連云港市氣候變化對水稻產(chǎn)量的影響

董京銘+史逸民+任曙霞+史達(dá)偉+馬晨晨

摘要：利用江蘇省連云港市近年的氣象資料分析出氣候變化趨勢，并對應(yīng)水稻（Orvza sativa L.）氣象產(chǎn)量的變化，分析在當(dāng)今氣候變暖的背景下氣象因子對水稻產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，在水稻全生育期，最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水都呈逐年上升趨勢，日照時間和溫差呈逐年下降的趨勢，各氣象因子在不同地區(qū)也呈現(xiàn)相同的變化趨勢，但變化程度不相同。在水稻的6個生育期階段，氣象因子的變化趨勢與全生育期基本相同，但在各地區(qū)各生育階段也存在著不同的變化趨勢。在水稻全生育期，通過特征分析表明，降水量與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性最高，由降水在水稻全生育期的變化趨勢可以看出，降水量的變化使得水稻產(chǎn)量增加。水稻在移栽返青期的溫差與抽穗開花期和灌漿成熟期的最高氣溫、溫差、日照時間對水稻產(chǎn)量的影響最為明顯。最高氣溫在近年呈上升趨勢，將有利于水稻產(chǎn)量的增加，而溫差與日照時間呈減小趨勢，將會對水稻造成減產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：水稻（Orvza sativa L.）產(chǎn)量；氣候因子；氣象傾斜率

中圖分類號：S511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）17-3245-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.17.014

Effects of Climate Change on Rice Yield in Lianyungang City

DONG Jing-ming， SHI Yi-ming， REN Shu-xia， SHI Da-wei， MA Chen-chen

（Lianyungang City Meteorological Bureau， Lianyungang 222006， Jiangsu， China）

Abstract： Based on the meteorological data of Lianyungang in recent years， the trend of climate change and the corresponding changes of the rice yield was analyzed， and the effects of meteorological factors on rice（Orvza sativa L.） yield fluctuation were also analyzed on climate background of the climate warming. The results showed that， in the whole growth period of rice， maximum temperature， minimum temperature， average temperature， and precipitation was increasing year by year， sunshine duration and temperature difference showed a declining trend， the meteorological factors also showed the same trend in different regions， but not the same degree of change. During the growth stage of rice， the change trend of meteorological factors was basically the same as that of the whole growth period， but there were different trends in different growth stages of rice in all regions of the world. In the whole growth period of rice， the precipitation and rice yield had the highest correlation， it could be seen that the rainfall change made rice yield increase corresponding to precipitation change trend in the whole growth period. The effects of temperature difference in rice transplanting the green stage and the highest temperature， temperature difference and sunshine duration during rice flowering and filling stage on rice yield was the most obvious. It could be found that the highest temperature was rising in recent years， which would be beneficial to the increase of rice yield， while the decrease of temperature difference and sunshine duration would decrease the yield of rice.

Key words： rice（Orvza sativa L.）yield； meteorological factor； meteorological inclination rate

氣候變化問題與人類的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)。近百年來，全球氣候變化異常，平均溫度升高，IPCC預(yù)計(jì)1990-2100年全球平均表面溫度增加1.4～5.8 ℃，CO2、CH4等溫室氣體的不斷排放和溫室氣體積累濃度的不斷提高推動著未來氣候的變暖趨勢，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。水稻（Orvza sativa L.）作為一種重要的糧食作物，在氣候變化背景下，其生長發(fā)育期和產(chǎn)量同樣受到影響。影響水稻的氣候因子主要有降水、溫度、光照等，這些因子適宜與否都會影響水稻的產(chǎn)量。江蘇省是中國水稻的主產(chǎn)區(qū)域，在江蘇地區(qū)，水稻的生育期一般是5-10月，了解這一時期的氣象條件，并與水稻的適宜生長條件進(jìn)行對照，對提高江蘇水稻產(chǎn)量有重要的意義。隨著近年來蘇南、蘇中等經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)耕地面積減少速度的增快，連云港市乃至整個蘇北地區(qū)在全省糧食生產(chǎn)中的戰(zhàn)略性地位日益突出，因此研究氣候變化對連云港市水稻產(chǎn)量的影響具有重要意義。endprint

目前，關(guān)于氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響及對策方面的研究成果相對較多。Lobell等[1]利用全球尺度的資料分析了氣候變化對糧食作物（水稻、玉米、大豆、小麥、高粱、大麥）的影響，其研究結(jié)果顯示，氣候變暖對全球小麥、玉米和大麥的產(chǎn)量具有明顯的負(fù)效應(yīng)，不利于其產(chǎn)量的增長。方修琦等[2]在省級尺度上研究分析了黑龍江省1952-2000年氣候變暖對水稻增產(chǎn)的貢獻(xiàn)，其研究結(jié)果表明，氣候變暖在一定程度上增加了產(chǎn)量。Tao等[3]研究了最高氣溫、最低氣溫、日較差、降水量與中國水稻生產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量的關(guān)系，結(jié)果表明，氣候變暖有利于中國東北水稻產(chǎn)量的增加；最低氣溫對產(chǎn)量的影響大于最高氣溫的影響，而在中國的南方降水量與水稻產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)[4]。

溫度、降水、輻射都是作物生長最主要的氣象因子，都是影響作物生長的關(guān)鍵因子，都需要適當(dāng)?shù)姆秶蛘邼M足作物的基本要求，缺一不可。但是在不同地區(qū)以及不同的生育期表現(xiàn)不同。本研究旨在通過分析氣候資料與產(chǎn)量數(shù)據(jù)，歸納出連云港市及下轄4個縣的氣候變化特征，研究氣候變化對水稻產(chǎn)量影響，并試圖得出一些量化評估的結(jié)果，為揭示全球變暖背景下影響連云港市水稻產(chǎn)量變化的因素提供科學(xué)依據(jù)，提出水稻生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化的措施。

1 材料與方法

1.1 資料來源

1.1.1 氣象資料 氣象數(shù)據(jù)來自連云港市氣象局，包括連云港市區(qū)及其下轄4縣的1975-2014年水稻生育期間的逐日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、降水量、日照。

1.1.2 農(nóng)業(yè)資料 水稻單產(chǎn)數(shù)據(jù)源于連云港統(tǒng)計(jì)的《連云港市統(tǒng)計(jì)年鑒》。從統(tǒng)計(jì)年鑒中分別提取了1975-2014年間水稻總產(chǎn)量和種植面積，計(jì)算了水稻單位面積產(chǎn)量。

選擇水稻單產(chǎn)作為研究對象的原因在于近幾十年來連云港市及其下轄4縣水稻種植面積存在變化，選擇單產(chǎn)可以消除種植面積變化帶來產(chǎn)量變化的問題。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)處理 首先通過原始的逐日數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)1975-2014年間水稻生育期間的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年降水量、年日照時間以及年平均溫差，連云港地區(qū)的水稻生育期是5月上旬至10月上旬，將水稻生育期分為6個階段，包括播種出苗期（5月上旬至6月上旬）、移栽返青期（6月中旬至下旬）、分蘗期（7月上旬至中旬）、拔節(jié)孕穗期（7月下旬至8月中旬）、抽穗開花期（8月下旬至9月上旬）、灌漿成熟期（9月中旬至10月上旬），統(tǒng)計(jì)各生育期階段的平均最高氣溫、平均最低氣溫、降水量、日照時間以及溫差。通過以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析近年來水稻生育期內(nèi)氣象要素的變化趨勢，以氣候傾向率[4]來表示，主要釆用一次直線方程來定量描述，即：

y（t）=a0+a1t （1）

式中，a0為常數(shù)，y（t）為氣象要素值，t為時間，則氣候趨勢變化率可表示為方程dy（t）/dt=a1，其中a1×10即為氣候傾向率，溫度的單位為℃/10 a，降水量的單位為mm/10 a，日照的單位為h/10 a。

1.2.2 農(nóng)業(yè)資料處理 研究長時間序列的作物產(chǎn)量與氣候因子關(guān)系時，一般把作物的產(chǎn)量（y）分解為趨勢產(chǎn)量（yt）、氣候產(chǎn)量（yw）和隨機(jī)誤差（ye）3部分。

y=yt+yw+ye （2）

趨勢產(chǎn)量是反映歷史時期生產(chǎn)力發(fā)展水平的長周期產(chǎn)量分量，趨勢產(chǎn)量是由地理環(huán)境、水肥、品種和生產(chǎn)力水平等因素決定，由于社會生產(chǎn)力等因素的提高，趨勢產(chǎn)量的變化一般呈直線上升趨勢。氣候產(chǎn)量是受氣候要素，包括溫度、日照、降水等氣象因子影響的波動產(chǎn)量分量[5]，本試驗(yàn)用5年直線滑動均值法模擬產(chǎn)量。這種方法是線性回歸與滑動平均相結(jié)合的模擬，它將作物產(chǎn)量的時間序列在某個階段內(nèi)的變化看作線性函數(shù)，隨著階段的連續(xù)滑動，直線不斷變換位置，后延滑動，從而反映產(chǎn)量歷史演變趨勢變化。依次建立各階段內(nèi)的直線回歸模型，各時間點(diǎn)上的各直線滑動回歸模擬值的平均即為趨勢產(chǎn)量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不損失樣本信息量，只要給定合適的滑動步長k，就可用最小二乘法建立各滑動時段的線性方程。

yi（t）=ai+bit，i=1，2，…，n-k+1（3）

式中，yi（t）為第i年的趨勢產(chǎn)量；ai為常數(shù)，bi為變化趨勢系數(shù)，i為各時段序號，t為年序，n為樣本數(shù)。當(dāng)i=1時，t=1，2，…，k；當(dāng)i=2時，t=2，3，…，k+1；當(dāng)i=n-k+1時，t=n-k+1，n-k+2，…，n。

若共有m個時段，即存在m個線性方程。在計(jì)算出任意年t在各個方程的函數(shù)值后，求出其平均值

式中，yi（t）為t年趨勢產(chǎn)量。任何一年實(shí)際產(chǎn)量減去趨勢產(chǎn)量就是氣候產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 連云港市氣候變化特征

由圖1（a）可以看出，最高氣溫在逐年增加，東海的增長幅度最小，為0.07 ℃/10 a，市區(qū)、贛榆、灌云比東海增長幅度略高，灌南增長幅度最高，明顯高于其他4個地方，達(dá)0.15 ℃/10 a。由圖1（b）可知，最低氣溫和最高氣溫相同，都在逐年增加，其中贛榆增幅最為明顯，比市區(qū)、東海、灌云、灌南增幅程度增加了40%、27%、6%、32%。由此可以發(fā)現(xiàn)，最低氣溫的增長幅度明顯高于最高氣溫的增長，且最低氣溫增長的最大值出現(xiàn)在地理位置最北贛榆，最高氣溫增長的最大值出現(xiàn)在地理位置最南的灌南。由圖1（c）可以看出，平均氣溫增長的最高值出現(xiàn)在贛榆，最低值出現(xiàn)在灌南，由此可以看出，最低氣溫的增長才是影響平均氣溫增長的主要原因。由圖1（d）可知，市區(qū)及4縣的日溫差都在逐漸減小，其中贛榆減小的最為明顯，這也是由于最低氣溫的增長幅度明顯高于最高氣溫的增長幅度所造成的。

由圖1（e）可知，降水量呈逐年增多的趨勢，其中贛榆增幅較為明顯，達(dá)51.2 mm/10 a，而灌南增幅最小，基本無明顯變化。由圖1（f）可知，連云港日照時間呈縮短的趨勢，灌云、灌南日照時間減少最多，分別達(dá)80.8、83.8 h/10a。endprint

2.2 水稻產(chǎn)量對氣象因子的特征分析

由表1可知，最高氣溫與產(chǎn)量在市區(qū)及4個縣都呈正相關(guān)，其中在東海的相關(guān)性達(dá)顯著水平。最低氣溫與產(chǎn)量也都呈正相關(guān)，其中在贛榆的相關(guān)性達(dá)顯著水平，其余4個站點(diǎn)相關(guān)性不顯著。平均氣溫與溫差也與產(chǎn)量呈正相關(guān)，溫差的相關(guān)在各站點(diǎn)都不顯著，說明全生育期的溫差可能不是影響水稻產(chǎn)量的因素，平均氣溫與最低氣溫相同，在贛榆的影響達(dá)顯著水平，對比發(fā)現(xiàn)，除了在贛榆，其余4個站點(diǎn)最高氣溫對水稻產(chǎn)量的影響要高于最低氣溫，說明水稻產(chǎn)量在全生育期內(nèi)受最高氣溫影響的波動較明顯。日照時間與產(chǎn)量無明顯相關(guān)性，降水量與產(chǎn)量都呈正相關(guān)，其中在東海、灌云、灌南3個站點(diǎn)都達(dá)顯著或達(dá)極顯著水平。由此可知，降水量在所有氣象因子中對水稻產(chǎn)量影響最高，說明在全生育期內(nèi)的降水總量是影響水稻產(chǎn)量的重要?dú)庀笠蜃印?/p>

2.3 連云港市水稻各生育期的氣候變化趨勢

由表2可以出，最高氣溫除了在抽穗開花期呈下降趨勢，其他各生育期都呈上升趨勢，其中，增長趨勢最明顯的是位于最南的灌南，這與全生育期的變化趨勢相同。最低氣溫在除抽穗開花期的各階段里都呈增長趨勢，且增長幅度明顯高于最高氣溫，只有市區(qū)在移栽返青期最低溫度增長趨勢小于最高氣溫；抽穗開花期東海最低氣溫呈下降趨勢，不過下降程度不明顯，其余4個地區(qū)增長也并不明顯，而最低氣溫的增長趨勢并沒有呈現(xiàn)地理緯度的差異。由于最低氣溫的增長幅度在大部分地區(qū)的各個生育階段明顯高于最高氣溫的增長幅度，這也是溫差在大部分生育階段都呈逐漸減小的原因。平均氣溫在除抽穗開花期的其余生育階段呈上升趨勢，主要原因也是由于最低溫度的增長，這與全生育期的變化基本相同。

降水量在各生育階段的變化趨勢與全生育期不同，在不同的地區(qū)，每個生育階段的變化趨勢也并不相同，在5個地區(qū)6個生育階段中，有23組降水量數(shù)據(jù)呈增長趨勢，明顯高于下降趨勢的個數(shù)，這也是全生育期降水量呈上升趨勢的原因，其中在抽穗開花期上升趨勢最為明顯。日照時間在各生育階段的變化趨勢基本與全生育期相同，大部分呈下降趨勢，其中只有市區(qū)在分蘗期、灌漿成熟期有上升趨勢。

2.4 水稻產(chǎn)量對各生育期氣象因子的特征分析

由表3可以看出，在播種出苗期，各氣象因子與產(chǎn)量都無明顯相關(guān)性，說明在播種出苗期氣象因子對水稻產(chǎn)量的波動無影響。在移栽返青期，最高氣溫與各區(qū)縣都呈正相關(guān)，但僅在市區(qū)相關(guān)性達(dá)顯著水平；最低氣溫、平均氣溫、日照時間與產(chǎn)量的相關(guān)性均不顯著；降水量也僅在市區(qū)與產(chǎn)量呈顯著相關(guān)；溫差在除灌云外的其他地區(qū)均與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，由此可知，移栽返青期溫差明顯影響水稻產(chǎn)量的波動。在分蘗期，氣象因子與產(chǎn)量呈顯著相關(guān)的全出現(xiàn)在東海，氣溫與降水量都與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，而在其余4個地區(qū)無顯著相關(guān)關(guān)系，可以看出，分蘗期東海的氣象因子對東海水稻產(chǎn)量有明顯的影響。在拔節(jié)孕穗期，各氣象因子與產(chǎn)量都無顯著相關(guān)性。在抽穗開花期，最高氣溫與水稻產(chǎn)量在5個區(qū)縣全呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中在東海呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；最低氣溫在市區(qū)和贛榆呈顯著正相關(guān)；平均氣溫在市區(qū)、贛榆、東海呈顯著正相關(guān)；降水量在市區(qū)和灌云呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中在灌云呈極顯著正相關(guān)；溫差與日照時間在除贛榆外的其他地區(qū)均與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。在灌漿成熟期，最高氣溫與水稻產(chǎn)量呈正相關(guān)，其中在市區(qū)、贛榆、東海、灌南的相關(guān)性都達(dá)顯著水平；最低氣溫與產(chǎn)量無顯著相關(guān)關(guān)系；平均氣溫僅在東海有顯著相關(guān)性；日照時間在市區(qū)、東海、灌南地區(qū)與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。溫差與抽穗開花期相同，都在除贛榆外的其他地區(qū)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。

3 小結(jié)與討論

通過對歷史氣候資料和同期水稻產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)分析揭示了氣候變化對連云港市水稻生產(chǎn)的影響，得到以下初步結(jié)論。

1）在水稻全生育期，溫度與降水都呈上升趨勢，而溫差與日照時間都呈下降趨勢，市區(qū)及4縣表現(xiàn)出相同的趨勢，只是在上升的幅度和下降的程度上有所差別。溫度上升與當(dāng)今全球氣候變暖的形勢相同，且最低氣溫的增長幅度要明顯高于最高氣溫的增長幅度，這與IPCC[6]第三次評估報告提出全球變暖背景下溫度的變化有3種情形之一夜間增溫幅度大于白天的結(jié)果相同，這種晝夜增溫的不對稱性是造成溫差逐漸減小的原因。日照時間的減少可能是由于近年來工業(yè)污染造成大氣污染，能見度的下降所造成的，有學(xué)者[7]認(rèn)為，日照時間減少還與降水量增加有密切關(guān)系，這與本研究結(jié)果相同。

2）最高氣溫在各生育期的變化趨勢基本與全生育期一致，都呈上升趨勢，僅在抽穗開花期呈下降趨勢，最低氣溫的上升趨勢在各生育期都要明顯高于最高氣溫的上升趨勢，平均氣溫的增長也主要是由最低氣溫增長所造成的，僅在抽穗開花期平均氣溫有所下降，這是由于最高氣溫的下降以及最低氣溫的增長幅度不明顯所造成的。溫差僅在移栽返青期的市區(qū)和灌南呈上升趨勢，其余全部呈下降的趨勢，這與水稻全生育期的變化趨勢基本一致。降水量的變化與全生育期變化不完全相同，在不同的生育期階段與不同地區(qū)呈現(xiàn)上升或者下降的趨勢，并無明顯規(guī)律，不過可以看出，在30個（6×5）變化趨勢中，23個呈上升趨勢，7個呈下降趨勢，上升趨勢明顯要多于下降趨勢，這也是全生育期降水量增多的原因。

3）由水稻產(chǎn)量與氣象因子的特征分析發(fā)現(xiàn)，在全生育，最高氣溫僅在東海與水稻產(chǎn)量呈顯著相關(guān)，最低氣溫與平均氣溫僅在贛榆與水稻產(chǎn)量呈顯著相關(guān)；降水量在全生育期與水稻產(chǎn)量呈明顯正相關(guān)，在東海、灌云、灌南都達(dá)顯著或極顯著水平；而溫差和日照時間與水稻產(chǎn)量間在全生育期并沒有呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。由此說明，降水量在全生育期明顯影響水稻產(chǎn)量。

4）在各生育期，氣象因子對水稻產(chǎn)量的影響與全生育期不相同，由特征分析看出，移栽返青期的溫差，抽穗開花期和灌漿成熟期的最高氣溫、日照時間、溫差對水稻產(chǎn)量影響明顯；播種出苗期、移栽返青期的氣象因子對水稻產(chǎn)量波動無明顯貢獻(xiàn)；分蘗期氣象因子僅在東海與水稻產(chǎn)量有顯著相關(guān)關(guān)系。由此可以看出，抽穗開花期和灌漿成熟期的氣象因子對水稻產(chǎn)量影響明顯，主要表現(xiàn)在溫光條件上。endprint

5）全生育期降水量在近年呈上升趨勢，對水稻產(chǎn)量的的波動起到正效應(yīng)。張金艷等[8]發(fā)現(xiàn)大部分國家和地區(qū)水稻氣象產(chǎn)量與降水量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，這可能是由于水稻是喜溫喜水作物，一般來說，降水量多的年份，水分供應(yīng)充足，有利于水稻增產(chǎn)；降水量少的年份，水分供應(yīng)不足，容易發(fā)生干旱，導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，這與本研究結(jié)果一致。在水稻的各生育階段，可以發(fā)現(xiàn)抽穗開花期和灌漿成熟期最高氣溫的增長有利于水稻產(chǎn)量的增加，而移栽返青期的溫差減小、抽穗開花期和灌漿成熟期的日照時間和溫差減小都將不利于水稻產(chǎn)量的增加。一般認(rèn)為，水稻在開花期與成熟期溫度較高，特別是日最高、最低氣溫適當(dāng)偏低、日溫差大、日照時間多，都將有利于產(chǎn)量的增加，而光照不足，常使得光合同化產(chǎn)物不足，進(jìn)而使得產(chǎn)量下降，本研究結(jié)果與其一致。韓廣軒[9]研究表明，土壤呼吸在一定范圍內(nèi)與溫度呈正相關(guān)，夜間增溫幅度過高，造成土壤呼吸過快，而夜間無光合作用合成，造成干物質(zhì)損耗，這也是溫差減小造成水稻產(chǎn)量降低的重要原因。

綜上可以看出，降水量、最高氣溫、日照時間、溫差都是造成水稻產(chǎn)量波動的重要?dú)庀笠蜃?，而最低氣溫雖然沒有直接表現(xiàn)出對水稻產(chǎn)量的影響，但溫差的減小是由于最低氣溫的增長幅度明顯高于最高氣溫的增長幅度所造成的，可以看出，溫光條件以及降水都能明顯影響水稻產(chǎn)量。因此，在未來氣候變暖的背景下，積極采取措施適應(yīng)氣候變化，趨利避害，對于促進(jìn)糧食生產(chǎn)安全至關(guān)重要。

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