貴州省主要糧食作物不同生長期的降水集中度時空演變

韓會慶，李建鴻，白玉梅，馬淑亮，任月倩

(1. 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/自然資源部廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室，廣西 桂林 541004；2. 貴州理工學(xué)院建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，貴陽 50003)

0 引 言

糧食作物是全球重要農(nóng)作物之一，它們是人類最重要的食物來源[1]。然而，隨著全球氣候變化，糧食生產(chǎn)對氣候變化的敏感性愈加顯著[2,3]。氣候變化影響下的降水和氣溫改變，深刻影響區(qū)域糧食種植結(jié)構(gòu)、熟制、品質(zhì)、產(chǎn)量等[4]，分析糧食作物種植的氣候變化特點，對提高糧食作物應(yīng)對氣候變化能力、區(qū)域糧食安全具有重要意義。

氣候變暖背景下的區(qū)域降水強(qiáng)度、降水量的改變強(qiáng)烈影響著糧食生產(chǎn)。目前降水變化對糧食生產(chǎn)的影響研究主要集中于對糧食生產(chǎn)的適宜性、糧食產(chǎn)量、糧食種植氣候風(fēng)險影響等方面。如孫雪萍等[5]分析了內(nèi)蒙古烏蘭察布市的降水約束下的糧食生產(chǎn)適應(yīng)度。王鶴齡等[6]分析了降水變化對半干旱區(qū)春小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)的協(xié)同影響。章起明等[7]分析了持續(xù)強(qiáng)降水對雙季早稻產(chǎn)量及生育期的風(fēng)險影響。此外，不同區(qū)域糧食種植的降水變化也受到學(xué)者的重視。如龐艷梅等[8]分析了四川盆地玉米有效降水變化特點。孫晶京等[9]分析了臨汾市小麥生育期降水變化特點。研究方法上主要涉及回歸分析、實驗監(jiān)測、空間相關(guān)等。如劉新月等[10]利用回歸模型分析了降水變化與旱地小麥農(nóng)藝性狀之間關(guān)系。朱梅等[11]利用實驗監(jiān)測法分析了淮北平原農(nóng)作物生長期有效降水量。史曉亮等[12]利用長時間序列遙感和氣象數(shù)據(jù)估算了松嫩平原玉米單產(chǎn)。降水集中度是反映降水時空集中狀況的指標(biāo)，它不僅關(guān)系到農(nóng)業(yè)水資源利用，還對糧食生產(chǎn)具有深刻影響。然而，當(dāng)前研究多從氣候?qū)W角度分析區(qū)域降水集中度變化[13,14]，鮮有針對糧食作物不同生長階段的降水集中度變化研究。

貴州省是以山地為主的省份，素有“八山一水一分田”之稱，糧食生產(chǎn)對該區(qū)糧食安全及社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[15]。此外，該區(qū)極端氣候發(fā)生頻率較高，強(qiáng)烈影響糧食生產(chǎn)[16]。因此，以貴州省的主要糧食作物(水稻與玉米)為例，分析水稻和玉米不同生長期的降水集中度時空演變特點，以期為該區(qū)糧食作物應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 氣候資料來源

氣候數(shù)據(jù)主要為1961-2017年貴州省84個氣象站點逐日觀測降水?dāng)?shù)據(jù)。缺測數(shù)據(jù)利用周邊站點平均值進(jìn)行插值補充。數(shù)據(jù)缺測較少，可以滿足本研究需要。

1.2 研究方法

1.2.1 水稻和玉米生長期劃分

依據(jù)文獻(xiàn)[17,18]將貴州省水稻生長期分為播種-秧苗期(4月10日-5月10日)、移栽-分蘗期(5月11日-7月10日)、拔節(jié)-孕穗期(7月11日-7月31日)、抽穗-成熟期(8月1日-9月10日)和全生長期(4月10日-9月10日)。玉米生長期分為播種-出苗期(4月1日-5月20日)、拔節(jié)-抽雄期(5月21-8月10日)、灌漿-成熟期(8月11日-9月30日)和全生長期(4月1日-9月30日)。

1.2.2 降水集中度計算

參考Zhang等[19]的方法，利用數(shù)學(xué)上的向量原理，將糧食作物每一生長階段設(shè)為360°的圓，計算每一生長階段的每日對應(yīng)的度數(shù)(方位角)，進(jìn)而將某一生長階段的日降水量矢量進(jìn)行合成，通過與總降水量比較，得到降水集中度。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：PCD為降水集中度；Rxi為水平方向降水量；Ryi為垂直方向上降水量；Ri為降水總量；rij為日降水量；θ為某一生長階段每日降水量對應(yīng)的方位角；i為年份序列；j為日序。PCD介于0～1之間，越接近1表明降水愈集中，反之降水愈均勻。

1.2.3 其他方法

利用線性趨勢分析法分析糧食作物每一生長期降水集中度整體變化趨勢，利用ArcGIS軟件的反距離插值法(IDW)分析糧食作物每一生長期降水集中度空間變化，采用Morlet小波分析法分析糧食作物每一生長期降水集中度時間序列的周期變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州省水稻不同生長期降水集中度變化

1961-2017年間，貴州省水稻全生長期降水集中度年際波動較大，呈緩慢上升趨勢；從不同生長階段看，播種-秧苗期、移栽-分蘗期和抽穗-成熟期的降水集中度呈緩慢上升趨勢，上升幅度比較為：抽穗-成熟期>播種-秧苗期>移栽-分蘗期，僅有拔節(jié)-孕穗期的降水集中度呈下降趨勢(圖1)。

不同年代水稻各生長期降水集中度有所差異。全生長期降水集中度在1991-2000年較大；播種-秧苗期和移栽-分蘗期在2011-2017年較大；拔節(jié)-孕穗期在1961-1970年和2011-2017年較大；抽穗-成熟期在2001-2010年較大；除2011-2017年外，不同年代4個生長期降水集中度大小比較為：拔節(jié)-孕穗期>抽穗-成熟期>播種-秧苗期>移栽-分蘗期(圖2)。

圖1 貴州省水稻不同生長階段降水集中度年際變化Fig.1 Inter-annual change of precipitation concentration degree at different growth stages of rice in Guizhou Province

從空間上看，57 a間全省所有地區(qū)水稻全生長期降水集中度呈上升趨勢，西北部、東北部和東南部的部分地區(qū)上升幅度較大，西南部上升幅度較??；除中南部地區(qū)的播種-秧苗期降水集中度呈下降趨勢外，其他地區(qū)皆呈上升趨勢，上升幅度由北向南、由西向東遞減；中東部地區(qū)移栽-分蘗期降水集中度呈下降趨勢，西部地區(qū)呈上升趨勢，上升幅度由西向東遞減；拔節(jié)-孕穗期僅有西南部地區(qū)呈上升趨勢，其他大部分地區(qū)呈現(xiàn)下降趨勢；全省大部分地區(qū)抽穗-成熟期呈上升趨勢，西南部、東南部地區(qū)上升幅度較大，僅有東北部、南部、西南部和西北部的小部分地區(qū)呈下降趨勢(圖3)。

圖2 貴州省水稻不同生長階段降水集中度年代變化Fig.2 Interdecadal change of precipitation concentration degree at different growth stages of rice in Guizhou Province

圖3 貴州省水稻不同生長階段降水集中度變化空間格局Fig.3 Spatial pattern of precipitation concentration degree at different growth stages of rice in Guizhou Province

57 a間，貴州省水稻全生長期降水集中度存在4個時間尺度的周期震蕩，分別是7、11、13和25 a，其中25 a是變化主周期；播種-秧苗期降水集中度存在4個時間尺度的周期震蕩，分別是5、13、22和28 a，其中22 a是變化主周期；移栽-分蘗期降水集中度存在5個時間尺度的周期震蕩，分別是5、7、15、22和28 a，其中28 a是變化主周期；拔節(jié)-孕穗期降水集中度存在4個時間尺度的周期震蕩，分別是5、14、23和28 a，其中28 a是變化主周期；抽穗-成熟期降水集中度存在4個時間尺度的周期震蕩，分別是7、12、15和23 a，其中23 a是變化主周期(圖4)。

圖4 貴州省水稻不同生長階段降水集中度變化周期特征Fig.4 Periodic characteristics of precipitation concentration degree at different growth stages of rice in Guizhou Province

2.2 貴州省玉米不同生長期降水集中度變化

1961-2017年間，貴州省玉米全生長期和各生長階段的降水集中度均呈緩慢上升趨勢，不同生長階段降水集中度上升幅度比較為：灌漿-成熟期>播種-出苗期>拔節(jié)-抽雄期(圖5)。

圖5 貴州省玉米不同生長階段降水集中度年際變化Fig. 5 Inter-annual change of precipitation concentration degree at different growth stages of maize in Guizhou Province

不同年代玉米各生長期降水集中度有所差異。全生長期降水集中度在1991-2000年較大；播種-出苗期和拔節(jié)-抽雄期在2011-2017年較大；灌漿-成熟期在2001-2010年較大；不同年代3個生長期降水集中度大小比較為：灌漿-成熟期>播種-出苗期>拔節(jié)-抽雄期(圖6)。

從空間上看，57 a間全省絕大部分地區(qū)水稻全生長期降水集中度呈上升趨勢，北部地區(qū)上升幅度較大，僅有東南部小部分區(qū)域呈下降趨勢；播種-出苗期全省大部分地區(qū)呈上升趨勢，東北部、西南部和西部部分地區(qū)上升幅度較大，僅有東南部的部分地區(qū)以及西北部的零星地區(qū)呈下降趨勢；拔節(jié)-抽雄期除南部及北部的部分地區(qū)外皆呈上升趨勢；灌漿-成熟期僅有東部零星地區(qū)呈下降趨勢，其他地區(qū)皆呈上升趨勢，上升幅度由西向東遞減(圖7)。

圖6 貴州省玉米不同生長階段降水集中度年代變化Fig.6 Interdecadal change of precipitation concentration degree at different growth stages of maize in Guizhou Province

圖7 貴州省玉米不同生長階段降水集中度變化空間格局Fig.7 Spatial pattern of precipitation concentration degree at different growth stages of maize in Guizhou Province

57 a間貴州省水稻全生長期降水集中度存在3個時間尺度的周期震蕩，分別是8、14和23 a，其中23 a是主周期；播種-出苗期存在5個時間尺度的周期震蕩，分別是5、7、13、23和28 a，其中28 a是主周期；拔節(jié)-抽雄期存在2個時間尺度的周期震蕩，分別是5和13 a，其中13 a是主周期；灌漿-成熟期存在4個時間尺度的周期震蕩，分別是5、8、15和23 a，其中15 a是主周期(圖8)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)貴州省水稻和玉米的全生長期的降水集中度整體呈增加趨勢，這與張波等[20]和黃曉亞等[21]的研究基本一致。然而，貴州省水稻和玉米不同生長階段的降水集中度存在差異，如水稻拔節(jié)-孕穗期的降水集中度下降，而其他生長期增加。玉米不同生長階段降水集中度的增加幅度亦有所不同，這都反映了降水集中度存在突出的時間差異。此外，不同生長階段水稻和玉米的降水集中度變化存在空間差異，這主要與不同區(qū)域降水變化存在空間異質(zhì)性有關(guān)。依據(jù)本研究結(jié)果，水稻和玉米大部分生長階段降水趨于集中，這就需要重視洪澇對糧食作物種植的負(fù)面影響，尤其是做好水稻的抽穗-成熟期和玉米的灌漿-成熟期的防災(zāi)減災(zāi)工作。另外，隨著氣候變暖，未來降水勢必發(fā)生改變，這將影響糧食作物生產(chǎn)[22,23]。故而，為更好地做好防護(hù)，今后應(yīng)重視未來氣候變化影響下我國糧食作物的不同生長期的降水集中度研究。

圖8 貴州省玉米不同生長階段降水集中度變化周期特征Fig. 8 Periodic characteristics of precipitation concentration degree at different growth stages of maize in Guizhou Province

3.2 結(jié) 論

貴州省水稻和玉米的全生長期降水集中度均呈增加趨勢。除拔節(jié)-孕穗期外，水稻的播種-秧苗期、移栽-分蘗期和抽穗-成熟期降水集中度呈增加趨勢，玉米各生長階段的降水集中度均呈增加趨勢。水稻抽穗-成熟期和玉米灌漿-成熟期的降水集中度增加幅度較大。水稻和玉米各生長階段的降水集中度在不同年代存在不同。貴州省大部分地區(qū)水稻播種-秧苗期、抽穗-成熟期和全生長期的降水集中度呈增加趨勢，而貴州省東部地區(qū)的水稻移栽-分蘗期和拔節(jié)-孕穗期降水集中度主要為下降特點。貴州省大部分地區(qū)玉米各生長階段的降水集中度均呈現(xiàn)增加趨勢。貴州省水稻各生長階段的降水集中度存在4～5個周期震蕩，而玉米存在2～5個周期震蕩。