江苏省冬小麦生产潜力气候变化趋势评估

商兆堂，张旭晖，商 舜，吴 静

(1.江苏省气象局，江苏南京 210009； 2.国家海洋环境预报中心，北京 100081； 3.上海海洋大学，上海 201300)

“国以民为本，民以食为天”。1976年联合国粮食及农业组织(food and agriculture organization，简称FAO)在第一次世界粮食首脑会议上首次提出“食物安全”的概念，粮食安全问题成为世界热点话题。我国是世界人口大国，随着人们生活水平的提高，对保障粮食安全提出了更高的要求。因此，Yang等学者认为，全世界都关注我国粮食安全问题[1-3]。宋小青等研究认为，农民种粮积极性是影响粮食安全的关键因素[4]。在CCICCD(China National Committee for the Implementation of the United Nations Convention to Combat Desertification)中Bronw研究认为，在国家政策和土地数量一定的前提下，充分挖掘生产潜力是提高粮食产量的可行办法[5]。因此，在现有政策和技术水平下，如何充分利用农业生产潜能，提高粮食产量和品质成为人们关注的热点。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC)评估报告(第1～5次)让人们认识到近50年气候有增暖现象，气候变化对粮食安全构成危害[6-11]。因此，研究气候变化对粮食安全的影响成为人们研究应对气候变化的重点领域之一。粮食作物中小麦、水稻、玉米的产量占粮食总产量的50%以上，2015年全世界小麦产量达到7.18×108t，且80%以上可以食用。因此，研究气候变化对小麦生产的影响成为研究粮食安全的重要内容之一。吕佳佳等研究认为，随着气候变化，小麦生产的脆弱性增加[12-19]。如何应对气候变化引起的冬小麦生产脆弱性增加问题，许多学者也作了探索，如孙芳等研究认为，可以通过改良品种、合理栽培等技术措施来抑制冬小麦生产随气候变化脆弱性增加的趋势[20]。还有不少学者从气象防灾减灾的角度提出应对措施，如周曙东等提出通过人工措施改变冬小麦的生长环境来减轻气候变化对冬小麦生产的影响[21]。因此，科学利用当地的气候资源潜力，合理安排冬小麦生产，是减轻冬小麦生产随气候变化脆弱性增加，实现高产稳产的有效措施之一。

随着精细化数值预报产品和农业栽培精细化技术的发展，作物生产潜力评估与作物生产发育微环境对其影响的监测评估有机结合，为农业生产和管理者提供综合性监测、预报预测、评估、生产对策建议等的农用天气预报服务成为农业气象服务业务的发展趋势[22]。据此，以江苏省域内国家基本气象观测站观测的资料为基础，对江苏冬小麦生产潜力的气候变化趋势进行分析，以期为科学应对气候变化，实现冬小麦的稳定生产提供参考信息。

1 材料与方法

1.1 基本资料

以光温生产模型为基础进行冬小麦生产潜力计算，日照和温度资料来自江苏省域内具有代表性的39个站点观测的气象记录月报表。辐射资料为淮安、吕泗、南京等3个站点的实测资料，其他站点数据由淮安、吕泗、南京、济宁、莒县、合肥、上海、杭州、宝山、慈溪等10个观测辐射站点的观测资料通过数值模拟获取。具体资料由江苏省气象信息中心提供。

冬小麦生育期资料来源于江苏省域内的10个气象物候观测站的作物观测年报表。具体资料由江苏省气象信息中心提供。

1.2 资料处理

目前，气象部门的气象服务业务体系中，作物生长发育方面的农业气候资源评估是以旬为单位的，因此，生育期资料统计以旬为单位，分别为上旬、中旬、下旬。据中国气象局的《农业气象观测规范(上卷)》[23](1993年)，将冬小麦划分成12个生育期，根据江苏省10个气象物候观测站1980—2011年观测资料统计得出小麦各生育期时段划分的时间，具体见表1。

根据江苏省的气候、地理特征，将江苏省分成全省、苏北、苏中、苏南等4个主要区域类型，统计分析区域特征(图1)。

表1 江苏省冬麦生育时段划分

2 结果与分析

2.1 生产潜力计算模型

冬小麦生产潜力计算主要是通过机制模型和经验模型来实现的，由于冬小麦生长发育过程机制的复杂性，目前，全世界还没有一个让大家认同投入业务运行的机制模型，因此采用经验模型。谷冬艳等系统分析国内外的经验方法后认为，目前主要有光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力等3种模型[24]。赖荣生等综合分析认为，光温生产潜力是在其他条件处于理想状态下，仅有光温影响的产量，即产量的理论上限[25]。本研究主要研究以变暖为主要特征的气候变化对冬小麦生产潜力的影响，因此，利用这种模型对江苏省冬小麦生产潜力进行计算分析。计算公式为

WPRT=WPC×F(t)。

(1)

式中：WPRT表示冬小麦光温生产潜力；WPC为光合生产潜力；F(t)为温度影响系数。

陈浩等研究认为，光合生产潜力可用公式(2)进行计算[26]。

(2)

式中：F为光能利用率，Loomis等研究认为，光能利用率的理论上限为5%～6%[27]；李继由研究认为，生产管理水平较高的地区，光能利用率可达到3%左右，江苏省冬小麦生产管理水平居全国中上等，因此F=3%[28]。E为经济系数，李白鸽研究认为，江苏江淮地区小麦经济系数一般取0.4，即E=0.4[29]。C为能量转换系数，取值为18.75 kJ/g。Q为太阳总辐射能(MJ/m2)，买苗等研究认为，只有日照时数观测的站点采用公式(3)进行计算，其中，Q0为天文辐射值；S为日照百分率(%)；a和b为系数[30]。利用济宁、昌县、合肥、杭州、慈溪、上海、宝山、淮安、吕泗、南京等10个站点的实际观测辐射值，采用线性回归方法计算出各月的a、b值，并采用反距离权重法插值获得江苏省域内a、b空间分布，得到江苏域内所有气象观测站点的a、b系数。

Q=Q0(a+b×S)。

(3)

喜凉作物的F(t)可用公式(4)进行计算[29]。

(4)

式中：T表示年份。

据此，由公式(1)～公式(4)可计算出各个观测站点冬小麦不同生育期的生产潜力。

2.2 生产潜力现状分析

利用全省39个站点(图1)1961—2013年观测资料，利用公式(1)～公式(4)计算出各站点每年各生育阶段的光温生产潜力(图2)。

由图2-a可见，江苏省冬小麦全生育期光温生产潜力为155 451.9～223 079.2 kg/hm2，总体趋势是由北向南明显减小，区域分布特征明显。全省光温生产潜力平均值为 191 769.2 kg/hm2，其中，苏北平均值为206 144.2 kg/hm2，苏中平均值为 192 894.6 kg/hm2，苏南平均值为172 718.5 kg/hm2，苏中仅占苏北的93.6%，苏南仅占苏中的89.5%。苏北北部区域为高值区域，苏北中南部到苏中中部以中东部为中心向西向东递减，苏中中南部到苏南由东向西和西南方向递减，即苏南南部、西南、西部区域数值相对较低。

由图2-b可知，江苏省冬小麦各生育期光温生产潜力随着生育期变化呈现高-低阶段性变化特征。最高峰在冬季，营养生长阶段明显高于生殖生长阶段。这就要求在因小麦生长期明显延长而造成冬小麦生长期明显缩短的情况下，充分利用好冬季气候资源，提高冬小麦的冬季生长量，保障全生育阶段的生长量相对稳定，实现高产优质的栽培目标。

2014年江苏全省小麦实际单产平均为5 372.0 kg/hm2，苏北平均值为5 862.2 kg/hm2，苏中平均值为5 981.0 kg/hm2，苏南平均值为5 413.1 kg/hm2，分别占其光温生产潜力的2.80%、2.84%、3.10%、3.13%。说明江苏冬小麦的生产现状还有增产近1倍的潜力，因此要研究通过改变株型结构、栽培模式等来提高冬小麦的光温利用率的实用技术，实现优质栽培。

2.3 气候变化趋势

2.3.1 气候变化趋势计算方法 商兆堂等研究认为，气候变化趋势常用气候倾向率(climate change rate，简称CTR)来表示[31]。因此，WPRT可以表述成：

WPRT=a+b×T。

(5)

则：

CTR=10×b。

(6)

式中：CTR表示未来10年冬小麦光温生产潜力随气候变化的改变量。由江苏省气象台站1961—2013年观测气象资料得出的冬小麦各生育阶段光温潜力数据从而计算得出气候倾向率(图3)。

2.3.2 气候变化趋势分析 经过统计分析以及由图3-a可知，江苏省冬小麦全生育期光温生产潜力的气候倾向率为-7 233.01～1 504.94 kg/hm2，全省平均值为 -2 679.82 kg/hm2，其中，苏北平均值为-4 433.30 kg/hm2，苏中平均值为-1 736.09 kg/hm2，苏南平均值为-1 629.89 kg/hm2；总趋势是全省大部分区域都在减小，仅有苏中中南部沿海到苏南中部一个带状区域和苏中西部边界地区是增大区域。苏北的减少量约是苏中和苏南的2.5倍，而苏北是江苏省冬小麦主产区，也是全国黄淮冬小麦主产区的重要组成部分，且目前苏北的光温利用率低于苏中和苏南，因此，研究苏北应对气候变化的冬小麦栽培技术中要增加提高其光温利用率的研究内容，通过提高利用减缓快速减少带来的不利影响，保障高产稳产。

由图3-b可知，光温生产潜力气候倾向率减小主要发生在营养生长期，增大主要出现在生殖生长期，这种变化趋势对形成足穗是不利的，但对实现大穗是有利的，即利于提高小麦品质。郑建敏等认为，穗粒结构对产量的贡献率表现为穗数>粒数>粒质量，因此，要研究通过增加基本苗等保障足穗的栽培技术措施，实现高产优质[32]。

中国气象局规定，以当年产量与平均值(近5年)的增减百分比将年景分成丰年、平偏丰、持平略增、持平略减、平偏歉、歉年[33]。因此，用气候变化引起光温生产潜力的改变量与正常年景光温生产潜力的百分比(设为PER，%)来评定气候变化对冬小麦光温生产潜力的影响，具体划分标准见表2。由此计算得出的数据绘制图4。由图4-a可知，除苏北中部到苏中北部有1个区域的光温生产潜力气候倾向率占平均值的比例<-3%以外，其他区域均在-3%～3% 之间，即大部分区域基本持平(略增或略减)，少部分区域属于平偏减。由图4-b可知，各生育期百分比的绝对值均小于5%，且绝大部分生育阶段的值在3%以内。因此认为，气候变化并没有引起江苏省冬小麦生产潜力明显变化，其随气候变化范围属于正常年景间因气象条件引起的漂移。

3 结论与讨论

通过计算分析认为，江苏省冬小麦生育阶段的光温生产潜力随着气候变化有减小的变化趋势，但这种趋势在正常气候年景的年际间波动的范围值之内。因此，只要通过选育气候适宜性广、光能利用率高的新品种，通过适当增加播种量，提高基本苗数量，测土施肥等栽培技术措施可以减缓气候变化对冬小麦生产的影响，实现高产稳定优质栽培目标。

表2 气候变化引起冬小麦生产潜力变化评定标准

目前，由于观测资料有限，主要表现为气象辐射资料只有部分台站观测、大部分台站靠公式推导获取等；观测气象资料在标准观测场进行，而有时田间实际环境与之相差很多，造成气象资料的代表性差。冬小麦生长发育状态主要为人工观测其生长发育期、株高、叶面积等表象资料，通过仪器观测生理生化过程没有业务化，因此，各种机制模型的运算效果并不理想，不同人建立的经验公式之间计算的生产潜力数据也有差异，但其随气候变化的总体结论基本趋同，即冬小麦生产的脆弱性增加。因此，要加强应对冬小麦生产脆弱性增加的栽培技术措施研究，保障冬小麦的稳定生产，确保粮食安全。