湘中地區(qū)雙季早稻的農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)適應(yīng)性研究

鄧梅 蔡海朝 馬琴 鄧見(jiàn)英 李志強(qiáng)

（1湖南省婁底市氣象局，湖南婁底417000；2氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410118）

湘中地區(qū)位于長(zhǎng)江中下游平原，水熱資源充足，屬于典型的水稻農(nóng)業(yè)區(qū)，其中雙季早稻的產(chǎn)量約占水稻總產(chǎn)的40%。在全球氣候變暖的大背景下，農(nóng)業(yè)氣候資源也隨之發(fā)生變化，在一定程度上影響了一個(gè)地區(qū)的農(nóng)作物種類和品種、種植方式和制度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和布局等，從而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)播種的時(shí)間、產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量[1-3]。艾治勇等[4]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江中游地區(qū)1960—2009年日照時(shí)數(shù)減少可能影響水稻葉片光合作用及產(chǎn)量，積溫增加可能導(dǎo)致水稻發(fā)育速度加快、生育期縮短、病蟲(chóng)害加重等；田小海等[5]研究發(fā)現(xiàn)，寧夏在1961—2009年期間，隨著氣候的變化，作物生長(zhǎng)季天數(shù)逐漸延長(zhǎng)，中晚熟水稻的適宜種植區(qū)擴(kuò)大。隨著農(nóng)業(yè)氣候資源的變化，各地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)也隨之發(fā)生改變和調(diào)整。農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)是以氣候要素的某些數(shù)值來(lái)表達(dá)它們與農(nóng)業(yè)對(duì)象之間關(guān)系的一種形式，是衡量農(nóng)業(yè)氣候條件利弊的尺度及開(kāi)展農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)，是反映氣象條件對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的特征量[6-7]。受氣候變化的影響，湘中地區(qū)的氣候資源和主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害特征也發(fā)生了變化，可能導(dǎo)致過(guò)去的雙季早稻播種期、影響其產(chǎn)量的相關(guān)農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)與當(dāng)?shù)啬壳暗臍夂驐l件或種植制度、結(jié)構(gòu)等不適應(yīng)[8]。

本研究分析了湘中地區(qū)雙季早稻播種適宜期調(diào)整，探索分析了影響雙季早稻產(chǎn)量的主要農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)的適應(yīng)性調(diào)整，最后利用氣候指標(biāo)適宜度評(píng)價(jià)模型進(jìn)行驗(yàn)證，以為湘中地區(qū)雙季早稻氣候指標(biāo)體系的建立和更新、產(chǎn)量預(yù)報(bào)和農(nóng)業(yè)氣候年景的預(yù)測(cè)等研究提供理論支撐。同時(shí)，為充分利用當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y源指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及合理調(diào)整種植制度、結(jié)構(gòu)等提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

選取了湘中地區(qū)（婁底、邵陽(yáng)、長(zhǎng)沙）共19個(gè)氣象觀測(cè)站1980—2017年的逐日氣象資料，湖南省統(tǒng)計(jì)局提供的婁底、邵陽(yáng)和長(zhǎng)沙2007—2017年的雙季早稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)，以及婁底、邵陽(yáng)和長(zhǎng)沙共3個(gè)水稻氣象觀測(cè)站提供的2007—2017年雙季早稻期間的氣象觀測(cè)資料。

1.2 理論方法

1.2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析法

該方法的基本思想是根據(jù)離散數(shù)列間的相似程度來(lái)判斷其關(guān)聯(lián)程度，是灰色系統(tǒng)理論中的一種分析方法[9]。應(yīng)用該原理，把影響湘中地區(qū)雙季早稻的可能農(nóng)業(yè)氣候因子視作一個(gè)灰色系統(tǒng)，每個(gè)農(nóng)業(yè)氣候因子則是該系統(tǒng)中的一個(gè)因素，計(jì)算系統(tǒng)中各因素的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明密切程度越高，反之則低。

該研究中主要以雙季早稻的產(chǎn)量做主體序列（X0），把其生育期分為3個(gè)階段：秧田期（Ⅰ）、移栽至分蘗期（Ⅱ）和拔節(jié)至成熟期（Ⅲ），各對(duì)應(yīng)階段的農(nóng)業(yè)氣候因子（主要有≥10℃積溫、降水量、平均氣溫和日照時(shí)數(shù)等）作為影響數(shù)列（Xi），該研究定義三個(gè)階段≥10℃積溫分別為X1、X2和X3，三個(gè)階段的降水量為X4~X6，以此類推平均氣溫和日照分別為X7~X9、X10~X12，均進(jìn)行無(wú)量綱化處理，用X0數(shù)列分別除以Xi數(shù)列，以此計(jì)算關(guān)聯(lián)度[εi（K）] 和關(guān)聯(lián)系數(shù)（ri）。

式中，min是X0和Xi在k點(diǎn)絕對(duì)差的一級(jí)最小差；Δ（min）是二級(jí)最小差；max是 X0和 Xi在 k 點(diǎn)絕對(duì)差的一級(jí)最大差；Δ（max）是二級(jí)最大差，ρ是分辨系數(shù)，為經(jīng)驗(yàn)值，一般取值0.5；k為年數(shù)[10]。

1.2.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法

選用Mann-Kendall（簡(jiǎn)稱M-K方法）檢驗(yàn)法對(duì)≥0℃和≥10℃積溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析檢驗(yàn)[11]，通過(guò)計(jì)算正、反向樣本序列的統(tǒng)計(jì)量UF和UB，UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，利用兩者的變化特點(diǎn)分析樣本序列的變化趨勢(shì)。UF＞0則表明序列有上升的趨勢(shì)，UF＜0則表明呈下降趨勢(shì)，UF=0表示持平。當(dāng)UF和UB超過(guò)0.05水平臨界直線時(shí)，表示序列上升或者下降趨勢(shì)顯著；如果UF和UB線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，則該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開(kāi)始的時(shí)間。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，探索湘中地區(qū)雙季早稻各生育期內(nèi)農(nóng)業(yè)氣候因子對(duì)產(chǎn)量的影響，篩選出4個(gè)主要農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)，然后利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)主要農(nóng)業(yè)氣候因子進(jìn)行一元二次多項(xiàng)式擬合，確定其農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)的適宜范圍。

1.4 氣候指標(biāo)適宜度評(píng)價(jià)模型

對(duì)各氣候指標(biāo)單因子適宜度運(yùn)用幾何平均法，求取平均值構(gòu)建雙季早稻各生育期氣候指標(biāo)適宜度（Si）的綜合影響模型，即：

圖1 湘中地區(qū)1980—2017年春播期穩(wěn)定通過(guò)10℃初日的變化

圖2 湘中地區(qū)1980—2017年春播期穩(wěn)定通過(guò)10℃初日的MK分析曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季早稻播期的適應(yīng)性調(diào)整

從1980—2017年湘中地區(qū)19個(gè)站點(diǎn)穩(wěn)定通過(guò)10℃初日日期可以看出，湘中地區(qū)春播期穩(wěn)定通過(guò)10℃的初日有明顯的年際變化，最早的初日為2008年3月1日，最晚在2010年4月16日，期間極差為46 d（圖1）。經(jīng)M-K突變分析發(fā)現(xiàn)，湘中地區(qū)1980—2017年春播期穩(wěn)定通過(guò)10℃初日的突變點(diǎn)在1997年，通過(guò)UF曲線可以看出，1997年后穩(wěn)定通過(guò)10℃初日提前，2004—2009年之間明顯提前（圖2）；1980—1997年湘中地區(qū)穩(wěn)定通過(guò)10℃初日平均日期為3月26日，1998—2017年穩(wěn)定通過(guò)10℃初日平均日期為3月19日，由此確定湘中地區(qū)雙季早稻的播期可由上世紀(jì)90年代制定的3下旬至4月上旬[13]，提前至3月中旬至4月初，提前了約7 d。

表1 雙季早稻產(chǎn)量Y和相關(guān)因子（Xi）的關(guān)聯(lián)度

表2 湘中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2007-2017年的雙季早稻發(fā)育期的統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)際產(chǎn)量

圖3 湘中地區(qū)雙季早稻拔節(jié)至成熟期≥10℃積溫、日照和產(chǎn)量的關(guān)系

圖4 湘中地區(qū)雙季早稻秧田期≥10℃積溫、移栽至分蘗期平均氣溫和產(chǎn)量的關(guān)系

圖5 雙季早稻生長(zhǎng)季各氣候指標(biāo)適宜度

2.2 影響因子的關(guān)聯(lián)分析

統(tǒng)計(jì)2007—2017年各階段的數(shù)據(jù)資料，以產(chǎn)量Y作為主體數(shù)列，用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將其與農(nóng)業(yè)氣候因子X(jué)1～X12進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，得到各因子的關(guān)聯(lián)度（表1）。其中，拔節(jié)至成熟期≥10℃積溫、日照時(shí)數(shù)、秧田期≥10℃積溫以及移栽至分蘗期的平均氣溫是影響雙季早稻產(chǎn)量的主要農(nóng)業(yè)氣候因子，其關(guān)聯(lián)度分別為0.8206、0.6408、0.5423 和 0.5058。

2.3 多項(xiàng)式法確定農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)

根據(jù)2.2得到的與早稻產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度最大的4個(gè)氣候因子，采用多項(xiàng)式法確定了其農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)閾值（圖3、圖4）。選取單產(chǎn)與歷年持平時(shí)各氣候因子的值為農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)閾值的最小值，得到與湘中地區(qū)雙季早稻增產(chǎn)密切的農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)閾值分別是：拔節(jié)至成熟期10℃積溫≥1 546.9℃、拔節(jié)至成熟期日照時(shí)數(shù)≥291.1 h、秧田期10℃積溫≥476.8℃和移栽至分蘗期平均氣溫≥19.8℃。目前為止，這些農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)均未出現(xiàn)造成早稻減產(chǎn)的極值。

2.4 氣候指標(biāo)適宜度評(píng)價(jià)

利用湘中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2007—2017年的雙季早稻發(fā)育期的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)際產(chǎn)量（表2），根據(jù)氣候指標(biāo)適宜度模型，計(jì)算出早稻生長(zhǎng)期內(nèi)逐旬的農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)適宜度（圖5）。從圖5可以看出，湘中地區(qū)早稻生長(zhǎng)季氣候指標(biāo)適宜度在0.36~0.74之間，氣候指標(biāo)適宜度總體呈上升的趨勢(shì)，且通過(guò)了信度α=0.05的顯著性檢驗(yàn)；但在3月中旬、5月上旬和7月上旬，其氣候指標(biāo)適宜度低于雙季早稻適宜度的總趨勢(shì)線，這3個(gè)階段為“倒春寒”“5月低溫”和“高溫?zé)岷Α钡绒r(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的多發(fā)期，故導(dǎo)致適宜度較差，其余時(shí)段的適宜度均高于雙季早稻適宜度的總趨勢(shì)線，說(shuō)明這些氣候指標(biāo)適宜應(yīng)用到湘中地區(qū)雙季早稻的實(shí)際生產(chǎn)。

3 結(jié)論與討論

經(jīng)M-K突變分析確定湘中地區(qū)雙季早稻的播期可由上世紀(jì)90年代制定的3下旬至4月上旬提前至3月中旬至4月初，提前了約7 d。統(tǒng)計(jì)分析湘中地區(qū)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站2007—2017年雙季早稻資料，發(fā)現(xiàn)3月16日至4月1日為湘中地區(qū)雙季早稻播種的適宜期，這與謝遠(yuǎn)玉等[14]研究的熱量資源的增加使早稻的安全播期平均提前6 d相一致。劉維等[15]認(rèn)為，提前播種移栽有利于提高抽穗至成熟期溫度的適宜度，能有效避開(kāi)高溫?zé)岷?duì)早稻的影響，但播期的提前對(duì)早稻稻米的品質(zhì)是否會(huì)有影響還未可知。

采用灰色關(guān)聯(lián)和多項(xiàng)式法確定了影響雙季早稻產(chǎn)量的主要農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)及其閾值：拔節(jié)至成熟期10℃以上積溫≥1 553.7℃、拔節(jié)至成熟期日照時(shí)數(shù)≥281.7 h、秧田期10℃以上積溫≥467.4℃和移栽至分蘗期平均氣溫≥20.8℃。有關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化中氣溫、降水和日照等的變化，是影響水稻產(chǎn)量的重要因素[16-17]。

經(jīng)氣候指標(biāo)適宜度模型驗(yàn)證，得出雙季早稻生長(zhǎng)季氣候指標(biāo)適宜度在0.36~0.74之間，總體呈上升的趨勢(shì)，但在“倒春寒”“5月低溫”和“高溫?zé)岷Α钡绒r(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的多發(fā)時(shí)段，其適宜度較差，其他時(shí)段的適宜度均高于雙季早稻適宜度的總趨勢(shì)線，且通過(guò)了信度α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明這些氣候指標(biāo)適宜應(yīng)用到湘中地區(qū)雙季早稻的實(shí)際生產(chǎn)。

本研究為湘中地區(qū)雙季早稻氣候指標(biāo)體系的建立和更新、產(chǎn)量預(yù)報(bào)和農(nóng)業(yè)氣候年景的預(yù)測(cè)等研究提供了理論支撐；同時(shí)，為充分利用當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y源指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及合理調(diào)整種植制度、結(jié)構(gòu)等提供了依據(jù)。但文中雙季早稻生育期劃分時(shí)，沒(méi)有考慮不同品種間的差異性，且氣候指標(biāo)適宜度模型參數(shù)的穩(wěn)定性與代表性需要更廣范圍和更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)進(jìn)行確定和驗(yàn)證。另外，設(shè)置農(nóng)業(yè)氣候指標(biāo)時(shí)并沒(méi)有考慮到農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生率及其影響，故有待進(jìn)一步深入研究，使其更科學(xué)。