

Intraday evaluation modeling of climatic suitability for rice in Liaoning Province
WUJinwen

通讯作者:
收稿日期:2017-03-2
修回日期:2017-06-16
网络出版日期:2017-08-20
版权声明:2017《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
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1 引言
水稻是中国最重要的口粮作物,全国60%以上人口以稻米为主食[1,2]。近年来,随着人民生活水平的提高,“面食改米食”、“籼米改粳米”的饮食习惯也悄然地改变,由于粳米的优势产区少、消费区域广、国际贸易量小,粳米的供给难度正逐步加大。在水稻种植面积进一步受限的大背景下,如何促进水稻生长发育、调整种植结构、确保稳产高产对于保障粮食安全具有重要的意义[1,3],研究水稻气候适宜性可以降低水稻生产风险,合理规划生产布局,有效评估水稻对气候变化的响应,为农业的稳定和可持续发展提供有效依据。目前水稻气候适宜性研究在影响因子和时间尺度上存在很大差异,黄淑娥、俞芬、赖纯佳等综合温度、降水、日照三因子采用不同统计方法建立双季稻旬尺度气候适宜度模型,研究了气候适宜度分区及生长季、年季变化趋势[4-6];张建军等综合三因子建立单季稻旬、发育期、全生育期尺度气候适宜度评价指标[7];段居琦等选取积温、持续日数、年降水、湿润指数等9种影响因子,结合最大熵模型和ArcGIS的空间分析功能,从年尺度分析中国单季稻种植区的气候适宜性[8,9];赵峰、Shimono H则运用大气环流模型模拟气候对粮食生产的影响,认为同一地区不同模式的气候适宜性估算结果差异较大[10,11]。由于作物生长影响因子的多样性及相互关系的复杂性,各因子的选取及其关系的表述较难,故气候适宜性研究成果较少[10],尤其针对粳米种植区的研究更是凤毛麟角;况且现有水稻气候适宜度的研究都是基于旬以上时间尺度的平均态,此研究方法存在气候条件适宜,水稻产量却出现大幅下降,气候适宜性评价与实际不符的现象,所以关键发育期中短时灾害天气对水稻产量的影响也至关重要,因此迫切需要研究日尺度的气候适宜性。
本文基于已有研究成果,结合灌溉水稻种植制度,筛选温度、日照两个主导因子,引入气候产量概念,分不同气候区构建水稻气候适宜度日尺度模型。根据1961-2010年50年逐日气候适宜度研究结果,建立气候适宜度不同等级评价指标,准确评价水稻整个发育进程气候适宜度状况;通过与旬尺度模型对比,揭示日尺度模型更能诠释中短时灾害情景下的气候适宜度状况,为水稻生长的气候条件诊断以及粮食生产安全提供依据。
2 研究区概况、数据来源与研究方法
2.1 研究区概况
考虑自然地理环境和农业生态经济条件的相对一致性以及结合目前辽宁地理区划以市县为基本单元的特点,将辽宁划分为辽东、辽西、辽南、辽北、辽中5个气候区[12],每个气候区选取水稻单产最高的2个台站作为气候产量模拟的典型站(图1),用于分析气候产量模拟最优方法进而得到精确的模型参数。分区评价可以排除地理、经济等环境因素,突出气候条件对水稻生长发育的影响。
图1辽宁省气象站点、农试站点分布
-->Figure 1Distribution of weather stations and agricultural test stations in Liaoning Province
注:各气候区气象站点分布见
-->
2.2 数据来源
本文所使用的气象数据及水稻农业观测数据来自辽宁省气象档案馆1)(1)辽宁省气象档案馆. CIMISS气象数据统一服务接口. http://10.86.104.30.),为保证数据质量,从原始数据中剔除连续缺测数据,筛选记录全面、数据质量较高的辽宁省50个气象站点1961-2010年逐日气温、日照数据以及辽宁省统计局[13]1961-2010年(缺1979年、1980年)水稻单产、总产数据用于水稻气候适宜度模型和评价指标的构建,由于2010年以后无分县统计的水稻产量数据,因此评价模型建立以1961-2010年数据为基础;5个水稻农试站点1981-2010年的发育期、株高数据以及1994-2010年1平方米地段产量数据用于模型检验;气象站点分区及水稻关键发育期见表1。Table 1
表1
表1辽宁省气象站点分布及1981-2010年水稻关键发育期发生时间均值
Table 1Division of meteorological sites in Liaoning Province and mean value of critical growth period of rice from 1981 to 2010 (月/日)
地区 | 气象站点 | 播种-移栽期 | 移栽-拔节期 | 拔节-抽穗期 | 抽穗-乳熟期 | 乳熟-成熟期 |
---|---|---|---|---|---|---|
辽东 | 清原、本溪、本溪县、抚顺、新宾、桓仁、岫岩、宽甸、凤城、丹东 | 4/12-5/27 | 5/27-7/16 | 7/16-8/9 | 8/9-8/24 | 8/24-9/25 |
辽西 | 彰武、阜新县、建平、北票、朝阳、叶柏寿、凌源、喀左、北宁、义县、黑山、锦州、建昌、葫芦岛、绥中、兴城 | 4/10-5/25 | 5/25-7/16 | 7/16-8/8 | 8/8-8/25 | 8/25-9/24 |
辽南 | 营口、盖州、大石桥、熊岳、瓦房店、庄河、东港、旅顺、大连 | 4/12-5/27 | 5/27-7/17 | 7/17-8/13 | 8/13-8/29 | 8/29-9/24 |
辽北 | 昌图、康平、法库、铁岭、西丰、开原 | 4/9-5/24 | 5/24-7/18 | 7/18-8/3 | 8/3-8/22 | 8/22-9/22 |
辽中 | 辽中、新民、台安、盘山、鞍山、沈阳、辽阳、大洼、海城 | 4/8-5/20 | 5/20-7/12 | 7/12-8/5 | 8/5-8/23 | 8/23-9/23 |
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2.3 研究方法
2.3.1 水稻温度适宜度模型式中
2.3.2 水稻日照适宜度模型
式中
2.3.3 水稻气候适宜度日尺度模型
辽宁以灌溉水稻为主,灌溉模式人为控制了水稻在发育过程中的需水量和需水规律,因此本文认为水稻气候适宜度的模型研究中水分条件是适宜的。考虑水稻不同发育阶段对光、温条件的需求不同,结合气候产量采用通径分析的方法建立水稻气候适宜度模型[17],其表达式为:
式中
根据水稻生长发育规律,将水稻划分为5个关键发育期[15],由于水稻不同发育期对气候条件的需求不同,各气候因子的通径系数也不同(表2),根据公式(4)计算温度、日照适宜度在气候适宜度模型中所占的权重系数,最后得到不同气候区、不同发育期的水稻气候适宜度日尺度模型(表3)。
Table 2
表2
表2辽宁省水稻温度和日照适宜度通径系数
Table 2Path coefficient of temperature and sunshine suitability of rice in Liaoning Province
播种-移栽 | 移栽-拔节 | 拔节-抽穗 | 抽穗-乳熟 | 乳熟-成熟 | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
地区 | ||||||||||
辽东 | 0.321 | 0.143 | 0.207 | 0.133 | 0.122 | 0.184 | 0.118 | 0.137 | 0.183 | 0.141 |
辽西 | 0.266 | 0.204 | 0.305 | 0.129 | 0.119 | 0.203 | 0.154 | 0.150 | 0.189 | 0.135 |
辽南 | 0.206 | 0.145 | 0.162 | 0.129 | 0.146 | 0.146 | 0.122 | 0.126 | 0.123 | 0.113 |
辽北 | 0.173 | 0.124 | 0.152 | 0.113 | 0.146 | 0.145 | 0.142 | 0.145 | 0.309 | 0.173 |
辽中 | 0.196 | 0.136 | 0.163 | 0.143 | 0.126 | 0.139 | 0.119 | 0.176 | 0.216 | 0.154 |
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Table 3
表3
表3辽宁省水稻不同发育期气候适宜度模型
Table 3Climatic suitability model of rice in different growth period in Liaoning Province
地区 | 播种-移栽 | 移栽-拔节 | 拔节-抽穗 | 抽穗-乳熟 | 乳熟-成熟 |
---|---|---|---|---|---|
辽东 | S=0.69S(t)+0.31S(s) | S=0.61S(t)+0.39S(s) | S=0.40S(t)+0.60S(s) | S=0.46S(t)+0.54S(s) | S=0.56S(t)+0.44S(s) |
辽西 | S=0.57S(t)+0.43S(s) | S=0.70S(t)+0.30S(s) | S=0.37S(t)+0.63S(s) | S=0.51S(t)+0.49S(s) | S=0.58S(t)+0.42S(s) |
辽南 | S=0.59S(t)+0.41S(s) | S=0.56S(t)+0.44S(s) | S=0.50S(t)+0.50S(s) | S=0.49S(t)+0.51S(s) | S=0.52S(t)+0.48S(s) |
辽北 | S=0.58S(t)+0.42S(s) | S=0.57S(t)+0.43S(s) | S=0.50S(t)+0.50S(s) | S=0.49S(t)+0.51S(s) | S=0.64S(t)+0.36S(s) |
辽中 | S=0.59S(t)+0.41S(s) | S=0.53S(t)+0.47S(s) | S=0.47S(t)+0.52S(s) | S=0.40S(t)+0.60S(s) | S=0.58S(t)+0.42S(s) |
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2.3.4 气候产量计算
在长时间序列的作物产量与气候因子关系的统计研究中,一般把作物的产量分解为趋势产量、气候产量和随机误差3 部分。
式中
最常用的趋势产量模拟方法有5点滑动平均(MAF)、二次曲线(QCF)和Logistic(LGS)函数法模拟水稻趋势产量[18]。本文利用这三种方法模拟趋势产量,进一步计算气候产量。通过以下两个条件检验气候产量的合理性:①趋势产量与实际产量的相关系数越大越好(图2);②不同气候区邻近台站气候产量相关性越大越好(表4)。
由图2可以看出,除黑山外,其他9个台站MAF法模拟趋势产量均好于LGS、QCF法,其中QCF法模拟趋势产量效果最差。1961-2010年辽宁水稻单产数据缺1979年、1980年统计数,气候产量相关性显著检验样本数n=48,显著性水平为0.1和0.01的相关系数临界值分别为0.24和0.37,从5个气候区邻近台站气候产量自相关性(表4)可以看出:辽西、辽北、辽中地区MAF法计算气候产量相关性较好,优于其它方法,辽南地区气候产量QCF法的相关性最好,辽东地区气候产量LGS法的相关性最好。因此本文采取5点滑动平均(MAF)的方法模拟趋势产量。

图2基于三种方法模拟1961-2010 年辽宁水稻趋势产量与实际产量的相关性
-->Figure 2The correlation between the actual yield and the trend yield of rice in Liaoning Province from 1961 to 2010 based on three simulation methods
-->
3 结果及分析
3.1 气候适宜度日尺度等级评价指标选取
根据本文构建的水稻气候适宜度日尺度模型(表3),计算1961-2010年辽宁各站逐日的水稻气候适宜度,将每个气候区50年的气候适宜度从大到小排序,即D1,D2,…,D50,其中D代表区域气候适宜度,下标数字代表从大到小的位置排序,序列中D10、Table 4
表4
表4辽宁省不同气候区邻近台站水稻气候产量的相关系数
Table 4The correlation coefficient of the climatic yields of rice in adjacent stations of different climatic region of Liaoning Province
模拟方法 | 辽东 | 辽西 | 辽南 | 辽北 | 辽中 |
---|---|---|---|---|---|
MAF | 0.397 8 | 0.653 1 | 0.590 7 | 0.950 0 | 0.269 7 |
QCF | 0.411 0 | 0.533 1 | 0.739 3 | 0.935 6 | 0.078 5 |
LGS | 0.438 8 | 0.520 6 | 0.620 1 | 0.913 0 | -0.062 9 |
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D40对应的适宜度分别作为非常适宜等级下限S10和较差等级下限S40,适宜等级下限S20和一般等级下限S30分别由D10、D40差值三等分得到,而小于S40则作为极差等级,从而建立日尺度上的气候适宜度非常适宜、适宜、一般、较差、极差5个等级评价指标[19](图3)。从图3可以看出,在不同气候区之间,水稻的气候适宜度评价指标大小及变化趋势略有差异。播种期辽东气候适宜度等级评价指标略低;移栽-拔节期辽北、辽中气候适宜度等级评价指标波动较频繁;拔节-抽穗期辽南气候适宜度等级评价指标下降趋势明显;抽穗-乳熟期辽西、辽南“较差”指标均大于40,其他区域略低;乳熟-成熟期辽东、辽北气候适宜度等级评价指标下降明显。

图31961-2010年辽宁水稻气候适宜度日尺度等级评价指标
-->Figure 3Intraday grade evaluation indexes of rice climatic suitability in Liaoning Province from 1961 to 2010
-->
不同发育期气候适宜度指标的变化趋势不同,播种-移栽期气候适宜度指标呈迅速上升趋势;移栽-拔节期气候适宜度指标虽然有些波动,但总体呈缓慢上升趋势;拔节-抽穗期气候适宜度指标的变化趋势不太明显,波动较大,但“非常适宜”指标变化相对平缓;抽穗-乳熟期,由于雨季日照偏少气候适宜度指标总体偏低;乳熟-成熟期气候适宜度指标呈先上升后下降的变化趋势。
3.2 气候适宜度模型的检验
3.2.1 气候适宜度与水稻株高的关系分析水稻营养生长阶段是指植株营养器官根、茎、叶的生长阶段,这一阶段包括出苗期、分蘖期和拔节期[3]。水稻移栽后,秧苗栽后成活在大田进一步生长,因此本文研究移栽至拔节期营养生长阶段气候适宜度与水稻株高(即水稻株高与秧苗高差)的相关性。图4a可以看出,水稻营养生长期的气候适宜度与株高呈极显著的正相关关系,相关系数(R)为0.722(n=84,P<0.01),说明该气候适宜度模型能客观地反应水稻与气候条件的关系,气候适宜度越高,植株生长越快。

图41981-2010年辽宁水稻气候适宜度与水稻株高、产量的关系
-->Figure 4The relationship of climatic suitability with rice plant height and yield in Liaoning Province from 1981 to 2010
-->
3.2.2 气候适宜度与水稻产量的关系分析
水稻生殖生长阶段是指植株生殖器官幼穗、花、种子的生长阶段,这一阶段包括孕穗期、抽穗期、开花期和成熟期[3]。图4b可以看出,水稻孕穗至成熟期的气候适宜度与水稻产量呈极显著的正相关关系,相关系数(R)为0.669(n=67,P<0.01),气候适宜度越高,水稻产量越高。
3.3 灾害情景下日尺度评价模型与旬尺度评价模型对比分析
1995年7月28日-30日辽宁遭遇了特大洪涝灾害,水稻生产受到巨大影响[20],辽宁水稻总产为25.5亿kg,较多年平均产量(1981-2010年)减少近30%。因此本文以1995年盘锦(台站号:54 338)为例,采用气候适宜度日尺度模型和评价指标对全发育期水稻气候适宜度进行评价,并与旬尺度气候适宜度评价进行对比,旬气候适宜度等级是以旬平均气温、旬日照时数为因子根据本文建模方法计算的旬气候适宜度及评价指标得到,结果表明:日气候适宜度评价能反应中短时灾害性天气的影响,与实际发生洪涝灾害情况相吻合(图5a虚线),连续暴雨严重影响日照适宜度,导致7月25-26、28-30以及8月2-3号、6号气候适宜度处于“极差”等级,水稻生长发育受到严重影响;从旬气候适宜度评价(图5b)上看,该时段气候适宜度处于“一般”等级,水稻生长发育所需气候条件正常,这种平均态的气候适宜度评价方法与实际并不相符。
图51995年盘锦水稻日气候适宜度等级与旬气候适宜度等级评价对比
-->Figure 5Comparison between intraday climatic suitability grade and ten-day climatic suitability grade in Panjin in 1995
-->
4 结论与讨论
在水稻种植面积进一步受限制以及粳米供给难度加大的前提下,水稻生产对中国的粮食安全和社会稳定具有重要意义,因此对水稻生长过程中气候适宜度的准确评价成为目前迫切解决的关键问题。在以往的研究中,大多运用算数平均或者几何平均的算法构建模型,本文结合1961-2010年辽宁逐年的水稻单产数据,利用5点滑动平均(MAF)、二次曲线(QCF)和Logistic(LGS)函数法模拟水稻趋势产量,确定准确的气候产量,采用通径分析的方法确定各气象要素权重,进而构建水稻气候适宜度日尺度模型。为排除地理、经济等环境因素,突出气候条件对水稻生长发育的影响,采用分区评价方法,建立基于5个气候区的水稻气候适宜度评价指标。利用水稻站点1981-2010年的发育期、株高以及1994-2010年1平方米地段产量等农业观测数据,对水稻气候适宜度日尺度模型进行检验,结果表明:在水稻营养生长阶段,水稻移栽至拔节期的气候适宜度与株高的相关系数(R)为 0.722(P<0.01);在水稻生殖生长阶段,水稻孕穗至成熟期的气候适宜度与水稻产量的相关系数(R)为0.669 (P<0.01);这说明本文建立的气候适宜度模型能客观地反映水稻生长的气候条件及对生长发育的影响。
目前国内建立的水稻气候适宜度模型及应用都是基于旬以上时间尺度的平均态[19],本文考虑到水稻与气候的相互作用不仅具有季节性、地域性而且还受到中短时灾害性天气的影响,因此本文以1995年盘锦为例,采用日尺度气候适宜度模型和评价指标对全发育期水稻气候适宜度进行评价,并与旬尺度的评价方法进行对比,结果表明在突发洪涝灾害的情况下,气候适宜度日尺度模型相比旬尺度模型,能更准确地揭示中短时灾害影响下的气候适宜度状况。
水稻的农业生产除了受到气候条件的影响外,还与很多因素有关,比如辽东低山丘陵区气候资源丰富,但因为坡地较多,水土流失严重,成为水稻低产田区[21]。因此有必要进一步研究气候与地形、土壤类型相结合的水稻生产综合适宜性评价模型,向更大范围空间进行推广应用。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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