水稻年度間產量波動與生長季氣象因子間的相關性分析

衣政偉 田鵬飛 鄧孟珂 費玉娟 王政權 王顯 胡中澤 楊大柳 趙蓓

摘要：以1999—2019年江蘇省泰州市興化市、姜堰區、泰興市3地水稻生長季的氣象資料為依據，分析3地氣象因子對各自地區水稻產量年度間變化的影響。針對氣象因子（溫度、降水量、日照時數、相對濕度、風速、地表溫度等），對年際水稻生長季尺度，生育關鍵時期尺度上的變化特征、趨勢及其與產量之間的關系進行綜合分析，同時統計分析月雨日數（月日降水量≥0.1 mm的日數及微量降水日數之和）、月日降水量≥0.1 mm日數的年際間變化規律及其與3地年度間產量之間的相關性。結果表明，不同年份氣象因子對泰州市3地產量的影響不同;3地21年來年際間日平均溫度、日最高溫度、日降水量、月日降水量≥0.1 mm日數、日平均地表溫度等呈波動式上升趨勢，日照時數、月雨日數、日平均風速等呈波動式下降趨勢;3地其他氣象因子變化趨勢不一致，且年際間均有差異;年際間各氣象因子之間呈顯著或極顯著相關關系，產量與氣象因子之間表現為興化市產量與月雨日數呈極顯著負相關關系，姜堰區產量與月雨日數呈顯著負相關關系，姜堰區、泰興市產量與日平均風速呈極顯著負相關關系。分析氣象因素對年際間水稻產量的影響發現：泰州市21年來水稻單產年際波動較大，單產最高值為2018年興化市的 9 750 kg/hm2，最低值為2003年興化市的7 470 kg/hm2;綜合分析發現，21年來總體氣象條件對水稻單產影響較小，但極端天氣如2003年的洪澇災害和2016年的持續連陰雨天氣對水稻產量影響極大。

關鍵詞：水稻;氣象因子;產量;泰州市;相關性;氣象資料

中圖分類號：S162.5+3 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）12-0051-12

收稿日期：2020-09-21

基金項目：2020年泰州市財政專項資金（編號：TNY202006）。

作者簡介：衣政偉（1986—），男，山東臨朐人，碩士，助理研究員，主要從事作物栽培與農業科技服務相關研究。E-mail：zhengwei0518@126.com。

通信作者：趙 蓓，主要從事氣象預測預報與科技服務相關研究。E-mail：326844872@qq.com。

水稻產量與品種、土壤肥力、農藝措施及氣象條件等密切相關，水稻單產因受氣象因子影響在年際間出現相應的波動;不同年度或生態區水稻生長期間的氣候條件有一定差異，水稻產量對應的生育時期及關鍵氣象因子也因此不同[1-4]。目前，針對氣候變化對水稻生產的影響已展開了大量研究[5-9]。抽穗開花期高溫會導致水稻空秕粒數升高、千粒質量下降，抽穗灌漿期高溫會使作物加工品質下降，抽穗結實期的日平均氣溫對產量影響最大，抽穗揚花期如遇連陰雨天，會導致空秕粒數增加，水稻分蘗期若光照不足會影響有效穗數形成。在以往關于氣候變化對農作物影響的研究中，大多僅研究了溫度、降水、日照時數等氣象因素與作物產量的關系，而缺乏對其他氣象因子的研究分析。本研究對江蘇省泰州市自北向南3個農業氣象站點過去 21年（1999—2019年）的氣象觀測資料進行研究，對氣象因素與年度間水稻單產相關性、氣候變化對江蘇省泰州市水稻產量影響的敏感性進行分析，以期科學評估氣象條件對糧食產量的影響，因地制宜地制定針對氣候變化的糧食生產適應性策略。

泰州市是江蘇省內水稻生產大市，地處蘇中地區，受季風影響，降水變率較大，南北地域間氣候有差異，水稻生長季常受到氣象條件變化的制約和影響。不同區域氣象因子的差異導致水稻產量不同，因此總結和分析過去21年江蘇省泰州市內有代表性的北、中、南部3個區域水稻生長季氣象條件對水稻生產造成的影響及其相關性，對更好地開展農業氣象服務，應對有可能出現的極端氣象條件，為水稻生產提供技術指導并做好預防應對措施等工作，有一定的實用價值和意義。

1 材料與方法

1.1 資料來源

本研究中1999—2019年內氣象資料由江蘇省泰州市氣象局提供，包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量、日照時數、日平均相對濕度、日平均風速、月雨日數、月日降水量≥0.1 mm日數、地表向下5及10 cm的土壤溫度等逐日氣象資料。本研究中氣象數據選擇站點為江蘇省興化市、泰州市姜堰區、泰興市，選擇的站點代表了泰州市由北到南不同地理位置和氣候條件的氣象情況。1999—2019年間水稻產量數據及水稻生產情況調研分析來自國家統計局泰州調查隊和泰州市黨史方志辦公室編纂的《泰州統計年鑒》（粳稻相關數據）與《泰州市年鑒》。本研究中水稻每年生長季氣象資料數據起止時間均為5月21日和10月20日。根據實際經驗確定氣象因素影響水稻產量的大致時期，將水稻生長季分為播種期到移栽期（5月20日至6月20日）、移栽期到拔節期（6月21日至7月31日）、拔節期到齊穗期（8月1—31日）及齊穗期到成熟期（9月1日至10月20日）4個關鍵生育時期。本研究僅分析氣象因素與水稻（粳稻）產量之間的相關性，不考慮土地面積、栽插方式、農業政策等其他因素。

1.2 泰州市3地氣候特點

泰州市位于江蘇省中部，屬于亞熱帶濕潤氣候區，受季風環流的影響，具有明顯的季風性特征。這里四季分明，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，具有無霜期長、熱量充裕、降水豐沛、雨熱同期等特點。氣溫最高在7月，最低在1月，冬夏季南北的溫差不大，年平均氣溫在14.4～15.1 ℃之間，年平均降水量1 037.7 mm，降水日數為113 d。但受季風的影響，降水變率和溫度差異的年際或月度變化較大，且南北地域之間存在一定的差異。泰州市的溫度帶屬亞熱帶，干濕區屬濕潤區。

氣象觀測點分別位于興化市、泰州市姜堰區和泰興市。興化市地理位置為32°40′～33°13′N，119°43′～120°16′E;姜堰區位置為32°30′N、120°09′E;泰興市地理位置為31°58′12″～32°23′05″ N，119°54′05″～120°21′56″ E。

興化市位于泰州市北部，屬北亞熱帶濕潤季風氣候區，受大陸與海洋性氣候影響，具有四季分明，雨量充沛、冬寒夏熱和雨熱同步等特點，年平均氣溫14～15 ℃，無霜期210～220 d，歷年平均降水量1 040.4 mm。地勢低洼平坦，地面高程為1.40～3.20 m，平均高程1.80 m。冬季風向為西北風，夏季風向為東南風。5月20日至10月20日≥10 ℃活動積溫為3 771.5 ℃，有效積溫為2 231.5 ℃，日照時數為934.3 h，降水量為721.2 mm。

姜堰區地處泰州市中部，屬亞熱帶季風氣候區。常年平均氣溫14.5 ℃，年平均積溫5 365.6 ℃，年平均降水量991.7 mm，年平均降水日117 d，年平均日照時數2 205.9 h，無霜期215 d。作物生長季較長，日平均氣溫高于10 ℃的作物生長期平均為223 d，高于15 ℃喜溫作物生長期為172 d。水稻全生育期（5月21日至10月20日）常年氣候特征：有效積溫3 780.9 ℃，日照時數852.5 h，降水量694.5 mm。

泰興市位于泰州市南部，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫14.9 ℃，1月最冷，平均氣溫2.0 ℃，最低氣溫-10 ℃;7月最熱，平均氣溫27.6 ℃，最高氣溫40 ℃。年平均降水量1 027 mm，日照2 125 h，無霜期220 d。水稻全生育期（5月11日至10月20日）常年氣候特征：有效積溫4 119.1 ℃，日照時數942.5 h，降雨量789.9 mm。

1.3 統計分析方法

利用Excel整理數據，應用SPSS 18 軟件對數據進行統計分析，計算水稻生長季相應時期的日平均氣溫 、日最高氣溫、日最低氣溫 、相對濕度和日照時數等。計算各氣象要素間、氣象要素與產量間的單相關系數、多因子復相關系數和逐步線性回歸方程等。

2 結果與分析

2.1 興化市、泰州市姜堰區、泰興市水稻產量與年同比增長率

圖1表明，不同年份氣象因子對泰州市3地產量的影響不同，近21年來3個地區的水稻產量均有所增加，其中以興化市水稻產量的增加最明顯，姜堰區產量與泰興市接近。3地水稻單產最高出現在2018年的興化市，水稻單產最低點為2003年的興化市，姜堰區和泰興市產量變化與興化市類似但變化幅度小。近21年來興化市水稻平均產量最低，3地產量在2008年之前波動較大，近12年總體呈平緩上升趨勢，2003—2008年興化市產量最低，2008年之后其產量最高;其中產量在2019年小幅下降。3地在2003年和2004年水稻產量急劇下降，其中興化市水稻產量下降情況尤為嚴重。據《泰州市年鑒》記載，前述現象是因為2003年發生了洪澇災害和水稻條紋葉枯病，抽穗灌漿期稻縱卷葉螟發生量大，發生時長歷史罕見;2004年水稻灰飛虱蟲量大、帶毒率高，導致水稻條紋葉枯病普遍發生，造成減產。2014年，當地在7月下旬開始出現低溫現象，整個8月份積溫為786.6 ℃，日照時數只有 80.4 h，整個水稻生育期日照時數為662.8 h，比常年少189.7 h;7—8月降水量為429.7 mm，較2013年同期多264.9 mm。2016年，總日照時數低于常年，有效積溫和降水量均比往年高，其中8月氣象條件好于往年，表現為溫高、光足、雨少;9—10月下旬，以陰雨天氣為主，尤其是在10月雨日數達 21 d，降水量426.4 mm，降水量是往年同期的7倍;在水稻生產、收獲的關鍵時期，持續連陰雨天氣對全市糧食生產造成極大影響，水稻移栽初期因連續強降雨，沿江地區嚴重受淹，遲栽遲發面積較上年有所增加。

2.2 水稻全生育期年際間氣象因子變化趨勢分析

由圖2可知，興化市、姜堰區、泰興市在21年來年際間日平均氣溫、日最高氣溫、降水量、日平均地表氣溫等整體呈波動式上升趨勢，日照時數、月雨日數、日平均風速等整體呈波動式下降趨勢，3地其他氣象因子不同，且年際間均有差異。3地中日平均氣溫、日最高氣溫均大體上呈上升趨勢且姜堰區變化均較明顯，二者年際間平均值從大到小均為泰興市>姜堰區>興化市。姜堰區與泰興市日最低氣溫均呈上升趨勢且姜堰區變化明顯，興化市日最低氣溫呈下降趨勢且變化不明顯。3地降水量呈上升趨勢且變化不明顯，其中在2018年5月25日泰興市有特大降雨，降水量為 1 229 mm。月日降水量≥0.1 mm 日數、日平均地表溫度均呈上升趨勢且3地無顯著性差異，年際間日平均地表溫度從大到小為興化市>泰興市>姜堰區。日相對濕度中姜堰區呈下降趨勢，興化市與泰興市呈上升趨勢，且3地變化均不明顯。3地的日照時數均呈下降趨勢。3地的月雨日數均呈下降趨勢，且平均值表現為泰興市>姜堰區>興化市。3地的日平均風速大體均呈下降趨勢，差異不明顯且平均值表現為興化市>泰興市>姜堰區。另外考慮到泰興市降水量有單日特大暴雨的情況，除日均相對濕度和日平均風速的變化不一致外，3個地區其余氣象因子大體變化趨勢相似。

2.3 年際間水稻產量與水稻生長季氣象因子之間相關性與回歸分析

由表1至表3可知，1999—2019年興化市、泰州市姜堰區、泰興市單位面積水稻產量與氣象因子的相關性存在一定的差異，其中溫度、日照時數和降水量并不是對3地產量影響最顯著的要素，月雨日數、日平均風速才是影響水稻單位面積產量的主要因子。興化市水稻產量與月雨日數呈極顯著負相關關系;姜堰區水稻產量與月雨日數呈顯著負相關關系，與日平均風速呈極顯著負相關關系，與日平均最低氣溫呈顯著正相關關系;泰興市水稻單位面積產量與日平均風速呈極顯著負相關關系。其余氣象因子指標與水稻單位面積產量的相關性均不顯著，氣象因子之間大部分呈顯著或極顯著相關關系。由表4可知，氣象因子中除興化市日平均風速、姜堰區日照時數、泰興市降水量和日平均風速外，均與其他12個氣象因子呈顯著或極顯著正相關關系。產量與所有氣象因子復相關性均不顯著，相關系數較大，興化市、泰州市姜堰區、泰興市3地產量與其他12個氣象因子復相關系數分別為0.851、0.910、0.901。

前面分析了年際間不同氣象因素與水稻產量之間的相關性，水稻產量是不同氣象因子等自然因素和非自然因素綜合作用的結果，同時不同產量因子對于產量的效應權重有差異。因此，對氣象因子與產量之間進行逐步回歸分析（表5），將每1個新變量引入后，對已入選回歸模型的老變量逐個進行檢驗，將檢驗認為不顯著的變量刪除，以保證所得自變量子集中的每個變量都是顯著的，此過程經過若干步驟到不能再引入新變量為止。這時回歸模型中所有變量對因變量都是顯著的。經回歸分析得知，興化市產量波動變化中最重要的因素是月雨日數和日平均相對濕度，且與月雨日數呈負相關關系，興化市產量與日平均相對濕度呈正相關關系。姜堰區、泰興市年際間產量波動變化中最重要的因素均是日平均風速，且均與日平均風速呈負相關關系。說明月雨日數和日平均相對濕度是影響興化市水稻單位面積產量的重要因素，而姜堰區、泰興市水稻單位面積產量則受日平均風速的影響最大。

2.4 年際間水稻產量與水稻不同生育期內氣象因子之間相關性與回歸分析

本研究將水稻生長季分為播種期到移栽期（5月20日至6月20日）、移栽期到拔節期（6月21日至7月31日）、拔節期到齊穗期（8月1—31日）及齊穗期到成熟期（9月1日至10月20日）4個關鍵生育時期。經分析3地不同生育時期氣象因子與水稻單位面積產量之間的相關性（表6～表11）發現，興化市各時期內各氣象因子與產量都無顯著相關性，說明各生育時期內氣象因子對水稻產量的波動無顯著性影響，其中齊穗期到成熟期的日最低氣溫與產量呈負相關關系，相關系數為-0.402。姜堰區在播種期到移栽期的日平均最低氣溫與產量呈極顯著正相關關系，日平均風速與產量呈極顯著負相關關系;在移栽期到拔節期、拔節期到齊穗和齊穗期到成熟期的日平均風速與產量均呈極顯著負相關關系，說明姜堰區在移栽前日最低氣溫越高水稻產量越大，而在移栽期到成熟期之間日平均風速要盡量小才會獲得高產量。泰興市水稻生育期的日平均風速與產量均呈顯著或極顯著負相關關系;由此可知，各時期日平均風速顯著影響水稻產量的波動。表12結果表明，興化市各時期的氣象因子與水稻產量均無顯著復相關性。姜堰區的播種期至移栽期、拔節期至齊穗期中氣象因子與產量呈顯著正相關關系。泰興市播種期到齊穗期的氣象因子與產量呈顯著或極顯著正相關關系，齊穗期至成熟期氣象因子與產量復相關性不顯著。3地4個時期內其他氣象因子之間大部分復相關性顯著或極顯著。

由表13可知，興化市的4個水稻生長時期氣象因子對年際間產量沒有顯著性影響，無法形成回歸方程。泰興市4個時期內氣象因子與產量經回歸分析得知，產量均與日平均風速呈負相關關系。姜堰區水稻產量在播種期到移栽期、移栽期到拔節期、齊穗期到成熟期最重要的因素均是日平均風速;拔節期到齊穗期水稻產量最重要的因素是日最低氣溫、日平均風速和日平均10 cm地溫，且與日最低氣溫呈正相關，與日平均風速和日平均10 cm地溫呈負相關關系。說明姜堰區、泰興市水稻單位面積產量受日平均風速的影響最大。

3 結論與討論

各氣象要素對水稻年度間產量波動都存在不同程度的影響[3]。農業生產對氣候變化反應最為敏感和脆弱，低溫、多雨、寡照等極端氣候事件對農業生產的影響顯著。21世紀以來，極端氣候發生頻率增加、強度變大、影響范圍增大、持續時間變長[10]。

本研究中2003年、2004年和2016年的水稻產量因極端天氣的發生而減產的結論與之相符。本研究中其他重要氣象要素對水稻產量波動影響較小。這可能與本研究所選擇的3個地點本身生態差異不明顯，或者是水稻產量還要受到品種、栽培條件及當年農業政策的影響導致。另外，氣候指標的選取雖具有一定代表性，但難免存在一些遺漏，不能充分反映出蘇中地區極端氣候的時空變化情況。因此，要更加重視氣象要素對作物產量的影響，特別是近10年來水稻生育中后期遭受低溫冷害、低溫陰雨寡照、干熱風和狂風暴雨等氣象災害的影響程度越來越重;這些極端氣候的發生頻率越來越高，造成的產量損失也越來越大，亟待氣象部門及時預測預報和預警，與此同時農業部門和種植戶也要充分利用氣候資源及農業措施來降低水稻年度間的產量波動，以達到防災減災和穩產中產的目的。

氣象條件主要包括溫度、光照、降水、相對濕度和風速等，上述氣象因子通過直接影響水稻的生長發育或間接影響蟲害和疾病的發生來影響產量，而不同生態區制約水稻產量的關鍵氣象因子也不相同[1，11]。本研究中溫度、日照時數和降水量等的變化趨勢不明顯，三者與水稻產量的相關性亦不顯著，說明在研究區內三者的變化對水稻產量的影響較小。總體上，泰州市21年來氣候變化有利于水稻生產。實際上，光照、溫度與降水量等氣象因子在水稻不同生長發育期中所起的作用很難明確界定;在水稻生長發育的不同時期，當光照、溫度與降水量相近的前提下，風速也是影響水稻產量的關鍵氣象因子，適宜的微風有利于改善水稻田間群體受光條件、增強氣體交換和促進花粉傳播，過大風速會引起倒伏，延遲成熟、加重病害的發生，造成水稻減產[12-15]，這與本研究結果一致。風速在水稻幼苗時期對產量的影響不明顯，但風速過大則會導致幼苗倒伏。在水稻抽穗期如遇大風，會導致水稻抽穗緩慢，甚至不能夠出穗，進而影響水稻產量。因此水稻生產中要控制好栽插密度，以形成合理高產群體，培育壯秧，進而應對突發自然天氣。

隨著極端天氣的頻發，水稻后期尤其容易受臺風、暴雨及異常低溫等不利天氣影響，所以極端天氣來臨時要及時制定應急預案，做好防災減災準備。各農業管理服務部門應不定期組織專業技術人員到田間地，落細落實生產技術，保證田間管理措施到位。以上分析僅考慮氣候階段性變化對蘇中地區糧食生產的影響，而對科技進步和農業政策等因素對農業生產影響缺乏估計。總體來說，調整種植結構、開發和培育作物新品種、加強農業抗災設施建設是重點工作，在風速影響較大區域建議在密度確定的情況下，減小水稻株距，增加行距，或實行寬窄行栽培，均可以改善田間小氣候環境。

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