氣候變化背景下四川省玉米生育期農(nóng)業(yè)氣候資源變化趨勢

張玉芳，吳冰潔，郭 斌

(1. 中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；2. 四川省農(nóng)業(yè)氣象中心，四川 成都 610072; 3. 雅安市氣象局，四川 雅安 625000；4. 阿壩州氣象局，四川 阿壩 624000)

【研究意義】四川是中國13個糧食主產(chǎn)省之一。玉米是四川省重要的糧食作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位，2017年四川省玉米播種面積為139.9萬hm2，占全省糧食播種面積22 %，玉米總產(chǎn)量793.2萬t，占全省糧食產(chǎn)量23 %[1]。農(nóng)業(yè)是對氣候變化最敏感的領(lǐng)域之一，且研究表明：生態(tài)環(huán)境和氣象條件、玉米品種與種子是當(dāng)前繼栽培管理技術(shù)之后影響中國玉米產(chǎn)量的第二和三大類因素[2]，故研究玉米農(nóng)業(yè)氣候資源對糧食安全和生產(chǎn)決策具有重要的指導(dǎo)意義。在氣候變化的背景下，四川氣候與農(nóng)業(yè)氣候資源已發(fā)生了明顯變化[3-4]。西南地區(qū)總輻射顯著降低，溫度日較差減小[5]。通過對西南區(qū)域春玉米生長季的氣候條件研究表明，1961-2010年整個生長階段平均溫度上升0.55 ℃[6]。2004-2007年從四川東北部連續(xù)4年遭受4次洪澇災(zāi)害和一次特大旱災(zāi)，2009-2012年四川部分區(qū)域已經(jīng)連續(xù)4年發(fā)生嚴(yán)重干旱[7-8]。四川盆地玉米在拔節(jié)-乳熟期發(fā)生干旱頻率較高，且發(fā)生面積最廣[9]。【前人研究進(jìn)展】我國學(xué)者對氣候變化背景下區(qū)域氣候資源演變特征做了大量研究工作，其中紀(jì)瑞鵬等[10]利用應(yīng)用線性氣候傾向率分析了遼寧地區(qū)全年和四季光熱水等主要農(nóng)業(yè)氣候資源；劉志娟等[11]分析了東北三省全年及生長期內(nèi)的溫、光、水5個氣象要素農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征；李正國等[12]應(yīng)用氣候傾向率分析氣候變化背景下東北三省主要作物類型典型物候期的變化趨勢。但針對具體作物且分生育期分析其農(nóng)業(yè)氣候資源變化特征的相關(guān)研究較少。為此，【本研究切入點】本文利用四川省124個氣象站1961-2017年逐日氣象觀測數(shù)據(jù)，同時結(jié)合四川省玉米的生育期資料，分析四川省玉米全生育期和分生育期的平均氣溫、氣溫日較差、總輻射量、參考作物蒸散量、缺水率5個要素的空間分布特征，研究四川省玉米生育期農(nóng)業(yè)資源的時空規(guī)律?！緮M解決的關(guān)鍵問題】旨在為四川省玉米生產(chǎn)趨利避害、合理利用當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)氣候資源、為相關(guān)部門在玉米種植等方面提供科學(xué)參考意見。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于四川省氣象局，主要包括四川省盆地、盆周山區(qū)及攀西農(nóng)區(qū)1961-2017年共計124個氣象站逐日平均溫度、最高溫度、最低溫度、降水量、日照時數(shù)等。玉米生育期數(shù)據(jù)源于四川省盆地、盆周山區(qū)及攀西農(nóng)區(qū)1981-2017年15個玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測站點的觀測資料。

1.2 研究區(qū)域

四川省玉米主要種植在盆地、盆周山區(qū)及攀西農(nóng)區(qū)，本文根據(jù)種植區(qū)域地理地貌類型和形成的現(xiàn)狀，將其劃分為7個玉米種植區(qū)及1個非種植區(qū)(圖1)。結(jié)合大田生產(chǎn)調(diào)查資料和農(nóng)業(yè)氣象觀測站的觀測報表，得出各種植區(qū)玉米全生育期及不同生育階段的起止時間(表1)。

圖1 四川省玉米種植分區(qū)Fig.1 Maize planting zoning of Sichuan province

表1 四川省7大玉米種植區(qū)域玉米不同生育階段的時間

1.3 研究方法

1.3.1 有效降水量 參考Smith M. CROPWAT[13-14]推薦的方法：

式中，Re為有效降水量(mm/d);R為總降水量(mm/d)。

1.3.2 需水量W=KcET0

W是玉米需水量[15](mm/d)；Kc是利用文獻(xiàn)[16]中提及的方法進(jìn)行修正后的值，ET0采用FAO推薦的Penman-Monteith方法[17]。

1.3.3 缺水率

式中，Z為缺水率( %)，W為需水量(mm/d)，Re為有效降水量(mm)[18]。

1.3.4 總輻射量 本文采用Angstron方程由逐日日照時數(shù)推算總輻射量，具體計算公式見參考文獻(xiàn)[19]。

1.3.5 氣候傾向率 參考《氣候變化背景下四川省氣候資源變化趨勢分析》[20]一文中的詳細(xì)說明。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期熱量資源的時空分布

2.1.1 平均溫度 1961-2017年，四川省農(nóng)區(qū)玉米全生育期區(qū)域內(nèi)平均值為20.9 ℃，值相對高的區(qū)域集中在盆北及盆西部分區(qū)域。近50年來玉米全生育期平均溫度的區(qū)域變化趨勢平均值0.07 ℃/10a；盆北及盆南局部區(qū)域全生育期平均溫度呈下降趨勢，其余地區(qū)均呈升高的趨勢。從圖2-b～d可以看出，玉米各生育階段的平均溫度不同，其中乳熟-成熟平均溫度最大，播種-拔節(jié)最小。

圖2 1961-2017年玉米生育期平均溫度的空間分布Fig.2 Spatial distribution of maize average temperature during growth period from 1961 to 2017

近50年來玉米播種-拔節(jié)平均溫度氣候傾向率區(qū)域內(nèi)平均值為0.08 ℃/10a，整體呈升高趨勢，負(fù)值主要出現(xiàn)在攀西部分區(qū)域；1961-2017年研究區(qū)域內(nèi)各生育階段的平均溫度總體均呈升高的趨勢，在播種-拔節(jié)期升高速率最快(圖3)。

圖3 1961-2017年玉米生育期平均溫度的氣候傾向率空間分布Fig.3 Spatial distribution of maize average temperature trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.1.2 氣溫日較差 1961-2017年，四川省農(nóng)區(qū)玉米全生育期平均日較差為6.8～15 ℃，平均9.3 ℃，攀西農(nóng)區(qū)大都在10～15 ℃之間，盆地7～10 ℃(圖4-a)。近50年玉米全生育期平均日較差的變化趨勢在-0.6～0.4 ℃/10a之間，平均值-0.01 ℃/10a；農(nóng)區(qū)除攀西大部，盆地南部、中部、西部局部區(qū)域呈現(xiàn)降低趨勢，其余為升高趨勢。

圖4 1961-2017年玉米生育期日較差的空間分布Fig.4 Spatial distribution of maize diurnal temperature range during growth period from 1961 to 2017

從圖4-b～d可以看出，1961-2017年玉米各生育期平均日較差在播種-拔節(jié)期、拔節(jié)-乳熟期、乳熟-成熟分布特征都是攀西明顯高于盆地，播種-拔節(jié)期平均日較差最大，為6.8～16.1 ℃，平均值9.8 ℃；拔節(jié)-乳熟期最小，為6.3～14.1 ℃，平均為8.7 ℃。

近50年平均日較差氣候傾向率在攀西大部、盆北及盆南局部呈現(xiàn)減少趨勢；拔節(jié)-乳熟在盆地西南部及攀西東北部部分區(qū)域呈升高趨勢，其余大部呈現(xiàn)減少趨勢；乳熟到成熟期平均日較差氣候傾向率在區(qū)域平均值為-0.02 ℃/10a，正值主要為盆地北部及南部局部區(qū)域(圖5)。

圖5 1961-2017年玉米生育期日較差的氣候傾向率空間分布Fig.5 Spatial distribution of maize diurnal temperature trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.2 玉米生育期光資源的時空分布

1961-2017年，四川省農(nóng)區(qū)玉米全生育期總輻射量為1418～2818 MJ/m2，平均1982 MJ/m2，盆地呈現(xiàn)從西北到東南逐步減小的趨勢；攀西農(nóng)區(qū)總輻射量為2100～2800 MJ/m2之間，呈現(xiàn)從南到北減小趨勢(圖6-a)。近50年來玉米全生育期總輻射量的變化趨勢平均值-18 MJ/m2/10a；農(nóng)區(qū)大部減少趨勢。從圖6-b～d可以看出，1961-2017年玉米各生育期總輻射量的分布在播種-拔節(jié)期、拔節(jié)-乳熟期呈現(xiàn)攀西多，盆地少的特點，播種-拔節(jié)期總輻射量最大，為577～1614 MJ/m2，平均值1039 MJ/m2；乳熟-成熟期總輻射量最小，為229～498 MJ/m2，平均為373 MJ/m2。

圖6 1961-2017年玉米生育期總輻射量的空間分布Fig.6 Spatial distribution of maize radiation during growth period from 1961 to 2017

近50年來玉米播種-拔節(jié)總輻射量氣候傾向率平均值為-5 MJ/m2/10a，整體呈降低趨勢，正值主要出現(xiàn)在攀西大部及盆中部分農(nóng)區(qū)，1961-2017年研究區(qū)域內(nèi)各生育階段的總輻射量減小趨勢(圖7)。

圖7 1961-2017年玉米生育期總輻射量的氣候傾向率空間分布Fig.7 Spatial distribution of maize radiation trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.3 玉米生育期水資源的時空分布

2.3.1 參考作物蒸散量 近50年四川省玉米全生育期參考蒸散量平均549 mm，攀西農(nóng)區(qū)作物參考蒸散量最多，最少區(qū)域集中在盆南及盆東局部區(qū)域(圖8-a)。近50年來玉米全生育期參考蒸散量的變化趨勢在-40～25 mm/10a之間，平均值-2.7 mm/10a；盆地農(nóng)區(qū)大部減少趨勢；攀西除北部部分區(qū)域增加，其余呈現(xiàn)減少趨勢。從圖8-b～d可以看出，1961-2017年玉米各生育期參考蒸散量的分布，播種-拔節(jié)期參考蒸散量最大，區(qū)域內(nèi)平均值274 mm；乳熟-成熟期參考蒸散量最小，平均為97 mm。

近50年來玉米播種-拔節(jié)參考蒸散量氣候傾向率平均值為-0.5 mm/10a，農(nóng)區(qū)除盆中大部、盆南部分區(qū)域及攀西地區(qū)北部為增加趨勢，其余下降趨勢明顯；拔節(jié)-乳熟平均值為-1.2 mm/10a，盆地大部呈現(xiàn)減少趨勢，攀西北部區(qū)域升高趨勢明顯；乳熟到成熟期平均值-1.0 mm/10a，農(nóng)區(qū)大部為負(fù)值。由此可見，1961-2017年研究區(qū)域內(nèi)各生育階段的參考蒸散量總體呈現(xiàn)下降趨勢(圖9)。

圖8 1961-2017年玉米生育期參考作物蒸散量的空間分布Fig.8 Spatial distribution of maize reference crop evapotranspiration during growth period from 1961 to 2017

圖9 1961-2017年玉米生育期參考作物蒸散量的氣候傾向率空間分布Fig.9 Spatial distribution of wheat reference crop evapotranspiration trend rates during growth period from 1961 to 2017

2.3.2 缺水率 1961-2017年，四川省農(nóng)區(qū)玉米全生育期缺水率平均為36.6 %，缺水率最大區(qū)域集中在攀西大部及盆中老旱區(qū)(圖10-a)。近50年來玉米全生育期缺水率的變化趨勢平均值0.02 %/10a；農(nóng)區(qū)除盆北、盆東及攀西大部區(qū)域為負(fù)值，其余大部是正值。從圖10(b～d)可以看出，1961-2017年玉米各生育期缺水率的分布：，播種-拔節(jié)期缺水率最大，乳熟-成熟期缺水率最小。

近50年來玉米播種-拔節(jié)缺水率氣候傾向率平均值為-0.4 %/10a，農(nóng)區(qū)除盆西、盆南及攀西東部部分區(qū)域為正值，其余為負(fù)值；拔節(jié)-乳熟缺水率氣候傾向率平均值為1.1 %/10a，負(fù)值主要出現(xiàn)在盆地及攀西東北部部分區(qū)域；乳熟到成熟期缺水率氣候傾向率平均值0.47 %/10a，正值主要分布在盆地南部、中部及攀西西部部分區(qū)域。由此可見，1961-2017年研究區(qū)域內(nèi)各生育階段的缺水率總體正常(圖11)。

3 結(jié) 論

基于1961-2017年124個氣象觀測站資料及1981-2017年15個玉米農(nóng)業(yè)氣象觀測站點的觀測資料，分析了我省農(nóng)區(qū)玉米種植區(qū)全生育期及不同生育階段溫、光、水等農(nóng)業(yè)氣候資源時空分布狀況，具體結(jié)果如下。

從熱量條件來看，玉米全生育期及各生育期熱量資源整體呈升高趨勢，在播種-拔節(jié)期升高最快。全生育期平均溫度值相對高的區(qū)域集中在盆北及盆西部分區(qū)域，相對低值的區(qū)域在盆西北及攀西的北部部分區(qū)域；全生育期平均日較差的變化趨勢農(nóng)區(qū)除攀西大部，盆地南部、中部、西部局部區(qū)域呈降低趨勢，其余為升高趨勢。平均日較差在各生育期分布特征都是攀西明顯高于盆地。從光照條件來看，全生育期總輻射量盆地呈現(xiàn)從西北到東南逐步減小的趨勢，攀西農(nóng)區(qū)總輻射量呈現(xiàn)從南到北減小趨勢。播種-拔節(jié)期總輻射量最大，乳熟-成熟期最小。全生育期總輻射量農(nóng)區(qū)大部為減少趨勢，各生育階段呈減小趨勢。從水分條件來看，全生育期參考蒸散量攀西農(nóng)區(qū)最多，最少區(qū)域集中在盆南及盆東局部區(qū)域。在播種-拔節(jié)期參考蒸散量最大，乳熟-成熟期最小。全生育期參考蒸散量盆地農(nóng)區(qū)大部減少趨勢，攀西除北部部分區(qū)域增加，其余呈現(xiàn)減少趨勢，各生育階段的參考蒸散量總體呈現(xiàn)下降趨勢；全生育期缺水率最大區(qū)域集中在攀西大部及盆中老旱區(qū)，播種-拔節(jié)期缺水率最大。全生育期缺水率的變化趨勢農(nóng)區(qū)除盆北、盆東及攀西大部區(qū)域為負(fù)值，其余大部是正值，各生育階段的缺水率總體正常。

4 討 論

氣候變暖對玉米生育期、產(chǎn)量以及灌溉條件等都將產(chǎn)生重大影響，本研究分析了四川省玉米全生育期及各生育階段溫、光、水資源分布狀況，可為相關(guān)部門制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施提供科學(xué)依據(jù)，如盆東北、盆南、盆中及攀西部分農(nóng)區(qū)參考蒸散量和缺水率較大，該區(qū)域應(yīng)該避免季節(jié)性干旱的發(fā)生，根據(jù)雨季時間適時播種，同時提前采取措施減少乳熟-成熟期高溫伏旱對該區(qū)玉米生產(chǎn)造成不良影響，選取抗旱品種，優(yōu)化栽培措施，加強(qiáng)農(nóng)田管理，確保玉米生產(chǎn)的健康發(fā)展。玉米生產(chǎn)不僅與生長季內(nèi)的氣象條件密切相關(guān)，還與玉米本身的品種和玉米種植地的土壤條件有關(guān)。本文僅分析了玉米生育期內(nèi)農(nóng)業(yè)氣候資源的時空分布特征，今后將結(jié)合不同區(qū)域的玉米種植品種和種植區(qū)域的土壤特性開展更為深入的研究。