湛江地區干濕氣候變化特征及其對水稻、糖蔗和花生產量的影響

趙寶山 竇美安 安東升 嚴程明 馬海洋 黃松 蘇俊波

摘 要：探究地區干濕氣候變化特征及其對作物產量的影響，可為氣候變化下農業生產規劃布局和氣象災害防御提供科學依據。本研究利用1960—2020 年湛江地區氣象站點逐日地面觀測資料以及1990—2020 年該地區水稻、糖蔗和花生產量的統計數據，以參考作物蒸散量（ET0）和降水量確定的干燥度指數（AI）為干旱指標，分析該地區干濕氣候變化特征，并確定氣候變化對3 種作物產量的影響。結果表明，湛江地區降水量年際變化波動較大，年平均降水量1534.41 mm，上升趨勢不顯著；氣溫以0.18 ℃/10 a 的速率顯著上升；年平均ET0 和AI 分別為1242.72 mm/a 和0.87，上升趨勢不顯著。依據干燥度指數年變化情況，1—4 月和10—12 月是湛江地區干旱易發生時段。1990—2020 年該地區水稻、糖蔗和花生產量呈顯著增長趨勢，4 月干燥度指數升高降低3 種作物的產量，5 月干燥度指數升高顯著提高花生產量，而對水稻和糖蔗產量影響不顯著，6 月氣溫升高和降水量減少有利于顯著提高水稻和花生產量。糖蔗產量受氣溫和降水變化的影響不顯著，而12 月干燥度指數升高顯著提升糖蔗產量。本研究結果對湛江及周邊地區農業應對氣候變化及提高農作物生產潛力具有重要意義。

關鍵詞：氣候變化；參考作物蒸散量；干燥度指數；降水量；作物產量

中圖分類號：S162.5 文獻標識碼：A

全球氣候呈現變暖趨勢，地表氣溫很可能在2030—2052 年比工業化前水平約高1.5 ℃[1]，而中國可能上升1.8 ℃[2]。與氣候變暖相關的其他氣候要素（如降水、空氣濕度、日照時數、風速等）和干濕狀況也會發生變化。農業是對氣候變化最為敏感的領域之一，氣候變化將對農業生產和糧食安全產生深遠影響[3]。因此，探究氣候變化下地區干濕氣候變化特征及其對作物產量的影響，對農業發展具有較高的理論意義和科學價值。

湛江市位于中國大陸最南端，是廣東省重要的農業生產基地，也是省內干旱災害頻發的區域[4]。

雖然該地區多年平均雨量達1395.5～1723.1 mm，但由于地處低緯度沿海地區，受熱帶氣旋侵襲的頻次和登陸地點不定等的影響，水資源時空分布不均，加之該地區氣候炎熱蒸發能力強，土壤主要為保水蓄水能力較差的紅壤土，農業生產中季節性干旱問題十分突出，已成為制約湛江地區農作物高產穩產的主要因素[5-6]。在全球氣候變暖背景下，湛江地區的氣候也發生明顯變化，氣候變化通過改變農業氣候資源影響作物栽培方式、種植制度、生長發育、氣候生產力、病蟲害等，進而影響作物產量與品質[7]。當前，針對湛江地區季節性干旱頻發現狀，已有學者對該地區降水和干旱時空變化特征及發生規律開展了研究[4， 8-9]。

然而，現有研究尚未探討該地區干濕氣候變化對農作物產量的影響。基于此，本研究通過收集該地區氣候要素和主要種植的水稻、糖蔗和花生3種作物的產量數據，利用干燥度指數表征地區干濕特征，分析氣候變化對作物產量的影響，以期為氣候變化下湛江及周邊地區農業生產規劃布局及氣象災害防御提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

湛江地處中國大陸南端，廣東省西南部，全境位于20°13′N～21°57′N，109°40′E～110°58′E 之間，面積約1.33 萬km2，地形多為平原和臺地，土壤以紅壤土為主。氣候類型屬于熱帶北緣季風氣候，終年受海洋氣候的調節，年均氣溫為22.7～23.5 ℃，年均雨量1395.5～1723.1 mm，年均日照時數1714.8～2038.2 h，是中國光、熱、水資源最為豐富的地區之一，但地區蒸發量高且水資源時空分布不均，是廣東省干旱災害發生較為頻繁的區域。湛江市農作物生產以糧食、糖料、油料作物為主，也是廣東省重要的熱帶作物和熱帶水果生產基地。

1.2 方法

1.2.1 數據來源 收集1960—2020 年湛江轄區內湛江市（21°09′N，110°18′E，海拔53.4 m）和徐聞縣（21°15′N，110°10′E，海拔11.4 m）2 個全國基準基本站地面氣象日值資料，包括降水、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、平均風速和日照時數等數據，數據來源于國家氣象科學數據中心（http：//data.cma.cn）。對于其中個別缺測數據，采用當日相鄰2 d 該氣象要素的平均值替代[10]。并收集1990—2020 年湛江地區水稻、糖蔗和花生的產量數據，數據來源于《湛江市統計年鑒2021》。

1.2.2 干燥度指數計算 干燥度指數（AI）為自然條件下大氣中水汽輸出ET0 與輸入降水量的比值，可用于表征地區干濕特征，其計算公式為[11]：

1.3 數據處理

利用Excel 2019 軟件進行數據分析、整理，采用IBM SPSS Statistics 26 軟件進行顯著性分析，采用Origin 2021 軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 氣候要素變化特征分析

1960—2020 年湛江地區降水量、氣溫、相對濕度和日照時數的年際變化趨勢如圖1 所示，從圖1A 可以看出，湛江地區降水量年際變化波動較大，整體上湛江市高于徐聞縣，湛江市和徐聞縣平均降水量分別為1675.52、1393.30 mm，年最大降水量分別為2411.30、2134.10 mm，均發生于1985 年；年最小降水量分別為1068.50、769.70 mm，均發生于2004 年。湛江地區降水量的上升趨勢不顯著，但年際變化波動較大，主要是由于該地區受熱帶氣旋侵襲的頻次和登陸地點不定的影響。

由圖1B 可知，湛江市氣溫呈顯著上升趨勢，且徐聞縣氣溫呈極顯著上升趨勢，湛江市和徐聞縣的氣候傾向率分別為0.12 ℃/10 a 和0.24 ℃/10 a，湛江地區氣溫顯著升高與全球氣候變暖的大環境一致。由圖1C 可知，湛江市和徐聞縣的相對濕度變化范圍分別為76.56%～86.28%和77.72%～86.77%，平均值分別為82.04%和82.94%，湛江市上升趨勢不顯著，徐聞縣呈顯著下降趨勢，氣候傾向率為?0.25%/10 a，說明徐聞縣呈一定的干旱趨勢。日照作為太陽輻射的直觀表現形式，是溫度、相對濕度和降水等氣象要素的能量來源，由圖1D 可知，湛江市的日照時數變化范圍為4.22～5.89 h，平均值5.22 h，氣候傾向率為?0.025 h/10 a；徐聞縣的日照時數高于湛江市，平均值為5.65 h，湛江地區的日照時數下降趨勢不顯著。日照時數的下降可能與人類活動、城市化發展導致大氣污染，空氣中氣溶膠增多有關[16]。

2.2 干濕狀況變化特征分析

1960—2020 年，湛江地區參考作物蒸散量（ET0）整體上升趨勢不顯著（圖2A），可以看出徐聞縣的ET0 上升趨勢更為明顯，湛江市和徐聞縣的ET0 氣候傾向率分別為4.88 mm/10 a 和9.68 mm/10 a。地區年際ET0 分布不均，湛江市的變化范圍為1102.48～1357.24 mm/a， 平均值為1214.19 mm/a。徐聞縣的ET0 變化范圍為1075.38～1434.89 mm/a，平均值為1271.25 mm/a。

湛江地區干燥度指數（AI）年際變化如圖2B所示，結果表明該地區干燥度指數的變化趨勢不顯著，相同時期內徐聞縣的AI 高于湛江市，湛江市和徐聞縣的AI 平均值分別為0.76 和0.99。根據AI 確定的干濕等級劃分標準，湛江地區屬于濕潤區。但部分年份干濕等級存在差異，1960—2020年，湛江市約有9.8%的年份屬于亞濕潤區，徐聞縣有27.9%的年份處于亞濕潤區，11.5%的年份屬于亞干旱區。

1960—2020 年湛江地區降水量（P）、ET0 和AI 的月變化曲線如圖3 所示，從圖3A 可看出，湛江市降水量呈雙峰型變化趨勢，前汛期雨季峰值出現在6 月，降水量為255.25 mm；7 月降水量減少，后汛期雨季峰值出現在8 月，降水量為300.08 mm。從圖3B 可看出，徐聞縣降水量呈單峰型變化趨勢，峰值出現于8 月，降水量峰值為278.53 mm。湛江地區降水年內分布不均，湛江市和徐聞縣6—10 月降水量較多，分別占全年降水量的88.8%和90.3%。湛江市和徐聞縣的ET0 在一年內呈單峰型變化趨勢，1 月和2 月較小，2 月之后ET0 持續增大，5—10 月的ET0 均超過100 mm，這6 個月的總ET0 占全年的63.1%。湛江市和徐聞縣的降水與ET0 變化趨勢略有不同，湛江市4—10 月降水量高于ET0，11 月至次年3 月ET0 高于降水量。而徐聞縣6—10 月降水量高于ET0，11 月至次年5 月ET0 高于降水量（圖3B）。從圖3 還可以看出，AI 指數在1—5 月下降，之后6—9 月基本保持平穩，10—12 月迅速上升。根據干濕等級劃分標準，AI>1.5 時屬于亞干旱及以上干旱程度，可以看出湛江市在1—2 月、11—12 月處于亞干旱及以上干旱程度，徐聞縣在1—4 月、10—12 月處于亞干旱及以上干旱程度。因此，1—4 月和10—12 月是湛江地區干旱易發生的時段，在此期間易因干旱導致作物產量減產。

2.3 干濕氣候變化對作物產量的影響

湛江地區季節性、區域性干旱問題較為突出，進而制約該地區農作物的穩產高產。1990—2020年湛江地區水稻、糖蔗和花生單產的變化趨勢如圖4 所示，從圖4 可以看出3 種農作物的單產隨時間序列呈不同程度的波動，其中水稻和糖蔗的單產波動幅度較大，但3 種作物整體呈顯著增長趨勢。1990—2020 年水稻、糖蔗和花生的平均單產分別為5093.71、72 907.74、2611.45 kg/hm2。

2004 年湛江地區發生較嚴重的春旱和秋旱[4]，旱情嚴重影響糖蔗產量。2015 年發生的春夏秋連旱使糖蔗和水稻出現不同程度的減產，而當年花生未出現明顯減產。

采用氣溫、降水量和干燥度指數（AI）分析湛江地區干濕氣候變化對3 種作物產量的影響。

湛江是廣東省雙季稻的主要種植區，從生育期來看，早稻和晚稻生育期分別集中于3—6 月和8—11 月。對水稻生育期的氣溫、降水量和干燥度指數與產量進行回歸分析（表1），可以看出氣溫整體上與產量呈正相關，其中6 月氣溫升高顯著提高了水稻產量，氣溫每上升1 ℃，水稻單產增加354.61 kg/hm2。4—5 月降水量與產量呈正相關，而在其余月份呈負相關。干燥度指數在降水較少的3—4 月和10—11 月與產量呈負相關，在其余月份呈正相關。4—5 月處于水稻需水量較多的分蘗期或拔節期，水分虧缺易導致水稻有效穗數減少，因此在此期間降水增多提高了水稻產量，而4 月干燥度指數升高顯著降低了產量。6 月降水與產量呈顯著負相關，干燥度指數上升在一定程度上有利于提高產量，這主要是由于6 月水稻處于揚花授粉期和灌漿期，降水多使空氣濕度增加，不利于穎花發育和進行授粉，并且降水過程經常伴隨的大風容易使水稻發生大面積倒伏，也會對湛江地區的水稻產量產生負影響。

湛江地區糖蔗生育期主要集中于3—12 月，表2 為糖蔗生育期氣溫、降水量和干燥度指數（AI）與產量的回歸分析結果，可以看出除8 月和12 月外，氣溫升高一定程度上有利于提高糖蔗產量，但氣溫對糖蔗產量影響程度不顯著。5 月、6 月和12 月降水增加降低了糖蔗產量，4 月和12月AI 對糖蔗產量影響達到顯著水平，其中4 月AI 對產量呈負影響，干燥度每上升1 個單位，糖蔗產量下降69.71 kg/hm2，其主要原因可能是由于4 月處于糖蔗幼苗期和分蘗期的過渡階段，干旱脅迫易導致糖蔗有效莖數減少；12 月AI 對產量呈正影響，其主要原因是12 月處于糖蔗成熟期，降水量過多易導致糖蔗出現倒伏現象，影響糖蔗生長和后續的收割，12 月AI 每上升1 個單位，糖蔗產量增加72.37 kg/hm2。

花生是我國主要的油料作物和重要的經濟作物，也是廣東省種植面積僅次于水稻的第二大農作物[17]。湛江地區花生生育期干濕氣候變化與產量的回歸分析結果見表3，可以看出在4 月氣溫升高有利于花生產量的增加，5 月和6 月的影響程度達到顯著水平。4 月花生處于對水分最為敏感的花針期，產量與降水量呈正相關，其余月份呈負相關，僅6 月的降水量對花生產量的影響達到顯著水平。AI 在3 月對花生產量影響不顯著，4—6 月的影響達到顯著水平，4 月AI 每上升1 個單位，花生產量減少7.12 kg/hm2，而5—6 月AI上升有利于花生產量的增加。

3 討論

全球氣候變暖背景下，華南地區氣溫呈顯著上升的同時，降水量在春季和秋季呈減少趨勢，該地區干旱發生頻率和強度增加[18-20]。近年來，隋月等[19]、黃晚華等[20-21]根據不同干旱指標對華南氣候及干旱特征開展了研究，結果表明該地區干旱特征存在明顯的時空差異，這主要是由于地區氣候資源的時空變化具有非均勻性。本研究利用1960—2020 年湛江地區氣象站點逐日地面觀測資料，對降水量、氣溫、相對濕度、日照時數、參考作物蒸散量（ET0）和干燥度指數（AI）變化特征進行了分析。結果表明，湛江市和徐聞縣的AI 平均值分別為0.76 和0.99，2004 年湛江市和徐聞縣的AI 均值最高（AI=1.37），是湛江地區最干旱的一年，這與歷史上2004 年湛江地區發生嚴重干旱相吻合。另外，2005 年和2020 年AI 均為1.31，是21 世紀以來湛江地區僅次于2004 年的干旱年份。1960—2020 年湛江地區降水、相對濕度和日照時數變化趨勢不顯著， 而氣溫以0.18 ℃/10 a 的速率顯著升高，ET0 以7.28 mm/10 a的速率上升，氣溫升高、蒸發增強加劇了地表水汽的輸出，可能導致該地區干旱風險的增加。

氣候變化通過改變地區農業氣候資源進而影響農作物生長環境和產量，許多學者采用不同干旱指標研究了干旱指標與作物產量的關系[22-25]。

其中，AI 綜合考慮了大氣水汽輸入的降水量和輸出的蒸散量，綜合表征了區域氣候的整體變化，是較為理想的氣候指標[15， 24]。以AI 為干旱指標，已有學者研究了氣候變化對小麥、玉米和馬鈴薯等作物產量的影響[7， 24]。本研究利用1990—2020年湛江地區水稻、糖蔗和花生產量統計數據，以AI 分析地區干濕氣候變化對水稻、甘蔗和花生3種主要作物產量的影響。湛江地區光熱資源豐富，具備水稻獲得高產的潛力，也是廣東省水稻種植面積最大的地區[26]。尹朝靜[27]指出氣溫升高和降水量增加對華南地區的水稻單產具有負向影響，本研究結果表明，氣溫升高有利于湛江地區水稻產量的提高，其原因可能是水稻生殖生長階段的抽穗期避開了常出現極端高溫的6—8 月。在降水較少的4—5 月水稻產量與降水量呈正相關，即4—5 月降水量適量增加有利于提高水稻產量，而在其余月份降水量增加不利于水稻增產，這與韓芳玉等[25]在氣溫和降水變化對華南地區水稻產量影響的研究結論相似。4 月AI 與水稻產量呈顯著負相關，其余月份對產量影響并不顯著。就甘蔗而言，湛江地區是廣東省主要甘蔗產地之一，根據VICENTE 等[28]和FáBIO 等[29]的研究，甘蔗在發芽期和幼苗期需水量較小，進入分蘗期后快速增加，至生長期需水量最大，約為6.0～9.0 mm/d。

本研究表明春季4 月和秋季10 月的AI 與糖蔗產量呈負相關，相關系數分別為–0.35 和–0.22，說明湛江地區在這2 個月易發生干旱導致糖蔗減產，研究表明甘蔗在4 月的平均需水量約為7.0 mm/d[30]，但4 月湛江未進入汛期，降水不足容易導致干旱使糖蔗減產。就花生而言，雖然花生生育期處于湛江地區的干旱少雨時段，但干旱對其產量影響并不明顯，多年來保持顯著上升趨勢，這主要是由于花生具有較強的耐旱性。花生不同生育期發生干旱對其產量影響程度不同，苗昊翠等[31]研究表明，干旱脅迫對花生產量的影響在開花期最為敏感，其次為結莢期，而苗期對干旱最不敏感。湛江地區花生在4 月進入開花期，花生產量與AI 呈顯著相關（R=–0.41）。因此，在4 月保證花生充足的水分供給，能有效提升該地區花生的產量。

在農業生產中，影響作物產量的因素眾多，本研究只考慮主要的氣候因素對湛江地區3 種作物產量的影響。事實上，其他自然災害如臺風、倒春寒等對該地區作物產量也會造成較大影響，因此定量分析其他自然災害對作物產量的影響將是今后的研究內容之一。另外，通過積極培育抗旱澇、耐高溫和抗病蟲害等抗逆甘蔗新品種，加強農田水利基礎設施建設和水資源管理，做好農業干旱災害防御工作，是氣候變化環境下湛江地區農作物實現高產的另一主要工作內容。

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