气候变化对青海省青稞物候期的影响

　　摘 要:为了解气候变化对青海省青稞物候期的影响,选取门源和贵南2个青稞观测站点物候期资料和逐日气象观测资料,采用统计学方法,分析了青稞生长季光温水气象要素变化特征以及青稞物候的演化趋势,并探讨青稞物候期变化的气候驱动因子。结果表明,1980-2020年青海省青稞主产区生长季气温以0.4 ℃·10a-1 的速率极显著升高,门源降水量以44mm·10a-1 的速率极显著增加,贵南降水增速不显著,主产区日照时数明显以39h·10a-1 的速率减少。青稞物候期在生育前期推迟,在生育后期提前,其中播种期推迟0.6~1.5d,成熟期提前8.5~11.0d,生育期时长缩短10.2~12.0d,物候期和生育期时长变化速率在两地表现不一。温度是影响青稞物候期变化的主要因素,生育前期和后期的气温与物候期分别呈正相关和负相关,阶段性气温与各生育期时长均呈显著负相关;降水量与物候期和生育期时长均呈正相关,但均不显著;日照时数主要影响生育期时长,对物候期影响不显著。

　　关键词:气候变化;青海;青稞;物候期;影响因子

　　IPCC 第五次评估报告指出,至21世纪末全球平均气温将升高0.3~4.8℃[1],以变暖为主要特征的气候变化愈益加剧,中国北方地区是全球气温升高显著的地区之一[2]。气候变化带来农业气候资源的变化,导致作物生长发育的改变、粮食作物产量的降低和农业生产脆弱性的加重[3],因而研究作物物候期对气候变化的响应早已是农业气象领域的热点话题。作物物候期的变化不仅会改变作物的生长周期,同时还会改变作物在生长过程中对光、温、水资源及其他营养物质的吸收和利用,影响作物产量和品质[4-6];同时气候变化对生态、农 业 生 产、卫 生 等 方 面 也 会 产 生 重 要 影响[7]。

　　目前,作物物候期对气候变化响应的研究对象多为冬小麦[8-9]、玉米[10]等作物,而对种植于青藏高原地区特有作物青稞的研究较少。青稞是禾本科大麦属的一个种,因其生长期短、抗逆性强和耐寒耐旱的特点,在海拔较高的冷凉地区广泛被种植[11],是 青 藏 高 原 种 植 面 积 最 大 的 麦 类 作物。青稞籽粒含有丰富的营养成分,特别是β-葡聚糖、黄酮等含量较高[12],是牧区人民主要的粮食作物及青稞酒的主要原料,秸秆也是牲畜的饲料之一。

　　青稞在青海省种植面积为6.39万hm2,占全省粮食作物种植面积的23%[13],现阶段主要品种有肚里黄、昆仑15号、柴青1号和北青6号。本研究利用1980-2020年青海省气象资料和青稞长期观测数据,采用统计学方法,分析青稞生长季光温水气象要素变化特征以及青稞物候期的演化趋势,并探讨青稞物候期变化的气候驱动因子,以期为应对气候变化下青藏高原青稞品种选育和高产优质栽培提供理论依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 研究区概况

　　青海省青稞主要种植在海南州、海北州和海西州,西宁市、海东市和玉树州也有小面积种植。青海省气象局在门源县和贵南县2地开展青稞农业气象观测业务,2地区位于青海省东部,介于北纬35°9'~37°52'、东经100°12'~102°39'范围,海拔2201~4982m,气温低,日照长,辐射强,降水集中,雨热同季,但降水不足,蒸发量大,属高原大陆性气候,年平均气温0.8~3.1 ℃,年降水量485~522 mm。两个地区均位于农牧交错带,主要种植青稞、油菜,作物种植受气候、土壤、灌溉等条件的影响,种植结构相对简单。

　　1.2 观测资料青稞物候期观测资料来源于门源回族自治县气象局和贵南县气象局,气象数据取自于中国气象局综合气象信息共享平台(CIMISS),其中门源数据为1980-2020年4-9月的观测数据,贵南数据为2007-2020年4-9月的观测数据,包括日平均气温、日降水量、日照时数、月平均气温、月降水量和月日照时数。本研究中营养生长期指出苗至抽穗期,生殖生长期指抽穗至成熟期,全生育期指出苗至成熟期。因为播种期受气象条件和人为因素的双重影响,故而本研究并未将播种期纳入全生育期范畴。

　　1.3 数据处理数据

　　在 Excel整理后,采用 SPSS 软件进行线性拟合和相关性分析,采用一元线性趋势分析生长季(4-9月)气象要素、物候期和生育期时长随时间的变化趋势;采用 Pearson相关性分析物候期、生育期时长与气候因子的相关性。并检验变化趋势、拟合方程和相关系数的显著性。

　　2 结果与分析

　　2.1 青海省青稞生长季气候变化特征

　　1980-2020年青海省青稞主要种植区生长季平均气温 9.6 ℃,气温倾向率为 0.4 ℃ ·10a-1。门源和贵南生长季平均气温倾向率分别为0.6和0.3℃·10a-1,且增温速率均通过极显著水平检验(P<0.001);生长季降水量为442mm,两地的降水量虽然呈增加趋势,但只有门源表现显著(44mm·10a-1,P<0.001);生长季累计日照时数1297h,门源、贵南分别以39和38h·10a-1 的速率在减少(P<0.01)。综上可知,青海省青稞主产区生长季平均气温显著升高,降水量略微增加,日照时数明显减少。青稞主产区逐月平均气温均呈现上升趋势。

　　门源月升温速率为0.40~0.76 ℃·10a-1(P<0.01);贵南4-6月升温不显著,7-9月升温显著,升温速率为0.32~0.41 ℃·10a-1。月降水量在两地表现不一。贵南各月降水量均呈增加 趋 势,其 中 8 月 降 水 量 变 化 显 著 (22.32mm·10a-1,P<0.01);门源5-7月降水量减少,其他月份降水量在增加,其中8月的增加趋势显著(9.89mm·10a-1,P<0.05)。日照时数各月均 减 少,贵 南 5 月 和 8 月 极 显 著 减 少 (P <0.01),门源8-9月极显著减少。

　　2.2 青海青稞物候期分布特征及变化趋势

　　青稞播种期、出苗期、三叶期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、乳熟期、成熟期分别集中在每年第 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,营养生长期、生殖生长期、生育期时长分别为62~64、50~51和132~139d。

　　物候期中,播种期在两地的差异最大,差值达13d,主要因为贵南4月平均气温比门源低1.4 ℃,从而导致播种期晚于门源;两地的孕穗期差异最小,相差2d,主要因为该时期是两地气温、降水、日照时数差异最小的阶段。另外,门源青稞的物候期普遍早于贵南,但拔节期较晚,这可能是因为两地气候差异和播种期不一所致。近40年间青稞物候期和生育期时长变化趋势略有不同。生育前期物候期推迟,生育后期提前,生殖生长期和生育期时长均缩短。

　　门源 播 种 期 以 1.8 d· 10 a-1 的 速 率 推 迟(P<0.05),生育期时长以3.0d·10a-1 的缩短(P< 0.01);贵南拔节期、孕穗期分别以5.8和6.4d·10a-1 的速率推迟(P<0.05),成熟期以10.8d·10a-1 的速率提前(P<0.01),生殖生长期的和生育期时长分别以14.6和11.0d·10a-1 的速率缩短(P<0.01)。整体而言,青稞主产区出苗期推迟0.6~1.5d,拔节期推迟2.0~4.2d,成熟期提前8.5~11.0d;其余物候期在两地表现相反。贵南和门源的营养生长期分别延长2.6d和缩短 6.8d,但 两 地 生 殖 生 长 期 均 缩 短3.3~14.2d,生育期缩短10.2~12.0d。

　　2.3 气象要素对青稞物候期的影响

　　2.3.1 温度影响

　　热量是 影 响 作 物 生 长 发 育 的 重 要 因 素 之一[14],物候期变化与温度变化关系密切[15]。以门源县为例,从青稞关键物候期与生育前期逐日平均气温的相关性看,出苗前的日平均气温对出苗期的影响表现不一,4月26日以前日平均气温与出苗期大多呈负相关,即气温越高,出苗越早,而在4月26日至5月4日的日平均气温越高,出苗越晚。

　　进入营养生长阶段后,在5月10日至5月28日、6月2日至7月7日两个阶段的日平均气温与抽穗期均呈负相关,即温度越高,抽穗越早。在成熟阶段,日平均气温越高,成熟越早。从整个物候期看,日平均气温对关键物候期的影响时段较分散,生育前期正效应和负效应的时段交替出现,后期均表现为负效应。

　　利用上述方法,分析得到日平均气温对青海省青稞关键物候期、营养生长期、生殖生长期、全生育期时长的效应特征。结果表明,日平均气温对青稞物候期和生育期时长主要表现为负效应,对门源青稞关键物候期的正效应主要发生在4月下旬至5月上旬,对贵南青稞的正效应主要发生在5月中下旬,说明青稞生长前期部分时段日平均气温对前期物候期产生正效应。结合两地青稞物候期来看,出苗至三叶期的日平均气温越高,抽穗时间越晚。

　　日平均气温对生育期时长的影响与物候期的影响基本类似,也是出苗至三叶期的日平均气温越高,则营养生长时间越长。从整个生育期来看,门源除出苗至三叶期的日平均气温对全生育期时长表现为正效应外,其余时段均表现为负效应;贵南则表现为播种至出苗期、分蘖至拔节期的日平均气温越高,全生育期时长越长,其余时段的日平均气温越高,全生育期时长越短。

　　3 讨 论

　　近40年来,青海省青稞主产地生长季气温升高,降水增多,日照时数减少。就平均气温而言,贵南4-6月逐月平均气温增温不显著,7-9月增温显著;门源4-9月逐月平均气温增温均显著。就降水而言,两地只有8月降水量增加显著,其中门源5-7月降水还存在减少趋势。就日照时数而言,两地4-9月逐月日照时数均减少,其中贵南5月、8月显著;门源8-9月显著,其余月份均不显著。在该气候变化背景下,两地青稞物候期变化趋势略有不同。

　　门源播种至拔节期的每一物候期大都推迟,但从拔节期以后每个物候期都提前,因此全生育期时长缩短;而贵南自播种至乳熟均推迟,到成熟期时显著提前,因此全生育期时长缩短,这与前人研究成果一致[22]。综合来看,门源青稞生育期缩短是拔节后物候期提前造成的,而贵南青稞生育期缩短是成熟期显著缩短造成的。针对这些变化可从品种选育和栽培技术两方面调整青稞生产方式,贵南应倾向于种植耐高寒阴湿、生育期较短的品种,而门源更多倾向于种植抗寒耐旱、抗倒伏的品种,同时可适当提前播种日期,科学轮作,促进各地青稞高产。

　　本研究分析光温水与对应时段物候期和生育期时长的关系发现,青海省青稞主产区气候变暖使得出苗期推迟、抽穗期和成熟期提前。进一步分析表明,逐日平均气温对出苗期的影响则是正负交替出现,也就是说,临近出苗前8~12d的日平均气温升高对青稞出苗有一定抑制作用,而更早期的日平均气温升高对青稞出苗有一定促进作用,分析逐日平均气温升高对抽穗期和成熟期大都表现为负效应,即温度越高,抽穗和成熟越早。因此,该结论印证了7-8月气温显著升高对青稞生殖生长期时长会产生负效应。

　　虽然播种至三叶期气温升高,推迟了青稞出苗期,但青稞后期生长受气温升高的影响,整个生育期仍表现出明显缩短趋势。降水对关键物候期出现时间和各生长季长度虽表现出正效应,但都未通过显著性检验。其原因有两个:一是青稞种植区降水充沛,但其不是影响青稞生长发育的关键气象因子;二是降水过程复杂、量级差异大,对青稞生理生化的影响尚未查明,其影响机理还有待进一步研究。光照对作物物候期的影响主要表现为光周期对作物发育进程的影响[23],但本研究发现日照时数对青稞物候期影响不显著,对时长影响显著。

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　　这可能是因为不同作物对光周期的敏感性不同,因此光照条件对作物物候期的影响也各异[24]。影响作物物候期和生育期时长的要素很多,除了 温 度、降 水、光 照 外,还 应 考 虑 土 壤、大 气CO2 浓度、作物品种等条件,目前对该方面的研究还待进一步深入。近几年以作物生理过程为基础,量化外部环境要素的物候期模型成为主流,但弄清每个变量的影响机制,对解释模型结果的过程变化仍是重要工作之一。

　　参考文献： [1]IPCC.Climatechange2013:thephysicalsciencebasis,contributionofworkinggroupⅠtothefifthassessmentreportoftheintergovernmentalpanelonclimatechange[M].Cambridge:CambrigeUniversityPress2013:1535.[2]《第三次气候变化国家评估报告》编写委员会.第三次气候变化国家评估报告[M].北京:科学出版社,2015.“TheThirdNationalAssessmentReportofClimateChange”WritingCommittee.Thethirdnationalassessmentreportofclimatechange[M].Beijing:SciencePress,2015.

　　[3]刘彦随,刘 玉,郭丽英.气候变化对中国农业生产的影响及应对策略[J].中国生态农业学报,2010,18(4):905.LIU YS,LIU Y,GUOLY.ImpactofclimaticchangeonagriculturalproductionandresponsestrategiesinChina [J].ChineseJournalofEco-Agriculture,2010,18(4):905.

　　作者：李 璠1,2,校瑞香1,2,严应存1,2,赵梦凡1,2,李 菲1,2,颜亮东1,2