未来气候变化对四川省水稻生育期气候资源及生产潜力的影响

庞艳梅，陈 超，马振峰

(1 中国气象局成都高原气象研究所,四川 成都 610072；2 高原大气与环境四川省重点实验室,四川 成都 610225；3 四川省气候中心,四川 成都 610072)

未来气候变化对四川省水稻生育期气候资源及生产潜力的影响

庞艳梅1，陈 超2,3，马振峰3

(1 中国气象局成都高原气象研究所,四川 成都 610072；2 高原大气与环境四川省重点实验室,四川 成都 610225；3 四川省气候中心,四川 成都 610072)

【目的】 开展气候变化背景下四川省水稻生育期气候资源及生产潜力时空变化趋势的预测,为未来应对气候变化及水稻生产宏观决策提供重要的理论依据。【方法】 研究选取区域气候模式PRECIS输出的未来A2和B2气候情景(2071-2100年)及基准气候条件(1961-1990年)气象要素资料，利用联合国粮农组织(FAO)推荐的方法和侯光良的方法，分析了四川水稻生育期内主要气候资源(≥10 ℃积温、日照时数、降水量、参考作物蒸散量和缺水率)和水稻生产潜力(光合、光温和气候生产潜力)的时空变化特征。【结果】 与基准年气候条件相比，在A2和B2 2种气候情景下，2071-2100年四川省水稻生育期内≥10 ℃积温、日照时数、参考作物蒸散量和水稻缺水率均呈增加趋势，而降水量在大部地区呈减少趋势，未来四川水稻受干旱灾害的风险可能加大；水稻光合、光温和气候生产潜力呈增加趋势。【结论】 未来四川气候资源变化对水稻的增产有利。

气候变化；四川省；水稻；生育期；生产潜力

1906-2005年,全球平均升温(0.74±0.18) ℃，1956-2005年全球平均升温0.65 ℃，近50年的变暖速率是近100年的约2倍，变暖幅度从20世纪90年代以来明显加速[1]。未来100年，全球气温可能升高1.1～6.4 ℃[1]。全球气候变暖背景下，过去100年中国年均气温上升0.5～0.8 ℃，略高于全球水平[2]；降水量在西部地区每10年增加10%～15%，而在北方大部地区以减少为主[3]。根据气候模式预估，2050年中国年均气温可能升高2.3～3.3 ℃，降水量增加5%～7%[3]。气候变化将使农作物种植制度和农业生产布局发生改变，造成农业生产成本和投资成本增加[4-5]，对粮食安全生产具有重要影响[6]。在气候变暖的影响研究中，前人基于气象站的历史观测数据，对中国主要稻作区水稻生长季的气候资源[7]和生产潜力[8-11]的时空分布特征进行了详细的研究。关于四川地区气候资源和生产潜力的研究也取得了一些成果[12-18]：1961-2009年四川省年平均气温、≥10 ℃积温和≥0 ℃积温呈增加趋势，全省大部地区日照时数和参考作物蒸散量减少，降水量在攀枝花和川西高原升高，而在盆地大部地区减少[12]；1961-2007年，四川作物温度生长期内≥10 ℃和≥15 ℃积温及日照时数均呈增加趋势，而降水资源和参考作物蒸散量总体呈减少趋势[13]。四川盆地降水量和日照时数的减少使该地区生产潜力降低，而气温的总体升高使生产潜力提高；各生产潜力在1970s都达到高值时期，2006年光温生产潜力达到另一个高值；1995年后各类生产潜力平均值均较1970s有所减少，盆地平均气温每升高1 ℃，光温生产潜力增加6%，降水量每减少10%气候生产潜力减少1.6%[18]。但是，针对未来四川水稻生育期气候资源变化及由此导致的水稻生产潜力变化的研究还鲜见报道。

鉴于此，本研究利用区域气候模式PRECIS(Providing regional climates for impacts studies，分辨率50 km×50 km)输出的未来A2和B2气候情景(2071-2100年)以及基准气候条件(1961-1990年)下逐日气象要素资料，针对四川省2071-2100年水稻生育期光、温、水等气候资源和水稻的光合、光温、气候生产潜力的时空变化特征进行预测，以期为未来应对气候变化、合理开发并利用气候资源、调整种植布局，探讨四川水稻增产潜力及增产途径等提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源与区域气候模式PRECIS简介

PRECIS是由英国Hadley气候预测与研究中心开发的区域气候模式，2003年由中国科学家引入我国，用以构建中国区域高分辨率的SRES(Special report on emissions scenarios)未来气候情景，并已被应用于中国区域气候变化的影响评估工作中[19-21]。

IPCC(Intergovernmental panel on climate change)排放情景特别报告中提出，人口、经济、技术、能源、农业和未来社会经济发展的主要方向是影响温室气体排放的主要驱动因素，其将未来世界发展框架划分为A1、A2、B1和B2共4种情景[22]。本研究使用50 km×50 km网格的日平均气温、降水、风速、辐射、相对湿度等气象要素，以1961-1990年的逐日气象要素值作为基准时段(Baseline)，由SRES排放方案(A2和B2)驱动获得的2071-2100年的逐日气象要素值表示未来的气候状况。这主要是由于PRECIS输出的1961-1990年的气象要素值不变，而1991-2100年A2和B2情景下的气象要素值不同，为了比较2071-2100年A2和B2 2个不同情景下农业气候资源相对同一个基准年的变化情况，因此选用1961-1990年为基准年。情景数据由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所许吟隆课题组提供。

1.2 水稻生育期的推算

本研究的水稻全生育期指水稻大田期，即从移栽至成熟。根据四川水稻种植区形成的历史和现状，按照水稻自然生态要求，将四川水稻种植区划分为7个区域，通过统计农业气象观测站1981-2010年的农业气象观测资料并结合大田生产调查, 确定了四川各个区域单季稻的移栽期和成熟期(表1)。水稻生育期资料来源于四川省气象局信息中心，农业气象观测站点的分布见图1。

1.3 参考作物蒸散量

本研究采用FAO在1998年推荐的Penman-Monteith方法[23]计算参考作物蒸散量。

(1)

式中：ET0为参考作物蒸散量(mm/d)，Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率(kPa/℃)，Rn为作物表面净辐射量(MJ/m2)，G为土壤热通量(MJ/m2)，γ为湿度计常数(kPa/℃)，T为空气平均温度(℃)，U2为地面以上2 m处的风速(m/s)，ea为空气实际水汽压(kPa)，es为空气饱和水汽压(kPa)，Rn、G、Δ、U2可以通过气象台站观测资料计算获得。

1.4 水稻需水量

采用FAO推荐的公式确定水稻生育期需水量[23]:

ETc=Kc×ET0。

(2)

式中：ETc为作物需水量(mm/d)，Kc为作物系数，ET0为参考作物蒸散量(mm/d)。

本文综合FAO推荐的Kc值和中国主要农作物需水量等值线图协作组研究成果，同时根据四川历史资料和田间试验结果，确定了研究区水稻生育期各月的作物系数见表2。

1.5 有效降水量

有效降水量指总降水量减去蒸发量、径流量和深层渗漏量，这部分降水量可保留在根区并能供植物利用，代表了总降水量中的有效部分。本文选取了FAO参考作物蒸散量与降水量的比率法计算有效降水量[24]，并结合本研究需要、可行性、数据获取的难易及计算的精度需要对其进行了修正。

根据土壤和潜在蒸散特性，选取10 d分为1组，由于作物生育期的限制，对于余数大于5 d但不足10 d的分为1组，而小于5 d的不再进行划分。

(3)

(4)

式中：N为生育期，a为余数，n为分组数。

由于是计算作物生育期内的有效降水，需要考虑作物特性，所以选用作物需水量替代参考作物蒸散量来进行计算，修正后的算法为：

(5)

(6)

式中：Pe为作物生育期内有效降水量(mm)，R为一个时段的累积降水量(mm)，ETc为一个时段的累积作物需水量(mm)，n为分组数。

1.6 水稻生育期缺水率

为表征作物生育期内的水分亏缺状况，定义缺水量与作物需水量的比值为缺水率，缺水率的正(负)表示作物生育期内的水分亏缺(盈余)，大小表示亏缺或盈余的程度[25]：

(7)

式中：K为作物生育期内的缺水率(%)，ETc为作物生育期内需水量(mm)，Pe为作物生育期内有效降水量(mm)。

1.7 生产潜力

光合生产潜力指在热量、水分、土壤等自然环境条件适宜，以及最优的管理条件下，选用最优品种，在可能的生长期内，作物本身通过外界环境将所投射到该地的光能转换为生物能的潜力，是作物能达到的最高理论产量；光温生产潜力指农业生产条件充分保证，在充足的水分供应和CO2条件下，由当地的光、温条件决定的作物能达到的最高产量；气候生产潜力指在光温生产潜力的基础上，加入水分对作物产量的影响[26]。

本研究采用侯光良[27]的方法计算光合生产潜力，计算步骤如下：

YQ=k×μ×ε×φ×(1-α)×(1-β)×(1-ρ)×(1-γ)×(1-ω)×(1-η)-1×(1-ξ)-1×s×q-1×F(L)×∑Qi。

(8)

式中：YQ为光合生产潜力(kg/hm2)；k为单位换算系数；μ为作物光合固定CO2能力的比例，取1.0；ε为光合辐射占总辐射的比例，取0.49；φ为光合作用量子效率，取0.224；α为植物群体反射率，取0.06；β为植物繁茂群体透射率，取0.06；ρ为非光合器官截获辐射比例，取0.10；γ为超过光饱和点的光的比例，取0.03；ω为呼吸消耗占光合产物的比例，取0.30；η为成熟谷物含水率，取0.14；ξ为植物无机灰分含量比例，取0.08；s为作物经济系数，水稻取 0.50；q为单位干物质所占热量，取17.5 MJ/kg；F(L)为叶面积时间变化动态订正函数值，本文取 0.55；Qi为太阳总辐射(MJ/m2)，可利用各站点日照百分率资料计算。

Qi=(mp+c)×QA。

(9)

式中：QA为天文辐射量(MJ/m2)；p为日照百分率(%)；m和c为经验常数，四川地区分别为0.475和0.205[28]。

光温生产潜力为：

YT=YQ×f(t)。

(10)

式中：YT为光温生产潜力(kg/hm2)；YQ为光合生产潜力(kg/hm2)；f(t)为温度订正函数，计算公式如下。

(11)

式中：t为某阶段的平均温度(℃)，tmin为作物生长下限温度(℃)，ts为作物生长最适温度(℃)，tmax为作物生长上限温度(℃)。本文中水稻的三基点温度分别取下限温度10 ℃，最适温度30 ℃，上限温度42 ℃。

气候生产潜力为：

YW=YT×f(w)。

(12)

式中：YW为气候生产潜力(kg/hm2)；YT为光温生产潜力(kg/hm2)；f(w)为水分订正函数，公式如下：

(13)

式中：Pe为作物生育期内有效降水量(mm)，ETc为作物生育期内需水量(mm)。

2 结果与分析

2.1 水稻生育期气候资源的变化特征

农业气候资源是农业生产的物质能源和基本环境条件，直接影响着农业生产过程，气候资源变化对农业生产结构、种植制度、作物品种、栽培管理措施和农作物产量有重要影响[29]。探讨四川主要稻作区未来水稻生育期内光、温和水等气候资源的时空分布特征，可为进一步分析四川主要稻区的水稻增产潜力提供技术支撑。

2.1.1 水稻生育期热量资源的变化 由图2可以看出，基准年四川省盆地南部水稻生育期内≥10 ℃积温最高，其次是川北地区，凉山和攀枝花地区≥10 ℃积温最低(图2a)。与基准年(1961-1990年)气候条件相比，未来A2气候情景下，2071-2100年四川水稻生育期内≥10 ℃积温呈增加趋势，其中雅安地区增加最多，增量达到620～725 ℃·d(图2b)；B2情景下，≥10 ℃积温也呈增加趋势，空间分布与A2情景类似，在雅安地区的增幅最大(图2c)。

2.1.2 水稻生育期光照资源的变化 由图3可以看出，基准年四川省水稻生育期内川东北的日照时数最高，呈现由东北向西南递减的分布趋势(图3a)。与基准年气候条件相比，未来A2气候情景下，2071-2100年四川水稻生育期内的日照时数呈增加趋势，其中雅安地区增加最多，增量达到170～214 h(图3b)；B2情景下，日照时数也呈增加趋势，空间分布与A2情景类似，在雅安的增量最大(图3c)。

2.1.3 水稻生育期降水量的变化 由图4可以看出，基准年四川省水稻生育期内凉山、攀枝花和雅安地区降水量较高，呈现由西南向东北递减的分布趋势(图4a)。与基准年气候条件相比，未来A2气候情景下，2071-2100年四川盆地大部地区水稻生育期内的降水量呈减少趋势，而在凉山、攀枝花、盆地南部和川北的部分地区降水量呈增加趋势(图4b)；B2情景下，水稻生育期内的降水量在大部地区呈减少趋势，仅在凉山、攀枝花、泸州和绵阳北部的个别地区呈增加趋势(图4c)。

2.1.4 水稻生育期参考作物蒸散量的变化 由图5可以看出，基准年四川省水稻生育期内盆地南部和川东北地区的参考作物蒸散量最高，呈现由东向西递减的分布趋势(图5a)。与基准年气候条件相比，未来A2气候情景下，2071-2100年四川水稻生育期内的参考作物蒸散量呈增加趋势，其中雅安和川北地区增加最多，增量达到101～147 mm，凉山和攀枝花地区增幅较小(图5b)；B2情景下，参考作物蒸散量也呈增加趋势，空间分布与A2情景类似，在雅安和川北地区的增量达到101～124 mm(图5c)。

2.1.5 水稻生育期缺水率的变化 由图6可以看出，基准年四川省水稻生育期内川东北地区的水稻缺水率最高，达到30.1%～46.0%，呈现由东北向西南递减的分布趋势(图6a)。与基准年气候条件相比，未来A2气候情景下，2071-2100年四川水稻生育期内的缺水率总体呈增加趋势，其中雅安地区增加最多，增量达到13.6%～18.0%(图6b)；B2情景下，缺水率也呈增加趋势，空间分布和A2情景类似，在雅安地区的增幅最大，达到13.1%～16.0%(图6c)。因此，未来四川地区水稻受干旱灾害的风险可能加大。

2.2 水稻生产潜力的变化特征

农业气候生产潜力是评价农业气候资源的判据之一，其大小取决于光、温、水的数量及其相互配合协调的程度[30-32]。本研究在分析未来四川水稻生育期气候资源变化的基础上，研究了未来水稻生产潜力的时空变化特征对四川水稻生产力稳定增长的影响。

2.2.1 光合生产潜力 由图7可以看出，基准年四川省川东北和乐山地区的水稻光合生产潜力最高，达到17 101～18 386 kg/hm2，而在盆地西部、泸州和川西南山地的部分地区水稻光合生产潜力较低(图7a)。与基准年气候条件相比，未来A2气候情景下，2071-2100年四川水稻光合生产潜力呈增加趋势，其中雅安和四川最北部地区增加最多，增量达到2 101～3 490 kg/hm2(图7b)；B2情景下，水稻光合生产潜力也呈增加趋势，分布与A2情景类似，在雅安和四川最北部地区的增量也达到2 201～3 322 kg/hm2(图7c)。由此看来，未来太阳辐射的增加对四川水稻的增产有利。

2.2.2 光温生产潜力 由图8可以看出，基准年四川省盆地大部的水稻光温生产潜力较高，达到10 101～13 789 kg/hm2，而在凉山和攀枝花地区最低(图8a)。与基准年气候条件相比，未来A2气候情景下，2071-2100年四川水稻光温生产潜力呈增加趋势，其中雅安和川北的部分地区增加最多，增量达到5 101～7 383 kg/hm2(图8b)；B2情景下，光温生产潜力也呈增加趋势，空间分布和A2情景类似，在雅安和川北部分地区的增量达到4 701～6 350 kg/hm2(图8c)。由此看来，未来气候变化情景下的光温匹配对四川水稻的增产有利。

2.2.3 气候生产潜力 由图9可以看出，基准年四川省盆地大部的水稻气候生产潜力较高，达到7 301～9 514 kg/hm2，而凉山和攀枝花的气候生产潜力较低(图9a)。与基准年气候条件(1961-1990年)相比，未来A2气候情景下，2071-2100年四川水稻气候生产潜力以增加为主，川西南山地、雅安和川北的部分地区增加最多，增量在1 801～3 599 kg/hm2(图9b)；B2情景下，水稻气候生产潜力呈增加趋势，空间分布与A2情景类似，在凉山、攀枝花、雅安和川北的部分地区增加最多，增量在1 801～2 946 kg/hm2(图9c)。因此，未来气候变化情景对四川水稻生产有利，产量存在提升空间。

3 讨论与结论

本文利用区域气候模式PRECIS输出的未来A2和B2气候情景以及基准年气候条件逐日资料，对未来2071-2100年四川水稻生育期内气候资源和生产潜力的时空变化特征进行了分析，结论如下。

1961-1990年，四川盆地南部≥10 ℃积温最高，其次是川北地区，凉山和攀枝花地区≥10 ℃积温最低。与基准年相比，未来A2和B2气候情景下，2071-2100年四川水稻生育期内的≥10 ℃积温呈增加趋势。对于原来热量条件相对不足的凉山和攀枝花地区来说，积温的增加对水稻的增产有利；而积温的增加也有可能使原来热量条件较好地区的水稻生育期缩短，但在实际生产中可通过调整品种熟性、播种期、移栽期或提高复种指数来合理利用热量资源。因此，大多数情况下积温的增加对水稻生长的影响是利大于弊。

1961-1990年，水稻生育期内的日照时数呈现由东北向西南递减的分布趋势。和基准年相比，2071-2100年四川水稻生育期内的日照时数呈增加趋势，雅安地区增加最多。从理论上来看，日照时数的增加对水稻的光合生产是正效应，有利于水稻高产。

1961-1990年，水稻生育期内的降水量总体呈由西南向东北递减的分布趋势，而缺水率总体呈由西南向东北递增的分布趋势。和基准年相比，2071-2100年四川盆地大部地区水稻生育期内的降水量呈减少趋势，仅在凉山、攀枝花和四川盆地的个别地区呈增加趋势；而缺水率呈不同程度的增加趋势，雅安地区增幅最大。水稻生育期内降水量的增加有利于水稻增产，但降水量过多也会使水稻产量急剧下降[33]。因此，在凉山、攀枝花等地，水稻产量可能因降水量的增加而提高；而在盆地大部地区由于降水量的下降，水稻生产中应加强灌溉，以避免降水不足对水稻生长带来的不利影响。这里需要说明的是，本文没有考虑地形对降水的再分配作用，如成都平原的水稻生产依赖都江堰工程，其他地区的水稻也大多分布在河谷低地，生产中依靠灌溉。

1961-1990年，四川盆地南部和川东北地区水稻生育期内的参考作物蒸散量最高，呈现由东向西递减的分布趋势。和基准年相比，2071-2100年四川水稻生育期内的参考作物蒸散量呈增加趋势。有研究指出，影响四川盆地参考作物蒸散量变化的主要气象要素可能是日照，而风速是影响高原地区参考作物蒸散量变化的主要因子，同时，参考作物蒸散量还受到温度、降水量和相对湿度等气象要素的影响[34]。针对参考作物蒸散量变化的影响机理还有待进一步研究。

导致作物光合生产潜力在不同年代、不同地区有所差异的原因主要与生育期和生育期间的太阳总辐射有关。未来2071-2100年四川水稻生育期内日照时数增加，光合生产潜力也随之提高。光温生产潜力由温度和光照决定，在计算光合生产潜力的基础上，随着未来气温升高，四川水稻光温生产潜力也将有所提高。气候生产潜力由温度、光照和降水决定，未来水稻气候生产潜力呈增加趋势，说明未来四川气候资源变化对水稻的增产有利。文中还有几点需要说明：首先，本研究得到的气候生产潜力在某些地区接近实际生产水平，这是因为四川水稻一般种植在沿江河谷与盆地，降水不足部分可通过灌溉来弥补。第二，本研究在计算生产潜力时采用了目前的水稻生育期，没有考虑未来生育期的可能变化；而随着气候变暖和品种的改良，未来川南有可能发展双季稻，如将生育期延长考虑在内，生产潜力可能会更高。第三，本研究在分析气候变化对作物生产潜力的影响时没有考虑二氧化碳浓度增高的施肥效应，这与现实生产还有一定的差异。第四，本研究在计算光温生产潜力时没有考虑热害等极端气候条件对水稻生长和产量的影响，而近年来极端气候事件呈增多趋势，农业气象灾害频发，应加强极端气候事件对水稻生产影响的研究。因此，本文的结果只是一种参考，生产中还需要具体分析。

此外，本研究使用的是未来气候情景数据，这是造成研究结果存在不确定性的原因之一。不完善的气候模式和不确定的未来温室气体排放情景是气候变化情景不确定性的主要来源[35]。但是，气候资源和作物生产潜力的变化是综合因素影响的结果，要从根本上准确客观地回答这一科学问题，还需深刻认识并把握其变化过程、机制。因此，本研究仅提供了一个框架式的结果，结论有一定的局限性，但作为一个预测性的试验研究，此类研究仍然给出了四川地区未来水稻生育期的气候资源和生产潜力的变化范围和大致趋势，这对今后指导四川水稻生产具有一定的现实意义，随着资料的不断完善，研究结论也将不断深入。

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Impacts of future climate change on climatic resources and production potential during growth period of rice in Sichuan Province

PANG Yan-mei1,CHEN Chao2,3,MA Zhen-feng3

(1InstituteofPlateauMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,Chengdu,Sichuan610072,China; 2OpenResearchFundProgramofPlateauAtmosphereandEnvironmentKeyLaboratoryofSichuanProvince,Chengdu,Sichuan610225,China;3SichuanProvincialClimateCentre,Chengdu,Sichuan610072,China)

【Objective】 This study predicted the temporal and spatial change of climatic resources and production potential during growth period of rice under the background of global climate change in Sichuan Province to provide theoretical support for addressing climate change and making policy for rice production.【Method】 Based on the daily data of A2 and B2 climate scenarios (2071-2100) and baseline climate condition (1961-1990) from the regional climate model PRECIS,the spatial and temporal change characteristics of climate resources (thermal time ≥10 ℃,total sunshine hours,total precipitation,reference crop evapotranspiration and water deficient ratio) and production potential (photosynthetic potential productivity,photo-temperature potential productivity and climatic potential productivity) during rice growing period in Sichuan were analyzed using the methods recommended by FAO and HOU Guang-liang.【Result】 The thermal time ≥10 ℃,total sunshine hours and reference crop evapotranspiration during growth period of rice increased from 2071 to 2100 under A2 and B2 climate scenarios compared with the baseline climate conditions from 1961 to 1990.The precipitation decreased in most regions of Sichuan.The water deficient ratio of rice showed increasing tendency in the future,indicating that the rice drought disaster risk might increase in Sichuan.The photosynthetic potential productivity,climatic potential productivity and photo-temperature potential productivity of rice also increased in future.【Conclusion】 Future changes in climatic resources would benefit rice yield in Sichuan Province.

climate change;Sichuan Province;rice;growth period;potential productive

2013-09-16

中国气象局气候变化专项(CCSF201422)；中国气象局西南区域重大科研业务项目(2014-8)；四川省气象局科学技术研究开发项目(2014-青年-08)；高原大气与环境四川省重点实验室开放课题资助项目(PAEKL-2014-C5)；中国气象局成都高原气象研究所高原气象开放基金项目(LPM2013002)

庞艳梅(1983-)，女，北京人，硕士，主要从事气候变化影响评价研究。E-mail:pangyanm@126.com

陈 超(1982-)，男，湖南长沙人，博士，主要从事生物气候模型与信息系统、气候变化影响评价研究。 E-mail:chenchao16306@sina.com

时间:2014-12-12 09:30

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.01.001

S162.3

A

1671-9387(2015)01-0058-11

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20141212.0930.001.html