氣候變化背景下四川省玉米生育期農業氣候資源變化趨勢

張玉芳，吳冰潔，郭 斌

(1. 中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；2. 四川省農業氣象中心，四川 成都 610072; 3. 雅安市氣象局，四川 雅安 625000；4. 阿壩州氣象局，四川 阿壩 624000)

【研究意義】四川是中國13個糧食主產省之一。玉米是四川省重要的糧食作物，在農業生產中占有重要的地位，2017年四川省玉米播種面積為139.9萬hm2，占全省糧食播種面積22 %，玉米總產量793.2萬t，占全省糧食產量23 %[1]。農業是對氣候變化最敏感的領域之一，且研究表明：生態環境和氣象條件、玉米品種與種子是當前繼栽培管理技術之后影響中國玉米產量的第二和三大類因素[2]，故研究玉米農業氣候資源對糧食安全和生產決策具有重要的指導意義。在氣候變化的背景下，四川氣候與農業氣候資源已發生了明顯變化[3-4]。西南地區總輻射顯著降低，溫度日較差減小[5]。通過對西南區域春玉米生長季的氣候條件研究表明，1961-2010年整個生長階段平均溫度上升0.55 ℃[6]。2004-2007年從四川東北部連續4年遭受4次洪澇災害和一次特大旱災，2009-2012年四川部分區域已經連續4年發生嚴重干旱[7-8]。四川盆地玉米在拔節-乳熟期發生干旱頻率較高，且發生面積最廣[9]。【前人研究進展】我國學者對氣候變化背景下區域氣候資源演變特征做了大量研究工作，其中紀瑞鵬等[10]利用應用線性氣候傾向率分析了遼寧地區全年和四季光熱水等主要農業氣候資源；劉志娟等[11]分析了東北三省全年及生長期內的溫、光、水5個氣象要素農業氣候資源變化特征；李正國等[12]應用氣候傾向率分析氣候變化背景下東北三省主要作物類型典型物候期的變化趨勢。但針對具體作物且分生育期分析其農業氣候資源變化特征的相關研究較少。為此，【本研究切入點】本文利用四川省124個氣象站1961-2017年逐日氣象觀測數據，同時結合四川省玉米的生育期資料，分析四川省玉米全生育期和分生育期的平均氣溫、氣溫日較差、總輻射量、參考作物蒸散量、缺水率5個要素的空間分布特征，研究四川省玉米生育期農業資源的時空規律。【擬解決的關鍵問題】旨在為四川省玉米生產趨利避害、合理利用當地農業氣候資源、為相關部門在玉米種植等方面提供科學參考意見。

1 材料與方法

1.1 數據來源

氣象資料來源于四川省氣象局，主要包括四川省盆地、盆周山區及攀西農區1961-2017年共計124個氣象站逐日平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水量、日照時數等。玉米生育期數據源于四川省盆地、盆周山區及攀西農區1981-2017年15個玉米農業氣象觀測站點的觀測資料。

1.2 研究區域

四川省玉米主要種植在盆地、盆周山區及攀西農區，本文根據種植區域地理地貌類型和形成的現狀，將其劃分為7個玉米種植區及1個非種植區(圖1)。結合大田生產調查資料和農業氣象觀測站的觀測報表，得出各種植區玉米全生育期及不同生育階段的起止時間(表1)。

圖1 四川省玉米種植分區Fig.1 Maize planting zoning of Sichuan province

表1 四川省7大玉米種植區域玉米不同生育階段的時間

1.3 研究方法

1.3.1 有效降水量 參考Smith M. CROPWAT[13-14]推薦的方法：

式中，Re為有效降水量(mm/d);R為總降水量(mm/d)。

1.3.2 需水量W=KcET0

W是玉米需水量[15](mm/d)；Kc是利用文獻[16]中提及的方法進行修正后的值，ET0采用FAO推薦的Penman-Monteith方法[17]。

1.3.3 缺水率

式中，Z為缺水率( %)，W為需水量(mm/d)，Re為有效降水量(mm)[18]。

1.3.4 總輻射量 本文采用Angstron方程由逐日日照時數推算總輻射量，具體計算公式見參考文獻[19]。

1.3.5 氣候傾向率 參考《氣候變化背景下四川省氣候資源變化趨勢分析》[20]一文中的詳細說明。

2 結果與分析

2.1 生育期熱量資源的時空分布

2.1.1 平均溫度 1961-2017年，四川省農區玉米全生育期區域內平均值為20.9 ℃，值相對高的區域集中在盆北及盆西部分區域。近50年來玉米全生育期平均溫度的區域變化趨勢平均值0.07 ℃/10a；盆北及盆南局部區域全生育期平均溫度呈下降趨勢，其余地區均呈升高的趨勢。從圖2-b～d可以看出，玉米各生育階段的平均溫度不同，其中乳熟-成熟平均溫度最大，播種-拔節最小。

圖2 1961-2017年玉米生育期平均溫度的空間分布Fig.2 Spatial distribution of maize average temperature during growth period from 1961 to 2017

近50年來玉米播種-拔節平均溫度氣候傾向率區域內平均值為0.08 ℃/10a，整體呈升高趨勢，負值主要出現在攀西部分區域；1961-2017年研究區域內各生育階段的平均溫度總體均呈升高的趨勢，在播種-拔節期升高速率最快(圖3)。

圖3 1961-2017年玉米生育期平均溫度的氣候傾向率空間分布Fig.3 Spatial distribution of maize average temperature trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.1.2 氣溫日較差 1961-2017年，四川省農區玉米全生育期平均日較差為6.8～15 ℃，平均9.3 ℃，攀西農區大都在10～15 ℃之間，盆地7～10 ℃(圖4-a)。近50年玉米全生育期平均日較差的變化趨勢在-0.6～0.4 ℃/10a之間，平均值-0.01 ℃/10a；農區除攀西大部，盆地南部、中部、西部局部區域呈現降低趨勢，其余為升高趨勢。

圖4 1961-2017年玉米生育期日較差的空間分布Fig.4 Spatial distribution of maize diurnal temperature range during growth period from 1961 to 2017

從圖4-b～d可以看出，1961-2017年玉米各生育期平均日較差在播種-拔節期、拔節-乳熟期、乳熟-成熟分布特征都是攀西明顯高于盆地，播種-拔節期平均日較差最大，為6.8～16.1 ℃，平均值9.8 ℃；拔節-乳熟期最小，為6.3～14.1 ℃，平均為8.7 ℃。

近50年平均日較差氣候傾向率在攀西大部、盆北及盆南局部呈現減少趨勢；拔節-乳熟在盆地西南部及攀西東北部部分區域呈升高趨勢，其余大部呈現減少趨勢；乳熟到成熟期平均日較差氣候傾向率在區域平均值為-0.02 ℃/10a，正值主要為盆地北部及南部局部區域(圖5)。

圖5 1961-2017年玉米生育期日較差的氣候傾向率空間分布Fig.5 Spatial distribution of maize diurnal temperature trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.2 玉米生育期光資源的時空分布

1961-2017年，四川省農區玉米全生育期總輻射量為1418～2818 MJ/m2，平均1982 MJ/m2，盆地呈現從西北到東南逐步減小的趨勢；攀西農區總輻射量為2100～2800 MJ/m2之間，呈現從南到北減小趨勢(圖6-a)。近50年來玉米全生育期總輻射量的變化趨勢平均值-18 MJ/m2/10a；農區大部減少趨勢。從圖6-b～d可以看出，1961-2017年玉米各生育期總輻射量的分布在播種-拔節期、拔節-乳熟期呈現攀西多，盆地少的特點，播種-拔節期總輻射量最大，為577～1614 MJ/m2，平均值1039 MJ/m2；乳熟-成熟期總輻射量最小，為229～498 MJ/m2，平均為373 MJ/m2。

圖6 1961-2017年玉米生育期總輻射量的空間分布Fig.6 Spatial distribution of maize radiation during growth period from 1961 to 2017

近50年來玉米播種-拔節總輻射量氣候傾向率平均值為-5 MJ/m2/10a，整體呈降低趨勢，正值主要出現在攀西大部及盆中部分農區，1961-2017年研究區域內各生育階段的總輻射量減小趨勢(圖7)。

圖7 1961-2017年玉米生育期總輻射量的氣候傾向率空間分布Fig.7 Spatial distribution of maize radiation trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.3 玉米生育期水資源的時空分布

2.3.1 參考作物蒸散量 近50年四川省玉米全生育期參考蒸散量平均549 mm，攀西農區作物參考蒸散量最多，最少區域集中在盆南及盆東局部區域(圖8-a)。近50年來玉米全生育期參考蒸散量的變化趨勢在-40～25 mm/10a之間，平均值-2.7 mm/10a；盆地農區大部減少趨勢；攀西除北部部分區域增加，其余呈現減少趨勢。從圖8-b～d可以看出，1961-2017年玉米各生育期參考蒸散量的分布，播種-拔節期參考蒸散量最大，區域內平均值274 mm；乳熟-成熟期參考蒸散量最小，平均為97 mm。

近50年來玉米播種-拔節參考蒸散量氣候傾向率平均值為-0.5 mm/10a，農區除盆中大部、盆南部分區域及攀西地區北部為增加趨勢，其余下降趨勢明顯；拔節-乳熟平均值為-1.2 mm/10a，盆地大部呈現減少趨勢，攀西北部區域升高趨勢明顯；乳熟到成熟期平均值-1.0 mm/10a，農區大部為負值。由此可見，1961-2017年研究區域內各生育階段的參考蒸散量總體呈現下降趨勢(圖9)。

圖8 1961-2017年玉米生育期參考作物蒸散量的空間分布Fig.8 Spatial distribution of maize reference crop evapotranspiration during growth period from 1961 to 2017

圖9 1961-2017年玉米生育期參考作物蒸散量的氣候傾向率空間分布Fig.9 Spatial distribution of wheat reference crop evapotranspiration trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.3.2 缺水率 1961-2017年，四川省農區玉米全生育期缺水率平均為36.6 %，缺水率最大區域集中在攀西大部及盆中老旱區(圖10-a)。近50年來玉米全生育期缺水率的變化趨勢平均值0.02 %/10a；農區除盆北、盆東及攀西大部區域為負值，其余大部是正值。從圖10(b～d)可以看出，1961-2017年玉米各生育期缺水率的分布：，播種-拔節期缺水率最大，乳熟-成熟期缺水率最小。

近50年來玉米播種-拔節缺水率氣候傾向率平均值為-0.4 %/10a，農區除盆西、盆南及攀西東部部分區域為正值，其余為負值；拔節-乳熟缺水率氣候傾向率平均值為1.1 %/10a，負值主要出現在盆地及攀西東北部部分區域；乳熟到成熟期缺水率氣候傾向率平均值0.47 %/10a，正值主要分布在盆地南部、中部及攀西西部部分區域。由此可見，1961-2017年研究區域內各生育階段的缺水率總體正常(圖11)。

3 結 論

基于1961-2017年124個氣象觀測站資料及1981-2017年15個玉米農業氣象觀測站點的觀測資料，分析了我省農區玉米種植區全生育期及不同生育階段溫、光、水等農業氣候資源時空分布狀況，具體結果如下。

從熱量條件來看，玉米全生育期及各生育期熱量資源整體呈升高趨勢，在播種-拔節期升高最快。全生育期平均溫度值相對高的區域集中在盆北及盆西部分區域，相對低值的區域在盆西北及攀西的北部部分區域；全生育期平均日較差的變化趨勢農區除攀西大部，盆地南部、中部、西部局部區域呈降低趨勢，其余為升高趨勢。平均日較差在各生育期分布特征都是攀西明顯高于盆地。從光照條件來看，全生育期總輻射量盆地呈現從西北到東南逐步減小的趨勢，攀西農區總輻射量呈現從南到北減小趨勢。播種-拔節期總輻射量最大，乳熟-成熟期最小。全生育期總輻射量農區大部為減少趨勢，各生育階段呈減小趨勢。從水分條件來看，全生育期參考蒸散量攀西農區最多，最少區域集中在盆南及盆東局部區域。在播種-拔節期參考蒸散量最大，乳熟-成熟期最小。全生育期參考蒸散量盆地農區大部減少趨勢，攀西除北部部分區域增加，其余呈現減少趨勢，各生育階段的參考蒸散量總體呈現下降趨勢；全生育期缺水率最大區域集中在攀西大部及盆中老旱區，播種-拔節期缺水率最大。全生育期缺水率的變化趨勢農區除盆北、盆東及攀西大部區域為負值，其余大部是正值，各生育階段的缺水率總體正常。

4 討 論

氣候變暖對玉米生育期、產量以及灌溉條件等都將產生重大影響，本研究分析了四川省玉米全生育期及各生育階段溫、光、水資源分布狀況，可為相關部門制定農業生產措施提供科學依據，如盆東北、盆南、盆中及攀西部分農區參考蒸散量和缺水率較大，該區域應該避免季節性干旱的發生，根據雨季時間適時播種，同時提前采取措施減少乳熟-成熟期高溫伏旱對該區玉米生產造成不良影響，選取抗旱品種，優化栽培措施，加強農田管理，確保玉米生產的健康發展。玉米生產不僅與生長季內的氣象條件密切相關，還與玉米本身的品種和玉米種植地的土壤條件有關。本文僅分析了玉米生育期內農業氣候資源的時空分布特征，今后將結合不同區域的玉米種植品種和種植區域的土壤特性開展更為深入的研究。