贵州省主要粮食作物不同生长期的降水集中度时空演变

韩会庆，李建鸿，白玉梅，马淑亮，任月倩

(1. 中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部广西岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004；2. 贵州理工学院建筑与城市规划学院，贵阳 50003)

0 引 言

粮食作物是全球重要农作物之一，它们是人类最重要的食物来源[1]。然而，随着全球气候变化，粮食生产对气候变化的敏感性愈加显著[2,3]。气候变化影响下的降水和气温改变，深刻影响区域粮食种植结构、熟制、品质、产量等[4]，分析粮食作物种植的气候变化特点，对提高粮食作物应对气候变化能力、区域粮食安全具有重要意义。

气候变暖背景下的区域降水强度、降水量的改变强烈影响着粮食生产。目前降水变化对粮食生产的影响研究主要集中于对粮食生产的适宜性、粮食产量、粮食种植气候风险影响等方面。如孙雪萍等[5]分析了内蒙古乌兰察布市的降水约束下的粮食生产适应度。王鹤龄等[6]分析了降水变化对半干旱区春小麦的产量和品质的协同影响。章起明等[7]分析了持续强降水对双季早稻产量及生育期的风险影响。此外，不同区域粮食种植的降水变化也受到学者的重视。如庞艳梅等[8]分析了四川盆地玉米有效降水变化特点。孙晶京等[9]分析了临汾市小麦生育期降水变化特点。研究方法上主要涉及回归分析、实验监测、空间相关等。如刘新月等[10]利用回归模型分析了降水变化与旱地小麦农艺性状之间关系。朱梅等[11]利用实验监测法分析了淮北平原农作物生长期有效降水量。史晓亮等[12]利用长时间序列遥感和气象数据估算了松嫩平原玉米单产。降水集中度是反映降水时空集中状况的指标，它不仅关系到农业水资源利用，还对粮食生产具有深刻影响。然而，当前研究多从气候学角度分析区域降水集中度变化[13,14]，鲜有针对粮食作物不同生长阶段的降水集中度变化研究。

贵州省是以山地为主的省份，素有“八山一水一分田”之称，粮食生产对该区粮食安全及社会经济持续发展至关重要[15]。此外，该区极端气候发生频率较高，强烈影响粮食生产[16]。因此，以贵州省的主要粮食作物(水稻与玉米)为例，分析水稻和玉米不同生长期的降水集中度时空演变特点，以期为该区粮食作物应对气候变化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 气候资料来源

气候数据主要为1961-2017年贵州省84个气象站点逐日观测降水数据。缺测数据利用周边站点平均值进行插值补充。数据缺测较少，可以满足本研究需要。

1.2 研究方法

1.2.1 水稻和玉米生长期划分

依据文献[17,18]将贵州省水稻生长期分为播种-秧苗期(4月10日-5月10日)、移栽-分蘖期(5月11日-7月10日)、拔节-孕穗期(7月11日-7月31日)、抽穗-成熟期(8月1日-9月10日)和全生长期(4月10日-9月10日)。玉米生长期分为播种-出苗期(4月1日-5月20日)、拔节-抽雄期(5月21-8月10日)、灌浆-成熟期(8月11日-9月30日)和全生长期(4月1日-9月30日)。

1.2.2 降水集中度计算

参考Zhang等[19]的方法，利用数学上的向量原理，将粮食作物每一生长阶段设为360°的圆，计算每一生长阶段的每日对应的度数(方位角)，进而将某一生长阶段的日降水量矢量进行合成，通过与总降水量比较，得到降水集中度。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：PCD为降水集中度；Rxi为水平方向降水量；Ryi为垂直方向上降水量；Ri为降水总量；rij为日降水量；θ为某一生长阶段每日降水量对应的方位角；i为年份序列；j为日序。PCD介于0～1之间，越接近1表明降水愈集中，反之降水愈均匀。

1.2.3 其他方法

利用线性趋势分析法分析粮食作物每一生长期降水集中度整体变化趋势，利用ArcGIS软件的反距离插值法(IDW)分析粮食作物每一生长期降水集中度空间变化，采用Morlet小波分析法分析粮食作物每一生长期降水集中度时间序列的周期变化。

2 结果与分析

2.1 贵州省水稻不同生长期降水集中度变化

1961-2017年间，贵州省水稻全生长期降水集中度年际波动较大，呈缓慢上升趋势；从不同生长阶段看，播种-秧苗期、移栽-分蘖期和抽穗-成熟期的降水集中度呈缓慢上升趋势，上升幅度比较为：抽穗-成熟期>播种-秧苗期>移栽-分蘖期，仅有拔节-孕穗期的降水集中度呈下降趋势(图1)。

不同年代水稻各生长期降水集中度有所差异。全生长期降水集中度在1991-2000年较大；播种-秧苗期和移栽-分蘖期在2011-2017年较大；拔节-孕穗期在1961-1970年和2011-2017年较大；抽穗-成熟期在2001-2010年较大；除2011-2017年外，不同年代4个生长期降水集中度大小比较为：拔节-孕穗期>抽穗-成熟期>播种-秧苗期>移栽-分蘖期(图2)。

图1 贵州省水稻不同生长阶段降水集中度年际变化Fig.1 Inter-annual change of precipitation concentration degree at different growth stages of rice in Guizhou Province

从空间上看，57 a间全省所有地区水稻全生长期降水集中度呈上升趋势，西北部、东北部和东南部的部分地区上升幅度较大，西南部上升幅度较小；除中南部地区的播种-秧苗期降水集中度呈下降趋势外，其他地区皆呈上升趋势，上升幅度由北向南、由西向东递减；中东部地区移栽-分蘖期降水集中度呈下降趋势，西部地区呈上升趋势，上升幅度由西向东递减；拔节-孕穗期仅有西南部地区呈上升趋势，其他大部分地区呈现下降趋势；全省大部分地区抽穗-成熟期呈上升趋势，西南部、东南部地区上升幅度较大，仅有东北部、南部、西南部和西北部的小部分地区呈下降趋势(图3)。

图2 贵州省水稻不同生长阶段降水集中度年代变化Fig.2 Interdecadal change of precipitation concentration degree at different growth stages of rice in Guizhou Province

图3 贵州省水稻不同生长阶段降水集中度变化空间格局Fig.3 Spatial pattern of precipitation concentration degree at different growth stages of rice in Guizhou Province

57 a间，贵州省水稻全生长期降水集中度存在4个时间尺度的周期震荡，分别是7、11、13和25 a，其中25 a是变化主周期；播种-秧苗期降水集中度存在4个时间尺度的周期震荡，分别是5、13、22和28 a，其中22 a是变化主周期；移栽-分蘖期降水集中度存在5个时间尺度的周期震荡，分别是5、7、15、22和28 a，其中28 a是变化主周期；拔节-孕穗期降水集中度存在4个时间尺度的周期震荡，分别是5、14、23和28 a，其中28 a是变化主周期；抽穗-成熟期降水集中度存在4个时间尺度的周期震荡，分别是7、12、15和23 a，其中23 a是变化主周期(图4)。

图4 贵州省水稻不同生长阶段降水集中度变化周期特征Fig.4 Periodic characteristics of precipitation concentration degree at different growth stages of rice in Guizhou Province

2.2 贵州省玉米不同生长期降水集中度变化

1961-2017年间，贵州省玉米全生长期和各生长阶段的降水集中度均呈缓慢上升趋势，不同生长阶段降水集中度上升幅度比较为：灌浆-成熟期>播种-出苗期>拔节-抽雄期(图5)。

图5 贵州省玉米不同生长阶段降水集中度年际变化Fig. 5 Inter-annual change of precipitation concentration degree at different growth stages of maize in Guizhou Province

不同年代玉米各生长期降水集中度有所差异。全生长期降水集中度在1991-2000年较大；播种-出苗期和拔节-抽雄期在2011-2017年较大；灌浆-成熟期在2001-2010年较大；不同年代3个生长期降水集中度大小比较为：灌浆-成熟期>播种-出苗期>拔节-抽雄期(图6)。

从空间上看，57 a间全省绝大部分地区水稻全生长期降水集中度呈上升趋势，北部地区上升幅度较大，仅有东南部小部分区域呈下降趋势；播种-出苗期全省大部分地区呈上升趋势，东北部、西南部和西部部分地区上升幅度较大，仅有东南部的部分地区以及西北部的零星地区呈下降趋势；拔节-抽雄期除南部及北部的部分地区外皆呈上升趋势；灌浆-成熟期仅有东部零星地区呈下降趋势，其他地区皆呈上升趋势，上升幅度由西向东递减(图7)。

图6 贵州省玉米不同生长阶段降水集中度年代变化Fig.6 Interdecadal change of precipitation concentration degree at different growth stages of maize in Guizhou Province

图7 贵州省玉米不同生长阶段降水集中度变化空间格局Fig.7 Spatial pattern of precipitation concentration degree at different growth stages of maize in Guizhou Province

57 a间贵州省水稻全生长期降水集中度存在3个时间尺度的周期震荡，分别是8、14和23 a，其中23 a是主周期；播种-出苗期存在5个时间尺度的周期震荡，分别是5、7、13、23和28 a，其中28 a是主周期；拔节-抽雄期存在2个时间尺度的周期震荡，分别是5和13 a，其中13 a是主周期；灌浆-成熟期存在4个时间尺度的周期震荡，分别是5、8、15和23 a，其中15 a是主周期(图8)。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

本研究发现贵州省水稻和玉米的全生长期的降水集中度整体呈增加趋势，这与张波等[20]和黄晓亚等[21]的研究基本一致。然而，贵州省水稻和玉米不同生长阶段的降水集中度存在差异，如水稻拔节-孕穗期的降水集中度下降，而其他生长期增加。玉米不同生长阶段降水集中度的增加幅度亦有所不同，这都反映了降水集中度存在突出的时间差异。此外，不同生长阶段水稻和玉米的降水集中度变化存在空间差异，这主要与不同区域降水变化存在空间异质性有关。依据本研究结果，水稻和玉米大部分生长阶段降水趋于集中，这就需要重视洪涝对粮食作物种植的负面影响，尤其是做好水稻的抽穗-成熟期和玉米的灌浆-成熟期的防灾减灾工作。另外，随着气候变暖，未来降水势必发生改变，这将影响粮食作物生产[22,23]。故而，为更好地做好防护，今后应重视未来气候变化影响下我国粮食作物的不同生长期的降水集中度研究。

图8 贵州省玉米不同生长阶段降水集中度变化周期特征Fig. 8 Periodic characteristics of precipitation concentration degree at different growth stages of maize in Guizhou Province

3.2 结 论

贵州省水稻和玉米的全生长期降水集中度均呈增加趋势。除拔节-孕穗期外，水稻的播种-秧苗期、移栽-分蘖期和抽穗-成熟期降水集中度呈增加趋势，玉米各生长阶段的降水集中度均呈增加趋势。水稻抽穗-成熟期和玉米灌浆-成熟期的降水集中度增加幅度较大。水稻和玉米各生长阶段的降水集中度在不同年代存在不同。贵州省大部分地区水稻播种-秧苗期、抽穗-成熟期和全生长期的降水集中度呈增加趋势，而贵州省东部地区的水稻移栽-分蘖期和拔节-孕穗期降水集中度主要为下降特点。贵州省大部分地区玉米各生长阶段的降水集中度均呈现增加趋势。贵州省水稻各生长阶段的降水集中度存在4～5个周期震荡，而玉米存在2～5个周期震荡。