安徽麥玉兩熟區(qū)溫光水資源分布特征及演變趨勢(shì)

杜祥備，習(xí) 敏，孔令聰*，吳文革

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，安徽 合肥 230031；2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，安徽 合肥 230031)

【研究意義】氣候變化是當(dāng)今國際社會(huì)普遍關(guān)注的全球性問題，全球氣候變化顯著增加了澇漬、干旱、低溫陰雨、高溫等災(zāi)害性氣候的發(fā)生頻度。近年來我國出現(xiàn)氣溫增加、日照時(shí)數(shù)降低等現(xiàn)象[1]，且根據(jù)預(yù)測(cè)，未來50～100年該趨勢(shì)還將進(jìn)一步加劇。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)對(duì)氣候條件依賴程度較高的過程[2]，溫、光、水資源的變化造成了不同種植模式季節(jié)間及季節(jié)內(nèi)資源配置不合理，限制了周年產(chǎn)量潛力及資源利用效率的提高?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和全球氣候變化的影響，農(nóng)作物對(duì)氣候資源的合理利用及對(duì)氣候變化的響應(yīng)已成為作物科學(xué)研究的熱點(diǎn)。針對(duì)不同地區(qū)氣候資源變化特征，前人已開展較多研究，如黃愛軍等[3]分析了江淮地區(qū)(安徽和江蘇)1960-2007年光、熱、水資源的變化特征。王斌等[4]對(duì)我國冬小麥種植區(qū)域的光熱資源及其配比的時(shí)空演變特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域小麥生長季光熱資源的變化特征及其對(duì)冬小麥生產(chǎn)潛力的正負(fù)影響不同。于歡等[5]對(duì)近20年江蘇省稻麥周年生產(chǎn)模式的氣溫和降水資源變化情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)近20年溫度呈增加趨勢(shì)，稻麥產(chǎn)量整體呈增加趨勢(shì)。王占彪等[6]研究發(fā)現(xiàn)華北平原夏玉米生長季溫度呈增加趨勢(shì)，而降雨呈降低趨勢(shì)。Garacia-M等[7]分析了德國園藝作物和大田作物的生長發(fā)育與氣候資源變化的關(guān)系。Nkulumo等[8]采用作物生長模型對(duì)氣候資源變化影響南非作物的生長進(jìn)行了研究。這些研究為應(yīng)對(duì)氣候資源變化進(jìn)行作物生產(chǎn)措施調(diào)整提供了科學(xué)借鑒。但是，以往研究地區(qū)范圍均較大，有的甚至涵蓋了不同的種植制度，難以有針對(duì)性制定作物應(yīng)對(duì)氣候變化措施。安徽沿淮及淮北地區(qū)地處我國南北氣候過渡地帶，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)域溫、光、水資源充足，耕地面積較大，是我國重要的糧食生產(chǎn)基地。該地區(qū)種植業(yè)以小麥-玉米周年兩熟種植模式為主，是國家小麥和玉米的主產(chǎn)區(qū)之一。在全球氣候變化的背景下，有關(guān)安徽沿淮及淮北地區(qū)氣候資源周年和季節(jié)間的分布特征及變化趨勢(shì)尚不清楚?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】研究該地區(qū)周年和季節(jié)間溫、光、水氣候資源配置及演變特征。【擬解決關(guān)鍵問題】為該地區(qū)作物品種選擇、生產(chǎn)管理、作物生產(chǎn)布局、種植制度調(diào)整和我國中長期糧食安全戰(zhàn)略決策提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 資料來源

本研究主要涉及安徽省沿淮和淮北地區(qū)，屬東亞季風(fēng)區(qū)，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，溫光資源充裕。選取安徽沿淮及淮北地區(qū)1960-2015年數(shù)據(jù)較完整的碭山、亳州、宿縣、阜陽、壽縣、蚌埠、滁縣7個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量等氣象因子，統(tǒng)計(jì)分析小麥-玉米周年兩熟種植模式下的溫、光、水資源的分布特征及演變趨勢(shì)。沿淮及淮北地區(qū)冬小麥一般在6月初收割，隨后播種夏玉米，夏玉米一般在9月底收獲。因此，本研究以10月至次年5月劃分為冬小麥生育時(shí)期，6月-9月為夏玉米生育時(shí)期，研究冬小麥生長季和夏玉米生長季及周年的溫、光、水農(nóng)業(yè)氣候資源分布特征及變化趨勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

本文所用氣象數(shù)據(jù)均來源于中國氣象局國家氣象信息中心。用線性回歸方程分析氣候參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)[9-10]，基于Microsoft Excel 2010和Origin 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析, 采用ANOVA進(jìn)行方差分析，顯著性水平為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱量資源分布特征及演變趨勢(shì)

2.1.1 溫度 1960-2015年，沿淮及淮北地區(qū)周年日平均溫度、日最高溫度和日最低溫度均呈波動(dòng)升高趨勢(shì)，尤其是日最低溫度；而日溫差則呈下降趨勢(shì)(圖1)。周年日平均溫度平均為15.17 ℃，變幅為13.93～16.44 ℃，變異系數(shù)為3.88 %；日最高溫度平均為20.40 ℃，變幅為19.06～21.74 ℃，變異系數(shù)為3.25 %；日最低溫度平均為10.92 ℃，變幅為9.49～12.59 ℃，變異系數(shù)為6.57 %；日溫差平均為9.48 ℃，變幅為8.25～11.32 ℃，變異系數(shù)為7.29 %?；貧w分析表明，周年日平均溫度、日最低溫度均呈極顯著升高趨勢(shì)，分別升高了0.21 ℃/10年(P<0.01)和0.33 ℃/10年(P<0.01)，日最高溫度變化趨勢(shì)不顯著(表1)；日溫差則呈極顯著下降趨勢(shì)，降低了0.26 ℃/10年(P<0.01)。

圖1 沿淮及淮北地區(qū)1960-2015年周年日平均溫度(MDT)、日最高溫度(MDTmax)、日最低溫度(MDTmin)和日溫差(MDTdiu)變化

圖2 沿淮及淮北地區(qū)玉米生長季1960-2015年日平均溫度(MDT)、日最高溫度(MDTmax)、日最低溫度(MDTmin)和日溫差(MDTdiu)變化

1960-2015年，沿淮及淮北地區(qū)玉米生長季日平均溫度無明顯變化趨勢(shì)，日最低溫度呈升高趨勢(shì)，而日最高溫度和日溫差呈下降趨勢(shì)(圖2)。玉米生長季日平均溫度平均為25.51 ℃，變幅為24.31～26.80 ℃，變異系數(shù)為2.31 %；日最高溫度平均為30.25 ℃，變幅為28.86～32.12 ℃，變異系數(shù)為2.51 %；日最低溫度平均為21.62 ℃，變幅為20.44～23.00 ℃，變異系數(shù)為2.79 %；日溫差平均為8.64 ℃，變幅為7.42～11.18 ℃，變異系數(shù)為8.19 %?；貧w分析表明，玉米生長季日最低溫度呈極顯著升高趨勢(shì)，升高了0.17 ℃/10年(P<0.01)；日最高溫度和日溫差均呈極顯著下降趨勢(shì)，分別降低了0.08 ℃/10年(P<0.01)和0.25 ℃/10年(P<0.01)；日平均溫度增加了0.02 ℃/10年(P>0.05)，但變化趨勢(shì)不明顯(表1)。

圖3 沿淮及淮北地區(qū)冬小麥生長季1960-2015年日平均溫度(MDT)、日最高溫度(MDTmax)、日最低溫度(MDTmin)和日溫差(MDTdiu)變化

1960-2015年，沿淮及淮北地區(qū)冬小麥生長季日平均氣溫、日最高溫度和日最低溫度均呈波動(dòng)升高趨勢(shì)，尤其是日最低溫度；而日溫差則呈明顯下降趨勢(shì)(圖3)。冬小麥生長季日平均溫度平均為11.69 ℃，變幅為10.09～13.39 ℃，變異系數(shù)為5.94 %；日最高溫度平均為17.09 ℃，變幅為15.49～18.82 ℃，變異系數(shù)為4.55 %；日最低溫度平均為7.32 ℃，變幅為5.60～9.32 ℃，變異系數(shù)為11.30 %；日溫差平均為9.77 ℃，變幅為8.01～12.42 ℃，變異系數(shù)為8.01 %?；貧w分析表明，冬小麥季日平均溫度、日最高溫度和日最低溫度均呈極顯著升高趨勢(shì)，分別升高了0.27 ℃/10年(P<0.01)、0.13 ℃/10年(P<0.01)和0.39 ℃/10年(P<0.01)；日溫差呈極顯著下降趨勢(shì)，降低了0.26 ℃/10年(P<0.01)。

表1 沿淮及淮北地區(qū)日平均溫度、日最高溫度、日最低溫度和日溫差演變趨勢(shì)

Table 1 Evolution trend of seasonal mean, maximum, minimum daily temperature and the diurnal range of the temperature in region along Huaihe river and Huaibei region

季節(jié)Season日平均溫度Mean daily temperature日最高溫度Maximum daily temperature日最低溫度Minimum daily temperature日溫差Diurnal range of the temperature趨勢(shì)系數(shù)( ℃/10a)Trend coefficientR2趨勢(shì)系數(shù)( ℃/10a)Trend coefficientR2趨勢(shì)系數(shù)( ℃/10a)Trend coefficientR2趨勢(shì)系數(shù)( ℃/10a)Trend coefficientR2周年Annual0.21??0.325 80.070.015 00.33??0.560 5-0.26??0.359 9玉米Maize0.020.014 0-0.08??0.104 00.17??0.204 5-0.25??0.323 7冬小麥Winter wheat0.27??0.399 30.13??0.151 10.39??0.568 7-0.26??0.281 7

注：*表明(P<0.05)差異顯著； **表明(P<0.01)差異顯著。

Note:* means significant differences at 0.05 probability levels；** means significant differences at 0.01 probability levels.

圖4 沿淮及淮北地區(qū)1960-2015年積溫變化

2.1.2 ≥0 ℃和≥10 ℃積溫 由圖4表明，1960-2015年，沿淮及淮北地區(qū)周年≥0 ℃和≥10 ℃積溫均呈波動(dòng)升高趨勢(shì)，尤其是≥0 ℃積溫。周年≥0 ℃積溫平均為5579.20 ℃d，變幅為5266.84～5952.81 ℃d，變異系數(shù)為3.31 %；周年≥10 ℃積溫平均為5067.93 ℃d，變幅為4745.61～5490.67 ℃d，變異系數(shù)為3.58 %?；貧w分析表明，1960-2015年周年≥0 ℃和≥10 ℃積溫均呈極顯著升高趨勢(shì)，分別升高了63.77 ℃d/10年(P<0.01)和57.81 ℃d/10年(P<0.01，表2)。

1960-2015年沿淮及淮北地區(qū)玉米生長季≥10 ℃積溫波動(dòng)較小(圖4)。玉米生長季≥10 ℃積溫平均為3111.95 ℃d，變幅為2965.37～3269.44 ℃d，變異系數(shù)為2.31 %?；貧w分析結(jié)果表明，玉米生長季≥10 ℃積溫增加了29.30 ℃d/10年(P>0.05)，但變化趨勢(shì)不顯著(表2)。

圖5 沿淮及淮北地區(qū)1960-2015年日照時(shí)間變化

1960-2015年沿淮及淮北地區(qū)冬小麥生長季≥0 ℃和≥10 ℃積溫均呈升高趨勢(shì)(圖4)，冬小麥生長季≥0 ℃積溫平均為2467.25 ℃d，變幅為2177.80～2801.94 ℃d，變異系數(shù)為6.10 %；≥10 ℃積溫平均為1955.98 ℃d，變幅為1709.51～2325.40 ℃d，變異系數(shù)為7.45 %?；貧w分析表明(表2)，冬小麥≥0 ℃和≥10 ℃積溫均呈極顯著升高趨勢(shì)，分別增加了60.84 ℃d/10年(P<0.01)和54.88 ℃d/10年(P<0.01)。

2.2 光能資源分布特征及演變趨勢(shì)

1960-2015年，沿淮及淮北地區(qū)周年、玉米生長季和冬小麥生長季日照時(shí)數(shù)總體均呈波動(dòng)性減少趨勢(shì)(圖5)。周年日照時(shí)數(shù)平均為2126.84 h，變幅為1708.14～2557.59 h，變異系數(shù)為9.89 %；玉米生長季日照時(shí)數(shù)平均為786.56 h，變幅為534.43～1102.47 h，變異系數(shù)為15.41 %；冬小麥生長季日照時(shí)數(shù)平均為1340.28 h，變幅為1122.33～1661.73 h，變異系數(shù)為9.47 %?；貧w分析結(jié)果表明，周年、玉米生長季和冬小麥生長季日照時(shí)數(shù)均呈極顯著減少趨勢(shì)(P<0.01)，日照時(shí)數(shù)分別顯著減少了93.47、52.57和40.90 h/10年(表2)。

2.3 降雨資源分布特征及演變趨勢(shì)

1960-2015年，沿淮及淮北地區(qū)周年、玉米生長季和冬小麥生長季降雨量年際間變幅較大，整體呈增加趨勢(shì)(圖6)。周年降雨量平均為883.65 mm，變幅為493.41～1415.49 mm，變異系數(shù)達(dá)19.68 %；玉米生長季降雨量平均為550.04 mm，變幅為226.84～905.47 mm，變異系數(shù)達(dá)24.71 %；冬小麥生長季降雨量平均為333.61 mm，變幅為159.91～694.87 mm，變異系數(shù)達(dá)29.77 %?；貧w分析表明，周年、玉米生長季和冬小麥生長季降雨量均呈增加趨勢(shì)，分別增加了73.75、54.42和19.33 mm/10年(表2)，但均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

表2 沿淮及淮北地區(qū)積溫、日照時(shí)間和降雨量演變趨勢(shì)

注：*表明(P<0.05)差異顯著； **表明(P<0.01)差異顯著。

Note: * means significant differences at 0.05 probability levels; ** mean significant differences at 0.01 probability levels.

圖6 沿淮及淮北地區(qū)1960-2015年降雨量變化

3 討 論

溫、光、水資源是作物生長發(fā)育過程中不可或缺的氣候資源。溫、光、水資源及其分布是地區(qū)周年作物布局、種植制度的主要決定因素。研究安徽沿淮及淮北地區(qū)小麥-玉米周年兩熟種植模式下周年和季節(jié)間溫、光、水資源分布特征和變化趨勢(shì)，對(duì)于氣候背景下作物合理區(qū)劃布局，小麥和玉米生產(chǎn)潛力的挖掘及氣候資源的高效利用，實(shí)現(xiàn)糧食豐產(chǎn)增效具有十分重大意義。

本研究探明了1960-2015年安徽沿淮及淮北地區(qū)小麥-玉米兩熟種植模式下周年和季節(jié)間溫、光、水氣候資源的配置特征。1960-2015年，安徽沿淮及淮北地區(qū)周年日平均溫度平均為15.17 ℃、日最高溫度平均為20.40 ℃、日最低溫度平均為10.92 ℃、日溫差平均為9.48 ℃；≥0 ℃積溫平均為5579.20 ℃d、≥10 ℃積溫平均為5067.93 ℃d；日照時(shí)數(shù)平均為2126.84 h，降雨量平均為883.65 mm。玉米生長季日平均溫度平均為25.51 ℃、日最高溫度平均為30.25 ℃、日最低溫度平均為21.62 ℃、日溫差平均為8.64 ℃；≥10 ℃積溫平均為3111.95 ℃d，日照時(shí)數(shù)平均為786.56 h，降雨量平均為550.04 mm。冬小麥生長季日平均溫度平均為11.69 ℃、日最高溫度平均為17.09 ℃、日最低溫度平均為7.32 ℃、日溫差平均為9.77 ℃；≥0 ℃積溫平均為2467.25 ℃d、≥10 ℃積溫平均為1955.98 ℃d；日照時(shí)數(shù)平均為1340.28 h，降雨量平均為333.61 mm。

本研究探明了安徽沿淮及淮北地區(qū)小麥-玉米兩熟種植模式下周年和季節(jié)間溫、光、水氣候資源的演變趨勢(shì)。結(jié)果表明，1960-2015年安徽沿淮及淮北地區(qū)呈現(xiàn)明顯的氣候變暖趨勢(shì)。周年日平均溫度呈極顯著增加趨勢(shì)，增幅達(dá)0.21 ℃/10年(P<0.01)。這與前人研究發(fā)現(xiàn)中國近50年平均地表氣溫增幅達(dá)0.22 ℃/10年結(jié)果一致[11]，主要是由于夜間日最低溫度的上升造成。通過分析玉米生長季和冬小麥生長季的溫度發(fā)現(xiàn)，周年溫度變化主要是冬小麥季溫度升高造成。全年和冬小麥生長季≥0 ℃和≥10 ℃積溫隨日平均溫度的增加呈極顯著增加趨勢(shì)(P<0.01)，且≥0 ℃積溫升高趨勢(shì)大于≥10 ℃積溫，這進(jìn)一步表明安徽沿淮及淮北地區(qū)冬季增溫顯著。單從熱能資源角度考慮，氣溫和積溫增加，有利于糧食作物增產(chǎn)。可通過改善現(xiàn)有的作物布局和種植制度，提高熱能資源的利用效率。

日照時(shí)數(shù)對(duì)作物產(chǎn)量形成具有重要影響，日照時(shí)數(shù)過多或過少都會(huì)給作物的正常生長發(fā)育帶來不利影響。本研究的結(jié)果表明，1960-2015年安徽沿淮及淮北地區(qū)周年、玉米和冬小麥生長季日照時(shí)數(shù)均表現(xiàn)出極顯著減少的趨勢(shì)，特別是玉米生長季減少尤為顯著(P<0.01)。沿淮及淮北地區(qū)日照時(shí)數(shù)減少趨勢(shì)較全省更為嚴(yán)重[12]。日照時(shí)數(shù)的減少導(dǎo)致了太陽輻射量的降低，這將會(huì)影響到作物的光合作用和最終產(chǎn)量品質(zhì)[13]。例如，玉米雖屬短日照農(nóng)作物，但在生長發(fā)育期過程中，光合作用時(shí)間的變化亦會(huì)影響其正常的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)的形成。此外，本研究發(fā)現(xiàn)沿淮及淮北地區(qū)年降雨量年際間和生長季間波動(dòng)較大，變化趨勢(shì)不明顯，這主要受季風(fēng)環(huán)流影響。降雨的不確定性增加了極端降雨天氣的發(fā)生頻率，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。未來需要加強(qiáng)針對(duì)降雨氣象災(zāi)害方面的避災(zāi)減災(zāi)研究工作。

作物生產(chǎn)對(duì)自然氣候的依賴性較強(qiáng)，也是對(duì)氣候變化響應(yīng)最敏感的產(chǎn)業(yè)之一。氣候的變化無疑會(huì)對(duì)作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成產(chǎn)生影響，尤其是與作物生長密切相關(guān)的溫、光、水等氣候資源的改變。溫、光、水資源的變化導(dǎo)致作物品種、播期、生育進(jìn)程等與資源不匹配，影響作物的生長發(fā)育，限制了作物生產(chǎn)潛力的發(fā)揮和資源利用效率的提高。目前，有關(guān)氣候變化對(duì)作物生長的影響尚存在分歧，有學(xué)者研究認(rèn)為，氣候變暖對(duì)作物生長是不利的[14-15]，但也有研究認(rèn)為氣候變暖對(duì)作物利弊共存[16-17]。由此可見，氣候變化給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。為了安全生產(chǎn)和合理利用沿淮及淮北地區(qū)的溫、光、水氣候資源，生產(chǎn)上需要根據(jù)資源時(shí)空分布特征調(diào)整作物布局，采用適當(dāng)?shù)脑耘喙芾泶胧?yīng)對(duì)氣候變化。比如調(diào)整現(xiàn)有作物配置、選擇生育期長的品種等充分利用周年自然資源，選擇高產(chǎn)高效抗逆品種及其配套栽培技術(shù)提高季節(jié)內(nèi)自然資源等措施。周寶元等建立的冬小麥-夏玉米周年高產(chǎn)高效種植模式通過玉米晚收小麥晚播，將季節(jié)間的資源合理搭配，實(shí)現(xiàn)了周年產(chǎn)量與效率同步提高[18]。如何提高溫、光、水氣候資源利用效率還需要結(jié)合本地區(qū)氣候資源特征進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

本研究探明了1960-2015年安徽沿淮及淮北地區(qū)小麥-玉米兩熟種植模式下周年和季節(jié)間溫、光、水氣候資源的配置特征及演變趨勢(shì)。結(jié)果表明，氣溫呈明顯變暖趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)呈極顯著減少的趨勢(shì)，而降雨變化趨勢(shì)不明顯。氣候資源的變化給作物生產(chǎn)帶來的影響利弊共存，未來生產(chǎn)上需要根據(jù)資源時(shí)空分布特征調(diào)整作物布局，采用適當(dāng)?shù)脑耘喙芾泶胧?yīng)對(duì)氣候變化。