張 波，谷曉平，古書鴻

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002； 2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

貴州省水稻氣候生產(chǎn)潛力估算

張 波1，2，谷曉平1，*，古書鴻1

(1.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002； 2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

基于貴州省81個氣象站1961—2015年的氣象資料，采用逐步訂正和線性趨勢等方法，分析水稻的光合、光溫、氣候生產(chǎn)潛力的變化特征和氣候資源利用率。研究結(jié)果表明：貴州省水稻光合、光溫和氣候生產(chǎn)潛力均隨時間推進而呈現(xiàn)遞減趨勢，遞減速率分別為484.46、206.78、357.38 kg·hm-2·10 a-1。空間分布上，光合生產(chǎn)潛力總體表現(xiàn)為東西部高、中北部低，光溫生氣潛力表現(xiàn)出由東南部向西北部遞減的變化趨勢，氣候生產(chǎn)潛力與光溫生產(chǎn)潛力空間分布基本一致。水稻氣候資源利用率多年平均為9.06%，隨時間變化呈遞增趨勢，遞增速率為0.017%·a-1。

水稻；氣候生產(chǎn)潛力；氣候資源利用率；變化趨勢；貴州省

農(nóng)業(yè)氣候資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)能源和基本環(huán)境條件，直接影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，氣候資源變化對農(nóng)作物產(chǎn)量有重要影響。貴州地形地貌復雜多樣，干旱等自然災(zāi)害頻發(fā)。水稻作為貴州省的主要糧食作物，生長季農(nóng)業(yè)氣候資源的變化勢必影響其生育期長度、發(fā)育過程，以及產(chǎn)量[1-3]。因此，研究貴州區(qū)域水稻生產(chǎn)潛力特征變化具有積極的意義。

目前，已有諸多學者采用不同模式方法對不同作物的氣候生產(chǎn)潛力進行了研究。毛留喜等[4]采用農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)劃(AEZ)模型，結(jié)合衛(wèi)星遙感監(jiān)測的土地利用分類信息，對鐮刀彎地區(qū)春玉米種植的氣候適宜程度和氣候生產(chǎn)潛力進行了定量評估；陳霞燕等[5]基于作物生長動態(tài)統(tǒng)計模型計算了吉林省春玉米光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，并運用敏感系數(shù)法計算并分析了生產(chǎn)潛力對全生育期平均氣溫和降水的敏感性；楊春艷等[6]采用Thornth waite模型探討了西藏地區(qū)糧食產(chǎn)量與氣候變化和耕地面積變化的關(guān)系；李秀芬等[7]采用逐步訂正等方法研究了黑龍江省玉米光合生產(chǎn)力、光溫生產(chǎn)力、氣候生產(chǎn)力的時空變化特征，并對未來不同氣候情景下玉米氣候生產(chǎn)力進行評估；許燕等[8]采用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的逐步訂正法，對江蘇省沿海地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力進行估算，驗證了氣候生產(chǎn)潛力模型的可行性；金志鳳等[9]采用逐步訂正、線性趨勢分析等方法研究了浙江茶葉的光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的變化特征；張玉芳等[10]分析了四川省7個水稻種植區(qū)的水稻光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力的時空分布特征，并結(jié)合現(xiàn)實生產(chǎn)力數(shù)據(jù)分析了氣候變化背景下四川省水稻的增產(chǎn)潛力；余衛(wèi)東等[11]計算了河南省夏玉米光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力，分析了光溫生產(chǎn)潛力與氣候生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力與實際產(chǎn)量2種產(chǎn)量差的時空變化特征。但迄今未見關(guān)于貴州省水稻氣候生產(chǎn)潛力的研究報道。本研究在前人研究基礎(chǔ)上，采用FAO推薦的逐步訂正法，對貴州水稻光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力進行估算，并探討近55 a貴州水稻氣候資源的利用率，以期為合理利用當?shù)貧夂蛸Y源，實現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1資料來源

貴州省現(xiàn)有85個地面氣象觀測站。由于各站建站時間不一致，為了保證資料的完整性，剔除數(shù)據(jù)缺測較多的站點；因此，本研究選用貴州省81個氣象觀測站1961—2015年的逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、平均風速和日照時數(shù)等氣象觀測資料。氣象數(shù)據(jù)來源于貴州省氣象信息中心；貴州省數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)來源于中國科學院科學數(shù)據(jù)庫，分辨率為90 m×90 m；水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于貴州省統(tǒng)計局。研究區(qū)域及氣象觀測站的分布如圖1所示。

1.2 研究方法

采用FAO推薦的逐步訂正法[12-13]，并結(jié)合研究區(qū)域的實際情況，估算水稻生育期內(nèi)的氣候生產(chǎn)潛力。計算公式如下：

Yw=Q×f(Q)×f(T)×f(w)=YQ×f(T)×f(w)=YT×f(w)。

(1)

式(1)中Yw為氣候生產(chǎn)潛力，Q為太陽輻射，f(Q)為光合有效系數(shù)，f(T)為溫度有效系數(shù)，f(w)為水分有效系數(shù)，YQ為光合生產(chǎn)潛力，YT為光溫生產(chǎn)潛力。

1.2.1 光合生產(chǎn)潛力

光合生產(chǎn)潛力(YQ)為單位面積單位時間內(nèi)光照資源所形成的理論產(chǎn)量，計算公式如下：

YQ=Q×f(Q)=CΩεφ(1-α)(1-β)(1-ρ)(1-γ)(1-ω)f(L)∑QiS(1-η)-1(1-δ)-1q-1。

(2)

式(2)中：C為單位換算系數(shù)；∑Qi為水稻生育期內(nèi)的總輻射之和(MJ·m-2)；Ω為作物光合固定CO2的能力比例，取值0.90；ε為光合有效輻射比，取值0.49；φ為光量子轉(zhuǎn)化效率，取值0.22；α為植物群體反射率，取值0.06；β為植物群體透射率，取值0.06；ρ為作物非光合器官截獲輻射比率，取值0.08；γ為超過光飽和點的光的比率，取值0.05；ω為呼吸消耗占光合產(chǎn)物的比重，取值0.33；f(L)為作物葉面積動態(tài)變化訂正值，取值0.56；S為作物經(jīng)濟系數(shù)，取值0.40；η為成熟作物的含水率，取值0.15；δ為作物灰分率，取值0.08；q為單位干物質(zhì)的含熱量(MJ·kg-1)，取值17.5。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點分布Fig.1 Study area and distribution of meteorological stations

太陽輻射Q采用氣候?qū)W方法計算[14-15]：

Q=Q0(a+b*s)。

(3)

式(3)中：Q0為天文輻射；a、b是經(jīng)驗系數(shù)；s為日照百分率。

1.2.2 光溫生產(chǎn)潛力

光溫生產(chǎn)潛力(YT)是指單位面積單位時間內(nèi)，由當?shù)靥栞椛浜蜏囟人纬傻睦碚摦a(chǎn)量，計算公式如下：

YT=f(T)×YQ；

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中：T為水稻生育期內(nèi)的平均溫度，T0、T1和T2為水稻生育期內(nèi)產(chǎn)量形成的最適溫度、生長發(fā)育的下限溫度和上限溫度。播種育秧期(4月上旬—5月上旬)，T0、T1、T2取值分別為26、12、40 ℃；移栽返青期(5月中旬—6月中旬)，T0、T1、T2取值分別為28、13、35 ℃；分蘗期(6月下旬—7月上旬)，T0、T1、T2取值分別為28、15、33 ℃；拔節(jié)孕穗期(7月中旬—7月下旬)，T0、T1、T2取值分別為29、15、38 ℃；抽穗開花期(8月上旬—8月中旬)，T0、T1、T2取值分別為29、18、37 ℃；乳熟成熟期(8月下旬—9月中旬)，T0、T1、T2取值分別為26、13、35 ℃。

1.2.3 氣候生產(chǎn)潛力

在光溫生產(chǎn)潛力基礎(chǔ)上，考慮水分的影響即為氣候生產(chǎn)潛力(YW)，計算公式如下：

YW=f(w)×YT；

(7)

(8)

式(7)～(8)中：ΔW為水分盈虧額，ΔW=R-KcE0；R為作物生育期內(nèi)的降水量，W為作物生育期內(nèi)的理論需水量，W=KcE0；Kc為作物需水系數(shù)，播種育秧期、移栽返青期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、乳熟成熟期分別取值1.05、1.15、1.50、1.30、1.05、1.05。E0為參考作物蒸散量，由FAO推薦的Penman-Monteith模型計算，公式如下：

(9)

式(9)中E0為潛在蒸散量(mm·d-1)，Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率(kPa·℃-1)，Rn為作物表面的凈輻射(MJ·m-2·d-1)，G為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1)，T為2 m處的日平均氣溫(℃)，r為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實際水汽壓(kPa)，u2為2 m處的風速(m·s-1)。

1.2.4 氣候資源利用率

氣候資源利用率常用于評價一個地區(qū)作物生產(chǎn)的實際狀況和生產(chǎn)潛力，計算公式為

(10)

式(10)中，P為氣候資源利用率(%)，Y為水稻實際生產(chǎn)力(kg·hm-2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生產(chǎn)潛力時間變化特征

1961—2015年貴州省水稻光合、光溫、氣候生產(chǎn)潛力隨時間推進呈現(xiàn)出遞減趨勢(圖2)，遞減速率分別為484.46、206.78、357.38 kg·hm-2·10 a-1。期間，光合生產(chǎn)潛力多年平均值為38 701.21 kg·hm-2，最大值為42 639.90 kg·hm-2(1963年)，最小值為35 752.98 kg·hm-2(2014年)；光溫生產(chǎn)潛力多年平均值為30 685.02 kg·hm-2，最大值為35 977.76 kg·hm-2(1963年)，最小值為27 622.16 kg·hm-2(1993年)；氣候生產(chǎn)潛力多年平均值為25 414.07 kg·hm-2，最大值為31 244.44 kg·hm-2(1967年)，最小值為19 209.27 kg·hm-2(2011年)。

圖2 水稻光合、光溫、氣候生產(chǎn)潛力的時間變化動態(tài)Fig.2 Temporal trends of photosynthetic， photo-thermal and climatic potential productivity of rice

40 a間，貴州省水稻光合、光溫、氣候生產(chǎn)潛力年代際變化趨勢特征表明：光合生產(chǎn)潛力在20世紀60、70年代分別以64.78、220.82 kg·hm-2·a-1的速率遞減，20世紀80年代光合生產(chǎn)潛力以81.98 kg·hm-2·a-1的速率遞增，20世紀90年代光合生產(chǎn)潛力以91.53 kg·hm-2·a-1的速率遞減，21世紀頭10 a的年光合生產(chǎn)潛力以47.34 kg·hm-2·a-1的速率遞減；光溫生產(chǎn)潛力在20世紀60、70年代分別以216.05、223.55 kg·hm-2·a-1的速率遞減，進入20世紀80年代，光溫生產(chǎn)潛力呈遞增趨勢，遞增速率為98.88 kg·hm-2·a-1，20世紀90年代和21世紀的頭10 a，光溫生產(chǎn)潛力均為遞減趨勢，遞減速率分別為53.20、2.26 kg·hm-2·a-1；氣候生產(chǎn)潛力在20世紀60年代呈遞增趨勢，遞增速率為279.07 kg·hm-2·a-1，20世紀70、80年代均呈遞減趨勢，遞減速率分別為105.76、252.83 kg·hm-2·a-1，20世紀90年代和21世紀頭10 a的氣候生產(chǎn)潛力均呈現(xiàn)遞增趨勢，遞增速率分別為277.73、154.19 kg·hm-2·a-1。

2.2 生產(chǎn)潛力空間變化特征

貴州省水稻光合生產(chǎn)潛力呈現(xiàn)出東西部高、中北部低的空間分布(圖3-a)，高值區(qū)主要分布在畢節(jié)市和六盤水市的大部分區(qū)域、黔東南州中部，以及銅仁市的高海拔地區(qū)，值在39 655～41 907 kg·hm-2之間，低值區(qū)域主要分布在遵義市大部、銅仁市西部和黔西南州的南部邊緣區(qū)域，其值在36 277～38 529 kg·hm-2之間，其余大部分地區(qū)的光合生產(chǎn)潛力在38 529～39 655 kg·hm-2之間。

貴州省水稻光溫生產(chǎn)潛力的空間分布表現(xiàn)出由東南部向西北部遞減的分布特征(圖3-b)，高值區(qū)域分布在黔南州，銅仁市東南部邊緣、南部邊緣，以及遵義市北部區(qū)域，值在34 178～39 545 kg·hm-2之間，低值區(qū)域分布在畢節(jié)市和六盤水市大部分區(qū)域，值在12 710～23 444 kg·hm-2之間，其余大部分區(qū)域的光溫生產(chǎn)潛力在23 444～34 178 kg·hm-2之間。

貴州水稻的氣候生產(chǎn)潛力在12 179～32 445 kg·hm-2之間，空間分布與光溫生產(chǎn)潛力空間分布基本一致，但高值區(qū)域的范圍有所減少，主要集中在黔南州的東南部邊緣，以及黔西南和安順市南部邊緣小部分地區(qū)，低值區(qū)域分布在畢節(jié)市西部及六盤水市邊緣區(qū)域(圖3-c)。

2.3 生產(chǎn)潛力減產(chǎn)率空間變化特征

受溫度影響，貴州省水稻生產(chǎn)潛力減產(chǎn)率的空間分布如圖4-a所示，全省水稻光合生產(chǎn)潛力降幅在2.50%～71.20%之間，平均降幅為20.67%，空間上自東南向西北部降幅逐漸遞增，高值區(qū)域分布在畢節(jié)市和六盤水市大部，降幅在41.6%～71.2%，低值區(qū)分布在東南部邊緣區(qū)域，降幅在2.5%～26.9%之間。

受降水影響，貴州省水稻氣候生產(chǎn)潛力降幅空間分布如圖4-b所示，空間分布自西南向東部呈遞增趨勢，全省平均降幅在17.06%左右，高值區(qū)域分布在遵義市和銅仁市大部，降幅為17.47%～21.98%，低值區(qū)域分布在西部邊緣區(qū)域，降幅為10.70%～12.96%。

圖3 光合、光溫、氣候生產(chǎn)潛力空間分布特征Fig.3 Spatial distribution characteristics of photosynthetic (a)， photo-thermal (b) and climatic potential productivity (c) of rice

綜合溫度和降水影響，貴州省水稻氣候生產(chǎn)潛力降幅在15.81%～71.75%之間(圖4-c)，平均降幅為34.31%，空間上和溫度減產(chǎn)率基本一致，自東南向西北部降幅逐漸遞增。

圖4 生產(chǎn)潛力減產(chǎn)率空間變化特征Fig.4 Spatial variation characteristics of production potential yield decrease

2.4 氣候資源利用率變化特征

如圖5所示，近55 a水稻單產(chǎn)隨時間推移呈遞增趨勢，遞增速率為39.75 kg·hm-2·a-1，多年平均單產(chǎn)為2 277.73 kg·hm-2，最小值為1 203.4 kg·hm-2(1972年)，最大值為3 978.76 kg·hm-2(2014年)，2002年以前，水稻單產(chǎn)的遞增速率為36.828 kg·hm-2，2002—2015年間水稻單產(chǎn)遞增速率為105.27 kg·hm-2。氣候資源利用率的時間變化趨勢和水稻單產(chǎn)變化趨勢基本一致，呈遞增趨勢，遞增速率為0.017%·a-1。但貴州水稻氣候資源利用率較低，多年平均氣候利用率僅為9.06%，最大氣候利用率為15.46%(2012年)，2002年以前氣候資源利用率的遞增速率為0.015%·a-1，2002年以后的遞增速率為0.041%·a-1。

分別建立氣候資源利用率與水稻單產(chǎn)和氣候生產(chǎn)潛力的相關(guān)性，如圖6所示，貴州水稻氣候資源利用率和水稻單產(chǎn)具有極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.96(α=0.01)，而與氣候生產(chǎn)潛力的相關(guān)系數(shù)為0.39(α=0.05)。這說明，提高氣候資源利用率是提高貴州省水稻單產(chǎn)的主要措施。

圖5 貴州省水稻單產(chǎn)和氣候資源利用率的時間變化特征Fig.5 Variation of rice yield and climatic resources utilization in Guizhou

圖6 氣候資源利用率與水稻單產(chǎn)和氣候生產(chǎn)潛力的相關(guān)性Fig.6 Correlation between climatic resources utilization and yield and climatic potential productivity of rice

3 結(jié)論與討論

本研究采用逐步訂正法，開展貴州省水稻氣候生產(chǎn)潛力的分布特征研究。結(jié)果表明：近55 a，貴州省水稻光合生產(chǎn)潛力在35 752.98～42 639.90 kg·hm-2之間，多年平均值為38 701.21 kg·hm-2，在空間分布上呈現(xiàn)出東西部高、中北部地區(qū)低的變化趨勢；光溫生產(chǎn)潛力范圍在27 622.16～35 977.76 kg·hm-2之間，多年平均值為30 685.02 kg·hm-2，空間上由東南部向西北部遞減；氣候生產(chǎn)潛力范圍在19 209.27～31 244.44 kg·hm-2之間，多年平均值為25 414.07 kg·hm-2，空間分布與光溫生產(chǎn)潛力空間分布基本一致，但高值區(qū)域的范圍有所減少。貴州省氣候資源利用率呈遞增趨勢，多年平均氣候利用率為9.06%。相關(guān)性分析表明，氣候資源利用率和水稻單產(chǎn)的相關(guān)系數(shù)達0.96。

在實際生產(chǎn)過程中，水稻的品種、不同時期的葉面積指數(shù)、葉片葉綠素含量、光合效率出現(xiàn)的高峰期以及穗型、株型等都會影響水稻的氣候資源利用率[16-17]。由于資料有限，本研究沒有對水稻具體品種與氣候資源利用的關(guān)系進行分析，也沒有考慮到灌溉等因素的影響[18]。受氣候變化影響，貴州省降水呈遞減趨勢，干旱頻率增加[2，19]，這也勢必會影響到水稻的氣候生產(chǎn)潛力分布，制約水稻生產(chǎn)的發(fā)展。此外，本研究未考慮經(jīng)濟因素以及政策性的改變對水稻氣候生產(chǎn)潛力的影響，這些都需要在今后的研究中加以考慮、深化。

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(責任編輯高 峻)

AssessmentonclimaticpotentialproductivityofriceinGuizhouProvince

ZHANG Bo1，2， GU Xiaoping1，*， GU Shuhong1

(1.GuizhouInstituteofMountainousEnvironmentandClimate，Guiyang550002，China；2.GuizhouKeyLaboratoryofMountainousClimateandResources，Guiyang550002，China)

Based on the meteorological data of 81 meteorological stations in Guizhou Province during 1961-2015， the photosynthetic potential productivity， photo-thermal potential productivity， climatic potential productivity and climatic resources utilization of rice were evaluated with successive correction analysis. It was shown that the photosynthetic potential productivity， photo-thermal potential productivity， climatic potential productivity of rice in Guizhou Province exhibited decrease trend， with decrease rates of 484.46， 206.78， 357.38 kg·hm-2·10 a-1， respectively. The spatial distribution of the photosynthetic potential productivity was high in eastern and western region， while low in the central and northern region. While， the spatial distribution of photo-thermal potential productivity and climatic potential productivity showed a decrease trend from southeast to northwest. The temporal variation of rice climate resource utilization showed an increase trend at the rate of 0.017%·a-1， and the average annual climate utilization rate was 9.06%.

rice; climatic potential productivity; climatic resources utilization; change trend; Guizhou Province

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10.3969/j.issn.1004-1524.2017.11.02

2017-04-18

貴州省科技廳項目[黔科合人才(2016)4026號，黔科合院士站(2014)4010號]；貴州省氣象局青年基金項目[黔氣科合QN(2015)13號]

張波(1985—)，男，山東臨沂人，碩士，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail: nj0622@126.com

*通信作者，谷曉平，E-mail: 16114331@qq.com

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A

1004-1524(2017)11-1775-08