辽宁省水稻气候适宜度变化特征及其对区域气候变暖的响应

2021-07-30胡春丽陈鹏狮王婉昭刘东明

江西农业学报 2021年7期

胡春丽，陈鹏狮，王婉昭，刘东明，李菲，林蓉

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁沈阳 110016；2.辽宁省生态气象和卫星遥感中心，辽宁沈阳 110016；3.沈阳区域气候中心，辽宁沈阳 110016)

气候适宜度是指通过对比光照时数、温度、降水量这3个参数值来评价气候对农作物生长发育的适宜程度。马树庆[1]利用模糊数学原理基于“三基点”温度建立了温度适宜度模型；蒋定生等[2]从“适量”、“适时”和“有效程度”3个指标出发，就渭北旱塬地区降水资源对农作物生长发育的影响建立了降水适宜度模型；黄璜[3]以日照时数达可照时数的70%为临界点，运用隶属度函数原理建立了日照时数适宜度模型。以上适宜度模型的建立为气候适宜度的发展奠定了基础，广泛被后人所借鉴。近些年，国内学者对气候适宜度进行了大量的研究，随着研究的不断深入，成果层出不穷[4-16]，气候适宜度被广泛应用到产量预报[17-19]、作物年景评估[20-21]和发育期预报[22-23]等方面。

气候系统的变暖是毋庸置疑的，自20世纪50年代以来，观测到的许多变化在几十年乃是上千年的时间是前所未有的，气候变化导致温度、辐射、降水等农业气候资源的改变使现有农业生产不稳定性增加，同时作物对气候变化有一定的响应，所以加强气候变化背景下气候适宜度的研究，有利于农业的可持续发展。辽宁省地处我国气温变化速率最大的季风气候区，近50年增暖率高于中国近54年增温速率，也高于全球近50年增温速率。辽宁省也是我国的重要粮食产区之一，而气温的异常偏高可能会导致高温热害，气温异常偏低则会引起低温冷害，进而影响农业产量，所以了解气候变暖背景下辽宁省作物气候适宜度的气候变化特征就尤为重要。本文根据前人对气候适宜度指数的定义，研究了气候变暖背景下辽宁省水稻气候适宜度的气候变化特征，以期为气候变暖影响下农业政策的制定提供科学依据。

1 试验资料和方法

1.1 资料来源

水稻发育期观测资料来自辽宁5个水稻农试站点1981～2010年的发育期，具体为播种期、出苗期、返青期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗开花期、成熟期，用于确定辽宁省水稻各发育期的平均发育时段。气象观测资料来自辽宁省水稻主产区32个水稻主产县(市)气象观测站1961～2019年逐日平均气温、最高气温、最低气温、日照时数，用于计算气温适宜度、日照适宜度。辽宁省水稻种植站点分布如图1所示。

图1 辽宁省水稻种植站点分布

1.2 试验方法

采用相关分析、趋势系数、气候倾向率等分析水稻产量、气候适宜度气候变化特征；用变异系数表示气候适宜度的变化幅度。采用累计距平、信噪比寻求水稻生长季气温的气候突变点；结合辽宁省水稻生长实际，计算温度适宜度、日照适宜度。

1.2.1 水稻温度适宜度利用辽宁省近40年生育期资料，确定播种-苗期、移栽-返青期、分蘖-拔节期、孕穗期、抽穗-开花期、灌浆-成熟期平均时间分别为4月中旬～5月中旬、5月下旬～6月上旬、6月中旬～7月上旬、7月中旬～7月下旬、8月上旬～8月中旬、8月下旬～9月下旬。公式为[1]

ST=[(T-T1)(T2-T)B]/[(T0-T1)(T2-T0)B],(T1

(1)

B=(T2-T0)(T0-T1)

(2)

公式(1)中，ST表示温度为T时的适宜度；B为温度参数的函数；T0为生长发育的最适宜温度，随着时间的变化最适合发育期温度也在变化；T1和T2分别为水稻发育的生理下限温度和上限温度，当T≤T1或T≥T2时，停止发育，即ST=0。

1.2.2 水稻日照适宜度根据文献资料，在作物发育过程中，日照时数达到可照时数的70%为临界点，超过该临界值，作物对光照反映为最适宜的，具体公式为[3]：

(3)

公式(3)中，S(S)为日照适宜度；S为实际日照时数；S0为日照百分率为70%的日照时数；b为经验常数，随着发育期的变化而变化。

辽宁省水稻推行大面积工厂化育秧，播种出苗期实行智能控温方式，认为播种-苗期水稻温度是适宜的。根据辽宁省纬度、海拔、水稻生长实际情况，参考文献[3]，确定了辽宁省气候适宜度模型中的指标和参数值(表1)。

表1 辽宁水稻不同生育阶段气候适宜度模型参数

辽宁省水稻种植以灌溉为主，水稻在不同发育期需水量与需水规律为人为控制，因此水稻气候适宜度模型中的水分条件在不同发育期是适宜的。本文考虑水稻不同发育阶段对光、温条件的需求不同，建立水稻气候适宜度模型。

2 结果与分析

2.1 水稻全生育期气候变化基本特征

1961～2019年辽宁省水稻生育期(4月中旬～9月下旬)平均气温以0.21 ℃/10 a的速率呈增加趋势(图2)，趋势系数为0.57，增加速率通过了0.001的信度检验。从年代际变化来看，20世纪70年代气温为比较明显的偏低时段，70年代中后期以来气温呈现明显波动上升趋势，21世纪10年代达到最高值。气温最低5年分别为1976、1986、1980、1979、1969年，气温最高5年分别为2000、2018、1994、2017、2007年。

由图3可知，水稻全生育期日照时数呈显著的减少趋势，趋势系数为-0.45，减少速率通过了0.001的信度检验。从年际变化来看，20世纪60年代至90年代初为持续减少阶段，90年代初至21世纪10年代为波动变化阶段，总体趋势平稳。2005年全省日照时数最少，为6.4 h；1965年日照时数最多，为8.8 h，最高年和最低年相差2.4 h。从年代际变化来看，日照时数在1961～1970年为最多的10年，2000～2010年为最少的10年。

以上分析表明，尽管水稻生育期内气温呈现显著的上升趋势，但日照时数呈现显著的下降趋势，该结论与全国大部分地区的结论相同。日照时数受云量的影响，近年来大气污染较为严重，云量和气溶胶增多，增强了大气对太阳光的反射和吸收，太阳辐射减少，日照时数下降。

图2 辽宁省水稻全生育期平均气温变化

图3 辽宁省水稻全生育期日照时数变化

2.2 水稻全生育期气候适宜度

1961～2019年辽宁省水稻移栽-返青期、分蘖-拔节期、孕穗期、抽穗-开花期、灌浆-成熟期的气温适宜度分别为0.53～0.92、0.65～0.96、0.67～0.97、0.61～0.96、0.88～0.99，灌浆-成熟期、抽穗-开花期、孕穗期温度适宜度高于分蘖-拔节期、移栽-返青期。各发育期的变异系数平均值为0.07，表明气温适宜度的变化幅度较小。各发育期的气温适宜度均呈显著上升趋势(图4)，变化趋势均通过了0.05的显著性检验，其中移栽-返青期和灌浆-成熟期趋势变化通过了0.001的显著性检验。从年际变化来看，不同发育期均在20世纪90年代中期前气温适宜度相对偏小，90年代中期后分蘖-拔节期、抽穗-开花期呈波动上升趋势，孕穗期、灌浆-成熟期呈持续上升趋势。从年代际变化来看(表2)，水稻移栽-返青期、分蘖-拔节期、孕穗期、抽穗-开花期的温度适宜度指数均在2011～2019年达到最大值，灌浆-成熟期的最大值出现在2001～2010年，不同发育期分别于20世纪60年代、70年代、80年代出现气候适宜度的低值。表明在全球气候变暖背景下，辽宁水稻的温度适宜度指数值相对较大，从温度角度，热量条件的改善利于辽宁水稻的生长发育。

辽宁省水稻不同发育期的光照适宜度由大到小分别为灌浆-成熟期、移栽-返青期、苗期、抽穗-开花期、分蘖-拔节期、孕穗期；在移栽-返青期、成熟期的光照条件较适于水稻生长；在水稻生长发育中期，即分蘖-拔节期、孕穗期、抽穗的开花期，水稻的日照适宜度偏低。全生育期的日照适宜度为0.57～0.92，变异系数平均值为0.12，变化幅度相对较小。辽宁省水稻日照的适宜度在分蘖-拔节期、孕穗期、抽穗-开花期偏低的原因，主要为6、7、8月是辽宁省的汛期，连续性的降水造成光照不足，对水稻生长造成了不利影响。辽宁省水稻日照适宜度的变化趋势与温度适宜度相反，日照适宜度均呈减少趋势(图5)，其中播种-苗期、灌浆-成熟期日照适宜度指数的减少趋势通过了0.05的显著性检验，减少速率分别为0.013/10 a和0.003/10 a，表明日照变化对辽宁水稻生长发育产生的负效应进一步增强。播种-苗期在20世纪60年代到80年代初期适宜度指数正以距平为主，1980年代后呈波动变化；移栽-返青期在20世纪60年代呈波动性变化，趋势变化为6个发育期变化幅度最小的；分蘖-拔节期在20世纪60年代到70年代中期以正距平为主，70年代到21世纪00年代中期呈波动变化，00年代中期以来以正距平为主；孕穗期在20世纪60年代到80年代中期以正距平为主，80年代中期以来呈波动变化；抽穗-开花期历年变化幅度小于其他5个发育期，分别于2005、2019年达到最低值；灌浆-成熟期在20世纪60年代到80年代中期以正距平为主，80年代中期以来呈波动变化。从年代际变化来看(表2)，水稻苗期、分蘖-拔节期、灌浆-成熟期的日照适宜度指数均在1961～1970年达到最大值，移栽返青期、分蘖-拔节期、灌浆-成熟期均在2011～2019年最小。

图4 辽宁省水稻全生育期温度适宜度的变化

表2 辽宁水稻不同生育阶段温度(日照时数)气候适宜度的年代际变化

2.3 水稻气候适宜度对气候变暖的响应

由辽宁省水稻全生育期的气温累计变化曲线(图6)可以看出，水稻生育期温度变化经历2个主要阶段，20世纪60年代至90年代中旬处于气温偏冷阶段，90年代中旬至今处于气候偏暖背景，累计距平的绝对值在1996年达到最大值，为-11.95；计算其对应的信噪比，结果接近1，基本达到气候突变的标准，即1996年为辽宁省水稻全生育期气温变化突变点。

计算1961～2019年辽宁省水稻全生育期气温与温度适宜度、日照适宜度的相关性，相关系数分别为0.86、0.05，这说明温度适宜度变化与东北地区气候变暖密切相关，而气候变暖对辽宁水稻日照适宜度无显著影响。将水稻全生育期平均气温和温度适宜度曲线建立一元回归方程，采用最小二乘法计算回归系数，图7显示水稻全生育期平均气温每升高1 ℃，辽宁省水稻温度适宜度指数增加0.05。分别统计水稻全生育期气温突变点前后两个时段气温适宜度和光照适宜度，可见气候变暖后水稻不同发育期温度适宜度均增加，以水稻返青-移栽期温度适宜度增加最多，水稻不同发育期光照适宜度减小了0.1～0.3(表3)。

图5 辽宁省水稻全生育期日照时数适宜度的变化

图6 1961～2019年辽宁省水稻全生育期

3 结论与讨论

1961～2019年辽宁省水稻生育期平均气温以0.21 ℃/10 a的速率呈增加趋势，增加速率通过了0.001的信度检验。气温最高5年中有4年发生在2000年后。水稻全生育期日照时数呈显著的减少趋势，在1961～1970年为最多的10年，2000～2010年为最少的10年。该结论与全国大部分地区学者研究所得结论基本一致，近些年受大气污染较重的影响，云量和气溶胶增多，增强了大气对太阳光的反射和吸收，太阳辐射减少，日照时数下降。

1961～2019年辽宁省水稻各发育期气温适宜度均呈显著上升趋势，其中移栽-返青期和灌浆-成熟期的趋势变化最为显著，水稻移栽-返青期、分蘖-拔节期、孕穗期、抽穗-开花期的温度适宜度指数均在2011～2019年达到最大值，灌浆-成熟期最大值出现在2001～2010年。辽宁省水稻日照适宜度的变化趋势与温度适宜度相反，全生育期的日照适宜度为0.57～0.92，变异系数相对较小，日照适宜度在分蘖-拔节期、孕穗期、抽穗-开花期偏低的原因，主要为该阶段是辽宁省的汛期，降水致使光照不足，对水稻生长造成了一定的不利影响。在全球气候变暖背景下，辽宁省热量条件变化有利于辽宁水稻的生长发育，日照变化对水稻生长发育产生的负效应进一步增强。