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1981-2009年华北平原冬小麦物候变化观察
邓登盼，陶福涛，刘玉杰，文娇诗，孟旺，刘凤山，张帅，朱朱
摘要：过去三十年的气候变化可能对作物物候发展和作物生产力有重大影响。在本研究中，调查了华北平原1981-2009年冬小麦物候的趋势。研究表明：播种期(BBCH 00)、出苗期(BBCH 10)、休眠期(休眠开始)平均延迟1.5天、1.7天和1.5天/十年。与之相反，绿化（休眠结束）、开花期（BBCH 61）和成熟期（BBCH 89）平均提前 1.1天、2.7天和1.4天/十年。在大多数调查站中，冬小麦的GP2（休眠到绿化）、GP3(绿化到开花期)和GP0（出苗到成熟期）在1981-2009年期间缩短。然而，由于早期开花，灌浆期出现在比以前更低的温度。这一点，稍微延长了GP4（开花期到成熟期）。田间观察CERES-小麦模型-开花和成熟时间模型表明，气候变化是冬小麦物候变化的主要因素。这项研究的结果表明应当加强气候变化的研究，以应对田间作物对此全球变化的复杂反应和适应。
关键词：物候、冬小麦、生长期持续时间、气候变化、GERES-小麦模型、华北平原
介绍
过去几十年来，全球各地都报道了气候变暖的趋势(IPCC，2007年)。在中国，自上世纪80年代以来，气候变暖加速，甚至预测了未来的增长 (丁等人2006年；陶等人2006年)。据记载，气候变化影响田间作物的发育和生产力，这是对粮食安全的日益关注(Semenov 2009年；Liu等人2010年)。 植物生长主要受气象条件的影响（Batts等1996年；Menzel等2000年；Menzel等 2006年；Estrella等 2007年；Ma等人2011年)。物候变化是气候和其他环境条件变化的重要指标(郑等人2002年；Diskin等 2012年)。有研究报告表明，1980年以后，受到气候变暖的驱动，物候季节发生了明显的变化(Menzel and Fabin 1999年和郑等人2002年；Chmielewski等 2004年)。然而，到目前为止，对田间作物动态变化的研究相对较少，尽管它们具有潜力的经济重要性（Chmielewski等 2004；陶等人 2006）。(2006年)。人们普遍认为，气候变化对作物生产力的影响是通过作物生育期来衡量的（Craufurd and Wheeler 2009； Kelman and Dove 2009 )。
作物开花、成熟等物候事件的发生时间为作物对温度的响应提供了可测量的指标（Van Bussel等 2011； White等2011）。利用(气候)数据驱动的作物模型对作物的发展进行了广泛的分析（Jamieson 等 2007；Challinor 等2009;；陶等 2009）。然而， 基于实地观测数据的作物直接趋势评估工作的研究比较少。冬小麦是一种冬季生长中断的作物，对温度变化特别敏感.在小麦对温度的直接反应中，主要是通过内在发育和亚低温等过程来实现的（Porter and Gawith 1999）。冬小麦的变化是很明显， 并在常规野外实验中可以直接监测。
因此，可以利用物候变化的日期来评估冬小麦对气候变化的反应(Stacks 等2010)。
本研究以华北平原36个试验站为研究对象，对1981-2009年冬小麦品种的变化趋势进行了研究。平原是中国冬小麦的主要生产基地。本研究的主要目的是分析近三十年来冬小麦籽粒品质的变化趋势。本研究还确定冬小麦对平原气候变化趋势。这项研究的结果不仅对深入了解气候变化对作物发展和生产力的影响至关重要，而且对数百万人的粮食安全也至关重要。
图1研究区的地理位置图(右下角)和用于研究的气象试验站的位置(主图)
数据和方法
研究区
本研究区位于河北、河南、山东、山西等省，同时也包括京津两市。该地区典型的耕作制度是冬小麦夏玉米栽培。适宜的气候条件和良好的土壤质量有利于广泛的冬小麦生产(杨等 1991；陶等2006年)。在这项研究中， 在1981-2009年期间，选取了36个小麦站，调查了冬小麦品种的变化趋势所有站点都位于典型的冬小麦产区。
方法
研究了1981-2009年冬小麦各生育期的变化趋势。通过线性回归模型，确定了冬小麦各调查品种的时间趋势：Yi=kXi b （1） 其中，Yi为第i年的观测日，k为坡度，b为截距，X为第i年(2，···，29)。在本研究中，采用双尾t检验方法确定统计显著性。
为了分离作物和气候变化对冬小麦品种变化的影响，对8个代表性站的田间观测事件进行了时间序列分析。 并与作物环境资源综合(作物环境资源综合)-小麦模型的模拟结果进行了比较。研究中使用的8个代表站包括河北省和河北省Z区。 河南为准，山东为准，山西为准(表格1)。
并对8个代表站的小麦模型进行了验证。对于这八个站点中的每一个，都确定了1981-1985年栽培的最典型的小麦品种。然后利用1981-1983年的观测资料对该模型的遗传参数进行了统计分析。同时利用1983-1985年的观测数据对模型进行了验证。最后，利用1980-2008年的历史天气资料，对验证模型进行了驱动，模拟了每个台站的天气预报和成熟期。
小麦模型描述CERES
本研究中所使用的小麦模型是CERES.对一系列环境(例如，天气和土壤变量)和管理(例如， 作物品种、种植条件、施肥、灌溉等)因素。小麦被嵌入到新技术转让决策支持系统(决策支持系统模型中Jones等人2003年)。该模型描述了在某一特定作物生命周期中根据累积度日发生的过程。作为对t的直接反应的生长阶段的持续时间。 品种和类型不同，用遗传系数作为模型的输入来描述这些变异。
该模型使用了7个遗传系数，它们与籽粒的敏感性、灌浆持续时间、粒数转换、灌浆速率、要求、茎秆等有关。该模式的最低天气输入要求包括日太阳辐射、降水量以及最高和最低气温、土壤输入（包括排水和径流系数、第一阶段蒸发量和土壤蒸发量、各土层的土壤水分特性以及各土层的生根偏好）。还需要小麦模型模拟、饱和土壤水分和初始土壤水分条件.主要管理投入变量包括植物种群、种植深度、种植日期等。如果采用灌溉和施肥方式，则需要使用日期和用量。此外，该地点的纬度是需要计算日长度在研究地区。莫 播种至成熟期主要发育、生物量积累和分配、叶面积指数(LAI)、根、茎、叶、粒等。本研究认为 特别着重于模拟生理成熟和生理成熟的日期。
表1 1981-2009年华北平原冬小麦平均水平
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可变因素 SW EM DR GU AT MT |
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平均日期 281 289 348 54 124 157 标准偏差 8.5 9.0 12.2 7.9 7.8 7.4 |
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请注意：SW是播种期(00)；EM是出苗期(10)；DR是变位日期(开始)；GU是变温日期(结束)；AT是变位日期(61)；MT是成熟期。 |
图2华北平原冬小麦1981-2009年变化趋势
注意：SW是播种期；EM是出苗期；DR是播种期；GU是播种期 日期：AT是变型日期；MT是成熟期;GP1(出苗到休眠期)、GP2（休眠到绿化）、GP3(绿化到开花期)、GP4（开花期到成熟期）和GP0（出苗到成熟期）
图3华北平原1981-2009年冬小麦播种趋势：播种期（a）、出苗（b）、休眠（c）、绿化（d）、开花期（e）、成熟期（f）。圆圈显示趋势在5%的概率水平上是显著的。
数据
1981-2009年冬小麦相关数据是在中国气象局维护的国家气象站进行的试验数据（CMA）。播种（BBCH1 00;SW）、出苗（BBCH10；EM）、休眠（休眠开始DR）、绿化（休眠结束GU）、开花期（BBCH61;AT）和成熟（BBCH89；MT）这些时期和其他数据都是在现场观测记录的。
结果
1981-2009年冬小麦产量变化趋势
冬小麦通常在9月至10月的某个地方是不稳定的(表1)。如表格3a所示，在36个地点中，28个地点推迟了1981-2009年冬小麦播种期， 13站延迟显著(Plt;0.05)。播种期早于8个站点(主要在西南地区)，在pgt;0.05时均不显著。一个其他因素中，冬小麦出苗日期主要取决于播期。图3b显示出苗期的趋势与播种期的趋势相似。在大部分时间中，冬小麦的出苗日期在某种程度上被推迟了(图3b)。在整个调查站，播种日期和随后的出苗日期平均推迟1.5天/十年和1.7天/十年(图3)。
冬小麦的光合速率(开始值)和表观值(结束值)主要是温度的函数。如3c中所示，冬小麦的抗冻期延后2天。 8个电台。4站延迟显著(plt;0.0 5)，各站平均延迟1.5天/10年(Plt;0.0 5)。延迟显然是由温度升高引起的。 然而，在过去的三十年里，这一相同的温度因素会导致大多数站冬小麦早熟。在研究地区的北部地区，情况尤其如此。 6个监测站(3d)的早期异常显著(plt;0.05)。对于被调查的监测站来说，平均每十年有1.1天的时间是提前发生的(图2)
在一般情况下，变价和成熟期分别发生在5月和6月(表1)。如表中所示，在所有被调查的站点和区域内，冬小麦的无性系日期都是提前发生的。 事实上，ND对27个台站具有重要意义。与小麦成熟期相似，大部分站都经历了冬小麦的早熟期。然而，冬小麦成熟的天数 提前发生的次数比一般的少。在被调查的各个监测站中，较早出现较早的变态反应日期和随后的成熟期平均提前2.5天和1.7天/十年(图2)。
图4华北平原冬小麦不同生育期平均值变化趋势。请注意，a是再转换阶段(出现到新的阶段)；b是最基本的阶段(到目的阶段)；c是G阶段； P3阶段(成熟阶段)；d期为再适应阶段(成熟期)；e期为再适应期(出苗至成熟期)。在5%概率水平上循环一个显著趋势
1981-2009年冬小麦生育期趋势
冬小麦品种的提前或延迟导致不同生育期小麦品种发生相应的变化，如第4a条所示， 研究区域的北部。相反，在研究区西南部的其他一些台站则延长了这一时间。在所有调查的36个台站中，只有两个台站显示出显着性(p lt;0.05)缩短和收缩。这表明，在这期间，一般不存在明显的持续时间变化。
图4b显示，1981-2009年期间，大部分监测站的(转)性(转)率急剧下降，9个台站显著下降(plt;0.05) 此外，GP3（绿化到开花）在大多数站点都会减少，这尤其是研究区南部地区的情况。其中10个台站在plt;0.05时有显着性变化(Plt;0.05)（4c）。相反， 成熟度在33个车站略有延长，在17个车站（图4d）有显著延长。如图2所示。在图4e中，GP0（出现成熟）在大多数站点缩短，在13个STA中显著缩短 差异有显着性(Plt;0.05)。
总之，被调查地区GP1、GP2、GP3平均每十年缩短0.2天、2.5天和1.7天。但是，GP4平均每十年增加1.3天。这意味着冬小麦GP0 (整个生育期)在全生育期平均下降3.1天/十年(图2)。
气候变化、作物和冬小麦气候学
总体上，所选台站的模式模拟和野外观测结果一致(图5)。模拟和观测到的小麦成熟期的差异小于5天，说明在本研究中小麦-小麦模型具有较好的亲缘关系。
观测到的冬小麦品种变化受到气候变化和管理实践(特别是品种变化)的影响。相比之下，模拟时间序列的物候事件仅受到气候变化的影响。因此，可以将气候变化与气候变化对过去30年冬小麦品种变化的作用进行比较。
如表6a-h所示，在1981至2009年间，在选定的8个监测站中，品种变化频繁。除郑州站外，所选台站播期的变化趋势为每十年推迟0.9~4.6天。
在选定的8个台站中，1981-2009年观测到的和新的和成熟期的变化趋势是相似的（图6a-h）。此外，根据观察到的数据，相同栽培品种的开花期和成熟期都会有提前现象。田间观测冬小麦提前发生的天数少于选择模型模拟的天数，除驻马店站点外。此外，对于选定的台站，野外观测成熟期提前发生的程度也小于模型模拟的成熟日期，但非模拟台站（除唐山站）。这说明气候变化在冬小麦变化中起主导作用。然而，小麦光合速率的变化对小麦光合速率变化的影响不能完全忽略。
讨论
冬小麦的播种期不仅取决于气候条件，还取决于其他因素，包括农民的决定。冬小麦在播种前一般需要充分的生长。这就要求在一年中温暖的日子被寒冷的冬季条件取代之前，作物的播种必须有足够的时间。此外，冬小麦与夏玉米轮作。这意味着小麦的播种期取决于夏玉米的收获日期（Harrison等人2000年）。由于冬小麦的利润往往低于夏玉米，农民更喜欢优化夏玉米的收获日期。这当然是以优化种植日期以冬小麦为代价的。研究表明，夏玉米收获期的延迟是冬小麦播种期推迟的主要原因之一（Yang等人，2011年）。
寒冷和温带地区的冬小麦在一定程度上与这些地区的季节周期相当。这类周期通常包括冬季的一个异常周期，这主要是由季节性异常触发的温度和光强。因此，冬小麦的光合速率(开始值)和表观值(结束值)的大小主要是温度的函数。过去几次在全球气候变化下，地面气温显著升高，特别是在冬季(12月至2月)(DINE等2006年)。温升导致延迟小麦品种较早，这一时期的小麦产量相对较低。
冬小麦的易变质时间很大程度上取决于遗传变量与环境条件(如温度和温度)之间的相互作用，这也受作物的影响，播期选择管理实践 (Kirby 等 1987)。为了识别气候变化和气候
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