商兆堂，張旭暉，商 舜，吳 靜

(1.江蘇省氣象局，江蘇南京 210009； 2.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081； 3.上海海洋大學(xué)，上海 201300)

“國(guó)以民為本，民以食為天”。1976年聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(food and agriculture organization，簡(jiǎn)稱FAO)在第一次世界糧食首腦會(huì)議上首次提出“食物安全”的概念，糧食安全問題成為世界熱點(diǎn)話題。我國(guó)是世界人口大國(guó)，隨著人們生活水平的提高，對(duì)保障糧食安全提出了更高的要求。因此，Yang等學(xué)者認(rèn)為，全世界都關(guān)注我國(guó)糧食安全問題[1-3]。宋小青等研究認(rèn)為，農(nóng)民種糧積極性是影響糧食安全的關(guān)鍵因素[4]。在CCICCD(China National Committee for the Implementation of the United Nations Convention to Combat Desertification)中Bronw研究認(rèn)為，在國(guó)家政策和土地?cái)?shù)量一定的前提下，充分挖掘生產(chǎn)潛力是提高糧食產(chǎn)量的可行辦法[5]。因此，在現(xiàn)有政策和技術(shù)水平下，如何充分利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛能，提高糧食產(chǎn)量和品質(zhì)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，簡(jiǎn)稱IPCC)評(píng)估報(bào)告(第1～5次)讓人們認(rèn)識(shí)到近50年氣候有增暖現(xiàn)象，氣候變化對(duì)糧食安全構(gòu)成危害[6-11]。因此，研究氣候變化對(duì)糧食安全的影響成為人們研究應(yīng)對(duì)氣候變化的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。糧食作物中小麥、水稻、玉米的產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的50%以上，2015年全世界小麥產(chǎn)量達(dá)到7.18×108t，且80%以上可以食用。因此，研究氣候變化對(duì)小麥生產(chǎn)的影響成為研究糧食安全的重要內(nèi)容之一。呂佳佳等研究認(rèn)為，隨著氣候變化，小麥生產(chǎn)的脆弱性增加[12-19]。如何應(yīng)對(duì)氣候變化引起的冬小麥生產(chǎn)脆弱性增加問題，許多學(xué)者也作了探索，如孫芳等研究認(rèn)為，可以通過改良品種、合理栽培等技術(shù)措施來抑制冬小麥生產(chǎn)隨氣候變化脆弱性增加的趨勢(shì)[20]。還有不少學(xué)者從氣象防災(zāi)減災(zāi)的角度提出應(yīng)對(duì)措施，如周曙東等提出通過人工措施改變冬小麥的生長(zhǎng)環(huán)境來減輕氣候變化對(duì)冬小麥生產(chǎn)的影響[21]。因此，科學(xué)利用當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y源潛力，合理安排冬小麥生產(chǎn)，是減輕冬小麥生產(chǎn)隨氣候變化脆弱性增加，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效措施之一。

隨著精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)栽培精細(xì)化技術(shù)的發(fā)展，作物生產(chǎn)潛力評(píng)估與作物生產(chǎn)發(fā)育微環(huán)境對(duì)其影響的監(jiān)測(cè)評(píng)估有機(jī)結(jié)合，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理者提供綜合性監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、評(píng)估、生產(chǎn)對(duì)策建議等的農(nóng)用天氣預(yù)報(bào)服務(wù)成為農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)[22]。據(jù)此，以江蘇省域內(nèi)國(guó)家基本氣象觀測(cè)站觀測(cè)的資料為基礎(chǔ)，對(duì)江蘇冬小麥生產(chǎn)潛力的氣候變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，以期為科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化，實(shí)現(xiàn)冬小麥的穩(wěn)定生產(chǎn)提供參考信息。

1 材料與方法

1.1 基本資料

以光溫生產(chǎn)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行冬小麥生產(chǎn)潛力計(jì)算，日照和溫度資料來自江蘇省域內(nèi)具有代表性的39個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)的氣象記錄月報(bào)表。輻射資料為淮安、呂泗、南京等3個(gè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料，其他站點(diǎn)數(shù)據(jù)由淮安、呂泗、南京、濟(jì)寧、莒縣、合肥、上海、杭州、寶山、慈溪等10個(gè)觀測(cè)輻射站點(diǎn)的觀測(cè)資料通過數(shù)值模擬獲取。具體資料由江蘇省氣象信息中心提供。

冬小麥生育期資料來源于江蘇省域內(nèi)的10個(gè)氣象物候觀測(cè)站的作物觀測(cè)年報(bào)表。具體資料由江蘇省氣象信息中心提供。

1.2 資料處理

目前，氣象部門的氣象服務(wù)業(yè)務(wù)體系中，作物生長(zhǎng)發(fā)育方面的農(nóng)業(yè)氣候資源評(píng)估是以旬為單位的，因此，生育期資料統(tǒng)計(jì)以旬為單位，分別為上旬、中旬、下旬。據(jù)中國(guó)氣象局的《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范(上卷)》[23](1993年)，將冬小麥劃分成12個(gè)生育期，根據(jù)江蘇省10個(gè)氣象物候觀測(cè)站1980—2011年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)得出小麥各生育期時(shí)段劃分的時(shí)間，具體見表1。

根據(jù)江蘇省的氣候、地理特征，將江蘇省分成全省、蘇北、蘇中、蘇南等4個(gè)主要區(qū)域類型，統(tǒng)計(jì)分析區(qū)域特征(圖1)。

表1 江蘇省冬麥生育時(shí)段劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 生產(chǎn)潛力計(jì)算模型

冬小麥生產(chǎn)潛力計(jì)算主要是通過機(jī)制模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠韺?shí)現(xiàn)的，由于冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育過程機(jī)制的復(fù)雜性，目前，全世界還沒有一個(gè)讓大家認(rèn)同投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的機(jī)制模型，因此采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。谷冬艷等系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)方法后認(rèn)為，目前主要有光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力等3種模型[24]。賴榮生等綜合分析認(rèn)為，光溫生產(chǎn)潛力是在其他條件處于理想狀態(tài)下，僅有光溫影響的產(chǎn)量，即產(chǎn)量的理論上限[25]。本研究主要研究以變暖為主要特征的氣候變化對(duì)冬小麥生產(chǎn)潛力的影響，因此，利用這種模型對(duì)江蘇省冬小麥生產(chǎn)潛力進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算公式為

WPRT=WPC×F(t)。

(1)

式中：WPRT表示冬小麥光溫生產(chǎn)潛力；WPC為光合生產(chǎn)潛力；F(t)為溫度影響系數(shù)。

陳浩等研究認(rèn)為，光合生產(chǎn)潛力可用公式(2)進(jìn)行計(jì)算[26]。

(2)

式中：F為光能利用率，Loomis等研究認(rèn)為，光能利用率的理論上限為5%～6%[27]；李繼由研究認(rèn)為，生產(chǎn)管理水平較高的地區(qū)，光能利用率可達(dá)到3%左右，江蘇省冬小麥生產(chǎn)管理水平居全國(guó)中上等，因此F=3%[28]。E為經(jīng)濟(jì)系數(shù)，李白鴿研究認(rèn)為，江蘇江淮地區(qū)小麥經(jīng)濟(jì)系數(shù)一般取0.4，即E=0.4[29]。C為能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值為18.75 kJ/g。Q為太陽(yáng)總輻射能(MJ/m2)，買苗等研究認(rèn)為，只有日照時(shí)數(shù)觀測(cè)的站點(diǎn)采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算，其中，Q0為天文輻射值；S為日照百分率(%)；a和b為系數(shù)[30]。利用濟(jì)寧、昌縣、合肥、杭州、慈溪、上海、寶山、淮安、呂泗、南京等10個(gè)站點(diǎn)的實(shí)際觀測(cè)輻射值，采用線性回歸方法計(jì)算出各月的a、b值，并采用反距離權(quán)重法插值獲得江蘇省域內(nèi)a、b空間分布，得到江蘇域內(nèi)所有氣象觀測(cè)站點(diǎn)的a、b系數(shù)。

Q=Q0(a+b×S)。

(3)

喜涼作物的F(t)可用公式(4)進(jìn)行計(jì)算[29]。

(4)

式中：T表示年份。

據(jù)此，由公式(1)～公式(4)可計(jì)算出各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)冬小麥不同生育期的生產(chǎn)潛力。

2.2 生產(chǎn)潛力現(xiàn)狀分析

利用全省39個(gè)站點(diǎn)(圖1)1961—2013年觀測(cè)資料，利用公式(1)～公式(4)計(jì)算出各站點(diǎn)每年各生育階段的光溫生產(chǎn)潛力(圖2)。

由圖2-a可見，江蘇省冬小麥全生育期光溫生產(chǎn)潛力為155 451.9～223 079.2 kg/hm2，總體趨勢(shì)是由北向南明顯減小，區(qū)域分布特征明顯。全省光溫生產(chǎn)潛力平均值為 191 769.2 kg/hm2，其中，蘇北平均值為206 144.2 kg/hm2，蘇中平均值為 192 894.6 kg/hm2，蘇南平均值為172 718.5 kg/hm2，蘇中僅占蘇北的93.6%，蘇南僅占蘇中的89.5%。蘇北北部區(qū)域?yàn)楦咧祬^(qū)域，蘇北中南部到蘇中中部以中東部為中心向西向東遞減，蘇中中南部到蘇南由東向西和西南方向遞減，即蘇南南部、西南、西部區(qū)域數(shù)值相對(duì)較低。

由圖2-b可知，江蘇省冬小麥各生育期光溫生產(chǎn)潛力隨著生育期變化呈現(xiàn)高-低階段性變化特征。最高峰在冬季，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段明顯高于生殖生長(zhǎng)階段。這就要求在因小麥生長(zhǎng)期明顯延長(zhǎng)而造成冬小麥生長(zhǎng)期明顯縮短的情況下，充分利用好冬季氣候資源，提高冬小麥的冬季生長(zhǎng)量，保障全生育階段的生長(zhǎng)量相對(duì)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的栽培目標(biāo)。

2014年江蘇全省小麥實(shí)際單產(chǎn)平均為5 372.0 kg/hm2，蘇北平均值為5 862.2 kg/hm2，蘇中平均值為5 981.0 kg/hm2，蘇南平均值為5 413.1 kg/hm2，分別占其光溫生產(chǎn)潛力的2.80%、2.84%、3.10%、3.13%。說明江蘇冬小麥的生產(chǎn)現(xiàn)狀還有增產(chǎn)近1倍的潛力，因此要研究通過改變株型結(jié)構(gòu)、栽培模式等來提高冬小麥的光溫利用率的實(shí)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)栽培。

2.3 氣候變化趨勢(shì)

2.3.1 氣候變化趨勢(shì)計(jì)算方法 商兆堂等研究認(rèn)為，氣候變化趨勢(shì)常用氣候傾向率(climate change rate，簡(jiǎn)稱CTR)來表示[31]。因此，WPRT可以表述成：

WPRT=a+b×T。

(5)

則：

CTR=10×b。

(6)

式中：CTR表示未來10年冬小麥光溫生產(chǎn)潛力隨氣候變化的改變量。由江蘇省氣象臺(tái)站1961—2013年觀測(cè)氣象資料得出的冬小麥各生育階段光溫潛力數(shù)據(jù)從而計(jì)算得出氣候傾向率(圖3)。

2.3.2 氣候變化趨勢(shì)分析 經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析以及由圖3-a可知，江蘇省冬小麥全生育期光溫生產(chǎn)潛力的氣候傾向率為-7 233.01～1 504.94 kg/hm2，全省平均值為 -2 679.82 kg/hm2，其中，蘇北平均值為-4 433.30 kg/hm2，蘇中平均值為-1 736.09 kg/hm2，蘇南平均值為-1 629.89 kg/hm2；總趨勢(shì)是全省大部分區(qū)域都在減小，僅有蘇中中南部沿海到蘇南中部一個(gè)帶狀區(qū)域和蘇中西部邊界地區(qū)是增大區(qū)域。蘇北的減少量約是蘇中和蘇南的2.5倍，而蘇北是江蘇省冬小麥主產(chǎn)區(qū)，也是全國(guó)黃淮冬小麥主產(chǎn)區(qū)的重要組成部分，且目前蘇北的光溫利用率低于蘇中和蘇南，因此，研究蘇北應(yīng)對(duì)氣候變化的冬小麥栽培技術(shù)中要增加提高其光溫利用率的研究?jī)?nèi)容，通過提高利用減緩快速減少帶來的不利影響，保障高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

由圖3-b可知，光溫生產(chǎn)潛力氣候傾向率減小主要發(fā)生在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，增大主要出現(xiàn)在生殖生長(zhǎng)期，這種變化趨勢(shì)對(duì)形成足穗是不利的，但對(duì)實(shí)現(xiàn)大穗是有利的，即利于提高小麥品質(zhì)。鄭建敏等認(rèn)為，穗粒結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為穗數(shù)>粒數(shù)>粒質(zhì)量，因此，要研究通過增加基本苗等保障足穗的栽培技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[32]。

中國(guó)氣象局規(guī)定，以當(dāng)年產(chǎn)量與平均值(近5年)的增減百分比將年景分成豐年、平偏豐、持平略增、持平略減、平偏歉、歉年[33]。因此，用氣候變化引起光溫生產(chǎn)潛力的改變量與正常年景光溫生產(chǎn)潛力的百分比(設(shè)為PER，%)來評(píng)定氣候變化對(duì)冬小麥光溫生產(chǎn)潛力的影響，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。由此計(jì)算得出的數(shù)據(jù)繪制圖4。由圖4-a可知，除蘇北中部到蘇中北部有1個(gè)區(qū)域的光溫生產(chǎn)潛力氣候傾向率占平均值的比例<-3%以外，其他區(qū)域均在-3%～3% 之間，即大部分區(qū)域基本持平(略增或略減)，少部分區(qū)域?qū)儆谄狡珳p。由圖4-b可知，各生育期百分比的絕對(duì)值均小于5%，且絕大部分生育階段的值在3%以內(nèi)。因此認(rèn)為，氣候變化并沒有引起江蘇省冬小麥生產(chǎn)潛力明顯變化，其隨氣候變化范圍屬于正常年景間因氣象條件引起的漂移。

3 結(jié)論與討論

通過計(jì)算分析認(rèn)為，江蘇省冬小麥生育階段的光溫生產(chǎn)潛力隨著氣候變化有減小的變化趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)在正常氣候年景的年際間波動(dòng)的范圍值之內(nèi)。因此，只要通過選育氣候適宜性廣、光能利用率高的新品種，通過適當(dāng)增加播種量，提高基本苗數(shù)量，測(cè)土施肥等栽培技術(shù)措施可以減緩氣候變化對(duì)冬小麥生產(chǎn)的影響，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)栽培目標(biāo)。

表2 氣候變化引起冬小麥生產(chǎn)潛力變化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

目前，由于觀測(cè)資料有限，主要表現(xiàn)為氣象輻射資料只有部分臺(tái)站觀測(cè)、大部分臺(tái)站靠公式推導(dǎo)獲取等；觀測(cè)氣象資料在標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行，而有時(shí)田間實(shí)際環(huán)境與之相差很多，造成氣象資料的代表性差。冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)主要為人工觀測(cè)其生長(zhǎng)發(fā)育期、株高、葉面積等表象資料，通過儀器觀測(cè)生理生化過程沒有業(yè)務(wù)化，因此，各種機(jī)制模型的運(yùn)算效果并不理想，不同人建立的經(jīng)驗(yàn)公式之間計(jì)算的生產(chǎn)潛力數(shù)據(jù)也有差異，但其隨氣候變化的總體結(jié)論基本趨同，即冬小麥生產(chǎn)的脆弱性增加。因此，要加強(qiáng)應(yīng)對(duì)冬小麥生產(chǎn)脆弱性增加的栽培技術(shù)措施研究，保障冬小麥的穩(wěn)定生產(chǎn)，確保糧食安全。