貴州省水稻氣候生產潛力估算

張 波，谷曉平，古書鴻

(1.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002； 2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

貴州省水稻氣候生產潛力估算

張 波1，2，谷曉平1，*，古書鴻1

(1.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002； 2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

基于貴州省81個氣象站1961—2015年的氣象資料，采用逐步訂正和線性趨勢等方法，分析水稻的光合、光溫、氣候生產潛力的變化特征和氣候資源利用率。研究結果表明：貴州省水稻光合、光溫和氣候生產潛力均隨時間推進而呈現遞減趨勢，遞減速率分別為484.46、206.78、357.38 kg·hm-2·10 a-1。空間分布上，光合生產潛力總體表現為東西部高、中北部低，光溫生氣潛力表現出由東南部向西北部遞減的變化趨勢，氣候生產潛力與光溫生產潛力空間分布基本一致。水稻氣候資源利用率多年平均為9.06%，隨時間變化呈遞增趨勢，遞增速率為0.017%·a-1。

水稻；氣候生產潛力；氣候資源利用率；變化趨勢；貴州省

農業氣候資源是農業生產的物質能源和基本環境條件，直接影響著農業生產過程，氣候資源變化對農作物產量有重要影響。貴州地形地貌復雜多樣，干旱等自然災害頻發。水稻作為貴州省的主要糧食作物，生長季農業氣候資源的變化勢必影響其生育期長度、發育過程，以及產量[1-3]。因此，研究貴州區域水稻生產潛力特征變化具有積極的意義。

目前，已有諸多學者采用不同模式方法對不同作物的氣候生產潛力進行了研究。毛留喜等[4]采用農業生態區劃(AEZ)模型，結合衛星遙感監測的土地利用分類信息，對鐮刀彎地區春玉米種植的氣候適宜程度和氣候生產潛力進行了定量評估；陳霞燕等[5]基于作物生長動態統計模型計算了吉林省春玉米光合生產潛力、光溫生產潛力和氣候生產潛力，并運用敏感系數法計算并分析了生產潛力對全生育期平均氣溫和降水的敏感性；楊春艷等[6]采用Thornth waite模型探討了西藏地區糧食產量與氣候變化和耕地面積變化的關系；李秀芬等[7]采用逐步訂正等方法研究了黑龍江省玉米光合生產力、光溫生產力、氣候生產力的時空變化特征，并對未來不同氣候情景下玉米氣候生產力進行評估；許燕等[8]采用聯合國糧食及農業組織(FAO)推薦的逐步訂正法，對江蘇省沿海地區氣候生產潛力進行估算，驗證了氣候生產潛力模型的可行性；金志鳳等[9]采用逐步訂正、線性趨勢分析等方法研究了浙江茶葉的光合生產潛力、光溫生產潛力和氣候生產潛力的變化特征；張玉芳等[10]分析了四川省7個水稻種植區的水稻光合生產潛力、光溫生產潛力和氣候生產潛力的時空分布特征，并結合現實生產力數據分析了氣候變化背景下四川省水稻的增產潛力；余衛東等[11]計算了河南省夏玉米光溫生產潛力和氣候生產潛力，分析了光溫生產潛力與氣候生產潛力、光溫生產潛力與實際產量2種產量差的時空變化特征。但迄今未見關于貴州省水稻氣候生產潛力的研究報道。本研究在前人研究基礎上，采用FAO推薦的逐步訂正法，對貴州水稻光合生產潛力、光溫生產潛力和氣候生產潛力進行估算，并探討近55 a貴州水稻氣候資源的利用率，以期為合理利用當地氣候資源，實現區域農業的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1資料來源

貴州省現有85個地面氣象觀測站。由于各站建站時間不一致，為了保證資料的完整性，剔除數據缺測較多的站點；因此，本研究選用貴州省81個氣象觀測站1961—2015年的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風速和日照時數等氣象觀測資料。氣象數據來源于貴州省氣象信息中心；貴州省數字高程數據(DEM)來源于中國科學院科學數據庫，分辨率為90 m×90 m；水稻產量數據來源于貴州省統計局。研究區域及氣象觀測站的分布如圖1所示。

1.2 研究方法

采用FAO推薦的逐步訂正法[12-13]，并結合研究區域的實際情況，估算水稻生育期內的氣候生產潛力。計算公式如下：

Yw=Q×f(Q)×f(T)×f(w)=YQ×f(T)×f(w)=YT×f(w)。

(1)

式(1)中Yw為氣候生產潛力，Q為太陽輻射，f(Q)為光合有效系數，f(T)為溫度有效系數，f(w)為水分有效系數，YQ為光合生產潛力，YT為光溫生產潛力。

1.2.1 光合生產潛力

光合生產潛力(YQ)為單位面積單位時間內光照資源所形成的理論產量，計算公式如下：

YQ=Q×f(Q)=CΩεφ(1-α)(1-β)(1-ρ)(1-γ)(1-ω)f(L)∑QiS(1-η)-1(1-δ)-1q-1。

(2)

式(2)中：C為單位換算系數；∑Qi為水稻生育期內的總輻射之和(MJ·m-2)；Ω為作物光合固定CO2的能力比例，取值0.90；ε為光合有效輻射比，取值0.49；φ為光量子轉化效率，取值0.22；α為植物群體反射率，取值0.06；β為植物群體透射率，取值0.06；ρ為作物非光合器官截獲輻射比率，取值0.08；γ為超過光飽和點的光的比率，取值0.05；ω為呼吸消耗占光合產物的比重，取值0.33；f(L)為作物葉面積動態變化訂正值，取值0.56；S為作物經濟系數，取值0.40；η為成熟作物的含水率，取值0.15；δ為作物灰分率，取值0.08；q為單位干物質的含熱量(MJ·kg-1)，取值17.5。

圖1 研究區域及氣象站點分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological stations

太陽輻射Q采用氣候學方法計算[14-15]：

Q=Q0(a+b*s)。

(3)

式(3)中：Q0為天文輻射；a、b是經驗系數；s為日照百分率。

1.2.2 光溫生產潛力

光溫生產潛力(YT)是指單位面積單位時間內，由當地太陽輻射和溫度所形成的理論產量，計算公式如下：

YT=f(T)×YQ；

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中：T為水稻生育期內的平均溫度，T0、T1和T2為水稻生育期內產量形成的最適溫度、生長發育的下限溫度和上限溫度。播種育秧期(4月上旬—5月上旬)，T0、T1、T2取值分別為26、12、40 ℃；移栽返青期(5月中旬—6月中旬)，T0、T1、T2取值分別為28、13、35 ℃；分蘗期(6月下旬—7月上旬)，T0、T1、T2取值分別為28、15、33 ℃；拔節孕穗期(7月中旬—7月下旬)，T0、T1、T2取值分別為29、15、38 ℃；抽穗開花期(8月上旬—8月中旬)，T0、T1、T2取值分別為29、18、37 ℃；乳熟成熟期(8月下旬—9月中旬)，T0、T1、T2取值分別為26、13、35 ℃。

1.2.3 氣候生產潛力

在光溫生產潛力基礎上，考慮水分的影響即為氣候生產潛力(YW)，計算公式如下：

YW=f(w)×YT；

(7)

(8)

式(7)～(8)中：ΔW為水分盈虧額，ΔW=R-KcE0；R為作物生育期內的降水量，W為作物生育期內的理論需水量，W=KcE0；Kc為作物需水系數，播種育秧期、移栽返青期、分蘗期、拔節孕穗期、抽穗開花期、乳熟成熟期分別取值1.05、1.15、1.50、1.30、1.05、1.05。E0為參考作物蒸散量，由FAO推薦的Penman-Monteith模型計算，公式如下：

(9)

式(9)中E0為潛在蒸散量(mm·d-1)，Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa·℃-1)，Rn為作物表面的凈輻射(MJ·m-2·d-1)，G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)，T為2 m處的日平均氣溫(℃)，r為干濕表常數(kPa·℃-1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實際水汽壓(kPa)，u2為2 m處的風速(m·s-1)。

1.2.4 氣候資源利用率

氣候資源利用率常用于評價一個地區作物生產的實際狀況和生產潛力，計算公式為

(10)

式(10)中，P為氣候資源利用率(%)，Y為水稻實際生產力(kg·hm-2)。

2 結果與分析

2.1 生產潛力時間變化特征

1961—2015年貴州省水稻光合、光溫、氣候生產潛力隨時間推進呈現出遞減趨勢(圖2)，遞減速率分別為484.46、206.78、357.38 kg·hm-2·10 a-1。期間，光合生產潛力多年平均值為38 701.21 kg·hm-2，最大值為42 639.90 kg·hm-2(1963年)，最小值為35 752.98 kg·hm-2(2014年)；光溫生產潛力多年平均值為30 685.02 kg·hm-2，最大值為35 977.76 kg·hm-2(1963年)，最小值為27 622.16 kg·hm-2(1993年)；氣候生產潛力多年平均值為25 414.07 kg·hm-2，最大值為31 244.44 kg·hm-2(1967年)，最小值為19 209.27 kg·hm-2(2011年)。

圖2 水稻光合、光溫、氣候生產潛力的時間變化動態Fig.2 Temporal trends of photosynthetic， photo-thermal and climatic potential productivity of rice

40 a間，貴州省水稻光合、光溫、氣候生產潛力年代際變化趨勢特征表明：光合生產潛力在20世紀60、70年代分別以64.78、220.82 kg·hm-2·a-1的速率遞減，20世紀80年代光合生產潛力以81.98 kg·hm-2·a-1的速率遞增，20世紀90年代光合生產潛力以91.53 kg·hm-2·a-1的速率遞減，21世紀頭10 a的年光合生產潛力以47.34 kg·hm-2·a-1的速率遞減；光溫生產潛力在20世紀60、70年代分別以216.05、223.55 kg·hm-2·a-1的速率遞減，進入20世紀80年代，光溫生產潛力呈遞增趨勢，遞增速率為98.88 kg·hm-2·a-1，20世紀90年代和21世紀的頭10 a，光溫生產潛力均為遞減趨勢，遞減速率分別為53.20、2.26 kg·hm-2·a-1；氣候生產潛力在20世紀60年代呈遞增趨勢，遞增速率為279.07 kg·hm-2·a-1，20世紀70、80年代均呈遞減趨勢，遞減速率分別為105.76、252.83 kg·hm-2·a-1，20世紀90年代和21世紀頭10 a的氣候生產潛力均呈現遞增趨勢，遞增速率分別為277.73、154.19 kg·hm-2·a-1。

2.2 生產潛力空間變化特征

貴州省水稻光合生產潛力呈現出東西部高、中北部低的空間分布(圖3-a)，高值區主要分布在畢節市和六盤水市的大部分區域、黔東南州中部，以及銅仁市的高海拔地區，值在39 655～41 907 kg·hm-2之間，低值區域主要分布在遵義市大部、銅仁市西部和黔西南州的南部邊緣區域，其值在36 277～38 529 kg·hm-2之間，其余大部分地區的光合生產潛力在38 529～39 655 kg·hm-2之間。

貴州省水稻光溫生產潛力的空間分布表現出由東南部向西北部遞減的分布特征(圖3-b)，高值區域分布在黔南州，銅仁市東南部邊緣、南部邊緣，以及遵義市北部區域，值在34 178～39 545 kg·hm-2之間，低值區域分布在畢節市和六盤水市大部分區域，值在12 710～23 444 kg·hm-2之間，其余大部分區域的光溫生產潛力在23 444～34 178 kg·hm-2之間。

貴州水稻的氣候生產潛力在12 179～32 445 kg·hm-2之間，空間分布與光溫生產潛力空間分布基本一致，但高值區域的范圍有所減少，主要集中在黔南州的東南部邊緣，以及黔西南和安順市南部邊緣小部分地區，低值區域分布在畢節市西部及六盤水市邊緣區域(圖3-c)。

2.3 生產潛力減產率空間變化特征

受溫度影響，貴州省水稻生產潛力減產率的空間分布如圖4-a所示，全省水稻光合生產潛力降幅在2.50%～71.20%之間，平均降幅為20.67%，空間上自東南向西北部降幅逐漸遞增，高值區域分布在畢節市和六盤水市大部，降幅在41.6%～71.2%，低值區分布在東南部邊緣區域，降幅在2.5%～26.9%之間。

受降水影響，貴州省水稻氣候生產潛力降幅空間分布如圖4-b所示，空間分布自西南向東部呈遞增趨勢，全省平均降幅在17.06%左右，高值區域分布在遵義市和銅仁市大部，降幅為17.47%～21.98%，低值區域分布在西部邊緣區域，降幅為10.70%～12.96%。

圖3 光合、光溫、氣候生產潛力空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of photosynthetic (a)， photo-thermal (b) and climatic potential productivity (c) of rice

綜合溫度和降水影響，貴州省水稻氣候生產潛力降幅在15.81%～71.75%之間(圖4-c)，平均降幅為34.31%，空間上和溫度減產率基本一致，自東南向西北部降幅逐漸遞增。

圖4 生產潛力減產率空間變化特征Fig.4 Spatial variation characteristics of production potential yield decrease

2.4 氣候資源利用率變化特征

如圖5所示，近55 a水稻單產隨時間推移呈遞增趨勢，遞增速率為39.75 kg·hm-2·a-1，多年平均單產為2 277.73 kg·hm-2，最小值為1 203.4 kg·hm-2(1972年)，最大值為3 978.76 kg·hm-2(2014年)，2002年以前，水稻單產的遞增速率為36.828 kg·hm-2，2002—2015年間水稻單產遞增速率為105.27 kg·hm-2。氣候資源利用率的時間變化趨勢和水稻單產變化趨勢基本一致，呈遞增趨勢，遞增速率為0.017%·a-1。但貴州水稻氣候資源利用率較低，多年平均氣候利用率僅為9.06%，最大氣候利用率為15.46%(2012年)，2002年以前氣候資源利用率的遞增速率為0.015%·a-1，2002年以后的遞增速率為0.041%·a-1。

分別建立氣候資源利用率與水稻單產和氣候生產潛力的相關性，如圖6所示，貴州水稻氣候資源利用率和水稻單產具有極顯著相關性，相關系數為0.96(α=0.01)，而與氣候生產潛力的相關系數為0.39(α=0.05)。這說明，提高氣候資源利用率是提高貴州省水稻單產的主要措施。

圖5 貴州省水稻單產和氣候資源利用率的時間變化特征Fig.5 Variation of rice yield and climatic resources utilization in Guizhou

圖6 氣候資源利用率與水稻單產和氣候生產潛力的相關性Fig.6 Correlation between climatic resources utilization and yield and climatic potential productivity of rice

3 結論與討論

本研究采用逐步訂正法，開展貴州省水稻氣候生產潛力的分布特征研究。結果表明：近55 a，貴州省水稻光合生產潛力在35 752.98～42 639.90 kg·hm-2之間，多年平均值為38 701.21 kg·hm-2，在空間分布上呈現出東西部高、中北部地區低的變化趨勢；光溫生產潛力范圍在27 622.16～35 977.76 kg·hm-2之間，多年平均值為30 685.02 kg·hm-2，空間上由東南部向西北部遞減；氣候生產潛力范圍在19 209.27～31 244.44 kg·hm-2之間，多年平均值為25 414.07 kg·hm-2，空間分布與光溫生產潛力空間分布基本一致，但高值區域的范圍有所減少。貴州省氣候資源利用率呈遞增趨勢，多年平均氣候利用率為9.06%。相關性分析表明，氣候資源利用率和水稻單產的相關系數達0.96。

在實際生產過程中，水稻的品種、不同時期的葉面積指數、葉片葉綠素含量、光合效率出現的高峰期以及穗型、株型等都會影響水稻的氣候資源利用率[16-17]。由于資料有限，本研究沒有對水稻具體品種與氣候資源利用的關系進行分析，也沒有考慮到灌溉等因素的影響[18]。受氣候變化影響，貴州省降水呈遞減趨勢，干旱頻率增加[2，19]，這也勢必會影響到水稻的氣候生產潛力分布，制約水稻生產的發展。此外，本研究未考慮經濟因素以及政策性的改變對水稻氣候生產潛力的影響，這些都需要在今后的研究中加以考慮、深化。

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(責任編輯高 峻)

AssessmentonclimaticpotentialproductivityofriceinGuizhouProvince

ZHANG Bo1，2， GU Xiaoping1，*， GU Shuhong1

(1.GuizhouInstituteofMountainousEnvironmentandClimate，Guiyang550002，China；2.GuizhouKeyLaboratoryofMountainousClimateandResources，Guiyang550002，China)

Based on the meteorological data of 81 meteorological stations in Guizhou Province during 1961-2015， the photosynthetic potential productivity， photo-thermal potential productivity， climatic potential productivity and climatic resources utilization of rice were evaluated with successive correction analysis. It was shown that the photosynthetic potential productivity， photo-thermal potential productivity， climatic potential productivity of rice in Guizhou Province exhibited decrease trend， with decrease rates of 484.46， 206.78， 357.38 kg·hm-2·10 a-1， respectively. The spatial distribution of the photosynthetic potential productivity was high in eastern and western region， while low in the central and northern region. While， the spatial distribution of photo-thermal potential productivity and climatic potential productivity showed a decrease trend from southeast to northwest. The temporal variation of rice climate resource utilization showed an increase trend at the rate of 0.017%·a-1， and the average annual climate utilization rate was 9.06%.

rice; climatic potential productivity; climatic resources utilization; change trend; Guizhou Province

張波，谷曉平，古書鴻. 貴州省水稻氣候生產潛力估算[J]. 浙江農業學報，2017，29(11)： 1775-1782.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.11.02

2017-04-18

貴州省科技廳項目[黔科合人才(2016)4026號，黔科合院士站(2014)4010號]；貴州省氣象局青年基金項目[黔氣科合QN(2015)13號]

張波(1985—)，男，山東臨沂人，碩士，工程師，主要從事農業氣象研究。E-mail: nj0622@126.com

*通信作者，谷曉平，E-mail: 16114331@qq.com

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