江淮分水岭地区一季稻气候生产潜力评估

李 威, 王学林, 杨太明, 蒋跃林, 柳冬青, 王 志

(1.合肥市气象局, 合肥 230000; 2.安徽省气象科研所, 合肥 230000;3.安徽农业大学, 合肥 230000; 4.浙江大学 土地与国家发展研究院, 杭州 310000)

江淮分水岭地区位于安徽省中部丘陵、浅山区，地处长江淮河之间，是长江流域与淮河流域的分界线，包括合肥、六安、滁州、淮南等4市在内的13个市县，国土总面积近2万km2，耕地面积占30%以上[1]。本区地处亚热带湿润气候区北缘，是亚热带湿润季风气候区向暖温带半湿润季风气候区转换的过渡带，光照充足，热量丰富。该区常年平均气温15.8℃，≥0℃积温5 783.6℃，平均日照5.3 h，平均降水量1 007.6 mm。但由于季风气候的影响，使本地冬夏两季温度各异[2]；江淮分水岭的分水作用又导致江淮分水岭脊线两侧降水量等气候条件存在显著差异，气候资源分布不均导致该区域不同地区气候生产潜力存在较明显差异。

水稻是江淮分水岭地区最重要的粮食作物，种植品种以一季稻为主。一季稻生产对气候条件高度依赖，随着全球气候变暖，极端天气气候事件增多，加上江淮分水岭地区旱涝灾害频发，使得江淮分水岭地区气候资源不太稳定，一季稻生长发育及产量将发生改变，农业生产的不稳定因素加大。气候生产潜力是评价地区气候资源优劣的重要依据之一。气候生产潜力是指在一定的光、温、水资源条件下，其他环境因素(CO2，养分等)和作物群体因素处于最适宜状态时，作物利用当地的光、温、水资源的潜在生产力。通过对区域农业气候生产潜力的评估，可直接反映地区农业生产中光﹑热和水资源间配置是否满足作物的生长所需，有利于找出区域农作物生长的主要气候限制因子[3]。

近年来对于关于气候生产潜力的研究愈来愈多，并提出大量有价值的估算模型。刘江等[4]采用机制法估算玉米生育期气候生产潜力，利用EOF和REOF分解法分析其时空特征。王春学等[5]使用Miami模型重建了1850年以来川西高原北部植被的气候生产潜力。李敏[6]采用逐级订正法估算气候生产潜力，并用gis空间插值法分析了辽宁省近30 a的水稻气候生产潜力的时空分布特征。闫军辉等[7]采用Thornthwaite Memorial模型估算了上海市近145年的气候生产潜力，并定量评估了气温和降水对上海市气候生产潜力的相对贡献率，指出降水对气候生产潜力的变化起主导作用。卢燕宇等从气候的资源和灾害的双重属性出发，构建了冬小麦气候生产潜力和胁迫风险评价指标[8]。黄爱军[9]研究指出江淮地区1960—2007年水稻光合生产潜力呈下降趋势，而光温生产潜力与气候生产潜力呈上升趋势。还有其他的一些学者对于国内外各地区的气候生产潜力都进行了研究[10-16]。但在气候变化及区域经济快速发展背景下，对于区域及关键作物的气候生产潜力进行研究具有更加重要和具体的意义。

本文通过对江淮分水岭地区一季稻气候生产潜力进行计算分析，并根据实际产量与估算结果之间的差距，分析水稻生产的气候资源利用率，找出低资源利用率区域的气象限制因子，分析其气候资源利用率较低的原因，并从气候生产潜力角度针对性提出增产指导建议，挖掘其最大生产潜力，可为江淮地区农业种植适宜性区划提供技术支撑和数据基础，为提高水稻现实生产力提供理论依据，对制定适应气候变化的策略具有重要参考和指导意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用资料为中国气象数据网下载的江淮分水岭13个站点1980—2016年逐日气候资料(包括日照、气温、降水、风速等)、台站经纬度坐标，以及安徽省统计年鉴网下载的1980—2014年江淮地区13个县市一季稻产量数据。

1.2 研究方法

气候生产潜力估算基于潜力衰减法，按光合、光温、气候潜力三级订正进行计算，先计算不同生育期，再累加得到全生育期生产潜力[17]。利用ArcGIS 10.2空间插值分析绘制江淮分水岭地区气候生产潜力空间分布图，用Origin软件绘制散点图与趋势线，利用Mann-Kendall(M-K检验)法对研究区气候生产潜力变化趋势进行趋势性检验[18]，利用SPSS软件进行气候资源与气象因子的相关性分析与逐步回归。

1.2.1 光合生产潜力 光合生产潜力(YQ)指的是作物在不考虑其他因素条件下，即假设水分温度土壤农科技术等均处于适宜条件下，由光能资源形成的在单位时间及单位面积内的产量理论值。

计算公式如下[6]：

式中:YQ为单位面积光合生产潜力(kg/hm2);C为单位转换系数,取值为10 000;∑Qi为生育期总辐射量(MJ/m2),采用气候学日照百分率计算可得。其他相关系数的物理含义及赋值见表1,参数参照网络文献[2]。

1.2.2 光温生产潜力 光温生产潜力(YT)是指在光合生产潜力条件下，假设CO2，水分、温度、土壤、农科技术等均处于事宜条件下考虑温度及辐射因素并通过温度订正系数得出的单位时间单位面积的最高产量。计算公式为[4]：

式中:T为水稻生育期各月平均气温;T0,T1,T2是作物生产三基点温度,即作物生育的最适温度、作物生育的下限温度和作物生育的上限温度,赋值见表2[17]。

表1 水稻光合生产潜力各参数含义及数值

表2 一季稻各生育期三基点温度 ℃

1.2.3 气候生产潜力 气候生产潜力(YW)是假设CO2，土壤、农科技术等均处于适宜条件下，作物在光温生产潜力基础上考虑水分限制因素所估算的生产潜力。计算公式如下[6]：

式中:Pe为作物生育期内有效降水量(mm);ETc为作物理论需水量(mm),采用FAO推荐的公式:

ETC=KC×ET0

式中:KC为作物需水系数,水稻各生育期需水系数见表3;ET0为参考作物蒸散量(mm),采用Penman-Menteith公式估算得来,计算公式及参数取值参照参考文献[6]。

表3 水稻各生育阶段作物系数

1.2.4 气候资源利用率 作物的气候资源利用率即将作物生育期内的气候资源转化为实际产量的比率，是作物生长过程中对农业开发、技术推广的综合反映[19]。计算公式为:

气候资源利用率=作物实际产量/气候生产潜力×100%

1.2.5 气候倾向率分析 本研究在分析水稻生产潜力变化趋势时，采用气候倾向率进行分析，计算公式为：

Y=at+b(t=1,2,3,…,n)

式中:t为时间;a,b为系数,由最小二乘法来确定;当a>0吋,生产潜力与时间t呈正比,当a<0吋,生产潜力与时间t呈反比。a的大小代表生产潜力升降程度,一般以a×10[kg/(hm2·10 a)]作为气候倾向率[20]。

2 结果与分析

2.1 光合生产潜力时空变化分析

2.1.1 时间变化趋势 由图1看出，1980—2016年江淮分水岭地区一季稻生育期内的光合生产潜力在19 000～25 000 kg/hm2，平均光合生产潜力为21 783.45 kg/hm2，年际变化波动较大，最大值出现在1981年，为24 590.22 kg/hm2，最小值出现在2014年，为19 306.48 kg/hm2，相差5 283.74 kg/hm2。由线性趋势可知，江淮分水岭地区一季稻生育期平均光合生产潜力随时间变化呈下降趋势，下降趋势较为明显，平均下降幅度为550.95 kg/(hm2·10 a)。

图1 江淮分水岭地区一季稻生长季光合生产潜力年际变化

根据MK突变检验图(图2)所示，江淮分水岭地区各站点光合生产潜力在2002年附近发生突变。1980—2002年呈现不显著上升趋势；2001—2016年呈下降趋势，其中2002—2009年的下降速率为332.47 kg/(hm2·10 a)，下降趋势不显著，2009年后则以1 470.74 kg/(hm2·10 a)的速率显著下降。

2.1.2 空间分布特征 由于江淮分水岭地区各站点地理经纬度较为接近，因此江淮分水岭地区光合生产潜力分布特点同太阳辐射分布较为相似。江淮分水岭西北部淮南寿县等地区在脊线西侧，降水量少于东部滁州全椒等地，加上一季稻生长季期间地理纬度偏北地区白昼时间多于南部地区，因而日照时数多于西南部地区，导致太阳辐射量在空间上表现为西北多，东南少。利用ArcGIS空间插值将1980—2016年江淮分水岭地区光合生产潜力空间分布划分为高、中、低3个等级(图3)，可以发现，江淮分水岭地区分水脊线对该区域光合生产潜力有非常明显的分界作用。该地区光合生产潜力沿其分水脊线两侧呈阶梯状分布，走向为东北—西南走向，空间分布区域特征明显。分水脊线西北侧的淮南市、凤阳县等地为光合生产潜力高值区，该区域光合潜力平均值约为22 270 kg/hm2；脊线附近的六安市、长丰县、定远县等低为光合生产潜力中值区，该区域光合潜力平均值为22 180 kg/hm2；脊线东南侧的合肥市、全椒县等地为低值区，光合生产潜力平均为21 060 kg/hm2。江淮分水岭地区光合生产潜力平均值为21 783.45 kg/hm2，最小值为滁州市20 979.62 kg/hm2，最大值为来安县22 453.93 kg/hm2。

图2 江淮分水岭地区一季稻生长季光合生产潜力M-K突变检验

图3 江淮分水岭地区一季稻生长季光合生产潜力分布

2.2 光温生产潜力时空变化分析

2.2.1 时间变化趋势 由图4看出，1980—2016年江淮分水岭地区一季稻生育期内的光温生产潜力值与光合生产潜力较为接近，各站点的光温生产潜力在19 000～25 000 kg/hm2，平均光温生产潜力为21 408.93 kg/hm2，年际变化波动同样较大，1981年达到最大值24 183.44 kg/hm2， 2014年则达到最小值19 085.12 kg/hm2，相差5 098.32 kg/hm2。江淮分水岭地区一季稻生育期平均光温生产潜力随时间变化同样呈下降趋势，但由于气候变暖等因素的影响，导致光温生产潜力下降速度较光合生产潜力下降速度略有回升，平均下降幅度为526.53 kg/(hm2·10 a)。

图4 江淮分水岭地区一季稻生长季光温生产潜力年际变化

如图5所示，江淮分水岭地区光温生产潜力年际变化趋势同光合生产潜力较为类似，光温M-K统计的突变年份则发生于2007年前后。江淮分水岭地区光温生产潜力在2007年之前较为平稳，无显著性下降趋势；2007—2016年，光温生产潜力则以325.1 kg/(hm2·10 a)的速率下降，2011年后下降速度超过0.05显著水平。

图5 江淮分水岭地区一季稻生长季光温生产潜力M-K突变检验

2.2.2 空间分布特征 江淮分水岭地区光温生产潜力在空间分布上与光合生产潜力非常相似。图6为江淮分水岭地区光合生产潜力分布图。从图中可以看出，1980—2016年，江淮分水岭地区一季稻生长期间光温生产潜力总体表现为由东南向西北逐渐增加。西北部淮南凤阳等地为高值区，平均值约为21 930 kg/hm2；分水脊线附近的六安、长丰定远为中值区，平均约21 800 kg/hm2；东南部滁州全椒等地为低值区，平均20 700 kg/hm2。江淮分水岭地区光温生产潜力平均值为21 408.93 kg/hm2，最小值为滁州20 270.46 kg/hm2，最大值为寿县22 047.28 kg/hm2。

图6 江淮分水岭地区一季稻生长季光温生产潜力分布

2.3 气候生产潜力时空变化分析

2.3.1 时间变化趋势 由图7看出，1980—2016年江淮分水岭地区一季稻生育期内的气候生产潜力值在7 000～21 000 kg/hm2，平均值为14 567.56 kg/hm2。年际变化波动较大，最大值出现在1987年，为20 749.56 kg/hm2，最小值出现在2001年，骤减为7 415.05 kg/hm2，相差13 334.51 kg/hm2。查阅江淮分水岭地区降水量资料得知，2001年江淮分水岭地区各站点一季稻发育期降水均量为309 mm，仅为常年的45.8%，因而导致该年气候生产潜力值远低于常年。由线性趋势可知，江淮分水岭地区一季稻生育期平均光合生产潜力随时间变化呈缓慢下降趋势，下降趋势不明显，平均下降幅度为208.92 kg/(hm2·10 a)。

图7 江淮分水岭地区一季稻生长季气候生产潜力年际变化

根据MK突变检验图(图8)所示，江淮分水岭地区气候生产潜力在1992年之前呈上升趋势，但未通过0.05显著水平，上升趋势不显著；1993—2016年，江淮分水岭地区一季稻气候生产潜力则以282.3 kg/(hm2·10 a)的速率下降，下降趋势不显著。

2.3.2 空间变化趋势 由图9看出，江淮分水岭地区一季稻生长季气候生产潜力呈现西南部及东北部高、中部低的特点。西南部六安、肥西和东北部来安等地气候生产潜力较高，其中最高值为六安，该区域一季稻生长季降水量最高，达到15 637.58 kg/hm2，中部合肥、定远、淮南等地气候生产潜力值较低，其中合肥为14 208.71 kg/hm2，为江淮分水岭地区各站点最低值，造成这一结果的原因为合肥地区一季稻发育期内的总降水量及光照总时数均为江淮分水岭地区低值区，这表明降水及光照是合肥地区主要气象限制因子。

图8 江淮分水岭地区一季稻生长季气候生产潜力M-K突变检验

图9 江淮分水岭地区一季稻生长季气候生产潜力分布

2.4 气候资源利用率时空变化分析

2.4.1 时间变化趋势 如图10所示，1980—2016年江淮分水岭地区一季稻生育期内的气候资源利用率在25%～85%，年际变化波动较大，气候资源利用率最高年份出现在2001年，达到了82.4%。1980年达到了27.99%，为江淮分水岭地区气候资源利用率最低值。由线性趋势可知，江淮分水岭地区一季稻生育期平均光合生产潜力随时间变化呈缓慢上升趋势，平均上升幅度为3.1%/(10 a)。这体现了随着农业现代化与农业科技水平的不断进步，江淮分水岭地区不利气候因子对农作物生长发育的限制力越来越低，对于气候资源的利用率越来越高。

根据MK突变检验图(图11)，江淮分水岭地区气候资源利用率呈上升趋势。在1980—1996年，江淮分水岭地区一季稻平均资源利用率为45.20%，气候资源利用率缓慢上升，上升趋势不显著；在1997—2015年平均资源利用率则为52.94%，上升趋势显著。

图10 江淮分水岭地区一季稻生长季气候资源利用率年际变化

图11 江淮分水岭地区一季稻生长季气候资源利用率M-K突变检验

2.4.2 空间变化趋势 如图12所示，江淮分水岭地区一季稻生长季气候资源利用率在空间分布上同气候生产潜力的分布呈现相反的特点，总体上表现为自西向东递增，东南部全椒滁州为高值区，西南部六安、东北部定远明光为低值区。气候资源利用率最高的站点为全椒县，表明其生产潜力开发程度最高，达到了60.85%；最低的站点为六安，由于地形条件及经济发展水平等多种因素，造成六安市气候资源利用率较低，仅为40.22%，说明该地区一季稻有近60%的增产潜力。该地区应该增加农业科技投入，提高耕种技术和管理方法，充分利用其优越自然条件，优化种植结构，以提高其气候资源利用率。

2.5 气象因子对气候生产潜力影响分析

对江淮分水岭地区一季稻气候生产潜力同日均温、日照时数等气象因子进行相关分析及回归分析。江淮分水岭各站点一季稻气候生产潜力同日照时数相关系数见表4。从表中可以得知，降水量、日最高气温和参考作物蒸散是影响江淮分水岭地区气候生产潜力最重要的3个气象因子。其中，江淮分水岭地区13个站点的降水量均与气候生产潜力呈极显著正相关，84.6%的站点日最高气温与气候生产潜力显著负相关，61.5%的站点参考作物蒸散与气候生产潜力显著负相关。对整个江淮分水岭地区平均气候生产潜力与气象因子进行相关分析得出，江淮分水岭地区降水量同气候生产潜力极显著正相关，日照与气候生产潜力显著正相关，而日均温、≥15℃积温及参考作物蒸散量同气候生产潜力呈显著负相关关系，最低气温与气候生产潜力则无显著相关关系。

图12 江淮分水岭地区一季稻生长季气候资源利用率分布

表4 气候生产潜力与气象因子相关分析

气象要素对江淮分水岭地区气候生产潜力的逐步回归方程见表5。由表可知，江淮分水岭地区气候生产潜力的主要贡献气象因子为降水、日最高气温和参考作物蒸散，逐步回归方程的决定系数为0.504，表明江淮分水岭地区降水等气象因子的变化率可以解释整个区域50.4%的气候生产潜力变化率。滁州、定远、淮南、来安、明光、全椒这6个站点气候生产潜力只以降水量为主要贡献因子，这些站点主要分布在降水量较多的江淮分水岭脊线以东地区；肥东县和长丰县以降水量和日最高气温为主要贡献因子；肥西县和凤阳县以降水量和太阳辐射为主要贡献因子；合肥市和寿县以降水量和作物蒸散为主要贡献因子；六安市降水量、太阳辐射、≥15℃积温都是其气候生产潜力主要贡献因子，这表明江淮分水岭地区六安市的光、温、水等气象组合条件皆适宜一季稻的生长发育，该地区一季稻种植具有非常大的增产潜力。

表5 气候生产潜力与气象因子回归分析

3 结 论

本研究主要根据江淮分水岭地区1980—2016年地面观测气象数据，采用逐级订正法计算出各站点光合、光温、气候生产潜力值，并根据实际产量，计算出研究区的气候资源利用率。结果表明，江淮分水岭地区光合生产潜力、光温生产潜力与气候生产潜力总体呈下降趋势，这表明江淮分水岭地区1980年以来光、温、水等气候组合条件越来越不利于一季稻的生长发育；气候资源利用率总体呈现上升趋势，表明随着科学技术水平的发展，气候条件对于江淮分水岭地区一季稻的生长发育限制性影响越来越小。

江淮分水岭地区光合生产潜力与光温生产潜力空间分布相似，江淮分水岭脊线西北侧为高值区，东南侧为低值区；气候生产潜力则呈现西南部及东北部高、中部低的特点，最高值为六安。气候资源利用率总体上则表现为自西向东递增，气候资源利用率最高的站点为全椒县，表明其生产潜力开发程度为研究区最高，最低的站点则为气候生产潜力最高的六安，该地区一季稻有近60%的增产潜力。

降水量、日最高气温和参考作物蒸散是影响江淮分水岭地区气候生产潜力最主要的3个气象因子。江淮分水岭地区降水、气温等气象因子的变化率可以解释研究区域50.4%的气候生产潜力变化率，其中又以降水因子对气候生产潜力变化值的贡献率为最高。六安一季稻生长季降水量为研究区最高，因此其气候生产潜力值为研究区最高，这与闫军辉等人的研究成果一致。

江淮分水岭地区光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力等值的地理分布与现实一季稻产量的实际分布并不一致，这是由于农业实际产量除了受光、温、水等气候条件影响之外，还受到地形、土壤、农业技术水平等众多因素制约[21]。六安市、定远县等地区气候资源利用率明显低于其他地区，表明这些地具有较大的气候资源开发潜力，应该因地制宜，对增产潜力高的地区增加科技投入与投资，最大化提高其气候资源利用率，最大限度发挥农业投资的经济效益。

本研究还存在一些不足之处，比如该区域所选站点有限，且站点分布不均匀，未考虑到地形等因子对气候生产潜力的影响，计算公式中的部分参数还需要根据研究区实际进行本地化调整与修正等。