秦岭南部一季稻区水热条件变化时空特征分析*

王水霞，殷淑燕，赵芮芮

(陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西 西安 710119)

气候变化及其影响是当今主要环境问题之一。中国地域广阔且地理环境复杂，响应于全球气候的变化，近百年来中国平均升温速率明显高于同期全球平均变化速率，特别是自1960年后我国地表平均气温显著上升，平均变化速率达0.23 ℃/10a[1]，且在全球气候变化背景下，未来划分我国主要气候的热量带将会向北移，东部地区移动更明显，西北地区将趋向湿润化[2]。这些变化会直接导致水热等气候资源在空间上重新分配，从而对我国农业格局产生深远影响。农业是人类生产活动的物质基础，而气候条件是农业生产的基础，且农业对气候变化响应敏感，因此研究气候变化及其对农业的影响具有重要的实践指导意义。

水稻是我国三大粮食作物之一，在我国粮食生产中占重要地位。近30年我国水稻种植面积在减少，总产量在增加，虽种植面积对产量的增减起着决定性作用[3]，但气候变化对水稻也起着至关重要的作用。当温度升高1 ℃，印度尼西亚地区灌溉水田和雨养稻田的水稻产量分别下降11.1%和14.4%[4]；在越南地区，当平均最高温度增加1%会使其水稻产量减少5.363%以上，当平均降水量增加1%使其增加0.409%以上[5]；温度升高1 ℃且降水量下降200 mm时，萨赫勒地区水稻产量减少7%～21%[6]；夜间温度的快速增长导致印度西北地区水稻产量和质量下降[7]。气温、降水量和日照时数等气候条件与水稻气象单产变化波动周期一致[8]，气候变化背景下我国东部单季稻生产区受益程度高，尤其是对长江中下游部分区域单季稻产量的贡献率达50%以上[9]。气候增温使东北水稻全生育期平均时间延长4天以上，冷害发生的分布区域和频率明显减少，对东北水稻增产效应显著[10-11]。气候变暖使南方水稻生长季可利用率提高，多熟种植面积向北向西扩大[12]。然而随着气温上升，极端温度事件频发，水稻的生产与分布受到严重威胁[13-15]。

秦岭作为我国东西走向的大山脉，是我国重要的地理分界线和气候过渡带，对气候变化极为敏感。近些年秦岭山地最冷月平均气温上升，0 ℃等温线明显北移[16]，其南北绝大部分区域降水量在减少，强降水、突发性降水和连续性干旱事件增多，降水空间分布极不平衡[17]，光合有效辐射也在变少且季节变化差异大[18]。这种气候波动势必对当地农业发展造成一定影响，秦岭南部是我国一季稻主要种植区之一，鉴于此，本文以一季稻为研究对象，利用1960-2016年37个气象站点的地面观测数据研究秦岭南部一季稻生长季内水热条件的时空变化特征，为一季稻适应气候变化对策制定提供指导依据，为探究气候变化对一季稻的影响机制奠定理论基础。

1 资料来源与研究方法

1.1 研究区概况

本研究区域参照周旗等[19]的研究成果，主要包括陕南地区、河南中部以南(豫中南)、湖北中部以西(鄂中西)、重庆地区和四川东北部(川东北)，如图1所示。该区域属于北亚热带湿润季风性气候，年平均气温7.8～18.6 ℃，年降水量619～1 350 mm，且降水具有明显的季节变化，夏季雨多，冬季雨少。本区地貌结构复杂，主要包括秦岭山地、汉水谷地、巴巫谷地、江汉平原等，水资源相对丰富，河流众多。总体上秦岭南部地区自然条件复杂多样。

图1 研究区域DEM图及气象站点分布Fig.1 The location of meteorological stations in the DEM of the research area

1.2 资料来源

气象数据来源于中国气象局气象信息中心数据应用服务室，依据数据资料的完整性和精准性，选取1960-2016年秦岭南部地区37个气象站点的逐日地面观测数据，包括平均气温、最低气温、最高气温、降水量和日照时数等气象要素。鉴于研究区一季稻种植时间各异，将一季稻生长季时间向前向后略微延长，以4-9月作为其生长季[20-21]，分析该作物生长季内秦岭南部水热条件的时空变化特征。

1.3 研究方法

1.3.1 积温 采用五日滑动平均法[22]计算日平均气温稳定通过10 ℃界限温度的活动积温。一季稻属于喜温作物[23]，10 ℃是喜温作物活动生长的临界温度[24]，因此将日平均气温稳定通过10 ℃的时间段作为一季稻的活动生长期。

1.3.2 高温热害强度 一季稻适宜生长的上限温度是35 ℃，当日最高气温超过该界限温度且持续时间≥3 d时，表示一季稻发生一次高温热害，高温热害强度计算公式为：D=d/c，其中D为高温热害强度，d、c分别表示某生育期内发生高温热害的总天数和总次数。当D值越大，表明发生高温热害的强度越大，对一季稻生长发育造成的不利影响越严重[25-27]。

1.3.3 干燥指数 干燥指数是由作物生育期内温度和降水共同表征的一个指标，值越小，表明一季稻生育期内气候偏湿润，其计算公式如下：

式中，G为一季稻生育期(4-9月)干燥指数，ΣT4-9为一季稻生育期内≥10 ℃积温，R为生育期内日平均气温稳定通过10 ℃时间段内的降水量，C为海拔高度校正系数，当海拔高度低于2 000 m时，C值为0.28，当海拔高度高于2 000 m时，C值为0.32[28]。

2 结果与分析

2.1 热量资源时空变化特征

2.1.1 热量资源时间变化特征 近57 a秦岭南部一季稻生长季平均气温和≥10 ℃积温时间变化序列，二者均呈显著上升趋势，平均速率分别为0.01 ℃/a、3.1 (℃·d)/a(图2)。对比年代际变化可知，平均气温和≥10 ℃积温都呈先下降后上升的变化过程，2000年之前两指标各年代均值都小于或等于多年平均值，2000年之后则明显高于多年平均值。由1988-2016年线性趋势知，自1988年以来两指标上升速率分别为0.03 ℃/a、6.2 (℃·d)/a(图2)，均高于多年平均变化速率，表明尤其是近29年秦岭南部升温明显。

穗分化期-开花期(7-8月)是一季稻高温敏感阶段，易受到极端高温威胁[29-30]，此时高温会影响一季稻生理结构发育以及阻碍花粉受精，导致空粒数增加，使作物产量损失严重[13,31]。因此本文统计分析该时期一季稻高温热害强度的变化特征，如图2c所示，整体上高温热害强度呈微弱上升趋势，比较1988-2016年线性趋势知，1988年后高温热害强度更大，表明自1988年以来秦岭南部极端高温事件频繁。对比年代际变化知，高温热害强度呈典型的V型变化过程，其中20世纪60-70年代和21世纪以来高温热害强度高于多年平均值，20世纪80年代高温热害强度最低。这与一季稻生长季平均气温和≥10 ℃积温变化过程大致相似，表明随气温上升，极端高温事件发生频率也在增加，一季稻可能受到的潜在危害加大。

8-9月大致是一季稻穗分化后期-灌浆结实期，是干物质积累与灌浆的主要时期，此时日较差的变化会影响一季稻的产量与品质。如图2d所示秦岭南部一季稻日较差(8-9月)时间变化序列，由图知，8-9月日较差整体上呈不明显下降趋势，比较1988-2016年线性趋势知，1988年后日较差下降更明显，这与秦岭南部一季稻生长季平均气温与≥10 ℃积温变化相符。昼夜温差缩小，一定程度上会增加稻株对干物质的消耗，不利于籽粒灌浆，对作物收成可能会产生一定的负面影响。对比年代际变化知，各年代均值围绕多年平均值上下波动，变化和缓。

图2 1960-2016年热量资源时间序列图Fig.2 The variation of annual thermal resources during 1960-2016

2.1.2 热量资源空间变化特征 近57 a秦岭南部一季稻生长季平均气温和≥10 ℃积温多年平均值空间分布如图3(a1,b1)所示，二者空间变化基本一致，除重庆东南部和鄂中西的西南部以外，其余区域均表现出明显的纬向变化，呈自南向北递减趋势，其中研究区东南和西南部为两者的高值区，最低值区在陕南北部。如图3(a2,b2)所示秦岭南部一季稻生长季平均气温和≥10 ℃积温倾向率空间分布，整体上二者空间变化规律相似，研究区西南部、中部和东北部变化幅度相对较小，陕南北部变化幅度相对较大。除巴东和许昌站点的平均气温趋于降低以外，其余站点平均气温均在升温，65%的站点增温显著；除酉阳、巴中和许昌站点≥10 ℃积温在减少以外，其余站点≥10 ℃积温均在增加，且59%的站点变化显著。对比平均气温和≥10 ℃积温多年平均值和倾向率空间分布图发现，二者高值区的增温幅度较小，低值区的增温幅度较大，这使得地区间温差缩小，满足一季稻热量要求的适宜种植范围扩大。

如图3(c1)所示秦岭南部一季稻高温热害强度(7-8月)多年平均空间分布，整体上呈自西南向东北递减分布，表明自西南向东北发生高温热害强度减轻，其中陕南北部和重庆东南部高温热害程度最低，对此时一季稻发育的不利影响较小，研究区中西部热害强度最大，可能会损伤该阶段一季稻发育。如图3(c2)所示秦岭南部一季稻7-8月高温热害强度倾向率空间分布，东部呈减小趋势，西部呈增加趋势。对比图3(c1,c2)发现东西部变化差异大，东部低值区呈降低趋势，且降低幅度较大，表明东部极端高温事件发生频率减少，对一季稻高温伤害较小；西部低值区呈增加趋势，且增加幅度较大，表明西部极端高温事件频发，一季稻受潜在威胁较大。造成研究区东西部明显差异的原因可能与其地形有关，东部地形较平坦，西部多山地，地形与温度关系密切[32-33]，地形对气流的抬升作用可能会导致气流运动不稳定，且地形高程越高，抬升作用越强，气流运动愈剧烈[34]，极端天气事件更易发生，相比山区，在相同大环流背景下，平原区气流运动更为稳定。

如图3(d1)所示秦岭南部一季稻日较差(8-9月)多年平均空间分布，整体上呈明显的经向变化，自中部向东西部减少。如图3(d2)所示秦岭南部一季稻日较差倾向率空间分布，整体上东西部部分区域呈减少趋势，中部呈增加趋势，65%站点日较差在减少。对比图3(d1,d2)看出，除个别区域以外，东西部日较差低值区在减少，这与平均气温和≥10 ℃积温空间变化相吻合；中部高值区在增加，该区昼夜温差拉大有助于一季稻顺利灌浆，促使籽粒饱满，利于作物增产。

2.2 水资源时空变化特征

2.2.1 水资源时间变化特征 如图4(a)所示秦岭南部一季稻生长季降水量时间序列变化，整体上呈不显著下降，平均速率为0.4 mm/a，比较1988-2016年线性趋势知，1988年后降水量表现为不显著上升，平均速率为1.7 mm/a，表明近29年秦岭南部一季稻生长季降水量相对增多，利于一季稻生产。对比年代际变化知，各年代均值基本与多年平均降水量相平，年代际波动相对稳定。

穗分化期(7-8月中旬)是一季稻对水分最敏感时期，此时也是决定粒数和奠定粒重的重要时期[20,35]，该时期不能满足其需水要求时会抑制花粉粒、卵细胞和颖花发育，造成小穗败育[31]，空秕粒增加，对作物产量可能有一定的负效应。如图4(b)所示秦岭南部一季稻穗分化期降水量时间序列变化，整体呈不明显上升趋势，平均速率为0.1 mm/a，比较1988-2016年线性趋势知，1988年后穗分化期降水量呈微弱下降趋势，平均速率为0.9 mm/a。对比年代际变化知，各年代均值与多年平均值基本相当，年代际波动较小。

如图4(c)所示秦岭南部一季稻生长季干燥指数时间序列变化，整体呈微弱上升变化，比较1988-2016年线性趋势，1988年后干燥指数呈不显著下降趋势，表明近57年秦岭南部一季稻生长季气候仍以暖干特征为主，但自1988年后该区表现出暖湿特征，说明研究区有暖干向暖湿转变趋向，这种变化有助于该区一季稻规模发展，提高其生产潜力。对比年代际变化知，各年代均值围绕多年平均值上下波动，年代际变化相对较小。

2.2.2 水资源空间变化特征 如图5(a1)所示近57年秦岭南部一季稻生长季降水量多年平均空间分布，整体呈纬向自南向北减少分布，西南部为降水量偏多区，东北部为降水量偏少区。如图5(a2)所示秦岭南部一季稻生长季降水量倾向率空间分布，整体上变化趋势复杂，54%站点呈不显著减少趋势，其余站点呈不显著增加趋势。对比图5(a1,a2)，降水量高值区在减少且变幅相对较大，低值区在增加且变幅相对较大，表明多雨区趋于干旱，少雨区趋于湿润，指示不同区域需合理安排灌溉调整发展。

如图5(b1)所示秦岭南部一季稻穗分化期降水量多年平均空间分布，从图中看出地域差异明显，总体上自西向东呈多-少-多分布。如图5(b2)所示穗分化期降水量倾向率空间分布，变化复杂，49%站点呈不显著减少趋势，其余站点呈不显著增加趋势。对比图5(b1,b2)发现，于大部分区域而言，穗分化期降水量高值区在减少，低值区在增加，促使高值区需适时安排灌溉，以满足作物穗分化期需水要求，保障作物安全生长，低值区变化趋势有利于作物增产，促进扩大一季稻适宜种植面积。

如图5(c1)所示秦岭南部一季稻生长季干燥指数多年平均空间分布，图中显示其自西南向东北递增，西部低于东部，南部低于北部。图5(c2)为其倾向率空间分布，自西南向东北表现为增加-减少-增加-减少的变化规律，除枣阳及其周边地区以外，整体上东部呈减少趋势，西部呈增加趋势，且绝大部分站点变化趋势不显著。对比图5(c1,c2)发现，干燥指数相对高值区在减少，表明该区域气候趋于湿润；相对低值区在增加，表明该区域气候趋于干燥。这与秦岭南部一季稻生长季内平均气温与降水量的空间分布及其倾向率变化一致。

图3 秦岭南部一季稻生长季热量资源多年平均空间分布(a1-d1)和倾向率空间分布(a2-d2)Fig.3 Spatial distribution of mean and trend of termal resources for semilate rice growing period in southern Qinling Mountains in recent 55 years

图4 水资源时间序列图Fig.4 The changes of annual water resources

2.3 光资源时空变化特征

2.3.1 光资源时间变化特征 如图6(a)所示秦岭南部一季稻生长季日照时数时间序列变化，整体上日照时数呈显著下降，平均速率为4.2 h/a，比较1988-2016年线性趋势，1988年后日照时数呈不显著下降，平均速率为1.8 h/a，远小于整个时段的变化速率，说明近29 a研究区光照条件有所改善。对比年代际变化知，20世纪60-70年代均值高于多年平均值，80年代开始年代均值低于多年平均值，年代际波动较大，这种波动可能会使一季稻生产不稳定。

结实期(8月中旬-9月)即抽穗至成熟期，此时是一季稻光合作用旺盛期，干物质积累增长最快，是决定粒重和结实粒数的关键期[37-38]。如图6(b)所示秦岭南部一季稻结实期日照时数时间序列变化，看出其呈显著下降趋势，平均速率为1.0 h/a，比较1988-2016年线性趋势，该时段变化基本与整个时段走势一致。对比各年代变化知，相对多年平均值，年代均值大致表现为高-低-高-低的变化过程，年代际变化相对较大。

图5 秦岭南部一季稻生长季水资源多年平均空间分布(a1-c1)和倾向率空间分布(a2-c2)Fig.5 Spatial distribution of mean and trend of water resource for semilate rice growing period in southern Qinling Mountains in recent 55 years

2.3.2 光资源的空间变化特征 近57年秦岭南部一季稻生长季日照时数多年平均空间分布如图7(a1)所示，整体呈自西南向东北递增，低值区位于重庆的西南和东南部，高值区位于研究区东部和商洛地区。结实期日照时数多年平均空间分布如图7(b1)所示，整体上呈明显的经向变化，自西向东递增，低值区在研究区西部，高值区在研究区东南部。如图7(a2,b2)所示研究区一季稻生长季和结实期的日照时数倾向率空间分布，二者变化规律基本相似，研究区东部在减少且减幅最大，西部变化相对复杂且变幅相对较小。生长季日照时数除镇安站点呈不显著增加趋势以外，其余站点均呈减少趋势且绝大部分站点变化显著。结实期日照时数所有站点均呈减少趋势，其中62%的站点变化显著。综合对比图7(a1,a2)、图7(b1,b2)看出，日照时数高值区减少幅度较大，低值区减少幅度较小。秦岭南部日照时数趋于下降，尤其是结实期日照时数的减少，使该阶段光合作用减弱，干物质积累量减少，对一季稻负面影响较大。蒋冲[18]等人研究指出这种变化趋势可能主要与风速等气候变化、人类活动如城市化和工业等发展产生的气溶胶增多有关。

图6 1960-2016年光资源时间序列图Fig.6 The variation of annual light resources during 1960-2016

图7 秦岭南部油菜一季稻生长季光资源多年平均空间分布(a1-b1)和倾向率空间分布(a2-b2)Fig.7 Spatial distribution of mean and trend of heat resource for semilate rice growing periodin southern Qinling Mountains in recent 55 years

综合前文分析知，秦岭南部一季稻生育期内热量资源增加、水资源和光资源减少，由于水热条件的动态变化且交互作用于作物生长，为此后续仍需进一步深入探究水热条件变化对一季稻的影响及其机制。因此在充分合理利用本区水热条件的基础上，合理调整农事活动、提高生产技术、高效应对气候变化显得尤为重要，这样可保障一季稻各生育阶段安全生长，促进稳定增产，有研究表明尼泊尔水稻区在适应气候变化策略指导下水稻产量增加了33%，并指出提高人们对气候变化的意识，积极制定适应气候变化战略，能够促进稻米生产[36]。

3 结 论

本文基于1960-2016年秦岭南部37个气象站点逐日观测数据，选取与一季稻紧密相关的9个水热条件指标，研究该区域该作物生长季水热条件的时空变化特征，得出以下主要结论：

1)近57 a秦岭南部一季稻生长季平均气温和≥10 ℃积温的平均上升速率分别为0.01 ℃/a、3.1 (℃·d)/a且变化显著，1988年后二者上升更明显，且均呈先下降后上升的年代际变化过程；空间上，二者多年平均值均呈自南向北递减分布，且二者高值区增幅较小，低值区增幅较大。秦岭南部高温热害强度(7-8月)微弱上升，整体呈V型变化，1988年后热害强度升高，即近29年极端高温天气增多；空间上其多年平均值自西南向东北递减分布，东部趋于减小，西部趋于增加，即西部受极端高温事件威胁较大。日较差与前三个热量指标时间变化相反，且年代际变化过程较平稳，空间上其多年平均值自中部向东西部减少分布，低值区趋于减少，高值区趋于增加。

2)近57 a秦岭南部一季稻生长季降水量平均减少速率为0.4 mm/a，但1988年后平均增加速率为1.7 mm/a，穗分化期降水量变化趋势与生长季降水量相反，干燥指数呈微弱上升趋势，1988年后呈不显著下降，表明秦岭南部仍以暖干气候特征为主，但有向暖湿变化的趋势，且水资源年代际变化较稳定。空间上，生长季降水量多年平均值自南向北减少分布，穗分化期降水量多年平均值自西向东呈多-少-多分布规律，二者倾向率变化较复杂，整体上高值区在减少，低值区在增加，表明多雨区趋于干旱，少雨区趋于湿润；干燥指数多年平均值自西南向东北递增分布，其倾向率东部趋于降低、西部趋于升高。

3)近57 a秦岭南部一季稻生长季日照时数、结实期日照时数的平均下降速率分别为4.2 h/a、1.0 h/a且变化显著，但自1988年以来该区光照条件有所改善，二者年代际波动较大。空间上，生长季日照时数多年平均值自西南向东北递增分布，结实期日照时数多年平均值自西向东递增分布，二者倾向率空间变化相似，绝大部分区域均呈减少趋势，总体上高值区减幅大，低值区减幅小。