湖北省水稻種植布局精細化氣候區(qū)劃

摘要：利用湖北省76個氣象站1981-2010年氣候資料和1∶100萬DEM數(shù)字高程模型，采用回歸克里金插值法分別對穩(wěn)定通過10 ℃活動積溫、水稻生長期長度、安全生育期天數(shù)等區(qū)劃指標進行了細網(wǎng)格推算，綜合考慮區(qū)劃指標等級評分對湖北省水稻種植布局進行了精細區(qū)劃。區(qū)劃結(jié)果顯示湖北省除局部高山地區(qū)外，大部分地區(qū)熱量條件可滿足一季中稻種植，三峽河谷、鄂西南東部低山丘陵區(qū)、江漢平原及鄂東沿江平原可種植一季早熟秈稻和一季早中熟晚秈稻，與當前實際種植范圍相比，雙季稻的種植北界尚有北移的空間，考慮早秈+晚粳以及單季稻改雙季稻的種植模式，雙季稻的種植范圍仍具有較大的擴展?jié)摿?。區(qū)劃結(jié)果對湖北省水稻種植規(guī)劃及布局調(diào)整具有重要指導意義。

關(guān)鍵詞：水稻；精細化氣候區(qū)劃；湖北??；種植布局

中圖分類號：S511；S162.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）16-4150-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.019

湖北省地處中緯度亞熱帶季風氣候區(qū)，氣候溫和，光照充足，雨量充沛，境內(nèi)江河縱橫，水庫眾多，水稻生產(chǎn)條件得天獨厚，在全國占有重要的地位。但境內(nèi)地形環(huán)境復雜，氣候差異明顯，農(nóng)作物適宜種植區(qū)域有限。湖北省屬華中單、雙季稻作帶，新中國成立以來，水稻田面積一直穩(wěn)定在160萬hm2以上，年際波動較小，但單、雙季稻的種植比例起伏大，20世紀50年代雙季稻種植面積僅為單季稻的1/10，20世紀50年代末雙季稻種植面積迅速擴大，至20世紀70年代末發(fā)展為單季稻的1.5倍，隨后又逐漸回落，目前雙季稻的種植面積約為單季稻的1/3，但這一比例正在逐年縮小[1]。在耕地面積有限的情況下，合理安排單雙季稻種植比例，提高復種指數(shù)，有利于提高單位面積產(chǎn)量，從而獲得較高的糧食總產(chǎn)量。新中國成立以來，湖北省水稻種植面積屢經(jīng)起伏，但主要是受農(nóng)業(yè)政策及勞動力因素的影響，而對氣候適宜性的考慮較少，如20世紀70年代雙季稻曾一度擴展到120萬hm2，但并沒有獲得預期的增產(chǎn)效益，氣候條件是主要限制因子之一。

當前，隨著人口增長和人民生活質(zhì)量的提高，對糧食總產(chǎn)量和品質(zhì)的需求日趨增長，水稻種植結(jié)構(gòu)調(diào)整（壓縮單季稻，恢復發(fā)展雙季稻）以及品質(zhì)改善（秈稻改粳稻）再次成為改革和發(fā)展的熱點，受到了廣泛關(guān)注。與此同時，當前農(nóng)業(yè)氣候資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)較以往也有了顯著改變，為此，開展水稻種植布局優(yōu)化和品種合理搭配的區(qū)劃研究具有重要的現(xiàn)實意義[2-6]。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料由湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心提供，包括1981-2010年湖北省76個氣象站逐日平均氣溫觀測資料及站點信息；基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息中心，比例尺為1∶100萬。分縣水稻種植面積、單產(chǎn)數(shù)據(jù)來自于歷年湖北省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒，時間范圍為1981-2013年。

1.2 區(qū)劃方法

生產(chǎn)實踐和研究表明，熱量條件是制約湖北省水稻品種布局和稻作制度的關(guān)鍵因子，結(jié)合前人對水稻氣候區(qū)劃指標的研究成果[7-11]，選擇穩(wěn)定通過10 ℃活動積溫、水稻生長期長度（穩(wěn)定通過10～15 ℃日數(shù)）、安全生育期天數(shù)（秈稻穩(wěn)定通過10～22 ℃日數(shù)，粳稻穩(wěn)定通過10～20 ℃日數(shù)）等3個影響水稻種植布局的關(guān)鍵氣候因子作為水稻種植布局氣候區(qū)劃指標，通過對區(qū)劃指標因子進行分級打分（表1），然后對各項區(qū)劃分級指標分數(shù)值進行累加，根據(jù)總分數(shù)的大小，并結(jié)合考慮必須同時滿足的各項區(qū)劃等級指標，綜合確定如下氣候適宜性等級：不適宜種植區(qū)（綜合得分<3）、早熟中稻適宜區(qū)（3≤綜合得分<6）、中熟中稻適宜區(qū)（6≤綜合得分<9）、遲熟中稻適宜區(qū)（9≤綜合得分<12）、再生稻適宜區(qū)（12≤綜合得分<15）、早熟早秈+早熟晚秈（粳）稻適宜區(qū)（15≤綜合得分<18）、早熟早秈+中熟晚秈（粳）稻適宜區(qū)（18≤綜合得分<21）、早熟早秈+遲熟晚秈（粳）稻適宜區(qū)（綜合得分≥21）。

利用湖北省76個氣象觀測站1981-2010年逐日平均氣溫觀測資料，計算各站點80%保證率下穩(wěn)定通過10 ℃日數(shù)、10 ℃活動積溫，穩(wěn)定通過10～15、10～20、10～22 ℃日數(shù)等區(qū)劃指標因子，結(jié)合湖北省1∶100萬DEM高程數(shù)據(jù)推算到1 km×1 km精細網(wǎng)格。依據(jù)上述區(qū)劃指標分級及打分標準，計算細網(wǎng)格的氣候適宜性等級，通過疊加縣級行政邊界、裁剪、添加圖例、比例尺等，制作出水稻種植布局精細化氣候區(qū)劃專題圖。

1.3 區(qū)劃指標細網(wǎng)格推算

湖北省境內(nèi)地形起伏大，氣候的空間差異和垂直梯度差異顯著。利用1∶100萬DEM高程數(shù)據(jù)提取1 km×1 km格點的經(jīng)度、緯度、海拔高度、坡度和坡向等地理要素，對76個氣象站點的區(qū)劃指標與對應(yīng)的站點地理因子進行主成分回歸，并與回歸直線截距相加產(chǎn)生細網(wǎng)格的區(qū)劃指標，同時對回歸多項式的殘差運用普通克立金法進行空間插值，將殘差的插值結(jié)果與細網(wǎng)格的區(qū)劃指標值相加得到最終的精細化區(qū)劃指標。插值過程通過R語言實現(xiàn)。

2 區(qū)劃結(jié)果與分析

2.1 區(qū)劃結(jié)果

由于湖北省目前仍以秈稻種植為主，以秈稻氣候適宜區(qū)劃指標為依據(jù)制作湖北省水稻種植布局區(qū)劃，結(jié)果見圖1。由圖1可知，除鄂西局部高山地區(qū)外，湖北省大部分地區(qū)熱量條件均可滿足水稻種植。其中，鄂西中低山區(qū)熱量條件僅能滿足種植早中熟一季中稻品種，鄂北崗地、鄂中丘陵北部及鄂東北低山丘陵區(qū)可種植遲熟一季中稻或再生稻，三峽河谷、鄂西南東部低山丘陵區(qū)、江漢平原及鄂東沿江平原可種植雙季稻，但大部雙季稻適宜區(qū)熱量條件僅適合種植兩季早熟秈稻品種，僅三峽河谷及鄂東沿江平原的洪湖、嘉魚、赤壁、咸寧、鄂州、大冶、黃石、陽新、浠水、黃梅等部分地區(qū)可種植中熟品種，由于湖北省早稻生育后期易遭遇高溫逼熟，同時晚稻生育后期易遭受寒露風危害，因此，早中熟雙季稻產(chǎn)區(qū)的品種搭配應(yīng)以早熟早稻和早中熟晚稻搭配為宜。

2.2 布局調(diào)整潛力分析

利用1981-2013年湖北省分縣水稻種植面積統(tǒng)計資料，繪制湖北省水稻實際種植布局，結(jié)果見圖2。由圖2可知，一季中稻的實際種植范圍遍及湖北省所有縣市，其中種植面積較大的縣市主要集中在江漢平原、鄂中丘陵及鄂北崗地，雙季稻種植區(qū)域主要集中在江漢平原中東部及鄂東沿江平原，基本接近雙季稻的潛在適宜區(qū)域（圖1），其中鄂西南東部的宜都、枝江、當陽及鄂中丘陵的荊門、鐘祥局部仍有發(fā)展?jié)摿?。由于湖北省目前主要以秈稻品種種植為主，雙季晚稻后期寒露風風險是制約雙季稻發(fā)展的主要因素之一，而粳稻品種耐低溫能力較秈稻強，若改種晚粳稻品種有利于提高氣候資源的利用程度，雙季稻的適宜種植范圍也將進一步擴大。以穩(wěn)定通過10～20 ℃日數(shù)作為粳稻的安全生育期天數(shù)指標，對早秈+晚粳的種植布局重新進行區(qū)劃，結(jié)果見圖3。與圖1相比，雙季稻的種植北界明顯北移，鄂北的老河口、襄陽、隨州、廣水、大悟、紅安等縣市均適宜早熟早秈+早熟晚粳的種植。

2.3 限制因子分析

除熱量條件外，水資源、土壤、氣象災害風險、勞動力及政策等也是影響水稻種植布局的主要因素。利用1981-2013年湖北省分縣水稻單產(chǎn)統(tǒng)計資料繪制湖北省水稻實際單產(chǎn)空間格局，結(jié)果見圖4，由圖4可知，湖北省一季中稻的高產(chǎn)區(qū)位于鄂中丘陵、鄂北崗地及江漢平原地區(qū)，鄂西山區(qū)及鄂東南低山丘陵區(qū)平均單產(chǎn)相對較低，鄂東沿江平原地區(qū)居中，雙季稻的高產(chǎn)區(qū)域主要位于江漢平原，低產(chǎn)區(qū)域位于鄂東北及鄂東南低山丘陵地區(qū)。從氣候條件上，鄂西山區(qū)熱量資源不足是水稻生產(chǎn)潛力偏低的主要原因；鄂中丘陵和鄂北崗地降水量相對匱乏，但水稻生產(chǎn)潛力較高，主要得益于較好的水利灌溉設(shè)施，及相對豐富的光能資源，同時相對于中南部地區(qū)氣溫偏低，有利于延長作物生長發(fā)育時間，抽穗揚花期遭遇高溫熱害的風險也較低，從而獲得較高的經(jīng)濟產(chǎn)量；而鄂東平原地區(qū)熱量資源和降水量較為豐富，但氣候生產(chǎn)潛力不高，主要原因是該區(qū)域處于大別山和幕阜山的迎風坡，水稻生長季洪澇災害較為突出[12，13]。相對于單季稻，雙季稻生產(chǎn)對水源的要求較高，中北部降水資源偏少是制約雙季稻種植的主要限制因子，此外，晚稻寒露風風險較高也是北部地區(qū)水稻產(chǎn)量波動大、平均產(chǎn)量相對偏低的原因之一。

3 討論

在全球氣候變暖背景下，湖北省水稻生長季熱量資源及生育期長度已經(jīng)發(fā)生了明顯變化[14，15]，利用近30年最新氣候資料，結(jié)合數(shù)字高程模型，對湖北省水稻種植布局進行精細化氣候區(qū)劃，與當前實際種植布局相比，雙季稻的種植范圍以及秈稻改種粳稻后的種植面積仍有較大的擴大潛力，區(qū)劃結(jié)果為有效增加糧食作物面積、挖掘耕地和氣候資源利用潛力、促進糧食增產(chǎn)提供了科學依據(jù)。

目前，湖北省水稻種植以一季稻為主，與鄰近省份相比，雙季稻的種植比例偏低，研究和實踐表明，一季稻對熱量資源利用程度不高，同時，其抽穗揚花期通常在7月下旬至8月中旬，正值盛夏高溫時段，高溫熱害的風險較高，因此，改種雙季稻是水稻生產(chǎn)合理發(fā)展的客觀需求。隨著工廠化育秧及直播、拋秧等輕型栽培技術(shù)的發(fā)展，有效降低了勞動力需求和生產(chǎn)成本，制約雙季稻發(fā)展的社會因素正在逐步消除，但雙季稻對水源要求高，在擴大雙季稻種植的同時要加強農(nóng)田水利建設(shè)，對連年出現(xiàn)降水持續(xù)偏少的區(qū)域，要適時調(diào)整水旱作物的種植比例。

水稻不同栽培方式對氣候資源的利用程度具有一定差異[16，17]，目前區(qū)劃指標大多針對傳統(tǒng)的水育秧或旱育秧移栽栽培水稻，生產(chǎn)實踐表明，直播技術(shù)較傳統(tǒng)移栽方式可明顯縮短水稻生育期，而工廠化育秧較傳統(tǒng)育秧方式播種期有所提前，且秧齡縮短，為充分利用氣候資源，還需要進一步系統(tǒng)地對不同栽培方式下水稻對氣候資源的需求情況進行指標鑒定。

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