3.3 日照影響

日照時(shí)數(shù)是作物獲得光照時(shí)間長(zhǎng)短的標(biāo)志，是太陽輻射最直觀的表現(xiàn)。從線性傾向率(表4)來看，日照時(shí)數(shù)主要影響青稞生育期時(shí)長(zhǎng)，尤其在門源地區(qū)階段性日照時(shí)數(shù)與生育期時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系通過0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期日照時(shí)數(shù)每增加1 h，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期延長(zhǎng)0.06 d(<0.001)；出苗至成熟期日照時(shí)數(shù)每增加1 h，生育期時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)0.03 d (<0.01)。相關(guān)分析(圖5)表明，階段性日照時(shí)數(shù)與生育期時(shí)長(zhǎng)呈顯著正相關(guān)，即階段性日照時(shí)數(shù)累計(jì)越多，生育期時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)。日照時(shí)數(shù)對(duì)物候期影響不顯著，這可能是物候期出現(xiàn)的早晚不僅與氣象要素有關(guān)，還與前一物候期出現(xiàn)時(shí)間密切相關(guān)，而生育期時(shí)長(zhǎng)是在一段相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間段內(nèi)變化，故而對(duì)日照時(shí)數(shù)的響應(yīng)更明顯。

表4 階段性氣象要素與物候期、生育期時(shí)長(zhǎng)的線性傾向率Table 4 Linear trend rate of meteorological factor to phenophases and growth stage duration

**:P<0.01.

3 討 論

近40年來，青海省青稞主產(chǎn)地生長(zhǎng)季氣溫升高，降水增多，日照時(shí)數(shù)減少。就平均氣溫而言，貴南4-6月逐月平均氣溫增溫不顯著，7-9月增溫顯著；門源4-9月逐月平均氣溫增溫均顯著。就降水而言，兩地只有8月降水量增加顯著，其中門源5-7月降水還存在減少趨勢(shì)。就日照時(shí)數(shù)而言，兩地4-9月逐月日照時(shí)數(shù)均減少，其中貴南5月、8月顯著；門源8-9月顯著，其余月份均不顯著。

在該氣候變化背景下，兩地青稞物候期變化趨勢(shì)略有不同。門源播種至拔節(jié)期的每一物候期大都推遲，但從拔節(jié)期以后每個(gè)物候期都提前，因此全生育期時(shí)長(zhǎng)縮短；而貴南自播種至乳熟均推遲，到成熟期時(shí)顯著提前，因此全生育期時(shí)長(zhǎng)縮短，這與前人研究成果一致。綜合來看，門源青稞生育期縮短是拔節(jié)后物候期提前造成的，而貴南青稞生育期縮短是成熟期顯著縮短造成的。針對(duì)這些變化可從品種選育和栽培技術(shù)兩方面調(diào)整青稞生產(chǎn)方式，貴南應(yīng)傾向于種植耐高寒陰濕、生育期較短的品種，而門源更多傾向于種植抗寒耐旱、抗倒伏的品種，同時(shí)可適當(dāng)提前播種日期，科學(xué)輪作，促進(jìn)各地青稞高產(chǎn)。

本研究分析光溫水與對(duì)應(yīng)時(shí)段物候期和生育期時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，青海省青稞主產(chǎn)區(qū)氣候變暖使得出苗期推遲、抽穗期和成熟期提前。進(jìn)一步分析表明，逐日平均氣溫對(duì)出苗期的影響則是正負(fù)交替出現(xiàn)，也就是說，臨近出苗前8～12 d的日平均氣溫升高對(duì)青稞出苗有一定抑制作用，而更早期的日平均氣溫升高對(duì)青稞出苗有一定促進(jìn)作用，分析逐日平均氣溫升高對(duì)抽穗期和成熟期大都表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，即溫度越高，抽穗和成熟越早。因此，該結(jié)論印證了7-8月氣溫顯著升高對(duì)青稞生殖生長(zhǎng)期時(shí)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。雖然播種至三葉期氣溫升高，推遲了青稞出苗期，但青稞后期生長(zhǎng)受氣溫升高的影響，整個(gè)生育期仍表現(xiàn)出明顯縮短趨勢(shì)。降水對(duì)關(guān)鍵物候期出現(xiàn)時(shí)間和各生長(zhǎng)季長(zhǎng)度雖表現(xiàn)出正效應(yīng)，但都未通過顯著性檢驗(yàn)。其原因有兩個(gè)：一是青稞種植區(qū)降水充沛，但其不是影響青稞生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵氣象因子；二是降水過程復(fù)雜、量級(jí)差異大，對(duì)青稞生理生化的影響尚未查明，其影響機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。光照對(duì)作物物候期的影響主要表現(xiàn)為光周期對(duì)作物發(fā)育進(jìn)程的影響，但本研究發(fā)現(xiàn)日照時(shí)數(shù)對(duì)青稞物候期影響不顯著，對(duì)時(shí)長(zhǎng)影響顯著。這可能是因?yàn)椴煌魑飳?duì)光周期的敏感性不同，因此光照條件對(duì)作物物候期的影響也各異。

影響作物物候期和生育期時(shí)長(zhǎng)的要素很多，除了溫度、降水、光照外，還應(yīng)考慮土壤、大氣CO濃度、作物品種等條件，目前對(duì)該方面的研究還待進(jìn)一步深入。近幾年以作物生理過程為基礎(chǔ)，量化外部環(huán)境要素的物候期模型成為主流，但弄清每個(gè)變量的影響機(jī)制，對(duì)解釋模型結(jié)果的過程變化仍是重要工作之一。