湘中地區(qū)雙季早稻的農(nóng)業(yè)氣候指標適應性研究

鄧梅 蔡海朝 馬琴 鄧見英 李志強

（1湖南省婁底市氣象局，湖南婁底417000；2氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙410118）

湘中地區(qū)位于長江中下游平原，水熱資源充足，屬于典型的水稻農(nóng)業(yè)區(qū)，其中雙季早稻的產(chǎn)量約占水稻總產(chǎn)的40%。在全球氣候變暖的大背景下，農(nóng)業(yè)氣候資源也隨之發(fā)生變化，在一定程度上影響了一個地區(qū)的農(nóng)作物種類和品種、種植方式和制度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構和布局等，從而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)播種的時間、產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量[1-3]。艾治勇等[4]研究發(fā)現(xiàn)，長江中游地區(qū)1960—2009年日照時數(shù)減少可能影響水稻葉片光合作用及產(chǎn)量，積溫增加可能導致水稻發(fā)育速度加快、生育期縮短、病蟲害加重等；田小海等[5]研究發(fā)現(xiàn)，寧夏在1961—2009年期間，隨著氣候的變化，作物生長季天數(shù)逐漸延長，中晚熟水稻的適宜種植區(qū)擴大。隨著農(nóng)業(yè)氣候資源的變化，各地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候指標也隨之發(fā)生改變和調(diào)整。農(nóng)業(yè)氣候指標是以氣候要素的某些數(shù)值來表達它們與農(nóng)業(yè)對象之間關系的一種形式，是衡量農(nóng)業(yè)氣候條件利弊的尺度及開展農(nóng)業(yè)氣象服務的科學依據(jù)和基礎，是反映氣象條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的特征量[6-7]。受氣候變化的影響，湘中地區(qū)的氣候資源和主要農(nóng)業(yè)氣象災害特征也發(fā)生了變化，可能導致過去的雙季早稻播種期、影響其產(chǎn)量的相關農(nóng)業(yè)氣候指標與當?shù)啬壳暗臍夂驐l件或種植制度、結構等不適應[8]。

本研究分析了湘中地區(qū)雙季早稻播種適宜期調(diào)整，探索分析了影響雙季早稻產(chǎn)量的主要農(nóng)業(yè)氣候指標的適應性調(diào)整，最后利用氣候指標適宜度評價模型進行驗證，以為湘中地區(qū)雙季早稻氣候指標體系的建立和更新、產(chǎn)量預報和農(nóng)業(yè)氣候年景的預測等研究提供理論支撐。同時，為充分利用當?shù)氐臍夂蛸Y源指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及合理調(diào)整種植制度、結構等提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

選取了湘中地區(qū)（婁底、邵陽、長沙）共19個氣象觀測站1980—2017年的逐日氣象資料，湖南省統(tǒng)計局提供的婁底、邵陽和長沙2007—2017年的雙季早稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)，以及婁底、邵陽和長沙共3個水稻氣象觀測站提供的2007—2017年雙季早稻期間的氣象觀測資料。

1.2 理論方法

1.2.1 灰色關聯(lián)分析法

該方法的基本思想是根據(jù)離散數(shù)列間的相似程度來判斷其關聯(lián)程度，是灰色系統(tǒng)理論中的一種分析方法[9]。應用該原理，把影響湘中地區(qū)雙季早稻的可能農(nóng)業(yè)氣候因子視作一個灰色系統(tǒng)，每個農(nóng)業(yè)氣候因子則是該系統(tǒng)中的一個因素，計算系統(tǒng)中各因素的關聯(lián)度，關聯(lián)度越大，說明密切程度越高，反之則低。

該研究中主要以雙季早稻的產(chǎn)量做主體序列（X0），把其生育期分為3個階段：秧田期（Ⅰ）、移栽至分蘗期（Ⅱ）和拔節(jié)至成熟期（Ⅲ），各對應階段的農(nóng)業(yè)氣候因子（主要有≥10℃積溫、降水量、平均氣溫和日照時數(shù)等）作為影響數(shù)列（Xi），該研究定義三個階段≥10℃積溫分別為X1、X2和X3，三個階段的降水量為X4~X6，以此類推平均氣溫和日照分別為X7~X9、X10~X12，均進行無量綱化處理，用X0數(shù)列分別除以Xi數(shù)列，以此計算關聯(lián)度[εi（K）] 和關聯(lián)系數(shù)（ri）。

式中，min是X0和Xi在k點絕對差的一級最小差；Δ（min）是二級最小差；max是 X0和 Xi在 k 點絕對差的一級最大差；Δ（max）是二級最大差，ρ是分辨系數(shù)，為經(jīng)驗值，一般取值0.5；k為年數(shù)[10]。

1.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗方法

選用Mann-Kendall（簡稱M-K方法）檢驗法對≥0℃和≥10℃積溫數(shù)據(jù)進行分析檢驗[11]，通過計算正、反向樣本序列的統(tǒng)計量UF和UB，UF為標準正態(tài)分布，利用兩者的變化特點分析樣本序列的變化趨勢。UF＞0則表明序列有上升的趨勢，UF＜0則表明呈下降趨勢，UF=0表示持平。當UF和UB超過0.05水平臨界直線時，表示序列上升或者下降趨勢顯著；如果UF和UB線出現(xiàn)交點，且交點在臨界直線之間，則該交點對應的時刻就是突變開始的時間。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行灰色關聯(lián)分析，探索湘中地區(qū)雙季早稻各生育期內(nèi)農(nóng)業(yè)氣候因子對產(chǎn)量的影響，篩選出4個主要農(nóng)業(yè)氣候指標，然后利用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對主要農(nóng)業(yè)氣候因子進行一元二次多項式擬合，確定其農(nóng)業(yè)氣候指標的適宜范圍。

1.4 氣候指標適宜度評價模型

對各氣候指標單因子適宜度運用幾何平均法，求取平均值構建雙季早稻各生育期氣候指標適宜度（Si）的綜合影響模型，即：

圖1 湘中地區(qū)1980—2017年春播期穩(wěn)定通過10℃初日的變化

圖2 湘中地區(qū)1980—2017年春播期穩(wěn)定通過10℃初日的MK分析曲線

2 結果與分析

2.1 雙季早稻播期的適應性調(diào)整

從1980—2017年湘中地區(qū)19個站點穩(wěn)定通過10℃初日日期可以看出，湘中地區(qū)春播期穩(wěn)定通過10℃的初日有明顯的年際變化，最早的初日為2008年3月1日，最晚在2010年4月16日，期間極差為46 d（圖1）。經(jīng)M-K突變分析發(fā)現(xiàn)，湘中地區(qū)1980—2017年春播期穩(wěn)定通過10℃初日的突變點在1997年，通過UF曲線可以看出，1997年后穩(wěn)定通過10℃初日提前，2004—2009年之間明顯提前（圖2）；1980—1997年湘中地區(qū)穩(wěn)定通過10℃初日平均日期為3月26日，1998—2017年穩(wěn)定通過10℃初日平均日期為3月19日，由此確定湘中地區(qū)雙季早稻的播期可由上世紀90年代制定的3下旬至4月上旬[13]，提前至3月中旬至4月初，提前了約7 d。

表1 雙季早稻產(chǎn)量Y和相關因子（Xi）的關聯(lián)度

表2 湘中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測站2007-2017年的雙季早稻發(fā)育期的統(tǒng)計資料和實際產(chǎn)量

圖3 湘中地區(qū)雙季早稻拔節(jié)至成熟期≥10℃積溫、日照和產(chǎn)量的關系

圖4 湘中地區(qū)雙季早稻秧田期≥10℃積溫、移栽至分蘗期平均氣溫和產(chǎn)量的關系

圖5 雙季早稻生長季各氣候指標適宜度

2.2 影響因子的關聯(lián)分析

統(tǒng)計2007—2017年各階段的數(shù)據(jù)資料，以產(chǎn)量Y作為主體數(shù)列，用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將其與農(nóng)業(yè)氣候因子X1～X12進行灰色關聯(lián)分析，得到各因子的關聯(lián)度（表1）。其中，拔節(jié)至成熟期≥10℃積溫、日照時數(shù)、秧田期≥10℃積溫以及移栽至分蘗期的平均氣溫是影響雙季早稻產(chǎn)量的主要農(nóng)業(yè)氣候因子，其關聯(lián)度分別為0.8206、0.6408、0.5423 和 0.5058。

2.3 多項式法確定農(nóng)業(yè)氣候指標

根據(jù)2.2得到的與早稻產(chǎn)量關聯(lián)度最大的4個氣候因子，采用多項式法確定了其農(nóng)業(yè)氣候指標閾值（圖3、圖4）。選取單產(chǎn)與歷年持平時各氣候因子的值為農(nóng)業(yè)氣候指標閾值的最小值，得到與湘中地區(qū)雙季早稻增產(chǎn)密切的農(nóng)業(yè)氣候指標閾值分別是：拔節(jié)至成熟期10℃積溫≥1 546.9℃、拔節(jié)至成熟期日照時數(shù)≥291.1 h、秧田期10℃積溫≥476.8℃和移栽至分蘗期平均氣溫≥19.8℃。目前為止，這些農(nóng)業(yè)氣候指標均未出現(xiàn)造成早稻減產(chǎn)的極值。

2.4 氣候指標適宜度評價

利用湘中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測站2007—2017年的雙季早稻發(fā)育期的觀測統(tǒng)計資料和實際產(chǎn)量（表2），根據(jù)氣候指標適宜度模型，計算出早稻生長期內(nèi)逐旬的農(nóng)業(yè)氣候指標適宜度（圖5）。從圖5可以看出，湘中地區(qū)早稻生長季氣候指標適宜度在0.36~0.74之間，氣候指標適宜度總體呈上升的趨勢，且通過了信度α=0.05的顯著性檢驗；但在3月中旬、5月上旬和7月上旬，其氣候指標適宜度低于雙季早稻適宜度的總趨勢線，這3個階段為“倒春寒”“5月低溫”和“高溫熱害”等農(nóng)業(yè)氣象災害的多發(fā)期，故導致適宜度較差，其余時段的適宜度均高于雙季早稻適宜度的總趨勢線，說明這些氣候指標適宜應用到湘中地區(qū)雙季早稻的實際生產(chǎn)。

3 結論與討論

經(jīng)M-K突變分析確定湘中地區(qū)雙季早稻的播期可由上世紀90年代制定的3下旬至4月上旬提前至3月中旬至4月初，提前了約7 d。統(tǒng)計分析湘中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測站2007—2017年雙季早稻資料，發(fā)現(xiàn)3月16日至4月1日為湘中地區(qū)雙季早稻播種的適宜期，這與謝遠玉等[14]研究的熱量資源的增加使早稻的安全播期平均提前6 d相一致。劉維等[15]認為，提前播種移栽有利于提高抽穗至成熟期溫度的適宜度，能有效避開高溫熱害對早稻的影響，但播期的提前對早稻稻米的品質(zhì)是否會有影響還未可知。

采用灰色關聯(lián)和多項式法確定了影響雙季早稻產(chǎn)量的主要農(nóng)業(yè)氣候指標及其閾值：拔節(jié)至成熟期10℃以上積溫≥1 553.7℃、拔節(jié)至成熟期日照時數(shù)≥281.7 h、秧田期10℃以上積溫≥467.4℃和移栽至分蘗期平均氣溫≥20.8℃。有關學者研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化中氣溫、降水和日照等的變化，是影響水稻產(chǎn)量的重要因素[16-17]。

經(jīng)氣候指標適宜度模型驗證，得出雙季早稻生長季氣候指標適宜度在0.36~0.74之間，總體呈上升的趨勢，但在“倒春寒”“5月低溫”和“高溫熱害”等農(nóng)業(yè)氣象災害的多發(fā)時段，其適宜度較差，其他時段的適宜度均高于雙季早稻適宜度的總趨勢線，且通過了信度α=0.05的顯著性檢驗，說明這些氣候指標適宜應用到湘中地區(qū)雙季早稻的實際生產(chǎn)。

本研究為湘中地區(qū)雙季早稻氣候指標體系的建立和更新、產(chǎn)量預報和農(nóng)業(yè)氣候年景的預測等研究提供了理論支撐；同時，為充分利用當?shù)氐臍夂蛸Y源指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及合理調(diào)整種植制度、結構等提供了依據(jù)。但文中雙季早稻生育期劃分時，沒有考慮不同品種間的差異性，且氣候指標適宜度模型參數(shù)的穩(wěn)定性與代表性需要更廣范圍和更長時間來進行確定和驗證。另外，設置農(nóng)業(yè)氣候指標時并沒有考慮到農(nóng)業(yè)氣象災害的發(fā)生率及其影響，故有待進一步深入研究，使其更科學。