安徽省沿江地區(qū)雙季稻光熱資源利用效率變化特征及對氣象產(chǎn)量的影響*

岳 偉,陳金華,阮新民,陳 曦,陳硯濤,王 珍

(1.安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心 合肥 230031;2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所 合肥 230031;3.安徽省石臺縣氣象局石臺 245100)

IPCC第5次評估報告指出,全球氣候正發(fā)生著以變暖為主要特征的顯著性變化,過去 100多年來(1880—2012年),全球地表平均溫度已升高 0.85℃(0.65～1.06℃),2003—2012年平 均 溫 度 比1850—1900年平均溫度上升0.78℃[1]。1906—2005年我國年平均氣溫上升(0.78±0.27)℃[2-3]。農(nóng)業(yè)是對氣候變化最為敏感和脆弱的領(lǐng)域之一[4],氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,首先表現(xiàn)為對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響,農(nóng)業(yè)氣候資源的數(shù)量及其配置不僅直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程[5],對農(nóng)作物種植制度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局也有不同程度影響[6]。

水稻(Oryza sativaL.)是我國重要的糧食作物,水稻生產(chǎn)對保障我國糧食安全具有特別重要的地位,提高雙季稻單產(chǎn)是提高水稻總產(chǎn)和糧食總產(chǎn)的重要途徑之一[7]。了解并掌握氣候資源的時間變化規(guī)律和空間分布特征,對于合理利用氣候資源,科學(xué)安排生產(chǎn)布局,提高雙季稻產(chǎn)量具有重要指導(dǎo)意義。關(guān)于氣候變暖對雙季稻生產(chǎn)氣候資源的影響已引起眾多學(xué)者的關(guān)注和研究。呂偉生等[8]研究發(fā)現(xiàn),近30 a江西省雙季稻安全生產(chǎn)期內(nèi)溫光資源總體呈溫度明顯升高、積溫顯著增加、日照時數(shù)無明顯變化的趨勢;近 50 a長江中游地區(qū)(湖南、湖北、江西)早稻安全播種期提前3～7 d,雙季晚稻安全齊穗期延后 2 d,雙季稻安全生長期平均延長7 d,雙季稻種植北界明顯北移200 km左右[9];湖南省1980—2012年雙季稻全生育期內(nèi)平均溫度呈現(xiàn)升高趨勢,早稻全生育期內(nèi)降水量和輻射呈增加趨勢,晚稻全生育期內(nèi)降水量和輻射有所下降[10];吳珊珊等[11]利用全球氣候模式ECHAM5/MPI-OM在SRES A1B排放情景下2015—2100年全球氣候模式的預(yù)測結(jié)果,對江西雙季稻 2015—2100年的氣候產(chǎn)量進(jìn)行定量預(yù)測,發(fā)現(xiàn) 2060年以前,早稻氣候產(chǎn)量基本以正值為主,2060年后氣候產(chǎn)量呈正負(fù)波動狀態(tài),晚稻氣候產(chǎn)量整體變化幅度較早稻氣候產(chǎn)量小。然而不同區(qū)域雙季稻生產(chǎn)氣候資源變化趨勢并不完全一致,開展區(qū)域性研究對指導(dǎo)當(dāng)?shù)仉p季稻生產(chǎn)更具有針對性和實(shí)用性。

安徽省是我國種植雙季稻北緣地區(qū),雙季稻年播種面積在20萬 hm2左右,對安徽省糧食總產(chǎn)發(fā)揮重要作用。目前,關(guān)于氣候資源變化及對安徽省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究較多,但多集中于安徽省周年氣候資源變化對小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、一季稻等作物生產(chǎn)的影響[12-16],而關(guān)于氣候資源尤其是雙季稻生長季光熱資源變化及其對氣象產(chǎn)量影響的研究較少。因此,本研究利用安徽省沿江地區(qū)19個市縣氣象觀測站1961—2017年逐日日平均氣溫、日照時數(shù)及 7個雙季稻主產(chǎn)市縣1961—2006年早稻和晚稻產(chǎn)量資料,分析該地區(qū)近50 a來雙季稻生長季光熱資源和利用效率的變化特征及光熱資源變化對雙季稻氣象產(chǎn)量的影響,以期為應(yīng)對氣候變化、充分利用氣候資源、合理調(diào)整沿江地區(qū)雙季稻種植結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

圖1 安徽省沿江地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of meteorological stations along the Yangtze River in Anhui Province

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

安徽省沿江地區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫16～17.3℃,常年無霜期達(dá)220～250 d,年平均降水量 770～1 700 mm,地形以丘陵山地和平原為主[17]。降水豐富,日照充足,雨熱同季;河網(wǎng)密布,灌溉條件好,為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了良好的條件。

1.2 研究資料

本研究使用的逐日氣象資料來源于安徽省氣象信息中心,主要包括沿江地區(qū)19個市縣(圖1)1961—2017年的日平均氣溫(℃)、日照時數(shù)(h)。雙季稻產(chǎn)量資料來自于《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》,主要包括樅陽、懷寧、望江、南陵、蕪湖縣、宣城、池州等沿江地區(qū) 7個雙季稻主產(chǎn)市縣 1961—2006年早稻和晚稻產(chǎn)量(kg·hm-2)。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,安徽省沿江地區(qū)雙季早稻一般于4月上旬播種,7月中旬成熟;雙季晚稻一般7月上旬播種,11月中旬成熟。所以本文選取早稻生長季為4月上旬—7月中旬,晚稻生長季 7月上旬—11月中旬,雙季稻生長季為4月上旬—11月中旬。

1.3 研究方法

1.3.1 光熱資源及利用效率

氣候資源在一定程度上決定了某一個地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力[18],太陽輻射資源是重要的農(nóng)業(yè)氣候資源之一,是植物進(jìn)行光合作用的必要條件,使植物能夠正常生長、發(fā)育及形成產(chǎn)量[19]。本文采用曹雯等[20]修訂的安徽太陽輻射公式計(jì)算沿江地區(qū)太陽總輻射。

式中：Rs為太陽總輻射(MJ·m-2),R0為天文輻射(MJ·m-2),n為實(shí)際日照時數(shù)(h),N為可能日照時數(shù)(h),ωs為日落時的時角,π 取 3.141 592 6。

熱量資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要自然資源,在正常水分條件下,熱量資源決定了作物的品種、熟型、產(chǎn)量及作物的生長發(fā)育[21],本文統(tǒng)計(jì)雙季稻生長期間≥10℃的積溫作為雙季稻的熱量資源。

作物光溫利用率可以用來評價一個地區(qū)作物生產(chǎn)的基本生產(chǎn)狀況和潛力[22],本文采用公式(3)計(jì)算沿江地區(qū)雙季稻光能利用率。

式中：E為光能利用率(%);Y為單位面積早稻或晚稻產(chǎn)量(kg·hm-2);H為單位面積上干物重燃燒熱(J·g-1),取1.799×107J·kg-1;∑Q為早稻或晚稻生長期間(播種至成熟)的太陽總輻射(MJ·m-2)。

熱量資源利用效率可以評價一個地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平[22],采用公式(4)計(jì)算熱能利用效率。

式中：HEU為熱量利用率,Y為單位面積雙季稻產(chǎn)量(kg·hm-2),∑T為雙季稻生長期間(播種至成熟)≥10℃的有效積溫(℃·d)。HUE即積溫每1℃·d所生產(chǎn)的糧食單產(chǎn),單位為kg·℃-1·d-1·hm-2。

1.3.2 氣候傾向率

將氣候要素的趨勢變化用一次線性方程表示,利用最小二乘法擬合一元線性方程X＝at+b(a為回歸系數(shù),b為回歸常數(shù),X為氣象要素,t為時間)計(jì)算各氣象要素的年趨勢變化率,其斜率(a)表示氣象要素變化傾向率,a值的符號正或負(fù)反映趨勢上升或下降,a×10為氣候要素傾向率,表示氣象要素每10年的變化率[23]。

1.3.3 M-K突變檢驗(yàn)

用 Mann-Kendall(M-K)方法對各氣象要素時間序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)[24-25],該種方法可以檢驗(yàn)序列變化趨勢、突變點(diǎn)和突變時間區(qū)域等,不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾。

1.3.4 氣象產(chǎn)量

作物產(chǎn)量是各種自然因素和非自然因素綜合影響的結(jié)果,一般把作物的實(shí)際產(chǎn)量y分解為趨勢產(chǎn)量yt、氣象產(chǎn)量yw和隨機(jī)誤差因素造成的產(chǎn)量Δy3部分[26],即：

趨勢產(chǎn)量主要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,氣象產(chǎn)量主要是受以氣象要素為主的短周期變化因子影響的產(chǎn)量分量。由于Δy是一些偶然因素影響造成的產(chǎn)量隨機(jī)變化,在作物產(chǎn)量中占的比例較小,一般在實(shí)際計(jì)算中可不做考慮。因此,(5)式可以簡化為：

本研究采用分段模擬法對實(shí)際產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬以求得趨勢產(chǎn)量,實(shí)際產(chǎn)量減去趨勢產(chǎn)量,得到氣象產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季稻生長季光熱資源變化特征

2.1.1 光能資源變化特征

1961—2017年,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季太陽總輻射均值分別為1 911.8 MJ·m-2、2 325.2 MJ·m-2和3 861.1 MJ·m-2。其中早稻生長季太陽總輻射最大值為2 139.3 MJ·m-2,出現(xiàn)在1981年;最小值為1 586.7 MJ·m-2,出現(xiàn)在2016年。稻和雙季稻生長季太陽總輻射最大值分別為2 830.9 MJ·m-2和4 376.4 MJ·m-2,均出現(xiàn)在1966年;最小值分別為1 934.7 MJ·m-2和3 347.9 MJ·m-2,均出現(xiàn)在2014年。由圖2a-2c可見,1961—2017年,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)太陽總輻射均呈明顯下降趨勢(P＜0.01),平均每10 a降幅分別為30.5 MJ·m-2、69.8 MJ·m-2和86.6 MJ·m-2。從年代際變化看,從1960s至2000s后,早稻生長季內(nèi)太陽總輻射在波動中下降,晚稻和雙季稻逐年代際下降,尤其近年來雙季稻生長季太陽總輻射下降明顯,2000s后較2000s下降 142.8 MJ·m-2,顯著高于歷年均值(86.6 MJ·m-2)。

由M-K檢測可以看出,1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻生長期輻射資源的 UF(按時間序列順序計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量序列)曲線在0值以下,說明輻射資源呈減少趨勢,UF和UB(按時間序列逆序計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量序列)出現(xiàn)多個交點(diǎn),其中 2003—2004年的交點(diǎn)突破了P0.05=±1.96臨界線(圖3a),突變后(1 688.8 MJ·m-2)較突變前(1 926.5 MJ·m-2)減少 29.7 MJ·m-2。晚稻生長季輻射資源在1996年發(fā)生突變,突變后(2 196.5 MJ·m-2)較突變前(2 406.0 MJ·m-2)減少 209.5 MJ·m-2,UF曲線在1999年突破了P0.05=±1.96臨界線(圖3b)。雙季稻生長季輻射資源在1995年發(fā)生突變,突變后(3 711.4 MJ·m-2)較突變前(3 962.4 MJ·m-2)減少251.0 MJ·m-2,UF曲線在1993年和1995年突破了P0.05=±1.96 臨界線(圖3c)。

2.1.2 熱量資源變化特征

水稻是喜溫作物,生長發(fā)育的起點(diǎn)溫度要求在日平均氣溫10℃以上[11]。1961—2017年,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)≥10℃積溫分別為2 310.3～2 665.2℃·d、3 024.2～3 454.5℃·d和4 864.2～5 431.7℃·d,均值分別為2 454.2℃·d、3 238.0℃·d和5 131.3℃·d。近 60 a,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)≥10℃積溫均呈增加趨勢,平均每10 a增幅分別為39.1℃·d、24.4℃·d和14.7℃·d,其中早稻和晚稻增加趨勢通過了P＜0.01顯著性水平檢驗(yàn),雙季稻增加趨勢通過了P＜0.05顯著性水平檢驗(yàn)。從年代際變化看(圖4a-4c),早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)≥10℃積溫變化趨勢基本一致,總體呈“降低-升高-降低”趨勢,即從1960s開始,至 1970s或 1980s達(dá)到最低,1990s開始上升,至2000s達(dá)到最高,之后開始下降。進(jìn)入 21世紀(jì),早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)≥10℃積溫增加較為明顯,2000s較 1990s分別增加 88.0℃·d、102.9℃·d和162.9℃·d,積溫的增加為雙季稻生長提供了充足的熱量條件。

圖2 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)生長季光能資源變化趨勢Fig.2 Variation trends of light energy resources during growing seasons of early-season rice(a),later-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province

圖3 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)生長季光能資源M-K突變檢驗(yàn)(直線為P=0.05顯著性水平臨界值)Fig.3 M-K test mutation detection of light energy resources during growing seasons of early-season rice(a),later-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province(Dotted lines show critical value at P = 0.05 significance level)

由M-K檢測可以看出,1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻生長季熱量資源的UF和UB曲線相交于1996—1997年之間,UF曲線在2005年超過了P0.05=±1.96臨界線(圖5a),表明早稻生長季熱量資源在1997年發(fā)生突變,突變后(2 521.3℃·d)較突變前(2 415.0℃·d)增加 106.3℃·d。晚稻生長季熱量資源在2005年發(fā)生突變,突變后(3 311.6℃·d)較突變前(3 216.3℃·d)增加95.3℃·d,UF曲線在1972—1977年和1980—1994年突破了P0.05=±1.96臨界線(圖5b)。雙季稻生長季熱量資源在2001年發(fā)生突變,突變后(5 257.8℃·d)較突變前(5 077.6℃·d)增加 180.2℃·d,UF曲線在2007年突破了P0.05=±1.96 臨界線(圖5c)。

本文借鑒了王建，張卓《金融支持對戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響》一文中利用柯布--道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)研究金融支持的產(chǎn)業(yè)影響的方法建立回歸模型。假設(shè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)中的企業(yè)生產(chǎn)近似的符合柯布--道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)，即：

圖4 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)生長季熱量資源(≥10℃積溫)變化趨勢Fig.4 Variation trend of heat resources(accumulated temperature ≥10℃)during growing season of early-season rice(a),later-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province

2.2 雙季稻光熱資源利用效率變化特征

2.2.1 光能資源利用效率變化特征

圖5 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)生長季熱量資源M-K突變檢驗(yàn)(直線為P=0.05顯著性水平臨界值)Fig.5 M-K test mutation detection of heat resources during growing seasons of early-season rice(a),later-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province(Dotted lines show critical values at P = 0.05 significance level)

1961—2006年,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻光能利用效率均呈顯著增加趨勢(P＜0.01),平均增幅分別為0.04%·(10a)-1、0.103%·(10a)-1和0.083%·(10a)-1,光能利用效率均值分別為0.41%、0.30%和0.38%。但不同年份間差別明顯,早稻光能利用效率最大值為0.55%(2002年),最小值為0.2%(1961年);晚稻最大值為0.53%(1996年),最小值為0.07%(1962年);雙季稻最大值為0.58%(2002年),最小值為0.15%(1961年)。其主要原因是由于不同年份間產(chǎn)量差異較大造成的[27]。從年代際變化看(圖6a-6c),從 1960s至 2000s后,早稻生長季內(nèi)光能利用效率在波動中上升,1990s代略有下降,晚稻和雙季稻呈逐年代際上升趨勢,尤其1980s晚稻生長季光能利用效率明顯上升,較1970s增加 0.13%,而同時期早稻生長季光能利用效率僅增加0.02%。

圖6 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)光能利用率變化趨勢Fig.6 Variation trend of solar energy utilization rate of early-season rice(a),late-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

2.2.2 熱量資源利用效率變化特征

1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻熱量利用效率呈顯著增加趨勢(P＜0.01),平均每10 a分別增加 0.141 kg·℃-1·d-1·hm-2、0.39 kg·℃-1·d-1·hm-2和0.315 kg·℃-1·d-1·hm-2。早稻、晚稻和雙季稻熱量利用效率分別為0.88～2.33 kg·℃-1·d-1·hm-2、0.28～1.99 kg·℃-1·d-1·hm-2和0.6～2.29 kg·℃-1·d-1·hm-2,年平均值分別為1.83 kg·℃-1·d-1·hm-2、1.20 kg·℃-1·d-1·hm-2和1.63 kg·℃-1·d-1·hm-2。從年代際變化看(圖7a-7c),早稻、晚稻和雙季稻熱量利用效率與光能利用效率變化趨勢基本一致,早稻熱量利用效率除 1990s下降外,其他年代際均呈上升趨勢。晚稻和雙季稻光能利用效率呈逐年代際上升趨勢,其中晚稻熱量利用效率在1980s和1990s增幅相對明顯,較上一年代際分別增加 0.5 kg·℃-1·d-1·hm-2和0.48 kg·℃-1·d-1·hm-2,均超過了歷年增幅均值(0.39 kg·℃-1·d-1·hm-2)。

2.3 光熱資源變化對雙季稻氣象產(chǎn)量的影響

2.3.1 光熱資源與雙季稻氣象產(chǎn)量的相關(guān)分析

為了解安徽省沿江地區(qū)雙季稻生長季光溫資源變化對氣象產(chǎn)量的影響,按照楊繼武[26]作物產(chǎn)量分解方法,將早稻、晚稻實(shí)際產(chǎn)量分解為趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量(圖8a、8b),再將氣象產(chǎn)量與其生長季太陽總輻射、≥10℃積溫進(jìn)行線性相關(guān)分析(圖9a、b)。沿江地區(qū)早稻氣象產(chǎn)量與其生長季太陽總輻射相關(guān)性達(dá)極顯著(P＜0.01),與≥10℃積溫呈顯著相關(guān)(P＜0.05),相關(guān)系數(shù)分別為0.578 1和0.301 5,即在一定范圍內(nèi)太陽總輻射和≥10℃積溫增加對早稻氣象產(chǎn)量的增加有明顯作用,太陽總輻射每增加 100 MJ·m-2、≥10℃積溫每增加 100℃·d,早稻氣象產(chǎn)量分別增加 271 kg·hm-2、209 kg·hm-2。晚稻氣象產(chǎn)量與其生長季太陽總輻射相關(guān)性達(dá)顯著水平(P＜0.05),相關(guān)系數(shù)為0.317 2(圖10a),與≥10℃積溫相關(guān)系數(shù)為0.132 8,相關(guān)性未達(dá)P=0.05顯著性水平(圖10b),即一定范圍內(nèi)太陽總輻射的增加利于晚稻氣象產(chǎn)量的提升,每增加 100 MJ·m-2,晚稻氣象產(chǎn)量增加 80 kg·hm-2,但≥10℃積溫的增加對晚稻氣象產(chǎn)量的增產(chǎn)作用不明顯。

為揭示光熱資源對雙季稻氣象產(chǎn)量的作用途徑,對1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻和晚稻生長季太陽總輻射、≥10℃積溫與其氣象產(chǎn)量進(jìn)行通徑分析。由表1可見,太陽總輻射、≥10℃積溫對早稻和晚稻氣象產(chǎn)量的作用方向均為正向的,且太陽總輻射、≥10℃積溫通過相互間接作用增強(qiáng)了對氣象產(chǎn)量的影響,太陽總輻射對氣象產(chǎn)量直接作用大于≥10℃積溫對氣象產(chǎn)量的作用,表明在光熱資源中,太陽總輻射是影響早稻和晚稻氣象產(chǎn)量的主要因子,≥10℃積溫是次要因子。

圖8 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)實(shí)際產(chǎn)量和趨勢產(chǎn)量Fig.8 Actual yield and trend yield of early-season rice(a),late-season rice(b)from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

圖9 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻生長季太陽總輻射(a)、≥10℃積溫(b)與氣象產(chǎn)量的關(guān)系Fig.9 Relationship of meteorological yield with global solar radiation(a),accumulated temperature ≥10℃(b)during early-season rice growing season from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

2.3.3 光熱資源與雙季稻氣象產(chǎn)量的回歸分析

為綜合反映安徽省沿江地區(qū)輻射和熱量資源對雙季稻氣象產(chǎn)量的影響,分別以早稻和晚稻生長季太陽總輻射(x1)、≥10℃積溫(x2)為自變量,以氣象產(chǎn)量(y)為因變量,采用線性回歸分析,建立早稻氣象產(chǎn)量回歸方程y=-5 610.912 3+2.638 5x1+0.297 2x2,相關(guān)系數(shù)r=0.578 7,顯著水平P＜0.01,表明早稻氣象產(chǎn)量與生長季太陽總輻射、≥10℃積溫存在顯著的線性關(guān)系,且太陽總輻射和≥10℃積溫對早稻氣象產(chǎn)量的綜合影響大于對氣象產(chǎn)量的獨(dú)立影響。建立晚稻氣象產(chǎn)量回歸方程為y=-2 594.037 1+0.761 1x1+0.251 9x2,相關(guān)系數(shù)r=0.321 3,顯著水平P＞0.05,表明晚稻生長季輻射資源和熱量資源的增加雖然利于其氣象產(chǎn)量的提升,但影響不明顯。

圖10 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)晚稻生長季太陽總輻射(a)、≥10℃積溫(b)與氣象產(chǎn)量的關(guān)系Fig.10 Relationship of meteorological yield with global solar radiation(a),accumulated temperature ≥10℃(b)during late-season rice growing season from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

表1 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻和晚稻氣象產(chǎn)量與太陽總輻射、≥10℃積溫的通徑分析Table 1 Path analysis between meteorological yield and global solar radiation,accumulated temperature ≥10℃ of early-season rice and late-season rice from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

3 討論

1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻及雙季稻生長季太陽總輻射均呈顯著下降趨勢(P＜0.01),盧燕宇等[13]對近50 a安徽周年太陽總輻射變化特征的研究結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論,且安徽省太陽總輻射下降趨勢大于全國平均。近60 a,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻及雙季稻生長季≥10℃積溫呈增加趨勢,其中早稻和晚稻增加趨勢超過P=0.01顯著性水平,雙季稻增加趨勢達(dá)P=0.05顯著性水平,這與艾治勇等[28]對長江中游地區(qū)近 50 a雙季稻生長季氣候資源變化的研究結(jié)論較為一致。在全球變暖背景下,不同地區(qū)雙季稻生長季≥10℃積溫均表現(xiàn)增加趨勢[8-9,29]。而葉清等[30]研究發(fā)現(xiàn),江西省早稻和雙季稻生長季平均氣溫呈增加趨勢,但晚稻生長季平均氣溫呈下降趨勢,可能與研究的時間尺度和區(qū)域氣候特點(diǎn)不同有關(guān)。

近年來不同地區(qū)農(nóng)作物光能和熱量利用效率上升趨勢明顯[27,31-32],其主要原因?yàn)樽魑锂a(chǎn)量的大幅提升,雖然生育期內(nèi)熱量資源呈增加趨勢,但農(nóng)作物產(chǎn)量的增加速率遠(yuǎn)高于熱量資源的增加速率,另一方面在作物生長期不變情況下產(chǎn)量顯著增加而太陽總輻射明顯減少[27]。安徽省沿江地區(qū)晚稻光能資源利用率顯著高于早稻,主要原因是近50 a早稻與晚稻生長季光能資源變幅相差不大情況下,而晚稻產(chǎn)量增幅是早稻的3倍之多。

光熱資源通過影響雙季稻的氣象產(chǎn)量造成雙季稻產(chǎn)量不同年代間的變化,由于太陽總輻射與早稻和晚稻氣象產(chǎn)量分別呈極顯著(P＜0.01)、顯著(P＜0.05)正相關(guān),因此安徽省沿江地區(qū)雙季稻種植過程中,可選擇光合速率高、光呼吸弱、株葉形態(tài)好的品種以適應(yīng)光能資源的逐漸減少。此外,≥10℃積溫與早稻氣象產(chǎn)量呈顯著(P＜0.05)正相關(guān)。因此,早稻可采用薄膜育秧、溫室育秧等方式,提前播種期,以增加生育期積溫,進(jìn)而提高氣象產(chǎn)量。

從雙季稻生長季光熱資源月變化看,早稻從播種到收獲,光熱資源呈逐漸增加趨勢,尤其在產(chǎn)量形成關(guān)鍵期,光熱資源為整個生長季最優(yōu),而晚稻隨著生長發(fā)育光熱資源逐漸降低,灌漿后期光溫資源下降尤為明顯(圖11)。要充分利用光熱資源,實(shí)現(xiàn)周年產(chǎn)量的提升,挖掘早稻前期及晚稻后期的光溫資源顯得十分關(guān)鍵。但近年來,由于勞動力成本的提高,輕簡化栽培方式被大面積應(yīng)用,而直播稻和機(jī)插稻等輕簡化栽培較常規(guī)移栽稻播栽期一般要推遲15 d以上[33-34],晚稻遭遇寒露風(fēng)氣象災(zāi)害風(fēng)險增加[35],光熱資源的充分利用由于播栽方式的轉(zhuǎn)變而面臨挑戰(zhàn)。因此,安徽省沿江地區(qū)雙季稻采用直播、機(jī)插等栽培方式,可結(jié)合本文分析的光溫資源變化特點(diǎn),選擇光合效率高、耐寒性好的品種,并合理安排生育期如適當(dāng)延長晚稻生育期,以充分利用光熱資源,實(shí)現(xiàn)周年產(chǎn)量的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

圖11 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)雙季稻生長季太陽總輻射(a)和≥10℃積溫(b)月變化Fig.11 Monthly variation of global solar radiation(a)and accumulated temperature ≥10℃(b)of double-season rice growing season from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province

本文僅分析了安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季輻射和熱量資源對其氣象產(chǎn)量的影響,雙季稻安全生長界限溫度變化[35]及雙季早稻育秧期的低溫冷害和“倒春寒”、灌漿乳熟期高溫?zé)岷巴淼境樗霌P(yáng)花期“寒露風(fēng)”等對雙季稻生產(chǎn)也造成不同程度影響[36-38],該區(qū)雙季稻種植綜合性研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 結(jié)論

安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季太陽總輻射極顯著下降,≥10℃積溫顯著增加,光能和熱量利用效率均顯著增加,太陽總輻射是影響早稻和晚稻氣象產(chǎn)量的主要因子。通過選擇光合效率高的品種和以增加積溫為主的栽培技術(shù)來提高雙季稻光熱資源利用效率,可實(shí)現(xiàn)水稻周年高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。