王德燕

(安徽省天長(zhǎng)市氣象局，安徽天長(zhǎng) 239300)

天長(zhǎng)市位于安徽省東部、高郵湖西岸，地處江淮分水嶺(32°27′27″～32°57′56″N、118°39′19″～119°13′23″E)，東西寬約53 km，南北長(zhǎng)約56 km，天長(zhǎng)市土地總面積1 751.4 km2，耕地面積59 159 hm2，其中水稻是全市主要的農(nóng)作物，種植面積為5.7萬(wàn)hm2。天長(zhǎng)市地處我國(guó)南北氣候過渡帶，是氣候變化敏感區(qū)；同時(shí)氣候資源豐富，具有較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力。

一季稻是天長(zhǎng)市主要糧食作物，在全省糧食生產(chǎn)中占有重要位置。天長(zhǎng)市農(nóng)業(yè)氣候資源豐富，是一季稻栽培氣候適宜區(qū)域，受氣候過渡地帶影響，尤其是隨著全球氣候變化，一季稻生長(zhǎng)季節(jié)氣候風(fēng)險(xiǎn)增大。氣候變化對(duì)一季稻種植有較大的影響。賴純佳等[1]對(duì)淮河流域雙季稻等進(jìn)行了不同程度的研究，但目前對(duì)一季稻的氣候適宜度研究較少。筆者利用1961—2016年天長(zhǎng)市光、熱、水氣候資源和一季稻的生育特點(diǎn)，分析了天長(zhǎng)市一季稻生育期氣候適宜度及其年際變化，研究影響一季稻生長(zhǎng)發(fā)育的氣候因子，以期為影響關(guān)鍵期更好地做好氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1資料來源氣象資料選取天長(zhǎng)氣象臺(tái)站1961—2016年逐日要素，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等，資料來源于安徽省氣象檔案館。1961—2016年天長(zhǎng)市一季稻產(chǎn)量來源于安徽省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒；生育期來源于安徽省氣象檔案館。

1.2研究方法

1.2.1氣候產(chǎn)量豐欠指數(shù)估算。影響作物產(chǎn)量的因素較多，并且各影響因素的變化及其時(shí)間尺度不同，包括人為因素、氣象因素和隨機(jī)“噪音”三方面，構(gòu)成3個(gè)產(chǎn)量分量：

y=yt+yw+yε

(1)

式中，y為作物產(chǎn)量；yt為趨勢(shì)產(chǎn)量，其值的大小由歷年生產(chǎn)技術(shù)水平?jīng)Q定；yw為氣候產(chǎn)量；yε為隨機(jī)“噪音”，一般忽略不計(jì)。氣候產(chǎn)量由下式[2-3]得出：

yw=at+b

(2)

式中，a為回歸系數(shù)，b為常數(shù)項(xiàng)，t為年份。

區(qū)域單產(chǎn)為區(qū)域內(nèi)各市縣一季稻總產(chǎn)量和總面積之和的比。根據(jù)《農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)質(zhì)量考核辦法(試行)》增減百分比算法，結(jié)合前人成果構(gòu)建氣候產(chǎn)量豐欠指數(shù)：

(3)

1.2.2單要素適宜度模型構(gòu)建。

1.2.2.1溫度適宜度模型。為定量分析熱量資源對(duì)一季稻各生育期生長(zhǎng)發(fā)育的滿足程度，引入溫度條件的反應(yīng)函數(shù)，根據(jù)馬樹慶[4]、魏瑞江等[5]的研究，建立溫度適宜度模型：

(4)

(5)

式中，F(xiàn)(Tij)為第j年第i生育期溫度適宜度，tij為第j年第i生育期平均溫度，t1、t2、t0分別是對(duì)應(yīng)時(shí)期作物生長(zhǎng)下限溫度、上限溫度和平均適宜溫度(表1)。拔節(jié)—孕穗期、抽穗—開花期若連續(xù)10 d出現(xiàn)最高氣溫≥35 ℃、平均氣溫≥30 ℃的高溫?zé)崂?，氣候最不適宜，即F(Tij)=0。

1.2.2.2降水適宜度模型。降水是作物水分與土壤水分的主要來源，作物生長(zhǎng)的好壞、產(chǎn)量的高低與降水密不可分。為評(píng)價(jià)其對(duì)一季稻生長(zhǎng)的影響，建立降水適宜度模型：

(6)

式中，F(xiàn)(Rij)為第j年第i生育期降水適宜度，Rij為j年第i生育期降水量，R0為對(duì)應(yīng)生育期生理需水量(表1)。分蘗期或拔節(jié)—孕穗期若降水量超過400 mm，常出現(xiàn)漬澇或內(nèi)澇，而期間降水不足30 mm，往往遭遇大旱，氣候均為最不適宜，即F(Rij)=0；而抽穗—開花期或灌漿—成熟期遭遇≥10 d的連陰雨，氣候最不適宜，即F(Rij)=0。淮河以南一季稻全生育生理需水折合降水量約700 mm，其中播種—三葉期、移栽—返青期、分蘗期、拔節(jié)—孕穗期、抽穗—開花期以及灌漿—成熟期生理需水量分別占全年降水量的14%、15%、24%、23%、14%、10%。

1.2.2.3日照適宜度模型。日照是一季稻進(jìn)行光合作用、提高產(chǎn)量及品質(zhì)的必要條件。對(duì)安徽省而言，天文日長(zhǎng)(可照時(shí)數(shù)，即日出與日落時(shí)長(zhǎng))的70%與當(dāng)?shù)厝照諘r(shí)數(shù)多年平均值相當(dāng)。鑒于此，建立日照適宜度模型：

(7)

式中，F(xiàn)(Sij)為第j年第i生育期日照適宜度，Sij為第j年第i生育期日照時(shí)數(shù)，n為該生育期日數(shù)，S0為第i生育期日平均日照需求的臨界值，b為系數(shù)(表1)。

表1 淮河以南一季稻氣候適宜度模型各生育期參數(shù)值

1.2.3權(quán)重系數(shù)確定。全生育期氣候適宜性由各生育期的溫度、降水和日照共同組成，但各生育期影響程度不同。因此，運(yùn)用積分回歸[6]及綜合加權(quán)法，以明確各生育期溫度、降水和日照單個(gè)要素適宜度權(quán)重系數(shù)。以溫度適宜度為例，分別計(jì)算逐年生育期溫度適宜度與一季稻氣候產(chǎn)量豐欠指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，各生育期相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值除以所有生育期相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值的總和，即為各生育期溫度適宜度的權(quán)重系數(shù)。各生育期溫度適宜度乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，然后求和，得到天長(zhǎng)市一季稻全發(fā)育期的溫度適宜度。其公式為：

(8)

(9)

式中，aTi表示第i生育期溫度適宜度的權(quán)重系數(shù)，rTi表示第i生育期溫度適宜度對(duì)氣候產(chǎn)量豐欠指數(shù)的影響系數(shù)，F(xiàn)(Tij)表示第j年第i生育期溫度適宜度，Yj表示第j年的氣候產(chǎn)量豐欠指數(shù)，n表示年序，n=56。則第j年全生育期溫度適宜度可表示為：

(10)

同理計(jì)算一季稻全生育期降水和日照適宜度：

(11)

(12)

式中，aRi、aSi分別表示各生育期降水、日照適宜度權(quán)重系數(shù)(表2)。

由表2可見，溫度適宜度在拔節(jié)—孕穗期權(quán)重最大，孕穗—開花期次之，播種—三葉期溫度適宜度對(duì)產(chǎn)量影響最??；降水適宜度在移栽—返青期權(quán)重最大，孕穗—開花期次之，拔節(jié)—孕穗期對(duì)產(chǎn)量影響最小；日照適宜度在分蘗期對(duì)產(chǎn)量形成最為關(guān)鍵，拔節(jié)—孕穗期次之，播種—三葉期對(duì)產(chǎn)量影響最小。

表2 不同生育期溫度、降水及日照適宜度權(quán)重系數(shù)

1.2.4氣候適宜度模型構(gòu)建。由于溫度、降水及日照因子對(duì)一季稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成的影響不盡相同，為了精確評(píng)估三者對(duì)氣候適宜度的不同貢獻(xiàn)，將全生育期溫度、降水和日照適宜度綜合加權(quán)，得到一季稻全生育期氣候適宜度：

F(Cj)=WT·F(Tj)+WR·F(Rj)+WS·F(Sj)

(13)

式中，WT、WR、WS分別代表全生育期溫度、降水、日照適宜度權(quán)重系數(shù)。首先計(jì)算歷年全生育期平均溫度、降水、日照適宜度與氣候產(chǎn)量豐欠指數(shù)相關(guān)系數(shù)，根據(jù)式(14)得到單要素適宜度對(duì)綜合氣候適宜度的權(quán)重貢獻(xiàn)WT、WR、WS分別為0.42、0.38、0.20?？梢?，溫度適宜度對(duì)氣候適宜度的綜合貢獻(xiàn)最高，是決定一季稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，其次降水適宜度，日照適宜度權(quán)重系數(shù)最小。

(14)

2 結(jié)果與分析

2.1一季稻生育期氣候適宜度基本氣候態(tài)分布從圖1a可以看出，1981—2010年天長(zhǎng)市一季稻生育期溫度適宜度最大，日照適宜度次之，降水適宜度最小。表明天長(zhǎng)市一季稻生育期熱量資源充沛，基本能滿足一季稻生長(zhǎng)需求，但夏季尤其是水稻抽穗—開花期，高溫?zé)岷?duì)產(chǎn)量影響較大；而降水量年際波動(dòng)大，旱澇災(zāi)害頻繁，是一季稻生產(chǎn)主要的限制因子。從不同生育來看，溫度適宜度均較適宜，以灌漿—成熟期最適宜，而抽穗—開花期常因高溫?zé)岷皼鱿?，適宜度相對(duì)較低；降水適宜度播種—三葉期最高，而移栽—返青期最低；日照適宜度拔節(jié)—孕穗期最高，而分蘗期相對(duì)較低。

變異系數(shù)反映適宜度年際間的離散程度。圖1b顯示，1981—2010年天長(zhǎng)市一季稻溫度適宜度變異系數(shù)最小，日照次之，而降水適宜度最大，這是由于降水年際波動(dòng)大，尤其是分蘗期易遭受洪澇災(zāi)害，而抽穗—開花期出現(xiàn)伏旱，不利于一季稻生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成。

從平均值(圖2a)來看，播種—三葉期、拔節(jié)—孕穗期及灌漿—成熟期氣候適宜度較高，而移栽—返青期最低。變異系數(shù)(圖2b)，播種—三葉期最小，而拔節(jié)—孕穗期最大，表明一季稻拔節(jié)—孕穗期氣候適宜度年際波動(dòng)大，一季稻生長(zhǎng)氣候條件不穩(wěn)定。

圖1 1981—2010年天長(zhǎng)市一季稻各生育期溫度、降水及日照適宜度(a)及其變異系數(shù)(b)Fig.1 Temperature，precipitation and sunshine suitability(a)and variation coefficient(b)for each growth period of single-season rice in Tianchang City from 1981 to 2010

圖2 1981—2010年天長(zhǎng)市一季稻各生育期氣候適宜度(a)及其變異系數(shù)(b)Fig.2 Climate suitability(a)and variation coefficient(b)for each growth period of single-season rice in Tianchang City from 1981 to 2010

2.2一季稻生育期氣候適宜度時(shí)間演變趨勢(shì)從全生育期來看，1961—2016年天長(zhǎng)市一季稻溫度適宜度無(wú)明顯的線性增減趨勢(shì)，溫度適宜度總體較大(圖3a)；降水適宜度呈線性增加趨勢(shì)，未通過0.05的信度檢驗(yàn)，其中2016年一季稻生育期發(fā)生洪澇災(zāi)害，降水適宜度為1961年以來最低(圖3b)；日照適宜度呈極顯著的減小趨勢(shì)，通過0.01的信度檢驗(yàn)(圖3c)。

1961—2016年天長(zhǎng)市一季稻全生育期平均氣候適宜度略有減小趨勢(shì)(通過0.05的信度檢驗(yàn))，表明氣候變化對(duì)一季稻生長(zhǎng)的負(fù)面影響已經(jīng)顯現(xiàn)；氣候適宜度年際波動(dòng)大，1974、1988年氣候適宜度總體較大，有利于一季稻生長(zhǎng)；而2011年以來適宜度總體偏低，其中2016年天長(zhǎng)市先后遭遇洪澇及高溫干旱災(zāi)害，一季稻適宜度為近56年來最差的一年(圖3d)。

圖3 1961—2016年天長(zhǎng)市一季稻全生育期溫度(a)、降水(b)、日照(c)及氣候(d)適宜度變化Fig.3 Suitability changes of temperature(a)，precipitation(b)，sunshine(c)and climate(d)in the whole growth period of single-season rice in Tianchang City from 1961 to 2016

3 結(jié)論與討論

(1)天長(zhǎng)市一季稻生育期氣候適宜度基本特征：一季稻生育期溫度適宜度最大，日照適宜度次之，降水適宜度最小；表明天長(zhǎng)市一季稻生育期熱量資源充沛，基本能滿足一季稻生長(zhǎng)需求；而降水量是一季稻生產(chǎn)主要的限制因子。從平均值來看，播種—三葉期、拔節(jié)—孕穗期及灌漿—成熟期氣候適宜度較高，而移栽—返青期最低。

(2)1961—2016年一季稻全生育期平均氣候適宜度略有減小趨勢(shì)，氣候適宜度年際波動(dòng)大；其中溫度適宜度趨勢(shì)變化不明顯，降水適宜度呈線性增加趨勢(shì)，而日照適宜度呈極顯著的減小趨勢(shì)。

(3)構(gòu)建的一季稻氣候適宜度模型能綜合反映氣候條件與一季稻生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的內(nèi)在關(guān)系，有效地刻畫天長(zhǎng)市一季稻的氣候適宜度優(yōu)劣動(dòng)態(tài)變化過程。由于作物生長(zhǎng)不僅與氣候要素間存在相互影響、相互作用的復(fù)雜關(guān)系，還與環(huán)境、社會(huì)等要素密切相關(guān)。該研究?jī)H考慮了溫度、日照、降水的影響，且氣象數(shù)據(jù)以生育期為單位進(jìn)行計(jì)算，所以僅僅能夠粗略反映天長(zhǎng)市一季稻氣候適宜度時(shí)空分布特征，需要在進(jìn)一步的研究中細(xì)化要素，綜合考慮其他農(nóng)業(yè)因子，以便于更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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