1991-2020年西藏春小麦生育期对气候变化的响应

杜 军，高佳佳，索朗塔杰，次旺顿珠

(1.西藏高原大气环境科学研究所，西藏拉萨 850001；2.西藏高原大气环境研究重点实验室，西藏拉萨 850001； 3.西藏自治区气候中心，西藏拉萨 850001)

随着全球气候变暖，我国地表年平均气温呈显著上升趋势[1]，素有“世界屋脊”和“亚洲水塔”之称的青藏高原[2-3]的增温趋势更为显著[1]。在气候变化背景下，作物生长发育所需的光、温、水等气候资源都会发生改变，进而影响生育期。小麦是我国主要粮食作物之一，近年来国内众多学者对其物候期变化进行了研究[4-9]。由于区域气候、地理环境和农业管理措施的差异，小麦区域间物候变化趋势不尽相同[10]。对中国众多农业气象试验站数据分析表明，40%的站点春小麦和冬小麦抽穗期和成熟期显著提前，60%的站点生殖生长期显著延长，30%的站点全生育期和营养生长期显著缩短，华北平原、黄土高原、四川盆地等全生育期缩短最显著。春小麦和冬小麦生长季不同，物候变化程度也有较大差异。

西藏海拔高，冬小麦和春小麦均有种植，冬小麦主要分布在雅鲁藏布江中、下游及其主要支流拉萨河、尼洋河、年楚河、帕隆藏布等干支流域，三江流域以及喜马拉雅山南坡等海拔4 000 m以下地区；海拔3 000～4 000 m温暖半湿润半干旱河谷农区是西藏中晚熟或晚熟冬春小麦兼种区，为一年一熟；海拔4 000 m以上地区基本是春小麦种植区[11]。在全球气候变暖背景下，西藏气温上升较快，1961—2018年地表年平均气温增幅为 0.32 ℃·10 a-1，明显高于全球(0.16 ℃·10 a-1)、亚洲(0.26 ℃·10 a-1)和全国(0.29 ℃·10 a-1)；同时，年降水量以7.65 mm·10 a-1的速率呈增加趋势[12]。气温升高和降水增加必然对小麦种植范围、物候期、产量等造成影响，但目前有关西藏小麦物候期对气候变化响应的研究尚未见报道。本研究利用西藏日喀则农业气象观测站1991—2020年春小麦生育期和气象观测资料，分析西藏春小麦主要生育时期及生育期间气象要素的变化特征，探讨气候变化对西藏春小麦生育期的影响，以期为西藏农业生产适应气候变化和农业管理提供基础性科技支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

西藏仅有日喀则农业气象观测站观测春小麦，观测站位于88°32′E、29°09′N，海拔3 836 m。该站在日喀则市桑珠孜区，处于雅鲁藏布江与年楚河汇流处的冲积平原。气候属于高原温带季风半干旱气候，年日照时数3 176.3 h，年太阳总辐射6 836.6 MJ·m-2，年平均气温6.8 ℃，气温年较差17.7 ℃，年极端最高气温29.0 ℃(2009年7月25日)，年极端最低气温-25.1 ℃(1966年1月7日)，≥0 ℃积温2 698.4 ℃·d，年降水量429.9 mm，日最大降水量53.5 mm(2018年8月30日)，年蒸发量2 102.1 mm，年平均相对湿度44%，年平均风速1.5 m·s-1，年无霜期114 d。总体上该区日照时间长，太阳辐射强烈，降水集中在夏季，雨热同季，多夜雨，光、温、水等农业气候资源较为丰富。农作物主要有春青稞、春小麦、冬小麦、油菜、豌豆等。其中，春小麦播种面积为 1 333.30 hm2，总产量为18 812.65 t，单产量为 14 109.84 kg·hm-2[13]。

1.2 研究资料与方法

1.2.1 资料来源

春小麦资料来源于西藏日喀则农业气象观测站，年限为1991—2020年，生育期资料包括播种、出苗、三叶、分蘖、拔节、孕穗、抽穗、开花、乳熟和成熟普遍期日期，严格按照《农业气象观测规范》进行观测。观测地为大田，面积0.10 hm2，春小麦品种主要有日喀则54、日农10，观测地段土质为沙壤土，土壤肥力、施肥、管理均为中上等水平，灌溉条件良好。根据春小麦各阶段的生长发育特点，将小麦整个生育期划分为3个生长阶段，即营养生长期(出苗—抽穗)、生殖生长期(抽穗—成熟)和全生育期(播种—成熟)。春小麦平均生长季为4—9月。气象资料选取1991—2020年4—9月日喀则气象站逐日平均气温(Tm)、最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、降水量(Pr)、相对湿度(RH)、日照时数(S)和平均风速(Ws)等。

1.2.2 研究方法

数据处理、分析、绘图均采用Excel 2007软件完成，通过线性回归对生育期日期、生育期天数、气象要素等进行变化趋势分析，并对趋势系数进行显著性检验。

另外，采用Mann-Kendall(M-K)法[14-15]对生育期日期、天数进行突变检验，并利用逐步回归分析法[16]来讨论影响生育期天数变化的主导因子。

2 结果与分析

2.1 春小麦生长季气象要素的变化趋势

经线性回归分析，在1991—2020年期间，近30年西藏春小麦生长季气温日较差(DTR)、Pr、RH和S均呈下降趋势(图1)，变化速度分别为-0.27 ℃·10 a-1(P<0.05)、-5.69 mm·10 a-1、-0.43%·10 a-1(P<0.001)和-8.1 h·10 a-1；其他气象要素均呈增加趋势，其中Tmin的变化速度(0.65 ℃·10 a-1，P<0.001)明显大于Tmax(0.38 ℃·10 a-1，P<0.01)，≥0 ℃积温(∑T0)、Tm和Ws的增速依次为97.1 ℃·d·10 a-1、0.52 ℃·10 a-1和0.24 m·s-1·10 a-1(P<0.001)。总体来看，近30年西藏春小麦生长季气候趋于暖干化，∑T0增高，S减少，Ws增大。

Tm:平均气温; Tmax:平均最高气温; Tmin:平均最低气温; DTR:气温日较差; Pr:降水量; RH:平均相对湿度; S:日照时数; ∑T0:≥0 ℃积温; Ws:平均风速; LTV:趋势线。下图同开花日期为7月20日。乳熟期为7月下旬至9月下旬，早晚相差56 d，平均乳熟期为8月21日。7月下旬陆续进入成熟期，直至8月中旬结束，平均成熟期为9月10日。

2.2 春小麦不同生育阶段气象要素的变化趋势

从不同生育阶段来看，除乳熟—成熟期Tmax略有降低外，其他生育阶段Tm、Tmax、Tmin均表现出升高趋势，平均每10年升高0.17～1.84 ℃，多以Tmin变化最快(表1)。其中，播种—分蘖期的Tm、Tmax、Tmin增加速度在1.10 ℃·10 a-1以上；乳熟期前各生育阶段的气温上升速度逐渐在变小。∑T0在孕穗前以增加为主，之后以下降居多。DTR除在乳熟—成熟期趋于增大外，在其他生育阶段上呈变小趋势，以孕穗—抽穗期变化最明显，平均每10年下降0.99 ℃(P<0.05)。S仅在开花—乳熟期呈显著增加趋势(74.93 h·10 a-1，P<0.001)，在其他生育阶段都表现出减少趋势，下降速度为-0.57～-123.19 h·10 a-1，以乳熟—成熟期下降最快。各生育阶段的Pr以增加为主，只在抽穗—开花期、乳熟—成熟期分别以-9.35 mm·10 a-1和-57.4 mm·10 a-1(P<0.001)的速度呈减少趋势。RH在各生育阶段均呈下降趋势，特别是在乳熟—成熟期，平均每10年下降6.74%(P<0.001)。Ws在播种—出苗期趋于减小，出苗—三叶期无变化，其他生育阶段呈增大趋势，增速为0.11～0.34 m·s-1·10 a-1。春小麦营养生长期、生殖生长期以及全生育期的Tm、Tmax、Tmin、∑T0和Ws都呈增加趋势，S与RH均趋于减少。Pr在营养生长期增多，生殖生长期减少，全生育期略增。小麦营养生长期的气温升速是生殖生长期的4.7～5.8倍。

表1 1991—2020年西藏春小麦生育期气象要素的变化趋势

2.3 春小麦生育期的变化趋势

2.3.1 生育期日期变化

西藏春小麦一般在3月下旬至5月中旬播种，平均播种期为4月19日(表2)。因播期影响，出苗最早在4月上旬，最晚可推迟到5月下旬，平均出苗期为4月30日。4月下旬至6月上旬进入三叶期，平均三叶期为5月12日。分蘖期在5月上旬至6月上旬，平均分蘖期为5月19日。拔节期出现在5月下旬至7月中旬，平均拔节期为6月21日。6月中旬至7月下旬进入孕穗期，平均孕穗日期为7月2日。7月上旬至8月上旬，小麦进入抽穗期，平均抽穗期为7月12日。开花期介于7月上旬至8月上旬之间，平均

从1991—2020年，西藏春小麦各生育时期均表现出推迟趋势(图2)，平均每10年推迟2.33～13.36 d。除开花期、成熟期外，其他生育时期变化趋势均通过了0.05以上显著性水平，其中乳熟期推迟最为明显，其次是播种期(11.53 d·10 a-1)，开花期推迟趋势最小(表2)。总体来看，春小麦物候期从播种期到开花期推迟速度逐渐变小，乳熟期推迟趋势明显增大，而成熟期推迟趋势又变小。春小麦物候期推迟的主要原因除气候变暖外，与当地播种期推迟密切相关。

表2 1991—2020年春小麦生育期日期气候值

图2 1991—2020年西藏春小麦生育期日期变化趋势

2.3.2 生育期天数变化

西藏春小麦从播种到成熟需128～170 d，最长、最短年相差42 d，分别出现1991和2019年，其原因除与品种有关，与全生育期平均气温也有直接联系，两者间存在着极显著的负相关关系，相关系数达-0.806(P<0.001)，1991年气温较常年值偏低1.8 ℃，而2019年气温较常年值偏高1.8 ℃；全生育期平均天数为144 d。

根据1991—2020年生育期天数的变化趋势来看(表3)，春小麦播种—出苗、拔节—孕穗2个生育阶段天数变化较小，变化幅度在±0.50 d·10 a-1之内，说明其对气候变化无明显的响应；开花—乳熟期天数表现出显著的增加趋势，平均每10年延长11.03 d(P<0.001)；其他生育阶段天数均呈减少趋势，其中乳熟—成熟期天数减少速度最大，为-9.97 d·10 a-1(P<0.001)，出苗—三叶期天数减少速度最小，仅为-1.45 d·10 a-1(P<0.10)。总体来看，近30年春小麦营养生长期、生殖生长期以及全生育期天数均呈减少趋势(图3)。其中，营养生长期天数以 -7.27 d·10 a-1的速度显著减少(P<0.001)，全生育期天数平均每10年减少8.13 d (P<0.001)，生殖生长期天数减少速度最小(-0.78 d·10 a-1)且未通过显著性检验水平。但近20年(2001—2010年)中，生殖生长期天数减少速度明显增大，为-2.47 d·10 a-1(P< 0.10)，营养生长期天数减少速度有所变小，为 -5.66 d·10 a-1(P<0.01)，而全生育期天数减少趋势基本未变(-8.14 d·10 a-1，P<0.001)。

表3 1991—2020年春小麦生育期天数气候值

图3 1991—2020年西藏春小麦生育期天数的变化趋势

2.4 突变分析

2.4.1 生育期日期

通过对1991—2020年西藏春小麦10个生育期日期进行M-K突变检验(表2、图4)，播种期的UF曲线在1991—2005年期间呈振动变化，从2006年开始快速上升，与UB曲线在2005年交叉，且在临界线±1.96之间，确定2005年发生了突变，其中2008—2020年播种期推迟趋势超过了0.05显著性检验的临界线，表明播种期推迟趋势显著；突变前后播种平均值分别为4月9日和4月27日，突变后较突变前推迟了18 d。同理，开花期无突变年，其他生育时期日期均出现了气候突变，推迟趋势显著，突变时间发生在2003—2011年，以乳熟期突变最早(2003年)，抽穗期突变最晚(2011年)。总体来看，近30年西藏春小麦90%的生育期日期发生了推迟的气候突变，突变时间主要出现2005—2009年。

图4 1991—2020年西藏春小麦生育期日期的M-K检验

2.4.2 生育期天数

同样，采用M-K方法检验了1991—2020年西藏春小麦营养生长期、生殖生长期和全生育期天数的气候突变(图5)。营养生长期天数的UF曲线从2001年开始呈下降趋势，与UB曲线交叉于2003年，且在临界线±1.96之间，确定2003年发生了突变，其中2008—2020年营养生长期天数下降趋势超过了0.05显著性检验临界线，表明营养生长期天数下降趋势十分显著；突变前后平均值分别为92 d和79 d，突变后较突变前减少13 d。生殖生长期天数的UF曲线1991—2000年呈振荡下降趋势，在2001—2013年趋于上升，与UB交叉点较多，而2001年的突变点较为明显，生殖生长期由相对偏短期跃变为相对偏长期，突变前后平均值相差不大，仅为3 d。全生育期天数的UF曲线在1991—1996年呈下降趋势，1997—2006年趋于上升，之后又呈明显的下降趋势，与UB曲线在2007年交叉，且在临界线±1.96之间，确定2007年为突变时间，其中2008—2020年全生育期天数下降趋势超过0.05显著性检验临界线，表明全生育期天数减少趋势显著；突变前后平均值分别为150 d和138 d，突变后较突变前减少12 d。

图5 1991—2020年西藏春小麦生育期天数的M-K检验

此外，在播种—成熟期9个生育阶段天数中，三叶—分蘖期、分蘖—拔节期、开花—乳熟期、乳熟—成熟期的天数发生了气候突变，突变点分别出现在2002年、2007年、2001年和2002年(表3)。其中，开花—乳熟期天数是由相对偏短期跃变为相对偏长期，突变后较突变前延长了22 d；其他3个生育阶段天数均由相对偏长期跃变为相对偏短期，突变后较突变前分别减少4 d、4 d和15 d。

2.5 春小麦生育期天数的影响因素分析

对春小麦各生育阶段天数与同期气象要素的相关分析(表4)表明，大部分生育阶段天数与S、∑T0呈显著的正相关，相关系数大于0.464(P<0.01)；与DTR相关性不大。Tm、Tmax、Tmin仅与播种—拔节期、抽穗—开花期的天数呈显著负相关(P<0.05)。Pr只与拔节—成熟期的天数呈显著正相关，相关系数在0.410以上(P<0.05)。RH与播种—出苗、三叶—分蘖、乳熟—成熟的天数呈显著正相关(P<0.10)，而与开花—乳熟期天数呈极显著负相关。Ws对生育期天数的影响多为负效应，只与出苗—三叶期、开花—乳熟期天数呈显著正相关。春小麦营养生长期、全生育期天数都与S、DTR呈显著正相关，还与气温(Tm、Tmax、Tmin)呈显著负相关，而生殖生长期天数只与S、∑T0呈显著正相关，与Tmin呈显著负相关。

表4 1991—2020年西藏春小麦生育期天数与气象要素的相关

标准化回归系数的绝对值能够揭示各气候因子对春小麦生育期天数变化的相对重要性。经逐步回归分析，春小麦各生育阶段天数与气候因子的标准化回归方程为：

DGPSE-EM=-1.027Tm-0.077RH+0.231S+ 0.908∑T0，R2=0.974，P<0.000 1

(2)

DGPEM-TH=-0.368Tm-0.267Tmax+ 0.238S+0.674∑T0，R2=0.966，P<0.000 1

(3)

DGPTH-TI=-0.307Tmax+0.704S，R2= 0.673，P<0.000 1

(4)

DGPTI-JO=-0.218Tmax+0.804RH- 0.389Pr+0.849S，R2=0.431，P<0.005

(5)

DGPJO-BO=0.248Tm-0.198Ws+0.542∑T0，R2=0.467，P<0.001

(6)

DGPBO-HE=-0.205Tm+0.828S，R2= 0.757，P<0.000 1

(7)

DGPHE-FL=-0.221Tm-0.060Tmin- 0.199S+1.084∑T0，R2=0.987，P<0.000 1

(8)

DGPFL-MI=-0.199Tm+0.261Tmin+ 0.196Pr+0.949S，R2=0.977，P<0.000 1

(9)

DGPMI-MA=-0.128Tm+0.048Ws+1.013∑T0，R2=0.992，P<0.000 1

(10)

DGPVGP=-0.929Tm-0.058Tmin+0.628∑T0，R2=0.987，P<0.000 1

(11)

DGPRGP=-0.541Tm-0.042Tmin+1.031∑T0，R2=0.996，P<0.000 1

(12)

DGPWGP=-1.112Tm+0.040Ws+0.623∑T0，R2=0.992，P<0.000 1

(13)

从标准化回归系数来看，影响生育期天数(DGP)的主导因子为S、∑T0和Tm，以S、∑T0居多，两者均表现出正效应，而Tm表现出负效应。也就是说，S多、∑T0高、Tm低，DGP延长，反之DGP下降。

综上所述，影响营养生长期、全生育期天数的主导因子是Tm，次要因子是∑T0，而∑T0是影响生殖生长期天数的主导因子，Tm为次要因子。1991—2020年西藏春小麦营养生长期、生殖生长期和全生育期天数减少，主要是因为Tm显著升高造成的。

3 讨 论

全球气候变暖导致我国农业气候资源发生了明显变化，气候变化对春小麦物候期的响应程度也不尽相同。刘玉洁等[17]认为，春小麦物候期变化趋势具有显著的空间分异特征。在春麦区春小麦出苗期的平均推迟幅度以及孕穗期和开花期的平均提前幅度均较大，但播种期、三叶期、拔节期、抽穗期和成熟期的平均推迟幅度较小；在冬春兼麦区，春小麦从三叶期至开花期，平均变化趋势均表现为提前。崔耀平等[18]指出，春小麦各物候期以推迟趋势站点所占比重较大，但从播种期至成熟期的物候期推迟趋势的站点数有所减少，提前趋势站点数有所增加。其中，抽穗期推迟趋势站点占53%，主要分布在东北、内蒙古、甘新青交界和西藏。本研究表明，西藏春小麦各生育时期均表现为推迟趋势，这与崔耀平等[18]的结论一致。刘玉洁等[17]还认为，尽管不同小麦种植区内春小麦物候期的变化趋势差异明显，但营养生长期、全生育期的长度普遍呈减少趋势，而生殖生长期长度普遍呈延长趋势。而在西藏近30年春小麦营养生长期、生殖生长期和全生育期长度均呈减少趋势。

日照是影响作物物候气候因素中一个的重要因素[19]。对于冬小麦这种长日照植物来说，日照时数的变化主要影响冬小麦的返青期和拔节期。杨建莹等[19]研究表明，日照时数减少对冬小麦返青期和拔节期的提前有正向作用。本研究认为日照时数减少对春小麦三叶—分蘖、分蘖—拔节、孕穗—抽穗和开花—乳熟期4个生育阶段长度的减少有正效应。

诸多研究表明，气温变化是引起小麦物候期变化的主要原因，不同种植区小麦物候期变化方向也存在差异。刘玉洁等[17]研究发现，春小麦生长季长度均随着生长季内Tm上升而减少，而冬小麦生长季长度随着生长季内Tm上升而延长。崔耀平等[18]认为，春小麦生长期长度变化与Tm之间总体上呈负相关，但是该关系在黄土高原区的部分站点上表现并不明显。西藏春小麦营养生长期、全生育期长度与Tm存在显著的负相关，并随着Tm的升高而减少，但在拔节—孕穗期、开花—乳熟期和乳熟—成熟期，生育期长度与平均气温的相关性不明显。

水分是影响小麦物候期的另一重要气候因子。刘玉洁等[17]分析得出，小麦生长季长度均随生长季内降水增加而延长，其中春小麦生长季长度对降水的敏感度小于冬小麦。杨建莹等[19]认为，降水对21世纪初近10年冬小麦生长的拔节期和抽穗有促进作用，当光照和热量条件满足时，年降水量每增加100 mm，冬小麦的拔节期和抽穗期将分别提前0.84 d和1.65 d。侯琼等[20]发现，旱作区春小麦也因干旱使播种期明显推后，生育期减少较明显，大兴安岭东麓生育期减少达到12 d·10 a-1。而崔耀平等[18]研究指出，春小麦生长期长度基本不受降水量变化的影响。本研究中，降水量即不是影响春小麦物候期变化的主要因子，也不是次要因子，其原因可能与观测地段为保灌地有关。

本研究数据来源于日喀则农业气象观测站，分析发现该地段春小麦播种期呈较为明显的推迟趋势，与当地大田春小麦播种期不一致。一般来说，春季气温变化稳定在3～5 ℃、地表解冻5～6 cm时为春小麦最适宜播种期。西藏日喀则市适宜播种期为3月下旬至4月中旬，过早或过晚播种均不利春小麦产量的形成。刘国一等[21]分析认为，春小麦产量随着播期的推迟而降低。麦类作物分蘖最适温度为13～18 ℃，当气温高于18 ℃时，分蘖就受到抑制，不利于分蘖和幼穗分化，进而影响穗粒数和成穗数。有研究表明，播种期推迟不利于西藏小麦、青稞增产。至于地段春小麦播种期推迟的原因，笔者认为与当地播期调整无关，可能与观测员主观性有关。建议观测员严格按照《农业气象观测规范》，观测地段必须具有代表性，代表当地一般地形、地势、气候、土壤、产量水平和主要耕作制度等。

以上分析表明，小麦物候除受气候变化影响外，田间管理措施(品种更新、播期调整、灌溉、施肥等)也会在一定程度上改变小麦物候期。本研究基于西藏春小麦物候期观测记录观测到的物候变化，是气候变化和人为管理共同作用的结果，而现阶段也无法定量化人为管理措施的影响程度，分析气候变化对小麦物候期的单一影响还需今后进一步探讨。同时，还有待通过增加大田观测站点数和时间序列以弥补数据代表性的不足。

另外，近30年西藏日喀则作物生长季气候趋于暖干化，针对春小麦生育进程及产量的响应特征，可采取如下应对措施：(1)根据气候变暖趋势，适当提早春小麦播种时间，使麦类作物分蘖处于最适温度范围内，延长苗期低温蹲苗和春化过程，有利于作物分蘖和幼穗分化；(2)加强农田水利基础设施建设，扩大保灌地面积，提高作物抗旱能力；(3)采用高光效育种，抗高温育种技术，选育具有高抗性可以适应未来气候变化的新型春小麦、春青稞品种。

4 结 论

1991—2020年西藏春小麦生长季Pr、RH和S表现为下降趋势，Tmin升温率明显大于Tmax升温率，Tm、∑T0和Ws均呈增加趋势。总体来看，近30年西藏春小麦生长季气候趋于暖干化，∑T0增高，S减少，Ws增大。

春小麦各生育期日期均表现为推迟趋势，平均每10年推迟2.33～13.36 d，以乳熟期推迟的最为明显。播种—出苗、拔节—孕穗2个生育期天数对气候变化响应不明显，开花—乳熟期天数表现为显著的增加趋势，其他各生育时期天数均呈现出减少趋势。尽管各物候期长度的变化趋势差异明显，但营养生长期、生殖生长期和全生育期天数均呈减少趋势。春小麦90%的生育期日期发生了推迟的气候突变，突变时间主要出现在21世纪前10年的中后期(2005—2009年)，主要是因播期推迟所致。

影响春小麦营养生长期和全生育期天数的主导因子是Tm，次要因子为∑T0，而∑T0却是影响生殖生长期天数的主导因子，Tm为次要因子。近30年西藏春小麦营养生长期、生殖生长期和全生育期天数减少，主要是因为Tm显著升高造 成的。