生物物候变化是指示气候等环境变化的综合指标, 分析生物物候变化对于评价生态系统对近期气候变化的快速响应、确定植被的碳吸收期和地表与大气之间水分、能量的季节性交换特征及其对全球碳循环和气候变化的反馈作用, 具有重要的科学意义^[1-2]。青稞的种植范围包括整个青藏高原地区的西藏自治区和青海、四川、甘肃、云南四省藏区。全区域的青稞种植比例由外向内逐步加大并随海拔高度增高而增加, 在海拔高度4200m以上的农田, 青稞是唯一种植作物^[3]。研究作为青藏高原上农作物种植上限的青稞物候期变化及其驱动力, 对气候变化对农作物影响具有指示性意义。在全球变化研究的推动下, 学界对全球变化下自然植被物候期的变化研究已取得了很大的进展^[4-15], 对作物物候期也有一定的研究^[16-28]。青稞由于种植区域的集中和观测资料较少的局限, 其研究主要集中在气象条件对生长发育及产量的影响^[29-32]、品种遗传^[33-34]、文化^[35]和施肥^[36-37]等方面, 而对于青稞物候期变化的探索则有待加强。本文通过门源1980—2015年青稞播种-成熟物候期及其平行气温和降水资料, 分析青海省青稞物候期变化及其对水热条件的响应, 以期为农作物响应气候变化及青海省青稞种植提供科学决策依据。

1 研究区与数据 1.1 研究区概况

门源回族自治县位于青海省东北部, 37.5°—38°N, 102°—102.5°E。东北与河西走廊中部的甘肃省天祝、肃南、山丹县接壤, 南接本省大通、互助县, 西与本州祁连、海晏县毗邻。境内山地面积占83.1%, 盆地面积16.9%, 海拔高度在2388—5254m之间, 具有典型的日照时间长、太阳辐射强、昼夜温差大等高原寒温湿润性气候特征。全年日照时数2264.8—2739.8h, 气温日较差11.6—17.5℃, 年平均气温0.8℃, 年平均降水520mm。门源农牧资源丰富, 全地区耕地面积4×10⁴ hm², 农作物以油菜、青稞为主, 兼种豌豆、小麦、马铃薯、蔬菜等, 是青海省最大的商品油料基地、藏区青稞制种基地和蜂产品生产重点县。

1.2 资料与方法 1.2.1 资料来源

文中门源站1980—2015年青稞播种-成熟物候期(1999—2000年、2003—2006年停测)、气温和降水资料来源于青海省气象局信息中心。青稞物候期观测方法根据《农业气象观测规范》(上卷)作物分册。

1.2.2 研究方法

采用气候倾向率和累积距平分析气候变化趋势, 突变检测采用曼-肯德尔(Mann-Kendall)法, 气候变化影响采用相关系数法和逐步回归法。

气候倾向率计算如下：

(1)

式中：为作物物候期时间序列；t为研究时间, 本文研究时段为1980—2015年, t取值依次为1, 2，…, n, 其中n=29；b为回归系数, 通常乘以10表示为气候倾向率, d/10a；a为回归常数。

对于某农业气象要素时间序列第t年的累积距平为：

(2)

式中：为累积距平(d); x_i为农业气象要素在第t年前第i年的值(d)；i为农业气象要素的平均值(d)。

相关系数和逐步回归利用SPSS 17.0计算。

2 结果与分析 2.1 青稞物候期特征

青稞物候期包括播种、出苗、三叶、分蘖、拔节、孕穗、抽穗、开花、乳熟和成熟(表 1)。门源青稞3月30日—4月18日播种, 4月28—5月12日出苗, 5月8日—25日三叶, 5月20日—6月13日分蘖, 6月9日—28日拔节, 6月22日—7月8日孕穗, 6月28日—7月18日抽穗, 7月5日—30日开花, 7月22日—8月16日乳熟, 8月15日—9月5日成熟。

2.2 青稞物候期变化趋势 2.2.1 青稞物候期年际变化

计算门源站近29a青稞各物候期气候倾向率表明(表 2), 播种、出苗和拔节期呈推迟趋势, 其中播种期以2.65d/10a的趋势显著推迟, 其余趋势不显著；三叶、分蘖、孕穗、抽穗、开花、乳熟和成熟均呈提前趋势, 其中分蘖期以4.78d/10a的趋势极限著提前, 抽穗2.30d/10a的趋势显著提前, 其余物候期提前趋势不显著。可见播种期的推迟, 并不意味着后期物候期推迟, 反之后期大部分物候期提前。

计算门源站近29a青稞各物候期累积距平表明, 播种期和出苗期的累积距平为负值, 其余物候期累积距平大部为正值, 表明大部分物候期呈提前趋势。各物候期累积距平的变化除三叶和乳熟期变化规律不明显外, 拔节呈四次多项式分布, 其余均呈二次多项式分布, 拟合优度0.381-0.913, 通过EXCEL中LINEST和FINV函数计算二次多项式曲线的参数, F值为5.712-137.190, F_{0.01(2, 26)}=5.526和F_{0.01(4, 24)}=4.218, 表明门源青稞大部分物候期累积距平随时间呈显著二次多项式曲线变化(表 3)。

2.2.2 青稞物候期变化突变诊断

采用曼-肯德尔(Mann-Kendall)法进行突变检测1980—2015年变化趋势显著的物候期如播种、分蘖和抽穗。给定显著性水平а=0.05, 即μ_0.05=±1.96, 计算结果绘成图 1。

从曲线可见, 自20世纪90年代后期以来, 播种期有一明显的推迟趋势, 2009—2015年播种期推迟趋势均超过显著性水平0.05临界线。根据UB和UF曲线交点的位置, 确定播种期20世纪90年代的推迟是一突变现象, 具体均是从1997年开始的；分蘖期自20世纪90年代中期以来有一明显的提前趋势, 2001—2015年提前趋势均超过显著性水平0.05临界线。根据UB和UF曲线交点的位置, 确定分蘖期20世纪90年代的提前是一突变现象, 具体是从1996年开始的。抽穗期自20世纪90年代初期有一明显的提前趋势, 2001—2010年提前趋势超过显著性水平0.05临界线。根据UB和UF曲线交点的位置, 确定抽穗期20世纪90年代的推迟是一突变现象, 具体是从1994年开始的, 且2010-2015年间又出现波动突变现象, 从现有资料看, 仍呈提前趋势。

2.3 气候变化对青稞物候期变化的影响 2.3.1 青稞物候期与气象条件的相关系数分析

计算门源青稞随时间变化趋势显著的播种、分蘖和抽穗与前期气候因子(上年9月—当年8月气温和降水)的相关系数(表 4)。可以看出影响播种期的主要因子是温度和降水, 与0℃活动积温、期间降水、稳定通过0℃、3℃的积温呈显著正相关, 积温(最低气温)越高, 播种期越推迟, 播前降水越多, 播种期亦推迟。影响分蘖的因子主要为2—4月平均气温和最高气温, 2—5月最低气温, 稳定通过0℃和3℃初日和积温, 0℃活动积温和期间平均气温。其中分蘖期与稳定通过0℃和3℃初日呈显著正相关, 与其余因子均呈显著或极显著负相关。影响抽穗期的因子则为2月、4月平均气温和最高气温、4—5月最低气温、稳定通过3℃和5℃初日、稳定通过0℃、3℃和5℃积温。其中抽穗期与稳定通过3℃和5℃初日呈极显著正相关, 与其余因子均呈显著或极显著负相关, 表明界限温度初日越晚, 分蘖(抽穗)出现越晚, 界限温度积温(前期气温)越高, 分蘖越早。

2.3.2 青稞物候期逐步回归法拟合

虽然各阶段气候因子均影响青稞物候期, 但利用SPSS 17.0统计软件中逐步回归法拟合(表 5)表明, 显著影响青稞物候期的因素主要是气温、降水和积温。播种前0℃活动积温升高1℃·d, 期间降水量增加1mm, 播种期推迟0.252d。稳定通过0℃积温增加1℃·d, 分蘖期提前0.026d；4月最低气温升高1℃, 抽穗期提前1.890d。

2.3.3 气候变化及突变检验

分析显著影响青稞物候期的气候因子变化(图 2)表明, 播种前0℃活动积温、稳定通过0℃积温和4月最低气温自1980年以来呈极显著升高趋势, 升高幅度分别为12.130℃·d/10a、116.280℃·d /10a和0.587℃/10a, 播种前降水呈波动减少趋势, 但趋势不显著。

从门源播种前0℃活动积温、稳定通过0℃积温和4月最低气温M-K突变检验曲线可见, 各要素均有一明显的升高趋势。0℃活动积温、稳定通过0℃积温和4月最低气温升高趋势超过显著性水平0.05临界线的时间分别是从2002年、1996年和2003年开始的。根据UB和UF曲线交点的位置, 确定0℃活动积温、稳定通过0℃积温和4月最低气温升高是突变现象, 具体分别是从1999年、1996年和1996年开始的(图 3)。

2.3.4 青稞物候期及其驱动气候因子间突变关系

从表 6可以看出, 青稞物候期对气候突变响应敏感, 开始突变年份和驱动气候因子突变基本同步, 显著突变开始年份播种期和分蘖期较气候驱动因子晚5—7年, 而抽穗期突变波动出现, 表明品种和耕作方式等因素影响所致。

3 结论和讨论 3.1 结论

门源青稞4月上中旬播种, 8月中旬—9月上旬成熟, 各物候期早晚相差最大14—25d。

青稞各物候期1980—2015年间随时间变化敏感期主要出现在开花期前, 播种、出苗和拔节期呈推迟趋势, 其余均提前, 其中播种、分蘖和抽穗呈显著或极显著趋势。播种期推迟, 后期大部分物候期提前。各物候期累积距平随时间变化大部呈极显著二次多项式曲线变化。

各阶段气温和降水中, 除了播种期受0℃活动积温和期间降水外, 显著影响青稞物候期的因素主要是气温。播种前0℃活动积温升高1℃·d, 期间降水量增加1mm, 播种期推迟0.252d。稳定通过0℃积温增加1℃·d, 分蘖期提前0.026d；4月最低气温升高1℃, 抽穗期提前1.890d。

播种期、分蘖期和抽穗期对气候突变响应敏感, 开始突变年份和驱动气候因子突变基本同步, 而播种期和分蘖期显著突变开始年份较气候驱动因子晚5—7年。

3.2 讨论

本研究以春青稞为研究对象, 分析了青稞物候期自1980年以来随时间变化趋势及其驱动因素。研究中春青稞品种先后为门源亮兰、循化亮兰、莫多吉和北青8号, 熟性由极早熟-中早熟发展。门源春青稞播种期推迟并没有导致成熟期推迟, 相反呈不显著提前趋势, 表明气候变暖导致的春青稞物候期提前大于作物品种的作用。研究显示, 青藏高原草地植物物候期春季提前, 秋季推迟, 生长季延长。由于用途不同, 作物与草地植物物候期对气候变化的响应关注点不同。草地植物主要关注影响生长季长短的返青和黄枯上, 农作物则主要关注播种和成熟。门源青稞播种期推迟, 成熟期提前, 生长季缩短。可见气候变暖为青藏高原农业生产提供了更充足的热量资源, 农作物物候期也随之改变。

值得注意的是青藏高原一般认为顶凌播种有利于高产, 0℃初日与作物播种期有密切的关系, 但门源却出现了气温升高, 播前活动积温升高播种期推迟的现象。分析表明, 气候变暖, 但门源春、夏、秋、冬和3月1日—4月上旬降水变化趋势均不显著, 秋季降水呈不显著增加趋势, 其余均呈不显著减少趋势。普查门源青稞农业气象灾害主要为霜冻和冰雹干旱, 分别占50%和33%, 主要发生时间为8月份的早霜冻, 7月和8月的冰雹。结合青稞播种期与播种前降水量呈正相关表明播种期的改变和冬春季降水减少有关。但分析土壤0—10cm解冻后3月28日相对湿度呈显著增加趋势, 这与秋季降水增多蓄水增墒极显著相关(P＜0.01)。通过文中的研究表明, 目前门源青稞播种期是否适宜尚待进一步研究, 采取顶凌播种、推迟播种或0—10cm土壤解冻后播种需通过田间分期播种试验进一步验证, 可以肯定的是顶凌播种有利于青稞避免后期早霜冻。因此开展青藏高原农业物候变化及其驱动, 对青藏高原合理利用气候资源, 调整农业结构和作物种植制度具有积极的现实意义。