楊 濤，馮文麗，鮑鳳霞，張枝盛，程建平

（1.隨州市氣象局，湖北 隨州 441300；2.隨州市農(nóng)業(yè)局，湖北 隨州 441300；3.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所∕糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064）

由于人類活動(dòng)導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇，氣候變暖已經(jīng)是不爭的事實(shí)，在過去的100 多年里全球平均氣溫上升了0.85 ℃，預(yù)計(jì)到2100年全球氣溫將上升2.0～4.8 ℃［1］。在全球氣候變暖的同時(shí)，諸如高溫?zé)崂?、干旱、?qiáng)降水等極端天氣事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度也呈現(xiàn)了顯著變化，且這種影響還在不斷增強(qiáng)，如果任其發(fā)展，氣候變化將會(huì)增大對人類和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重、普遍和不可逆轉(zhuǎn)影響的可能性［2］。

當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣候和天氣的制約，對氣候條件的依賴性很強(qiáng)，也對氣候變化反應(yīng)非常敏感［3］。氣候變化必然導(dǎo)致光、熱、水等農(nóng)業(yè)氣候資源的變化，而農(nóng)業(yè)氣候資源直接參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，其變化必然對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程造成顯著影響［4，5］，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、種植制度等也將發(fā)生改變，這些都會(huì)對國家的糧食生產(chǎn)安全帶來影響［6，7］。在氣候變化的大背景下，農(nóng)業(yè)氣候資源的變化特征引發(fā)了諸多學(xué)者的關(guān)注和研究，獲得了不少有意義的結(jié)論。這些研究在內(nèi)容上主要涉及農(nóng)業(yè)氣候資源的分布、資源利用以及評價(jià)［8］，在研究 范 圍 上 大 到 全 國［9］或 某 一 區(qū) 域［10-12］，小 到 省市［13-16］，不過多數(shù)是針對氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)等單氣象要素的變化特征研究。

隨州市位于湖北省北部，地處長江流域和淮河流域的交匯地帶，屬北亞熱帶濕潤半濕潤季風(fēng)氣候，具有南北過渡型氣候特征。在全球氣候變化的大背景下，其氣候變化趨勢也有局部地區(qū)特殊性。鑒于此，本研究利用長時(shí)間序列的歷史和未來氣象數(shù)據(jù)，分析隨州市中稻生長季熱、光、水等農(nóng)業(yè)氣候資源在氣候變化背景下的變化趨勢及特征，旨在為該區(qū)域評估氣候變化影響、合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

基于數(shù)據(jù)序列的連續(xù)性和完整性，研究中選取了隨州市2 個(gè)國家站1959—2018年60年的逐日氣象數(shù)據(jù)，包括逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速、相對濕度、降水量等要素。

1.2 方法

1.2.1 中稻生長季時(shí)間段的確定 中稻作為喜溫作物，10 ℃初、終日可以代表其生長發(fā)育的活躍期，即可作為中稻的生長季時(shí)間段。20 ℃則是中稻旺盛分蘗和安全齊穗期的指標(biāo)溫度。對穩(wěn)定通過10、20 ℃界限溫度的初、終日進(jìn)行計(jì)算，通過5 d 滑動(dòng)平均法確定，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)和分析相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)各類氣候資源的變化特征。

1.2.2 積溫計(jì)算 農(nóng)作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成與熱量條件密切相關(guān)。積溫既能較好地反映作物發(fā)育速度與溫度條件的關(guān)系，又能表示某一地區(qū)的熱量資源狀況。積溫的計(jì)算公式如下：

式中，a和b分別表示作物生長季內(nèi)逐日平均氣溫≥10、20 ℃的初始日期和終止日期，Ti為初、終日之間的日平均氣溫。

1.2.3 太陽總輻射計(jì)算 對于歷史資料生長季太陽總輻射，由生長季內(nèi)逐日太陽總輻射R（MJ∕m2）累加而得，R根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［17］計(jì)算，即：

式中，R0為天文總輻射（MJ∕m2）；SH為日照時(shí)數(shù)（h），可由逐日地面觀測數(shù)據(jù)獲得；DL為可照時(shí)數(shù)（h）。通過天文學(xué)公式計(jì)算R0和DL，a和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，這里利用相關(guān)研究［18］重新修正的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算太陽輻射。

1.2.4 參考蒸散量計(jì)算 采用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）推薦的Penman-Monteith 公式計(jì)算作物參考蒸散量ET0，計(jì)算公式為：

式中，ET0是作物參考蒸散量（mm∕d）；Δ是飽和水汽壓曲線斜率（kPa∕℃）；Rn是地表凈輻射［MJ∕（m2·d）］；G是土壤熱通量［MJ∕（m2·d）］；γ是干濕表常數(shù)（kPa∕℃）；T是日平均氣溫（℃）；u2是2 m 高度處的風(fēng)速（m∕s）；es是飽和水汽壓（kPa）；ea是實(shí)際水汽壓（kPa）。在作物參考蒸散量的計(jì)算過程中涉及的相關(guān)參數(shù)取值和計(jì)算方法均參照《氣象干旱等級》（GB∕T 20481—2006）標(biāo)準(zhǔn)［19］。

1.2.5 趨勢及突變檢驗(yàn)分析方法 在分析氣候要素變化趨勢時(shí)，采用氣候趨勢法［20］分析其變化特征，氣候趨勢為正值表示要素序列為上升趨勢，負(fù)值表示下降趨勢，氣候傾向率為氣候趨勢10年的變化量，氣候要素變化趨勢用F檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

利用Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)法提取序列變化趨勢，它是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵循一定的分布，能夠客觀地表征樣本序列整體變化趨勢［21］。在M-K 突變檢驗(yàn)中，可以根據(jù)輸出的2 個(gè)序列（UF和UB）明確突變的時(shí)段和區(qū)域。若UF>0，表明序列呈上升趨勢；UF<0，則表明序列呈下降趨勢。當(dāng)超過臨界直線時(shí)，表明時(shí)間序列上升或者下降趨勢顯著。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在兩條臨界直線之間，則突變開始的時(shí)間即為交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱量資源變化特征

2.1.1 生長季內(nèi)≥10 ℃積溫 隨州市中稻生長季≥10 ℃積溫在1959—2018年的變化曲線如圖1 所示。由圖1 可以看出，≥10 ℃積溫隨州市和廣水市均在4 600～5 700（℃·d），平均值隨州市為5 042（℃·d），廣水市為5 115（℃·d）。最大值均出現(xiàn)在2000年以后，最小值均出現(xiàn)在20 世紀(jì)60年代。就≥10 ℃積溫氣候傾向率而言，隨州市為30.6（℃·d）∕10年，廣水市為82.5（℃·d）∕10年，均通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，兩站增大趨勢均極顯著。

圖1 ≥10 ℃積溫隨時(shí)間的變化

由圖2 的M-K 突變檢驗(yàn)可以看出，隨州市≥10 ℃積溫從20 世紀(jì)90年代開始呈持續(xù)增加趨勢，突變點(diǎn)在1994年，在2005年后開始超過P=0.05 的臨界線（U0.05=±1.96），增加趨勢顯著。廣水市≥10 ℃積溫也是從20 世紀(jì)90年代中期開始呈持續(xù)增加趨勢，突變點(diǎn)在1997年，在2001年后開始超過P=0.05 的臨界線，增加趨勢顯著。且在2005年后超過P=0.01 的顯著性水平（U0.01=±2.58），增加趨勢十分顯著。

圖2 ≥10 ℃積溫M-K 突變檢驗(yàn)

2.1.2 生長季內(nèi)≥20 ℃積溫 由圖3 可知，≥20 ℃積溫隨州市和廣水市均在2 500～4 300（℃·d）。就≥20 ℃積溫平均值而言，隨州市為3 241（℃·d），廣水市為3 364（℃·d）。最大值也均出現(xiàn)在2000年以后，最小值隨州市出現(xiàn)在20 世紀(jì)60年代，廣水市出現(xiàn)在2000年以后。隨州市≥20 ℃積溫氣候傾向率為0.16（℃·d）∕10年，未通過顯著性檢驗(yàn)，表現(xiàn)為微弱的增加趨勢。廣水市≥20 ℃積溫氣候傾向率為89.2（℃·d）∕10年，通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，增加趨勢極顯著。

圖3 ≥20 ℃積溫隨時(shí)間的變化

由圖4 的M-K 突變檢驗(yàn)可以看出，隨州市≥20 ℃積溫在20 世紀(jì)80年代至90年代中期出現(xiàn)明顯的減少趨勢，在步入21 世紀(jì)后減少趨勢不顯著。廣水市≥20 ℃積溫在20 世紀(jì)90年代中期以前為減少趨勢，之后開始轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾于厔荩蛔凕c(diǎn)在1997年附近，在2013年以后超過P=0.05 的臨界線，增加趨勢顯著，2015年后增加趨勢十分顯著。

2.2 光能資源變化特征

2.2.1 日照時(shí)數(shù) 由圖5 可以看出，中稻生長季日照時(shí)數(shù)隨州市和廣水市均在1 000～1 900 h，均值分別為1 375.2、1 411.7 h，歷年最大值都出現(xiàn)在20 世紀(jì)60年代左右，兩站日照時(shí)數(shù)均呈減少趨勢，隨州市氣候傾向率為-35.4 h∕10年，通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，減少趨勢極顯著。廣水市氣候傾向率為-25.3 h∕10年，通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)，減少趨勢顯著。

圖4 ≥20 ℃積溫M-K 突變檢驗(yàn)

圖5 日照時(shí)數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢

由圖6 可以看出，就中稻生長季日照時(shí)數(shù)而言，隨州市在1985年越過P=0.05 的臨界線后持續(xù)走低，減少趨勢顯著。20 世紀(jì)90年代后穩(wěn)定越過P=0.01 的顯著性水平（U0.01=±2.58），減少趨勢十分顯著；而廣水市則是在2010年后呈顯著的減少趨勢。

圖6 日照時(shí)數(shù)M-K 突變檢驗(yàn)

2.2.2 太陽輻射 如圖7 所示，太陽輻射兩站變幅在2 900～4 100 MJ∕m2，平均值隨州市為3 418.1 MJ∕m2，廣水市為3 479.1 MJ∕m2，最大值均出現(xiàn)在20 世紀(jì)50年代末期，最小值則均出現(xiàn)在2000年。隨州市氣候傾向率為-42.4 MJ∕（m2·10年），通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，減少趨勢顯著。廣水市氣候傾向率為-24.4 MJ∕（m2·10年），未通過顯著性檢驗(yàn)，變化趨勢不明顯。

圖7 太陽輻射隨時(shí)間的變化趨勢

由圖8 可以看出，隨州市太陽輻射的變化趨勢和日照時(shí)數(shù)類似，一直呈減少趨勢。20 世紀(jì)90年代開始減少趨勢變得顯著，雖然在2005年以后在P=0.05 的臨界線上下浮動(dòng)，但整體減少趨勢依然顯著。廣水市則基本在臨界線和零線之間波動(dòng)，減少趨勢不顯著。

2.3 水分資源變化特征

2.3.1 降水量 由于氣候變化背景下極端天氣概率增加，極端降水的發(fā)生情況增多。由圖9 可以看出，隨州市中稻生長季內(nèi)降水量波動(dòng)非常大，變幅在450～1 300 mm，雖然兩站平均降水量均在849 mm左右，但是歷年最小值均不足500 mm，都出現(xiàn)在2000年以后。降水量最大值均超過1 200 mm，隨州市出現(xiàn)在2016年，而廣水市則出現(xiàn)在1980年。隨州市氣候傾向率為4.2 mm∕10年，廣水市氣候傾向率為-7.6 mm∕10年，但是兩者均未通過置信度檢驗(yàn)，總體變化趨勢均不顯著。

2.3.2 參考蒸散量 由圖10 可以看出，參考蒸散量兩站變幅在680～1 010 mm，隨州市參考蒸散量氣候傾向率為-24.7 mm∕10年，通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)，減少趨勢極顯著。而廣水市參考蒸散量氣候傾向率為-4.0 mm∕10年，未通過顯著性檢驗(yàn)，表現(xiàn)為不顯著的較少趨勢。

3 小結(jié)與討論

本研究利用隨州市2 個(gè)國家站1959—2018年60年的逐日氣象數(shù)據(jù)分析了氣候變化背景下隨州市中稻生長季≥10 ℃積溫、≥20 ℃積溫、日照時(shí)數(shù)、太陽輻射、降水量以及參考蒸散量等農(nóng)業(yè)氣候資源的變化，主要結(jié)論如下。

圖8 太陽輻射M-K 突變檢驗(yàn)

圖9 降水量隨時(shí)間的變化趨勢

圖10 參考蒸散量隨時(shí)間的變化趨勢

1）隨州市≥10 ℃積溫氣候傾向率為30.6（℃·d）∕10年，廣水市≥10 ℃積溫氣候傾向率為82.5（℃·d）∕10年，均呈極顯著增加趨勢。隨州市≥20 ℃積溫氣候傾向率為0.16（℃·d）∕10年，增加趨勢不顯著，廣水市≥20 ℃積溫氣候傾向率為89.2（℃·d）∕10年，呈極顯著增加趨勢。

2）日照時(shí)數(shù)均呈減少趨勢，隨州市氣候傾向率為-35.4 h∕10年，廣水市氣候傾向率為-25.3 h∕10年，隨州市呈極顯著減少趨勢，廣水市呈顯著減少趨勢。隨州市太陽輻射氣候傾向率為-42.4 MJ∕（m2·10年），呈顯著減少趨勢。廣水市太陽輻射氣候傾向率為-24.4 MJ∕（m2·10年），減少趨勢不顯著。

3）中稻生長季內(nèi)降水量波動(dòng)非常大，降水量氣候傾向率也均未通過置信度檢驗(yàn)，變化趨勢均不顯著。隨州市參考蒸散量氣候傾向率為-24.7 mm∕10年，減少趨勢極顯著。而廣水市參考蒸散量氣候傾向率為-4.0 mm∕10年，減少趨勢不顯著。

熱量是農(nóng)作物生長發(fā)育的重要條件，是衡量農(nóng)業(yè)氣候條件的主要指標(biāo)［15］。氣候變暖導(dǎo)致一系列的氣象變化，其中，熱量資源增加會(huì)使作物適宜生長期延長，進(jìn)而促進(jìn)作物生產(chǎn)潛力的提高，在一定程度上保障了作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)［22］。本研究表明，近60年隨州市農(nóng)業(yè)氣候資源總體呈熱量資源增加的趨勢。對于隨州市中稻來說，熱量資源的增加減少了生育期內(nèi)遭遇低溫冷害的概率，延長了水稻的生殖生長期，有利于長生育期的水稻品種獲得高產(chǎn)。但是熱量資源提高也會(huì)降低越冬病蟲卵蛹死亡率，加劇水稻季病蟲害的發(fā)生。同時(shí)，氣溫升高導(dǎo)致極端高溫出現(xiàn)頻率增加，會(huì)進(jìn)一步使水稻遭受高溫?zé)岷Φ娘L(fēng)險(xiǎn)增加。此外，氣溫升高加速水稻的生育進(jìn)程，全生育期縮短，在不進(jìn)行品種和播期、移栽期調(diào)整的情況下，水稻產(chǎn)量有降低的風(fēng)險(xiǎn)。

日照時(shí)數(shù)和總輻射量是影響作物光合速率和光合產(chǎn)物的重要因素。本研究中隨州市和廣水市近60年的日照時(shí)數(shù)總體均顯著降低，隨州市的總輻射量顯著降低。姜曉劍等［23］研究表明，與19 世紀(jì)60年代相比，21 世紀(jì)00年代中國主要稻作區(qū)水稻生育期內(nèi)的平均總?cè)照諘r(shí)數(shù)減少了11.93%，東北、西南地區(qū)減少的幅度小于中部和南方。一方面，光能資源的減少會(huì)使得作物的光合生產(chǎn)潛力下降，影響結(jié)實(shí)率和千粒重，不利于產(chǎn)量的形成。Sridevi 等［24］指出，若日照時(shí)數(shù)減少至每天3～4 h，水稻產(chǎn)量將會(huì)減產(chǎn)至1.5～2.5 t∕hm2。

本研究中，近60年隨州市降水的年際間差異并不顯著，但是全年降水，尤其是中稻生長季內(nèi)降水量波動(dòng)非常大。葛道闊等［25］對長江中下游稻區(qū)19 個(gè)樣點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分析，發(fā)現(xiàn)隨著氣候變化的加劇，未來降水變率增加則可能導(dǎo)致季節(jié)性干旱和暴雨發(fā)生頻次增多，是水稻減產(chǎn)的重要原因，且長江中游稻區(qū)的減產(chǎn)幅度要甚于下游稻區(qū)，單季稻與晚稻的減產(chǎn)幅度要甚于早稻。

總體而言，氣候變化背景下中稻生長季內(nèi)農(nóng)業(yè)氣候資源變化的影響利弊并存，但仍可通過采取有效措施緩解這種不利影響，需要采取因地制宜、因氣候制宜的對策措施，包括調(diào)整作物播種期，充分利用氣候資源、合理避減災(zāi)害；選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗逆性強(qiáng)的作物品種，科學(xué)應(yīng)對氣候變暖與病蟲害加劇的影響；調(diào)整種植區(qū)域與品種類型，主要糧食生產(chǎn)向氣候適宜區(qū)適度集中等；加快農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施尤其是水利設(shè)施的建設(shè)，提高區(qū)域應(yīng)對氣候資源變化的能力。