江蘇省水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)變化特征及與綜合氣候適宜度的關(guān)系

徐敏 徐樂 巫麗君 張佩 高蘋

摘要：利用江蘇省水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)觀測資料和逐日氣象資料，采用灰色關(guān)聯(lián)等統(tǒng)計(jì)方法及改進(jìn)適宜度模型參數(shù)，分析產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的時空變化特征及單產(chǎn)與綜合氣候適宜度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，穗粒數(shù)均呈顯著的線性上升趨勢（082粒/年），且區(qū)域間差異在逐步縮小;千粒質(zhì)量總體變化范圍是20.1～36.9 g，年代際間區(qū)域性差異變化不大;水稻空殼率總體在逐步降低;產(chǎn)量結(jié)構(gòu)三要素占地段單產(chǎn)權(quán)重的總體排序?yàn)樗肓?shù)（0.345）>千粒質(zhì)量（0.330）>單位面積有效穗數(shù)（0.326），穗粒數(shù)對地段單產(chǎn)的權(quán)重最大，大穗依然是提高水稻單產(chǎn)的主要途徑;理論單產(chǎn)總體高于地段單產(chǎn)，兩者歷年比值平均在0.93以上;構(gòu)建的綜合氣候適宜度在大部分地區(qū)與地段單產(chǎn)有較好的對應(yīng)關(guān)系，尤其是鎮(zhèn)江、昆山、興化，相關(guān)系數(shù)通過了0.001顯著性檢驗(yàn);綜合氣候適宜度存在明顯的年代際變化，從20世紀(jì)90年代開始，最適宜區(qū)面積明顯減少，較適宜區(qū)面積在逐步增加。研究結(jié)果將為提高水稻單產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水稻;產(chǎn)量結(jié)構(gòu);綜合氣候適宜度;灰色關(guān)聯(lián)法;單產(chǎn)

中圖分類號：S162.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0103-05

水稻是我國主要糧食作物之一，常年種植面積和總產(chǎn)量占糧食作物的27%和43%左右[1]，全國有65%的人口是以稻米為主食，需求量大，但人增地減的趨勢在相當(dāng)長的時期內(nèi)還難以遏制，為保障糧食安全，提高水稻單產(chǎn)是基本途徑[2]。水稻產(chǎn)量是由單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量3個因素構(gòu)成。在水稻生長過程中，溫度、光照、降水是影響其產(chǎn)量高低的重要因子，前人就水稻生育期間的氣象條件與產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究。駱宗強(qiáng)等通過水稻孕穗期高溫脅迫處理試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水稻光合速率和產(chǎn)量均出現(xiàn)不同程度的降低，高溫導(dǎo)致穎花結(jié)實(shí)率降低、穎花量減少[3];楊惠杰等發(fā)現(xiàn)，光照不足會降低水稻光合作用，減少干物質(zhì)積累，但能提高養(yǎng)分運(yùn)轉(zhuǎn)率[4];楊雪蓮等發(fā)現(xiàn)，弱光下水稻光合速率下降，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率及千粒質(zhì)量降低等[5];寧金花等通過水稻拔節(jié)期淹澇脅迫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同處理對產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響均表現(xiàn)為空殼率高、穗結(jié)實(shí)率低和千粒質(zhì)量低，湖南超級雙季晚稻穗結(jié)實(shí)率與積溫、光照呈拋物線關(guān)系[6];龔金龍等通過溫度脅迫試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水稻生理生化活性下降，光合功能降低，抗逆性減弱，干物質(zhì)積累和運(yùn)轉(zhuǎn)受抑，從而造成產(chǎn)量下降及品質(zhì)變劣[7]。由此可見，前人通過多種試驗(yàn)研究了氣象因子對產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響，多側(cè)重于氣象單因子的影響，但在水稻實(shí)際生長過程中，最終產(chǎn)量的形成受整個生育期的光溫水共同影響，因此有必要探討光溫水綜合適宜程度與產(chǎn)量之間的關(guān)系。

本研究利用江蘇省農(nóng)試站的觀測資料，分析近幾十年的水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)變化特征，并確定穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量占單產(chǎn)的權(quán)重，以此提出提高單產(chǎn)的主要途徑;分別計(jì)算水稻全生育期溫度、降水、日照的適宜度，通過適宜度與單產(chǎn)的相關(guān)性確定各要素適宜度的權(quán)重，最終構(gòu)建綜合氣候適宜度，分析其與實(shí)際單產(chǎn)的關(guān)系。研究結(jié)果將為提高水稻單產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)和生育期觀測資料來自江蘇省8個農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，產(chǎn)量結(jié)構(gòu)包含單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、地段單產(chǎn)，生育期包含播種期、出苗期、返青期、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、成熟期，農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站地點(diǎn)及資料長度分別為鎮(zhèn)江站點(diǎn)（1980—2016年）、宜興站點(diǎn)（1980—2016年）、高淳站點(diǎn)（1990—2016年）、昆山站點(diǎn)（1980—2016年）、興化站點(diǎn)（1980—2016年）、贛榆站點(diǎn)（1981—2016年）、徐州站點(diǎn)（1986—2016年）、淮安站點(diǎn)（1984—2016年）。

氣象觀測資料來自江蘇省70個自動氣象觀測站，包括1961—2016年逐日平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、日照百分率，用于計(jì)算溫度適宜度、降水適宜度、日照適宜度。

1.2 研究方法

1.2.1 灰色關(guān)聯(lián)分析方法 灰色關(guān)聯(lián)法是對系統(tǒng)動態(tài)過程的發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行量化比較分析，利用因子間的幾何接近，診斷和確定因子對系統(tǒng)主體行為的影響程度，即關(guān)聯(lián)性大小[8]。該方法用于確定單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量對地段單產(chǎn)的影響權(quán)重。計(jì)算步驟：確定參考序列和比較序列，文中參考序列指地段單產(chǎn)，比較序列為單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量;對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理;求絕對差序列;計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度。

式中：m表示總年數(shù);x0（j）為參考序列，即地段單產(chǎn);xi（j）為比較序列，即各產(chǎn)量結(jié)構(gòu)要素;j為某序列的個數(shù);i為比較序列種類。ρ∈（0，1）為分辨系數(shù)，是為了削弱兩極最大差數(shù)值太大造成的失真，從而提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，一般取值為 0.5。RRi為灰色關(guān)聯(lián)度，該值越大說明參考序列和比較序列的關(guān)聯(lián)程度越大，反之越小。

1.2.2 氣候適宜度模型及參數(shù)的改進(jìn)方法 在水稻生長過程中，光溫水匹配程度的高低對最終產(chǎn)量的形成非常關(guān)鍵，為了定量評價(jià)氣象條件對水稻的影響，通常采用氣候適宜度模型。對于溫度條件，利用模糊數(shù)學(xué)原理，通過非線性數(shù)學(xué)表達(dá)式，表征作物對不同氣溫的反應(yīng)，作物的上下限溫度和適宜溫度為函數(shù)中的參數(shù)，經(jīng)前人研究，該函數(shù)具有普適性[9]。對于日照條件，已有研究表明：當(dāng)日照時間超過可照時間的70%時，作物對光照的反應(yīng)達(dá)到適宜狀態(tài)，利于光合積累，反之光照適宜度隨日照時間的增加呈e指數(shù)增加[10]。對于降水條件，對作物生長的滿足程度由降水的收支比表示，收入主要是天然降水和人工灌溉（受資料限制，文中不考慮人工灌溉），支出主要是作物自身的蒸騰和蒸散[11]。受篇幅限制，溫度、日照、降水的適宜度計(jì)算公式不再列出。

在計(jì)算溫度、日照和降水的適宜度時，須要用到相應(yīng)的指標(biāo)和參數(shù)，通過《大宗作物氣象服務(wù)手冊》中關(guān)于水稻的生長氣象指標(biāo)以及相關(guān)學(xué)者的研究成果[12-14]獲取水稻生長過程中相應(yīng)的臨界指標(biāo)和參數(shù)（表1）。由于原有指標(biāo)和參數(shù)是針對某個生育期且是固定值，使得不同發(fā)育期之間存在不連續(xù)現(xiàn)象，這并不符合作物生長發(fā)育的生理規(guī)律，為了解決這個問題采用文獻(xiàn)[15]中多項(xiàng)式擬合法，將溫度指標(biāo)和參數(shù)擬合到逐日，建立動態(tài)的變化曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)變化特征分析

水稻產(chǎn)量結(jié)構(gòu)由畝有效穗數(shù)（1 hm2=15畝，下同）、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量構(gòu)成，單產(chǎn)的高低受產(chǎn)量結(jié)構(gòu)三要素的綜合影響。1980—2016年江蘇省平均地段單產(chǎn)與穗粒數(shù)的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.743，呈顯著正相關(guān)，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)，地段單產(chǎn)與畝有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量的相關(guān)性不明顯。從時間變化來看（圖1），地段單產(chǎn)與穗粒數(shù)均呈顯著上升趨勢，線性趨勢分別達(dá)0.66 kg/（hm2·年）、0.82粒/年;從區(qū)域差異性來看，在20世紀(jì)80年代至90年代前期，畝有效穗數(shù)和穗粒數(shù)區(qū)域間差異比較大，分別為11.3萬～44.4萬穗、41.2～147.2粒，到了21世紀(jì)，區(qū)域間差異逐步縮小;千粒質(zhì)量區(qū)域間存在差異，但年代際間區(qū)域性差異變化不大，總體變化范圍是201～36.9 g。

利用公式（1）計(jì)算單位面積有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量與地段單產(chǎn)的關(guān)聯(lián)程度?；疑P(guān)聯(lián)度值（用RR表示）越大表示產(chǎn)量結(jié)構(gòu)要素對地段單產(chǎn)的影響作用越強(qiáng)，貢獻(xiàn)作用越顯著，反之亦然。通常，當(dāng)0千粒質(zhì)量（0.330）>單位面積有效穗數(shù)（0.326），可見穗粒數(shù)對地段單產(chǎn)的權(quán)重最大，這與姜元華等的研究結(jié)果（產(chǎn)量構(gòu)成因素對產(chǎn)量的凈貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為總穎花量>結(jié)實(shí)率>千粒質(zhì)量，對總穎花量的凈貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為每穗粒數(shù)大于有效穗數(shù)，說明大穗依然是水稻高產(chǎn)的主要途徑）[16]一致。

從各站歷年水稻空殼率變化特征來看，20世紀(jì)80年代，各站空殼率普遍較高，鎮(zhèn)江、宜興、高淳、昆山、興化、贛榆、徐州、淮安水稻空殼率分別從1993、1991、1994、1993、1986、1998、2007、2012年開始降為10%以內(nèi)，在這些轉(zhuǎn)折年之前，空殼率都比較高，基本上都在10%以上，平均值分別為1047%、10.85%、16.40%、10.45%、12.20%、12.09%、1056%、11.83%。從區(qū)域差異來看，從20世紀(jì)90年代中期起，淮河以南的空殼率明顯小于淮河以北的空殼率。

2.2 水稻理論單產(chǎn)與地段單產(chǎn)的關(guān)系

根據(jù)水稻理論單產(chǎn)由畝穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量求積的農(nóng)學(xué)原理[17-18]，分析理論單產(chǎn)與地段實(shí)際單產(chǎn)之間的關(guān)系。從圖2可以看出，各站理論單產(chǎn)與地段單產(chǎn)的時間波動特征基本一致，理論單產(chǎn)總體高于地段單產(chǎn)，但站與站之間的變化趨勢存在差異，其中鎮(zhèn)江和昆山的水稻單產(chǎn)無論是理論單產(chǎn)還是地段單產(chǎn)，增加趨勢都較為明顯，地段單產(chǎn)線性趨勢分別為0.86、0.71 kg/（hm2·年），通過了0.001顯著性檢驗(yàn)，高淳和贛榆有弱的增加趨勢;宜興、興化、徐州、淮安均屬于2000年以前單產(chǎn)年際波動性大，2000年之后單產(chǎn)年際波動相對平穩(wěn)。經(jīng)計(jì)算，鎮(zhèn)江、宜興、高淳、昆山、興化、贛榆、徐州、淮安的理論單產(chǎn)與地段單產(chǎn)之間的歷年平均比值分別為0.94、0.97、0.99、0.99、0.96、0.97、0.97、0.93，平均偏差分別為569.82、558.38、469.69、584.11、573.51、348.28、489.38、714.26 kg/hm2。從區(qū)域間差異來看，21世紀(jì)淮河以南地區(qū)（鎮(zhèn)江、宜興、高淳、昆山、興化）無論地段單產(chǎn)還是理論單產(chǎn)均高于淮河以北地區(qū)（贛榆、徐州、淮安），其中淮河以南的平均地段單產(chǎn)為9 160.17 kg/hm2，淮河以北的平均地段單產(chǎn)為7 712.61 kg/hm2。由此可見，地段單產(chǎn)與理論單產(chǎn)之間關(guān)聯(lián)度非常高，各地理論單產(chǎn)比地段單產(chǎn)偏高的幅度為348.28～714.26 kg/hm2，若不考慮區(qū)域差異，理論單產(chǎn)比地段單產(chǎn)平均偏高538.43 kg/hm2。

2.3 構(gòu)建綜合氣候適宜度

通過溫度適宜度、日照適宜度、降水適宜度與地段單產(chǎn)的相關(guān)系數(shù)，確定溫度、日照和降水的權(quán)重（表3），對于淮河以南地區(qū)，溫度適宜度對水稻地段單產(chǎn)的影響權(quán)重均占比最大，在0.453～0.751之間，其次是日照適宜度，降水適宜度所占影響權(quán)重較日照適宜度相對小一些;對于淮北地區(qū)，贛榆地區(qū)氣象條件影響權(quán)重排序?yàn)闇囟冗m宜度>降水適宜度>日照適宜度，徐州和淮安氣象條件影響權(quán)重排序?yàn)槿照者m宜度>降水適宜度>溫度適宜度。由此可見，溫度、日照、降水適宜度對地段單產(chǎn)的影響權(quán)重存在地區(qū)差異，可能與地理位置、地形、氣候條件、田間管理措施、生產(chǎn)技術(shù)水平等有關(guān)。

根據(jù)以上溫度、日照、降水的影響權(quán)重，按照公式（2）構(gòu)建各站水稻地段單產(chǎn)的綜合氣候適宜度，并計(jì)算鎮(zhèn)江、宜興、高淳、昆山、興化、贛榆、徐州、淮安綜合氣候適宜度與地段單產(chǎn)的相關(guān)系數(shù)，分別為0.640、0.218、0.315、0.600、0.550、0.343、0.475、0.272，經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn)，鎮(zhèn)江、昆山、興化均通過了0.001顯著性檢驗(yàn)，徐州通過了0.01顯著性檢驗(yàn)，贛榆通過了0.05顯著性檢驗(yàn)，宜興、高淳、淮安相關(guān)性比較弱。從分權(quán)重綜合氣候適宜度與歸一化地段單產(chǎn)的時間變化序列來看，以鎮(zhèn)江為例（圖3），兩者的波動特征總體相近、時間變化趨勢基本一致，從20世紀(jì)90年代開始均呈現(xiàn)出較明顯的增加趨勢，其中2013年兩者間的差異比較大，主要是因?yàn)?013年7—8月江蘇省淮河以南地區(qū)出現(xiàn)了1961年來罕見的大范圍持續(xù)性高溫天氣，全省有34個站點(diǎn)累計(jì)高溫日數(shù)超本站歷史記錄，而鎮(zhèn)江站的溫度適宜度對水稻地段單產(chǎn)的影響權(quán)重最大，所以計(jì)算出的水稻綜合氣候適宜度為21世紀(jì)最小值（0.050），但是實(shí)際的地段單產(chǎn)卻并不小，這與品種抗高溫能力、農(nóng)業(yè)部門采取了抗高溫措施等有關(guān)，因此，當(dāng)遇到極端氣候事件時，綜合氣候適宜度與地段單產(chǎn)之間對應(yīng)關(guān)系差，此時須要考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況?？偟膩碚f，構(gòu)建的綜合氣候適宜度在大部分地區(qū)與地段單產(chǎn)之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系，在小部分地區(qū)對應(yīng)關(guān)系不明顯。

2.4 水稻綜合氣候適宜度年代際空間分布特征

為進(jìn)一步了解歷史上各年代江蘇省綜合氣候適宜度空間分布變化特征，利用百分位法[19]計(jì)算20%、75%對應(yīng)的綜合氣候適宜度百分位數(shù)，將其分為較適宜、適宜、最適宜3個等級，對應(yīng)的數(shù)值分別為0.54～0.58、0.59～0.64、0.65～0.68，應(yīng)用ArcMap 10.0中空間反距離權(quán)重插值法，將70個站點(diǎn)的綜合氣候適宜度值插值到各個格點(diǎn)，最后繪制各年代水稻綜合氣候適宜度等級空間分布圖。從江蘇省水稻綜合氣候適宜度的分區(qū)來看（圖4），綜合氣候適宜度存在明顯的地域分布規(guī)律，且存在年代際變化，20世紀(jì)60年代至80年代，適宜區(qū)所占面積最大，其次是最適宜區(qū)，較適宜區(qū)非常少，其中最適宜區(qū)主要位于沿江和江淮之間，氣候最適宜區(qū)與該地區(qū)相對氣象產(chǎn)量最高是相對應(yīng)的;從20世紀(jì)90年代開始，最適宜區(qū)面積明顯減少，較適宜區(qū)面積在逐步增加，進(jìn)入21世紀(jì)，最適宜區(qū)已經(jīng)幾乎為零，較適宜區(qū)已經(jīng)由原先的豐縣擴(kuò)展至整個徐州，其他地區(qū)基本為適宜區(qū)。

3 結(jié)論與討論

本研究利用江蘇省農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站近幾十年的田間觀測資料，分析了穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、單位面積有效穗數(shù)、空殼率的時空變化特征，確定了產(chǎn)量三要素占單產(chǎn)的權(quán)重，揭示了理論單產(chǎn)與地段單產(chǎn)（即實(shí)際單產(chǎn)）之間的關(guān)系，構(gòu)建了由溫度、降水、日照3因子構(gòu)成的綜合氣候適宜度，探討了綜合氣候適宜度與地段單產(chǎn)之間的關(guān)聯(lián)度及近50年江蘇地區(qū)綜合氣候適宜度年代際空間變化特征。

1980—2016年，地段單產(chǎn)與穗粒數(shù)均呈顯著的線性上升趨勢，分別達(dá)0.66 kg/（hm2·年）、0.82粒/年，到21世紀(jì)區(qū)域間差異逐步縮小;千粒質(zhì)量存在區(qū)域差異，但年代際間區(qū)域性差異變化不大，總體變化范圍是20.1～36.9 g。產(chǎn)量結(jié)構(gòu)三要素占地段單產(chǎn)權(quán)重的總體排序?yàn)樗肓?shù)（0.345）>千粒質(zhì)量（0.330）>單位面積有效穗數(shù)（0.326），穗粒數(shù)對地段單產(chǎn)的權(quán)重最大，大穗依然是水稻高產(chǎn)的主要途徑。水稻空殼率總體在逐步降低，從20世紀(jì)90年代中期起，淮河以南地區(qū)空殼率明顯小于淮河以北地區(qū)，可能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提升以及品種改良有關(guān)。

理論單產(chǎn)與地段單產(chǎn)的時間波動特征基本一致，兩者間的歷年比值均在0.93以上，理論單產(chǎn)總體高于地段單產(chǎn)，平均偏高538.43 kg/hm2。對于淮河以南地區(qū)，溫度適宜度對水稻地段單產(chǎn)的影響權(quán)重大于降水適宜度和日照適宜度，構(gòu)建的綜合氣候適宜度在大部分地區(qū)與地段單產(chǎn)有較好的對應(yīng)關(guān)系，尤其是鎮(zhèn)江、昆山、興化，相關(guān)系數(shù)通過了0.001顯著性檢驗(yàn)。

綜合氣候適宜度存在明顯的年代際變化，從20世紀(jì)90年代開始，最適宜區(qū)面積明顯減少，較適宜區(qū)面積在逐步增加，到21世紀(jì)初，最適宜區(qū)已經(jīng)幾乎為零。

當(dāng)然，產(chǎn)量結(jié)構(gòu)除了受光溫水綜合影響外，還與栽培方式、作物品種、田間管理措施等有關(guān)，因此構(gòu)建的綜合氣候適宜度在部分區(qū)域，與單產(chǎn)的相關(guān)性比較弱，后續(xù)的研究中可以通過考慮更多的影響因子，為提高單產(chǎn)提供更可靠的氣象保障。

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