氣候變化背景下江蘇省水稻氣候適宜性區(qū)劃研究

吳洪顏，張佩

(1.江蘇省氣象臺，江蘇 南京 210008；2.江蘇省氣候中心，江蘇 南京 210009)

引言

江蘇地處亞熱帶和溫帶季風過渡區(qū)，農(nóng)業(yè)氣候資源優(yōu)越，稻麥(油)兩熟制是主要種植制度，適栽水稻品種類型也很多，尤其是20世紀90年代以來，江蘇實施“秈改粳”工程，水稻品種和布局有了很大調(diào)整，粳稻的種植面積、育種和產(chǎn)量穩(wěn)居國內(nèi)外領(lǐng)先水平[1-2]。然而，由于品種更替頻繁，種植方式改變，加之氣候條件[3]、病蟲害以及政策和市場因素的影響，江蘇水稻種植效益在上升趨勢中仍存在著許多不確定因素[4-6]。因此，在全球氣候變暖背景下，如何選擇品種并配套與之相適應(yīng)的播種時間和方式，以便最佳利用當?shù)販毓赓Y源，充分發(fā)揮水稻生產(chǎn)潛力，實現(xiàn)水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效，是新形勢下需解決的問題。

有關(guān)氣候條件對水稻生長、產(chǎn)量及品質(zhì)形成的影響，前人已做了大量工作。高亮之等[7-8]在研究了多種類型水稻品種的產(chǎn)量形成與氣候條件的關(guān)系基礎(chǔ)上，建立了國內(nèi)水稻生長的一系列模型，并將其應(yīng)用于產(chǎn)量預(yù)測和災(zāi)害監(jiān)測。姚克敏和王志南[9]根據(jù)雜交稻在不同溫光條件下干物質(zhì)積累及分配規(guī)律將其劃分為三種生長類型。沙國棟和李林[10]比較了水稻在不同氣候環(huán)境條件下的產(chǎn)量特性。趙強基等[11]對四類水稻代表品種的生產(chǎn)力與氣候生態(tài)特性的演進趨向進行了有關(guān)分析。賀志康等[12]明確了一些南方中稻品種產(chǎn)量與溫光條件的關(guān)系。謝光輝等[13]對湘西山區(qū)單季稻干物質(zhì)生產(chǎn)與不同海拔地區(qū)氣候條件的關(guān)系進行了研究。在明確了氣候條件與水稻種植的關(guān)系后，一些學者[14-15]又進一步開展了如何有效利用氣候資源開展水稻氣候區(qū)劃的研究。李林和高亮之[16]基于對耕作制度影響最大的氣候因素，對江蘇的耕作模式進行了劃分。杜東升等[17]以水稻生長期的活動積溫和日照時數(shù)作為區(qū)劃指標，完成了湖南雙季超級稻的氣候區(qū)劃。魏麗等[18]結(jié)合江西地形、地貌特征，通過GIS的空間分析和多層復(fù)合方法，融合農(nóng)業(yè)和氣象專家的思想，利用10～20 ℃的有效積溫、t≥27 ℃的日數(shù)作為區(qū)劃指標，對江西省優(yōu)質(zhì)早稻適宜種植區(qū)進行了劃分和評價。秦鵬程等[19]利用t≥10 ℃的活動積溫、水稻生長期長度、安全生育期天數(shù)作為區(qū)劃指標，對湖北水稻布局進行氣候適宜性區(qū)劃。由以上研究可看出，影響水稻品種布局的主要氣候因素為生長季積溫和生長季的長度。然而伴隨著全球氣候變暖，江蘇水稻主要生育期的積溫不斷增加，水稻生長季也在延長，這些因素一方面為水稻生長提供了豐裕的熱量資源[20-21]，同時，也帶來高溫、干旱及秋季陰雨等諸多氣象災(zāi)害[22-23]，不同程度地增加了水稻安全生產(chǎn)的隱患。因此，開展氣候適宜性區(qū)劃，合理調(diào)整品種布局，適當規(guī)避不利氣候條件，對水稻穩(wěn)產(chǎn)、豐產(chǎn)顯得尤為重要。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來自江蘇省氣象局(67個國家級氣象觀測站)及周邊省份(山東省、安徽省及浙江省)氣象局共計85個國家級氣象觀測站，主要氣象要素為：逐日平均氣溫、降水量、日照時數(shù)。統(tǒng)計年限為1961—2019年。贛榆、徐州等8個站的水稻生育期資料來自江蘇省氣象局，1981—2015年縣級水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自江蘇省統(tǒng)計局。

1.2 區(qū)劃指標篩選

本文以江蘇省為研究區(qū)，選擇日平均氣溫穩(wěn)定通過t≥10 ℃和t≥20 ℃的初終日、t≥10 ℃的活動積溫、適宜生長期、降水量以及日照時數(shù)為主導(dǎo)評價指標。

1.3 區(qū)劃方法

采用模糊數(shù)學理論[24-26]中的加權(quán)平均模型進行綜合評判F，

(1)

其中，qi為第i項水稻氣候適宜性評價指標的分值，wi為第i項水稻氣候適宜性評價指標的權(quán)重系數(shù)。F值在0.1～4.0之間，其值越大，表明氣候適宜性越好。

各指標的wi則利用變異系數(shù)[27]cvi來獲?。?/p>

(2)

(3)

1.4 分析方法

首先利用Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗，對1961—2019年t≥10 ℃的活動積溫、降水量等氣候要素進行時間序列的趨勢分析和突變檢驗[28-29]，對水稻氣候適宜性(10 a、30 a)和區(qū)劃結(jié)果(30 a)按不同的位相進行分析，分別以20世紀60年代、20世紀70年代、20世紀80年代、20世紀90年代、21世紀00年代、21世紀10年代、1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年及1991—2019年的不同時段來考察不同年代際背景下數(shù)值的時空分布特征。

試驗采用的輸電塔原型為100kV雙回路角鋼塔，塔高89.6m，呼高66m，基底寬度為17.315m，塔身頂部寬度為2.5m，在塔頂段23.6m范圍內(nèi)設(shè)置有三層橫擔，如圖3所示。輸電塔氣彈模型縮尺比為1∶50，模型材料為鋁材。為了盡量減小輸電塔模型各桿件節(jié)點處膠接導(dǎo)致的阻尼問題，采用線切割方式沿高度方向分段整體雕刻輸電塔的主桿及斜直桿，而后沿各桿件軸線彎折為∟型模擬角鋼橫斷面，最后采用高強粘結(jié)劑連接模型各段，輸電塔模型的橫擔和塔腿也采用類似的制作方式。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候適宜性分析

2.1.1 溫度適宜性分析

日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃是水稻、玉米等喜溫作物進入生長期的標志。1961年以來，隨著江蘇年平均氣溫的升高(氣候傾向率0.3 ℃·(10 a)-1)，t≥10 ℃的活動積溫也隨之上升。年代際分析(圖1)可見，江蘇自南向北t≥10 ℃的活動積溫一致增加，以蘇南地區(qū)最顯著，t≥10 ℃的活動積溫由20世紀60年代的4 914.4 ℃上升到5 455.9 ℃(2011—2019年)，氣候傾向率為119.1 ℃·(10 a)-1。對1961—2019年t≥10 ℃的活動積溫進行Mann-Kendall方法檢驗發(fā)現(xiàn)，各地t≥10 ℃的活動積溫呈顯著上升趨勢，突變拐點自北向南發(fā)生在1997—2000年間。

圖1 江蘇省1961—2019年t≥10 ℃的活動積溫年際變化

對1961—1990年及1991—2019年等2個30 a尺度的t≥10 ℃的活動積溫進行空間分析(圖2)發(fā)現(xiàn)，t≥10 ℃的活動積溫在不同年代際均呈現(xiàn)由西南向東北遞減。隨著年代際推移，全省各地t≥10 ℃的活動積溫均呈增加趨勢。1961—1990年全省大部分地區(qū)t≥10 ℃的活動積溫普遍高于4 500 ℃，其中沿江蘇南高于4 800 ℃；1991—2019年全省大部分地區(qū)t≥10 ℃的活動積溫普遍高于4 700 ℃，其中沿江蘇南地區(qū)高于5 100 ℃。與1961—1990年相比，1991—2019年t≥10 ℃的活動積溫增幅全省平均達311.8 ℃·(30 a)-1。

圖2 江蘇省t≥10 ℃的活動積溫(色階，單位：℃)空間分布(a.1961—1990年，b.1991—2019年)

與積溫的空間分布相似，江蘇春季日平均氣溫穩(wěn)定通過t≥10 ℃的初日也是自西南—東北逐漸推遲，前后一般相差9～10 d。1961—1990年，西南部最早在3月29日穩(wěn)定升溫到10 ℃以上，江淮之間和淮北西部地區(qū)在4月2—5日，東部沿海要推遲到4月6—7日。1991—2019年，蘇南西南部春季日平均氣溫于3月24—26日即穩(wěn)定通過10 ℃，到4月2—3日，全省日平均氣溫均穩(wěn)定通過10 ℃，春季升溫平均提前3～4 d。

秋季降溫的時空分布特征與春季升溫不同，常年日平均氣溫穩(wěn)定通過t≥20 ℃的終日是由西北—東南逐漸開始，淮北地區(qū)9月20日之前日平均氣溫最早降到20 ℃以下，沿江蘇南東部則可推遲到10月初，南北相差達13 d以上。對比1961—1990年，1991—2019年淮北地區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定通過t≥20 ℃的終日推遲了3 d左右，沿江和蘇南地區(qū)則推遲一周以上。

2.1.2 日照適宜性分析

多年實踐發(fā)現(xiàn)，江蘇水稻主要生育期在5—10月。統(tǒng)計1961—2019年5—10月的日照時數(shù)發(fā)現(xiàn)，沿江和蘇南大部分地區(qū)在1 000～1 150 h之間，江淮北部和沿淮地區(qū)在1 150～1 200 h之間，淮北北部在1 200 h以上、局部超過1 250 h。由年代際的分析來看，全省5—10月的日照時數(shù)一致性下降，20世紀60年代最高，普遍在1 200 h以上，之后開始下降，20世紀90年代以后下降趨勢顯著，全省大部分地區(qū)不足1 100 h。對1961—2019年5—10月的日照時數(shù)進行Mann-Kendall方法檢驗(圖3)發(fā)現(xiàn)：蘇南地區(qū)5—10月的日照時數(shù)在1987年左右發(fā)生顯著突變，之后開始明顯減少；而北部地區(qū)的突變滯后于蘇南地區(qū)，出現(xiàn)在20世紀90年代中期。此外，在突變拐點出現(xiàn)前，淮河以南地區(qū)5—10月的日照時數(shù)的年際波動趨勢比較一致，僅幅度上存在差異。

圖3 江蘇省1961—2019年5—10月日照時數(shù)的Mann-Kendall檢驗(a.淮北地區(qū)，b.江淮之間，c.蘇南地區(qū))

2.1.3 降水適宜性分析

研究表明，水稻全生育期需水量為600～900 mm，以生長中期(孕穗—抽穗期)需水量最大。統(tǒng)計江蘇1961—2019年5—10月水稻主生育期的降水量發(fā)現(xiàn)，除淮北西部降水量較少，不足650 mm外，全省大部分地區(qū)降水量在700～800 mm之間，多數(shù)年份能滿足水稻生長需求。通過年代際分析發(fā)現(xiàn)，淮河以南地區(qū)的降水有增加趨勢，1961—2019年5—10月的降水量平均在700 mm以上；而淮北地區(qū)則略有減少，在700 mm上下波動，該地區(qū)由于處在南北氣候過渡帶、黃淮海平原的南緣，春夏之際干旱頻發(fā)，常常會影響水稻的育苗和移栽。對1961—2019年5—10月的降水量進行Mann-Kendall方法檢驗發(fā)現(xiàn)，江蘇水稻主生育期內(nèi)降水量自1961年以來趨勢變化并不明顯，UF(K)和UB(K)曲線有多次震蕩相交，年際波動較大。

2.1.4 水稻適宜生長期分析

粳稻齊穗—成熟一般需要40 d左右，即日平均氣溫穩(wěn)定通過t≥20 ℃的終日后40 d為水稻的安全成熟期。水稻適宜生長期是指安全播期—安全成熟期，即日平均氣溫穩(wěn)定通過t≥10 ℃的初日和穩(wěn)定通過t≥20 ℃的終日后延40 d間的時段。統(tǒng)計1961—2019年資料(圖4)發(fā)現(xiàn)，全省水稻適宜生長期均超過200 d，且增加趨勢顯著，平均每10 a增加3 d左右。其中，1991—2019年間蘇南地區(qū)平均超過230 d。由年代際分析來看，與1961—1990年相比，1991—2019年淮北地區(qū)水稻適宜生長期增加了7～9 d，淮河以南地區(qū)則延長了10 d以上。對1961—2019年各地水稻適宜生長期進行Mann-Kendall方法檢驗發(fā)現(xiàn)，20世紀80年代末—20世紀90年代初江蘇水稻適宜生長期自北向南先后出現(xiàn)突變。

圖4 江蘇省水稻適宜生長期(色階，單位：d)分布(a. 1961—1990年，b. 1991—2019年)

2.2 氣候適宜性區(qū)劃

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)溫、光、水資源特征和水稻對溫光條件的反應(yīng)來明確不同品種水稻的適宜區(qū)，從而實現(xiàn)水稻品種的優(yōu)化布局。通過對水稻生長季光、溫、水條件分析，結(jié)合前人研究成果[30]和現(xiàn)有稻麥(油)兩熟的耕作制度，選擇5—10月t≥10 ℃的活動積溫、降水量以及適宜生長期的日數(shù)作為江蘇水稻氣候適宜性區(qū)劃的指標，具體分級如表1。

表1 江蘇水稻氣候適宜性區(qū)劃因子和分級閾值

利用ArcGIS的重分類功能對所選氣候區(qū)劃指標進行分級賦值，再結(jié)合不同權(quán)重進行疊加分析，綜合考慮水稻早、中、晚品種光溫特性采用自然斷點法進行分級，將江蘇水稻種植劃分為4個氣候適宜區(qū)：中熟中粳適宜區(qū)、遲熟中粳適宜區(qū)、早熟晚粳適宜區(qū)、中熟晚粳適宜區(qū)，如圖5所示。

圖5 1961—2019年江蘇水稻種植氣候適宜性區(qū)劃

1)中熟中粳適宜區(qū)：位于沿淮淮北東部和淮北西北部，包括徐州北部、宿遷北部、連云港及鹽城北部。大部分地區(qū)春季升溫較慢，日平均溫度穩(wěn)定通過t≥10 ℃的初日出現(xiàn)在4月初，適宜生長期少于210 d，5—10月t≥10 ℃的活動積溫平均不足4 200 ℃，大部分地區(qū)降水量少于700 mm，春、夏季干旱風險較大，但日照充足。該區(qū)域以中熟中粳水稻品種為主，西北部地區(qū)秋季降溫偏早，可搭配種植早熟中粳品種。

2)遲熟中粳適宜區(qū)：位于淮北西南部、沿淮西部和江淮之間南部沿海地區(qū)，包括徐州南部、宿遷西部、淮安南部、泰州、鹽城南部及南通沿海。春季升溫略早，日平均溫度穩(wěn)定通過t≥10 ℃的初日出現(xiàn)在4月1—5日，水稻適宜生長期接近220 d，5—10月t≥10 ℃的活動積溫平均為4 200～4 300 ℃，降水分布不均，大部分地區(qū)為700～800 mm，水資源相對豐富、日照充裕。該區(qū)域以遲熟中粳水稻品種為主，江淮西部地區(qū)降溫略早，適當種植中熟中粳品種更安全。

3)早熟晚粳適宜區(qū)：主要位于沿江地區(qū)，包括南京、揚州、鎮(zhèn)江、泰州、蘇州、常州和南通部分地區(qū)。日平均氣溫穩(wěn)定通過t≥10 ℃的初日在4月1日前后，安全齊穗期在9月下旬至10月初，水稻適宜生長期超過220 d，5—10月t≥10 ℃的活動積溫大于4 300 ℃，降水量在750～800 mm之間，水資源豐富、溫度適宜、適宜生長期長。該區(qū)域適宜種植早熟晚粳水稻品種，長江以北地區(qū)可穿插種植遲熟中粳品種，保障穩(wěn)產(chǎn)。

4)中熟晚粳適宜區(qū)：主要位于蘇南南部地區(qū)，包括南京、蘇州、無錫和常州的南部地區(qū)。日平均氣溫穩(wěn)定通過t≥10 ℃的初日在3月下旬，安全齊穗期在9月下旬末至10月初，水稻適宜生長期超過220 d、局部可達230 d以上，5—10月t≥10 ℃的活動積溫接近4 400 ℃，5—10月降水量在750～800 mm之間，水資源豐富、熱量充足、適宜生長期長，但夏季高溫較多。近30 a來，由于適宜生長期變長，熱量充裕，該區(qū)域完全可以種植中熟晚粳水稻品種，但在東部升溫偏晚區(qū)域，應(yīng)適當遲播，或選擇種植早熟晚粳品種。

2.3 區(qū)劃的年代際分析

將水稻氣候適宜性區(qū)劃模型按照1961—1990年、1971—2000年、1981—2010年及1991—2019年4個時間段進行計算分區(qū)(圖6)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)年代際特征非常顯著，江蘇因氣溫升高、水稻適宜生長期變長，水稻種植分區(qū)的界線出現(xiàn)明顯北移。其中，1961—1990年，沿淮淮北地區(qū)和東部沿海都是中熟中粳稻種植區(qū)，范圍最大，幾乎占了江蘇一半的面積；剩下的區(qū)域被江淮之間西部和沿江地區(qū)的遲熟中粳稻區(qū)、蘇南南部地區(qū)的早熟晚粳稻均分，面積相當；而隨著全球氣溫開始上升，尤其是20世紀80年代后期明顯加速，導(dǎo)致1971—2000年間江蘇水稻種植區(qū)相應(yīng)界線出現(xiàn)不同程度的北移，蘇南西部地區(qū)可以種植一些中熟晚粳品種，沿江和蘇南地區(qū)則主要成為早熟晚粳稻種植區(qū)；1981年之后的30 a間，中熟晚粳種植區(qū)繼續(xù)擴大，幾乎整個蘇南地區(qū)均可栽培，早熟晚粳品種適宜區(qū)則北移到沿江地區(qū)，江淮之間南部的熱量條件也基本滿足其生長需求；1991—2019年，中熟晚粳品種可由蘇南地區(qū)北擴到沿江地帶甚至江淮之間南部地區(qū)，早熟晚粳則可在除沿淮東部外的淮河以南大部分地區(qū)安全生長，沿淮和淮北大部分地區(qū)都能滿足遲熟中粳品種生長，應(yīng)用范圍很廣，僅淮北西部地區(qū)還需種植中熟中粳品種，以求穩(wěn)產(chǎn)。

3 結(jié)論與討論

結(jié)合不同品種水稻生長的光、溫、水特性，對江蘇水稻主要生長季的熱量、降水和日照等資源進行趨勢分析和檢驗。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了氣候適宜性綜合評價模型，基于模型計算結(jié)果對江蘇水稻氣候適宜性進行區(qū)劃。結(jié)論如下：

1)江蘇日平均溫度穩(wěn)定通過t≥10 ℃的初日出現(xiàn)在3月底—4月初，南北相差9～10 d，近10 a的平均初日較20世紀60年代提前一周左右；日平均溫度穩(wěn)定通過t≥20 ℃的終日南北相差超過13 d，與20世紀60年代相比，近10 a淮北地區(qū)平均終日推遲3 d左右，沿江和蘇南地區(qū)則在一周以上；全省t≥10 ℃的活動積溫呈上升趨勢，突變始于20世紀90年代，活動積溫的氣候傾向率為80.8 ℃·(10 a)-1。

2)根據(jù)水稻品種特性及氣象要素空間差異原則，選擇水稻適宜生長期、5—10月日照時數(shù)、降水量及t≥10 ℃的活動積溫作為指標，綜合評價江蘇省水稻氣候適宜性，并將其自北向南劃分為中熟中粳、遲熟中粳、早熟晚粳、中熟晚粳4個氣候適宜區(qū)。通過30 a尺度下的年代際分析發(fā)現(xiàn)，隨著氣候變暖，水稻氣候分區(qū)的界線年際間明顯向北調(diào)整，晚粳品種適宜區(qū)可向北推進到淮河以南。遲熟中粳品種應(yīng)用范圍明顯擴大，長江以北地區(qū)的氣候條件均能滿足。因此，在充分考慮產(chǎn)量和氣候資源利用率的前提下，種植中熟中粳適宜區(qū)應(yīng)相應(yīng)縮減，以獲得最大的種植效益。

3)受氣候變化影響江蘇水稻適宜生長期變長、積溫明顯增加，與30 a前相比，省內(nèi)多數(shù)地區(qū)都可以進一步優(yōu)化配置，選擇生長期更長的品種，以提升稻米品質(zhì)。然而，由于文中采用30 a平均值，與80%保證率的結(jié)果相比，各區(qū)域界線過于偏北。因此，為確保水稻安全生產(chǎn)，在進行品種布局時，應(yīng)在本區(qū)劃基礎(chǔ)上略微南調(diào)較為穩(wěn)妥，可在一定程度上避開夏季高溫、秋季低溫、連陰雨等災(zāi)害的影響。