連云港市氣候變化對水稻產量的影響

董京銘+史逸民+任曙霞+史達偉+馬晨晨

摘要：利用江蘇省連云港市近年的氣象資料分析出氣候變化趨勢，并對應水稻（Orvza sativa L.）氣象產量的變化，分析在當今氣候變暖的背景下氣象因子對水稻產量的影響。結果表明，在水稻全生育期，最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水都呈逐年上升趨勢，日照時間和溫差呈逐年下降的趨勢，各氣象因子在不同地區也呈現相同的變化趨勢，但變化程度不相同。在水稻的6個生育期階段，氣象因子的變化趨勢與全生育期基本相同，但在各地區各生育階段也存在著不同的變化趨勢。在水稻全生育期，通過特征分析表明，降水量與水稻產量的相關性最高，由降水在水稻全生育期的變化趨勢可以看出，降水量的變化使得水稻產量增加。水稻在移栽返青期的溫差與抽穗開花期和灌漿成熟期的最高氣溫、溫差、日照時間對水稻產量的影響最為明顯。最高氣溫在近年呈上升趨勢，將有利于水稻產量的增加，而溫差與日照時間呈減小趨勢，將會對水稻造成減產。

關鍵詞：水稻（Orvza sativa L.）產量；氣候因子；氣象傾斜率

中圖分類號：S511 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）17-3245-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.17.014

Effects of Climate Change on Rice Yield in Lianyungang City

DONG Jing-ming， SHI Yi-ming， REN Shu-xia， SHI Da-wei， MA Chen-chen

（Lianyungang City Meteorological Bureau， Lianyungang 222006， Jiangsu， China）

Abstract： Based on the meteorological data of Lianyungang in recent years， the trend of climate change and the corresponding changes of the rice yield was analyzed， and the effects of meteorological factors on rice（Orvza sativa L.） yield fluctuation were also analyzed on climate background of the climate warming. The results showed that， in the whole growth period of rice， maximum temperature， minimum temperature， average temperature， and precipitation was increasing year by year， sunshine duration and temperature difference showed a declining trend， the meteorological factors also showed the same trend in different regions， but not the same degree of change. During the growth stage of rice， the change trend of meteorological factors was basically the same as that of the whole growth period， but there were different trends in different growth stages of rice in all regions of the world. In the whole growth period of rice， the precipitation and rice yield had the highest correlation， it could be seen that the rainfall change made rice yield increase corresponding to precipitation change trend in the whole growth period. The effects of temperature difference in rice transplanting the green stage and the highest temperature， temperature difference and sunshine duration during rice flowering and filling stage on rice yield was the most obvious. It could be found that the highest temperature was rising in recent years， which would be beneficial to the increase of rice yield， while the decrease of temperature difference and sunshine duration would decrease the yield of rice.

Key words： rice（Orvza sativa L.）yield； meteorological factor； meteorological inclination rate

氣候變化問題與人類的生產和生活密切相關。近百年來，全球氣候變化異常，平均溫度升高，IPCC預計1990-2100年全球平均表面溫度增加1.4～5.8 ℃，CO2、CH4等溫室氣體的不斷排放和溫室氣體積累濃度的不斷提高推動著未來氣候的變暖趨勢，對農業生產和糧食安全產生了深遠的影響。水稻（Orvza sativa L.）作為一種重要的糧食作物，在氣候變化背景下，其生長發育期和產量同樣受到影響。影響水稻的氣候因子主要有降水、溫度、光照等，這些因子適宜與否都會影響水稻的產量。江蘇省是中國水稻的主產區域，在江蘇地區，水稻的生育期一般是5-10月，了解這一時期的氣象條件，并與水稻的適宜生長條件進行對照，對提高江蘇水稻產量有重要的意義。隨著近年來蘇南、蘇中等經濟較發達地區耕地面積減少速度的增快，連云港市乃至整個蘇北地區在全省糧食生產中的戰略性地位日益突出，因此研究氣候變化對連云港市水稻產量的影響具有重要意義。endprint

目前，關于氣候變化對農業生產影響及對策方面的研究成果相對較多。Lobell等[1]利用全球尺度的資料分析了氣候變化對糧食作物（水稻、玉米、大豆、小麥、高粱、大麥）的影響，其研究結果顯示，氣候變暖對全球小麥、玉米和大麥的產量具有明顯的負效應，不利于其產量的增長。方修琦等[2]在省級尺度上研究分析了黑龍江省1952-2000年氣候變暖對水稻增產的貢獻，其研究結果表明，氣候變暖在一定程度上增加了產量。Tao等[3]研究了最高氣溫、最低氣溫、日較差、降水量與中國水稻生產區產量的關系，結果表明，氣候變暖有利于中國東北水稻產量的增加；最低氣溫對產量的影響大于最高氣溫的影響，而在中國的南方降水量與水稻產量呈負相關[4]。

溫度、降水、輻射都是作物生長最主要的氣象因子，都是影響作物生長的關鍵因子，都需要適當的范圍或者滿足作物的基本要求，缺一不可。但是在不同地區以及不同的生育期表現不同。本研究旨在通過分析氣候資料與產量數據，歸納出連云港市及下轄4個縣的氣候變化特征，研究氣候變化對水稻產量影響，并試圖得出一些量化評估的結果，為揭示全球變暖背景下影響連云港市水稻產量變化的因素提供科學依據，提出水稻生產應對氣候變化的措施。

1 材料與方法

1.1 資料來源

1.1.1 氣象資料 氣象數據來自連云港市氣象局，包括連云港市區及其下轄4縣的1975-2014年水稻生育期間的逐日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、降水量、日照。

1.1.2 農業資料 水稻單產數據源于連云港統計的《連云港市統計年鑒》。從統計年鑒中分別提取了1975-2014年間水稻總產量和種植面積，計算了水稻單位面積產量。

選擇水稻單產作為研究對象的原因在于近幾十年來連云港市及其下轄4縣水稻種植面積存在變化，選擇單產可以消除種植面積變化帶來產量變化的問題。

1.2 數據處理

1.2.1 氣象數據處理 首先通過原始的逐日數據統計1975-2014年間水稻生育期間的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年降水量、年日照時間以及年平均溫差，連云港地區的水稻生育期是5月上旬至10月上旬，將水稻生育期分為6個階段，包括播種出苗期（5月上旬至6月上旬）、移栽返青期（6月中旬至下旬）、分蘗期（7月上旬至中旬）、拔節孕穗期（7月下旬至8月中旬）、抽穗開花期（8月下旬至9月上旬）、灌漿成熟期（9月中旬至10月上旬），統計各生育期階段的平均最高氣溫、平均最低氣溫、降水量、日照時間以及溫差。通過以上統計數據分析近年來水稻生育期內氣象要素的變化趨勢，以氣候傾向率[4]來表示，主要釆用一次直線方程來定量描述，即：

y（t）=a0+a1t （1）

式中，a0為常數，y（t）為氣象要素值，t為時間，則氣候趨勢變化率可表示為方程dy（t）/dt=a1，其中a1×10即為氣候傾向率，溫度的單位為℃/10 a，降水量的單位為mm/10 a，日照的單位為h/10 a。

1.2.2 農業資料處理 研究長時間序列的作物產量與氣候因子關系時，一般把作物的產量（y）分解為趨勢產量（yt）、氣候產量（yw）和隨機誤差（ye）3部分。

y=yt+yw+ye （2）

趨勢產量是反映歷史時期生產力發展水平的長周期產量分量，趨勢產量是由地理環境、水肥、品種和生產力水平等因素決定，由于社會生產力等因素的提高，趨勢產量的變化一般呈直線上升趨勢。氣候產量是受氣候要素，包括溫度、日照、降水等氣象因子影響的波動產量分量[5]，本試驗用5年直線滑動均值法模擬產量。這種方法是線性回歸與滑動平均相結合的模擬，它將作物產量的時間序列在某個階段內的變化看作線性函數，隨著階段的連續滑動，直線不斷變換位置，后延滑動，從而反映產量歷史演變趨勢變化。依次建立各階段內的直線回歸模型，各時間點上的各直線滑動回歸模擬值的平均即為趨勢產量。這種方法的優點是不損失樣本信息量，只要給定合適的滑動步長k，就可用最小二乘法建立各滑動時段的線性方程。

yi（t）=ai+bit，i=1，2，…，n-k+1（3）

式中，yi（t）為第i年的趨勢產量；ai為常數，bi為變化趨勢系數，i為各時段序號，t為年序，n為樣本數。當i=1時，t=1，2，…，k；當i=2時，t=2，3，…，k+1；當i=n-k+1時，t=n-k+1，n-k+2，…，n。

若共有m個時段，即存在m個線性方程。在計算出任意年t在各個方程的函數值后，求出其平均值

式中，yi（t）為t年趨勢產量。任何一年實際產量減去趨勢產量就是氣候產量。

2 結果與分析

2.1 連云港市氣候變化特征

由圖1（a）可以看出，最高氣溫在逐年增加，東海的增長幅度最小，為0.07 ℃/10 a，市區、贛榆、灌云比東海增長幅度略高，灌南增長幅度最高，明顯高于其他4個地方，達0.15 ℃/10 a。由圖1（b）可知，最低氣溫和最高氣溫相同，都在逐年增加，其中贛榆增幅最為明顯，比市區、東海、灌云、灌南增幅程度增加了40%、27%、6%、32%。由此可以發現，最低氣溫的增長幅度明顯高于最高氣溫的增長，且最低氣溫增長的最大值出現在地理位置最北贛榆，最高氣溫增長的最大值出現在地理位置最南的灌南。由圖1（c）可以看出，平均氣溫增長的最高值出現在贛榆，最低值出現在灌南，由此可以看出，最低氣溫的增長才是影響平均氣溫增長的主要原因。由圖1（d）可知，市區及4縣的日溫差都在逐漸減小，其中贛榆減小的最為明顯，這也是由于最低氣溫的增長幅度明顯高于最高氣溫的增長幅度所造成的。

由圖1（e）可知，降水量呈逐年增多的趨勢，其中贛榆增幅較為明顯，達51.2 mm/10 a，而灌南增幅最小，基本無明顯變化。由圖1（f）可知，連云港日照時間呈縮短的趨勢，灌云、灌南日照時間減少最多，分別達80.8、83.8 h/10a。endprint

2.2 水稻產量對氣象因子的特征分析

由表1可知，最高氣溫與產量在市區及4個縣都呈正相關，其中在東海的相關性達顯著水平。最低氣溫與產量也都呈正相關，其中在贛榆的相關性達顯著水平，其余4個站點相關性不顯著。平均氣溫與溫差也與產量呈正相關，溫差的相關在各站點都不顯著，說明全生育期的溫差可能不是影響水稻產量的因素，平均氣溫與最低氣溫相同，在贛榆的影響達顯著水平，對比發現，除了在贛榆，其余4個站點最高氣溫對水稻產量的影響要高于最低氣溫，說明水稻產量在全生育期內受最高氣溫影響的波動較明顯。日照時間與產量無明顯相關性，降水量與產量都呈正相關，其中在東海、灌云、灌南3個站點都達顯著或達極顯著水平。由此可知，降水量在所有氣象因子中對水稻產量影響最高，說明在全生育期內的降水總量是影響水稻產量的重要氣象因子。

2.3 連云港市水稻各生育期的氣候變化趨勢

由表2可以出，最高氣溫除了在抽穗開花期呈下降趨勢，其他各生育期都呈上升趨勢，其中，增長趨勢最明顯的是位于最南的灌南，這與全生育期的變化趨勢相同。最低氣溫在除抽穗開花期的各階段里都呈增長趨勢，且增長幅度明顯高于最高氣溫，只有市區在移栽返青期最低溫度增長趨勢小于最高氣溫；抽穗開花期東海最低氣溫呈下降趨勢，不過下降程度不明顯，其余4個地區增長也并不明顯，而最低氣溫的增長趨勢并沒有呈現地理緯度的差異。由于最低氣溫的增長幅度在大部分地區的各個生育階段明顯高于最高氣溫的增長幅度，這也是溫差在大部分生育階段都呈逐漸減小的原因。平均氣溫在除抽穗開花期的其余生育階段呈上升趨勢，主要原因也是由于最低溫度的增長，這與全生育期的變化基本相同。

降水量在各生育階段的變化趨勢與全生育期不同，在不同的地區，每個生育階段的變化趨勢也并不相同，在5個地區6個生育階段中，有23組降水量數據呈增長趨勢，明顯高于下降趨勢的個數，這也是全生育期降水量呈上升趨勢的原因，其中在抽穗開花期上升趨勢最為明顯。日照時間在各生育階段的變化趨勢基本與全生育期相同，大部分呈下降趨勢，其中只有市區在分蘗期、灌漿成熟期有上升趨勢。

2.4 水稻產量對各生育期氣象因子的特征分析

由表3可以看出，在播種出苗期，各氣象因子與產量都無明顯相關性，說明在播種出苗期氣象因子對水稻產量的波動無影響。在移栽返青期，最高氣溫與各區縣都呈正相關，但僅在市區相關性達顯著水平；最低氣溫、平均氣溫、日照時間與產量的相關性均不顯著；降水量也僅在市區與產量呈顯著相關；溫差在除灌云外的其他地區均與產量呈顯著正相關，由此可知，移栽返青期溫差明顯影響水稻產量的波動。在分蘗期，氣象因子與產量呈顯著相關的全出現在東海，氣溫與降水量都與產量呈顯著正相關，而在其余4個地區無顯著相關關系，可以看出，分蘗期東海的氣象因子對東海水稻產量有明顯的影響。在拔節孕穗期，各氣象因子與產量都無顯著相關性。在抽穗開花期，最高氣溫與水稻產量在5個區縣全呈顯著正相關關系，其中在東海呈極顯著正相關關系；最低氣溫在市區和贛榆呈顯著正相關；平均氣溫在市區、贛榆、東海呈顯著正相關；降水量在市區和灌云呈顯著正相關關系，其中在灌云呈極顯著正相關；溫差與日照時間在除贛榆外的其他地區均與水稻產量呈顯著正相關。在灌漿成熟期，最高氣溫與水稻產量呈正相關，其中在市區、贛榆、東海、灌南的相關性都達顯著水平；最低氣溫與產量無顯著相關關系；平均氣溫僅在東海有顯著相關性；日照時間在市區、東海、灌南地區與水稻產量呈顯著正相關。溫差與抽穗開花期相同，都在除贛榆外的其他地區與產量呈顯著正相關。

3 小結與討論

通過對歷史氣候資料和同期水稻產量的統計分析揭示了氣候變化對連云港市水稻生產的影響，得到以下初步結論。

1）在水稻全生育期，溫度與降水都呈上升趨勢，而溫差與日照時間都呈下降趨勢，市區及4縣表現出相同的趨勢，只是在上升的幅度和下降的程度上有所差別。溫度上升與當今全球氣候變暖的形勢相同，且最低氣溫的增長幅度要明顯高于最高氣溫的增長幅度，這與IPCC[6]第三次評估報告提出全球變暖背景下溫度的變化有3種情形之一夜間增溫幅度大于白天的結果相同，這種晝夜增溫的不對稱性是造成溫差逐漸減小的原因。日照時間的減少可能是由于近年來工業污染造成大氣污染，能見度的下降所造成的，有學者[7]認為，日照時間減少還與降水量增加有密切關系，這與本研究結果相同。

2）最高氣溫在各生育期的變化趨勢基本與全生育期一致，都呈上升趨勢，僅在抽穗開花期呈下降趨勢，最低氣溫的上升趨勢在各生育期都要明顯高于最高氣溫的上升趨勢，平均氣溫的增長也主要是由最低氣溫增長所造成的，僅在抽穗開花期平均氣溫有所下降，這是由于最高氣溫的下降以及最低氣溫的增長幅度不明顯所造成的。溫差僅在移栽返青期的市區和灌南呈上升趨勢，其余全部呈下降的趨勢，這與水稻全生育期的變化趨勢基本一致。降水量的變化與全生育期變化不完全相同，在不同的生育期階段與不同地區呈現上升或者下降的趨勢，并無明顯規律，不過可以看出，在30個（6×5）變化趨勢中，23個呈上升趨勢，7個呈下降趨勢，上升趨勢明顯要多于下降趨勢，這也是全生育期降水量增多的原因。

3）由水稻產量與氣象因子的特征分析發現，在全生育，最高氣溫僅在東海與水稻產量呈顯著相關，最低氣溫與平均氣溫僅在贛榆與水稻產量呈顯著相關；降水量在全生育期與水稻產量呈明顯正相關，在東海、灌云、灌南都達顯著或極顯著水平；而溫差和日照時間與水稻產量間在全生育期并沒有呈現明顯的相關性。由此說明，降水量在全生育期明顯影響水稻產量。

4）在各生育期，氣象因子對水稻產量的影響與全生育期不相同，由特征分析看出，移栽返青期的溫差，抽穗開花期和灌漿成熟期的最高氣溫、日照時間、溫差對水稻產量影響明顯；播種出苗期、移栽返青期的氣象因子對水稻產量波動無明顯貢獻；分蘗期氣象因子僅在東海與水稻產量有顯著相關關系。由此可以看出，抽穗開花期和灌漿成熟期的氣象因子對水稻產量影響明顯，主要表現在溫光條件上。endprint

5）全生育期降水量在近年呈上升趨勢，對水稻產量的的波動起到正效應。張金艷等[8]發現大部分國家和地區水稻氣象產量與降水量呈明顯的正相關關系，這可能是由于水稻是喜溫喜水作物，一般來說，降水量多的年份，水分供應充足，有利于水稻增產；降水量少的年份，水分供應不足，容易發生干旱，導致水稻減產，這與本研究結果一致。在水稻的各生育階段，可以發現抽穗開花期和灌漿成熟期最高氣溫的增長有利于水稻產量的增加，而移栽返青期的溫差減小、抽穗開花期和灌漿成熟期的日照時間和溫差減小都將不利于水稻產量的增加。一般認為，水稻在開花期與成熟期溫度較高，特別是日最高、最低氣溫適當偏低、日溫差大、日照時間多，都將有利于產量的增加，而光照不足，常使得光合同化產物不足，進而使得產量下降，本研究結果與其一致。韓廣軒[9]研究表明，土壤呼吸在一定范圍內與溫度呈正相關，夜間增溫幅度過高，造成土壤呼吸過快，而夜間無光合作用合成，造成干物質損耗，這也是溫差減小造成水稻產量降低的重要原因。

綜上可以看出，降水量、最高氣溫、日照時間、溫差都是造成水稻產量波動的重要氣象因子，而最低氣溫雖然沒有直接表現出對水稻產量的影響，但溫差的減小是由于最低氣溫的增長幅度明顯高于最高氣溫的增長幅度所造成的，可以看出，溫光條件以及降水都能明顯影響水稻產量。因此，在未來氣候變暖的背景下，積極采取措施適應氣候變化，趨利避害，對于促進糧食生產安全至關重要。

參考文獻：

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[2] 方修琦，王 媛，徐 錟，等.近20年氣候變暖對黑龍江省水稻增產的貢獻[J].地理學報，2004，59（6）：820-828.

[3] TAO F L，YOKOZAWA M，XU Y L，et al. Climate change and trends in phenology and yields of field crops in China，1981-2000[J].Agricultural and Forest Meteorology，2006，138（1-4）：82-92.

[4] 洪 霞，陳建萍.江西省1960年以來氣溫和降水變化趨勢分析[J].江西氣象科技，2004，27（2）：20-22.

[5] 房世波.分離趨勢產量和氣候產量的方法探討[J].自然災害學報，2011，20（6）：13-18.

[6] IPCC. Third Assessment Report：Climate Change 2001[EB/OL].http：//www.ipcc.ch/publications_and_data/publications_and_data_

reports.htm.

[7] 沈 瑱，曾 燕，肖 卉，等.江蘇省日照時數的氣候特征分析[J].氣象科學，2007，27（4）：425-429.

[8] 張金艷，李小泉，張 鐔.全球糧食氣象產量及其與降水量變化的關系[J].應用氣象學報，1999，10（3）：328-332.

[9] 韓廣軒.中國農田生態系統土壤呼吸作用研究與展望[J].植物生態學報，2008，32（3）：719-733.endprint