湛江地区干湿气候变化特征及其对水稻、糖蔗和花生产量的影响

赵宝山 窦美安 安东升 严程明 马海洋 黄松 苏俊波

摘 要：探究地区干湿气候变化特征及其对作物产量的影响，可为气候变化下农业生产规划布局和气象灾害防御提供科学依据。本研究利用1960—2020 年湛江地区气象站点逐日地面观测资料以及1990—2020 年该地区水稻、糖蔗和花生产量的统计数据，以参考作物蒸散量（ET0）和降水量确定的干燥度指数（AI）为干旱指标，分析该地区干湿气候变化特征，并确定气候变化对3 种作物产量的影响。结果表明，湛江地区降水量年际变化波动较大，年平均降水量1534.41 mm，上升趋势不显著；气温以0.18 ℃/10 a 的速率显著上升；年平均ET0 和AI 分别为1242.72 mm/a 和0.87，上升趨势不显著。依据干燥度指数年变化情况，1—4 月和10—12 月是湛江地区干旱易发生时段。1990—2020 年该地区水稻、糖蔗和花生产量呈显著增长趋势，4 月干燥度指数升高降低3 种作物的产量，5 月干燥度指数升高显著提高花生产量，而对水稻和糖蔗产量影响不显著，6 月气温升高和降水量减少有利于显著提高水稻和花生产量。糖蔗产量受气温和降水变化的影响不显著，而12 月干燥度指数升高显著提升糖蔗产量。本研究结果对湛江及周边地区农业应对气候变化及提高农作物生产潜力具有重要意义。

关键词：气候变化；参考作物蒸散量；干燥度指数；降水量；作物产量

中图分类号：S162.5 文献标识码：A

全球气候呈现变暖趋势，地表气温很可能在2030—2052 年比工业化前水平约高1.5 ℃[1]，而中国可能上升1.8 ℃[2]。与气候变暖相关的其他气候要素（如降水、空气湿度、日照时数、风速等）和干湿状况也会发生变化。农业是对气候变化最为敏感的领域之一，气候变化将对农业生产和粮食安全产生深远影响[3]。因此，探究气候变化下地区干湿气候变化特征及其对作物产量的影响，对农业发展具有较高的理论意义和科学价值。

湛江市位于中国大陆最南端，是广东省重要的农业生产基地，也是省内干旱灾害频发的区域[4]。

虽然该地区多年平均雨量达1395.5～1723.1 mm，但由于地处低纬度沿海地区，受热带气旋侵袭的频次和登陆地点不定等的影响，水资源时空分布不均，加之该地区气候炎热蒸发能力强，土壤主要为保水蓄水能力较差的红壤土，农业生产中季节性干旱问题十分突出，已成为制约湛江地区农作物高产稳产的主要因素[5-6]。在全球气候变暖背景下，湛江地区的气候也发生明显变化，气候变化通过改变农业气候资源影响作物栽培方式、种植制度、生长发育、气候生产力、病虫害等，进而影响作物产量与品质[7]。当前，针对湛江地区季节性干旱频发现状，已有学者对该地区降水和干旱时空变化特征及发生规律开展了研究[4， 8-9]。

然而，现有研究尚未探讨该地区干湿气候变化对农作物产量的影响。基于此，本研究通过收集该地区气候要素和主要种植的水稻、糖蔗和花生3种作物的产量数据，利用干燥度指数表征地区干湿特征，分析气候变化对作物产量的影响，以期为气候变化下湛江及周边地区农业生产规划布局及气象灾害防御提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湛江地处中国大陆南端，广东省西南部，全境位于20°13′N～21°57′N，109°40′E～110°58′E 之间，面积约1.33 万km2，地形多为平原和台地，土壤以红壤土为主。气候类型属于热带北缘季风气候，终年受海洋气候的调节，年均气温为22.7～23.5 ℃，年均雨量1395.5～1723.1 mm，年均日照时数1714.8～2038.2 h，是中国光、热、水资源最为丰富的地区之一，但地区蒸发量高且水资源时空分布不均，是广东省干旱灾害发生较为频繁的区域。湛江市农作物生产以粮食、糖料、油料作物为主，也是广东省重要的热带作物和热带水果生产基地。

1.2 方法

1.2.1 数据来源 收集1960—2020 年湛江辖区内湛江市（21°09′N，110°18′E，海拔53.4 m）和徐闻县（21°15′N，110°10′E，海拔11.4 m）2 个全国基准基本站地面气象日值资料，包括降水、平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、平均风速和日照时数等数据，数据来源于国家气象科学数据中心（http：//data.cma.cn）。对于其中个别缺测数据，采用当日相邻2 d 该气象要素的平均值替代[10]。并收集1990—2020 年湛江地区水稻、糖蔗和花生的产量数据，数据来源于《湛江市统计年鉴2021》。

1.2.2 干燥度指数计算 干燥度指数（AI）为自然条件下大气中水汽输出ET0 与输入降水量的比值，可用于表征地区干湿特征，其计算公式为[11]：

1.3 数据处理

利用Excel 2019 软件进行数据分析、整理，采用IBM SPSS Statistics 26 软件进行显著性分析，采用Origin 2021 软件制图。

2 结果与分析

2.1 气候要素变化特征分析

1960—2020 年湛江地区降水量、气温、相对湿度和日照时数的年际变化趋势如图1 所示，从图1A 可以看出，湛江地区降水量年际变化波动较大，整体上湛江市高于徐闻县，湛江市和徐闻县平均降水量分别为1675.52、1393.30 mm，年最大降水量分别为2411.30、2134.10 mm，均发生于1985 年；年最小降水量分别为1068.50、769.70 mm，均发生于2004 年。湛江地区降水量的上升趋势不显著，但年际变化波动较大，主要是由于该地区受热带气旋侵袭的频次和登陆地点不定的影响。

由图1B 可知，湛江市气温呈显著上升趋势，且徐闻县气温呈极显著上升趋势，湛江市和徐闻县的气候倾向率分别为0.12 ℃/10 a 和0.24 ℃/10 a，湛江地区气温显著升高与全球气候变暖的大环境一致。由图1C 可知，湛江市和徐闻县的相对湿度变化范围分别为76.56%～86.28%和77.72%～86.77%，平均值分别为82.04%和82.94%，湛江市上升趋势不显著，徐闻县呈显著下降趋势，气候倾向率为−0.25%/10 a，说明徐闻县呈一定的干旱趋势。日照作为太阳辐射的直观表现形式，是温度、相对湿度和降水等气象要素的能量来源，由图1D 可知，湛江市的日照时数变化范围为4.22～5.89 h，平均值5.22 h，气候倾向率为−0.025 h/10 a；徐闻县的日照时数高于湛江市，平均值为5.65 h，湛江地区的日照时数下降趋势不显著。日照时数的下降可能与人类活动、城市化发展导致大气污染，空气中气溶胶增多有关[16]。

2.2 干湿状况变化特征分析

1960—2020 年，湛江地区参考作物蒸散量（ET0）整体上升趋势不显著（图2A），可以看出徐闻县的ET0 上升趋势更为明显，湛江市和徐闻县的ET0 气候倾向率分别为4.88 mm/10 a 和9.68 mm/10 a。地区年际ET0 分布不均，湛江市的变化范围为1102.48～1357.24 mm/a， 平均值为1214.19 mm/a。徐闻县的ET0 变化范围为1075.38～1434.89 mm/a，平均值为1271.25 mm/a。

湛江地区干燥度指数（AI）年际变化如图2B所示，结果表明该地区干燥度指数的变化趋势不显著，相同时期内徐闻县的AI 高于湛江市，湛江市和徐闻县的AI 平均值分别为0.76 和0.99。根据AI 确定的干湿等级划分标准，湛江地区属于湿润区。但部分年份干湿等级存在差异，1960—2020年，湛江市约有9.8%的年份属于亚湿润区，徐闻县有27.9%的年份处于亚湿润区，11.5%的年份属于亚干旱区。

1960—2020 年湛江地区降水量（P）、ET0 和AI 的月变化曲线如图3 所示，从图3A 可看出，湛江市降水量呈双峰型变化趋势，前汛期雨季峰值出现在6 月，降水量为255.25 mm；7 月降水量减少，后汛期雨季峰值出现在8 月，降水量为300.08 mm。从图3B 可看出，徐闻县降水量呈单峰型变化趋势，峰值出现于8 月，降水量峰值为278.53 mm。湛江地区降水年内分布不均，湛江市和徐闻县6—10 月降水量较多，分别占全年降水量的88.8%和90.3%。湛江市和徐闻县的ET0 在一年内呈单峰型变化趋势，1 月和2 月较小，2 月之后ET0 持续增大，5—10 月的ET0 均超过100 mm，这6 个月的总ET0 占全年的63.1%。湛江市和徐闻县的降水与ET0 变化趋势略有不同，湛江市4—10 月降水量高于ET0，11 月至次年3 月ET0 高于降水量。而徐闻县6—10 月降水量高于ET0，11 月至次年5 月ET0 高于降水量（图3B）。从图3 还可以看出，AI 指数在1—5 月下降，之后6—9 月基本保持平稳，10—12 月迅速上升。根据干湿等级划分标准，AI>1.5 时属于亚干旱及以上干旱程度，可以看出湛江市在1—2 月、11—12 月处于亚干旱及以上干旱程度，徐闻县在1—4 月、10—12 月处于亚干旱及以上干旱程度。因此，1—4 月和10—12 月是湛江地区干旱易发生的时段，在此期间易因干旱导致作物产量减产。

2.3 干湿气候变化对作物产量的影响

湛江地区季节性、区域性干旱问题较为突出，进而制约该地区农作物的穩产高产。1990—2020年湛江地区水稻、糖蔗和花生单产的变化趋势如图4 所示，从图4 可以看出3 种农作物的单产随时间序列呈不同程度的波动，其中水稻和糖蔗的单产波动幅度较大，但3 种作物整体呈显著增长趋势。1990—2020 年水稻、糖蔗和花生的平均单产分别为5093.71、72 907.74、2611.45 kg/hm2。

2004 年湛江地区发生较严重的春旱和秋旱[4]，旱情严重影响糖蔗产量。2015 年发生的春夏秋连旱使糖蔗和水稻出现不同程度的减产，而当年花生未出现明显减产。

采用气温、降水量和干燥度指数（AI）分析湛江地区干湿气候变化对3 种作物产量的影响。

湛江是广东省双季稻的主要种植区，从生育期来看，早稻和晚稻生育期分别集中于3—6 月和8—11 月。对水稻生育期的气温、降水量和干燥度指数与产量进行回归分析（表1），可以看出气温整体上与产量呈正相关，其中6 月气温升高显著提高了水稻产量，气温每上升1 ℃，水稻单产增加354.61 kg/hm2。4—5 月降水量与产量呈正相关，而在其余月份呈负相关。干燥度指数在降水较少的3—4 月和10—11 月与产量呈负相关，在其余月份呈正相关。4—5 月处于水稻需水量较多的分蘖期或拔节期，水分亏缺易导致水稻有效穗数减少，因此在此期间降水增多提高了水稻产量，而4 月干燥度指数升高显著降低了产量。6 月降水与产量呈显著负相关，干燥度指数上升在一定程度上有利于提高产量，这主要是由于6 月水稻处于扬花授粉期和灌浆期，降水多使空气湿度增加，不利于颖花发育和进行授粉，并且降水过程经常伴随的大风容易使水稻发生大面积倒伏，也会对湛江地区的水稻产量产生负影响。

湛江地区糖蔗生育期主要集中于3—12 月，表2 为糖蔗生育期气温、降水量和干燥度指数（AI）与产量的回归分析结果，可以看出除8 月和12 月外，气温升高一定程度上有利于提高糖蔗产量，但气温对糖蔗产量影响程度不显著。5 月、6 月和12 月降水增加降低了糖蔗产量，4 月和12月AI 对糖蔗产量影响达到显著水平，其中4 月AI 对产量呈负影响，干燥度每上升1 个单位，糖蔗产量下降69.71 kg/hm2，其主要原因可能是由于4 月处于糖蔗幼苗期和分蘖期的过渡阶段，干旱胁迫易导致糖蔗有效茎数减少；12 月AI 对产量呈正影响，其主要原因是12 月处于糖蔗成熟期，降水量过多易导致糖蔗出现倒伏现象，影响糖蔗生长和后续的收割，12 月AI 每上升1 个单位，糖蔗产量增加72.37 kg/hm2。

花生是我国主要的油料作物和重要的经济作物，也是广东省种植面积仅次于水稻的第二大农作物[17]。湛江地区花生生育期干湿气候变化与产量的回归分析结果见表3，可以看出在4 月气温升高有利于花生产量的增加，5 月和6 月的影响程度达到显著水平。4 月花生处于对水分最为敏感的花针期，产量与降水量呈正相关，其余月份呈负相关，仅6 月的降水量对花生产量的影响达到显著水平。AI 在3 月对花生产量影响不显著，4—6 月的影响达到显著水平，4 月AI 每上升1 个单位，花生产量减少7.12 kg/hm2，而5—6 月AI上升有利于花生产量的增加。

3 讨论

全球气候变暖背景下，华南地区气温呈显著上升的同时，降水量在春季和秋季呈减少趋势，该地区干旱发生频率和强度增加[18-20]。近年来，隋月等[19]、黄晚华等[20-21]根据不同干旱指标对华南气候及干旱特征开展了研究，结果表明该地区干旱特征存在明显的时空差异，这主要是由于地区气候资源的时空变化具有非均匀性。本研究利用1960—2020 年湛江地区气象站点逐日地面观测资料，对降水量、气温、相对湿度、日照时数、参考作物蒸散量（ET0）和干燥度指数（AI）变化特征进行了分析。结果表明，湛江市和徐闻县的AI 平均值分别为0.76 和0.99，2004 年湛江市和徐闻县的AI 均值最高（AI=1.37），是湛江地区最干旱的一年，这与历史上2004 年湛江地区发生严重干旱相吻合。另外，2005 年和2020 年AI 均为1.31，是21 世纪以来湛江地区仅次于2004 年的干旱年份。1960—2020 年湛江地区降水、相对湿度和日照时数变化趋势不显著， 而气温以0.18 ℃/10 a 的速率显著升高，ET0 以7.28 mm/10 a的速率上升，气温升高、蒸发增强加剧了地表水汽的输出，可能导致该地区干旱风险的增加。

气候变化通过改变地区农业气候资源进而影响农作物生长环境和产量，许多学者采用不同干旱指标研究了干旱指标与作物产量的关系[22-25]。

其中，AI 综合考虑了大气水汽输入的降水量和输出的蒸散量，综合表征了区域气候的整体变化，是较为理想的气候指标[15， 24]。以AI 为干旱指标，已有学者研究了气候变化对小麦、玉米和马铃薯等作物产量的影响[7， 24]。本研究利用1990—2020年湛江地区水稻、糖蔗和花生产量统计数据，以AI 分析地区干湿气候变化对水稻、甘蔗和花生3种主要作物产量的影响。湛江地区光热资源丰富，具备水稻获得高产的潜力，也是广东省水稻种植面积最大的地区[26]。尹朝静[27]指出气温升高和降水量增加对华南地区的水稻单产具有负向影响，本研究结果表明，气温升高有利于湛江地区水稻产量的提高，其原因可能是水稻生殖生长阶段的抽穗期避开了常出现极端高温的6—8 月。在降水较少的4—5 月水稻产量与降水量呈正相关，即4—5 月降水量适量增加有利于提高水稻产量，而在其余月份降水量增加不利于水稻增产，这与韩芳玉等[25]在气温和降水变化对华南地区水稻产量影响的研究结论相似。4 月AI 与水稻产量呈显著负相关，其余月份对产量影响并不显著。就甘蔗而言，湛江地区是广东省主要甘蔗产地之一，根据VICENTE 等[28]和FÁBIO 等[29]的研究，甘蔗在发芽期和幼苗期需水量较小，进入分蘖期后快速增加，至生长期需水量最大，约为6.0～9.0 mm/d。

本研究表明春季4 月和秋季10 月的AI 與糖蔗产量呈负相关，相关系数分别为–0.35 和–0.22，说明湛江地区在这2 个月易发生干旱导致糖蔗减产，研究表明甘蔗在4 月的平均需水量约为7.0 mm/d[30]，但4 月湛江未进入汛期，降水不足容易导致干旱使糖蔗减产。就花生而言，虽然花生生育期处于湛江地区的干旱少雨时段，但干旱对其产量影响并不明显，多年来保持显著上升趋势，这主要是由于花生具有较强的耐旱性。花生不同生育期发生干旱对其产量影响程度不同，苗昊翠等[31]研究表明，干旱胁迫对花生产量的影响在开花期最为敏感，其次为结荚期，而苗期对干旱最不敏感。湛江地区花生在4 月进入开花期，花生产量与AI 呈显著相关（R=–0.41）。因此，在4 月保证花生充足的水分供给，能有效提升该地区花生的产量。

在农业生产中，影响作物产量的因素众多，本研究只考虑主要的气候因素对湛江地区3 种作物产量的影响。事实上，其他自然灾害如台风、倒春寒等对该地区作物产量也会造成较大影响，因此定量分析其他自然灾害对作物产量的影响将是今后的研究内容之一。另外，通过积极培育抗旱涝、耐高温和抗病虫害等抗逆甘蔗新品种，加强农田水利基础设施建设和水资源管理，做好农业干旱灾害防御工作，是气候变化环境下湛江地区农作物实现高产的另一主要工作内容。

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