Suitable Sowing Date Method of Winter Wheat at the County Level Based on ECMWF Long-Term Reanalysis Data

LIURuixuan, ZHANGFangzhao, ZHANGJibo, LIZhenhai, YANGJuntao

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Smart Agriculture ›› 2024, Vol. 6 ›› Issue (5) : 51-60. DOI: 10.12133/j.smartag.SA202309019
Technology and Method

Suitable Sowing Date Method of Winter Wheat at the County Level Based on ECMWF Long-Term Reanalysis Data

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Abstract

[Objective] Acurately determining the suitable sowing date for winter wheat is of great significance for improving wheat yield and ensuring national food security. Traditional visual interpretation method is not only time-consuming and labor-intensive, but also covers a relatively small area. Remote sensing monitoring, belongs to post-event monitoring, exhibits a time lag. The aim of this research is to use the temperature threshold method and accumulated thermal time requirements for wheat leaves appearance method to analyze the suitable sowing date for winter wheat in county-level towns under the influence of long-term sequence of climate warming. [Methods] The research area were various townships in Qihe county, Shandong province. Based on European centre for medium-range weather forecasts (ECMWF) reanalysis data from 1997 to 2022, 16 meteorological data grid points in Qihe county were selected. Firstly, the bilinear interpolation method was used to interpolate the temperature data of grid points into the approximate center points of each township in Qihe county, and the daily average temperatures for each township were obtained. Then, temperature threshold method was used to determine the final dates of stable passage through 18, 16, 14 and 0 ℃. Key sowing date indicators such as suitable sowing temperature for different wheat varieties, growing degree days (GDD)≥0 ℃ from different sowing dates to before overwintering, and daily average temperature over the years were used for statistical analysis of the suitable sowing date for winter wheat. Secondly, the accumulated thermal time requirements for wheat leaves appearance method was used to calculate the appropriate date of GDD for strong seedlings before winter by moving forward from the stable date of dropping to 0 ℃. Accumulating the daily average temperatures above 0 ℃ to the date when the GDD above 0 ℃ was required for the formation of strong seedlings of wheat, a range of ±3 days around this calculated date was considered the theoretical suitable sowing date. Finally, combined with actual production practices, the appropriate sowing date of winter wheat in various townships of Qihe county was determined under the trend of climate warming. [Results and Discussions] The results showed that, from November 1997 to early December 2022, winter and annual average temperatures in Qihe county had all shown an upward trend, and there was indeed a clear trend of climate warming in various townships of Qihe county. Judging from the daily average temperature over the years, the temperature fluctuation range in November was the largest in a year, with a maximum standard deviation was 2.61 ℃. This suggested a higher likelihood of extreme weather conditions in November. Therefore, it was necessary to take corresponding measures to prevent and reduce disasters in advance to avoid affecting the growth and development of wheat. In extreme weather conditions, it was limited to determine the sowing date only by temperature or GDD. In cold winter years, it was too one-sided to consider only from the perspective of GDD. It was necessary to expand the range of GDD required for winter wheat before overwintering based on temperature changes to ensure the normal growth and development of winter wheat. The suitable sowing date for semi winter wheat obtained by temperature threshold method was from October 4th to October 16th, and the suitable sowing date for winter wheat was from September 27th to October 4th. Taking into account the GDD required for the formation of strong seedlings before winter, the suitable sowing date for winter wheat was from October 3rd to October 13th, and the suitable sowing date for semi winter wheat was from October 15th to October 24th, which was consisted with the suitable sowing date for winter wheat determined by the accumulated thermal time requirements for wheat leaves appearance method. Considering the winter wheat varieties planted in Qihe county, the optimal sowing date for winter wheat in Qihe county was from October 3rd to October 16th, and the optimal sowing date was from October 5th to October 13th. With the gradual warming of the climate, the suitable sowing date for wheat in various townships of Qihe county in 2022 was later than that in 2002. However, the sowing date for winter wheat was still influenced by factors such as soil moisture, topography, and seeding quality. The suitable sowing date for a specific year still needed to be adjusted to local conditions and flexibly sown based on the specific situation of that year. [Conclusions] The experimental results proved the feasibility of the temperature threshold method and accumulated thermal time requirements for wheat leaves appearance method in determining the suitable sowing date for winter wheat. The temperature trend can be used to identify cold or warm winters, and the sowing date can be adjusted in a timely manner to enhance wheat yield and reduce the impact of excessively high or low temperatures on winter wheat. The research results can not only provide decision-making reference for winter wheat yield assessment in Qihe county, but also provide an important theoretical basis for scientifically arrangement of agricultural production.

Key words

winter wheat / suitable sowing date / ECMWF / growing degree days / reanalysis data

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LIU Ruixuan , ZHANG Fangzhao , ZHANG Jibo , LI Zhenhai , YANG Juntao. Suitable Sowing Date Method of Winter Wheat at the County Level Based on ECMWF Long-Term Reanalysis Data. Smart Agriculture. 2024, 6(5): 51-60 https://doi.org/10.12133/j.smartag.SA202309019

0 引 言

小麦是中国种植面积和总产量仅次于水稻的第二大主粮作物。据2022年中国统计年鉴记载，2021年全国小麦播种面积2 356万hm2，小麦产量13 694万吨［1］。小麦生产与人们日常生活、国家经济发展、粮食安全和社会稳定等重大问题有着直接联系。黄淮海地区是中国小麦主产区。2021年黄淮海地区小麦播种面积1 713万hm2，占全国小麦种植面积的73%，产量10 950万吨，占全国小麦总产量的80%［1］。该区域小麦产量是保证中国粮食安全的重要因素。但是，在当前气候背景下，极端气候时有发生，小麦冬前积温的不确定性增加，进而影响冬小麦播种期和冬前壮苗培育。因此，研究冬小麦适宜播种期意义重大。适期播种是形成冬前壮苗的重要手段，也是促进冬小麦一播全苗、获得高产的重要保障。早播易造成麦苗冬前生长过旺，形成旺苗，消耗过多的营养成分，入冬后遇强冷空气时易发生冻害；如果播种太迟，就会导致冬前生长积温不足，麦苗个体弱，从而形成弱苗，不利于安全过冬［2-5］。因此，准确确定冬小麦适宜播种期对于现代农业具有非常重要的意义。
从20世纪80年代开始，一系列实验数据显示，全球年平均地表温度都在不断升高。近100年来，全球温度以0.1 ℃/10 a的速度递增。在不考虑气候政策干预的情况下，未来20年仍将以此速度递增［6］。气候变暖会使小麦生长发育加快、生育期缩短、籽粒产量呈下降趋势或者因气候变暖引起农作物发育期提前而加大早春冻害［7］。目前，许多学者针对气候变化对小麦播种期的影响做了大量研究。荣云鹏等［8］将冬小麦播种出苗所需要的日平均气温、播种至停止生长期积温、播种到收获所需总积温这3个农业气象指标，与1996—2005年气温变化统计比较，发现在气温升高趋势下，冬小麦适宜播种的最佳时段比传统播种时间明显后推。高伟力等［9］通过对河南省周口市代表性半冬性、弱春性小麦品种进行不同播期田间试验及同步气象要素观测，对新气候背景下周口市半冬性、弱春性冬小麦适宜播种期气象指标进行验证与修订。李松坚等［10］通过统计分析青岛地区1971—2000年和2001—2010年温度变化规律，以及与冬小麦生长发育相关农业气象指标比较分析，提出了在目前气温条件下，青岛地区小麦、玉米一年两熟两茬作物的适宜播期。
在全球气候变暖背景下，如何准确掌握小麦适宜播种期是一个非常重要的问题。传统小麦播种期确定主要以田间观测法为主。在越冬至返青期通过目视观测，根据叶片数量和正常播种时期叶片数量的差别，以及麦苗大小主观判断早播或晚播。这种方法虽然简单，但是耗费人力、时间长、覆盖面积小，不能及时、准确、客观地获得冬小麦的播种信息［11］。目前，小麦适宜播种期的确定方法有以下几种：温度阈值法、叶龄积温法和遥感监测法［12］。温度阈值法根据不同品种冬小麦分蘖时的适宜温度，结合当年天气的具体情况确定小麦分蘖的适宜日期，进而推算小麦适宜播期。石林芝等［13］利用河北省廊坊市大城县冬小麦播种期间的气象观测数据，计算稳定降至18、16、14、0 ℃的日期及稳定通过0 ℃的积温数据，采用数理统计方法对大城县小麦适宜播种期进行相关研究，结果表明该区域小麦适宜播种期均向后推迟。叶龄积温法是以特定品种冬前壮苗标准所需要的叶片数量为依据，将小麦每长出一片叶所需要的有效积温与冬前壮苗叶片数量相乘，再加上出苗所需要有效积温，就可以得出从播种到形成冬前壮苗时所需要的有效积温，再结合当地气象数据，反推小麦适宜播期。韦宁波等［12］根据湖北省冬前叶龄指标确定了鄂北和鄂南地区小麦适宜叶龄，并计算小麦播种至越冬的有效积温平均值，由此推出该地区小麦适宜播期。遥感监测法包括基于冬小麦物候监测的整个生育期遥感数据拟合播期和直接使用冬小麦生长中前期的遥感数据监测播期。Song等［14］使用两期HJ-1B和一期Landsat 5 TM影像数据，对小麦生长前期的归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）、重新归一化植被指数（Renormalized Difference Vegetation Index, RDVI）、土壤调整植被指数（Soil-Adjusted Vegetation Index, SAVI）和差值植被指数（Difference Vegetation Index, DVI）这4个指数进行计算，再分别与播期进行相关性分析，最后基于与播期高度相关的11月22日HJ-1B的DVI数据构建了北京市冬小麦播种期监测模型，预测结果与北京市统计数据吻合较好。
目前通过遥感数据监测小麦适播期存在以下两个问题：一是当小麦处于生长前期时尚无后期遥感数据，对小麦播种期监测属于事后监测，时间相对滞后，结果不具备时效性，无法实现播期的提前监测。二是小麦在生长前期植被覆盖度较低，受土壤颜色和土壤背景因素的干扰过大，识别难度较高，无法对播种信息进行区分。相对而言，温度变化对播期的影响更容易确定。温度变化也会对土壤湿度造成一定程度的影响，所以温度与播期更相关。采用温度阈值法和叶龄积温法可以准确地事先对小麦适宜播种期进行预测。长时间序列可以更为明显地分析出小麦全生育期的温度变化规律，为小麦适期播种提供数据支持，继而及时调整播种计划，实现小麦高产稳产。然而，利用长时间序列统计分析冬小麦适宜播种期有待进一步研究。为此，本研究以山东省德州市齐河县各乡镇为例，对1997—2022年26年间的气温变化规律进行统计分析，并从冬小麦播种适宜温度、出苗及生长发育所需积温、冬前形成壮苗所需积温等不同农业气象指标角度，确定齐河县冬小麦适宜播种期，为强化小麦安全越冬管理及夏粮增产丰收提供一定的参考依据，对于合理安排播期试验、确保小麦安全越冬以及提高产量水平都有非常重要的意义。

1 数据来源与方法

1.1　研究区域

齐河县是山东省德州市下辖县，位于山东省济南市西部。地理坐标为36°24′37″~37°1′44″N，116°23′28″~116°57′35″E。截至2023年，齐河县辖2个街道、11个镇、2个乡（http://www.qihe.gov.cn/）。齐河县在德州市最南端（如图1所示），系黄河下游冲积平原，地貌形态受黄河影响较大，属于暖温带半湿润季风气候区。主要气候特点是四季分明，气候温和，冷热季和干湿季明显，春季干旱少雨多风沙，夏季炎热多雨时有涝，秋季凉爽常有晚秋旱，冬季严寒干燥雨雪稀少。其特有的气候和自然条件为冬小麦生长提供了有利的环境。齐河县是山东省冬小麦高产区之一，是农业农村部粮食高产创建示范县，也是农业农村部5.33万hm2“吨半粮”高产高效示范区，连续8年蝉联全国粮食生产先进单位。冬小麦与玉米是齐河县两大主要粮食作物。小麦能否高产稳产关系到全年粮食产量及该县粮食生产大县的地位［15］。
Fig. 1 Regional index map of Qihe county， Shandong province

图1 山东省齐河县区域索引图

a. 山东省齐河县 b. 齐河县各乡镇中心点及气象数据格网点分布

注： 该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS（2023）2765号标准地图制作，底图无修改。

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1.2　温度数据

本研究基于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）对1950年1月至今全球气候第5代大气再分析资料（The Fifth ECMWF Reanalysis, ERA5）得到齐河县各乡镇1997—2022年的逐小时温度数据。ERA5是继第4代再分析产品（ERA-Interim）后的第5代再分析资料，主要包括水汽、水平风场、温度场、地面蒸发及地面气压等数据，时间分辨率为1 h，水平分辨率为0.25°×0.25°。刘婷婷等［16］指出ERA5相对于ERA-Interim有了较大提升，适用性总体上也优于ERA-Interim再分析资料。本研究采用ERA5再分析资料的2 m温度数据（https://cds.climate.copernicus.eu）［17］。

1.3　冬小麦适宜播种期相关农业指标

齐河县种植小麦品种为冬性、半冬性品种，不同品种发育特性不同，即适宜播种期所需日平均温度和积温不同，使用温度阈值法求得稳定通过阈值温度的日期也有所不同。
1）品种发育特性。不同感温类型的品种完成发育所需的温度条件有所不同。在生产实践中，北方冬麦区冬小麦适宜播期为：冬性品种一般在日平均温度16~18 ℃，半冬性品种一般在14~16 ℃；冬前积温（≥0 ℃积温）：农作物的生长、发育和产量的形成需要特定的热量条件。一般情况下，这个热量可以用相应时段内逐日平均气温的累积值来表示。这个累计温度称为积温［18-20］。小麦冬前积温（Growing Degree Days, GDD）包括播种到出苗的积温及出苗到冬前停止生长之日的积温，是指在实际环境条件下，完成某一生育期所经历的积累有效积温值，代表作物生长期积累的热量。不同播期采用冬小麦播种至越冬期的积温表示见公式（1）。
TGDD=∑TAVE-T0
（1）
其中， TGDD为冬前积温，℃； TAVE为日平均气温，℃ ;T0为小麦生物学下限温度，取0 ℃。
一般情况下，从播种到出苗的积温为120 ℃左右，出苗后至冬前主茎每长出一片叶平均需要75 ℃积温。山东省冬小麦品种多为半冬性和冬性。冬前要求主茎叶数为6~7片，即冬前总积温为570~645 ℃。结合实际生产情况，齐河县冬小麦冬前长成壮苗所需要的适宜积温为550~650 ℃［18］。
2）温度阈值法。温度阈值法需确定稳定通过阈值温度的平均日期、最晚初日和最早初日［21］，本研究采用五日滑动平均法确定稳定通过各阈值温度的日期。五日滑动平均法步骤为（以阈值温度18 ℃为例）：在升温季节里，找出日平均温度第1次出现≥18 ℃的日期，向前推4 d，按日序依次计算出五日滑动平均温度。从一年中最长的一段大于该阈值温度的五日滑动平均温度序列中，选取第1个≥18 ℃的五日滑动平均温度。从组成该五日滑动平均温度的5 d中，选取第1个日平均温度≥18 ℃的日期。最早初日和最晚初日分别指的是在1997—2022年共26年中，对比采用五日滑动平均法求得的稳定通过该阈值温度的日期，得到的最早和最晚通过该阈值温度的日期。依据确定的稳定通过各阈值温度终日日期，以及不同品种（如冬性和半冬性小麦）播种要求的适宜温度，综合推断小麦适宜播种期。

1.4　冬小麦适宜播期的测算方法

本研究的技术流程如图2所示。第1步，根据齐河县所在经纬度范围筛选出齐河县1997—2022年的温度数据并下载，为了更好匹配ERA5再分析资料格网数据，基于ArcGIS 10.8.1软件得到的齐河县格网图，并选取齐河县全部格网点和齐河县各乡镇近似几何中心点（图1）。从图1可以看出，齐河县一共包括16个格网点，由于下载数据仅为格网点温度数据，所以为了得到各个乡镇的温度数据，采用双线性内插法将格网点温度数据内插到各乡镇中心，继而得到各乡镇逐小时温度。
Fig. 2 Technical flowchart for determining winter wheat sowing date

图2 确定冬小麦播种期技术路线

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第2步，将内插后得到的各乡镇平均温度采用温度阈值法确定稳定通过18、16、14、0 ℃各阈值温度的终日［22］，对稳定通过各阈值温度的日期进行分析；计算播种日期至越冬前≥0 ℃的积温，从不同日期播种到越冬前积温进行推算。
第3步，再利用叶龄积温法［23］从日平均气温稳定降至停止生长0 ℃的日期向前推算，将逐日平均气温超过0 ℃的温度累加到小麦形成壮苗所需的0 ℃以上积温的日期，以此±3 d定为理论上的适宜播种期［24］。

2 结果与分析

2.1　研究区平均气温分析

2.1.1　历年日平均气温变化情况

日平均气温的变化是确定小麦适宜播种期的一个关键因素。通过对齐河县祝阿镇1997—2022年26年逐日平均气温的统计结果（图3）比较分析发现，日平均气温在18~16 ℃的日期为10月3日—10月13日，日平均气温在16~14 ℃的日期为10月15日—10月24日。由图4可以看出不同月份气温标准差具有明显差异。从局部看，1月份气温标准差相较于其他两个冬季月份明显较小，为0.66 ℃；2月份标准差较大，为1.85 ℃，表明2月份气温波动幅度相对较大。春季各月月平均气温标准差较为接近，没有明显差异，说明春季气温变化幅度不大。在夏季月份中，7月份气温标准差明显低于另外两个月份，为0.37 ℃，说明7月份气温变化不大。在秋季月份中，11月份较9月、10月明显变大，表明11月份温度波动幅度较大。从整体上看，26年中3月份和11月份气温标准差较大，其中11月份最大为2.61 ℃，表明11月份气温波动幅度在一年中最大，极易出现极端气候，需要提早采取相应措施防灾减灾，避免小麦生长发育受到影响。
Fig. 3 Daily average temperature， maximum temperature， and minimum temperature chart of Zhu'a town， Qihe county before winter from 1997 to 2022

图3 齐河县祝阿镇1997—2022年冬前逐日平均气温、最高气温和最低气温图

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Fig. 4 Standard deviation of pre-winter month-by-month mean temperature in Zhu'a town， Qihe county from 1997 to 2022

图4 齐河县祝阿镇1997—2022年冬前逐月平均气温标准差图

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2.1.2　1997—2022年10月—12月上旬、冬季及年平均气温

根据齐河县祝阿镇1997—2022年10—12月上旬、冬季及年平均气温资料分析统计（表1），11月、12月上旬、冬季和年平均气温后13年相较前13年均呈现上升趋势，增温速率分别为0.6、0.3、0.1、0.2 ℃/13 a，1997—2009与2010—2022的10月平均气温对比而言呈下降趋势，降温速率为0.4 ℃/13 a。根据计算，祝阿镇在最近13年中，除10月份的平均气温之外，整体温度都偏高；11月和12月上旬、冬季以及年平均气温均比上一个13年有升高的趋势，分别平均升高0.6、0.3、0.1和0.2 ℃。这也说明了气候变暖的趋势非常明显，秋末冬初的气候变暖尤为突出。
Table 1 Average temperatures from October to early December， winter， and annual temperatures in Zhu'a town， Qihe county from 1997 to 2022

表1 齐河县祝阿镇1997—2022年10—12月上旬、冬季及年平均气温 ( ℃)

年份 10月平均气温 11月平均气温 12月上旬平均气温 冬季平均气温 年平均气温
1997—2009 15.6 7.4 2.2 0.9 14.4
2010—2022 15.2 8.0 2.5 1.0 14.6
1997—2022 15.4 7.7 2.3 0.9 14.5

2.2　基于温度阈值法的冬小麦适宜播期分析

根据26年气象资料统计，稳定通过各阈值温度的日期及从下降到不同阈值温度播种到小麦停止生长期间≥0 ℃的积温统计情况见表2。从表2中可以看出，祝阿镇稳定通过小麦播种上限温度18 ℃终日的平均日期为9月27日，最早初日为9月6日，最晚初日为10月16日；稳定通过适宜温度16 ℃终日的平均日期、最早初日、最晚初日分别为10月4日、9月10日和10月21日；稳定通过下限温度14 ℃终日的平均日期为10月16日，最早和最晚初日分别为10月3日和11月2日；稳定通过小麦停止生长温度0 ℃终日的平均日期为12月6日，最早初日为11月11日，最晚初日为12月25日。从播种要求的适宜温度考虑，冬性品种小麦适宜播种期为9月27日—10月4日；半冬性小麦为10月4日—10月16日。
Table 2 The dates of stable passage through various threshold temperatures and GDD≥0 ℃ in Zhu'a town， Qihe county from 1997 to 2022

表2 齐河县祝阿镇1997—2022年稳定通过各阈值温度的平均日期及≥0 ℃的积温

稳定通过日期 18 ℃ 16 ℃ 14 ℃ 0 ℃
平均日期（月/日） 9/27 10/4 10/16 12/6
最早初日（月/日） 9/6 9/10 10/3 11/11
最晚初日（月/日） 10/16 10/21 11/2 12/25
≥0 ℃积温/℃ 801.6 666.9 467 ‒
注： ‒表示无数据，因为阈值温度为0 ℃时无法计算≥0 ℃的积温。
祝阿镇1997—2022年历年稳定通过18、16、14和0 ℃的终日日期变化情况如图5所示（其中纵坐标的年积日表示在一年中使用的连续计算日期的方法，从当年1月1日起开始计算天数）。由图5可以看出，2009年稳定通过18和0 ℃的终日相较其他年份明显提早很多，与表2中所示稳定通过18和0 ℃的平均日期相比分别提前20和24 d，表明2009年整体气温偏低，是一个冷冬，与前人的研究结果相吻合［25］。冷冬会导致小麦越冬期整体普遍提前。冬前积温达不到小麦冬前壮苗需求，会出现不同程度死苗、死茎、死蘖及枯叶现象［26］。在这种极端气候背景下，要及时关注温度变化情况，适时提早播种以满足冬小麦越冬前的积温需求。2019年稳定通过14 ℃的终日对比其他年份要延后，与稳定通过14 ℃的平均日期相比延后15 d，表明2019年温度偏高，大概率是暖冬。暖冬会使麦苗绿叶等营养器官黄枯，因此针对暖冬，建议小麦播种宁迟勿早。
Fig. 5 Time series of the final dates of stable passage through 18， 16， 14， and 0 ℃ for Zhu'a town， Qihe county

图5 齐河县祝阿镇稳定通过18、16、14和0 ℃的终日日期变化图

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祝阿镇稳定通过18、16和14 ℃的终日至越冬前≥0 ℃的积温统计结果如图6所示。积温是研究小麦生长发育对热量的要求和评价热量资源的一个重要指标。从图6可以得出，若从温度下降到18 ℃时开始播种，到小麦停止生长期间≥0 ℃的积温进行统计可以得到，1997—2022年平均积温为801.6 ℃，比小麦冬前壮苗积温上限650 ℃高151.6 ℃，明显偏多，超出适宜积温上限650 ℃的年份有22年，所占比例高达90%；若从温度稳定通过16 ℃终日开始播种，到小麦越冬前的积温分析，近26年平均积温为666.9 ℃，在小麦壮苗所需积温范围之内，合适的积温年份为6年，所占比例为23%；若从温度下降到14 ℃时播种到小麦越冬前的积温分析，近26年平均积温为467 ℃，比小麦冬前壮苗所需下限积温550 ℃低83 ℃，超过适宜积温下限550 ℃积温的年份有7年，所占比例为27%。单从小麦越冬前形成壮苗所需积温考虑，小麦适宜播种期应为平均温度稳定在16 ℃的时候，即10月4日前后。
Fig. 6 GDD≥0 ℃ map from the final dates of stable passage through 18， 16， and 14 ℃ to before overwintering in Zhu'a town， Qihe county

图6 齐河县祝阿镇稳定通过18、16和14 ℃的终日至越冬前≥0 ℃的积温图

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2.3　基于叶龄积温法的冬小麦适宜播期分析

如果播种日期从9月30日开始依次递推至10月12日，对祝阿镇从播种日期至小麦越冬前≥0 ℃的平均积温进行计算，统计信息。如图7所示，与小麦壮苗所需要的积温550~650 ℃相一致的日期为10月5日—10月11日。因此，从冬前壮苗所需积温角度分析，得出10月5日—10月11日为小麦适宜播种期。
Fig. 7 Average GDD map from sowing day to≥0 ℃ before wheat overwintering in Zhu'a town， Qihe county

图7 齐河县祝阿镇播种日至小麦越冬前≥0 ℃的平均积温图

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从表2可以看出，1997—2022年齐河县祝阿镇气温稳定下降到0 ℃的平均日期为12月6日，若由此日期向前推算，可以发现积温达到550~650 ℃的平均日期为10月11日—10月5日，因此，可以得出理论上的小麦适宜播种期为平均日期±3 d即10月2日—10月14日。
以2002年和2022年为例，齐河县所有乡镇的小麦适宜播种期如图8所示，可以看出，齐河县各乡镇2002年和2022年小麦播种期均存在微小差异，位于齐河县最南端的赵官镇、马集镇、胡官屯镇小麦适播期较中部和北部乡镇均提前1~2 d。随着纬度升高，齐河县各乡镇小麦适宜播种期呈现推迟的趋势。这种变化趋势并不符合常理，考虑是由于研究区经纬度差异较小，仅相差不到1°，所以无法反映冬小麦播种期在不同经纬度上的差异。随着气候逐渐变暖，2022年齐河县各乡镇小麦适宜播种期较2002年均向后推迟。这与前文中提到的气候变暖背景下，小麦的适宜播种期应该适当推迟的结论相吻合。
Fig. 8 Suitable sowing dates for winter wheat in various townships of Qihe county in 2002 and 2022

图8 2002年和2022年齐河县各乡镇冬小麦适宜播种期

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2.4　适宜播期与历年实际播期对比分析

本研究基于温度阈值法和叶龄积温法对冬小麦适宜播种期进行了分析，两者得出的适播期在时间范围上基本一致，但是在不同情况下，选择不同方法确定适宜播种期可以为小麦播种提供更为准确的日期。例如，上文验证得到2009年是一个强冷冬，对于这种极端天气而言，阈值温度对小麦适宜播种期的确定更为敏感，可以依据稳定通过阈值温度日期清晰判断当年温度的趋势变化，继而及时调整播种时间，适时早播或晚播。相对地，对于没有发生极端天气的正常年份，叶龄积温法对于小麦播种期的确定更合理。
根据齐河县农业农村局资料显示，2008—2015年齐河县种植的小麦多以济麦22号、良星77、鲁原502、良星66和良星99等为主，其大多为半冬性品种［27-29］。近10年小麦播种时间多从10月2日起至20日结束，平均播种时间为10月8日；收获时间多为6月5日—6月15日，平均收获时间为6月8日。

3 讨 论

本研究基于ECMWF/ERA5再分析数据，对格网点温度数据采用双线性内插法得到齐河县各乡镇日平均温度，并采用温度阈值法和叶龄积温法两种方法，结合齐河县冬小麦种植品种综合分析，得出齐河县各乡镇冬小麦适宜播种期。但本研究仅以齐河县各乡镇为例进行了分析，总的来说，齐河县气候相对温和，温度波动幅度不大。在省域尺度上，本研究结果影响可能会更大一些，对于气象部门可能会更有利一些。因此，在后续研究中将进一步扩大研究尺度。
对1997—2022年10月、11月和12月上旬、冬季和年平均气温进行分析，1997—2022年11月、12月上旬、冬季和年平均气温都呈现上升趋势，10月的平均气温呈现下降趋势，齐河县在最近13年中，11月和12月上旬、冬季和年平均温度都较前13年有一定升高，各乡镇有着明显气候变暖趋势。这与前人的研究结果［15］中齐河县气温呈现明显上升趋势相吻合。
2009年稳定通过18和0 ℃的终日相较其他年份明显提前，2019年稳定通过14 ℃的终日对比其他年份要延后。这与前人对山东省冷冬和暖冬划分结果一致［25］。在这种极端天气情况下，单纯依靠温度或积温来确定播种期是不够的。若当0~14 ℃温度范围的天数偏多时，小麦遭受冻害的可能性极大，仅从积温角度考虑太过于片面，而是要根据温度变化情况相应地扩大冬小麦越冬前所需要的积温范围，保证冬小麦的正常生长发育。
在只考虑播种要求适宜温度的情况下，利用温度阈值法分析得到的半冬性小麦适宜播种期为10月4日—10月16日、冬性小麦适宜播种期为9月27日—10月4日，对1997—2022年的冬前逐日平均温度分析得到小麦适播期为10月15日—10月24日；从小麦越冬前形成壮苗所需要积温角度考虑，得到冬性小麦适宜播种期为10月3日—10月13日、半冬性小麦适宜播种期为10月15日—10月24日，与利用叶龄积温法确定的冬小麦适宜播种期几乎一致。结合齐河县气候变暖趋势、冬小麦品种和生产实践等因素综合研究分析，在目前气候条件下，齐河县半冬性小麦适宜播种期为10月2日—16日，最佳播种期为10月5日—10月13日；冬性小麦适宜播种期为10月3日—10月17日，最佳播种期为10月6日—10月14日。
随着气温逐渐升高，齐河县各乡镇冬小麦适宜播种期呈现推迟趋势，张悦等［30］发现近57年来华北平原冬小麦最适播种期初始日、终止日均平均推迟3.9 d，本研究结果与该结论一致。但齐河县各乡镇经纬度相差较小，无法反映不同纬度冬小麦适宜播种期差异，后续研究应扩大研究区范围，进一步分析冬小麦适宜播种期的空间变化特征。
冬小麦是对温度和光照都比较敏感的作物之一，整个生育过程不仅需要一定量积温，更需要不同时间长度的交替光照［31］。不同感光型和感温型冬小麦品种适宜播种期不同，本研究仅考虑了温度和积温，缺乏对光照因素的考虑。冬小麦播种期还受到土壤湿度、地形状况、播种质量等因素影响，后期将从光照、土壤湿度，以及降水等气象因素多方面深入研究，因地制宜确定冬小麦适宜播种期。下一步将基于气象数据采用作物生长与优化模型等定量方法对冬小麦生长发育作进一步研究。

4 结 论

本研究基于1997—2022年的ECMWF/ERA5再分析数据，采用温度阈值法和叶龄积温法对齐河县各乡镇在全球气候变暖背景下冬小麦适宜播种期进行分析，结合实际生产情况以及齐河县种植的不同冬小麦品种综合考虑，得出以下主要结论。
1）齐河县各乡镇近13年气温呈现明显上升趋势，2022年各乡镇冬小麦适宜播种期初日和终日日期较2002年分别平均推迟2.5和1.7 d。
2）齐河县半冬性小麦适宜播种期为10月2日—10月16日，最佳播种期为10月5日—10月13日；冬性小麦适宜播种期为10月3日—10月17日，最佳播种期为10月6日—14日。

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