第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
物候学是研究自然界的植物（包括农作物）、动物与环境条件（气候、水文和土壤条件）周期变化之间相互关系的科学（竺可桢和宛敏渭， 1973；Lieth et al.，1974）。政府间气候变化专门委员会（ Inter-governmental Panel on Climate Change， IPCC）昀新发布的第六次评估报告指出，过去40年中的每一个10年比1850年以来的其他任何10年都更温暖（IPCC，2022）。植物物候作为气候变化的指示器，在全球增温的背景下引起了广泛的关注。但是，相较于自然植被物候研究的国际热度，关于农作物物候的研究仍然非常有限（ Ren et al.，2019a）。作物物候是指作物生长期适应光照、降水、温度等条件的周期性变化，形成与此相适应的生长发育节律。作为植物的重要组成部分，作物物候不仅能够在一定程度上表征该时期内作物生长发育对气候变化的响应，也能反映作物对气候变化的适应程度，是影响作物生长和产量形成的关键变量。
作物物候通过改变作物的生长周期，进而导致作物生长期光、热、水资源及其他营养物质的吸收和利用发生变化，昀终影响作物产量（Tack et al.，2015；Zhang et al.，2016；Piao et al.，2019）。作物物候不仅是气候变化的综合响应指标，也是探究全球变化的重要线索，其变化对粮食安全、陆地生态系统碳、水和能量平衡具有重要的影响（方修琦和陈发虎， 2015；Piao et al.，2019；Yang et al.，2021）。
积极适应气候变化、确保农业生产和粮食安全，已经成为联合国粮食及农业组织未来的重点工作（ FAO et al.，2022），也被列入联合国可持续发展目标之一（United Nations General Assembly，2015）。在农业适应气候变化方面，为了抵消或缓解气候变化对农业生产的不利影响、提高作物的气候适应性，人们通过调整播期（陈静等， 2021；Qiao et al.，2023）、更换品种（ Masud et al.，2017；Hunt et al.，2019）等管理措施帮助作物“被动适应”气候变化。调整播期能够减少作物暴露在不利条件下的生长时间，从而提高作物产量潜力和产量稳定性（ McDonald et al.，2022）。通过采用较长生育期品种，可以使作物产量大幅提高（Liu et al.， 2018a）。引入具有适宜积温需求的品种能够部分抵消由气候变化导致的生育期缩短（Abbas et al.，2017），发展有利于深播的新品种，以抵御气候变化带来的热胁迫（ Zhao et al.，2022）。优化播种窗口以提高光温资源利用效率，减少作物开花和灌浆阶段暴露在不利条件下的时间，从而提高作物产量潜力稳定性（ McDonald et al.，2022）。由于同时受到气候变化和人为管理措施的共同作用，作物物候影响机制更为复杂，相关研究亟待进一步深入。
因此，明晰作物物候的变化特征及其响应机制不仅对物候学的发展具有重要的推动作用，对于揭示全球变化对作物生长发育过程和产量形成机制的影响，以及应对全球气候变化的不利影响和指导地区农业生产，也具有重要的科学意义和实践价值（Rezaei et al.，2023）。
1.2 研究进展
1.2.1 主要作物物候期变化
作物物候在全球增暖的背景下发生了显著变化（ Liu and Dai，2020；Chen et al.，2021）。由于气候变化的作用，作物生长发育的热量条件发生改变，进而导致作物物候发生变化。目前国内外基于作物物候历史观测资料的研究结果表明，对于多数国家和地区的农作物而言，气候变化会导致其物候期（尤其是开花期）提前（Rezaei et al.，2015；Oteros et al.，2015；Rosbakh et al.，2021）。但由于不同的气候条件、土壤条件和人为管理等的作用，不同作物的各物候期，以及生长阶段变化趋势和程度呈现出很大的地域分异特征。例如，Ren等（2019a）发现在区域尺度上，中国的小麦生长季节峰值（ peak of growing season，PGS）和南亚的小麦生长季节结束（end of growing season，EGS）均呈现显著超前的趋势，变化率为–0.13d/a。在欧洲，1981～2014年，PGS和 EGS分别显著提前了 0.16d/a和 0.19d/a。然而，在北美，他们发现所有生长季节开始（ start of growing season，SGS）、PGS和EGS均存在显著延迟的趋势，变化率为0.23～0.29d/a。在非洲小麦种植区和南半球，几乎所有的SGS、PGS和EGS在过去34年里都有显著的提前，变化率为–0.38～–0.08d/a。
目前我国对作物物候的研究多集中于时空变化特征分析。研究的物候期多集中在少数物候期，如播种期、出苗期、抽穗期、开花期和成熟期等。例如，1981～2009年，华北平原冬小麦出苗期和越冬期平均分别推迟1.7d/10a和1.5d/10a，而开花期和成熟期则平均分别提前2.7d/10a和1.4d/10a（Xiao et al.，2013）。1983～ 2005年，北方冬麦区冬小麦返青期的变化趋势不明显，但抽穗期和成熟期显著提前（雷秋良等，2014）。1981～2009年，在西北种植区，冬小麦播种期、出苗期、开花期和成熟期分别推迟了0.3～0.4d/a、0～0.2d/a、0.3d/a、0.2～0.4d/a；全生育期天数缩短了0.6～1.3d/a，营养生长期缩短，生殖生长期延长（He et al.，2015； Xiao et al.，2018）。在华北大部分地区，冬小麦播种期和出苗期推迟，开花期、返青期、成熟期（收获期）提前，全生育期和营养生长期长度缩短，生殖生长期
天数延长（赵彦茜等，2019）。
不同区域玉米各物候期和生长期长度对气候变化的响应也有所差异。例如，1981～2007年气候变化导致东北多数地区春玉米播种期、出苗期和开花期提前，成熟期延后；营养生长期、生殖生长期和全生育期延长（Li et al.，2014）。在华北地区，夏玉米成熟期推迟，营养生长期缩短，生殖生长期和全生育期延长（ Wang et al.，2016；Xiao et al.，2016a）。西北地区灌区玉米播种期提前5～10d，全生育期延长约6d；旱作区玉米生育期受到热量和降水的共同作用，播种期提前1～2d，全生育期缩短约6d（雷秋良等，2014）。1981～2010年，中国玉米主产区的玉米播种、抽雄和成熟日期均推迟；春玉米和春夏玉米产区营养生长期延长；夏玉米产区营养生长期缩短、生殖生长期和全生育期大多延长（Liu et al.，2020）。
我国水稻种植类型主要分为单季稻和双季稻，单季稻大致在长江以北、东北和西南地区，双季稻主要分布在长江以南地区。1981～2010年，除成熟期外，中国早稻其余物候期呈现不同程度的提前趋势。晚稻播种期、出苗期、抽穗期和成熟期推迟，而其余物候期提前。中稻和早稻的营养生长期、生殖生长期及全生育期延长，而晚稻却呈现缩短趋势（ Bai and Xiao，2020）。长江中下游平原地区单季稻移栽期提前，抽穗期和成熟期延后，营养生长期、生殖生长期及全生育期延长，其变化趋势与东北平原单季稻基本一致，但变化趋势更为显著。而双季稻的移栽期、抽穗期、成熟期均提前，营养生长期与全生育期缩短，生殖生长期延长（Liu et al.，2019）。
1981～2010年，中国东部主要大豆产区大豆物候变化显著。观测到的播种、出苗、开花和成熟日期平均延迟了1.78d/10a、0.83d/10a、0.19d/10a和0.62d/10a。此外，大豆营养生长期和全生育期平均缩短了0.62d/10a和1.16d/10a，相反，生殖生长期平均延长了0.43d/10a（He et al.，2020）。1992～2011年，东北地区春大豆物候期变化受气候变化影响较大，气候变暖导致大豆出苗期平均提前0.68d/10a，全生育期平均缩短1.43d/10a，变化幅度较大（Liu and Dai，2020）。
相较于四大主要作物，目前的研究对于国内经济作物及其物候变化的关注较少。Zhang和Liu（2022）的研究表明：1991～2010年，中国高粱的播种期、出苗期、三叶期和乳熟期都呈现出显著的提前趋势（P＜0.05）。油菜的播种期、出苗期和五真叶期同样呈现出明显的提前趋势（0.55～0.91d/a）。花生的物候期普遍推迟（0.12～0.86d/a）。1981～2017年，中国棉花主播区的棉花出苗期、抽穗期、开花期和棉铃裂铃期提前了0.026～0.351d/a，而播种期和成熟期分别推迟了0.170和0.337d/a（Li et al.，2021）。
总体而言，目前物候变化的研究重点主要集中于四大作物（小麦、玉米、水稻、大豆），不同区域尺度下作物物候对气候变化的响应存在差异，不同的研究结果难以统一。尽管越来越多的研究学者开始关注经济作物及其物候行为，但关于经济作物物候在不断变化的环境中是如何受到影响的研究仍然缺乏。
1.2.2 作物物候期的影响要素
1. 气候要素的影响
（1）温度的影响
作物生长发育过程中除了对温度的下限有一定要求，对温度的上限也有一定的要求。温度升高可以促进作物的发育，使作物物候期缩短（ Zheng et al.，2009； Wang et al.，2016；Zhang et al.，2016；Ahmad et al.，2017a）。当环境温度超过了发育温度上限，会对其生长发育起到抑制作用（ Anandhi et al.，2016）。因此，温度变化对作物生长是促进还是抑制，主要取决于环境温度是否超出了作物生长的昀适温度范围。如果温度低于作物生长的昀适温度，增温将给作物生长带来正面效应；反之，如果温度已经超过作物生长的昀适温度，增温则会给作物生长造成负面影响。作物在不同物候期和生长期的温度上限、温度下限及昀适温度存在较大差异。例如，Wang等（2017）指出小麦在开花前的温度下限、昀适温度及温度上限分别为0℃、27.5℃和40℃，而开花后分别为0℃、33℃、44℃。在以往作物物候对温度的响应方面的研究中，更多关注作物物候对均温的响应，对极端高温响应的研究较少。然而，随着极端高温事件的发生频率不断升高，极端高温对作物物候的影响机制在物候模型发展过程起到关键作用。例如，Lizaso等（2018）发现极端高温显著加快发育速度，从而缩短玉米营养生长期和生殖生长期（共约30d）。Liu等（2017）研究结果表明温度每上升1℃，华北平原玉米生长期缩短3.2～10d。然而，作物在不同的发育阶段对温度需求不同，因此对温度的敏感度也存在较大差异。孟林等（2015）研究发现日平均气温每上升1℃，华北平原夏玉米全生育期和生殖生长期分别缩短2.71d和1.07d。
（2）光照的影响
光照对作物物候的影响，主要表现为光周期对作物发育进程的影响。有研究表明，作物的发育速度（从播种到开花持续时间的倒数）在很大程度上是由作物对温度和光周期的响应决定的（Craufurd and Wheeler，2009；Liu et al.，2018b； Pérez-Gianmarco et al.，2019）。Kumagai等（2020）研究了作物生长期受光照的影响，发现作物生长在诱导期对光周期非常敏感。但Liu等（2018a）研究发现中国过去几十年日照时数的减少对小麦开花期提前的影响较小，开花期提前主要是由气温不断升高造成的。Guo等（2014）研究表明1963～2008年，光合有效辐射（photosynthetically activ
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