连云港市气候变化对水稻产量的影响

董京铭+史逸民+任曙霞+史达伟+马晨晨

摘要：利用江苏省连云港市近年的气象资料分析出气候变化趋势，并对应水稻（Orvza sativa L.）气象产量的变化，分析在当今气候变暖的背景下气象因子对水稻产量的影响。结果表明，在水稻全生育期，最高气温、最低气温、平均气温、降水都呈逐年上升趋势，日照时间和温差呈逐年下降的趋势，各气象因子在不同地区也呈现相同的变化趋势，但变化程度不相同。在水稻的6个生育期阶段，气象因子的变化趋势与全生育期基本相同，但在各地区各生育阶段也存在着不同的变化趋势。在水稻全生育期，通过特征分析表明，降水量与水稻产量的相关性最高，由降水在水稻全生育期的变化趋势可以看出，降水量的变化使得水稻产量增加。水稻在移栽返青期的温差与抽穗开花期和灌浆成熟期的最高气温、温差、日照时间对水稻产量的影响最为明显。最高气温在近年呈上升趋势，将有利于水稻产量的增加，而温差与日照时间呈减小趋势，将会对水稻造成减产。

关键词：水稻（Orvza sativa L.）产量；气候因子；气象倾斜率

中图分类号：S511 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）17-3245-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.17.014

Effects of Climate Change on Rice Yield in Lianyungang City

DONG Jing-ming， SHI Yi-ming， REN Shu-xia， SHI Da-wei， MA Chen-chen

（Lianyungang City Meteorological Bureau， Lianyungang 222006， Jiangsu， China）

Abstract： Based on the meteorological data of Lianyungang in recent years， the trend of climate change and the corresponding changes of the rice yield was analyzed， and the effects of meteorological factors on rice（Orvza sativa L.） yield fluctuation were also analyzed on climate background of the climate warming. The results showed that， in the whole growth period of rice， maximum temperature， minimum temperature， average temperature， and precipitation was increasing year by year， sunshine duration and temperature difference showed a declining trend， the meteorological factors also showed the same trend in different regions， but not the same degree of change. During the growth stage of rice， the change trend of meteorological factors was basically the same as that of the whole growth period， but there were different trends in different growth stages of rice in all regions of the world. In the whole growth period of rice， the precipitation and rice yield had the highest correlation， it could be seen that the rainfall change made rice yield increase corresponding to precipitation change trend in the whole growth period. The effects of temperature difference in rice transplanting the green stage and the highest temperature， temperature difference and sunshine duration during rice flowering and filling stage on rice yield was the most obvious. It could be found that the highest temperature was rising in recent years， which would be beneficial to the increase of rice yield， while the decrease of temperature difference and sunshine duration would decrease the yield of rice.

Key words： rice（Orvza sativa L.）yield； meteorological factor； meteorological inclination rate

氣候变化问题与人类的生产和生活密切相关。近百年来，全球气候变化异常，平均温度升高，IPCC预计1990-2100年全球平均表面温度增加1.4～5.8 ℃，CO2、CH4等温室气体的不断排放和温室气体积累浓度的不断提高推动着未来气候的变暖趋势，对农业生产和粮食安全产生了深远的影响。水稻（Orvza sativa L.）作为一种重要的粮食作物，在气候变化背景下，其生长发育期和产量同样受到影响。影响水稻的气候因子主要有降水、温度、光照等，这些因子适宜与否都会影响水稻的产量。江苏省是中国水稻的主产区域，在江苏地区，水稻的生育期一般是5-10月，了解这一时期的气象条件，并与水稻的适宜生长条件进行对照，对提高江苏水稻产量有重要的意义。随着近年来苏南、苏中等经济较发达地区耕地面积减少速度的增快，连云港市乃至整个苏北地区在全省粮食生产中的战略性地位日益突出，因此研究气候变化对连云港市水稻产量的影响具有重要意义。endprint

目前，关于气候变化对农业生产影响及对策方面的研究成果相对较多。Lobell等[1]利用全球尺度的资料分析了气候变化对粮食作物（水稻、玉米、大豆、小麦、高粱、大麦）的影响，其研究结果显示，气候变暖对全球小麦、玉米和大麦的产量具有明显的负效应，不利于其产量的增长。方修琦等[2]在省级尺度上研究分析了黑龙江省1952-2000年气候变暖对水稻增产的贡献，其研究结果表明，气候变暖在一定程度上增加了产量。Tao等[3]研究了最高气温、最低气温、日较差、降水量与中国水稻生产区产量的关系，结果表明，气候变暖有利于中国东北水稻产量的增加；最低气温对产量的影响大于最高气温的影响，而在中国的南方降水量与水稻产量呈负相关[4]。

温度、降水、辐射都是作物生长最主要的气象因子，都是影响作物生长的关键因子，都需要适当的范围或者满足作物的基本要求，缺一不可。但是在不同地区以及不同的生育期表现不同。本研究旨在通过分析气候资料与产量数据，归纳出连云港市及下辖4个县的气候变化特征，研究气候变化对水稻产量影响，并试图得出一些量化评估的结果，为揭示全球变暖背景下影响连云港市水稻产量变化的因素提供科学依据，提出水稻生产应对气候变化的措施。

1 材料与方法

1.1 资料来源

1.1.1 气象资料 气象数据来自连云港市气象局，包括连云港市区及其下辖4县的1975-2014年水稻生育期间的逐日最高气温、日最低气温、日平均气温、降水量、日照。

1.1.2 农业资料 水稻单产数据源于连云港统计的《连云港市统计年鉴》。从统计年鉴中分别提取了1975-2014年间水稻总产量和种植面积，计算了水稻单位面积产量。

选择水稻单产作为研究对象的原因在于近几十年来连云港市及其下辖4县水稻种植面积存在变化，选择单产可以消除种植面积变化带来产量变化的问题。

1.2 数据处理

1.2.1 气象数据处理 首先通过原始的逐日数据统计1975-2014年间水稻生育期间的年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年降水量、年日照时间以及年平均温差，连云港地区的水稻生育期是5月上旬至10月上旬，将水稻生育期分为6个阶段，包括播种出苗期（5月上旬至6月上旬）、移栽返青期（6月中旬至下旬）、分蘖期（7月上旬至中旬）、拔节孕穗期（7月下旬至8月中旬）、抽穗开花期（8月下旬至9月上旬）、灌浆成熟期（9月中旬至10月上旬），统计各生育期阶段的平均最高气温、平均最低气温、降水量、日照时间以及温差。通过以上统计数据分析近年来水稻生育期内气象要素的变化趋势，以气候倾向率[4]来表示，主要釆用一次直线方程来定量描述，即：

y（t）=a0+a1t （1）

式中，a0为常数，y（t）为气象要素值，t为时间，则气候趋势变化率可表示为方程dy（t）/dt=a1，其中a1×10即为气候倾向率，温度的单位为℃/10 a，降水量的单位为mm/10 a，日照的单位为h/10 a。

1.2.2 农业资料处理 研究长时间序列的作物产量与气候因子关系时，一般把作物的产量（y）分解为趋势产量（yt）、气候产量（yw）和随机误差（ye）3部分。

y=yt+yw+ye （2）

趋势产量是反映历史时期生产力发展水平的长周期产量分量，趋势产量是由地理环境、水肥、品种和生产力水平等因素决定，由于社会生产力等因素的提高，趋势产量的变化一般呈直线上升趋势。气候产量是受气候要素，包括温度、日照、降水等气象因子影响的波动产量分量[5]，本试验用5年直线滑动均值法模拟产量。这种方法是线性回归与滑动平均相结合的模拟，它将作物产量的时间序列在某个阶段内的变化看作线性函数，随着阶段的连续滑动，直线不断变换位置，后延滑动，从而反映产量历史演变趋势变化。依次建立各阶段内的直线回归模型，各时间点上的各直线滑动回归模拟值的平均即为趋势产量。这种方法的优点是不损失样本信息量，只要给定合适的滑动步长k，就可用最小二乘法建立各滑动时段的线性方程。

yi（t）=ai+bit，i=1，2，…，n-k+1（3）

式中，yi（t）为第i年的趋势产量；ai为常数，bi为变化趋势系数，i为各时段序号，t为年序，n为样本数。当i=1时，t=1，2，…，k；当i=2时，t=2，3，…，k+1；当i=n-k+1时，t=n-k+1，n-k+2，…，n。

若共有m个时段，即存在m个线性方程。在计算出任意年t在各个方程的函数值后，求出其平均值

式中，yi（t）为t年趋势产量。任何一年实际产量减去趋势产量就是气候产量。

2 结果与分析

2.1 连云港市气候变化特征

由图1（a）可以看出，最高气温在逐年增加，东海的增长幅度最小，为0.07 ℃/10 a，市区、赣榆、灌云比东海增长幅度略高，灌南增长幅度最高，明显高于其他4个地方，达0.15 ℃/10 a。由图1（b）可知，最低气温和最高气温相同，都在逐年增加，其中赣榆增幅最为明显，比市区、东海、灌云、灌南增幅程度增加了40%、27%、6%、32%。由此可以发现，最低气温的增长幅度明显高于最高气温的增长，且最低气温增长的最大值出现在地理位置最北赣榆，最高气温增长的最大值出现在地理位置最南的灌南。由图1（c）可以看出，平均气温增长的最高值出现在赣榆，最低值出现在灌南，由此可以看出，最低氣温的增长才是影响平均气温增长的主要原因。由图1（d）可知，市区及4县的日温差都在逐渐减小，其中赣榆减小的最为明显，这也是由于最低气温的增长幅度明显高于最高气温的增长幅度所造成的。

由图1（e）可知，降水量呈逐年增多的趋势，其中赣榆增幅较为明显，达51.2 mm/10 a，而灌南增幅最小，基本无明显变化。由图1（f）可知，连云港日照时间呈缩短的趋势，灌云、灌南日照时间减少最多，分别达80.8、83.8 h/10a。endprint

2.2 水稻产量对气象因子的特征分析

由表1可知，最高气温与产量在市区及4个县都呈正相关，其中在东海的相关性达显著水平。最低气温与产量也都呈正相关，其中在赣榆的相关性达显著水平，其余4个站点相关性不显著。平均气温与温差也与产量呈正相关，温差的相关在各站点都不显著，说明全生育期的温差可能不是影响水稻产量的因素，平均气温与最低气温相同，在赣榆的影响达显著水平，对比发现，除了在赣榆，其余4个站点最高气温对水稻产量的影响要高于最低气温，说明水稻产量在全生育期内受最高气温影响的波动较明显。日照时间与产量无明显相关性，降水量与产量都呈正相关，其中在东海、灌云、灌南3个站点都达显著或达极显著水平。由此可知，降水量在所有气象因子中对水稻产量影响最高，说明在全生育期内的降水总量是影响水稻产量的重要气象因子。

2.3 连云港市水稻各生育期的气候变化趋势

由表2可以出，最高气温除了在抽穗开花期呈下降趋势，其他各生育期都呈上升趋势，其中，增长趋势最明显的是位于最南的灌南，这与全生育期的变化趋势相同。最低气温在除抽穗开花期的各阶段里都呈增长趋势，且增长幅度明显高于最高气温，只有市区在移栽返青期最低温度增长趋势小于最高气温；抽穗开花期东海最低气温呈下降趋势，不过下降程度不明显，其余4个地区增长也并不明显，而最低气温的增长趋势并没有呈现地理纬度的差异。由于最低气温的增长幅度在大部分地区的各个生育阶段明显高于最高气温的增长幅度，这也是温差在大部分生育阶段都呈逐渐减小的原因。平均气温在除抽穗开花期的其余生育阶段呈上升趋势，主要原因也是由于最低温度的增长，这与全生育期的变化基本相同。

降水量在各生育阶段的变化趋势与全生育期不同，在不同的地区，每个生育阶段的变化趋势也并不相同，在5个地区6个生育阶段中，有23组降水量数据呈增长趋势，明显高于下降趋势的个数，这也是全生育期降水量呈上升趋势的原因，其中在抽穗开花期上升趋势最为明显。日照时间在各生育阶段的变化趋势基本与全生育期相同，大部分呈下降趋势，其中只有市区在分蘖期、灌浆成熟期有上升趋势。

2.4 水稻产量对各生育期气象因子的特征分析

由表3可以看出，在播种出苗期，各气象因子与产量都无明显相关性，说明在播种出苗期气象因子对水稻产量的波动无影响。在移栽返青期，最高气温与各区县都呈正相关，但仅在市区相关性达显著水平；最低气温、平均气温、日照时间与产量的相关性均不显著；降水量也仅在市区与产量呈显著相关；温差在除灌云外的其他地区均与产量呈显著正相关，由此可知，移栽返青期温差明显影响水稻产量的波动。在分蘖期，气象因子与产量呈显著相关的全出现在东海，气温与降水量都与产量呈显著正相关，而在其余4个地区无显著相关关系，可以看出，分蘖期东海的气象因子对东海水稻产量有明显的影响。在拔节孕穗期，各气象因子与产量都无显著相关性。在抽穗开花期，最高气温与水稻产量在5个区县全呈显著正相关关系，其中在东海呈极显著正相关关系；最低气温在市区和赣榆呈显著正相关；平均气温在市区、赣榆、东海呈显著正相关；降水量在市区和灌云呈显著正相关关系，其中在灌云呈极显著正相关；温差与日照时间在除赣榆外的其他地区均与水稻产量呈显著正相关。在灌浆成熟期，最高气温与水稻产量呈正相关，其中在市区、赣榆、东海、灌南的相关性都达显著水平；最低气温与产量无显著相关关系；平均气温仅在东海有显著相关性；日照时间在市区、东海、灌南地区与水稻产量呈显著正相关。温差与抽穗开花期相同，都在除赣榆外的其他地区与产量呈显著正相关。

3 小结与讨论

通过对历史气候资料和同期水稻产量的统计分析揭示了气候变化对连云港市水稻生产的影响，得到以下初步结论。

1）在水稻全生育期，温度与降水都呈上升趋势，而温差与日照时间都呈下降趋势，市区及4县表现出相同的趋势，只是在上升的幅度和下降的程度上有所差别。温度上升与当今全球气候变暖的形势相同，且最低气温的增长幅度要明显高于最高气温的增长幅度，这与IPCC[6]第三次评估报告提出全球变暖背景下温度的变化有3种情形之一夜间增温幅度大于白天的结果相同，这种昼夜增温的不对称性是造成温差逐渐减小的原因。日照时间的减少可能是由于近年来工业污染造成大气污染，能见度的下降所造成的，有学者[7]认为，日照时间减少还与降水量增加有密切关系，这与本研究结果相同。

2）最高气温在各生育期的变化趋势基本与全生育期一致，都呈上升趋势，仅在抽穗开花期呈下降趋势，最低气温的上升趋势在各生育期都要明显高于最高气温的上升趋势，平均气温的增长也主要是由最低气温增长所造成的，仅在抽穗开花期平均气温有所下降，这是由于最高气温的下降以及最低气温的增长幅度不明显所造成的。温差仅在移栽返青期的市区和灌南呈上升趋势，其余全部呈下降的趋势，这与水稻全生育期的变化趋势基本一致。降水量的变化与全生育期变化不完全相同，在不同的生育期阶段与不同地区呈现上升或者下降的趋势，并无明显规律，不过可以看出，在30个（6×5）变化趋势中，23个呈上升趋势，7个呈下降趋势，上升趋势明显要多于下降趋势，这也是全生育期降水量增多的原因。

3）由水稻产量与气象因子的特征分析发现，在全生育，最高气温仅在东海与水稻产量呈显著相关，最低气温与平均气温仅在赣榆与水稻产量呈显著相关；降水量在全生育期与水稻产量呈明显正相关，在东海、灌云、灌南都达显著或极显著水平；而温差和日照时间与水稻产量间在全生育期并没有呈現明显的相关性。由此说明，降水量在全生育期明显影响水稻产量。

4）在各生育期，气象因子对水稻产量的影响与全生育期不相同，由特征分析看出，移栽返青期的温差，抽穗开花期和灌浆成熟期的最高气温、日照时间、温差对水稻产量影响明显；播种出苗期、移栽返青期的气象因子对水稻产量波动无明显贡献；分蘖期气象因子仅在东海与水稻产量有显著相关关系。由此可以看出，抽穗开花期和灌浆成熟期的气象因子对水稻产量影响明显，主要表现在温光条件上。endprint

5）全生育期降水量在近年呈上升趋势，对水稻产量的的波动起到正效应。张金艳等[8]发现大部分国家和地区水稻气象产量与降水量呈明显的正相关关系，这可能是由于水稻是喜温喜水作物，一般来说，降水量多的年份，水分供应充足，有利于水稻增产；降水量少的年份，水分供应不足，容易发生干旱，导致水稻减产，这与本研究结果一致。在水稻的各生育阶段，可以发现抽穗开花期和灌浆成熟期最高气温的增长有利于水稻产量的增加，而移栽返青期的温差减小、抽穗开花期和灌浆成熟期的日照时间和温差减小都将不利于水稻产量的增加。一般认为，水稻在开花期与成熟期温度较高，特别是日最高、最低气温适当偏低、日温差大、日照时间多，都将有利于产量的增加，而光照不足，常使得光合同化产物不足，进而使得产量下降，本研究结果与其一致。韩广轩[9]研究表明，土壤呼吸在一定范围内与温度呈正相关，夜间增温幅度过高，造成土壤呼吸过快，而夜间无光合作用合成，造成干物质损耗，这也是温差减小造成水稻产量降低的重要原因。

综上可以看出，降水量、最高气温、日照时间、温差都是造成水稻产量波动的重要气象因子，而最低气温虽然没有直接表现出对水稻产量的影响，但温差的减小是由于最低气温的增长幅度明显高于最高气温的增长幅度所造成的，可以看出，温光条件以及降水都能明显影响水稻产量。因此，在未来气候变暖的背景下，积极采取措施适应气候变化，趋利避害，对于促进粮食生产安全至关重要。

参考文献：

[1] LOBELL D，FIELD C. Global scale climate-crop yield relationships and the impacts of recent warming[J].Environmental Research Letters，2007，1（1）：014002.

[2] 方修琦，王 媛，徐 锬，等.近20年气候变暖对黑龙江省水稻增产的贡献[J].地理学报，2004，59（6）：820-828.

[3] TAO F L，YOKOZAWA M，XU Y L，et al. Climate change and trends in phenology and yields of field crops in China，1981-2000[J].Agricultural and Forest Meteorology，2006，138（1-4）：82-92.

[4] 洪 霞，陳建萍.江西省1960年以来气温和降水变化趋势分析[J].江西气象科技，2004，27（2）：20-22.

[5] 房世波.分离趋势产量和气候产量的方法探讨[J].自然灾害学报，2011，20（6）：13-18.

[6] IPCC. Third Assessment Report：Climate Change 2001[EB/OL].http：//www.ipcc.ch/publications_and_data/publications_and_data_

reports.htm.

[7] 沈 瑱，曾 燕，肖 卉，等.江苏省日照时数的气候特征分析[J].气象科学，2007，27（4）：425-429.

[8] 张金艳，李小泉，张 镡.全球粮食气象产量及其与降水量变化的关系[J].应用气象学报，1999，10（3）：328-332.

[9] 韩广轩.中国农田生态系统土壤呼吸作用研究与展望[J].植物生态学报，2008，32（3）：719-733.endprint