岳 偉,陳金華,阮新民,陳 曦,陳硯濤,王 珍

(1.安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心 合肥 230031;2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所 合肥 230031;3.安徽省石臺(tái)縣氣象局石臺(tái) 245100)

IPCC第5次評(píng)估報(bào)告指出,全球氣候正發(fā)生著以變暖為主要特征的顯著性變化,過去 100多年來(1880—2012年),全球地表平均溫度已升高 0.85℃(0.65～1.06℃),2003—2012年平 均 溫 度 比1850—1900年平均溫度上升0.78℃[1]。1906—2005年我國年平均氣溫上升(0.78±0.27)℃[2-3]。農(nóng)業(yè)是對(duì)氣候變化最為敏感和脆弱的領(lǐng)域之一[4],氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響,首先表現(xiàn)為對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源的影響,農(nóng)業(yè)氣候資源的數(shù)量及其配置不僅直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程[5],對(duì)農(nóng)作物種植制度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局也有不同程度影響[6]。

水稻(Oryza sativaL.)是我國重要的糧食作物,水稻生產(chǎn)對(duì)保障我國糧食安全具有特別重要的地位,提高雙季稻單產(chǎn)是提高水稻總產(chǎn)和糧食總產(chǎn)的重要途徑之一[7]。了解并掌握氣候資源的時(shí)間變化規(guī)律和空間分布特征,對(duì)于合理利用氣候資源,科學(xué)安排生產(chǎn)布局,提高雙季稻產(chǎn)量具有重要指導(dǎo)意義。關(guān)于氣候變暖對(duì)雙季稻生產(chǎn)氣候資源的影響已引起眾多學(xué)者的關(guān)注和研究。呂偉生等[8]研究發(fā)現(xiàn),近30 a江西省雙季稻安全生產(chǎn)期內(nèi)溫光資源總體呈溫度明顯升高、積溫顯著增加、日照時(shí)數(shù)無明顯變化的趨勢(shì);近 50 a長江中游地區(qū)(湖南、湖北、江西)早稻安全播種期提前3～7 d,雙季晚稻安全齊穗期延后 2 d,雙季稻安全生長期平均延長7 d,雙季稻種植北界明顯北移200 km左右[9];湖南省1980—2012年雙季稻全生育期內(nèi)平均溫度呈現(xiàn)升高趨勢(shì),早稻全生育期內(nèi)降水量和輻射呈增加趨勢(shì),晚稻全生育期內(nèi)降水量和輻射有所下降[10];吳珊珊等[11]利用全球氣候模式ECHAM5/MPI-OM在SRES A1B排放情景下2015—2100年全球氣候模式的預(yù)測(cè)結(jié)果,對(duì)江西雙季稻 2015—2100年的氣候產(chǎn)量進(jìn)行定量預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn) 2060年以前,早稻氣候產(chǎn)量基本以正值為主,2060年后氣候產(chǎn)量呈正負(fù)波動(dòng)狀態(tài),晚稻氣候產(chǎn)量整體變化幅度較早稻氣候產(chǎn)量小。然而不同區(qū)域雙季稻生產(chǎn)氣候資源變化趨勢(shì)并不完全一致,開展區(qū)域性研究對(duì)指導(dǎo)當(dāng)?shù)仉p季稻生產(chǎn)更具有針對(duì)性和實(shí)用性。

安徽省是我國種植雙季稻北緣地區(qū),雙季稻年播種面積在20萬 hm2左右,對(duì)安徽省糧食總產(chǎn)發(fā)揮重要作用。目前,關(guān)于氣候資源變化及對(duì)安徽省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響研究較多,但多集中于安徽省周年氣候資源變化對(duì)小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、一季稻等作物生產(chǎn)的影響[12-16],而關(guān)于氣候資源尤其是雙季稻生長季光熱資源變化及其對(duì)氣象產(chǎn)量影響的研究較少。因此,本研究利用安徽省沿江地區(qū)19個(gè)市縣氣象觀測(cè)站1961—2017年逐日日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)及 7個(gè)雙季稻主產(chǎn)市縣1961—2006年早稻和晚稻產(chǎn)量資料,分析該地區(qū)近50 a來雙季稻生長季光熱資源和利用效率的變化特征及光熱資源變化對(duì)雙季稻氣象產(chǎn)量的影響,以期為應(yīng)對(duì)氣候變化、充分利用氣候資源、合理調(diào)整沿江地區(qū)雙季稻種植結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

圖1 安徽省沿江地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of meteorological stations along the Yangtze River in Anhui Province

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

安徽省沿江地區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年平均氣溫16～17.3℃,常年無霜期達(dá)220～250 d,年平均降水量 770～1 700 mm,地形以丘陵山地和平原為主[17]。降水豐富,日照充足,雨熱同季;河網(wǎng)密布,灌溉條件好,為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了良好的條件。

1.2 研究資料

本研究使用的逐日氣象資料來源于安徽省氣象信息中心,主要包括沿江地區(qū)19個(gè)市縣(圖1)1961—2017年的日平均氣溫(℃)、日照時(shí)數(shù)(h)。雙季稻產(chǎn)量資料來自于《安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒》,主要包括樅陽、懷寧、望江、南陵、蕪湖縣、宣城、池州等沿江地區(qū) 7個(gè)雙季稻主產(chǎn)市縣 1961—2006年早稻和晚稻產(chǎn)量(kg·hm-2)。

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,安徽省沿江地區(qū)雙季早稻一般于4月上旬播種,7月中旬成熟;雙季晚稻一般7月上旬播種,11月中旬成熟。所以本文選取早稻生長季為4月上旬—7月中旬,晚稻生長季 7月上旬—11月中旬,雙季稻生長季為4月上旬—11月中旬。

1.3 研究方法

1.3.1 光熱資源及利用效率

氣候資源在一定程度上決定了某一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力[18],太陽輻射資源是重要的農(nóng)業(yè)氣候資源之一,是植物進(jìn)行光合作用的必要條件,使植物能夠正常生長、發(fā)育及形成產(chǎn)量[19]。本文采用曹雯等[20]修訂的安徽太陽輻射公式計(jì)算沿江地區(qū)太陽總輻射。

式中：Rs為太陽總輻射(MJ·m-2),R0為天文輻射(MJ·m-2),n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)(h),N為可能日照時(shí)數(shù)(h),ωs為日落時(shí)的時(shí)角,π 取 3.141 592 6。

熱量資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要自然資源,在正常水分條件下,熱量資源決定了作物的品種、熟型、產(chǎn)量及作物的生長發(fā)育[21],本文統(tǒng)計(jì)雙季稻生長期間≥10℃的積溫作為雙季稻的熱量資源。

作物光溫利用率可以用來評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)作物生產(chǎn)的基本生產(chǎn)狀況和潛力[22],本文采用公式(3)計(jì)算沿江地區(qū)雙季稻光能利用率。

式中：E為光能利用率(%);Y為單位面積早稻或晚稻產(chǎn)量(kg·hm-2);H為單位面積上干物重燃燒熱(J·g-1),取1.799×107J·kg-1;∑Q為早稻或晚稻生長期間(播種至成熟)的太陽總輻射(MJ·m-2)。

熱量資源利用效率可以評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平[22],采用公式(4)計(jì)算熱能利用效率。

式中：HEU為熱量利用率,Y為單位面積雙季稻產(chǎn)量(kg·hm-2),∑T為雙季稻生長期間(播種至成熟)≥10℃的有效積溫(℃·d)。HUE即積溫每1℃·d所生產(chǎn)的糧食單產(chǎn),單位為kg·℃-1·d-1·hm-2。

1.3.2 氣候傾向率

將氣候要素的趨勢(shì)變化用一次線性方程表示,利用最小二乘法擬合一元線性方程X＝at+b(a為回歸系數(shù),b為回歸常數(shù),X為氣象要素,t為時(shí)間)計(jì)算各氣象要素的年趨勢(shì)變化率,其斜率(a)表示氣象要素變化傾向率,a值的符號(hào)正或負(fù)反映趨勢(shì)上升或下降,a×10為氣候要素傾向率,表示氣象要素每10年的變化率[23]。

1.3.3 M-K突變檢驗(yàn)

用 Mann-Kendall(M-K)方法對(duì)各氣象要素時(shí)間序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)[24-25],該種方法可以檢驗(yàn)序列變化趨勢(shì)、突變點(diǎn)和突變時(shí)間區(qū)域等,不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾。

1.3.4 氣象產(chǎn)量

作物產(chǎn)量是各種自然因素和非自然因素綜合影響的結(jié)果,一般把作物的實(shí)際產(chǎn)量y分解為趨勢(shì)產(chǎn)量yt、氣象產(chǎn)量yw和隨機(jī)誤差因素造成的產(chǎn)量Δy3部分[26],即：

趨勢(shì)產(chǎn)量主要是反映歷史時(shí)期生產(chǎn)力發(fā)展水平的長周期產(chǎn)量分量,氣象產(chǎn)量主要是受以氣象要素為主的短周期變化因子影響的產(chǎn)量分量。由于Δy是一些偶然因素影響造成的產(chǎn)量隨機(jī)變化,在作物產(chǎn)量中占的比例較小,一般在實(shí)際計(jì)算中可不做考慮。因此,(5)式可以簡化為：

本研究采用分段模擬法對(duì)實(shí)際產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬以求得趨勢(shì)產(chǎn)量,實(shí)際產(chǎn)量減去趨勢(shì)產(chǎn)量,得到氣象產(chǎn)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季稻生長季光熱資源變化特征

2.1.1 光能資源變化特征

1961—2017年,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季太陽總輻射均值分別為1 911.8 MJ·m-2、2 325.2 MJ·m-2和3 861.1 MJ·m-2。其中早稻生長季太陽總輻射最大值為2 139.3 MJ·m-2,出現(xiàn)在1981年;最小值為1 586.7 MJ·m-2,出現(xiàn)在2016年。稻和雙季稻生長季太陽總輻射最大值分別為2 830.9 MJ·m-2和4 376.4 MJ·m-2,均出現(xiàn)在1966年;最小值分別為1 934.7 MJ·m-2和3 347.9 MJ·m-2,均出現(xiàn)在2014年。由圖2a-2c可見,1961—2017年,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)太陽總輻射均呈明顯下降趨勢(shì)(P＜0.01),平均每10 a降幅分別為30.5 MJ·m-2、69.8 MJ·m-2和86.6 MJ·m-2。從年代際變化看,從1960s至2000s后,早稻生長季內(nèi)太陽總輻射在波動(dòng)中下降,晚稻和雙季稻逐年代際下降,尤其近年來雙季稻生長季太陽總輻射下降明顯,2000s后較2000s下降 142.8 MJ·m-2,顯著高于歷年均值(86.6 MJ·m-2)。

由M-K檢測(cè)可以看出,1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻生長期輻射資源的 UF(按時(shí)間序列順序計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量序列)曲線在0值以下,說明輻射資源呈減少趨勢(shì),UF和UB(按時(shí)間序列逆序計(jì)算的統(tǒng)計(jì)量序列)出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn),其中 2003—2004年的交點(diǎn)突破了P0.05=±1.96臨界線(圖3a),突變后(1 688.8 MJ·m-2)較突變前(1 926.5 MJ·m-2)減少 29.7 MJ·m-2。晚稻生長季輻射資源在1996年發(fā)生突變,突變后(2 196.5 MJ·m-2)較突變前(2 406.0 MJ·m-2)減少 209.5 MJ·m-2,UF曲線在1999年突破了P0.05=±1.96臨界線(圖3b)。雙季稻生長季輻射資源在1995年發(fā)生突變,突變后(3 711.4 MJ·m-2)較突變前(3 962.4 MJ·m-2)減少251.0 MJ·m-2,UF曲線在1993年和1995年突破了P0.05=±1.96 臨界線(圖3c)。

2.1.2 熱量資源變化特征

水稻是喜溫作物,生長發(fā)育的起點(diǎn)溫度要求在日平均氣溫10℃以上[11]。1961—2017年,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)≥10℃積溫分別為2 310.3～2 665.2℃·d、3 024.2～3 454.5℃·d和4 864.2～5 431.7℃·d,均值分別為2 454.2℃·d、3 238.0℃·d和5 131.3℃·d。近 60 a,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)≥10℃積溫均呈增加趨勢(shì),平均每10 a增幅分別為39.1℃·d、24.4℃·d和14.7℃·d,其中早稻和晚稻增加趨勢(shì)通過了P＜0.01顯著性水平檢驗(yàn),雙季稻增加趨勢(shì)通過了P＜0.05顯著性水平檢驗(yàn)。從年代際變化看(圖4a-4c),早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)≥10℃積溫變化趨勢(shì)基本一致,總體呈“降低-升高-降低”趨勢(shì),即從1960s開始,至 1970s或 1980s達(dá)到最低,1990s開始上升,至2000s達(dá)到最高,之后開始下降。進(jìn)入 21世紀(jì),早稻、晚稻和雙季稻生長季內(nèi)≥10℃積溫增加較為明顯,2000s較 1990s分別增加 88.0℃·d、102.9℃·d和162.9℃·d,積溫的增加為雙季稻生長提供了充足的熱量條件。

圖2 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)生長季光能資源變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trends of light energy resources during growing seasons of early-season rice(a),later-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province

圖3 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)生長季光能資源M-K突變檢驗(yàn)(直線為P=0.05顯著性水平臨界值)Fig.3 M-K test mutation detection of light energy resources during growing seasons of early-season rice(a),later-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province(Dotted lines show critical value at P = 0.05 significance level)

由M-K檢測(cè)可以看出,1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻生長季熱量資源的UF和UB曲線相交于1996—1997年之間,UF曲線在2005年超過了P0.05=±1.96臨界線(圖5a),表明早稻生長季熱量資源在1997年發(fā)生突變,突變后(2 521.3℃·d)較突變前(2 415.0℃·d)增加 106.3℃·d。晚稻生長季熱量資源在2005年發(fā)生突變,突變后(3 311.6℃·d)較突變前(3 216.3℃·d)增加95.3℃·d,UF曲線在1972—1977年和1980—1994年突破了P0.05=±1.96臨界線(圖5b)。雙季稻生長季熱量資源在2001年發(fā)生突變,突變后(5 257.8℃·d)較突變前(5 077.6℃·d)增加 180.2℃·d,UF曲線在2007年突破了P0.05=±1.96 臨界線(圖5c)。

本文借鑒了王建，張卓《金融支持對(duì)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響》一文中利用柯布--道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)研究金融支持的產(chǎn)業(yè)影響的方法建立回歸模型。假設(shè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)中的企業(yè)生產(chǎn)近似的符合柯布--道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)，即：

圖4 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)生長季熱量資源(≥10℃積溫)變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of heat resources(accumulated temperature ≥10℃)during growing season of early-season rice(a),later-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province

2.2 雙季稻光熱資源利用效率變化特征

2.2.1 光能資源利用效率變化特征

圖5 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)生長季熱量資源M-K突變檢驗(yàn)(直線為P=0.05顯著性水平臨界值)Fig.5 M-K test mutation detection of heat resources during growing seasons of early-season rice(a),later-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province(Dotted lines show critical values at P = 0.05 significance level)

1961—2006年,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻光能利用效率均呈顯著增加趨勢(shì)(P＜0.01),平均增幅分別為0.04%·(10a)-1、0.103%·(10a)-1和0.083%·(10a)-1,光能利用效率均值分別為0.41%、0.30%和0.38%。但不同年份間差別明顯,早稻光能利用效率最大值為0.55%(2002年),最小值為0.2%(1961年);晚稻最大值為0.53%(1996年),最小值為0.07%(1962年);雙季稻最大值為0.58%(2002年),最小值為0.15%(1961年)。其主要原因是由于不同年份間產(chǎn)量差異較大造成的[27]。從年代際變化看(圖6a-6c),從 1960s至 2000s后,早稻生長季內(nèi)光能利用效率在波動(dòng)中上升,1990s代略有下降,晚稻和雙季稻呈逐年代際上升趨勢(shì),尤其1980s晚稻生長季光能利用效率明顯上升,較1970s增加 0.13%,而同時(shí)期早稻生長季光能利用效率僅增加0.02%。

圖6 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)和雙季稻(c)光能利用率變化趨勢(shì)Fig.6 Variation trend of solar energy utilization rate of early-season rice(a),late-season rice(b)and double-season rice(c)from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

2.2.2 熱量資源利用效率變化特征

1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻熱量利用效率呈顯著增加趨勢(shì)(P＜0.01),平均每10 a分別增加 0.141 kg·℃-1·d-1·hm-2、0.39 kg·℃-1·d-1·hm-2和0.315 kg·℃-1·d-1·hm-2。早稻、晚稻和雙季稻熱量利用效率分別為0.88～2.33 kg·℃-1·d-1·hm-2、0.28～1.99 kg·℃-1·d-1·hm-2和0.6～2.29 kg·℃-1·d-1·hm-2,年平均值分別為1.83 kg·℃-1·d-1·hm-2、1.20 kg·℃-1·d-1·hm-2和1.63 kg·℃-1·d-1·hm-2。從年代際變化看(圖7a-7c),早稻、晚稻和雙季稻熱量利用效率與光能利用效率變化趨勢(shì)基本一致,早稻熱量利用效率除 1990s下降外,其他年代際均呈上升趨勢(shì)。晚稻和雙季稻光能利用效率呈逐年代際上升趨勢(shì),其中晚稻熱量利用效率在1980s和1990s增幅相對(duì)明顯,較上一年代際分別增加 0.5 kg·℃-1·d-1·hm-2和0.48 kg·℃-1·d-1·hm-2,均超過了歷年增幅均值(0.39 kg·℃-1·d-1·hm-2)。

2.3 光熱資源變化對(duì)雙季稻氣象產(chǎn)量的影響

2.3.1 光熱資源與雙季稻氣象產(chǎn)量的相關(guān)分析

為了解安徽省沿江地區(qū)雙季稻生長季光溫資源變化對(duì)氣象產(chǎn)量的影響,按照楊繼武[26]作物產(chǎn)量分解方法,將早稻、晚稻實(shí)際產(chǎn)量分解為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣象產(chǎn)量(圖8a、8b),再將氣象產(chǎn)量與其生長季太陽總輻射、≥10℃積溫進(jìn)行線性相關(guān)分析(圖9a、b)。沿江地區(qū)早稻氣象產(chǎn)量與其生長季太陽總輻射相關(guān)性達(dá)極顯著(P＜0.01),與≥10℃積溫呈顯著相關(guān)(P＜0.05),相關(guān)系數(shù)分別為0.578 1和0.301 5,即在一定范圍內(nèi)太陽總輻射和≥10℃積溫增加對(duì)早稻氣象產(chǎn)量的增加有明顯作用,太陽總輻射每增加 100 MJ·m-2、≥10℃積溫每增加 100℃·d,早稻氣象產(chǎn)量分別增加 271 kg·hm-2、209 kg·hm-2。晚稻氣象產(chǎn)量與其生長季太陽總輻射相關(guān)性達(dá)顯著水平(P＜0.05),相關(guān)系數(shù)為0.317 2(圖10a),與≥10℃積溫相關(guān)系數(shù)為0.132 8,相關(guān)性未達(dá)P=0.05顯著性水平(圖10b),即一定范圍內(nèi)太陽總輻射的增加利于晚稻氣象產(chǎn)量的提升,每增加 100 MJ·m-2,晚稻氣象產(chǎn)量增加 80 kg·hm-2,但≥10℃積溫的增加對(duì)晚稻氣象產(chǎn)量的增產(chǎn)作用不明顯。

為揭示光熱資源對(duì)雙季稻氣象產(chǎn)量的作用途徑,對(duì)1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻和晚稻生長季太陽總輻射、≥10℃積溫與其氣象產(chǎn)量進(jìn)行通徑分析。由表1可見,太陽總輻射、≥10℃積溫對(duì)早稻和晚稻氣象產(chǎn)量的作用方向均為正向的,且太陽總輻射、≥10℃積溫通過相互間接作用增強(qiáng)了對(duì)氣象產(chǎn)量的影響,太陽總輻射對(duì)氣象產(chǎn)量直接作用大于≥10℃積溫對(duì)氣象產(chǎn)量的作用,表明在光熱資源中,太陽總輻射是影響早稻和晚稻氣象產(chǎn)量的主要因子,≥10℃積溫是次要因子。

圖8 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻(a)、晚稻(b)實(shí)際產(chǎn)量和趨勢(shì)產(chǎn)量Fig.8 Actual yield and trend yield of early-season rice(a),late-season rice(b)from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

圖9 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻生長季太陽總輻射(a)、≥10℃積溫(b)與氣象產(chǎn)量的關(guān)系Fig.9 Relationship of meteorological yield with global solar radiation(a),accumulated temperature ≥10℃(b)during early-season rice growing season from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

2.3.3 光熱資源與雙季稻氣象產(chǎn)量的回歸分析

為綜合反映安徽省沿江地區(qū)輻射和熱量資源對(duì)雙季稻氣象產(chǎn)量的影響,分別以早稻和晚稻生長季太陽總輻射(x1)、≥10℃積溫(x2)為自變量,以氣象產(chǎn)量(y)為因變量,采用線性回歸分析,建立早稻氣象產(chǎn)量回歸方程y=-5 610.912 3+2.638 5x1+0.297 2x2,相關(guān)系數(shù)r=0.578 7,顯著水平P＜0.01,表明早稻氣象產(chǎn)量與生長季太陽總輻射、≥10℃積溫存在顯著的線性關(guān)系,且太陽總輻射和≥10℃積溫對(duì)早稻氣象產(chǎn)量的綜合影響大于對(duì)氣象產(chǎn)量的獨(dú)立影響。建立晚稻氣象產(chǎn)量回歸方程為y=-2 594.037 1+0.761 1x1+0.251 9x2,相關(guān)系數(shù)r=0.321 3,顯著水平P＞0.05,表明晚稻生長季輻射資源和熱量資源的增加雖然利于其氣象產(chǎn)量的提升,但影響不明顯。

圖10 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)晚稻生長季太陽總輻射(a)、≥10℃積溫(b)與氣象產(chǎn)量的關(guān)系Fig.10 Relationship of meteorological yield with global solar radiation(a),accumulated temperature ≥10℃(b)during late-season rice growing season from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

表1 1961—2006年安徽省沿江地區(qū)早稻和晚稻氣象產(chǎn)量與太陽總輻射、≥10℃積溫的通徑分析Table 1 Path analysis between meteorological yield and global solar radiation,accumulated temperature ≥10℃ of early-season rice and late-season rice from 1961 to 2006 along the Yangtze River in Anhui Province

3 討論

1961—2017年安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻及雙季稻生長季太陽總輻射均呈顯著下降趨勢(shì)(P＜0.01),盧燕宇等[13]對(duì)近50 a安徽周年太陽總輻射變化特征的研究結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論,且安徽省太陽總輻射下降趨勢(shì)大于全國平均。近60 a,安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻及雙季稻生長季≥10℃積溫呈增加趨勢(shì),其中早稻和晚稻增加趨勢(shì)超過P=0.01顯著性水平,雙季稻增加趨勢(shì)達(dá)P=0.05顯著性水平,這與艾治勇等[28]對(duì)長江中游地區(qū)近 50 a雙季稻生長季氣候資源變化的研究結(jié)論較為一致。在全球變暖背景下,不同地區(qū)雙季稻生長季≥10℃積溫均表現(xiàn)增加趨勢(shì)[8-9,29]。而葉清等[30]研究發(fā)現(xiàn),江西省早稻和雙季稻生長季平均氣溫呈增加趨勢(shì),但晚稻生長季平均氣溫呈下降趨勢(shì),可能與研究的時(shí)間尺度和區(qū)域氣候特點(diǎn)不同有關(guān)。

近年來不同地區(qū)農(nóng)作物光能和熱量利用效率上升趨勢(shì)明顯[27,31-32],其主要原因?yàn)樽魑锂a(chǎn)量的大幅提升,雖然生育期內(nèi)熱量資源呈增加趨勢(shì),但農(nóng)作物產(chǎn)量的增加速率遠(yuǎn)高于熱量資源的增加速率,另一方面在作物生長期不變情況下產(chǎn)量顯著增加而太陽總輻射明顯減少[27]。安徽省沿江地區(qū)晚稻光能資源利用率顯著高于早稻,主要原因是近50 a早稻與晚稻生長季光能資源變幅相差不大情況下,而晚稻產(chǎn)量增幅是早稻的3倍之多。

光熱資源通過影響雙季稻的氣象產(chǎn)量造成雙季稻產(chǎn)量不同年代間的變化,由于太陽總輻射與早稻和晚稻氣象產(chǎn)量分別呈極顯著(P＜0.01)、顯著(P＜0.05)正相關(guān),因此安徽省沿江地區(qū)雙季稻種植過程中,可選擇光合速率高、光呼吸弱、株葉形態(tài)好的品種以適應(yīng)光能資源的逐漸減少。此外,≥10℃積溫與早稻氣象產(chǎn)量呈顯著(P＜0.05)正相關(guān)。因此,早稻可采用薄膜育秧、溫室育秧等方式,提前播種期,以增加生育期積溫,進(jìn)而提高氣象產(chǎn)量。

從雙季稻生長季光熱資源月變化看,早稻從播種到收獲,光熱資源呈逐漸增加趨勢(shì),尤其在產(chǎn)量形成關(guān)鍵期,光熱資源為整個(gè)生長季最優(yōu),而晚稻隨著生長發(fā)育光熱資源逐漸降低,灌漿后期光溫資源下降尤為明顯(圖11)。要充分利用光熱資源,實(shí)現(xiàn)周年產(chǎn)量的提升,挖掘早稻前期及晚稻后期的光溫資源顯得十分關(guān)鍵。但近年來,由于勞動(dòng)力成本的提高,輕簡化栽培方式被大面積應(yīng)用,而直播稻和機(jī)插稻等輕簡化栽培較常規(guī)移栽稻播栽期一般要推遲15 d以上[33-34],晚稻遭遇寒露風(fēng)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加[35],光熱資源的充分利用由于播栽方式的轉(zhuǎn)變而面臨挑戰(zhàn)。因此,安徽省沿江地區(qū)雙季稻采用直播、機(jī)插等栽培方式,可結(jié)合本文分析的光溫資源變化特點(diǎn),選擇光合效率高、耐寒性好的品種,并合理安排生育期如適當(dāng)延長晚稻生育期,以充分利用光熱資源,實(shí)現(xiàn)周年產(chǎn)量的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

圖11 1961—2017年安徽省沿江地區(qū)雙季稻生長季太陽總輻射(a)和≥10℃積溫(b)月變化Fig.11 Monthly variation of global solar radiation(a)and accumulated temperature ≥10℃(b)of double-season rice growing season from 1961 to 2017 along the Yangtze River in Anhui Province

本文僅分析了安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季輻射和熱量資源對(duì)其氣象產(chǎn)量的影響,雙季稻安全生長界限溫度變化[35]及雙季早稻育秧期的低溫冷害和“倒春寒”、灌漿乳熟期高溫?zé)岷巴淼境樗霌P(yáng)花期“寒露風(fēng)”等對(duì)雙季稻生產(chǎn)也造成不同程度影響[36-38],該區(qū)雙季稻種植綜合性研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 結(jié)論

安徽省沿江地區(qū)早稻、晚稻和雙季稻生長季太陽總輻射極顯著下降,≥10℃積溫顯著增加,光能和熱量利用效率均顯著增加,太陽總輻射是影響早稻和晚稻氣象產(chǎn)量的主要因子。通過選擇光合效率高的品種和以增加積溫為主的栽培技術(shù)來提高雙季稻光熱資源利用效率,可實(shí)現(xiàn)水稻周年高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。