摘要:基于河南省1981—2016年18个农业气象观测站的冬小麦观测资料及气象资料，采用一元线性回归法、偏相关分析法和多元线性回归模拟等，分析河南省冬小麦生长发育和产量对气候变化的响应。结果表明:河南省冬小麦出苗—返青期和开花—成熟期延长，返青—开花期缩短，全生育期缩短。全生育期内最高气温和最低气温呈升高趋势，降水量变化不明显，太阳辐射呈减少趋势，不同生长阶段内各气象要素变化趋势不一致。最高气温与小麦气象产量为负相关关系，最低气温、太阳辐射与小麦气象产量为正相关关系，降水量与不同区域的小麦气象产量相关关系不同。小麦相对气象产量与各气象要素敏感性分析结果表明:不同生长阶段小麦相对气象产量对各气象要素变化的敏感性不同;小麦生长时期内最高气温升高1℃，相对气象产量减少约16.00%;最低气温升高1℃，相对气象产量增加约17.00%;降水量减少10.00%，相对气象产量增加约0.35%;太阳辐射减少10.00%，相对气象产量减少约1.70%。
关键词:冬小麦产量;响应;气象因素;发育期
1、引言
气候条件是制约农业生产的自然资源中重要的组成部分[1]。IPCC第五次评估报告指出，1880—2012年全球海陆表面平均气温升高了0.85℃，21世纪全球气温增幅可能超过1.5～2.5℃[2]，近50年来中国平均气温升高了1.3℃[3]，气候变暖对农业生产产生了深远的影响[4]，对作物的生长发育及产量具有重要的影响[5]。气候变化背景下中国的粮食安全也已受到严重威胁，2020—2050年中国农业生产将受到气候变化的严重冲击[6]。准确量化作物发育及产量对过去气候变化的响应及其敏感性是理解和预测未来气候变化对农业生产影响的前提和基础[7-8]。专家们已经在气候变化对农作物的生长发育及产量形成的影响机理等相关领域进行了大量研究[9-11]。不同的研究区域、尺度及研究方法，其研究结果往往存在较大的不一致性。有研究表明[8，12]，作物生育期的气温每升高1℃，冬小麦的生育期缩短17d。杨建莹等[13]利用多元逐步回归法，分析了华北地区20世纪70年代和21世纪初两个年代冬小麦发育期变化，结果表明，播种期普遍推迟，返青期在河南省内明显推迟。姬兴杰等[14]利用历史数据，采用统计分析法分析气候变化对冬小麦发育期影响发现，河南省内冬小麦播种期和返青期变化不一致且不显著，抽穗期和成熟期显著提前。气候变暖导致河南省冬小麦拔节期明显提前，抽穗以后各生育期提前量较少，冬季生育期、全生育期明显缩短[15]。Lobell等[16]在全球尺度上的研究指出，1980—2008年的气候变化使全球小麦减产2.50%。You等[17]在我国1979—2000年小麦产量对气候变化的响应研究中发现，温度升高使小麦减产约4.5%。赵丹丹等[18]基于历史数据，采用逐步回归分析方法分析气温和降水对冬小麦产量的影响，发现气温和降水增加，气象产量减少。周林等[19]利用生态学模式SUCROS模拟结果表明，在无土壤水分亏缺的情况下，黄淮海地区秋冬季温度升高，播种到开花期日数减少，开花到成熟期日数稍有延长，播种到成熟期的持续日数缩短。由于气候变化对作物的影响还有很大不确定性，加之品种的更新或管理措施的改进等，冬小麦对不同生长阶段气候变化的响应和敏感性存在差异[20]。以往的研究多关注小麦整个生育期气候变化对其生长和产量的影响，或研究整个生育期内同一界限温度下相关热量资源的变化[21]，得到的结果不能很好地解释其影响机制[17]。因此，在进行冬小麦生产对气候变化响应的研究中，需要根据其不同的生长阶段对气候变化的响应进行单独考虑。
河南是我国粮食生产大省，是小麦主产区之一，在全国有着十分重要的地位。据中国统计年鉴记载，河南省2014年和2015年小麦总产分别约占全国小麦总产的26.38%和26.89%，且所占份额一直呈稳步上升态势。本研究选取河南省有代表性的农业气象试验站点，利用长序列的发育期和产量观测资料，在站点尺度上研究冬小麦发育期及产量对气候变化的响应，建立产量与各气象要素的作物统计模型，分析其敏感性，以期为冬小麦的安全生产和科学管理提供科学依据。
1数据与方法
1.1研究区域与数据
河南省位于中国中东部，处于31°23'～36°22'N和110°21'～116°39'E，地势西高东低，以平原为主，中、东部为黄淮海冲积平原，西南部为南阳盆地，平原和盆地、山地、丘陵分别占总面积的55.7%、26.6%、17.7%。河南省地处中纬度内陆地区，气候为亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，主要的种植制度为一年两熟，以冬小麦-夏玉米轮作为主，是我国重要的粮食生产基地。
1981—2016年各农业气象观测站冬小麦发育期观测资料和代表站点地段产量来自于国家气象信息中心及河南省气象局档案馆，数据包括逐年冬小麦播种、出苗、返青、开花、成熟等关键生育期及冬小麦观测地段产量，农业气象站点信息及年气象要素变化趋势见表1。气象数据来自于河南省气象局档案馆，数据包括逐日最高气温、最低气温、降水量及日照时数等，其中辐射通过日照时数依据AngstromPrescott方程计算获得[22-23]。
1.2方法
各站点各发育期、生长阶段(即出苗—返青期、返青—开花期、开花—成熟期、出苗—成熟期)及生长阶段内气象要素(最高气温、最低气温、降水量、辐射)的趋势变化采用一元线性回归分析法，显著性检验采用相关系数检验法。
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摘 要：小麦是我国北方大部分地区重要的粮食作物，近年来，全球性的环境变化使得各种天气对小麦种植造成影响。如何通过人工的一些措施来影响天气，实现对小麦产量的促进，成为当前研究的重点。
分析各生长阶段内气象要素与产量的关系时采用偏相关分析法。气象要素序列采用一元线性回归法进行去趋势[24-25];产量序列采用分段直线滑动平均模拟法，将产量分为气象产量和趋势产量，该方法将线性回归模型与滑动平均相结合，其优点在于不必主观假定曲线类型，也不损失样本数[26];将去趋势后的气象要素与气象产量进行偏相关分析，显著性检验采用相关系数检验法。
利用相对气象产量[27]和气象要素建立多元回归模型，进行小麦产量对气象要素的敏感性分析，回归方程采用F检验法进行显著性检验。
2结果
2.1小麦发育期、生长阶段长度与气象产量关系
1981—2016年，河南省冬小麦发育期变化显著。河南省18个站点，小麦出苗期和播种期的变化趋势是一致的，出苗期和播种期显著相关(相关系数达0.93)。出苗期和返青期倾向率分别为0.51天/10a和0.81天/10a，即每10年延迟0.51天和0.81天，返青期延迟天数大于出苗期的。相反，开花期和成熟期倾向率分别为-2.52天/10a(通过了0.01水平的显著性检验)和-1.48天/10a，即每10年分别提前2.52天和1.48天，开花期提前趋势较成熟期的明显(图1)。
1981—2006年的资料分析结果表明，河南省冬小麦出苗—返青期和开花—成熟期分别延长0.29天/10a和1.03天/10a，返青—开花期缩短3.33天/10a(通过了0.01水平的显著性检验)，最终导致出苗—成熟期缩短2.00天/10a(通过了0.01水平的显著性检验)。总体而言，小麦前期生长即出苗—开花期时间显著缩短，籽粒灌浆期即开花—成熟期时间延长。
发育期和生长阶段长度的变化趋势很可能是导致产量变化的原因之一。气象产量与出苗—返青期天数的相关系数为-0.02，即呈现出弱的负相关关系，气象产量与返青—开花期、开花—成熟期天数的相关系数分别为0.02和0.06，呈现弱的正相关关系，与出苗—成熟期天数呈现弱的正相关关系(图2)。单从生长阶段这一要素来讲，出苗—返青期延长和返青—开花期缩短可能导致产量降低，开花—成熟期延长可能会导致产量增加，整个生长阶段即出苗—成熟期的缩短可能会导致产量略有下降。
2.2小麦各生长阶段内气象要素变化
本文所选的站点位于不同的地理和气候区，呈现出不同的气候趋势(图3)。1981—2016年小麦全生育期即出苗—成熟期呈现显著的变暖趋势。18个站点中，最高气温和最低气温均呈升高趋势，有7个站点最高气温的升高趋势通过了0.01的显著性水平检验，有15个站点最低气温的升高趋势通过了0.01的显著性水平检验。所有站点的降水量均未通过0.01的显著性水平检验，17个站点降水量为增加趋势，仅1个站点为减少趋势。有9个站点太阳辐射的变化趋势通过了0.01的显著性水平检验，17个站点太阳辐射为减少趋势，仅1个站点呈增加趋势。
1981—2016年的36年间，河南省内小麦全生育期即出苗—成熟期平均最高气温和最低气温分别增加0.31℃/10a和0.56℃/10a，降水量增加9.23mm/10a，太阳辐射减少57.67MJ/(m2·10a)(图4)。各气象要素在小麦不同生长阶段变化趋势一致，变化幅度有所不同。平均最高气温在返青—开花期升高趋势最显著(0.89℃/10a)，其他生长阶段升高趋势较小;平均最低气温升高趋势和最高气温一致，在返青—开花期升高趋势最显著(0.90℃/10a)，其他生长阶段升高趋势较一致，处于0.50℃/10a左右;平均降水量在出苗—返青期增加趋势较明显(6.72mm/10a)，返青—开花期变化次之，开花—成熟期几乎无变化;平均太阳辐射在出苗—返青期减少趋势最明显，为-42.74MJ/(m2·10a)，开花—成熟期变化次之，返青—开花期几乎无变化。
2.3小麦各生长阶段内气象要素与气象产量关系
河南省小麦全生育期内即出苗—成熟期，最高气温与小麦气象产量有5个站点为正相关关系，13个站点为负相关关系，其中洛阳伊川站点负相关关系通过了0.01的显著性水平检验。大部分站点的最低气温、太阳辐射与小麦气象产量为正相关关系，分别有3个站点和5个站点为负相关关系，且所有站点均未通过0.01的显著性水平检验。降水量与不同区域小麦气象产量相关关系不同，河南省南部和西部为正相关关系，北部和中部为负相关关系，18个站点中有8个站点为正相关关系，10个站点为负相关关系(图5)。
所有站点中各生长阶段最高气温与小麦气象产量均为负相关关系，开花—成熟期相关系数(绝对值)较大，但各生长阶段相关关系较弱(负相关系数的绝对值均小于0.08)。各生长阶段最低气温与小麦气象产量均为正相关关系，全生育期即出苗—成熟期相关系数最大，返青—开花期次之，开花—成熟期最小。出苗—返青期和返青—开花期降水与小麦气象产量为正相关关系，开花—成熟期为负相关关系，全生育期即出苗—成熟期为负相关关系。各生长阶段太阳辐射与小麦气象产量为正相关关系，开花—成熟期相关系数最大，返青—开花期最小，全生育期相关系数为正(图6)。
2.4小麦相对气象产量对不同气象要素的敏感性
从小麦相对气象产量与最高气温、最低气温、降水量和太阳辐射标准化回归系数可以看出(图7):在全生育期即出苗—成熟期，若最高气温升高，仅5个站点的相对气象产量增加，最高气温升高1℃，这些站点的相对气象产量增加超过10.00%，而多数站点的相对气象产量减少幅度远超过10.00%。若最低气温升高，仅4个站点的相对气象产量减少，最低气温升高1℃，这些站点的相对气象产量减少幅度超过10.00%，而多数站点的相对气象产量增加幅度远超过10.00%。多数站点的相对气象产量对最高气温和最低气温的响应是相反的。降水量减少，多数站点的相对气象产量是增加的，最多增加4.20%;仅7个站点的相对气象产量是减少的，降水量减少10.00%，这些站点的相对气象产量减少最多可达3.40%。太阳辐射减少，多数站点的相对气象产量是减少的，仅2个站点的相对气象产量是增加的;太阳辐射减少10.00%，相对气象产量减少最大幅度为6.30%。各站点的多元回归方程及各气象要素的回归系数，均未通过0.05水平的显著性检验。
河南省18个站点的回归方程各要素的平均标准化系数中，不同生长阶段各气象要素的系数不同，即不同生长阶段小麦相对气象产量对各气象要素变化的敏感性不同(图8)。各生长阶段中气象产量对最高气温、太阳辐射的响应是一致的，最高气温升高、太阳辐射减少，相对气象产量减少;返青—开花期相对气象产量对最低气温的响应最明显，开花—成熟期相对气象产量对最低气温响应最小。不同生长阶段相对气象产量对降水量的响应不同，降水量减少，出苗—返青期产量减少，其他生长阶段增加。出苗—返青期最高气温升高1℃，小麦相对气象产量减少约8.60%;最低气温升高1℃，小麦相对气象产量增加约6.60%;降水量减少10.00%，小麦相对气象产量变化为-7.70%—1.40%，平均减少1.10%;太阳辐射减少10.00%，小麦相对气象产量减少约1.20%。返青—开花期最高气温升高1℃，小麦相对气象产量减少约17.90%;最低气温升高1℃，小麦相对气象产量增加约16.70%;降水量减少10.00%，小麦相对气象产量增加约0.30%;太阳辐射减少10.00%，小麦相对气象产量减少约0.90%。开花—成熟期最高气温升高1℃，小麦相对气象产量减少约5.30%;最低气温升高1℃，小麦相对气象产量减少约0.20%;降水量减少10.00%，小麦相对气象产量增加约1.00%;太阳辐射减少10.00%，小麦相对气象产量减少约1.70%。整个生长阶段即出苗—成熟期最高气温升高1℃，小麦平均相对气象产量减少约16.00%;最低气温升高1℃，小麦平均相对气象产量增加约17.00%;降水量减少10.00%，小麦平均相对气象产量增加约0.35%;太阳辐射减少10.00%，小麦平均相对气象产量减少约1.70%。
3结论与讨论
3.1结论
本文基于1981—2016年18个农业气象观测站的冬小麦观测资料，利用一元线性回归法、偏相关分析法和多元线性回归模拟等分析小麦发育期变化、小麦不同生长阶段内各气象要素的变化及小麦产量对其变化的响应，具体结论如下:
(1)冬小麦生长发育变化为:出苗期和返青期延迟，开花和成熟期提前，导致出苗—返青期和开花—成熟期延长，返青—开花期缩短，整个生长阶段缩短。整个生长阶段缩短可能会导致产量下降。
(2)小麦全生育期内最高气温和最低气温均呈现出升高趋势，且最低气温升高趋势更为显著，降水量变化不明显，太阳辐射呈减少趋势。不同生长阶段内各气象要素变化幅度不一致。
(3)气象要素与气象产量的关系为:最高气温与小麦气象产量为负相关关系，最低气温、太阳辐射与小麦气象产量为正相关关系，降水量与不同区域小麦气象产量相关关系不同。
(4)小麦相对气象产量与各气象要素的敏感性结果为:若最高气温升高1℃，平均相对气象产量减少约16.00%;若最低气温升高1℃，平均相对气象产量增加约17.00%;若降水量减少10.00%，平均相对气象产量增加约0.35%;若太阳辐射减少10.00%，平均相对气象产量减少约1.70%。
3.2讨论
(1)由于近30年来，农作物种植制度的变化和品种更替，气候变化对作物生育期的影响是不可忽视的。研究表明[28]，积温的增加导致冬小麦成熟期推迟，气候变化使我国的冬小麦种植区向北扩展，且适宜种植的品种向弱冬性方向演化[29]。发育期变化与产量也有一定关系。有研究表明[30-31]，在不考虑品种改变和管理措施的情况下，气候变暖导致小麦发育期缩短，从而导致小麦产量下降。
(2)分析气象要素变化趋势时，本文选取的小麦生长时段为10月下旬—翌年5月下旬，是在小麦顺利出苗后进行的研究。而曹倩等[32]选取10月—翌年5月气象资料分析华北冬小麦农业气候资源结果显示，河南省冬小麦生育期内降水量以减少为主，但变化趋势不显著，选取生长时段不一致导致两者降水量变化趋势不一致。
