近60年鄱陽湖流域作物生長季晝夜溫度和降水時(shí)空變化特征及其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響

胡洵瑀 王斌 張愛英

摘 要：以鄱陽湖流域1961—2019年25個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合14個(gè)早稻站點(diǎn)、13個(gè)晚稻站點(diǎn)和12個(gè)油菜站點(diǎn)的物候期數(shù)據(jù)，分析了近60年鄱陽湖流域主要作物生長季晝夜溫度和降水的時(shí)空變化特征。結(jié)果顯示：（1）鄱陽湖流域近60年年平均溫度升高了0.20℃/10a，夜間增溫0.25℃/10a，白天增溫0.17℃/10a;年降水量增加了58.60mm/10a，白天和夜間年降水增量相當(dāng)。（2）早稻生長季平均溫度升高了0.24℃/10a，白天和夜間增溫幅度相近。（3）晚稻生長季平均溫度升高了0.16℃/10a，夜間增溫主要發(fā)生在晚稻移栽后。（4）油菜生長季平均溫度升高了0.29℃/10a，夜間溫度增幅大于白天;50%的站點(diǎn)油菜生長季降水量增加33.42mm/10a。研究結(jié)果為鄱陽湖流域生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：晝夜溫度;降水;時(shí)空變化;作物生長季;鄱陽湖流域

中圖分類號 S161.2;S161.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）06-0152-09

Spatial and Temporal Characteristics of Daytime/Nighttime Temperature and Precipitation During Crop Growing Season in Poyang Lake Basin in Recent 60 Years and Their Impacts on Agricultural Production

HU Xunyu1 et al.

（1East China Inventory and Planning Institute， National Forestry and Grassland Administration， Hangzhou 310019， China）

Abstract： Based on the daily meteorological data of 25 meteorological stations in Poyang Lake Basin from 1961 to 2019， combined with the phenological data of 14 early rice stations， 13 late rice stations， 12 rapeseed stations， the temporal and spatial characteristics of daytime/nighttime temperature and precipitation in the growing season of the main crops were analyzed. The results showed that： （1） the mean temperature in Poyang Lake Basin increased by 0.20℃/10a. Daytime and nighttime temperature increased by 0.17℃/10a and 0.25℃/10a， respectively. The precipitation increased by 58.60mm/10a. The increments of precipitation in daytime and nighttime were equal. （2） The mean temperature during early rice growing season increased by 0.24℃/10a. The increase range of daytime and nighttime was similar. （3） The mean temperature increased by 0.16℃/10a during the growing season of late rice. The increase of nighttime temperature mainly occurred after the transplanting date. （4） During the rapeseed growing season， the mean temperature increased by 0.29℃/10a. The increasing range of nighttime temperature was more than that in the daytime. The precipitation increased by 33.42mm/10a. The results provide a scientific basis for the ecosystem and agriculture production of Poyang Lake Basin to cope with climate change.

Key words： Daytime/nighttime temperature;Precipitation;Spatial and temporal characteristics;Crop growing seasons;Poyang lake basin

鄱陽湖是我國第一大淡水湖，鄱陽湖流域約占長江流域面積的9%，其濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮著巨大的生態(tài)服務(wù)功能[1-2]。鄱陽湖流域也是我國九大商品糧基地之一，主要種植制度為冬油菜—雙季稻一年三熟制或雙季稻一年兩熟制，保障該地的糧食產(chǎn)量對維護(hù)我國糧食安全具有重要作用。

1880—2012年全球地表溫度升高了0.85℃[3]，氣候變化已成為不爭的事實(shí)。近年來，鄱陽湖流域溫度升高[4]，極端降水強(qiáng)度增加[5]而天數(shù)減少[6]，風(fēng)速降低[7]，參考作物蒸散量下降[8]，氣候變化導(dǎo)致鄱陽湖流域旱澇急轉(zhuǎn)事件多發(fā)[9]。全球氣候變化多表現(xiàn)為非均衡型，季節(jié)、地域差異較大，晝夜非對稱增溫、降水變化也已在多地得到證實(shí)[10-13]。晝夜溫度、降水變化對生態(tài)系統(tǒng)，尤其是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有較大影響。研究發(fā)現(xiàn)，夜間溫度和白天溫度升高對水稻的減產(chǎn)作用不同[14-15]。作物不同生長階段內(nèi)，氣象要素變化特征也不同，中國水稻生殖生長期內(nèi)的增溫幅度大于營養(yǎng)生長期[16];華北平原冬小麥、夏玉米各生長階段氣象要素變化趨勢亦存在差異[17-18]。因此，了解鄱陽湖流域晝夜非對稱溫度、降水變化特征以及主要作物生長季內(nèi)的晝夜溫度、降水變化特征，有助于理解該地區(qū)的氣候變化，對進(jìn)一步分析氣候變化對鄱陽湖流域生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響具有重要的參考價(jià)值，也可為鄱陽湖流域應(yīng)對氣候變化、合理安排作物生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況 鄱陽湖流域地處長江中下游右岸，東以懷玉山、武夷山脈與富水水系、閩江水系、韓江水系分界，南以大庾嶺、九連山與珠江流域東江水系、北江水系分界，西以羅霄山脈與洞庭水系分界，北以幕阜山脈與長江干流為鄰[19]，流域面積16.22×104km2，約占長江流域面積的9%[9]。鄱陽湖流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫16.2～19.7℃，年降水量1596mm[19]。流域范圍包括鄱陽湖環(huán)湖區(qū)、饒河流域、信江流域、撫河流域、修水流域和贛江流域，涵蓋江西的大部分地區(qū)，以及安徽、浙江、福建、廣東和湖南的一部分。其中，鄱陽湖環(huán)湖區(qū)為鄱陽湖主體湖泊所在地（圖1），水域面積寬闊，具有典型的湖泊濕地特征，本研究將其視為典型濕地區(qū);饒河流域、信江流域、撫河流域、修水流域視為北部非濕地區(qū);贛江流域?yàn)槟喜糠菨竦貐^(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源 鄱陽湖流域范圍圖來自中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.resdc.cn/Default.aspx）。1960—2019年逐日氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.nmic.cn/site/index.html）“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0）”，包括平均溫度、最高溫度、最低溫度、20：00—20：00降水量、08：00—20：00降水量和20：00—08：00降水量，鄱陽湖流域共有氣象站點(diǎn)25個(gè)。作物物候數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心“中國農(nóng)作物生長發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集”，選擇鄱陽湖流域種植范圍較廣的農(nóng)作物，對各站點(diǎn)進(jìn)行作物多年平均物候期統(tǒng)計(jì)。鄱陽湖流域主要種植的作物有早稻、晚稻和油菜，多為一年三季，其中早稻和晚稻的物候期包括播種、出苗、移栽、抽穗和成熟期，油菜物候期包括播種、出苗、現(xiàn)蕾、開花和成熟期。鄱陽湖流域早稻站點(diǎn)14個(gè)，晚稻站點(diǎn)13個(gè)，油菜站點(diǎn)12個(gè)（圖1）。1天中最高溫度多出現(xiàn)在白天14：00左右，最低溫度多出現(xiàn)在夜間02：00時(shí)，因此日最高溫度、最低溫度可作為晝夜溫度的度量指標(biāo)。相應(yīng)地，08：00—20：00降水量和20：00—08：00降水量分別作為晝夜降水量的度量指標(biāo)[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理 本研究統(tǒng)計(jì)1960—2019年鄱陽湖流域各站點(diǎn)全年及各月晝夜溫度、降水的變化特征，以及流域內(nèi)各站點(diǎn)早稻、晚稻和油菜生長季的晝夜溫度、降水的時(shí)空變化特征。鄱陽湖流域各子流域的氣象要素由子流域內(nèi)所有氣象站點(diǎn)各氣象要素經(jīng)過算術(shù)平均得到。1960—2019年每年作物物候期的起止時(shí)間統(tǒng)一采用1991—2013年物候期平均值代替。各氣候要素年際間變化率采用線性傾向估計(jì)[21]得到，空間特征分布圖采用ArcGIS 10.2軟件繪制。濕地區(qū)和2個(gè)非濕地區(qū)的氣象要素變化差異采用方差分析法，兩兩比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄱陽湖流域近60年晝夜溫度和降水時(shí)空變化特征

2.1.1 晝夜溫度 由圖2a可知，鄱陽湖流域近60年年平均溫度升高0.20℃/10a（P<0.05），白天增溫0.17℃/10a（P<0.05），夜間增溫0.25℃/10a（P<0.05）;各子流域年平均溫度升高0.16～0.29℃/10a，白天增溫0.14～0.20℃/10a，夜間增溫0.18～0.41℃/10a;東北部的饒河流域增溫幅度最大，為0.29℃/10a（P<0.05），其中夜間增溫尤其明顯，達(dá)0.41℃/10a（P<0.05）。由圖3a可知，1960—2019年鄱陽湖流域各月平均溫度升高了0.13～0.37℃/10a（P<0.05），夏季（6—8月）溫度增幅最小，冬季（12月—次年2月）溫度增幅最大;1月和12月白天溫度無顯著變化，其余各月白天溫度升高了0.16～0.39℃/10a（P<0.05），夜間溫度升高了018～0.43℃/10a（P<0.05）;白天溫度和夜間溫度的增幅均是冬季大、夏季小。

2.1.2 降水量 由圖2b可知，鄱陽湖流域近60年降水量增加了58.60mm/10a（P<0.05），白天降水量增加29.14mm/10a（P<0.05），夜間降水量增加27.66mm/10a（P<0.05）;各子流域降水量增加了52.87～67.63mm/10a，鄱陽湖環(huán)湖區(qū)、饒河流域和撫河流域白天降水量增加26.14～30.81mm/10a，撫河流域和贛江流域夜間降水量增加了26.79～30.27mm/10a。由圖3b可知，近60年鄱陽湖流域各月份月降水量增加了6.55～16.16mm/10a（P<0.05），夏季和冬季降水增加，春秋兩季的降水量無顯著變化;夏季和冬季白天（08：00—20：00）降水增加了3.21～10.74mm/10a（P<0.05）;7—8月和11—12月夜間（20：00—08：00）降水增加了3.35～8.34mm/10a（P<0.05）;7、8、11月白天和夜間降水量均有所增加（P<0.05）。

2.2 近60年早稻生長季晝夜溫度和降水變化特征 由圖4a、b、c可知，鄱陽湖流域早稻生長季平均溫度升高了0.24℃/10a（P<0.05），白天和夜間增溫幅度相同。播種至出苗期白天增溫站點(diǎn)數(shù)較少而增溫幅度大，其中夜間增溫0.58℃/10a（P<0.05）;出苗至移栽期白天溫度升高了0.60℃/10a（P<0.05），其增幅遠(yuǎn)大于夜間的0.32℃/10a（P<0.05），日平均溫度升高了0.53℃/10a（P<0.05）;移栽至抽穗期晝夜增溫幅度相近，日平均溫度升高了0.20℃/10a（P<0.05）;抽穗至成熟期溫度升高主要發(fā)生在夜間，為0.22℃/10a（P<0.05），白天僅2個(gè)站點(diǎn)增溫顯著（表1）。早稻生長季晝夜增溫幅度相近，出苗至移栽期白天增溫明顯，播種至出苗期和抽穗至成熟期白天增溫站點(diǎn)數(shù)較少。早稻各生育階段均存在夜間增溫現(xiàn)象。早稻生長季降水量變化不顯著（P>0.05）（圖4d、e、f，表1）。

2.3 近60年晚稻生長季晝夜溫度和降水變化特征 由圖5a、b、c可知，近60年，晚稻生長季平均溫度升高了0.16℃/10a（P<0.05），夜間增溫幅度和增溫站點(diǎn)數(shù)均大于白天，晚稻生長季白天溫度升高了0.19℃/10a（P<0.05），夜間溫度升高了0.21℃/10a（P<0.05）。晚稻播種至出苗期和出苗至移栽期溫度升高的站點(diǎn)數(shù)較少;移栽至抽穗期增溫主要發(fā)生在夜間，夜間溫度升高了0.18℃/10a（P<0.05）;抽穗至成熟期夜間溫度增幅大于白天，夜間增溫0.32℃/10a（P<0.05），白天增溫0.25℃/10a（P<0.05）（表2）。晚稻生長季夜間增溫幅度大于白天，且夜間增溫主要發(fā)生在移栽后。由圖5d、e、f可知，大部分站點(diǎn)晚稻生長季降水量無顯著變化（P>0.05），僅1個(gè)站點(diǎn)生長季降水量增加了21.64 mm/10a（P<0.05），2個(gè)站點(diǎn)白天降水量增加了12.12mm/10a（P<0.05），各站點(diǎn)夜間降水量均無顯著變化（P>0.05）。

2.4 近60年油菜生長季晝夜溫度和降水變化特征 由圖6a、b、c可知，油菜生長季近60年平均溫度升高了0.29℃/10a（P<0.05），夜間溫度增幅為0.35℃/10a（P<0.05），大于白天溫度的增幅0.24℃/10a（P<0.05）。油菜開花期前，夜間溫度升高的站點(diǎn)較白天的多，且增溫幅度也更大;出苗至現(xiàn)蕾期和現(xiàn)蕾至開花期夜間溫度分別增加升高了0.33℃/10a和0.38℃/10a（P<0.05）;油菜開花至成熟期白天溫度升高了0.41℃/10a（P<0.05），夜間溫度升高了0.38℃/10a（P<0.05），白天和夜間溫度增幅相近（表3）。50%的站點(diǎn)油菜生長季降水量增加了33.42mm/10a（P<0.05）（圖6d、e、f，表3）。其中出苗至現(xiàn)蕾期降水量顯著增加，增幅達(dá)20.72mm/10a（P<0.05）。白天和夜間降水量無顯著變化趨勢（P>0.05）。

2.5 主要濕地區(qū)與非濕地區(qū)晝夜溫度和降水變化 方差分析結(jié)果顯示，濕地區(qū)年平均溫度、白天溫度和夜間溫度均與非濕地區(qū)無顯著差異（P>0.05）。早稻、晚稻、油菜全生育期內(nèi)平均溫度、白天溫度和夜間溫度在濕地區(qū)和非濕地區(qū)之間亦無顯著差異（P>0.05）。年降水量在濕地區(qū)和非濕地區(qū)間差異顯著（P<0.05）。兩兩間比較結(jié)果顯示，南部非濕地區(qū)年降水量與北部非濕地區(qū)差異顯著（P<0.05），但2個(gè)非濕地區(qū)與濕地區(qū)的降水量均無顯著差異（P>0.05）;濕地區(qū)白天降水量與北部非濕地區(qū)無顯著差異（P>0.05），但與南部非濕地區(qū)差異顯著（P<0.05）;夜間年降水量地區(qū)間無顯著差異（P>0.05）（表4）。早稻全生育期內(nèi)僅夜間降水量在濕地區(qū)與非濕地區(qū)間有差異（P<0.05），其余氣象要素在濕地區(qū)和非濕地區(qū)之間均無差異（P>0.05）。晚稻、油菜生育期內(nèi)各氣象要素在濕地區(qū)和非濕地區(qū)之間均無顯著差異（P>0.05）。

2.6 溫度與降水變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響 鄱陽湖流域早稻生長季白天和夜間增溫幅度相近，晚稻生長季夜間溫度增幅大于白天，生長季降水量無顯著變化。氣溫升高使鄱陽湖流域雙季稻安全生長季顯著延長，早稻安全播種期和移栽期提前、晚稻安全成熟期推遲[22]。江西省水稻生長季溫度升高使得雙季稻營養(yǎng)生長期和全生育期縮短[23]。雖然溫度升高使雙季稻生長季內(nèi)有效熱量資源增加、冷害減少[23]，但也導(dǎo)致早稻熱害相應(yīng)增加[24]、晚稻高溫逼熟的次數(shù)上升[25]。研究發(fā)現(xiàn)，溫度、降水量與水稻產(chǎn)量呈“倒U型”關(guān)系[26]，水稻生長需要適宜的溫度和水分，但溫度過高、降水過多反而引起水稻減產(chǎn)。溫度升高易引起水稻高溫?zé)岷?，降低其結(jié)實(shí)率，使水稻減產(chǎn);抽穗至揚(yáng)花期降水量過大，易發(fā)生洪澇、暴雨等自然災(zāi)害，不利于水稻開花授粉，最終影響水稻產(chǎn)量[27-28]。雙季稻輪作系統(tǒng)夜間增溫對早稻、晚稻生產(chǎn)的影響不同，在CO2濃度和溫度升高的情況下，當(dāng)前氣候變化可提高雙季稻輪作系統(tǒng)的生產(chǎn)力[29]，但也將導(dǎo)致稻米的精米率和整精米率下降，白堊增加，外觀品質(zhì)變差[30]。

鄱陽湖流域冬油菜開花前夜間溫度增加的站點(diǎn)較白天更多，且增溫幅度更大，開花后白天和夜間溫度增幅相近。溫度升高使得油菜越冬期和花蕾期的低溫凍害減少[31]，有利于油菜生產(chǎn)。然而，張皓等[32]通過APSIM-Canola模型預(yù)測發(fā)現(xiàn)，長江流域冬油菜產(chǎn)量與蕾薹期、花期的溫度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。油菜生育后期（3—5月）平均氣溫每升高0.1℃，油菜將減產(chǎn)40kg/hm2[33]。本研究中，大部分站點(diǎn)油菜生長季降水量增加，生產(chǎn)實(shí)踐中需要關(guān)注開花期濕害對油菜生長的不利影響[34]。油菜苗期水分過多，根系和地上部分生物量均會受到影響，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[35-37]。在氣候變化的背景下，油菜生產(chǎn)的穩(wěn)定性可能會有所降低[33]。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論 基于1960—2019年逐日氣象數(shù)據(jù)和鄱陽湖流域主要作物多年平均物候期，分析近60年鄱陽湖流域主要作物生長季晝夜溫度、降水時(shí)空變化特征，結(jié)果表明：（1）鄱陽湖流域近60年平均溫度升高了0.20℃/10a（P<0.05），夜間增溫（0.25℃/10a）大于白天（0.17℃/10a），且溫度增幅冬季大、夏季小;東北部的饒河流域增溫幅度大于其他子流域。鄱陽湖流域降水量增加了58.60mm/10a（P<0.05），白天和夜間降水增量相當(dāng);流域內(nèi)夏季和冬季降水增加，春秋兩季的降水量無顯著變化。（2）早稻生長季平均溫度升高0.24℃/10a（P<0.05），白天和夜間增溫幅度相近，各生育階段均存在夜間增溫現(xiàn)象。生長季降水量無顯著變化（P>0.05）。（3）晚稻生長季平均溫度升高了0.16℃/10a（P<0.05），夜間增溫幅度和增溫站點(diǎn)數(shù)均大于白天，且夜間增溫主要發(fā)生在移栽后。大部分站點(diǎn)晚稻生長季降水量無顯著變化（P>0.05）。（4）油菜生長季平均溫度升高了0.29℃/10a（P<0.05），夜間溫度增幅（0.35℃/10a）大于白天（0.24℃/10a）。50%的油菜站點(diǎn)生長季降水量增加了33.42mm/10a（P<0.05）。

3.2 討論 研究結(jié)果顯示鄱陽湖流域近60年平均溫度升高了0.20℃/10a，這與關(guān)于江西省的研究結(jié)果相近。1951—2012年江西省氣溫升高了0.17℃/10a[38]，夜間增溫幅度大于白天，與北半球增溫規(guī)律一致[39]。鄱陽湖流域近60年降水量增加了58.60mm/10a（P<0.05），這與江西省降水量無顯著變化的研究結(jié)果不同[38]。鄱陽湖流域氣候與東亞季風(fēng)[40]、厄爾尼諾/拉尼娜事件[41]密切相關(guān)。氣候變暖加速了水循環(huán)過程，導(dǎo)致鄱陽湖流域1970—2000年年徑流量增加了75.3～261.7mm，占流域徑流量變化的105.0%～212.1%[42]。鄱陽湖流域冬季溫度和降水均有所增加，有利于鄱陽湖流域植被總初級生產(chǎn)力提高[43]，但也導(dǎo)致實(shí)際蒸散量下降[44]。

本研究中作物物候期數(shù)據(jù)為20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初的數(shù)據(jù)，因此使用各站點(diǎn)作物物候期的多年平均值進(jìn)行作物生長季氣候要素的統(tǒng)計(jì)分析。但是，由于氣候變化和農(nóng)業(yè)管理措施變化，我國作物物候期也發(fā)生了明顯變化[45]。1981—2009年長江中下游平原雙季稻移栽期、抽穗期、成熟期均提前，以至于水稻營養(yǎng)生長期與全生育期縮短，生殖生長期延長[46];而另有研究發(fā)現(xiàn)，2000—2013年我國早稻、晚稻物候期總體呈推遲趨勢，生長期長度隨平均溫度升高而縮短、隨降水量增加而延長[47]。因此，生長季內(nèi)氣候變化以及氣候變化對當(dāng)?shù)刈魑锷诘挠绊懭孕柽M(jìn)一步研究。本研究中，濕地區(qū)和非濕地區(qū)的界定相對主觀，具體濕地區(qū)的界定指標(biāo)還需進(jìn)一步研究。由于各地地理環(huán)境相差較大，濕地區(qū)和非濕地區(qū)的氣候變化特征差異也值得在更多的地區(qū)進(jìn)行探討。

高溫和干旱缺水已成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)健康發(fā)展的主要限制因素[48]，作物不同生育階段對晝夜氣候變化的響應(yīng)不同。鄱陽湖流域夏季高溫?zé)岷υ黾覽31]而作物安全生長季延長，合理安排播期和選擇耐高溫水稻品種將是雙季稻系統(tǒng)適應(yīng)氣候變化的主要措施。氣候變化改變了作物的生長時(shí)段，影響當(dāng)?shù)氐姆N植制度。對于冬油菜—雙季稻系統(tǒng)，在湖南的研究表明，長期稻—稻—油輪作系統(tǒng)的土壤肥力高于稻—稻—閑系統(tǒng)，而且有助于提升水稻土養(yǎng)分的有效性[49-50]。稻田冬種油菜不僅有利于晚稻產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的提高，油菜秸稈還田還能改善土壤肥力和增加水稻產(chǎn)量[51]。今后宜選育、選用遲播早熟或生育期較短的油菜品種以解決冬油菜—雙季稻模式前后茬的時(shí)間矛盾[52]，充分利用鄱陽湖流域的熱量資源;同時(shí)合理控制種植密度，以防高溫陰雨引發(fā)病蟲害[33]。

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（責(zé)編：徐世紅）