水稻年度间产量波动与生长季气象因子间的相关性分析

衣政伟 田鹏飞 邓孟珂 费玉娟 王政权 王显 胡中泽 杨大柳 赵蓓

摘要：以1999—2019年江苏省泰州市兴化市、姜堰区、泰兴市3地水稻生长季的气象资料为依据，分析3地气象因子对各自地区水稻产量年度间变化的影响。针对气象因子（温度、降水量、日照时数、相对湿度、风速、地表温度等），对年际水稻生长季尺度，生育关键时期尺度上的变化特征、趋势及其与产量之间的关系进行综合分析，同时统计分析月雨日数（月日降水量≥0.1 mm的日数及微量降水日数之和）、月日降水量≥0.1 mm日数的年际间变化规律及其与3地年度间产量之间的相关性。结果表明，不同年份气象因子对泰州市3地产量的影响不同;3地21年来年际间日平均温度、日最高温度、日降水量、月日降水量≥0.1 mm日数、日平均地表温度等呈波动式上升趋势，日照时数、月雨日数、日平均风速等呈波动式下降趋势;3地其他气象因子变化趋势不一致，且年际间均有差异;年际间各气象因子之间呈显著或极显著相关关系，产量与气象因子之间表现为兴化市产量与月雨日数呈极显著负相关关系，姜堰区产量与月雨日数呈显著负相关关系，姜堰区、泰兴市产量与日平均风速呈极显著负相关关系。分析气象因素对年际间水稻产量的影响发现：泰州市21年来水稻单产年际波动较大，单产最高值为2018年兴化市的 9 750 kg/hm2，最低值为2003年兴化市的7 470 kg/hm2;综合分析发现，21年来总体气象条件对水稻单产影响较小，但极端天气如2003年的洪涝灾害和2016年的持续连阴雨天气对水稻产量影响极大。

关键词：水稻;气象因子;产量;泰州市;相关性;气象资料

中图分类号：S162.5+3 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）12-0051-12

收稿日期：2020-09-21

基金项目：2020年泰州市财政专项资金（编号：TNY202006）。

作者简介：衣政伟（1986—），男，山东临朐人，硕士，助理研究员，主要从事作物栽培与农业科技服务相关研究。E-mail：zhengwei0518@126.com。

通信作者：赵 蓓，主要从事气象预测预报与科技服务相关研究。E-mail：326844872@qq.com。

水稻产量与品种、土壤肥力、农艺措施及气象条件等密切相关，水稻单产因受气象因子影响在年际间出现相应的波动;不同年度或生态区水稻生长期间的气候条件有一定差异，水稻产量对应的生育时期及关键气象因子也因此不同[1-4]。目前，针对气候变化对水稻生产的影响已展开了大量研究[5-9]。抽穗开花期高温会导致水稻空秕粒数升高、千粒质量下降，抽穗灌浆期高温会使作物加工品质下降，抽穗结实期的日平均气温对产量影响最大，抽穗扬花期如遇连阴雨天，会导致空秕粒数增加，水稻分蘖期若光照不足会影响有效穗数形成。在以往关于气候变化对农作物影响的研究中，大多仅研究了温度、降水、日照时数等气象因素与作物产量的关系，而缺乏对其他气象因子的研究分析。本研究对江苏省泰州市自北向南3个农业气象站点过去 21年（1999—2019年）的气象观测资料进行研究，对气象因素与年度间水稻单产相关性、气候变化对江苏省泰州市水稻产量影响的敏感性进行分析，以期科学评估气象条件对粮食产量的影响，因地制宜地制定针对气候变化的粮食生产适应性策略。

泰州市是江苏省内水稻生产大市，地处苏中地区，受季风影响，降水变率较大，南北地域间气候有差异，水稻生长季常受到气象条件变化的制约和影响。不同区域气象因子的差异导致水稻产量不同，因此总结和分析过去21年江苏省泰州市内有代表性的北、中、南部3个区域水稻生长季气象条件对水稻生产造成的影响及其相关性，对更好地开展农业气象服务，应对有可能出现的极端气象条件，为水稻生产提供技术指导并做好预防应对措施等工作，有一定的实用价值和意义。

1 材料与方法

1.1 资料来源

本研究中1999—2019年内气象资料由江苏省泰州市气象局提供，包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、日降水量、日照时数、日平均相对湿度、日平均风速、月雨日数、月日降水量≥0.1 mm日数、地表向下5及10 cm的土壤温度等逐日气象资料。本研究中气象数据选择站点为江苏省兴化市、泰州市姜堰区、泰兴市，选择的站点代表了泰州市由北到南不同地理位置和气候条件的气象情况。1999—2019年间水稻产量数据及水稻生产情况调研分析来自国家统计局泰州调查队和泰州市党史方志办公室编纂的《泰州统计年鉴》（粳稻相关数据）与《泰州市年鉴》。本研究中水稻每年生长季气象资料数据起止时间均为5月21日和10月20日。根据实际经验确定气象因素影响水稻产量的大致时期，将水稻生长季分为播种期到移栽期（5月20日至6月20日）、移栽期到拔节期（6月21日至7月31日）、拔節期到齐穗期（8月1—31日）及齐穗期到成熟期（9月1日至10月20日）4个关键生育时期。本研究仅分析气象因素与水稻（粳稻）产量之间的相关性，不考虑土地面积、栽插方式、农业政策等其他因素。

1.2 泰州市3地气候特点

泰州市位于江苏省中部，属于亚热带湿润气候区，受季风环流的影响，具有明显的季风性特征。这里四季分明，夏季高温多雨，冬季温和少雨，具有无霜期长、热量充裕、降水丰沛、雨热同期等特点。气温最高在7月，最低在1月，冬夏季南北的温差不大，年平均气温在14.4～15.1 ℃之间，年平均降水量1 037.7 mm，降水日数为113 d。但受季风的影响，降水变率和温度差异的年际或月度变化较大，且南北地域之间存在一定的差异。泰州市的温度带属亚热带，干湿区属湿润区。

气象观测点分别位于兴化市、泰州市姜堰区和泰兴市。兴化市地理位置为32°40′～33°13′N，119°43′～120°16′E;姜堰区位置为32°30′N、120°09′E;泰兴市地理位置为31°58′12″～32°23′05″ N，119°54′05″～120°21′56″ E。

兴化市位于泰州市北部，属北亚热带湿润季风气候区，受大陆与海洋性气候影响，具有四季分明，雨量充沛、冬寒夏热和雨热同步等特点，年平均气温14～15 ℃，无霜期210～220 d，历年平均降水量1 040.4 mm。地势低洼平坦，地面高程为1.40～3.20 m，平均高程1.80 m。冬季风向为西北风，夏季风向为东南风。5月20日至10月20日≥10 ℃活动积温为3 771.5 ℃，有效积温为2 231.5 ℃，日照时数为934.3 h，降水量为721.2 mm。

姜堰区地处泰州市中部，属亚热带季风气候区。常年平均气温14.5 ℃，年平均积温5 365.6 ℃，年平均降水量991.7 mm，年平均降水日117 d，年平均日照时数2 205.9 h，无霜期215 d。作物生长季较长，日平均气温高于10 ℃的作物生长期平均为223 d，高于15 ℃喜温作物生长期为172 d。水稻全生育期（5月21日至10月20日）常年氣候特征：有效积温3 780.9 ℃，日照时数852.5 h，降水量694.5 mm。

泰兴市位于泰州市南部，气候温和，四季分明，年平均气温14.9 ℃，1月最冷，平均气温2.0 ℃，最低气温-10 ℃;7月最热，平均气温27.6 ℃，最高气温40 ℃。年平均降水量1 027 mm，日照2 125 h，无霜期220 d。水稻全生育期（5月11日至10月20日）常年气候特征：有效积温4 119.1 ℃，日照时数942.5 h，降雨量789.9 mm。

1.3 统计分析方法

利用Excel整理数据，应用SPSS 18 软件对数据进行统计分析，计算水稻生长季相应时期的日平均气温 、日最高气温、日最低气温 、相对湿度和日照时数等。计算各气象要素间、气象要素与产量间的单相关系数、多因子复相关系数和逐步线性回归方程等。

2 结果与分析

2.1 兴化市、泰州市姜堰区、泰兴市水稻产量与年同比增长率

图1表明，不同年份气象因子对泰州市3地产量的影响不同，近21年来3个地区的水稻产量均有所增加，其中以兴化市水稻产量的增加最明显，姜堰区产量与泰兴市接近。3地水稻单产最高出现在2018年的兴化市，水稻单产最低点为2003年的兴化市，姜堰区和泰兴市产量变化与兴化市类似但变化幅度小。近21年来兴化市水稻平均产量最低，3地产量在2008年之前波动较大，近12年总体呈平缓上升趋势，2003—2008年兴化市产量最低，2008年之后其产量最高;其中产量在2019年小幅下降。3地在2003年和2004年水稻产量急剧下降，其中兴化市水稻产量下降情况尤为严重。据《泰州市年鉴》记载，前述现象是因为2003年发生了洪涝灾害和水稻条纹叶枯病，抽穗灌浆期稻纵卷叶螟发生量大，发生时长历史罕见;2004年水稻灰飞虱虫量大、带毒率高，导致水稻条纹叶枯病普遍发生，造成减产。2014年，当地在7月下旬开始出现低温现象，整个8月份积温为786.6 ℃，日照时数只有 80.4 h，整个水稻生育期日照时数为662.8 h，比常年少189.7 h;7—8月降水量为429.7 mm，较2013年同期多264.9 mm。2016年，总日照时数低于常年，有效积温和降水量均比往年高，其中8月气象条件好于往年，表现为温高、光足、雨少;9—10月下旬，以阴雨天气为主，尤其是在10月雨日数达 21 d，降水量426.4 mm，降水量是往年同期的7倍;在水稻生产、收获的关键时期，持续连阴雨天气对全市粮食生产造成极大影响，水稻移栽初期因连续强降雨，沿江地区严重受淹，迟栽迟发面积较上年有所增加。

2.2 水稻全生育期年际间气象因子变化趋势分析

由图2可知，兴化市、姜堰区、泰兴市在21年来年际间日平均气温、日最高气温、降水量、日平均地表气温等整体呈波动式上升趋势，日照时数、月雨日数、日平均风速等整体呈波动式下降趋势，3地其他气象因子不同，且年际间均有差异。3地中日平均气温、日最高气温均大体上呈上升趋势且姜堰区变化均较明显，二者年际间平均值从大到小均为泰兴市>姜堰区>兴化市。姜堰区与泰兴市日最低气温均呈上升趋势且姜堰区变化明显，兴化市日最低气温呈下降趋势且变化不明显。3地降水量呈上升趋势且变化不明显，其中在2018年5月25日泰兴市有特大降雨，降水量为 1 229 mm。月日降水量≥0.1 mm 日数、日平均地表温度均呈上升趋势且3地无显著性差异，年际间日平均地表温度从大到小为兴化市>泰兴市>姜堰区。日相对湿度中姜堰区呈下降趋势，兴化市与泰兴市呈上升趋势，且3地变化均不明显。3地的日照时数均呈下降趋势。3地的月雨日数均呈下降趋势，且平均值表现为泰兴市>姜堰区>兴化市。3地的日平均风速大体均呈下降趋势，差异不明显且平均值表现为兴化市>泰兴市>姜堰区。另外考虑到泰兴市降水量有单日特大暴雨的情况，除日均相对湿度和日平均风速的变化不一致外，3个地区其余气象因子大体变化趋势相似。

2.3 年际间水稻产量与水稻生长季气象因子之间相关性与回归分析

由表1至表3可知，1999—2019年兴化市、泰州市姜堰区、泰兴市单位面积水稻产量与气象因子的相关性存在一定的差异，其中温度、日照时数和降水量并不是对3地产量影响最显著的要素，月雨日数、日平均风速才是影响水稻单位面积产量的主要因子。兴化市水稻产量与月雨日数呈极显著负相关关系;姜堰区水稻产量与月雨日数呈显著负相关关系，与日平均风速呈极显著负相关关系，与日平均最低气温呈显著正相关关系;泰兴市水稻单位面积产量与日平均风速呈极显著负相关关系。其余气象因子指标与水稻单位面积产量的相关性均不显著，气象因子之间大部分呈显著或极显著相关关系。由表4可知，气象因子中除兴化市日平均风速、姜堰区日照时数、泰兴市降水量和日平均风速外，均与其他12个气象因子呈显著或极显著正相关关系。产量与所有气象因子复相关性均不显著，相关系数较大，兴化市、泰州市姜堰区、泰兴市3地产量与其他12个气象因子复相关系数分别为0.851、0.910、0.901。

前面分析了年际间不同气象因素与水稻产量之间的相关性，水稻产量是不同气象因子等自然因素和非自然因素综合作用的结果，同时不同产量因子对于产量的效应权重有差异。因此，对气象因子与产量之间进行逐步回归分析（表5），将每1个新变量引入后，对已入选回归模型的老变量逐个进行检验，将检验认为不显著的变量删除，以保证所得自变量子集中的每个变量都是显著的，此过程经过若干步骤到不能再引入新变量为止。这时回归模型中所有变量对因变量都是显著的。经回归分析得知，兴化市产量波动变化中最重要的因素是月雨日数和日平均相对湿度，且与月雨日数呈负相关关系，兴化市产量与日平均相对湿度呈正相关关系。姜堰区、泰兴市年际间产量波动变化中最重要的因素均是日平均风速，且均与日平均风速呈负相关关系。说明月雨日数和日平均相对湿度是影响兴化市水稻单位面积产量的重要因素，而姜堰区、泰兴市水稻单位面积产量则受日平均风速的影响最大。

2.4 年际间水稻产量与水稻不同生育期内气象因子之间相关性与回归分析

本研究将水稻生长季分为播种期到移栽期（5月20日至6月20日）、移栽期到拔节期（6月21日至7月31日）、拔节期到齐穗期（8月1—31日）及齐穗期到成熟期（9月1日至10月20日）4个关键生育时期。经分析3地不同生育时期气象因子与水稻单位面积产量之间的相关性（表6～表11）发现，兴化市各时期内各气象因子与产量都无显著相关性，说明各生育时期内气象因子对水稻产量的波动无显著性影响，其中齐穗期到成熟期的日最低气温与产量呈负相关关系，相关系数为-0.402。姜堰区在播种期到移栽期的日平均最低气温与产量呈极显著正相关关系，日平均风速与产量呈极显著负相关关系;在移栽期到拔节期、拔节期到齐穗和齐穗期到成熟期的日平均风速与产量均呈极显著负相关关系，说明姜堰区在移栽前日最低气温越高水稻产量越大，而在移栽期到成熟期之间日平均风速要尽量小才会获得高产量。泰兴市水稻生育期的日平均风速与产量均呈显著或极显著负相关关系;由此可知，各时期日平均风速显著影响水稻产量的波动。表12结果表明，兴化市各时期的气象因子与水稻产量均无显著复相关性。姜堰区的播种期至移栽期、拔节期至齐穗期中气象因子与产量呈显著正相关关系。泰兴市播种期到齐穗期的气象因子与产量呈显著或极显著正相关关系，齐穗期至成熟期气象因子与产量复相关性不显著。3地4个时期内其他气象因子之间大部分复相关性显著或极显著。

由表13可知，兴化市的4个水稻生长时期气象因子对年际间产量没有显著性影响，无法形成回归方程。泰兴市4个时期内气象因子与产量经回归分析得知，产量均与日平均风速呈负相关关系。姜堰区水稻产量在播种期到移栽期、移栽期到拔节期、齐穗期到成熟期最重要的因素均是日平均风速;拔节期到齐穗期水稻产量最重要的因素是日最低气温、日平均风速和日平均10 cm地温，且与日最低气温呈正相关，与日平均风速和日平均10 cm地温呈负相关关系。说明姜堰区、泰兴市水稻单位面积产量受日平均风速的影响最大。

3 结论与讨论

各气象要素对水稻年度间产量波动都存在不同程度的影响[3]。农业生产对气候变化反应最为敏感和脆弱，低温、多雨、寡照等极端气候事件对农业生产的影响显著。21世纪以来，极端气候发生频率增加、强度变大、影响范围增大、持续时间变长[10]。

本研究中2003年、2004年和2016年的水稻产量因极端天气的发生而减产的结论与之相符。本研究中其他重要气象要素对水稻产量波动影响较小。这可能与本研究所选择的3个地点本身生态差异不明显，或者是水稻产量还要受到品种、栽培条件及当年农业政策的影响导致。另外，气候指标的选取虽具有一定代表性，但难免存在一些遗漏，不能充分反映出苏中地区极端气候的时空变化情况。因此，要更加重视气象要素对作物产量的影响，特别是近10年来水稻生育中后期遭受低温冷害、低温阴雨寡照、干热风和狂风暴雨等气象灾害的影响程度越来越重;这些极端气候的发生频率越来越高，造成的产量损失也越来越大，亟待气象部门及时预测预报和预警，与此同时农业部门和种植户也要充分利用气候资源及农业措施来降低水稻年度间的产量波动，以达到防灾减灾和稳产中产的目的。

气象条件主要包括温度、光照、降水、相对湿度和风速等，上述气象因子通过直接影响水稻的生长发育或间接影响虫害和疾病的发生来影响产量，而不同生态区制约水稻产量的关键气象因子也不相同[1，11]。本研究中温度、日照时数和降水量等的变化趋势不明显，三者与水稻产量的相关性亦不显著，说明在研究区内三者的变化对水稻产量的影响较小。总体上，泰州市21年来气候变化有利于水稻生产。实际上，光照、温度与降水量等气象因子在水稻不同生长发育期中所起的作用很难明确界定;在水稻生长发育的不同时期，当光照、温度与降水量相近的前提下，风速也是影响水稻产量的关键气象因子，适宜的微风有利于改善水稻田间群体受光条件、增强气体交换和促进花粉传播，过大风速会引起倒伏，延迟成熟、加重病害的发生，造成水稻减产[12-15]，这与本研究结果一致。风速在水稻幼苗时期对产量的影响不明显，但风速过大则会导致幼苗倒伏。在水稻抽穗期如遇大风，会导致水稻抽穗缓慢，甚至不能够出穗，进而影响水稻产量。因此水稻生产中要控制好栽插密度，以形成合理高产群体，培育壮秧，进而应对突发自然天气。

随着极端天气的频发，水稻后期尤其容易受台风、暴雨及异常低温等不利天气影响，所以极端天气来临时要及时制定应急预案，做好防灾减灾准备。各农业管理服务部门应不定期组织专业技术人员到田间地，落细落实生产技术，保证田间管理措施到位。以上分析仅考虑气候阶段性变化对苏中地区粮食生产的影响，而对科技进步和农业政策等因素对农业生产影响缺乏估计。总体来说，调整种植结构、开发和培育作物新品种、加强农业抗灾设施建设是重点工作，在风速影响较大区域建议在密度确定的情况下，减小水稻株距，增加行距，或实行宽窄行栽培，均可以改善田間小气候环境。

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