溫度和降水變化與甘蔗產(chǎn)量的關(guān)系分析

付建濤　孫東磊　陳立君　盧穎琳　趙歡歡　戴思行　龔恒亮　安玉興

摘 要 作物生境對產(chǎn)量和質(zhì)量具有根本性的影響，溫度和降水是非生物逆境脅迫中最重要的兩大因素。本研究利用1990～2015年廣東、廣西和云南氣象資料和國家統(tǒng)計局甘蔗單位面積產(chǎn)量數(shù)據(jù)，采用一階差分法和一元線性回歸分析的方法，研究了全國甘蔗單位面積產(chǎn)量與降水和溫度變化之間的關(guān)系，從而評價甘蔗產(chǎn)量中的氣候效應(yīng)。研究結(jié)果明：1990～2015年以來，廣西、廣東和云南年平均氣溫呈上升趨勢，不同的區(qū)域表現(xiàn)略有不同；3省份年降水量表現(xiàn)也不一致，云南省年降水量呈下降趨勢。我國甘蔗平均產(chǎn)量變化與3省份內(nèi)平均溫度變化和降水量變化之間，具有線性正相關(guān)關(guān)系。與基準年份1990年相比，溫度對甘蔗產(chǎn)量影響較顯著。本文對蔗區(qū)甘蔗生產(chǎn)的主要氣象因子（溫度和降水）進行了分析，并探討了溫度和降水變化對甘蔗產(chǎn)量的影響程度，旨在為甘蔗生產(chǎn)管理提供科學指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 溫度 ；降水 ；甘蔗產(chǎn)量

中圖分類號 S162 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2018.06.004

Relationship Analysis of the Temperature and Precipitation

with the Yield of Sugarcane

FU Jiantao SUN Donglei CHEN Lijun LU Yinglin

ZHAO Huanhuan DAI Sixing GONG Hengliang AN Yuxing

（Guangdong Bioengineering Institute/Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute / Guangdong

Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery， Guangzhou， Guangdong 510316）

Abstract The crop habitat fundamentally affects the yield and quality of a crop. Temperature and precipitation are two of the most important factors in abiotic stress for a crop. According to the meteorological data of Guangdong， Guangxi and Yunnan during 1990 - 2015 and the data of sugarcane yield， the first difference method and univariate linear regression analysis method were used to analyze the correlation of sugarcane yield with the change of temperature and precipitation to assess the climatic effect on sugarcane yield. The results showed that the annual average temperature was rising from 1990 - 2015 in Guangdong， Guangxi and Yunnan， with a slight regional difference. The annual precipitation was different in the three provinces， and tended to decline in Yunnan. The sugarcane average yield showed a linear positive correlation with the change of average temperature and precipitation in the 3 provinces. Compared with the benchmark year 1990， the temperature had an obvious effect on sugarcane yield. The main meteorological factors， i.e. temperature and precipitation， affecting sugarcane production were analyzed and their effect on the sugarcane yield was discussed in order to provide scientific guidance for sugarcane production.

Keywords temperature ； precipitation ； sugarcane yield

作物與環(huán)境的關(guān)系一直是科學研究的熱點。近年來，氣候變化已成為當前最重要的環(huán)境問題之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)很容易受氣候變化的影響，全球氣候變化導(dǎo)致干旱、缺水、海平面上升、洪水泛濫、熱浪及氣溫劇變，這些都會使世界各地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴重影響[1]。溫度和降雨量作為影響農(nóng)作物最重要的兩大因素，一直受到各界的關(guān)注。溫度和濕度是影響作物產(chǎn)量的2個主要環(huán)境因素，也是非生物脅迫中最重要的氣象因子。干旱作為最主要的脅迫因素，發(fā)生頻率高，危害面積廣，造成損失重[2]。

我國是世界上種植甘蔗面積第三大國家。廣東、廣西和云南地區(qū)是我國甘蔗的主產(chǎn)區(qū)。食糖是關(guān)系國計民生的重要戰(zhàn)略物資，糖業(yè)發(fā)展事關(guān)國家食糖供應(yīng)安全大局，而甘蔗生產(chǎn)又對糖業(yè)發(fā)展起到?jīng)Q定性作用。甘蔗作為我國主要的糖料作物，種植面積占我國糖料作物種植面積的85%以上，產(chǎn)糖量占食糖總產(chǎn)的90%以上。甘蔗作為喜溫植物，溫度對其生長發(fā)育的影響巨大，低溫下甘蔗組織結(jié)構(gòu)會遭到破壞，影響蔗糖的累積，溫度升高則有利于糖分的積累[3-4]。我國甘蔗種植面積正不斷減少，呈現(xiàn)出向高海拔、土壤貧瘠等生產(chǎn)條件差的地方轉(zhuǎn)移的趨勢，因此遭受的逆境脅迫程度日益加深。

研究非生物脅迫對甘蔗產(chǎn)量的影響對我國的食糖安全具有重要的意義。一直以來，科學工作者對甘蔗干旱和低溫脅迫做了大量的研究，主要集中在甘蔗生理對脅迫的響應(yīng)[5-9]，宏觀的溫度和降水對甘蔗產(chǎn)量變化的影響研究較少。譚宗琨等[10]研究了云南氣候?qū)Ω收岙a(chǎn)量和蔗糖分的影響，結(jié)果表明，溫度和降水對甘蔗產(chǎn)量影響明顯。羅晟昇等[11]研究表明，溫度對甘蔗生長影響較小，而降雨量對甘蔗的出苗率、發(fā)株率、分蘗率和糖分均具有不同程度的影響。近年來，國內(nèi)外學者圍繞氣候變化對甘蔗的影響也開展了一些研究。謝平等[4]對近44年徐聞氣候因子的趨勢性、階段性和周期性進行分析，結(jié)果表明，夏季的平均溫度顯著增加，對甘蔗產(chǎn)量的提高有利。古麗等[12]研究了1980～2007年南寧蔗區(qū)甘蔗產(chǎn)量變化與氣象條件的關(guān)系，指出甘蔗生長期內(nèi)相對濕度較低時將導(dǎo)致甘蔗減產(chǎn)，相對濕度較大時則有利于甘蔗增產(chǎn)。郭晉川等[13]發(fā)現(xiàn)降雨量、氣溫和日照的增加有利于廣西糖料蔗產(chǎn)量的提高。根據(jù)張蕾等[14]的研究結(jié)果，蟲害發(fā)生面積與平均溫度、平均降水強度呈顯著正相關(guān)。黃敏堂等[15]和楊友軍等[16]也研究了甘蔗害蟲發(fā)生的特點，認為氣候是影響蟲害發(fā)生的重要原因之一，蟲害的發(fā)生也會影響甘蔗的最終產(chǎn)量和質(zhì)量。作者結(jié)合國內(nèi)氣候變化對甘蔗產(chǎn)量的研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域多集中在單一省市區(qū)域，缺乏多省市數(shù)據(jù)參考。為此，作者收集了廣東、廣西和云南3個省份的1990～2015年的降水和平均溫度資料，探討生態(tài)氣候因子和產(chǎn)量的關(guān)系。本文研究氣候變化特征及甘蔗產(chǎn)量的波動情況，為充分合理利用氣候資源，指導(dǎo)甘蔗生產(chǎn)，增強甘蔗對氣候變化的適應(yīng)性提供參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)包括研究區(qū)域廣東、廣西、云南和海南省，本文的研究區(qū)域是除海南之外的3?。ㄒ蚝Ｄ吓c另外3省氣候差異太大）。氣象數(shù)據(jù)來自于廣東、廣西及云南氣象局各省份年度氣象年鑒，歷年全國甘蔗單位面積產(chǎn)量來自于國家統(tǒng)計局2016年統(tǒng)計年鑒[17]。

1.2 數(shù)據(jù)分析

采用一階差分法（即上一年與下一年數(shù)值之差）來消除產(chǎn)量和氣候時間序列中的趨勢效應(yīng)。然后分別建立產(chǎn)量的變化量ΔY與各氣候因子變化量ΔXj（j=1、2，1和2分別表平均氣溫和降水量）之間的線性回歸方程，來分析甘蔗產(chǎn)量對各氣候因子變化的反應(yīng)。計算公式如下：

ΔYi=αΔXj+ε

式中α為單因子回歸方程一次項系數(shù)；ε為單因子回歸方程常數(shù)項。

2 結(jié)果與分析

2.1 1990～2015年我國甘蔗單位面積產(chǎn)量的變化

產(chǎn)量是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平、社會因素和氣象條件等共同影響的結(jié)果，進行年際間的一元線性回歸分析甘蔗單產(chǎn)年際變化。圖1給出了1990～2015年我國甘蔗單位面積產(chǎn)量的時間變化曲線。由圖可見，近25年來甘蔗單位面積產(chǎn)量呈波動上升趨勢。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高，甘蔗單產(chǎn)不斷增加。單產(chǎn)與年份成線性關(guān)系：y=653.25x+54 847（R2=0.813），平均每年提高653.5 kg/hm2。實際產(chǎn)量在某些年份出現(xiàn)的波動即增產(chǎn)或減產(chǎn)，主要受非生物脅迫的影響。

2.2 1990～2015年廣東、廣西和云南省降水和平均溫度的變化

分別計算出3個省份的各年的氣象指標平均值，通過簡單一元線性模型分別對1990～2015年分析區(qū)域內(nèi)的溫度和降水量變化趨勢進行擬合分析。得出1990～2015年廣東、廣西和云南的年平均溫度和年降水量變化趨勢如圖2所示。從年平均溫度變化趨勢來看（圖2-A），廣東平均溫度最高，廣西次之，云南最低，分別約為22.1、20.9、16.9℃，廣西廣東2省間年平均溫度差距較小。從3個省份單獨來看，3省份各自年平均溫度都呈上升趨勢，云南、廣西和廣東上升幅度分別為0.442、0.202和0.218℃/10 a，與全國氣溫變化基本保持一致[18]，3省份總平均溫度上升幅度為0.287℃/10 a。綜上可見，1990～2015年我國甘蔗種植區(qū)域內(nèi)，溫度上升趨勢較明顯。從年降水量來看（圖2-B），廣東省年降水量最大，云南最少，廣東年平均降水量1 798.75 mm，廣西和云南年平均降水量分別為1 589.59 和1 074.40 mm；從變化趨勢上來看，云南省年平均降水量呈下降趨勢，年降水量的線性傾向率為-70.099 mm/10 a，下降趨勢明顯；廣東和廣西2省年際間平均降水量波動較大，但變化趨勢不明顯。3省份降水量比較可知，廣東年降水量最多，云南最少。根據(jù)3省份平均降水量趨勢線和線性關(guān)系可以看出，3省份平均降水量變化趨勢不明顯，年際間變化幅度也較大。

2.3 溫度和降水對甘蔗單產(chǎn)的影響

甘蔗的產(chǎn)量受到溫度和降水等多種環(huán)境因素的影響。為了探討甘蔗單產(chǎn)與溫度和降水之間的關(guān)系。利用一階差分法，構(gòu)建了3省份平均溫度和平均降水量的變化與全國甘蔗單位產(chǎn)量變化ΔY的關(guān)系，從3省份區(qū)域上來看，兩者之間的關(guān)系如圖3 所示。由圖可見，1990～2015年全國甘蔗單產(chǎn)與溫度和降水量呈正相關(guān)，說明平均溫度、平均降水量的上升均會引起甘蔗產(chǎn)量的上升，溫度每上升1 ℃，單產(chǎn)增加2 401.4 kg/hm2，其中溫度變化對甘蔗單產(chǎn)的影響較為顯著，而降水對甘蔗單產(chǎn)的影響較小。

3 討論

以溫度升高為主要特征的全球氣候變化已得到各界學者的公認。廣東、廣西和云南作為我國甘蔗主產(chǎn)區(qū)，氣候也在發(fā)生顯著的變化[19]。氣候的主要要素是溫度和降水，降水又受到溫度的響應(yīng)，因此溫度的變化才是氣候變化的本質(zhì)[20]。本文研究發(fā)現(xiàn)，廣東、廣西以及云南3省氣溫也呈逐年上升趨勢，年度平均降水量的變化較小，但是3省年降水量平均值呈輕微下降趨勢，這說明未來我國甘蔗生產(chǎn)區(qū)的地表溫度將呈升高趨勢，降水量表現(xiàn)也可能不同。溫度和降水變化對甘蔗的影響是多方面的。一般來說，溫度和降水兩者的共同作用將會不同比例地影響作物生長和產(chǎn)量[21]。根據(jù)本文的分析結(jié)果，溫度的升高和降水的增多對甘蔗單產(chǎn)的提高都有有利的影響，升溫對甘蔗生產(chǎn)的影響更為顯著，甘蔗產(chǎn)量與降水量之間的相關(guān)性也表明，在干旱少雨的年份甘蔗減產(chǎn)，往往使得生產(chǎn)遭受巨大的損失。根據(jù)此結(jié)論及結(jié)合云南蔗區(qū)年降水量下降的變化趨勢，云南蔗區(qū)應(yīng)多關(guān)注蔗田干旱情況，合理利用降水資源，科學安排甘蔗的田間灌溉和人工增雨作業(yè)；另外，溫度變化還可能造成甘蔗種植區(qū)域以及種植面積的變化。

最后，本文分析了年度平均溫度和降水對甘蔗產(chǎn)量的影響，但是溫度和降水等在年度間也可能呈現(xiàn)不均勻分布，例如，某一月份特別干旱，但是另外一月份降水較多，而且極端天氣的變化對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響可能更大，這對作物產(chǎn)量的影響往往超過了平均變化所帶來的影響[22]，這些都有待于今后進一步研究。

參考文獻

[1] 郭建平. 氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究進展[J]. 應(yīng)用氣象學報，2015，26（1）：1-11.

[2] 王 毅. 干旱脅迫對作物影響研究概況[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2015（04）：28-29.

[3] 龐新華，朱鵬錦，周全光，等. 甘蔗對低溫脅迫響應(yīng)的研究進展[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學，2015，43（6）：31-35.

[4] 謝 平，張 羽，陳圣南. 徐聞氣候變化及其對甘蔗產(chǎn)量與糖分的影響[J]. 廣西蔗糖，2006（03）：10-14.

[5] 孫 波. 低溫脅迫對甘蔗幼苗根系生長代謝的影響和相關(guān)基因α-tubulin的功能研究[D]. 南寧：廣西大學，2016.

[6] 張保青. 低溫脅迫下甘蔗后期生理特性及差異蛋白質(zhì)組學研究[D]. 南寧：廣西大學，2013.

[7] 何靜丹. 低溫脅迫及溫度回升對甘蔗生理生化指標的影響[D]. 南寧：廣西大學，2011.

[8] 劉三梅，楊清輝，李秀年，等. 不同生育時期干旱脅迫對甘蔗形態(tài)指標及生理特性的影響[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報，2016，47（08）：1 273-1 278.

[9] 張風娟. 干旱脅迫下不同甘蔗品種葉片解剖結(jié)構(gòu)及生理生化的變化[D]. 南寧：廣西大學，2014.

[10] 譚宗琨，何 燕，黃中艷，等. 云南氣候?qū)Ω收岙a(chǎn)量和蔗糖分的影響分析[J]. 甘蔗糖業(yè)，2008（1）：15-21，14.

[11] 羅晟昇，何洪良，唐利球，等. 溫度和降雨量對甘蔗生長影響的初步研究[J]. 中國糖料，2018，40（1）：13-15.

[12] 古 麗，黃智剛，李文寶，等. 1980～2007年南寧蔗區(qū)甘蔗氣象產(chǎn)量變化及影響因子分析[J]. 南方農(nóng)業(yè)學報2011，42（5）：492-495.

[13] 郭晉川，吳衛(wèi)熊，何令祖. 影響廣西糖料蔗產(chǎn)量的氣候因子及其變化特征分析[J]. 廣西水利水電，2015，（4）：1-4，9.

[14] 張 蕾，霍治國，王 麗，等. 氣候變化對中國農(nóng)作物蟲害發(fā)生的影響[J]. 生態(tài)學雜志，2012，31（6）：1 499-1 507.

[15] 黃敏堂，吳曉偉. 上思縣甘蔗主要蟲害發(fā)生特點及防治對策[J]. 中國糖料，2011（3）：45-47.

[16] 楊友軍. 甘蔗螟蟲為害加深原因及防治對策[J]. 甘蔗，2003（2）：36-38

[17] 中華人民共和國國家統(tǒng)計局. 2016中國統(tǒng)計年鑒[M]. 北京：中國統(tǒng)計出版社. 2016.

[18] 陳隆勛，周秀驥，李維亮，等. 中國近80年來氣候變化特征及其形成機制[J]. 氣象學報，2004，62（5）：634-646.

[19] 周 義，覃志豪，包 剛. 氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響及應(yīng)對. 中國農(nóng)學通報，2011，27（32）：260-267.

[20] 賈敬敦. 中國農(nóng)業(yè)應(yīng)對氣候變化研究進展與對策[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社，2013：20-23，43-44，74-80.

[21] 潘根興，高 民，胡國華，等. 氣候變化對中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2011，30（9）：1 698-1 706.

[22] 陳鵬獅，米 娜，張玉書，等. 氣候變化對作物產(chǎn)量影響的研究進展[J]. 作物雜志，2009，2：5-9.