基于氣候變暖背景的西安市冬小麥適播期分析

曲 靜，王 楠，樊婷麗，金麗娜

(1.西安市氣象局， 陜西 西安 710016；2.西安地球環境創新研究院， 陜西 西安 710000)

0 前言

【研究意義】小麥是世界三大糧食作物之一，在糧食生產中所起的作用不容忽視。近年來,在全球氣候變暖大背景下,小麥的生長發育、品種、種植制度等發生了一系列變化[1-4]。適期播種是促進冬小麥一播全苗,形成冬前壯苗的關鍵技術,也是達到高產穩定優質的基礎。播種過早由于氣溫較高,麥苗冬前生長旺盛,形成旺苗,消耗大量養分,越冬期間容易遭受凍害；播種過晚由于氣溫較低,冬前生長積溫不足,麥苗個體弱,不利安全越冬,也影響產量的提高[5-7]。因此，探明不同區域冬小麥適播期及預報方法,明確當地冬小麥適播溫度指標和適播期，對促進冬小麥生產具有重要的現實意義。【前人研究進展】針對氣候變化對冬小麥播種期的影響研究多有報道[8-11]，指出冬小麥播種期間氣溫、冬前積溫及冬季負積溫等的變化特征及對冬小麥生長的潛在影響，提出冬小麥已不能參照傳統的觀念播種,而應該向后推遲，適當晚播。【研究切入點】目前針對冬小麥適宜播種期指標及預報的研究較少[12-15],針對陜西省冬小麥適宜播種期指標的研究更缺乏[16-17]。【擬解決的關鍵問題】采用氣候傾向率、M-K檢驗、積溫學等氣候統計分析方法,對西安市7個區(縣)近58年氣溫、積溫的氣候傾向率、突變、冷暖冬年等氣候特征進行分析,明確小麥適播溫度指標和適播期預報方法,以增強農業生產對氣候變化的應變能力,為當地冬小麥適時播種提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

播種期資料來源于西安市農業技術推廣中心調查統計的近10年冬小麥實際播種日期。氣象資料來源于1961—2018年西安、臨潼、長安、鄠邑、周至、藍田和1971—2018年高陵7個國家氣象站的當年9月至翌年2月逐日平均氣溫。

1.2 研究方法

1.2.1 氣象指標分析 采用一元線性回歸[18-19]方法分析西安市1961—2018年的10月上中旬平均氣溫之間的線性關系。采用線性趨勢對播種期氣溫、冬前積溫等進行變化趨勢分析。冬前積溫指冬小麥播種次日到停止生長期日平均氣溫≥0℃的積溫(采用5日滑動平均法[20],以第一次5日平均氣溫降到0℃的最后一天為準,即日平均氣溫≥0℃的終日)。為便于日期統計,以1月1日為起點記為1,2月1日記為32,以此類推。采用M-K檢驗方法分析冬前平均氣溫和積溫的時間變化特征。

1.2.2 小麥生長溫度指標分析 采用積溫學指標[21]確定冬小麥適宜播種期溫度指標，并結合散點圖對冬小麥適播期進行分析。專家研究表明[22-24],冬小麥冬前積溫低于400℃，難以形成壯苗；高于750℃容易造成冬前旺苗。因此，以冬前積溫500～600℃為冬小麥適宜播種期的溫度指標。

2 結果分析

2.1 適宜冬小麥播種的溫度指標

冬小麥播種過早，會導致冬前分蘗過多，也易形成冬前旺長，造成冬季出現凍害；播種過晚，分蘗少，弱苗，不利于越冬。根據冬小麥冬前旺弱苗標準，統計冬小麥播種和停止生長要求的日平均氣溫穩定通過14～18℃(14℃、15℃、16℃、17℃和18℃)各界限溫度和0℃終日,以及14～18℃各界限溫度終日到0℃的有效積溫保證率。結果(表1)表明,日平均氣溫穩定通過18℃到0℃的有效積溫>750℃的保證率達87%，即為不適宜播種溫度；日平均氣溫穩定通過14℃到0℃的有效積溫>400℃的保證率達83%,即為適宜播種溫度。因此，西安市冬小麥適宜播種界限溫度為14～17℃。

表1 冬小麥播種期日平均氣溫穩定通過14～18℃各界限溫度到0℃的有效積溫保證率

2.2 冬小麥冬前氣候變化特征

2.2.1 播種期氣溫變化 根據西安市農業技術推廣中心調查統計資料顯示，近10年西安市冬小麥播種期一般在10月上中旬。從表2看出，西安市1961—2018年10月上中旬平均氣溫均呈升高趨勢，升幅為0.12～0.40℃/10a，平均為0.24℃/10a，每10年的溫度變化，均通過0.05水平的顯著性檢驗。其中,在氣候變暖前提下，21世紀以來10月上中旬平均氣溫大部分縣(區)增溫幅度明顯，與西安市年平均氣溫變化趨勢一致[25]。

表2 西安市1961—2018年10月上中旬氣候傾向率與平均氣溫

2.2.2 冬前溫度變化 1961—2018年西安市10—12月平均氣溫、日平均氣溫穩定通過0℃的有效積溫分別呈0.22℃/10a 和17.53℃/10a的上升趨勢；10—12月負積溫呈3.22℃/10a的減少趨勢。表明西安市冬小麥冬前有效積溫明顯增多。M-K方法[26]突變檢驗發現(圖1)，冬前平均氣溫和積溫波動變化基本一致，突變發生年均在1997年左右，通過0.05水平的顯著性檢驗。

圖1 近58年西安市10—12月平均氣溫、日平均氣溫穩定通過0℃的有效積溫

2.2.3 播種日期和0℃終日變化 1961—2018年西安市日平均氣溫穩定通過14～17℃(14℃、15℃、16℃、和17℃)的終日日期分別呈0.13 d/a、0.10 d/a、0.15 d/a和0.12 d/a的增加趨勢，均通過0.05水平的顯著性檢驗，即每10年西安市冬小麥播種日期將推遲1.0～1.5 d。

參照1993年國家氣象局編定的《農業氣象觀測規范(上卷)》的標準[27],確定西安市冬小麥平均越冬開始期為12月14日。1961—2018年西安市7個區(縣)日平均氣溫穩定通過 0℃終日出現在12月7—18日, 年變化趨勢除周至地區提前、藍田地區基本持平外,其余5站及西安市平均0℃終日日期均為推遲趨勢；西安市日平均氣溫穩定通過 0℃的平均日期為12月14日，每年平均推后0.25 d(表3)。1961—1993年，平均氣溫穩定通過 0℃的平均日期年際間波動較大，進入1994年后呈明顯推后趨勢(圖2)，說明1994年以來冬小麥冬前生長期明顯推后。

表3 西安市1961—2018年日平均氣溫穩定通過0℃終日變化

從空間分布看(圖3),西安市1961—2018年冬小麥適宜播種期日平均溫度穩定通過14～17℃各界限溫度、停止生長期0℃的平均日期變化趨勢都是由東南向西北遞增,東南部明顯偏早，東南部與西北部的平均適播期相差3～5 d，停止生長期相差11 d。穩定通過 0℃終日日期推后,說明冬小麥冬前生長期延長。

圖2 西安市1961—2018年0℃終日距平變化

圖3 西安市1961—2018年冬小麥播期日平均溫度穩定通過14～17℃各界限溫度、0℃的平均日期變化趨勢

2.3 冷暖冬年分析

冬小麥播種期是否適宜，取決于播種后到停止生長前的氣溫條件，一般冬季冷小麥停止生長時間就早，冬前生育時間將縮短，有效積溫也隨之減少，反之，則相反。根據賀皓等[28]提出的西安冷暖冬年的標準,以大于多年平均值0.7℃為暖冬,小于多年平均值0.7℃為冷冬，該標準符合中國氣象局關于長期預報質量評定標準。按照世界氣象組織統一規定，2002年以后,30 a氣候基準值取值年代為1971—2000年。從圖4看出，西安市近58年序列中有12個暖冬年,9個冷冬年。其中,1980年以前僅出現2個暖冬年(1965年、1978年),冷冬年(1962—1963年、1966—1971年、1976年)均出現在1980年以前,1990年以來暖冬年頻繁,平均3年有1個暖冬年。1977年以來西安市冬季一直偏暖(包括正常年份)。

注：縱坐標數字 0 表示正常,1表示偏暖,-1表示偏冷。

2.4 積溫學推算播種期

2.4.1 傳統播期上下限推算的播期 由近年西安市傳統播期上限(10月1日)、下限(10月20日)即10月上中旬平均氣溫變化情況看,1993年以來日平均氣溫基本穩定在14～17℃。根據1961—2018年西安7個區縣冬小麥播種次日至停止生長日期(0℃終日)的有效積溫推算結果(表4)表明,西安市冬小麥理論最適播期為10月2—13日，最晚播期為10月20日(表4)。

2.4.2 散點圖法推算的播期 根據1961—2018年西安市7個區縣歷年冬小麥播種日期(日平均氣溫穩定通過14～17℃各界限溫度終日)到停止生長日期(0℃終日)的有效積溫,經散點圖方法分析得出，西安市冬小麥理論適宜播種期在10月2—14日，最晚播種期在10月20日(表4)。2種算法結果基本一致,且與西安市冬小麥實際播期相吻合。

表4 基于傳統播期與散點圖方法推算的西安市各區(縣)冬小麥的播種期

3 討論

近年來，隨著氣候變暖日益加劇，冬小麥冬前旺長及冬后凍害的現象頻繁出現，影響冬小麥壯苗和產量的形成。因此，作物的播種期就顯得極為重要，適期播種不僅可以保證作物的安全生產，而且能夠使當地氣候條件優化利用，最終實現優質高產高效。研究結果表明，1961—2018年西安冬小麥播種期溫度、冬前平均氣溫和積溫的變化均呈上升趨勢，升幅分別為0.12～0.40℃/10a、0.22℃/10a 和17.53℃/10a，日平均氣溫穩定通過14～17℃(14℃、15℃、16℃和17℃)各界限溫度的終日日期分別呈0.13 d/a、0.10 d/a、0.15 d/a和0.12 d/a的增加趨勢，負積溫變化呈3.22℃/10a的減少趨勢，與西安市年平均氣溫變化趨勢基本一致。冬小麥適宜播種期日平均溫度穩定通過14～17℃各界限溫度、停止生長期0℃的平均日期變化趨勢都是由東南向西北遞增，東南部明顯偏早，且隨氣候變暖的變化趨勢不明顯；西安市日平均氣溫穩定通過停止生長期0℃的平均日期為12月14日,每年平均推后0.25 d,且進入20世紀90 年代后呈明顯推后趨勢，表明冬小麥冬前有效積溫明顯增多以及冬前生長期有所延長，進而影響小麥冬前壯苗和后期產量的形成。利用積溫學和散點法并結合冷暖冬年情況，依據相關文獻“暖冬年應取適宜播期下限,冷冬年則可取適宜播期上限”，最終確定西安市冬小麥適播期應為10月9—14日,最晚播期為10月20日，與西安市農業技術推廣中心調查統計的冬小麥實際播期相吻合，但由于氣候變化存在不確定性，相應的冷暖冬年趨勢也會發生改變，故冬小麥適宜播種期也會隨之變化。

4 結論

用積溫學方法確定了西安市冬小麥適宜播種界限溫度為14～17℃。1961—2018年西安市冬小麥播種期、冬前平均氣溫、積溫以及穩定通過適宜播期14～17℃各界限溫度的氣候變化均呈上升趨勢；冬前平均氣溫、積溫在1997年左右發生突變，1977年以來西安市冬季一直偏暖。冬小麥適播期日平均溫度穩定通過14～17℃各界限溫度、停止生長期0℃的平均日期空間變化趨勢由東南向西北遞增，東南部與西北部的平均適播期相差3～5 d，停止生長期相差11 d。因此，在全球氣候變暖背景下，需要對冬小麥適播期進行適當調整，明確西安市冬小麥適播期應為10月9—14日,最晚播期為10月20日。研究結果為西安市農業種植結構調整和糧食安全生產提供了理論依據。