氣候變化對(duì)安徽省兩熟制糧食作物物候期及周年氣候資源分配與利用的影響*

阮新民, 陳 曦, 岳 偉, 占新春, 從夕漢, 杜弘楊, 施伏芝, 羅志祥

氣候變化對(duì)安徽省兩熟制糧食作物物候期及周年氣候資源分配與利用的影響*

阮新民1, 陳 曦2, 岳 偉2, 占新春1, 從夕漢1, 杜弘楊1, 施伏芝1, 羅志祥1

(1. 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所 合肥 230031; 2. 安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心 合肥 230031)

為了進(jìn)一步明確江淮區(qū)域氣候變化對(duì)兩熟制糧食作物物候期及周年光溫水資源分配與利用的影響, 以安徽省12個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀察站1992—2013年氣象數(shù)據(jù)、作物生長(zhǎng)發(fā)育期數(shù)據(jù)與產(chǎn)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 采用線性趨勢(shì)、相關(guān)分析、回歸分析等方法, 分析不同區(qū)域不同熟制作物物侯期變化趨勢(shì), 以及氣候變化對(duì)積溫、輻射和降水資源分配與利用的影響。結(jié)果表明, 1992—2013年沿淮淮北冬小麥-大豆種植模式, 冬小麥播種期提前趨勢(shì)顯著(<0.05), 平均每10 a提前3.03 d, 成熟期變化不顯著, 全生育期平均每10 a增加3.54 d; 大豆播種期和開花期則顯著推遲(<0.05), 平均每10 a推遲3.06 d和0.86 d, 全生育期平均每10 a減少3.65 d。江淮冬小麥-一季稻模式, 水稻播種期、抽穗期和成熟期均顯著提前(<0.05), 平均每10 a分別提前5.12 d、3.87 d和2.92 d, 全生育增加2.2 d; 小麥有同樣的變化趨勢(shì), 全生育期表現(xiàn)為每10 a縮短0.8 d。沿江江南雙季早稻物候期變化不明顯, 全生育期每10 a縮短0.6 d; 晚稻平均每10 a播種期推遲1.14 d, 抽穗期與成熟期分別提前0.71 d和6.85 d, 成熟期提前趨勢(shì)顯著(<0.01), 全生育期每10 a縮短5.17 d。沿淮淮北冬小麥與江淮一季稻以及沿江早稻和晚稻生長(zhǎng)季積溫呈增加趨勢(shì), 大豆與江淮冬小麥積溫減少。沿淮淮北與江淮冬小麥及沿江早稻和晚稻生長(zhǎng)季輻射呈增加趨勢(shì), 大豆與一季稻則表現(xiàn)為減少。不同種植模式第1季作物冬小麥和早稻的降水均有減少趨勢(shì), 而第2季作物大豆、一季稻和晚稻則呈增加趨勢(shì)。冬小麥-一季稻種植模式周年光溫水生產(chǎn)效率最高。線性回歸分析表明, 積溫和輻射與沿淮淮北冬小麥和沿江雙季稻的產(chǎn)量均呈顯著線性正相關(guān)(<0.05), 光溫是提高其產(chǎn)量的主要限制因子。江淮一季稻積溫過高和降水過多也限制產(chǎn)量提升。氣候變化改變了兩熟制糧食作物物侯期, 進(jìn)一步影響了光溫水氣候資源的分配與利用效率。通過改良品種、改變播栽時(shí)間、提高抗逆性等適應(yīng)措施, 可以在一定程度上抵消氣候變化對(duì)作物生長(zhǎng)的不利影響。

江淮區(qū)域; 兩熟制; 物候期; 產(chǎn)量; 氣候資源; 資源分配特征; 資源利用效率

安徽地處江淮流域中部, 溫光資源豐富, 熱量充足, 雨量充沛, 是我國多熟制最廣泛的區(qū)域之一。沿淮淮北以小麥()為中心的種植制度, 冬小麥-大豆()一年兩熟是其主要種植模式; 江淮之間以水稻()為主體種植布局, 以冬小麥-水稻輪作為主; 沿江及江南為一年兩熟或3熟, 實(shí)行雙季稻為主的種植模式。充分利用氣候資源是提高產(chǎn)量?jī)?yōu)化品質(zhì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。近年來, 受氣候變化、土地規(guī)?；?jīng)營和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整影響, 周年氣候資源分配與利用不合理問題凸顯, 例如小麥早種限制了遲熟水稻品種的增產(chǎn)潛力, 增加了小麥凍害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)等。因此, 明確安徽兩熟制主要作物周年氣候資源分配與利用特征, 對(duì)科學(xué)配置作物季節(jié)間溫光資源, 充分挖掘周年高產(chǎn)潛力具有重要意義。

氣候變化引起氣溫、輻射、降水等因子的變化, 從而影響作物物候、產(chǎn)量以及作物周年氣候資源分配與利用[1-4]。劉玉潔等[5]認(rèn)為以氣溫升高為主要標(biāo)志的全球氣候變化對(duì)作物物候產(chǎn)生了重要影響。張宸赫等[6]研究表明, 氣候變暖背景下中國冬小麥返青期、拔節(jié)期、成熟期起始日期在空間上自東南向西北逐漸推遲, 在時(shí)間序列中返青期、拔節(jié)期、成熟期的發(fā)生時(shí)間主要呈延后趨勢(shì)。溫度升高導(dǎo)致冬小麥物候期提前。崔讀昌[7]研究發(fā)現(xiàn), 平均氣溫升高1 ℃, 水稻生育期日數(shù)平均縮短7.6 d, 溫度增加導(dǎo)致一季稻、早稻生育期縮短; 雷秋良等[8]認(rèn)為氣候變暖使生產(chǎn)中作物春季適宜播期提前, 秋季適宜播期推遲, 生產(chǎn)中傳統(tǒng)作物品種生育期普遍縮短。優(yōu)化作物周年氣候資源的分配, 提高利用效率是發(fā)掘該地區(qū)高產(chǎn)潛力的關(guān)鍵。崔讀昌[7]認(rèn)為光、熱、水的數(shù)量、分配與作物需求較協(xié)調(diào)的地區(qū)利用效率高。習(xí)敏等[9]采用稻麥雙季適期晚播模式, 水稻季溫度生產(chǎn)效率、光能生產(chǎn)效率和降雨生產(chǎn)效率分別提高了9.8%、5.6%和8.3%, 小麥季資源利用效率無顯著差異。杜祥備等[10]認(rèn)為江淮區(qū)域稻麥周年小麥季、水稻季輻射分配率粳稻-小麥模式分別為53.1%、51.9%, 秈稻-小麥模式分別為55.0%、49.8%, 兩熟制資源高效利用原則應(yīng)以合理配置季節(jié)間輻射為主, 兼顧降雨和積溫。季節(jié)間光熱資源配置直接影響作物周年生產(chǎn)潛力, 但針對(duì)安徽省兩熟制主要作物物候期及光熱資源分配歷史演變特征的研究還鮮見報(bào)道。

本文利用安徽省不同生態(tài)區(qū)12個(gè)典型站點(diǎn)1992—2013年作物生長(zhǎng)發(fā)育資料及對(duì)應(yīng)的逐日氣象數(shù)據(jù), 分析了不同區(qū)域種植模式下, 作物平均播/收期與年際間變化趨勢(shì), 在此基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步計(jì)算安徽作物不同種植模式光溫水資源配比與生產(chǎn)效率, 明確光溫水氣候資源分配及利用特征, 以期為一進(jìn)步研究周年氣候資源最佳分配模式, 促進(jìn)安徽糧食作物周年高產(chǎn)高效種植提供理論依據(jù)。

1 研究資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究作物物候觀測(cè)數(shù)據(jù)與產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/), 主要包括亳州、蒙城、宿州等12個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站(圖1)1992—2013年冬小麥、大豆、一季稻、早稻、晚稻等作物播種期、抽穗期、開花期、成熟期及實(shí)際產(chǎn)量。對(duì)應(yīng)站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)來自于安徽省氣象信息中心, 包括逐日平均氣溫(℃)、日最高氣溫(℃)、日最低氣溫(℃)、日照時(shí)數(shù)(h)和降水量(mm)。

1.2 研究區(qū)域概況

安徽省位于中國的東部, 全省分為淮北平原、江淮丘陵和皖南山區(qū)3大自然區(qū)域, 淮河以北屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候, 淮河以南為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候, 四季分明, 雨熱同季。全省平均氣溫14~17 ℃, 年降水量750~1800 mm, 全年無霜期200~260 d, ≥10 ℃活動(dòng)積溫4700~5400 ℃·d, 太陽輻射年總量在4100~ 4600 MJ?m?2, 全年日照時(shí)數(shù)1700~2200 h, 豐富的光溫水資源為多熟制種植模式提供了優(yōu)越的條件。

1.3 研究方法

1.3.1 作物生長(zhǎng)季節(jié)間資源分配率與分配比值

參照以下公式計(jì)算資源分配率和資源分配比值等指標(biāo)[11]:

積溫分配率(TDR)=單季積溫量(T)/周年積溫總量() (1)

輻射分配率(RDR)=單季輻射量(R)/周年輻射總量() (2)

降雨分配率(PDR)=單季降雨量(P)/周年降雨總量() (3)

積溫比值(TR)=第1季積溫量(1)/第2季積溫量(2) (4)

輻射比值(RR)=第1季輻射量(1)/第2季輻射量(2) (5)

降雨比值(PR)=第1季降雨量(1)/第2季降雨量(2) (6)

積溫為作物生長(zhǎng)季活動(dòng)積溫, 小麥季下限溫度為0 ℃, 水稻和大豆季下限溫度為10 ℃。

1.3.2 光溫水生產(chǎn)效率

光能生產(chǎn)效率(g?MJ?1)=單位籽粒產(chǎn)量/單位面積的太陽輻射 (7)

積溫生產(chǎn)效率(kg?hm?2)=單位面積籽粒產(chǎn)量/生育期間積溫總量 (8)

降水生產(chǎn)效率(kg?hm?2?mm?1)=單位籽粒產(chǎn)量/單位面積降水量 (9)

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用WPS office 2016和DPS 18.1軟件處理和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù), 采用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均播/收期與年季間變化特征

由表1可知, 在沿淮淮北冬小麥-大豆一年兩熟種植模式中, 冬小麥平均播種期在10月22日, 成熟期在5月30日, 全生育期為220 d。大豆平均播種期在6月18日, 成熟期在9月26日, 全生育期為100 d。趨勢(shì)分析表明, 1992—2013年冬小麥播種期、抽穗期呈提前趨勢(shì)為主, 播種期提前3.03 d?(10a)?1, 且趨勢(shì)顯著, 抽穗期提前1.11 d?(10a)?1, 而成熟期變化不明顯。不同地點(diǎn)略有差異, 蒙城的播種期則為顯著推遲。與此相反, 大豆播種期與開花期均呈推遲趨勢(shì), 且趨勢(shì)顯著。播種期推遲3.06 d?(10a)?1, 開花期推遲0.86 d?(10a)?1, 成熟期提前趨勢(shì)不明顯。因此, 沿淮淮北冬小麥物候以播種與抽穗提前為明顯特征, 全生育期有延長(zhǎng)的趨勢(shì)。大豆物候以推遲播種與開花為顯著特征, 全生育期有縮短趨勢(shì)。

表1 安徽省不同地區(qū)種植模式平均播種/收獲期與1992—2013年變化特征

s: 趨勢(shì)顯著; ns: 趨勢(shì)不顯著。s: trends are significant at<0.05 level; ns: trends are not significant at<0.05 level.

在江淮冬小麥-一季稻種植模式中, 冬小麥平均播種期在10月26日, 抽穗期在4月14日, 成熟期在5月28日, 全生育期為214 d。一季水稻平均播種期在5月2日, 抽穗期在8月17日, 成熟期在9月22日, 全生育期為143 d。趨勢(shì)分析表明, 水稻播種期、抽穗期和成熟期均呈顯著提前趨勢(shì), 但播種期提前的變化大于成熟期, 全生育期表現(xiàn)為延長(zhǎng)趨勢(shì)。播種期提前5.12 d?(10a)?1, 抽穗期提前3.87 d?(10a)?1, 成熟提前2.92 d?(10a)?1, 全生育期增加2.2 d?(10a)?1。小麥有同樣趨勢(shì), 播種期、抽穗期和成熟期均提前, 但趨勢(shì)不顯著, 播種期提前的幅度小于成熟期, 全生育表現(xiàn)為縮短0.8 d?(10a)?1。由此可知, 江淮一季稻與冬小麥有提前播種、抽穗和成熟的明顯特征, 其中一季稻全生育期增加趨勢(shì)明顯。

沿江及江南以雙季稻為主的種植模式中, 早稻平均播種在4月8日, 抽穗期在6月26日, 成熟期在7月20日, 全生育期為103 d。晚稻平均播種在6月22日, 抽穗期9月15日, 成熟期在10月23日, 全生育期123 d。趨勢(shì)分析表明, 早稻播種期、抽穗期呈推遲趨勢(shì), 播種期推遲0.75 d?(10a)?1, 抽穗期推遲0.87 d?(10a)?1, 而成熟期呈提前趨勢(shì), 提前1.35 d?(10a)?1, 但趨勢(shì)均不顯著, 全生育期每10 a縮短0.6 d。晚稻播種期呈推遲趨勢(shì), 推遲1.14 d?(10a)?1,而抽穗與成熟期有提前趨勢(shì), 抽穗期提前0.71 d?(10a)?1, 成熟期提前6.85 d?(10a)?1, 其中成熟期提前趨勢(shì)顯著, 全生育期每10 a縮短5.17 d。

2.2 周年季節(jié)間氣候資源分配特征

2.2.1 積溫分配特征

周年積溫在空間上有從南到北呈減少趨勢(shì)。沿江江南最高為6176.4 ℃?d, 其次為江淮5221.8 ℃?d, 沿淮淮北最低為4210.8 ℃, 空間分布差異顯著。在時(shí)間上年季間沿淮淮北與江淮呈逐年減少趨勢(shì), 減幅分別為3.46 ℃?d?(10a)?1、17.63 ℃?d?(10a)?1, 其中江淮減少趨勢(shì)顯著。沿江江南呈不顯著增加趨勢(shì)(表2)。沿淮淮北第1季冬小麥與沿江江南早稻積溫均有增加趨勢(shì), 第2季一季稻與晚稻有增加趨勢(shì), 而大豆有減少趨勢(shì), 其中沿江江南早稻和晚稻顯著增加, 沿淮淮北第2季大豆顯著減少。

對(duì)于單季作物分配來說, 沿淮淮北冬小麥-大豆種植模式中小麥季積溫分配率為38.1%, 大豆為61.9%, 季節(jié)間分配比為0.62; 江淮冬小麥-一季稻種植模式中小麥分配率為30.7%, 水稻為69.7%, 小麥分配量低于水稻, 分配比為0.44; 沿江江南雙季稻種植模式中早稻分配率為23.0%, 晚稻為39.6%, 早稻低于晚稻, 分配比為0.59, 早稻-晚稻的積溫占周年的62.6%。以上結(jié)果表明, 即使是同一種作物, 在不同種植模式中其積溫的分配率也不同。

表2 安徽省不同地區(qū)種植模式積溫特征與分配及1992—2013年變化趨勢(shì)

s: 趨勢(shì)顯著; ns: 趨勢(shì)不顯著。不同小寫字母表示各地區(qū)平均有效積溫在<0.05水平差異顯著。s: trends are significant at<0.05 level; ns: trends are not significant at<0.05 level. Mean values of active accumulated temperature of different regions followed by different letters are significantly different at a<0.05 level.

2.2.2 輻射分配特征

周年輻射在空間上有從南到北減小趨勢(shì)(表3), 區(qū)域間差異顯著。在時(shí)間上沿淮淮北周年輻射量顯著減少。沿淮淮北與江淮第1季小麥輻射量有增加趨勢(shì), 第2季大豆與一季稻有減少趨勢(shì), 其中沿淮淮北第2季大豆與江淮第1季冬小麥減少趨勢(shì)顯著。

對(duì)于單季作物分配來說, 沿淮淮北冬小麥-大豆種植模式中小麥季輻射分配率為57.6%, 大豆為42.4%, 說明在該模式下小麥分配占優(yōu)勢(shì), 季節(jié)間分配比為1.36; 江淮冬小麥-一季稻種植模式中小麥分配率為45.4%, 一季稻為52.0%, 小麥分配量又低于水稻, 分配比為0.88; 沿江江南雙季稻種植模式中早稻分配率為35.0%, 晚稻為38.5%, 早稻低于晚稻, 分配比為0.91。此外, 由于在沿江江南越冬作物中有種植紫云英()或油菜()習(xí)慣, 實(shí)行一年3熟, 有一部分氣候資源分配給了油菜或綠肥作物。因此, 早稻-晚稻的輻射量只占周年的73.5%。

表3 安徽省不同地區(qū)種植模式輻射特征與分配及1992—2013年變化趨勢(shì)

Table 2 Radiation and change characteristics from 1992 to 2013 and distribution of different planting patterns in different regions in Anhui Province

s: 趨勢(shì)顯著; ns: 趨勢(shì)不顯著。不同小寫字母表示各地區(qū)平均輻射在<0.05水平差異顯著。s: trends are significant at<0.05 level; ns: trends are not significant at<0.05 level. Mean values of radiation of different regions followed by different letters are significantly different at a<0.05 level.

2.2.3 季節(jié)間降水分配特征

周年降水在空間上從南到北顯著減少, 且地區(qū)間有顯著差異。時(shí)間上沿淮淮北與沿江江南呈逐年增加趨勢(shì), 江淮呈減少趨勢(shì), 但均不顯著(表4)。第1季作物降水量均有減少趨勢(shì), 而第2季作物則有增加趨勢(shì), 變化均不顯著。地區(qū)間第1季南到北逐漸減少, 差異顯著。第2季無顯著差異。

對(duì)于單季作物分配來說, 沿淮淮北冬小麥-大豆種植模式中小麥季降水分配率為26.9%, 大豆為73.1%, 季節(jié)間分配比為0.37; 江淮的冬小麥-水稻種植模式中小麥分配率為30.27%, 水稻為68.0%, 分配比為0.45; 沿江江南雙季稻種植模式中早稻分配率為33.5%, 晚稻為47.4%, 分配比為0.71, 早稻-晚稻降水占周年的80.9%。

2.3 產(chǎn)量形成與氣候資源的關(guān)系

對(duì)不同地區(qū)年季間產(chǎn)量與氣候資源要素進(jìn)行相關(guān)分析表明(表5), 沿淮淮北冬小麥年季間產(chǎn)量與積溫、輻射呈顯著正相關(guān); 江淮一季稻年季間產(chǎn)量與積溫和降水呈顯著負(fù)相關(guān), 沿江江南雙季晚稻年季間產(chǎn)量與積溫、輻射呈顯著正相關(guān)。而沿淮淮北大豆、江淮冬小麥以及沿江江南早稻年季間的產(chǎn)量與光溫水氣象因子無明顯相關(guān)關(guān)系, 品種與栽培措施可能是影響其產(chǎn)量的主要因素。

表4 安徽省不同地區(qū)種植模式降水特征與分配及1992—2013年變化趨勢(shì)

ns: 趨勢(shì)不顯著。不同小寫字母表示各地區(qū)平均降水在<0.05水平差異顯著。ns: trends are not significant at<0.05 level. Mean values of precipitation of different regions followed by different letters are significantly different at a<0.05 level.

對(duì)顯著相關(guān)氣候因子, 進(jìn)一步進(jìn)行回歸分析, 結(jié)果表明, 沿淮淮北冬小麥積溫在1412.2~1822.9 ℃?d范圍內(nèi), 年季間產(chǎn)量與積溫呈線性關(guān)系, 線性方程為=2.8807+1072.7 (<0.05), 即產(chǎn)量隨積溫的增加而顯著增加。輻射在1999.0~2628.1 MJ?m?2范圍內(nèi),年季間產(chǎn)量與輻射呈顯著線性關(guān)系,=1513.7+ 1.8075(<0.05)(圖2a-2b)。由此可知, 將更多光溫分配給冬小麥將有利于產(chǎn)量的提高。江淮一季稻年季間產(chǎn)量與積溫呈二次函數(shù)關(guān)系, 擬合方程為=?53 856.8+35.530.00512(<0.05), 在積溫達(dá)3483.3 ℃?d時(shí), 一季稻產(chǎn)量最高, 為8024.6 kg?hm?2。一季稻產(chǎn)量與降水呈顯著線性關(guān)系, 線性方程為=8935.4?1.8499(<0.05), 即產(chǎn)量隨降水的增加而減少。由此說明, 江淮一季稻產(chǎn)量的提高在一定程度上受積溫與降水制約(圖2c-2d)。沿江江南雙季晚稻年季間產(chǎn)量與積溫、輻射呈顯著線性關(guān)系。積溫在2180.6~2619.8 ℃范圍內(nèi), 產(chǎn)量與積溫呈顯著線性關(guān)系, 線性方程為=1017.8+1.807(<0.05)。輻射在1603.2~2347.0 MJ?m?2范圍內(nèi), 產(chǎn)量與輻射呈顯著線性關(guān)系, 線性方程為=3745.1+1.4001(<0.05), 即產(chǎn)量隨積溫與輻射的增加而增加(圖2d-2f)。

表5 安徽不同區(qū)域種植模式產(chǎn)量與光溫水資源相關(guān)分析

*和**分別表示在<0.05和<0.01水平上顯著相關(guān)。*, ** mean significant correlation at<0.05 and<0.01 levels, respectively.

2.4 氣候資源生產(chǎn)效率變化特征

由表6可知, 積溫生產(chǎn)效率在沿淮淮北與江淮的第1季冬小麥間無顯著差異, 但均顯著高于沿江江南早稻。第2季一季稻和雙季晚稻均顯著高于沿淮淮北的大豆。周年積溫生產(chǎn)效率以江淮冬小麥-水稻種植模式最高, 分別高于沿淮淮北冬小麥-大豆和沿江江南早稻-晚稻種植模式36.6%和29.2%, 且與冬小麥-大豆差異顯著。

光能生產(chǎn)效率不同地區(qū)第1季作物均無顯著差異, 第2季光能生產(chǎn)效率以沿江江南雙季晚稻最高, 其次為江淮一季稻, 均與沿淮淮北大豆差異顯著。周年光能生產(chǎn)效率以冬小麥-水稻種植模式最高, 分別高于冬小麥-大豆和早稻-晚稻種植模式38.1%和20.8%, 規(guī)律與積溫相同。

降水生產(chǎn)效率以第1季沿淮淮北冬小麥最高, 其次為江淮冬小麥, 均顯著高于沿江早稻生產(chǎn)效率。第2季一季稻和雙季晚稻均顯著高于沿淮淮北的大豆。周年則表現(xiàn)為江淮冬小麥-水稻種植模式最高, 分別高于沿淮淮北冬小麥-大豆和沿江江南早稻-晚稻種植模式34.2%和56.1%, 顯著高于沿江江南雙季稻種植模式。

由表6分析得出, 周年光溫水資源生產(chǎn)效率均以冬小麥-水稻種植模式最高。就單個(gè)作物生產(chǎn)效率來說, 冬小麥光溫水生產(chǎn)效率均高于大豆, 冬小麥積溫與降水生產(chǎn)效率高于一季稻, 而光能生產(chǎn)效率低于一季稻。早稻積溫生產(chǎn)效率高于晚稻, 降水低于晚稻, 光能生產(chǎn)效率則相同。

表6 安徽省不同地區(qū)種植模式光溫水資源生產(chǎn)效率

不同小寫字母表示同一指標(biāo)同一季各地區(qū)間在<0.05水平差異顯著。Different letters mean significant differences among different regions for the same index in the same cropping season at<0.05 level.

3 討論

氣候變化背景下, 農(nóng)業(yè)氣候資源的數(shù)量及其配置直接影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成, 并進(jìn)一步影響地區(qū)農(nóng)業(yè)種植制度、品種布局以及氣候資源的利用效率[12]。物候是一種能夠指示氣候變化的綜合響應(yīng)指標(biāo), 物候變化及其影響機(jī)制研究對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化和指導(dǎo)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義[5,12-13]。本研究結(jié)果表明沿淮淮北冬小麥播種期、抽穗期均提前, 成熟期變化不明顯, 這與王勝等[14]研究結(jié)論基本相同。冬小麥?zhǔn)茄鼗椿幢钡貐^(qū)主要的糧食作物, 播種期與抽穗期提前與黃淮海平原冬季(12月、1月、2月)積溫增加有關(guān)[15], 更多利用冬前積溫將有利于冬小麥產(chǎn)量的提高。合理播種期是充分利用溫光資源的關(guān)鍵, 本研究發(fā)現(xiàn)沿淮淮北冬小麥平均播期10月22日, 這與沿淮淮北小麥形成冬前壯苗理論上最佳播種期一致[16]。江淮冬小麥與一季稻播種期、抽穗期和成熟期均顯著提前, 一季稻全生育期明顯延長(zhǎng)。充足的光溫水資源為江淮地區(qū)一季稻高產(chǎn)創(chuàng)造了條件, 但研究表明積溫與降水過多也制約了產(chǎn)量提高, 因此, 調(diào)整播種期以避災(zāi)減災(zāi)為目的是解決該區(qū)域糧食高產(chǎn)穩(wěn)定的關(guān)鍵。沿江早稻、晚稻全生育期均有縮短趨勢(shì), 且晚稻縮短趨勢(shì)明顯。與前人研究基本相同[14,16-19]。未來可以通過種植生育期較長(zhǎng)的品種、提前或推遲播種期, 提高管理水平, 延長(zhǎng)作物生育期, 可在一定程度上減輕氣候變暖對(duì)作物生育期縮短的不利影響[18,20-21]。

氣候變化不僅改變了作物物候期, 同時(shí)影響周年季節(jié)間光溫資源分配與利用。本研究探明了安徽省兩熟制不同種植模式周年光溫水分配與變化趨勢(shì)。沿淮淮北冬小麥-大豆種植模式中冬小麥在周年輻射分配中占有優(yōu)勢(shì), 而積溫則不然。這與周寶元等[22]在研究冬小麥-夏大豆種植體系中的結(jié)論相同。江淮一季稻較小麥在光溫資源分配中優(yōu)勢(shì)明顯, 這與陳天曄等[23]研究結(jié)論相同。沿江的雙季晚稻周年光溫資源分配率明顯高于早稻, 艾治勇等[24]、岳偉等[25]也曾證實(shí)這一結(jié)論。光溫資源的分配總體上向優(yōu)勢(shì)作物傾斜。提高氣候資源利用效率可以考慮從兩個(gè)方面入手, 第一, 作好茬口銜接, 合理安排播期, 提高對(duì)全年氣候資源利用效率; 第二, 提高作物單產(chǎn), 增加光溫水整體利用效率。我國作物單產(chǎn)比發(fā)達(dá)國家低, 氣候資源耗用量大, 單產(chǎn)潛力大[26]。本研究中冬小麥-一季稻種植模式周年光溫水生產(chǎn)效率最高, 沿淮淮北地區(qū)冬小麥-大豆種植制度最低, 究其原因是大豆產(chǎn)量相對(duì)較低。值得注意的是江淮區(qū)域年季間太陽輻射均呈下降趨勢(shì)[25], 因此, 選育高光效品種, 調(diào)整優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)以增加作物截獲輻射, 提高作物單產(chǎn)將是未來研究重點(diǎn)。有研究發(fā)現(xiàn)32%~39%的糧食作物年產(chǎn)量變異性可以用氣候變異性來解釋[27]。本研究通過進(jìn)一步分析產(chǎn)量與氣候因子的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)光溫是沿淮淮北冬小麥與沿江雙季稻產(chǎn)量提高的主要限制因子。江淮一季稻高溫?zé)岷蜆O端降水事件頻發(fā)限制產(chǎn)量的進(jìn)一步增加。相關(guān)研究表明, 氣候變暖對(duì)熱量充足的地區(qū)表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)[28]。

優(yōu)化配置安徽省兩熟制氣候資源是進(jìn)一步提升糧食周年產(chǎn)量潛力和資源效率的關(guān)鍵[11,29]。本研究利用1992—2013年氣象、作物生長(zhǎng)發(fā)育期和產(chǎn)量資料, 較為系統(tǒng)分析氣候變化對(duì)安徽省兩熟制主要作物物候及分配利用的影響。不足之處在于因數(shù)據(jù)篩選與質(zhì)量控制問題選取的研究時(shí)間尺度不長(zhǎng), 但從變化趨勢(shì)的分析對(duì)比上能反映該區(qū)域主要特點(diǎn)。但如何高效配置江淮流域中部氣候資源, 充分發(fā)揮產(chǎn)量潛力有待進(jìn)一步研究。氣候變化引起的適應(yīng)選擇包括改良品種、改變播栽時(shí)間、提高抗逆性等將是今后主要研究方向[30-32]。

4 結(jié)論

安徽沿淮淮北冬小麥-大豆種植模式中冬小麥播種期顯著提前, 全生育期延長(zhǎng); 大豆播種期與開花期顯著推遲, 全生育期縮短。江淮冬小麥-一季稻種植模式中一季稻播種、抽穗和成熟期均顯著提前, 全生育期延長(zhǎng); 小麥全生育期縮短。沿江雙季早稻物候期變化不明顯; 晚稻成熟期顯著提前, 全生育期縮短。沿淮淮北冬小麥、江淮一季稻以及沿江早稻和晚稻的積溫分配率增加, 大豆與江淮冬小麥積溫分配減少。沿淮淮北與江淮冬小麥以及沿江早稻和晚稻的輻射分配率增加, 大豆與一季稻則表現(xiàn)為減少。第1季作物冬小麥和早稻生長(zhǎng)季降水減少, 而第2季作物大豆與晚稻生長(zhǎng)季降水增加。冬小麥-一季稻種植模式周年光溫水生產(chǎn)效率最高。光溫是沿淮淮北冬小麥產(chǎn)量主要限制因子。江淮一季稻積溫過高和降水過多限制了產(chǎn)量的提升。通過改良品種、改變播栽時(shí)間、提高抗逆性等適應(yīng)措施, 可以在一定程度上抵消氣候變化對(duì)作物生長(zhǎng)的不利影響。

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Effects of climate change on phenophases and annual climate resources distribution and utilization of major food crops under a double-cropping system in Anhui Province*

RUAN Xinmin1, CHEN Xi2, YUE Wei2, ZHAN Xinchun1, CONG Xihan1, DU Hongyang1, SHI Fuzhi1, LUO Zhixiang1

(1. Institute of Rice Research, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China; 2. Anhui Agricultural Meteorological Center, Hefei 230031, China)

To examine the effects of climate change on the phenophases and annual climate resources distribution and utilization of major food crops under a double-cropping system in Anhui Province, this study analyzed variations in the phenophases of different cropping systems in different regions and the effects of climate change on distribution and utilization of accumulated temperature, radiation, and precipitation. The analyses included linear fitting, correlation analysis, and regression analysis and incorporated data of the daily average temperature, daily sunshine hours, and daily precipitation from 1992 to 2013 of twelve meteorological stations in the Jianghuai area. The results showed that the sowing date of winter wheat was significantly advanced (<0.05) by 3.03 days (d) per decade, on average, under the double-cropping system of winter wheat-soybean in the area along Huaihe River from 1992 to 2013. Changes in the maturity stage of winter wheat were not significant, but the average increase in the whole growth period was 3.54 d per decade. The soybean sowing date and flowering date were significantly delayed (<0.05) by 3.06 and 0.86 d per decade, respectively, and the average decrease in the whole growth period was 3.65 d per decade. For the double-cropping system of winter wheat-single rice in the Jianghuai region, the sowing date, heading date, and maturation date of rice were significantly advanced (<0.05) by 5.12, 3.87, and 2.92 d per decade, respectively; and the whole growth period increased by 2.20 d per decade Wheat showed the same trends as rice, though non-significant, and the whole growth period was shortened by 0.8 d per decade. For the double cropping rice, the change in phenophases for early rice was non-significant, and the whole growth period was shortened by 0.6 d per decade, on average. The sowing date of late rice was delayed by 1.14 d per decade, on average, whereas the heading date and maturation date were advanced by 0.71 and 6.85 d per decade, respectively. The advance of the maturation date was extremely significant (<0.01). The whole growth period of late rice was shortened by 5.17 d per decade. The accumulative temperature increased for winter wheat in Huaibei, single rice in Jianghuai, and double rice along the Yangtze River but decreased for soybean and winter wheat in Jianghuai. The radiation of winter wheat, early rice, and late rice increased, whereas that of soybean and single rice decreased. The precipitation of the first-season crops decreased, but that of the second-season crops increased. The climatic productivity of winter wheat-single rice planting patterns was the highest of all cropping systems. Linear regression analysis showed that the accumulative temperature and radiation were significantly positively correlated with the yield of double-cropping rice and winter wheat in Huaibei (<0.05), and radiation and temperature were the main limiting factors for further improvements to its production. Excessive temperature and precipitation of single-season rice in the Jianghuai region also limited yield improvements. Climate change has affected the phenophases of crops in double-cropping systems and influenced the allocation and utilization efficiency of climate resources. The adverse effects of climate change on crops can be offset by improving the varieties, changing the sowing dates, and enhancing stress tolerance.

Jianghuai region; Double cropping system; Crop phenophases; Yield; Climatic resources; Resource distribution; Resource use efficiency

10.13930/j.cnki.cjea.200459

阮新民, 陳曦, 岳偉, 占新春, 從夕漢, 杜弘楊, 施伏芝, 羅志祥. 氣候變化對(duì)安徽省兩熟制糧食作物物候期及周年氣候資源分配與利用的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2021, 29(2): 355-365

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S344.13

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0301304)資助

阮新民, 主要研究方向?yàn)樗具z傳育種與資源高效利用生理生態(tài)。E-mail: rxinmin@126.com

2020-06-16

2020-10-20

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0301304).

, RUAN Xinmin, E-mail: rxinmin@126.com

Jun. 16, 2020;

Oct. 20, 2020