基于模糊數(shù)學的安徽雙季早稻生長季氣候適宜性評價

王學林 柳軍 黃琴琴

摘要：利用安徽省均勻分布的國家常規(guī)氣象觀測站1965—2012年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，在已有研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)構(gòu)建了基于降水量、日照時數(shù)及溫度的安徽省雙季早稻不同生育期氣候適宜度模型。運用Matlab軟件計算各站點不同水稻生育期氣候適宜度日值，在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析了不同發(fā)育階段各氣象要素空間分布特征和時間變化規(guī)律。結(jié)果表明，（1）雙季早稻降水、日照、溫度及氣候適宜度分布存在空間差異，總體上南部優(yōu)于北部，而且這種空間分布差異隨生育階段而改變;（2）雙季早稻降水、日照、溫度及氣候適宜度值在不同發(fā)育階段有所不同，早稻溫度適宜度總體上呈上升趨勢，而日照和降水適宜度則總體呈微弱下降趨勢。（3）在全球氣候變暖的背景下，降水量和日照時數(shù)隨著溫度升高，受到了一定負影響，使得二者都對水稻生長產(chǎn)生了負效應，而這種效應的疊加，在某種程度上，增大了氣候的不適宜性，不利于水稻的發(fā)育。

關(guān)鍵詞：安徽;雙季早稻;氣候適宜性;氣候變化

中圖分類號： S162.5+3 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0054-07

光、溫、水是影響作物生長發(fā)育最重要的3種氣候因子，氣候適宜度是把氣候因子（溫度、光照、降水等）的數(shù)量變化，通過數(shù)學方法定量描述氣候資源對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)影響的指標。氣候適宜度評價以氣候因子數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過建立數(shù)學模型來定量綜合評價與分析區(qū)域氣候資源狀況。

20世紀80年代，陳國禎等首次提出了綜合農(nóng)業(yè)氣候要素適宜態(tài)的效能模型、均值模型與結(jié)構(gòu)模型以及農(nóng)業(yè)氣候的效能指數(shù)、農(nóng)業(yè)氣候的資源指數(shù)等概念，并制作了中國農(nóng)業(yè)氣候適宜度分布圖[1-2]。晏路明在用主成分分析方法進行農(nóng)業(yè)氣候系統(tǒng)功能的綜合評價時，建立了單項氣候資源指數(shù)、總氣候資源指數(shù)、效能指數(shù)與利用系數(shù)模型[3]。黃璜等研究了水稻、玉米、小麥等作物生育期內(nèi)的氣候適宜度，并由此提出了相應的生產(chǎn)管理措施[4-5]。王雪娥通過運用系統(tǒng)論觀點和模糊數(shù)學方法建立了玉米氣候適宜度動態(tài)模型，并比較了我國河北省和美國密蘇里州的玉米氣候指數(shù)[6]。蔡福等根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象干旱指標建立了玉米不同發(fā)育期的水分適宜度模型[7]。魏瑞江等成功將氣候適宜度分別應用于玉米和水稻產(chǎn)量預報中[8-9]。侯英雨等構(gòu)建了日尺度氣候適宜度模型以反映東北春玉米的生長發(fā)育狀態(tài)[10]。黃淑娥等對江西省雙季稻種植期間的氣候條件進行分析，并建立了相應的適宜度評價模型[11]。但是目前關(guān)于安徽省早稻氣候適宜度的研究涉及較少，本研究擬構(gòu)建基于日尺度的安徽省雙季早稻氣候適宜度模型，并在此基礎(chǔ)上，分析安徽省雙季早稻不同發(fā)育階段降水、日照、溫度適宜度時空分布特征和年際變化規(guī)律，以期為安徽省早稻種植布局及氣象災害防御提供科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 氣象資料來源

氣象數(shù)據(jù)來源于安徽省氣象信息中心，主要包括1965—2012年安徽省國家級站點逐日平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水量、日照時數(shù)等常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)。在運用數(shù)據(jù)前先對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，去除缺測值大于5 d的數(shù)據(jù)，對缺測值小于5 d的數(shù)據(jù)采用5日滑動平均法進行處理，以保證數(shù)據(jù)資料的一致性。

1.2 氣候適宜度模型

安徽省地處長江中下游，是雙季稻適宜栽培區(qū)之一，雙季稻生長季節(jié)一般在3—10月，其發(fā)育時間長短主要取決于生長期內(nèi)氣候因子好壞。由于溫、光、水的季節(jié)變化特征以及受近年來全球氣候變暖的影響，早稻生長期間春季低溫連陰雨、小滿寒、汛期洪澇、高溫（逼熟）、伏秋干旱、秋季低溫等氣象災害頻發(fā)，造成水稻產(chǎn)量波動大。因此，系統(tǒng)分析安徽省雙季早稻種植區(qū)光、溫、水氣候適宜度時空變化特征，可為該省雙季早稻優(yōu)化種植布局、選擇品種和關(guān)鍵期調(diào)整提供科學依據(jù)。本研究重點從光、溫、水3個方面構(gòu)建氣候適宜度模型。

1.2.1 溫度適宜度模型 氣溫對農(nóng)作物生長發(fā)育的適宜度可用隸屬函數(shù)來表示，溫度適宜度[12]為

S（T）=（T-Tmin）（Tmax-T）B（T0-Tmin）（Tmax-T0）B;

B=（Tmax-T0）/（T0-Tmin）。

式中：S（T）為早稻生長發(fā)育過程中溫度適宜度;T為早稻發(fā)育階段的旬平均溫度;B為由三基點溫度決定的常數(shù);Tmin、Tmax、T0分別為早稻各生育期的三基點溫度，即下限溫度、上限溫度和最適溫度，其取值見表1。

1.2.2 降水適宜度模型

S（R）=R/R0，R≤R0

R0/R，R0 式中：S（R）為早稻各發(fā)育階段降水適宜度值;R為早稻不同發(fā)育階段旬累積降水量;R0為早稻在某個特定發(fā)育階段生理需水量。雙季早稻移栽至大田后不同發(fā)育階段的生理需水量R0值見表1[12-13]。

1.2.3 日照適宜度模型

S（S）=e-[（S-S0）/b]2， S 1，S≥S0。

式中：S（S）為早稻各發(fā)育階段日照適宜度值;S為早稻不同生育階段旬實際日照時數(shù);S0為早稻相應生育期光照條件達到適宜狀態(tài)的日照時數(shù);b為日照適宜度參數(shù)，本研究取日照百分率達70%時作為雙季早稻生長發(fā)育最適宜狀態(tài)。

1.2.4 氣候適宜度模型 采用幾何平均方法對溫度、降水、日照單因子適宜度求取平均值構(gòu)建雙季早稻不同發(fā)育階段綜合氣候適宜度模型[14]，即

Si=3Si（T）×Si（R）×Si（S）。

式中：Si為雙季早稻各發(fā)育階段氣候適宜度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 安徽雙季早稻不同生育期氣候適宜度空間分析

2.1.1 降水適宜度分析 安徽省早稻不同生育期降水適宜度值空間分布見圖1。早稻秧苗期（圖1-a）降水適宜度值在0.30～0.67之間，自北向南具有明顯的帶狀分布特征，低值區(qū)位于最北部碭山縣、亳州市，六安市、合肥市、滁州市以南地區(qū)降水適宜度值均超過0.50，降水較豐富，要注意及時開溝排水，防止長期淹苗。移栽返青期降水適宜度分布見圖1-b，總體與秧苗期差異不大，降水適宜度平均為0.53，北部碭山縣、亳州市和宿州市較低，為0.39～0.45，南部的六安市、合肥市、滁州市和寧國市適宜度較高，約在0.62～0.67之間，降水資源較豐富。早稻分蘗期降水適宜度分布見圖1-c，全省大部分地區(qū)分蘗期降水適宜度值均超過0.50，高值區(qū)主要位于長江流域附近一帶，各地區(qū)降水適宜度與移栽返青期總體一致。圖1-d為拔節(jié)孕穗期降水適宜度分布情況，全省平均降水適宜度在 0.47 左右，適宜度值總體呈現(xiàn)北低南高趨勢，但是0.50適宜度分界線向南收縮到六安市、合肥市和滁州市一帶。安徽省早稻抽穗開花期降水適宜度分布見圖1-e，全省大部分地區(qū)降水適宜度值均超過0.50，表明早稻抽穗灌漿期降水較豐富，較不適宜區(qū)（0.47～0.50）主要包括北部的碭山縣、亳州市和宿州市，最適宜區(qū)（0.61～0.63）為南部的霍山縣、寧國市和滁州市，其他地區(qū)降水適宜度自北向南遞增。早稻灌漿成熟期降水適宜度分布見圖1-f，全省降水適宜度均超過0.50，平均降水適宜度為0.56，降水較不適宜地區(qū)（0.50～0.53）主要在合肥市、六安市和安慶市等地。

2.1.2 溫度適宜度分析 大多作物對溫度較為敏感，過高或過低的溫度對作物的生長發(fā)育均不利，只有滿足一定的溫度條件，作物才能進行正常的生長發(fā)育。早稻苗期溫度適宜度分布見圖2-a，全省苗期溫度適宜度值自北向南整體呈現(xiàn)增加的趨勢，平均值低于0.50，適宜區(qū)（0.32～0.35）分布在碭山縣、宿州市和壽縣一帶，最適宜區(qū)（0.44～0.45）為南部的安慶市和屯溪區(qū)。移栽返青期各地溫度適宜度值（圖2-b）均高于苗期，其整體分布規(guī)律與苗期基本相似。分蘗期早稻溫度適宜度（圖2-c）呈現(xiàn)南高北低的趨勢，平均值在0.51左右，壽縣是適宜度低值區(qū)（0.45），安慶市適宜度最高（0.58），較不適宜區(qū)（0.45～0.48）位于碭山縣、宿州市和滁州市一帶。拔節(jié)孕穗期溫度適宜度值（圖2-d）明顯高于苗期、移栽返青期和分蘗期，從東南向西北整體降低，適宜度值在0.75～0.84之間，最適宜區(qū)（0.83～0.84）分布在亳州市、阜陽市和安慶市等地。抽穗開花期溫度適宜度值分布見圖2-e，全省溫度適宜度為0.69～0.79，亳州市最高，寧國市最低，平均值約為0.75，且北部高于南部。灌漿成熟期溫度適宜度值（圖3-f）以碭山縣最高，安慶市最低，從北到南整體呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢。

2.1.3 日照適宜度分析 光是作物物質(zhì)和能量的根本來源，同時也是光合作用的必備條件，光照時間的多少不僅會影響到植物的正常生理活動，而且對作物最終產(chǎn)量的形成有決定性作用。由圖3-a可知，安徽省早稻苗期日照適宜度值在0.40～0.69之間，整體隨緯度增大而增加，呈明顯的帶狀分布特征，較不適宜區(qū)（0.40～0.46）為屯溪區(qū)和安慶市，較適宜區(qū)（0.64～0.69）為碭山縣、宿州市和亳州市。移栽返青期日照適宜度（圖3-b）較苗期有所增加，且在低緯度地區(qū)增加更明顯，適宜度值處于0.46～0.70之間。分蘗期和拔節(jié)孕穗期日照適宜度分別見圖3-c和圖 3-d，拔節(jié)孕穗期適宜度略高于分蘗期，分蘗期日照適宜度為0.47～0.69，全省平均適宜度值約為0.59，拔節(jié)孕穗期日照適宜度為0.52～0.73，平均適宜度值在0.64左右，2個生育期日照適宜度均整體隨緯度增加而增加。早稻抽穗開花期日照適宜度分布見圖3-e，全省日照適宜度為0.47～0.70，具有明顯的北高南低的帶狀分布特征，日照較適宜區(qū)分布在亳州市、宿州市和碭山縣等地，較不適宜區(qū)位于屯溪區(qū)和寧國市一帶。灌漿成熟期日照適宜度值在0.57～0.64之間（圖3-f），不同等級日照適宜度在全省成片狀分布，但是總體而言，南部較高而北部相對較低，較不適宜區(qū)（0.57～0.58）為蚌埠市、阜陽市和滁州市等地，較適宜區(qū)（0.64）在安慶市、屯溪區(qū)和寧國市等地。

2.1.4 氣候適宜度分析 光、溫、水作為影響植物生長發(fā)育最重要的三大氣候因子，其對植物的影響并不是獨立的，而是通過相互作用共同決定植物的生長狀況。早稻不同發(fā)育階段綜合氣候適宜度分布見圖4，雙季早稻苗期氣候適宜度值（圖4-a）為0.40～0.52，較適宜區(qū)（0.51～0.52）為六安市、合肥市和安慶市等地。移栽返青期氣候適宜度值（圖4-b）較苗期有所增加，但是不同等級適宜度區(qū)域的分布情況較為接近。

早稻分蘗期氣候適宜度值分布見圖4-c，全省氣候適宜度均高于0.50，變化幅度較小，其中碭山縣一帶最低，六安市附近最高，較適宜區(qū)（0.58～0.59）為六安市和巢湖市等地，由此向南北2個方向適宜度逐漸下降。拔節(jié)孕穗期氣候適宜度分布見圖4-d，全省氣候適宜度值為0.56～0.66，較適宜區(qū)（0.65～0.66）包括六安市、安慶市和寧國市等地，較不適宜區(qū)（0.56～0.58）在碭山縣一帶，其他地區(qū)氣候適宜度總體隨緯度降低而增加。圖4-e為抽穗開花期氣候適宜度分布，全省氣候適宜度值為0.57～0.64，變化幅度較小，氣候適宜度值總體自東南向西北增加，氣候較適宜（0.64）地區(qū)為碭山縣、亳州市、宿州市、阜陽市、壽縣。圖4-f為灌漿成熟期氣候適宜度分布，全省氣候適宜度為0.59～0.68，較不適宜區(qū)（0.59～0.61）包括合肥市和安慶市，其他地區(qū)氣候適宜度以此為中心向西北和東南部2個方向逐漸遞增。

2.2 安徽雙季早稻各生育期年際變化特征

1965—2012年早稻不同生育期氣候適宜度變化見圖5。圖5-a表示各發(fā)育期降水適宜度變化情況，苗期降水適宜度隨時間的變化存在明顯的波動性，1979年最大，為0.78，1983年最小，僅為0.24。移栽返青期降水適宜度為0.23～0.78，1981年最大，而2002年最小，全時間域內(nèi)波動周期約為5年，但是20世紀80年代中期到90年代中期降水適宜度相對較為穩(wěn)定，為0.50左右。分蘗期降水適宜度為0.19～0.83。拔節(jié)孕穗期降水適宜度為0.13～0.79，20世紀90年代前波動周期變化較大，90年代后波動周期相對穩(wěn)定，為3年左右。抽穗開花期降水適宜度年際變化較穩(wěn)定，在20世紀80年代中后期到21世紀前期表現(xiàn)尤其明顯。灌漿成熟期降水適宜度為0.29～0.75。

1965—2012年早稻溫度適宜度的年際變化見圖5-b，不同時期的適宜度值存在較大差異。苗期溫度適宜度為 0.15～0.59，波動變化周期為3～6年。移栽返青期溫度適宜度震蕩最為明顯，振幅較大，其值在0.05～0.79之間波動，存在6～10年的波動周期。分蘗期溫度適宜度總體穩(wěn)定，在0.50上下波動。拔節(jié)孕穗期溫度適宜度值在0.65～0.94之間，平均溫度適宜度高達0.81。抽穗開花期溫度適宜度為0.55～0.93，總體趨勢與拔節(jié)孕穗期相似。灌漿成熟期溫度適宜度波動較大，最高達0.94，最低為 0.39，波動變化周期也不固定，為6～10年。

圖5-c為早稻不同發(fā)育期日照適宜度的年際變化特征，苗期適宜度為0.34～0.73，20世紀60年代中期到90年代日照適宜度總體呈下降趨勢，90年代后總體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。移栽返青期和分蘗孕穗期日照適宜度波動趨勢相近，1990年之后波動周期有減小趨勢。拔節(jié)孕穗期日照適宜度總體相對穩(wěn)定，為0.27～0.89，1973年達到最大值，1996年為最小值，其波動周期約為7年。抽穗開花期日照適宜度為0.40～0.80，其周期性變化不明顯，而1990年之后則表現(xiàn)出上升趨勢。早稻灌漿成熟期日照適宜度年際變化明顯，總體呈現(xiàn)微弱下降趨勢。

早稻不同發(fā)育期綜合氣候適宜度年際變化見圖5-d，拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和灌漿成熟期氣候適宜度總體高于苗期、移栽返青期和分蘗期。苗期氣候適宜度值大部分時期在0.40～0.50之間，但是2000年之后則表現(xiàn)出隨時間總體升高趨勢。移栽返青期氣候適宜度相對穩(wěn)定，存在10年左右的波動性變化。分蘗期氣候適宜度為0.33～0.68，1990年前后均維持在相對平穩(wěn)的狀態(tài)，但是1990年之后氣候適宜度略高于1990年之前。拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期和灌漿成熟期氣候總體較適宜，平均氣候適宜度分別為0.61、0.61、0.62，其變化特征較為相似，波動性變化周期為6年左右。

3 結(jié)果與討論

光、溫、水是影響植物生長發(fā)育最直接和最重要的氣候因子，光照是植物進行光合作用的重要前提，溫度對植物光合作用和呼吸作用的強度有直接影響，同時積溫是植物完成諸多生命活動的基礎(chǔ)，水既是光合作用的重要原料之一，同時也是保持細胞形狀穩(wěn)定和內(nèi)部物質(zhì)流動性的重要保證。

本研究以多年觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了安徽省早稻不同時期光照、溫度、降水及其綜合氣候適宜度的時空分布規(guī)律。降水適宜度從苗期到抽穗開花期大致隨緯度增加而減小，灌漿成熟期降水適宜度分布為中部低，南北兩端高。溫度適宜度從苗期到分蘗期均大體表現(xiàn)為南高北低，拔節(jié)孕穗期則大體呈西高東低趨勢，抽穗開花期和灌漿成熟期則大體表現(xiàn)出南低北高的特征。從苗期到抽穗開花期，日照適宜度從北到南均大體呈階梯狀遞減，灌漿成熟期日照適宜度則自東部向四周擴散增加。苗期到拔節(jié)孕穗期，綜合氣候適宜度均大體表現(xiàn)為南部高而北部低的特征，最適宜區(qū)域由安徽省南部偏北逐步向南和西部延伸;抽穗開花期和灌漿成熟期氣候適宜度的分布大體為北高南低。不同發(fā)育期溫度適宜度前后差異明顯，苗期到分蘗期的溫度適宜度明顯低于拔節(jié)孕穗期到灌漿成熟期。苗期和抽穗開花期日照適宜度在1990年前后表現(xiàn)出一定差異，移栽期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期和灌漿成熟期分別以0.006/10年、-0.003/10年、-0.033/10年、-0.035/10年線性變化。

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