气候变化背景下江西省双季晚稻气候生产潜力的时空变化特征

2018-02-28李迎春

西南农业学报 2018年1期

刘丹，李迎春

(江西省气象科学研究所，江西南昌 330096)

【研究意义】IPCC第五次评估报告指出，未来全球气候变暖仍将持续，21世纪末全球平均地表温度在1986-2005年的基础上将升高0.3～4.8 ℃[1]。气候变化将使农作物种植制度和农业生产布局发生改变，造成农业生产成本和投资成本的增加，对粮食安全生产具有重要的影响[2]。【前人研究进展】随着全球气候变化问题的日益突出，对农业气候生产潜力的研究也受到了社会各界的普通关注[3]。侯西勇[4]基于1951-2000年全国范围气象栅格数据，利用GIS空间分析技术和小波分析方法探讨了全国以及9大土地潜力区气候生产潜力的空间格局特征与多时间尺度特征。钟新科等[5]在1981-2010年的日气象数据、玉米生育期数据和土壤数据基础上，采用GIS技术和AEZ模型结合的方法，模拟了30年中国平均玉米生产潜力和中国玉米生产潜力变化趋势。袁彬等[6]基于东北三省101个气象站1971-2000年逐日气象资料和国家气候中心RegCM3模式模拟的东北地区1951-2100年0.25°×0.25°格点气象资料，结合东北玉米生长发育对气候条件的需求，分析了气候变化下东北三省农业气候资源的变化趋势以及气候变化对东北三省春玉米品种熟型布局、玉米气候生产潜力、农业气候资源利用率的影响。汤开磊[7]利用经过调试和验证的ORYZA2000模型模拟了我国主要稻作区内239个标准气象站点1961-2007年的水稻光温生产潜力，分析了我国水稻光温生产潜力的变化特征，并进一步利用ORYZA2000模型模拟分析光温变化条件下水稻光温生产潜力的变化特征，明确了温度和太阳辐射变化对我国水稻光温生产潜力的可能影响。李国强等[8]应用DSSAT模型估算了河南省15个生态点1961-2012年的冬小麦光温生产潜力和气候生产潜力，并分析了生产潜力的分布规律。张玉芳等[9]基于四川省45个气象站点50年的气象数据和20年的水稻生育期资料，采用侯光良法分析了四川省7个水稻种植区的水稻光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力的时空分布特征，并结合现实生产力数据分析了气候变化背景下四川省水稻的增产潜力。前人的研究结果表明气候变化对不同地区作物生产潜力的影响不同，即使在同一地区气候变化对不同作物的生产潜力影响差异也很大[10]。

水稻是江西最主要的粮食作物，研究其近55年的区域气候生产潜力时空变化对于江西省的水稻稳产高产具有重要意义。辜晓青等[11]利用1971-2000年全省85个气象站的逐日气象数据，按光合、光温和气候三级生产潜力的划分思路，构建气候生产潜力计算模式，以光合生产潜力、温度适宜度、水分适宜度为基本评价因子，计算全省1971-2000年逐年的85个站点的光合、光温和气候三级生产潜力，定量化评估气候条件变化对早稻生产的影响，并对其进行了时空分布分析。双季水稻是江西省的主要种植制度，气候变化背景下双季早稻的气候生产潜力变化特征已有部分研究，但气候变化背景下江西省晚稻气候生产潜力时空变化还尚不清楚。逐步订正法建立在生理生态学研究基础上，从光合作用与其环境条件相互关系出发，物理意义清晰，因果关系明确，目前应用比较广泛[12]。【本研究切入点】本研究根据江西省85个气象站点的气象资料、晚稻产量资料以及90 m×90 m的DEM数据，采用逐步订正、空间插值、线性趋势分析等方法研究江西省晚稻的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力的时空变化特征及其主要影响因子，【拟解决的关键问题】旨在了解江西省晚稻气候生产潜力演变特征，为提高晚稻的现实生产力提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 区域气候概况及气候变化

江西地处长江中下游南岸，属亚热带季风气候区，年平均气温18 ℃，雨量充沛，年均降水量在1341～1940 mm，但时空分布极其不均[13]，尤其是在双季晚稻生长期间，气候多变，降水量年际变化相当悬殊，最多年份可达最少年份1倍以上[14]。在全球变暖的大背景下，江西省气候发生了明显的变化，各种极端天气气候事件呈多发趋势，强度增强。近50年来，特别是从20世纪80年代后期开始，江西年平均气温呈现稳步上升的趋势，且冬季最明显。降水呈现阶段性特征，且南北降水差异大。尤其是20世纪90年代以来，降水强度加大，暴雨和大暴雨频次呈现明显增大趋势。日照时数总体呈减少趋势，最为明显的是在20世纪90年代后[15]。

1.2 数据资料

本文收集了江西省85个气象站1961-2014年逐日降水量、平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、日平均相对湿度资料，江西省农业气象试验站的晚稻生育期和产量数据，资料均来源于江西省气象局。数字高程数据(DEM)来源于国际科学数据服务平台。

1.3 研究方法

本文利用逐步订正法[16-18]来计算江西省双季晚稻的气候生产潜力。由于双季晚稻每个生育期的三基点温度存在差异(表1)，本研究根据江西省农业气象试验站的水稻生产实际情况将水稻分为出苗-返青、返青-分蘖、分蘖-拔节、拔节-孕穗、抽穗-开花、开花-成熟6个生育期，分时段计算光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力，再累加得到双季晚稻的生产潜力。

表1 双季晚稻不同发育期的时间段、下限温度、最适温度及下限温度

1.3.1 气候生产潜力作物光合生产潜力是指在环境因子、作物因子以及农业技术措施均处于最佳状态时，由作物群体光合效率所决定的单位面积生物学产量，本文选择侯光良[19]的方法计算光合生产潜力，其计算步骤如下：

YQ=k×μ×ε×φ×(1-α)×(1-β)×(1-ρ)×(1-γ)×(1-ω)×(1-η)-1×(1-ξ)-1×s×q-1×F(L)×∑Qi

(1)

式中，YQ为光合产量潜力(kg·hm-2);k为单位换算系数，取10 000；μ为作物光合固定CO2能力的比例，取1.0；ε为光合辐射占总辐射的比例，取0.49；φ是光合作用量子效率，取0.224；α是作物群体反射率，取0.68；β为作物群体对太阳辐射漏射率，取0.06;ρ为作物非光合器官对太阳辐射的无效吸收，取0.1；γ为光饱和限制率，取0.01；ω为作物呼吸损耗率，取0.3；η为成熟谷物含水率，取0.15；ξ位作物灰分含量，取0.08；s为作物经济系数，取0.5；q为单位干物质含热量(MJ/kg)，取17.2；f(L)为作物叶面积动态变化订正值，取0.5；Qi为各生育期太阳总辐射(MJ/m2)，文章所有参数来自于[16]和[20]。

作物光温生产潜力是在一定的光、温条件下，其他环境因素和作物群体因素处于最适宜状态，作物利用当地的光、温资源的潜在生产力，计算公式为[18]：

YT=YQ×f(t)

(2)

式中：YT为光温生产潜力(kg·hm-2);YQ为光合产量潜力(kg·hm-2);f(t)为温度订正函数，其计算公式如下[21]：

f(t)=[(t-tmin)(tmax-t)B]/[(ts-tmin)(tmax-ts)B]

B=(tmax-ts)/(ts-tmin)

(3)

式中：t为某生育阶段的平均温度( ℃)，tmin为作物生长下限温度( ℃)，ts为作物生长最适温度( ℃)，tmax为作物生长上限温度( ℃)。

作物气候生产潜力是指在土壤肥力、耕作技术适宜时，在当地光、热、水气候条件下单位面积可能达到的最高产量，其计算公式为[22]：

YW=YT×f(w)

(4)

式中：YW为气候产量潜力(kg·hm-2)；YT为光温产量潜力(kg·hm-2);f(w)为水分订正函数，公式如下：

(5)

式中，Eoi=αi×Ei，Eoi为潜在蒸发量，Ri为i时段降水量，Ei采用世界粮农组织推荐的经典参考作物蒸散Penman-Monteith估算模型进行计算，αi为作物系数。

1.3.2 气候倾向率及显著性检验本研究采用气候倾向率[23-24]对气候生产潜力变化进行分析，计算公式如下：

Y=at+b

(6)

通过最小二乘法来确定系数a,b的值，其中将10a定义为气候倾向率[kg·hm-2·(10a)-1],当a>0时表示随时间t的增加，生产潜力呈上升趋势；当a<0时表示随时间t的增加，生产潜力呈下降的趋势。a的大小表示上升或下降的倾向程度。

采用t检验对模拟结果进行显著性检验，通过α=0.05的显著性检验，为变化趋势显著；通过α=0.01的显著性检验，为变化趋势极显著。

1.3.3 双季晚稻增产潜力双季晚稻增产潜力表明现实生产力与气候生产力之间的差距，一般以实际产量作为现实生产力，以气候生产潜力作为计算上限。

增产潜力=(气候生产潜力-现实生产力)/气候生产力×100 %

(7)

2 结果与分析

2.1 双季晚稻的气候生产潜力

表2 江西省双季晚稻生产潜力

1961-2014年，江西省85个站点双季晚稻光合(YQ)、光温(YT)、气候生产潜力(YW)、平均值由大到小的排序为YQ>YT>YW(表2)。对双季晚稻光合生产潜力进行温度订正后得到光温生产潜力，温度引起的双季晚稻的生产潜力下降幅度为4.7 %～13.9 %，平均下降幅度为7.4 %；光温生产潜力进行水分订正后得到气候生产潜力，水分引起的双季晚稻生产力下降幅度为8.8 %～36.9 %，平均下降幅度为24.5 %，比较两者的下降幅度，表明对于江西省晚稻影响较大的气象因子是降水，其次是温度，这与黄淑娥[25]得到的结论一致。

2.2 双季晚稻气候生产力的空间分布特征

从图1(a)可知，晚稻光合生产潜力呈现出东部高、西部低的特点。晚稻光合生产潜力在23 000～27 000 kg·hm-2之间，其中在26 200～27 000 kg·hm-2区间的区域分布在赣东南的石城、宁都、兴国、会昌、瑞金等区域和南丰、赣州、乐平、进贤、丰城这些站点周围。光合生产潜力在25 400～26 200 kg·hm-2区间的区域在赣北都昌、永修、新建、高安、樟树、东乡、贵溪、广丰、景德镇等区域和赣中的南城、乐安、永丰、万安、南康、龙南、于都、广丰、黎川形成的一片区域。晚稻光合生产潜力的低值区位于赣西北地区，小于24 600 kg·hm-2的区域位于萍乡、宜春、万载、宜丰、修水、武宁一线以西的区域、赣北瑞昌、九江形成的一片区域和资溪、宜黄、崇义、全南这些站点周围，其中铜鼓、崇义站周围的光合生产潜力更小，低于23 800 kg·hm-2。

双季晚稻的光温生产潜力呈现东南部高、西北部低的特点[图1(b)]。南丰、万安、上犹、大余、龙南、寻乌一线以东区域，晚稻光温生产潜力在24 000 kg·hm-2以上，其中石城、宁都、兴国、会昌一线以东的区域光温生产潜力最高，在25 000 kg·hm-2以上。晚稻光温生产潜力低于23 000 kg·hm-2的区域分布在萍乡、宜春、上高、宜丰、靖安、德安、星子一线以北的区域和婺源、安义、余江、资溪、宜黄、崇义这些站点周围，其中修水、铜鼓站等区域和武宁、瑞昌、九江、宜黄、资溪这些站点周围小范围内的光温生产潜力的值更低，在20 000～22 000 kg·hm-2。对比光合生产潜力和光温生产潜力的空间分布，江西省东南部地区，光照资源比较充足，而且受温度影响较小，所以光合生产潜力和光温生产潜力都处于一个较高值。江西省东北部地区的光照资源也比较充足，但是受温度影响较大，所以光合生产潜力较大，而光温生产潜力则一般。江西省西北部地区的光照资源相对其他地区来说，比较缺乏，而且受温度影响也最大，所以光合生产潜力和光温生产潜力都处于一个较低的水平。由此可知，江西省东南部地区受温度影响小，而北部地区受温度影响大。

图1 江西省1961-2014年双季晚稻平均光合(a)、光温(b)和气候生产力的空间分布Fig.1 Spatial distribution of photosynthetic productivity(a), light-temperature(b) and climatic productivity(c) of late rice in Jiangxi province from 1961-2014

图2 1961-2014年江西省双季晚稻平均光合(a)、光温(b)和气候(c)生产潜力的时间变化趋势Fig.2 Temporal trend of photosynthetic productivity(a), light-temperature(b) and climatic productivity(c) of late rice in Jiangxi province from 1961 to 2014

图3 1961-2014年江西省双季晚稻平均光合(a)、光温(b)和气候(c)生产潜力的MK检验Fig.3 Manner-Kendall test of photosynthetic productivity(a), light-temperature(b) and climatic productivity(c) of late rice in Jiangxi province from 1961 to 2014

从图1(c)中可知晚稻气候生产潜力呈现北部低、南部高的特点。赣南的龙南、定南、寻乌、会昌、瑞金等区域的气候生产潜力值最大，在20 600 kg·hm-2以上，而低于16 400 kg·hm-2的区域分布在赣北的九江、都昌、永修、进贤、临川、余干、鄱阳等区域以及赣中的新干、峡江、吉水、吉安、泰和等区域和高安、横峰、上饶县、金溪、南城这些站点周围。江西省大部分地区的气候生产潜力在16 400～19 200 kg·hm-2之间。对比光温生产潜力和气候生产潜力空间分布，南部地区受水分影响小，而且光温生产潜力也处于较高的值，所以南部地区的气候生产潜力值较高。江西省北部和中部地区受水分的影响较大，气候生产潜力相对于光温生产潜力降幅很大，光温生产潜力较低。西北部地区受水分影响较小，虽然光温生产潜力值低于北部区域，但气候生产潜力高于北部。

2.3 双季晚稻气候生产潜力的时间变化特征及其影响因子

由图2(a)可以看出，1961-2014年，江西省双季晚稻的光合生产潜力呈极显著下降趋势，下降速率为534 kg·hm-2(10a)-1，最大值出现在1966年，为28 060 kg·hm-2，最小值出现在1997年，为21 230 kg·hm-2，相差6830 kg·hm-2。通过MK检验图[图3(a)]可知，光合生产潜力在1991年发生突变，所以将双季晚稻光合生产潜力的变化分为2个阶段：1961-1991年，双季晚稻光合生产潜力以647 kg·hm-2(10a)-1的速率下降，表现为极显著下降趋势；1991-2014年，双季晚稻光合生产潜力以337 kg·hm-2(10a)-1的速率上升，但上升趋势不显著。与之对应，1961-2014年的双季晚稻生长季的太阳辐射总量也呈下降的趋势，其下降幅度为43MJ·m-2(10a)-1,其变化可分为两个阶段：1961-1991年，双季晚稻生长季太阳辐射总量呈极显著下降趋势，下降幅度为53 MJ·m-2(10a)-1，1991-2014年，双季晚稻生长季太阳辐射呈上升趋势，上升速率为27 MJ·m-2(10a)-1，但上升趋势不显著。从空间分布图上[图4(a)]来看，研究时段内江西省96 %的站点的双季晚稻光合生产潜力呈下降趋势，60 % 的站点的下降速率大于500 kg·hm-2(10a)-1，其中的72 %的站点通过了0.01的显著性检验，21 %通过了0.05的显著性检验；全省36 %的站点下降速率在-500～0 kg·hm-2(10a)-1区间，其中的12.9 %通过0.01的显著性检验，19.3 %通过0.05的显著性检验，12.9 %通过0.1的显著性检验，54.8 %未通过0.1的显著性检验。全省只有鹰潭、德安、上饶县3个站点的光合生产潜力呈上升趋势，但是都没有通过0.1的显著性检验，其中上饶县的上升速率最大，为135.81 kg·hm-2(10a)-1。可见，江西省双季晚稻生长季内光合辐射量的减少不利于晚稻产量的形成。

图4 江西省85个站点水稻光合(a)、光温(b)和气候(c)生产力气候倾向率空间分布Fig.4 Spatial distribution of climatic tendency of late rice photosynthetic productivity(a), light-temperature(b) and climatic productivity(c) for 85 station in Jiangxi province

1961-2014年的江西省双季晚稻的光温生产潜力呈极显著下降趋势[图2(b)]，下降速率为465 kg·hm-2(10a)-1，小于光合生产潜力的下降速率，光温生产潜力最大值出现在1964年，为25884.8 kg·hm-2(10a)-1，最小值出现在1997年，为19 620kg·hm-2(10a)-1。通过MK检验图[图3(b)]可知，光温生产潜力在1988年发生突变，1961-1988年，双季晚稻光温生产潜力以666 kg·hm-2(10a)-1的速率下降，表现为显著下降趋势；1988-2012年，双季晚稻光温生产潜力以5 kg·hm-2(10a)-1速率下降，未通过显著性检验。对应的双季晚稻的生长季的平均温度表现为上升趋势，增加速度为0.05 ℃(10a)-1，但未达到显著性水平。这说明温度对晚稻生产具有正效应，但不显著。从空间分布图[图4(b)]上来看，研究时段内江西省96 %的站点的双季晚稻光温生产潜力呈下降趋势，52 %的站点下降速率大于500 kg·hm-2(10a)-1，其中的77 %的站点通过0.01的显著性检验，16 %的站点通过0.05的显著性检验；全省45 %的站点的下降速率在-500～0 kg·hm-2(10a)-1区间，其中的18 %的站点通过0.01的显著性检验，24 %的站点通过0.05的显著性检验，16 %的站点通过0.1的显著性检验，42 %未通过0.1的显著性检验。全省只有石城、德安、上饶县3个站点的光温生产潜力呈上升趋势，但是都没有通过0.1的显著性检验，其中上饶县的上升速率最大，为162.35 kg·hm-2(10a)-1。可见，双季晚稻光温生产潜力的下降是有太阳辐射减少引起的，而温度对其有正效应，但不显著。

1961-2014年双季晚稻的气候生产潜力呈上升趋势[图2(c)]，上升速率为189.7 kg·hm-2(10a)-1，但未通过显著性检验。MK检验图[图3(c)]显示UF和UB不存在交点，表明晚稻的气候生产潜力在近54年中不存在突变的情况。对应的是，双季晚稻生长季降水量呈上升的趋势，上升速率为5.5 mm(10a)-1,但未通过显著性检验。降水量的增加对晚稻生长存在正效应。从空间分布图[图4(c)]上来看，研究时段内江西省67 %的站点的双季晚稻的气候生产潜力呈上升的趋势，其中86 %的站点未通过0.1的显著性检验，7 %的站点通过0.1显著性检验，7 %的站点通过0.05的显著性检验。全省33 %的站点的双季晚稻的气候生产潜力呈下降的趋势，全省11 %的站点气候生产潜力的下降速率大于500 kg·hm-2(10a)-1，其中的44 %的站点通过了0.05的显著性检验，66 %未通过0.1的显著性检验；全省22 %的双季晚稻的气候生产潜力的下降速率在-500～0 kg·hm-2(10a)-1区间，全部未通过显著性检验。

综上所述，辐射量的减少对江西省晚稻生长产生不利的影响，但是气温和降水量的增加起到了一定程度上的弥补，而降水量增加对晚稻的正效应大于气温的正效应。

2.4 双季晚稻增产潜力的特征

图5 1961-2014年江西省双季晚稻增产潜力时间变化Fig.5 Changes of late rice potential for increasing production in Jiangxi province from 1961 to 2014

图5以江西省所有站点的气候生产潜力平均值作为上限，以从统计年鉴上得到的江西省双季晚稻产量数据作为现实生产力，利用公式(7)得到每年的潜在增长空间，1961-2014年期间，江西省双季晚稻单产的增产潜力表现为波动下降趋势。增产潜力最大的年份在1962年，其现实生产力仅占气候生产力的14.4 %，仍有85.6 %的增产空间；2007年的增产潜力最小，有59.8 %的增产潜力。可见，虽然江西省双季晚稻的单产水平在不断的提高，但是与气候生产力仍有较大差距，江西省双季晚稻的增产空间仍较巨大。

以每个站点2003-2010年的双季晚稻的平均单产代表实际产量，以每个站1961-2014年的气候生产潜力作为上限，分析了江西省双季晚稻增产潜力的空间分布，结果表明整个江西省的增产潜力呈现南部高，中北部低的特点。晚稻气候增产潜力的范围在58 %～74 %之间，值在71 %～74 %区间的范围集中在南部的大余、龙南、全南、定南、安远、寻乌、会昌、瑞金等区域和东北角的婺源、德兴两个站点周围的小片区域，而值在58 %～62 %区间的区域分布在中部的南昌、新建、高安、丰城、崇仁、宜黄、广昌、黎川、南城、临川、进贤等地(图6)。

3 结论

本文采用逐步订正法计算得到江西省双季晚稻的光合生产潜力、光温生产潜力和气候生产潜力，再利用空间插值、线性趋势分析、M-K检验等方法分析生产潜力的时空变化特征及其主要影响因子。

光合、光温、气候生产力的空间分布表现的不完全一致。光合生产潜力呈东部高、西部低，光温生产潜力呈东南部高、西北部低，气候生产潜力呈北部低、南部高特征。空间变化都是有增有减，光合生产潜力和光温生产潜力96 %的站点呈减少趋势，气候生产潜力67 %的站点呈上升趋势。江西省东南部地区受温度影响小，而北部地区受温度影响大；江西省除了西北地区受水分影响小，其他地区都收水分影响大。

图6 1961-2014年江西省双季晚稻平均增产潜力空间分布Fig.6 Spatial distribution of late rice potential for increasing production in Jiangxi province

双季晚稻的光合生产潜力和光温生产潜力都呈极显著下降趋势，下降速率分别为534和465 kg·hm-2(10a)-1，气候生产潜力呈上升趋势，上升速率为189.7 kg·hm-2(10a)-1,但未通过显著性检验。对江西省晚稻影响较大的气象因子是降水，其次是温度，但降水的影响在逐年减少江西省的增产潜力虽然呈现为波动下降的趋势，但增产潜力仍然巨大，其中高值区集中在江西省的南部地区，低值区集中在中北地区。

4 讨论

本研究计算江西省双季晚稻各级生产潜力目的在于了解双季晚稻在雨养条件下能够达到的最高产量，明确气候变化背景下各级生产潜力在空间和时间上的变化规律，分析双季晚稻受温度、降水的限制情况以及气候资源利用效率。研究结论对于江西省双季晚稻的种植布局、相应的作物栽培措施和农田管理技术具有一定的指导意义，但本研究中忽略了双季晚稻在实际种植中受人工灌溉的影响，而且也没有考虑地形对降水的再分配作用。逐级订正模型虽然比较全面地考虑了辐射、温度和水分影响，计算结果生物学和物理学意义明确，应用也比较广泛，但其计算中对作物的实际生长动态变化和呼吸等生物过程考虑较少[26]，所以利用精确性较高的作物生长物理模型，综合考虑灌溉量的影响，进一步更深入探讨气候变化对双季晚稻的影响是本研究下一步的重点。

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