淮河流域水稻氣候適宜度區(qū)劃研究

淮河流域水稻氣候適宜度區(qū)劃研究

氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)之一。氣候變化下農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性是各國(guó)政府和人民關(guān)心及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題?；春恿饔蛭挥谥袊?guó)東部,是中國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。它地處中國(guó)南北方氣候過渡帶,與秦嶺山脈構(gòu)成了中國(guó)的南北物候分界線,淮河以北屬暖溫帶,淮河以南屬北亞熱帶。該界線隨氣候變化而發(fā)生的南北擺動(dòng)必然給本區(qū)農(nóng)業(yè)帶來風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)研究[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14],該區(qū)隨著氣候變暖,水分供需差額增大,是中國(guó)重要的氣候變化敏感區(qū)。因此,結(jié)合已有的研究,應(yīng)用生態(tài)適宜度理論和方法,建立適宜度模型,定量地研究淮河流域水稻適宜度對(duì)氣候變化的響應(yīng),不但可以拓展生態(tài)位適宜度理論的應(yīng)用領(lǐng)域,而且對(duì)淮河流域水稻生產(chǎn)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。1光照適宜度函數(shù)的建立及時(shí)數(shù)的確定過渡性的氣候特征決定了淮河流域既有以水稻為主一年兩熟或二年三熟的亞熱帶氣候環(huán)境,也有以旱作為主一年兩熟或二年三熟的暖溫帶氣候條件,根據(jù)丁穎分類,該區(qū)淮河以北屬華北單季稻作帶,淮河以南屬華中雙單季稻作帶,本文以中熟品種一季雜交秈稻(4月中下旬播種,9月上中旬收獲,生育期140d左右)為例,對(duì)整個(gè)流域水稻的氣候適宜度進(jìn)行分析。根據(jù)馬樹慶的研究,溫度適宜度可用下式計(jì)算:S(T)=[(T?T1)(T2?T)B]/[(T0?T1)(T2?T0)B]B=(T2?T0)/T0?T1)(1)S(Τ)=[(Τ-Τ1)(Τ2-Τ)B]/[(Τ0-Τ1)(Τ2-Τ0)B]B=(Τ2-Τ0)/Τ0-Τ1)(1)式中,T是某一時(shí)段(某旬或某生育期)的平均氣溫,T1、T2、T0分別是水稻在該時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育的下限溫度、上限溫度和最適溫度。本文以淮河以南地區(qū)水稻各生育期正常生長(zhǎng)的需水量(由潁上八里河灌溉試驗(yàn)站1982年資料改制而成)作為淮河流域水稻需水量的適宜水量標(biāo)準(zhǔn),按照蔣定生的作物產(chǎn)量與降水量關(guān)系曲線圖,認(rèn)為可以用下式計(jì)算降水適宜度:S(R)={R/R0R<R0R0/RR≥R0(2)S(R)={R/R0R<R0R0/RR≥R0(2)式中,R表示某旬天然降水量(mm);R0表示作物生理需水量(mm);當(dāng)R略大于R0,且完全可被土壤貯存接納時(shí),可認(rèn)為S(R)≈1。本文以日照時(shí)數(shù)達(dá)可照時(shí)數(shù)的70%(日照百分率)為臨界點(diǎn),認(rèn)為日照百分率達(dá)到70%以上,水稻對(duì)光照條件的反應(yīng)即達(dá)到適宜狀態(tài)?；谶@種理解,光照適宜度函數(shù)可用下式表示:S(s)={e?[(S?S0)/b]2S<S01S≥S0(3)S(s)={e-[(S-S0)/b]2S<S01S≥S0(3)式中,S表示實(shí)際日照時(shí)數(shù)(小時(shí)),S0表示日照百分率為70%的日照時(shí)數(shù),b為常數(shù)(表1)。根據(jù)水稻各生育階段的S0、b和T0、R0值,各生育期溫度、降水、日照適宜度可以由模型求出,首先計(jì)算各旬適宜度,然后求某生育期總適宜度,最后,利用算術(shù)平均法求得全生育期的總適宜度(S),S=[S(R)+S(T)+S(S)]/3。本文遵循均勻分布的原則,在全區(qū)域內(nèi)選擇了40個(gè)氣象站,選取它們1960～2005年逐旬降水量、旬均溫和旬光照時(shí)數(shù)資料及1980～2005年山東省濟(jì)寧、定陶、日照等10個(gè)縣(市)逐年水稻單產(chǎn)。這些資料分別來于中國(guó)氣象局和山東統(tǒng)計(jì)年鑒。根據(jù)水稻影響因子的組成特點(diǎn),把水稻產(chǎn)量分解為趨勢(shì)產(chǎn)量和氣候產(chǎn)量。用正交多項(xiàng)式擬合趨勢(shì)產(chǎn)量,與實(shí)際產(chǎn)量對(duì)比得到氣候產(chǎn)量。在此基礎(chǔ)上用SPSS軟件將其氣候適宜度與氣候產(chǎn)量做相關(guān)分析,置信度a=0.05水平上通過了顯著性檢驗(yàn)。表明本文設(shè)計(jì)的水稻氣候適宜度模型能客觀反映淮河流域氣候適宜性水平及其動(dòng)態(tài)變化,所以可以用之進(jìn)行淮河流域水稻氣候適宜性評(píng)估。2結(jié)果與分析2.1光照、降水和降水量利用40個(gè)站點(diǎn)逐旬氣象數(shù)據(jù)計(jì)算淮河流域水稻多年平均溫度、降水、日照適宜度(圖1)。流域多年平均氣溫11.8～16.0℃,無霜期200～250d,實(shí)際日照時(shí)數(shù)平均在2000～2650h,光照時(shí)間比較充足。所以光熱資源較為適宜,基本滿足水稻的生長(zhǎng)需要。由圖1可見,降水是水稻生產(chǎn)的主要限制因子,其適宜度在0.4上下波動(dòng);分蘗期降水適宜度較小,僅0.2左右,這是由于淮河流域春季(3～5月)是年內(nèi)降水量最少的季節(jié),降水量?jī)H為90～300mm。水稻對(duì)水分的要求十分嚴(yán)格,分蘗和幼穗分化期是它一生中需水量最大的時(shí)期,若水分不足,極易造成減產(chǎn)。相對(duì)而言,7月降水適宜度較高,在0.45左右,這是由于此階段是幼穗分化期,需水量較多,而7月是淮河流域全年降水量最多的月份,降水相對(duì)充足。因此出苗期和分蘗期的降水成為了水稻生產(chǎn)關(guān)鍵氣候因子。2.2溫度適宜度由圖2可見,淮河流域水稻全生育期氣溫、光照及綜合適宜度均在0.6以上,降水適宜度較低,在0.4左右波動(dòng),溫度適宜度較高,在0.9左右,總適宜度在0.7左右波動(dòng)。日照適宜度、降水適宜度與氣候適宜度均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),分別以為0.029、0.005和0.009/10a的速率降低。其中20世紀(jì)80年代中期以來的下降趨勢(shì)更加明顯;溫度適宜度是以0.006/10a的速度升高?？梢?近年來全球氣候變化影響下的淮河流域降水和日照的變化對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)正在進(jìn)一步增強(qiáng),這在一定程度上增加了本區(qū)域糧食生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。2.3適宜度因素插值分析本文利用聚類分析將全生育期溫度、降水、日照和氣候的適宜度各自分為3類,用ArcGIS對(duì)各適宜度進(jìn)行插值分析,并按地理位置的鄰近性進(jìn)行地域上的合并,將淮河流域劃分為次適宜區(qū)、適宜區(qū)和最適宜區(qū)3個(gè)區(qū),如圖3～6所示。1葉縣-麻黃-保水區(qū)由圖3可見,其適宜度分布狀況大致是由南向北遞減,山區(qū)大于平原,沿海大于內(nèi)陸,與降水的空間分布大致相符。其中較適宜與適宜區(qū)分界線與降水量800mm等值線(西起伏牛山北部,經(jīng)葉縣-周口-亳州-徐州到沂蒙山地北坡)基本吻合。①最適宜區(qū)(Ⅰ)。主要是流域的南部和西部山區(qū),降水適宜度在0.32～0.37之間。該區(qū)有三個(gè)降水量適宜度高值區(qū),一是伏牛山區(qū),二是大別山區(qū),三是下游近海區(qū);②適宜區(qū)(Ⅱ)。主要是河南東南部,安徽中部和江蘇北部,降水適宜度在0.37～0.40之間,該區(qū)降水穩(wěn)定,季節(jié)變化不明顯,對(duì)作物生長(zhǎng)較有利;③次適宜區(qū)(Ⅲ)。大致在降水量800mm等值線以北,降水適宜度在0.40～0.49之間,該區(qū)降水季節(jié)變化大,降水相對(duì)少。安徽池河-洛河上游河谷地帶為適宜度相對(duì)低值區(qū)。2光照適宜度與光照具有關(guān)系由圖4可見,日照適宜度區(qū)域變化趨勢(shì)大致是由南而北增加,區(qū)域過渡性較顯著,這與實(shí)際日照時(shí)數(shù)的區(qū)域變化規(guī)律基本相符。①最適宜區(qū)(Ⅰ)。主要是淮河以北包括菏澤-濟(jì)寧-泰安一帶,日照適宜度在0.78～0.88之間,該區(qū)全年日照時(shí)數(shù)高達(dá)2500～2600h,光照適宜度和日照時(shí)數(shù)有顯著的正相關(guān)關(guān)系,可見光照相對(duì)充足的地區(qū),其光照適宜度就越高;②適宜區(qū)(Ⅱ)。主要是平原地區(qū)的南部泰州-盱眙-蚌埠一帶和沂蒙山區(qū)臨沂、陰蒙等地,日照適宜度均在0.73～0.78之間,該區(qū)全年日照2200～2300h,本區(qū)光照資源較好,基本能滿足作物生長(zhǎng)的要求;③次適宜區(qū)(Ⅲ)。主要是淮河以南包括伏牛山、大別山等山區(qū),適宜度在0.64～0.73之間,其中霍山桐城一帶日照適宜度最低,平均在0.65左右。該區(qū)全年日照僅2000～2100h,在拔節(jié)孕穗期和抽穗開花期,光照時(shí)數(shù)及強(qiáng)度降低,光照資源不能達(dá)到作物正常生長(zhǎng)的要求,易受寡照危害。3合適的溫度和濕度范圍由圖5可見,溫度適宜度由西向東依次降低,其適宜度均較高,區(qū)域差異不明顯。最合適的范圍主要是分布在流域的中西部地區(qū)。溫度適宜度在0.92～0.95之間,包括河南東南部,安徽大部,江蘇西部,山東定陶一帶;沂蒙-南京一帶主要分布在洪澤湖,高郵湖一帶,溫度適宜度在0.9～0.92之間,沿徐州-滁州-盱眙-南京一帶,還有山東沂蒙山區(qū)及菏澤-濟(jì)寧一帶;③次適宜區(qū)(Ⅲ)。主要分布在東部沿海一帶,溫度適宜度在0.84～0.90之間,主要包括江蘇的東部沿海,山東的東北部,沿沂源-日照-連云港-鹽城-南通一帶。4氣候適宜度分析由圖6可見,可以將淮河流域水稻氣候適宜度分成4個(gè)區(qū)。①淮北最適宜區(qū)(Ⅰ)。本區(qū)包括濟(jì)寧濱湖稻作區(qū)和徐淮稻作區(qū)?？傔m宜度在0.79～0.85之間。稻改初期為一年一熟春稻,到20世紀(jì)60年代后期實(shí)行麥-稻-綠肥(苗子)兩年三作,70年代后期實(shí)行麥-稻一年兩作兩收。該稻區(qū)年降水量840～950mm,集中在7～8月。由圖3可見,該區(qū)降水適宜度在全流域處于中等偏下水平。但日照和溫度適宜度均較高(圖4～5)。該區(qū)年平均氣溫13～14℃,≥10℃積溫為4500～5000℃,無霜期200～220d,日平均氣溫穩(wěn)定通過20℃,始于5月中旬,終于9月中旬,有利于水稻的出苗和灌漿成熟。水稻安全齊穗期一般為8月25～30日。該區(qū)年日照時(shí)數(shù)為2400～2600h,為全流域熱量最豐富地區(qū),秋季晝夜溫差大有利水稻營(yíng)養(yǎng)積累。所以綜合降水、溫度、日照三因素,該區(qū)氣候適宜度較高;②淮南最適宜區(qū)(Ⅱ)。安徽淮南山地雙、單季稻混栽區(qū)。雙季稻種植比例一般在65%左右,產(chǎn)量較高。該區(qū)≥10℃積溫高達(dá)5l00℃以上,山區(qū)特點(diǎn)異常突出,北面有大山作天然屏障,北方冷空氣難以侵入,是全流域第二個(gè)高溫區(qū)。圖5可見,其溫度適宜度在0.93～0.95左右,有豐富的熱量資源。而且受地形影響降水比較豐富,全生育期保證率80%的降水量1000～1200mm,降水適宜度均值為0.40～0.49(圖3),在整個(gè)淮河流域處于較高的水平,對(duì)水稻生長(zhǎng)非常有利。相較于其它各區(qū),本區(qū)最大的有利條件是光熱水協(xié)調(diào);③淮河沿岸適宜區(qū)(Ⅲ)。包括安徽中北部和江蘇大部,介于江淮之間,北邊大致以山東為界,西邊緊靠河南省。一般實(shí)行麥稻一年兩作,水稻安全齊穗期9月1～5日?？傔m宜度在0.68～0.79之間。年平均氣溫為14～15℃,東北部春溫上升比西南部遲,秋溫下降較早,年降水量950～1000mm。該區(qū)冬季溫和、濕潤(rùn),夏季炎熱、多暴雨。由圖3和4可見,日照和降水適宜度在流域內(nèi)均屬于中等水平,光照、降水、日照資源充足基本可以滿足水稻的正常生長(zhǎng);④西部山地次適宜區(qū)(Ⅵ)。主要是位于河南省東南部,地處伏牛山、大別山北面包括桐拍、羅山、固始、商城、新縣各縣、市的全部。栽培品種以中秈稻為主?？傔m宜度在0.56～0.68之間。本區(qū)年均氣溫15℃,≥l0℃積溫為4000～4400℃,年降水量1000～1200mm,無霜期220d。該區(qū)由于受到春寒和秋季低溫的影響,水稻出苗期和灌漿成熟期的適宜度較低,對(duì)水稻生產(chǎn)有較大的限制作用。其中伏牛山區(qū)熱量資源較差,由于受地形影響,降水較多,且降水不穩(wěn)定,易旱易澇。尤其是在出苗期和分蘗期,連續(xù)的陰雨天氣造成光照資源不充足,再加上山區(qū)云霧較多,光照資源較水稻生長(zhǎng)所需的適宜光照資源少,易受寡照的危害,其日照適宜度在全流域處于較低水平(圖4)。從淮河流域各分區(qū)水稻氣候適宜度的年際變化曲線(圖7)上可見,淮北最適宜區(qū)、淮南最適宜區(qū)、淮河沿岸適宜區(qū)和西部山地次適宜區(qū)平均氣候適宜度均在0.5以上。4個(gè)區(qū)的水稻氣候適宜度均呈逐漸下降趨勢(shì),分別以為0.016、0.005、0.001和0.003/10a的速率降低。其中以淮北最適宜區(qū)的氣候適宜度下降速率最快,可見該區(qū)水稻生產(chǎn)受全球氣候變化的影響最大,即氣候變化對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)最大。3農(nóng)業(yè)措施對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響1)降水量是淮河流域水稻產(chǎn)量的主要限制因子。出苗期和分蘗期的降水成為了水稻生產(chǎn)關(guān)鍵氣候因子,播種及出苗前期的倒春寒天氣對(duì)水稻的生產(chǎn)有顯著的限制作用,由于7月是降水最多的月,其陰雨天氣影響到光照,所以拔節(jié)孕穗期的光照適宜度要低于其它生育期,農(nóng)業(yè)措施必須針對(duì)水稻具體發(fā)育階段做出相應(yīng)調(diào)整。2)淮河流域水稻日照適宜度、降水適宜度與氣候適