随州市中稻生长季农业气候资源变化研究
2021-01-21冯文丽鲍凤霞张枝盛程建平
杨 涛,冯文丽,鲍凤霞,张枝盛,程建平
(1.随州市气象局,湖北 随州 441300;2.随州市农业局,湖北 随州 441300;3.湖北省农业科学院粮食作物研究所∕粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室,武汉 430064)
由于人类活动导致温室效应的加剧,气候变暖已经是不争的事实,在过去的100 多年里全球平均气温上升了0.85 ℃,预计到2100年全球气温将上升2.0~4.8 ℃[1]。在全球气候变暖的同时,诸如高温热浪、干旱、强降水等极端天气事件的发生频率和强度也呈现了显著变化,且这种影响还在不断增强,如果任其发展,气候变化将会增大对人类和生态系统造成严重、普遍和不可逆转影响的可能性[2]。
当前农业生产受气候和天气的制约,对气候条件的依赖性很强,也对气候变化反应非常敏感[3]。气候变化必然导致光、热、水等农业气候资源的变化,而农业气候资源直接参与农业生产过程,其变化必然对农业生产生态环境、农作物生长发育和产量形成过程造成显著影响[4,5],农业生产布局、种植制度等也将发生改变,这些都会对国家的粮食生产安全带来影响[6,7]。在气候变化的大背景下,农业气候资源的变化特征引发了诸多学者的关注和研究,获得了不少有意义的结论。这些研究在内容上主要涉及农业气候资源的分布、资源利用以及评价[8],在研究 范 围 上 大 到 全 国[9]或 某 一 区 域[10-12],小 到 省市[13-16],不过多数是针对气温、降水、日照时数等单气象要素的变化特征研究。
随州市位于湖北省北部,地处长江流域和淮河流域的交汇地带,属北亚热带湿润半湿润季风气候,具有南北过渡型气候特征。在全球气候变化的大背景下,其气候变化趋势也有局部地区特殊性。鉴于此,本研究利用长时间序列的历史和未来气象数据,分析随州市中稻生长季热、光、水等农业气候资源在气候变化背景下的变化趋势及特征,旨在为该区域评估气候变化影响、合理利用农业气候资源、指导农业生产提供科学依据。
1 资料与方法
1.1 资料
基于数据序列的连续性和完整性,研究中选取了随州市2 个国家站1959—2018年60年的逐日气象数据,包括逐日平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、风速、相对湿度、降水量等要素。
1.2 方法
1.2.1 中稻生长季时间段的确定 中稻作为喜温作物,10 ℃初、终日可以代表其生长发育的活跃期,即可作为中稻的生长季时间段。20 ℃则是中稻旺盛分蘖和安全齐穗期的指标温度。对稳定通过10、20 ℃界限温度的初、终日进行计算,通过5 d 滑动平均法确定,在此基础上统计和分析相应时间段内各类气候资源的变化特征。
1.2.2 积温计算 农作物的生长、发育和产量形成与热量条件密切相关。积温既能较好地反映作物发育速度与温度条件的关系,又能表示某一地区的热量资源状况。积温的计算公式如下:
式中,a和b分别表示作物生长季内逐日平均气温≥10、20 ℃的初始日期和终止日期,Ti为初、终日之间的日平均气温。
1.2.3 太阳总辐射计算 对于历史资料生长季太阳总辐射,由生长季内逐日太阳总辐射R(MJ∕m2)累加而得,R根据经验公式[17]计算,即:
式中,R0为天文总辐射(MJ∕m2);SH为日照时数(h),可由逐日地面观测数据获得;DL为可照时数(h)。通过天文学公式计算R0和DL,a和b为经验系数,这里利用相关研究[18]重新修正的经验公式计算太阳辐射。
1.2.4 参考蒸散量计算 采用联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的Penman-Monteith 公式计算作物参考蒸散量ET0,计算公式为:
式中,ET0是作物参考蒸散量(mm∕d);Δ是饱和水汽压曲线斜率(kPa∕℃);Rn是地表净辐射[MJ∕(m2·d)];G是土壤热通量[MJ∕(m2·d)];γ是干湿表常数(kPa∕℃);T是日平均气温(℃);u2是2 m 高度处的风速(m∕s);es是饱和水汽压(kPa);ea是实际水汽压(kPa)。在作物参考蒸散量的计算过程中涉及的相关参数取值和计算方法均参照《气象干旱等级》(GB∕T 20481—2006)标准[19]。
1.2.5 趋势及突变检验分析方法 在分析气候要素变化趋势时,采用气候趋势法[20]分析其变化特征,气候趋势为正值表示要素序列为上升趋势,负值表示下降趋势,气候倾向率为气候趋势10年的变化量,气候要素变化趋势用F检验法进行显著性检验。
利用Mann-Kendall(M-K)检验法提取序列变化趋势,它是一种非参数统计检验方法,优点是不需要样本遵循一定的分布,能够客观地表征样本序列整体变化趋势[21]。在M-K 突变检验中,可以根据输出的2 个序列(UF和UB)明确突变的时段和区域。若UF>0,表明序列呈上升趋势;UF<0,则表明序列呈下降趋势。当超过临界直线时,表明时间序列上升或者下降趋势显著。如果UF和UB两条曲线出现交点,且交点在两条临界直线之间,则突变开始的时间即为交点所对应的时刻。
2 结果与分析
2.1 热量资源变化特征
2.1.1 生长季内≥10 ℃积温 随州市中稻生长季≥10 ℃积温在1959—2018年的变化曲线如图1 所示。由图1 可以看出,≥10 ℃积温随州市和广水市均在4 600~5 700(℃·d),平均值随州市为5 042(℃·d),广水市为5 115(℃·d)。最大值均出现在2000年以后,最小值均出现在20 世纪60年代。就≥10 ℃积温气候倾向率而言,随州市为30.6(℃·d)∕10年,广水市为82.5(℃·d)∕10年,均通过了0.01 的显著性检验,两站增大趋势均极显著。
图1 ≥10 ℃积温随时间的变化
由图2 的M-K 突变检验可以看出,随州市≥10 ℃积温从20 世纪90年代开始呈持续增加趋势,突变点在1994年,在2005年后开始超过P=0.05 的临界线(U0.05=±1.96),增加趋势显著。广水市≥10 ℃积温也是从20 世纪90年代中期开始呈持续增加趋势,突变点在1997年,在2001年后开始超过P=0.05 的临界线,增加趋势显著。且在2005年后超过P=0.01 的显著性水平(U0.01=±2.58),增加趋势十分显著。
图2 ≥10 ℃积温M-K 突变检验
2.1.2 生长季内≥20 ℃积温 由图3 可知,≥20 ℃积温随州市和广水市均在2 500~4 300(℃·d)。就≥20 ℃积温平均值而言,随州市为3 241(℃·d),广水市为3 364(℃·d)。最大值也均出现在2000年以后,最小值随州市出现在20 世纪60年代,广水市出现在2000年以后。随州市≥20 ℃积温气候倾向率为0.16(℃·d)∕10年,未通过显著性检验,表现为微弱的增加趋势。广水市≥20 ℃积温气候倾向率为89.2(℃·d)∕10年,通过了0.01 的显著性检验,增加趋势极显著。
图3 ≥20 ℃积温随时间的变化
由图4 的M-K 突变检验可以看出,随州市≥20 ℃积温在20 世纪80年代至90年代中期出现明显的减少趋势,在步入21 世纪后减少趋势不显著。广水市≥20 ℃积温在20 世纪90年代中期以前为减少趋势,之后开始转变为增加趋势,突变点在1997年附近,在2013年以后超过P=0.05 的临界线,增加趋势显著,2015年后增加趋势十分显著。
2.2 光能资源变化特征
2.2.1 日照时数 由图5 可以看出,中稻生长季日照时数随州市和广水市均在1 000~1 900 h,均值分别为1 375.2、1 411.7 h,历年最大值都出现在20 世纪60年代左右,两站日照时数均呈减少趋势,随州市气候倾向率为-35.4 h∕10年,通过了0.01 的显著性检验,减少趋势极显著。广水市气候倾向率为-25.3 h∕10年,通过了0.05 的显著性检验,减少趋势显著。
图4 ≥20 ℃积温M-K 突变检验
图5 日照时数随时间的变化趋势
由图6 可以看出,就中稻生长季日照时数而言,随州市在1985年越过P=0.05 的临界线后持续走低,减少趋势显著。20 世纪90年代后稳定越过P=0.01 的显著性水平(U0.01=±2.58),减少趋势十分显著;而广水市则是在2010年后呈显著的减少趋势。
图6 日照时数M-K 突变检验
2.2.2 太阳辐射 如图7 所示,太阳辐射两站变幅在2 900~4 100 MJ∕m2,平均值随州市为3 418.1 MJ∕m2,广水市为3 479.1 MJ∕m2,最大值均出现在20 世纪50年代末期,最小值则均出现在2000年。随州市气候倾向率为-42.4 MJ∕(m2·10年),通过了0.05的显著性检验,减少趋势显著。广水市气候倾向率为-24.4 MJ∕(m2·10年),未通过显著性检验,变化趋势不明显。
图7 太阳辐射随时间的变化趋势
由图8 可以看出,随州市太阳辐射的变化趋势和日照时数类似,一直呈减少趋势。20 世纪90年代开始减少趋势变得显著,虽然在2005年以后在P=0.05 的临界线上下浮动,但整体减少趋势依然显著。广水市则基本在临界线和零线之间波动,减少趋势不显著。
2.3 水分资源变化特征
2.3.1 降水量 由于气候变化背景下极端天气概率增加,极端降水的发生情况增多。由图9 可以看出,随州市中稻生长季内降水量波动非常大,变幅在450~1 300 mm,虽然两站平均降水量均在849 mm左右,但是历年最小值均不足500 mm,都出现在2000年以后。降水量最大值均超过1 200 mm,随州市出现在2016年,而广水市则出现在1980年。随州市气候倾向率为4.2 mm∕10年,广水市气候倾向率为-7.6 mm∕10年,但是两者均未通过置信度检验,总体变化趋势均不显著。
2.3.2 参考蒸散量 由图10 可以看出,参考蒸散量两站变幅在680~1 010 mm,随州市参考蒸散量气候倾向率为-24.7 mm∕10年,通过了0.01 的显著性检验,减少趋势极显著。而广水市参考蒸散量气候倾向率为-4.0 mm∕10年,未通过显著性检验,表现为不显著的较少趋势。
3 小结与讨论
本研究利用随州市2 个国家站1959—2018年60年的逐日气象数据分析了气候变化背景下随州市中稻生长季≥10 ℃积温、≥20 ℃积温、日照时数、太阳辐射、降水量以及参考蒸散量等农业气候资源的变化,主要结论如下。
图8 太阳辐射M-K 突变检验
图9 降水量随时间的变化趋势
图10 参考蒸散量随时间的变化趋势
1)随州市≥10 ℃积温气候倾向率为30.6(℃·d)∕10年,广水市≥10 ℃积温气候倾向率为82.5(℃·d)∕10年,均呈极显著增加趋势。随州市≥20 ℃积温气候倾向率为0.16(℃·d)∕10年,增加趋势不显著,广水市≥20 ℃积温气候倾向率为89.2(℃·d)∕10年,呈极显著增加趋势。
2)日照时数均呈减少趋势,随州市气候倾向率为-35.4 h∕10年,广水市气候倾向率为-25.3 h∕10年,随州市呈极显著减少趋势,广水市呈显著减少趋势。随州市太阳辐射气候倾向率为-42.4 MJ∕(m2·10年),呈显著减少趋势。广水市太阳辐射气候倾向率为-24.4 MJ∕(m2·10年),减少趋势不显著。
3)中稻生长季内降水量波动非常大,降水量气候倾向率也均未通过置信度检验,变化趋势均不显著。随州市参考蒸散量气候倾向率为-24.7 mm∕10年,减少趋势极显著。而广水市参考蒸散量气候倾向率为-4.0 mm∕10年,减少趋势不显著。
热量是农作物生长发育的重要条件,是衡量农业气候条件的主要指标[15]。气候变暖导致一系列的气象变化,其中,热量资源增加会使作物适宜生长期延长,进而促进作物生产潜力的提高,在一定程度上保障了作物的高产稳产[22]。本研究表明,近60年随州市农业气候资源总体呈热量资源增加的趋势。对于随州市中稻来说,热量资源的增加减少了生育期内遭遇低温冷害的概率,延长了水稻的生殖生长期,有利于长生育期的水稻品种获得高产。但是热量资源提高也会降低越冬病虫卵蛹死亡率,加剧水稻季病虫害的发生。同时,气温升高导致极端高温出现频率增加,会进一步使水稻遭受高温热害的风险增加。此外,气温升高加速水稻的生育进程,全生育期缩短,在不进行品种和播期、移栽期调整的情况下,水稻产量有降低的风险。
日照时数和总辐射量是影响作物光合速率和光合产物的重要因素。本研究中随州市和广水市近60年的日照时数总体均显著降低,随州市的总辐射量显著降低。姜晓剑等[23]研究表明,与19 世纪60年代相比,21 世纪00年代中国主要稻作区水稻生育期内的平均总日照时数减少了11.93%,东北、西南地区减少的幅度小于中部和南方。一方面,光能资源的减少会使得作物的光合生产潜力下降,影响结实率和千粒重,不利于产量的形成。Sridevi 等[24]指出,若日照时数减少至每天3~4 h,水稻产量将会减产至1.5~2.5 t∕hm2。
本研究中,近60年随州市降水的年际间差异并不显著,但是全年降水,尤其是中稻生长季内降水量波动非常大。葛道阔等[25]对长江中下游稻区19 个样点的气象数据进行模型分析,发现随着气候变化的加剧,未来降水变率增加则可能导致季节性干旱和暴雨发生频次增多,是水稻减产的重要原因,且长江中游稻区的减产幅度要甚于下游稻区,单季稻与晚稻的减产幅度要甚于早稻。
总体而言,气候变化背景下中稻生长季内农业气候资源变化的影响利弊并存,但仍可通过采取有效措施缓解这种不利影响,需要采取因地制宜、因气候制宜的对策措施,包括调整作物播种期,充分利用气候资源、合理避减灾害;选育高产优质抗逆性强的作物品种,科学应对气候变暖与病虫害加剧的影响;调整种植区域与品种类型,主要粮食生产向气候适宜区适度集中等;加快农田基础设施尤其是水利设施的建设,提高区域应对气候资源变化的能力。