天長市一季稻氣候適宜度及其變化特征分析

王德燕

(安徽省天長市氣象局，安徽天長 239300)

天長市位于安徽省東部、高郵湖西岸，地處江淮分水嶺(32°27′27″～32°57′56″N、118°39′19″～119°13′23″E)，東西寬約53 km，南北長約56 km，天長市土地總面積1 751.4 km2，耕地面積59 159 hm2，其中水稻是全市主要的農作物，種植面積為5.7萬hm2。天長市地處我國南北氣候過渡帶，是氣候變化敏感區；同時氣候資源豐富，具有較高的農業生產潛力。

一季稻是天長市主要糧食作物，在全省糧食生產中占有重要位置。天長市農業氣候資源豐富，是一季稻栽培氣候適宜區域，受氣候過渡地帶影響，尤其是隨著全球氣候變化，一季稻生長季節氣候風險增大。氣候變化對一季稻種植有較大的影響。賴純佳等[1]對淮河流域雙季稻等進行了不同程度的研究，但目前對一季稻的氣候適宜度研究較少。筆者利用1961—2016年天長市光、熱、水氣候資源和一季稻的生育特點，分析了天長市一季稻生育期氣候適宜度及其年際變化，研究影響一季稻生長發育的氣候因子，以期為影響關鍵期更好地做好氣象服務提供科學依據。

1 資料與方法

1.1資料來源氣象資料選取天長氣象臺站1961—2016年逐日要素，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數等，資料來源于安徽省氣象檔案館。1961—2016年天長市一季稻產量來源于安徽省農業統計年鑒；生育期來源于安徽省氣象檔案館。

1.2研究方法

1.2.1氣候產量豐欠指數估算。影響作物產量的因素較多，并且各影響因素的變化及其時間尺度不同，包括人為因素、氣象因素和隨機“噪音”三方面，構成3個產量分量：

y=yt+yw+yε

(1)

式中，y為作物產量；yt為趨勢產量，其值的大小由歷年生產技術水平決定；yw為氣候產量；yε為隨機“噪音”，一般忽略不計。氣候產量由下式[2-3]得出：

yw=at+b

(2)

式中，a為回歸系數，b為常數項，t為年份。

區域單產為區域內各市縣一季稻總產量和總面積之和的比。根據《農業氣象產量預報業務質量考核辦法(試行)》增減百分比算法，結合前人成果構建氣候產量豐欠指數：

(3)

1.2.2單要素適宜度模型構建。

1.2.2.1溫度適宜度模型。為定量分析熱量資源對一季稻各生育期生長發育的滿足程度，引入溫度條件的反應函數，根據馬樹慶[4]、魏瑞江等[5]的研究，建立溫度適宜度模型：

(4)

(5)

式中，F(Tij)為第j年第i生育期溫度適宜度，tij為第j年第i生育期平均溫度，t1、t2、t0分別是對應時期作物生長下限溫度、上限溫度和平均適宜溫度(表1)。拔節—孕穗期、抽穗—開花期若連續10 d出現最高氣溫≥35 ℃、平均氣溫≥30 ℃的高溫熱浪，氣候最不適宜，即F(Tij)=0。

1.2.2.2降水適宜度模型。降水是作物水分與土壤水分的主要來源，作物生長的好壞、產量的高低與降水密不可分。為評價其對一季稻生長的影響，建立降水適宜度模型：

(6)

式中，F(Rij)為第j年第i生育期降水適宜度，Rij為j年第i生育期降水量，R0為對應生育期生理需水量(表1)。分蘗期或拔節—孕穗期若降水量超過400 mm，常出現漬澇或內澇，而期間降水不足30 mm，往往遭遇大旱，氣候均為最不適宜，即F(Rij)=0；而抽穗—開花期或灌漿—成熟期遭遇≥10 d的連陰雨，氣候最不適宜，即F(Rij)=0。淮河以南一季稻全生育生理需水折合降水量約700 mm，其中播種—三葉期、移栽—返青期、分蘗期、拔節—孕穗期、抽穗—開花期以及灌漿—成熟期生理需水量分別占全年降水量的14%、15%、24%、23%、14%、10%。

1.2.2.3日照適宜度模型。日照是一季稻進行光合作用、提高產量及品質的必要條件。對安徽省而言，天文日長(可照時數，即日出與日落時長)的70%與當地日照時數多年平均值相當。鑒于此，建立日照適宜度模型：

(7)

式中，F(Sij)為第j年第i生育期日照適宜度，Sij為第j年第i生育期日照時數，n為該生育期日數，S0為第i生育期日平均日照需求的臨界值，b為系數(表1)。

表1 淮河以南一季稻氣候適宜度模型各生育期參數值

1.2.3權重系數確定。全生育期氣候適宜性由各生育期的溫度、降水和日照共同組成，但各生育期影響程度不同。因此，運用積分回歸[6]及綜合加權法，以明確各生育期溫度、降水和日照單個要素適宜度權重系數。以溫度適宜度為例，分別計算逐年生育期溫度適宜度與一季稻氣候產量豐欠指數的相關系數，各生育期相關系數的絕對值除以所有生育期相關系數的絕對值的總和，即為各生育期溫度適宜度的權重系數。各生育期溫度適宜度乘以對應的權重系數，然后求和，得到天長市一季稻全發育期的溫度適宜度。其公式為：

(8)

(9)

式中，aTi表示第i生育期溫度適宜度的權重系數，rTi表示第i生育期溫度適宜度對氣候產量豐欠指數的影響系數，F(Tij)表示第j年第i生育期溫度適宜度，Yj表示第j年的氣候產量豐欠指數，n表示年序，n=56。則第j年全生育期溫度適宜度可表示為：

(10)

同理計算一季稻全生育期降水和日照適宜度：

(11)

(12)

式中，aRi、aSi分別表示各生育期降水、日照適宜度權重系數(表2)。

由表2可見，溫度適宜度在拔節—孕穗期權重最大，孕穗—開花期次之，播種—三葉期溫度適宜度對產量影響最??；降水適宜度在移栽—返青期權重最大，孕穗—開花期次之，拔節—孕穗期對產量影響最小；日照適宜度在分蘗期對產量形成最為關鍵，拔節—孕穗期次之，播種—三葉期對產量影響最小。

表2 不同生育期溫度、降水及日照適宜度權重系數

1.2.4氣候適宜度模型構建。由于溫度、降水及日照因子對一季稻生長及產量形成的影響不盡相同，為了精確評估三者對氣候適宜度的不同貢獻，將全生育期溫度、降水和日照適宜度綜合加權，得到一季稻全生育期氣候適宜度：

F(Cj)=WT·F(Tj)+WR·F(Rj)+WS·F(Sj)

(13)

式中，WT、WR、WS分別代表全生育期溫度、降水、日照適宜度權重系數。首先計算歷年全生育期平均溫度、降水、日照適宜度與氣候產量豐欠指數相關系數，根據式(14)得到單要素適宜度對綜合氣候適宜度的權重貢獻WT、WR、WS分別為0.42、0.38、0.20?？梢?，溫度適宜度對氣候適宜度的綜合貢獻最高，是決定一季稻產量的關鍵因子，其次降水適宜度，日照適宜度權重系數最小。

(14)

2 結果與分析

2.1一季稻生育期氣候適宜度基本氣候態分布從圖1a可以看出，1981—2010年天長市一季稻生育期溫度適宜度最大，日照適宜度次之，降水適宜度最小。表明天長市一季稻生育期熱量資源充沛，基本能滿足一季稻生長需求，但夏季尤其是水稻抽穗—開花期，高溫熱害對產量影響較大；而降水量年際波動大，旱澇災害頻繁，是一季稻生產主要的限制因子。從不同生育來看，溫度適宜度均較適宜，以灌漿—成熟期最適宜，而抽穗—開花期常因高溫熱害及涼夏，適宜度相對較低；降水適宜度播種—三葉期最高，而移栽—返青期最低；日照適宜度拔節—孕穗期最高，而分蘗期相對較低。

變異系數反映適宜度年際間的離散程度。圖1b顯示，1981—2010年天長市一季稻溫度適宜度變異系數最小，日照次之，而降水適宜度最大，這是由于降水年際波動大，尤其是分蘗期易遭受洪澇災害，而抽穗—開花期出現伏旱，不利于一季稻生長及產量形成。

從平均值(圖2a)來看，播種—三葉期、拔節—孕穗期及灌漿—成熟期氣候適宜度較高，而移栽—返青期最低。變異系數(圖2b)，播種—三葉期最小，而拔節—孕穗期最大，表明一季稻拔節—孕穗期氣候適宜度年際波動大，一季稻生長氣候條件不穩定。

圖1 1981—2010年天長市一季稻各生育期溫度、降水及日照適宜度(a)及其變異系數(b)Fig.1 Temperature，precipitation and sunshine suitability(a)and variation coefficient(b)for each growth period of single-season rice in Tianchang City from 1981 to 2010

圖2 1981—2010年天長市一季稻各生育期氣候適宜度(a)及其變異系數(b)Fig.2 Climate suitability(a)and variation coefficient(b)for each growth period of single-season rice in Tianchang City from 1981 to 2010

2.2一季稻生育期氣候適宜度時間演變趨勢從全生育期來看，1961—2016年天長市一季稻溫度適宜度無明顯的線性增減趨勢，溫度適宜度總體較大(圖3a)；降水適宜度呈線性增加趨勢，未通過0.05的信度檢驗，其中2016年一季稻生育期發生洪澇災害，降水適宜度為1961年以來最低(圖3b)；日照適宜度呈極顯著的減小趨勢，通過0.01的信度檢驗(圖3c)。

1961—2016年天長市一季稻全生育期平均氣候適宜度略有減小趨勢(通過0.05的信度檢驗)，表明氣候變化對一季稻生長的負面影響已經顯現；氣候適宜度年際波動大，1974、1988年氣候適宜度總體較大，有利于一季稻生長；而2011年以來適宜度總體偏低，其中2016年天長市先后遭遇洪澇及高溫干旱災害，一季稻適宜度為近56年來最差的一年(圖3d)。

圖3 1961—2016年天長市一季稻全生育期溫度(a)、降水(b)、日照(c)及氣候(d)適宜度變化Fig.3 Suitability changes of temperature(a)，precipitation(b)，sunshine(c)and climate(d)in the whole growth period of single-season rice in Tianchang City from 1961 to 2016

3 結論與討論

(1)天長市一季稻生育期氣候適宜度基本特征：一季稻生育期溫度適宜度最大，日照適宜度次之，降水適宜度最?。槐砻魈扉L市一季稻生育期熱量資源充沛，基本能滿足一季稻生長需求；而降水量是一季稻生產主要的限制因子。從平均值來看，播種—三葉期、拔節—孕穗期及灌漿—成熟期氣候適宜度較高，而移栽—返青期最低。

(2)1961—2016年一季稻全生育期平均氣候適宜度略有減小趨勢，氣候適宜度年際波動大；其中溫度適宜度趨勢變化不明顯，降水適宜度呈線性增加趨勢，而日照適宜度呈極顯著的減小趨勢。

(3)構建的一季稻氣候適宜度模型能綜合反映氣候條件與一季稻生長發育及產量形成的內在關系，有效地刻畫天長市一季稻的氣候適宜度優劣動態變化過程。由于作物生長不僅與氣候要素間存在相互影響、相互作用的復雜關系，還與環境、社會等要素密切相關。該研究僅考慮了溫度、日照、降水的影響，且氣象數據以生育期為單位進行計算，所以僅僅能夠粗略反映天長市一季稻氣候適宜度時空分布特征，需要在進一步的研究中細化要素，綜合考慮其他農業因子，以便于更好地指導農業生產。

[1] 賴純佳，千懷遂，段海來，等.淮河流域雙季稻氣候適宜度及其變化趨勢[J].生態學雜志，2009，28(11)：2339-2346.

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[6] 馬玉平，孫琳麗，俄有浩.預測未來 40 年氣候變化對我國玉米產量的影響[J].應用生態學報，2015，26(1)：224-232.