氣候變化背景下貴港市晚稻氣候適宜度的變化特征

莫申萍 蒙小寒 梁虹 劉軍

氣候變化背景下貴港市晚稻氣候適宜度的變化特征

莫申萍1蒙小寒1梁虹1劉軍2

（1. 貴港市氣象局 廣西貴港 537100；2. 貴港市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 廣西貴港 537100）

為氣候變化背景下貴港市水稻生產(chǎn)提供科學(xué)參考，利用貴港市1960—2020年氣象資料和2010—2020年晚稻觀測資料，基于模糊數(shù)學(xué)計算晚稻生育期內(nèi)溫度、降水、光照和氣候適宜度，采用線性趨勢分析方法和M-K突變方法分析各適宜度的變化趨勢和突變特征，并統(tǒng)計1960—2020年各年代豐歉年比例。結(jié)果表明：貴港市晚稻溫度適宜度線性趨勢不確定，突變時間為2000年，降水、光照和氣候適宜度以下降趨勢為主，突變時間多在1990年附近；1960—1989年期間豐年占比多，1990—2020年平年占比多。氣候變化背景下，晚稻生育期內(nèi)氣候適宜度下降、氣象產(chǎn)量偏低是當(dāng)前貴港市水稻生產(chǎn)現(xiàn)狀，有關(guān)部門應(yīng)積極開展水稻品種改善、種植布局優(yōu)化等，以應(yīng)對氣候變化帶來的不利影響。

氣候適宜度；貴港；水稻；變化特征

氣候變化已是全球不爭的事實。氣候變化對我國水稻生產(chǎn)產(chǎn)生了深遠影響，主要表現(xiàn)為各稻區(qū)種植制度和熟性搭配的改變，水稻種植界限北移高擴，安全生產(chǎn)期提前或推遲、安全生長季延長，以及水稻生育期內(nèi)氣候適宜度的變化，最終導(dǎo)致水稻產(chǎn)量、品質(zhì)發(fā)生改變[1-6]。

貴港市位于我國廣西東南部、珠江流域干線西江中游，氣候資源豐富，有利于各類農(nóng)作物生長。2021年廣西統(tǒng)計年鑒[7]顯示，貴港市水稻種植面積2.1×105hm2，占該市總農(nóng)作物種植面積的45%，單產(chǎn)達5 879 kg/hm2，因此保障水稻的正常生產(chǎn)對貴港市的糧食安全至關(guān)重要。大量研究表明，在以氣溫上升、降水和日照時數(shù)分布不均為顯著特征的氣候變化背景下，水稻生育期內(nèi)氣候適宜度已發(fā)生顯著變化，如俞芬等[8]、賴純佳等[9-10]、宋秋波等[11]對淮河流域水稻氣候適宜度的研究發(fā)現(xiàn)，水稻生育期內(nèi)光照、降水適宜度呈顯著下降趨勢；田俊[12]對江西雙季稻氣候適宜度變化進行分析發(fā)現(xiàn)，光照適宜度下降最為明顯，且光照、降水氣候適宜度將長期維持在較低水平；譚孟祥等[13]對江蘇一季稻氣候適宜度變化趨勢進行研究得出，溫度、光照、降水和氣候適宜度都呈顯著下降趨勢。就目前研究來看，大部分學(xué)者認為，氣候變化背景下水稻氣候適宜度降低，當(dāng)前氣候條件對水稻生產(chǎn)的弊大于利，但不同地區(qū)可能存在差異。在當(dāng)前氣候變化背景下，廣西年平均氣溫顯著上升，且顯著區(qū)域主要分布在高海拔、高緯度的桂北地區(qū)[14]，日照時數(shù)顯著下降，但貴港地區(qū)日照時數(shù)變化不明顯[15-16]，且廣西降水仍以非均勻性多尺度的周期變化為主[17]，線性變化趨勢仍不明確；由于區(qū)域氣候變化的復(fù)雜性，氣候變化對當(dāng)前貴港市水稻生產(chǎn)可能存在差別性影響。因此，本研究以貴港市晚稻觀測資料和逐日氣象資料為數(shù)據(jù)源，基于模糊數(shù)學(xué)，采用線性趨勢方法和Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法（簡稱M-K方法）分析1960—2020年晚稻氣候適宜度的變化特征，以期在氣候變化背景下掌握水稻氣候適宜度變化規(guī)律，為有關(guān)部門制定未來水稻生產(chǎn)計劃提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

從貴港市氣象局獲取1960—2020年逐日氣象資料和2010—2020年晚稻觀測資料，氣象資料主要包括日平均氣溫、降水量、日照時數(shù)等，晚稻觀測資料主要包括發(fā)育期、產(chǎn)量。2010—2020年晚稻發(fā)育期的分布箱葉圖如圖1-a所示，以近11年的發(fā)育期平均值作為本研究的各發(fā)育期數(shù)據(jù)；產(chǎn)量情況如圖1-b所示，參考文獻[18]，對產(chǎn)量進行趨勢產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量分離，并求出相對氣象產(chǎn)量。

圖1 貴港市2010—2020年晚稻發(fā)育期和產(chǎn)量概況

1.2 方法

1.2.1 晚稻氣候適宜度計算方法[19-20]水稻氣候適宜度由溫度適宜度、降水適宜度和光照適宜度組成，計算公式如下：

式中，為氣候適宜度，為溫度適宜度，為降水適宜度，為光照適宜度，由beta函數(shù)構(gòu)成，計算公式如下：

式中，為溫度適宜度，值域[0，1]；T、T和T分別為某一生育階段下限溫度、最適溫度和上限溫度；為該生育階段逐日平均溫度；參數(shù)由下限溫度、最適溫度和上限溫度決定。

是實際降水量和所需降水量比值的分段函數(shù)，計算公式如下：

式中，為降水適宜度，值域[0，1]；為生育期內(nèi)的總降水量；R為生育期內(nèi)需水總量。

是底數(shù)為e的指數(shù)函數(shù)，計算公式如下：

式中，為光照適宜度，值域為(0，1]；為生育期內(nèi)平均日照時數(shù)；s為該生育階段最適日照時數(shù)，當(dāng)實際日照時數(shù)超過該值后，光照適宜度為1，表明光照條件已經(jīng)滿足作物生長的需要，否則光照適宜度隨日照時數(shù)的增加呈指數(shù)增加。公式（2）（3）和（4）中各參數(shù)取值參考文獻[21]，如表1所示。

表1 晚稻氣候適宜度模型參數(shù)

1.2.2 趨勢分析和突變分析 采用線性趨勢方法和世界氣象組織推薦的M-K法對溫度適宜度、降水適宜度、光照適宜度和氣候適宜度趨勢變化和突變情況進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候適宜度模型驗證

利用2010—2020年晚稻全生育期氣候適宜度與相對氣象產(chǎn)量進行相關(guān)分析，結(jié)果如圖2所示。得出的回歸方程=67.918–47.019通過了0.05顯著性水平檢驗，說明氣候適宜度與相對氣象產(chǎn)量關(guān)系顯著，建立的回歸模型較好。根據(jù)相對氣象產(chǎn)量大于5%為豐年、在–5%～5%為平年、小于–5%為歉年的劃分指標[20]，利用回歸方程得出豐年與平年、平年與歉年的氣候適宜度閾值分別為0.76、0.62，即氣候適宜度（）大于0.76為豐年，處于0.62至0.76之間為平年，小于0.62為歉年。

圖2 氣候適宜度與相對氣象產(chǎn)量的相關(guān)性分析

2.2 溫度適宜度趨勢變化和突變情況

貴港市晚稻各生育期及全生育期溫度適宜度的趨勢變化和突變情況見表2。從表2可看出，返青期和分蘗期溫度適宜度變化趨勢顯著，返青期溫度適宜度呈顯著下降趨勢，分蘗期溫度適宜度呈顯著上升趨勢；返青期和抽穗開花期的溫度適宜度存在突變點，突變時間均為2000年，突變后返青期溫度適宜度較突變前減少0.05，突變后抽穗開花期溫度適宜度較突變前增加0.03。

表2 貴港市晚稻生育期內(nèi)溫度適宜度變化趨勢及突變情況

注：**為通過0.01顯著水平檢驗，*為通過0.05顯著水平檢驗，“×”表示未出現(xiàn)突變特征，下同。

2.3 降水適宜度趨勢變化和突變情況

貴港市晚稻各生育期及全生育期降水適宜度的趨勢變化和突變情況如表3所示。從表3可以看出，乳熟期降水適宜度呈顯著下降趨勢，苗期、乳熟期和全生育期的降水適宜度存在突變點，突變時間分別為1989、1989和1990年，突變后苗期、乳熟期和全生育期降水適宜度較突變前均減少，減少量分別為0.08、0.25和0.08。

2.4 光照適宜度趨勢變化和突變情況

貴港市晚稻各生育期及全生育期光照適宜度的趨勢變化和突變情況如表4所示。從表4可以看出，分蘗期光照適宜度呈顯著下降趨勢；苗期、拔節(jié)孕穗期和全生育期的光照適宜度存在突變點，突變時間分別為2015、1989和2017年，突變后三者光照適宜度較突變前均減少，苗期、拔節(jié)孕穗期和全生育期減少量分別為0.10、0.09和0.12。

表3 貴港市晚稻生育期內(nèi)降水適宜度變化趨勢及突變情況

表4 貴港市晚稻生育期內(nèi)光照適宜度變化趨勢及突變情況

2.5 氣候適宜度趨勢變化和突變情況

貴港市晚稻各生育期及全生育期氣候適宜度的趨勢變化和突變情況如表5所示。從表5可以看出，乳熟期和全生育期氣候適宜度變化趨勢顯著，都呈顯著下降趨勢；苗期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、乳熟期和全生育期的氣候適宜度存在突變點，突變時間分別為1992、2012、1987、1990和1990年，突變后五者氣候適宜度較突變前都減少，減少量分別為0.06、0.10、0.06、0.06和0.04。

表5 貴港市晚稻生育期內(nèi)氣候適宜度變化趨勢及突變情況

2.6 1960—2020年豐、平、歉年數(shù)年代變化

根據(jù)2.1建立的回歸方程，分別對貴港市1960—2020年晚稻氣象條件進行評價，并以年代為時間尺度對豐、平、歉年份數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，1960s、1970s和1980s豐年數(shù)量大于或等于平年數(shù)量，不存在歉年；1990s、2000s和2010s平年數(shù)量最多，豐年次之，歉年最少。總體而言，豐年數(shù)量從1990s開始明顯下降，平年和歉年比例上升。

圖3 1960—2020年豐、平、歉年份數(shù)年代變化情況

3 討論與結(jié)論

本研究得出在氣候變化背景下，水稻全生育期溫度適宜度線性變化趨勢不確定，但降水適宜度、光照適宜度和氣候適宜度呈下降趨勢，這與俞芬等[8]、賴純佳等[9-10]、宋秋波等[11]、田俊[12]、譚孟祥等[13]關(guān)于水稻氣候適宜度變化趨勢的研究結(jié)果基本一致。貴港市年總熱量資源顯著增加，但光照和降水的變化趨勢不明顯，年際變化總體向較好方向發(fā)展，但年際內(nèi)的季節(jié)性變化差異較大，特別是秋冬降水減少而春夏增加，以及夏冬不對稱增溫等[16]，給處于下半年的晚稻生產(chǎn)帶來諸多風(fēng)險，因此溫度適宜度變化趨勢仍不確定。水稻全生育期氣候適宜度以1990年為突變點，比廣西氣溫突變點早10年[14]，比廣西日照突變點晚15年[15]，而與廣西降水突變點相差不大[22]。因此，氣候適宜度的突變時間點與氣溫和日照的突變時間點存在一定的提前或滯后效應(yīng)。隨著種植技術(shù)水平的提高和水稻品種的改良，近年來水稻產(chǎn)量已大幅度提高，但受不同年份氣象條件和農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害影響，氣象產(chǎn)量年際間波動性大。本研究得出1960s、1970s和1980s以豐年為主，1990s及后以平年為主，氣象條件對近年來水稻產(chǎn)量影響較大，這與黃維等[23]研究一致。

基于前人研究基礎(chǔ)，采用模糊數(shù)學(xué)定量描述晚稻生育期內(nèi)溫度、降水、光照和氣候適宜度，在一定程度上為作物氣象條件鑒定評價工作提供參考，但各指標和參數(shù)均仍采用前人研究成果，由于水稻不同品種的耐寒性及感光性不同，因此，今后研究中應(yīng)根據(jù)水稻品種劃分不同的溫、光、水指標，以進一步優(yōu)化水稻氣候適宜度模型。此外，由于不同發(fā)育階段水稻對光、溫的敏感性不同，全生育階段的適宜度應(yīng)由各生育階段適宜度和權(quán)重系數(shù)的乘積累加而得[24]，但在本研究中采用平均值法進行計算，忽略不同生育階段對全生育期的貢獻率；因此，在今后研究中應(yīng)采用專家打分法或?qū)哟畏治龇ǖ葘λ?個生育階段的權(quán)重系數(shù)進行確認，使得全生育期氣候適宜度更能體現(xiàn)整個晚稻的實際生長過程。

為積極應(yīng)對氣候變化對水稻生產(chǎn)的不利影響，氣象部門應(yīng)進一步提高農(nóng)業(yè)氣象中長期和短期的預(yù)報準確率，及時采取人工影響天氣等防旱消雹措施，減輕氣象災(zāi)害對水稻及整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。農(nóng)業(yè)科研部門應(yīng)加強科研投入，主攻研發(fā)、選育抗倒伏、抗病力強的水稻品種，從水稻株形、葉面積大小等方面著手提高光能利用率，提高光溫生產(chǎn)潛力，進一步提高水稻產(chǎn)量。

氣候變化背景下,晚稻生育期內(nèi)溫度適宜度變化趨勢不確定，光照、降水和氣候適宜度下降，突變后較突變前適宜度顯著降低，平、歉年比例逐步升高，氣候適宜度總體偏低和氣象產(chǎn)量不高且波動性大是貴港市水稻生產(chǎn)現(xiàn)狀，有關(guān)部門應(yīng)積極開展水稻品種改良、種植布局優(yōu)化等研究，以應(yīng)對氣候變化帶來的不利影響。

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Variation Characteristics of Climate Suitability of Late Rice under the Background of Climate Change in Guigang

MO Shenping1MENG Xiaohan1LIANG Hong1LIU Jun2

(1. Guigang Meteorological Bureau, Guigang, Guangxi 537100, China; 2. Agricultural and Rural Bureau of Guigang,Guigang, Guangxi, 537100, China)

In order to provide scientific reference for rice production under the background of climate change in Guigang,based on the meteorological data from 1960 to 2020 and the late rice observation data from 2010 to 2020 of Guigang,the temperature, precipitation, light and climate suitability during the growth period of late rice were calculated by fuzzy mathematics. Linear trend analysis method and M-K mutation method were used to analyze the change trend and mutation characteristics of each suitability of late rice in Guigang. The proportion of rich and poor years from 1960 to 2020 was also counted. The results showed that the linear trend of temperature suitability of late rice in Guigang was uncertain. The mutation time of temperature suitability was 2000. Precipitation, light and climate suitability mainly showed a downward trend. The mutation time were mostly near 1990. Rich years from 1960 to 1989 was high proportion while normal years from 1990 to 2020 was high proportion. The current situation of rice production in Guigang is the decline of climate suitability and low meteorological yield during the growth period of late rice under climate change. Relevant departments should actively carry out measures such as rice variety improvement and planting layout optimization to deal with the adverse effects of climate change.

climate suitability; Guigang; rice; change characteristics

S511

A

10.12008/j.issn.1009-2196.2022.06.020

2022-01-27；

2022-03-10

2017年廣西科技重點研發(fā)計劃項目《基于“3S”技術(shù)的水稻高溫?zé)岷︻A(yù)測監(jiān)測和災(zāi)害區(qū)劃技術(shù)研究與示范》（No.桂科AB17195037）；中國氣象局預(yù)報員專項（No.CXFZ2021Z034）；貴氣科（No.2022001）。

莫申萍（1980—），女，學(xué)士，農(nóng)藝師，研究方向為農(nóng)業(yè)氣象應(yīng)用，E-mail：mspping@163.com。

蒙小寒（1980—），男，學(xué)士，高級工程師，主要研究方向為農(nóng)業(yè)氣象，E-mail：42101971@qq.com。

（責(zé)任編輯 林海妹）