近40年云南水稻热量资源时空变化特征

2016-04-23徐梦莹胡雪琼钱兆兰

安徽农业科学 2016年6期

关键词：时空变化积温水稻

徐梦莹，朱勇，胡雪琼，钱兆兰，朱斌

(1.云南省气候中心，云南昆明 650034 2.云南省宾川县气象局，云南宾川 671600)

近40年云南水稻热量资源时空变化特征

徐梦莹1，朱勇1，胡雪琼1，钱兆兰2，朱斌1

(1.云南省气候中心，云南昆明 650034 2.云南省宾川县气象局，云南宾川 671600)

摘要[目的]研究近40年云南水稻热量资源时空变化特征。[方法]利用云南省115个气象站1971～2010年气温资料，分析了云南5个区域水稻主要生长季(4～9月)平均气温、全年稳定通过10 ℃、20 ℃的初日、终日、日数和积温、秧苗期低温和夏季低温等的时空变化特征。[结果]近40年云南水稻生长季热量资源有较明显的增加趋势，且具有显著的区域性差异，其中滇西南增温趋势最明显；云南水稻生长季平均气温呈南高北低的分布特征，表现为滇西南>滇东南>滇西北≈滇中>滇东北。各区域稳定通过10 ℃的活动积温为滇西南>滇东南>滇西北>滇中>滇东北，而稳定通过20 ℃的活动积温则滇中略小于滇东北，且各区域气候倾向率空间分布差异较大；云南水稻苗期(4月)低温主要发生在哀牢山以东和以北地区，全省夏季低温发生的站次呈减少趋势，有利于减轻低温对水稻抽穗扬花的威胁。[结论]该研究为气候变化背景下云南水稻种植的合理规划布局提供一定的指导意义。

关键词水稻；热量资源；界限温度；积温；阶段性低温；时空变化

Temporal and Spatial Variations of Rice Heat Resource in Yunnan Province in Recent 40 Years

XU Meng-ying,ZHU Yong,HU Xue-qiong et al

(Yunnan Climate Center,Kunming,Yunnan 650034)

Abstract[Objective] To research the spatial and seasonal variation characteristics of rice heat resources in Yunnan Province in recent 40 years.[Method] Based on the temperature data of 115 weather stations in 1971-2010,we analyzed the temporal and spatial variations of average temperature,the first day,terminal day,number of days stable passed by 10 and 20 ℃,low temperature at seedling period,and low temperature in summer in rice growth period (from April to September) of five regions of Yunnan Province.[Result] Heat resources in rice growth period in Yunnan Province showed relatively significant increasing trend,and obvious regional differences,especially in southwest Yunnan.Average temperature in rice growth season in south was higher than that in north,which were in the order of southwest Yunnan > southeast Yunnan > northwest Yunnan ≈ middle Yunnan > northeast Yunnan.The order of active accumulated temperature passed by 10 ℃ in different regions was southwest Yunnan>southeast Yunnan>northwest Yunnan>middle Yunnan> northeast Yunnan.However,as for the active accumulated temperature passed by 20 ℃,middle Yunnan was smaller than northeast Yunnan.Spatial distribution of the climatic trend rates has relatively great differences in different regions.Low temperature in rice seedling stage mainly occurred in east and north areas.Stations of summer low temperature in Yunnan showed a decreasing tendency,which reduced the threats of low temperature to rice heading and flowering.[Conclusion] This research provides certain guiding significance for the rational planning and distribution of rice planting in Yunnan Province under the background of climate change.

Key wordsRice; Heat resource; Limited temperature; Accumulated temperature; Periodical low temperature; Spatial and seasonal variation

云南是我国重要的高原稻作区，由于其地理条件复杂，海拔高差各异，立体式气候特征明显。水稻的分布随海拔高度的变化较随纬度的变化明显，根据海拔高度的不同，可将全省稻区分为3个区域，即海拔1 450 m以下为籼稻区，1 450～1 600 m为籼稻、粳稻混作区，海拔1 600 m以上为粳稻区[1]。随着全球变暖的加剧[2]，不同地区均出现了不同程度的增暖，云南在过去50年也出现了明显的气温变暖过程[3]。气候的变化可引起气候带分布格局发生改变，气候带界限也不断向高纬度和高海拔地区移动。在过去50 年云南省气候带分布也发生了巨大变化，总体上呈现热带亚热带范围扩大、温带范围减少的变化趋势[4]。气候带的变化必然引起水稻生产的气候资源也同时发生变化，尤其是对于较高海拔和较高纬度地区，水稻气候资源的变化也会影响到水稻生产的格局。

热量资源是划分自然区域和自然带的重要依据，进行农业气候资源分析时，常用稳定通过一定界限日平均气温(如0、5和10 ℃)的积温、初终日期和持续日数以及无霜期等指标衡量热量资源的多寡和可利用程度。陈宏伟等[5]分析云南热区≥10 ℃和≥18 ℃年积温和日数的变化指出，云南热区不同区域≥10 ℃积温及其日数、≥18 ℃积温等热量指标均有明显的空间差异。谭学林等[6]考虑云南的气候特点及光温敏不育系的光温反应特性，研究发现在云南进行光温敏不育系的选育和利用具有十分有利的气候条件。尽管我国学者对云南水稻热量资源开展了不少研究[5-8]，但由于云南地理环境复杂，受地理纬度、海拔和地形特征的影响，热量资源时空间差异甚大。笔者利用1971～2010年云南省115个地面气象观测站气象数据，采用统计分析方法，阐述40年来云南水稻生产的热量资源时空变化特征，同时分析了阶段性低温的分布和变化规律，旨在为气候变化背景下云南水稻种植的合理规划布局提供一定的科学依据。

1资料与方法

1.1研究区概况云南省位于我国西南边陲(21°08′～ 29°15′N、97°31′～ 106°11′E)，全省总体地势西北高东南低，地形地貌复杂，东部为地势波浪起伏的高原，南部为中低山间盆地，西部为横断山脉谷区，南部边境地区地势逐渐和缓开阔。气候类型丰富多样，有北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、南温带、中温带、北温带7个气候区[9]，兼具低纬、高原、季风气候特点，立体气候明显。

1.2数据来源所用数据来自云南省气象局提供的1971～2010年124个地面气象台站(图1)的逐日气象资料，包括平均气温、最高气温、最低气温。云南各区域划分如下：滇东北包括昭通市和曲靖市，滇东南包括文山州和红河州，滇中包括昆明市、玉溪市和楚雄州，滇西南包括临沧市、普洱市和西双版纳州，滇西北包括迪庆州、丽江市、怒江州、大理州、保山市和德宏州。根据云南水稻种植制度，一般500 m以下多为双季稻，2 400 m以上基本不适宜水稻种植，因此，海拔高度低于500 m或高于2 400 m的站点不进行统计。另外，部分站点如元阳、西盟分别于1997和1999年迁站后气候要素发生显著变化，资料的连续性被破坏，这些站点不进行统计。而一些站点如云龙在1976年迁站后气候要素也发生突变，统计时删除迁站前5年的数据。所以该研究最终选用115个气象站1971～2010年气温资料。

图1　云南省气象台站及其海拔分布Fig.1　Meteorological stations in Yunnan Province and their altitude distribution

1.3研究方法

1.3.1稳定通过界限温度起止日期的确定。该研究定义稳定通过10 ℃的初日为露天育秧的界限温度，20 ℃的初日为水稻进入快速生长的临界温度，20 ℃的终日为安全抽穗扬花的临界温度，10 ℃初日至10 ℃终日积温为水稻生长界限积温，10 ℃初日至20 ℃终日为水稻能安全抽穗的生长时间界限，20 ℃初日至20 ℃终日积温为水稻快速生长的界限积温。各初日、终日以日序表示。

1.3.2气候倾向率。用xi表示样本量为n的某一气候变量，用t表示xi所对应的时间，建立xi与t之间的一元线性回归方程xi=a+bt(i=1，2，…，n)，式中，a为回归常数，b为回归系数，a和b可以用最小二乘法进行估计。b×10为气候要素的气候倾向率。气候要素变化趋势在95%和99%的信度水平用Student的t-test检验。

1.3.3水稻阶段性低温发生频率统计。云南水稻阶段性低温主要有育苗期低温(4月)和夏季低温(7、8月)[10]。露地育秧粳稻受害的临界温度为10 ℃，籼稻为12 ℃[11]，以海拔高度1 500 m为粳稻和籼稻种植的分界线，当某站点某年4月日平均气温出现1 d或1 d以上低于临界温度时，确定该站点该年出现水稻育秧期低温。夏季低温定义为7月21日～8月31日期间若出现日均温连续3 d及以上小于等于临界受害指标温度Ti[12]。其中，Ti=26.4-0.004 84Hi，式中，Hi为某地海拔高度。若Ti>20.0 ℃或Ti<14.8 ℃则不能作为临界受害指标温度。用该指标计算的临界受害温度与农业指标非常接近，可以作为评定水稻是否受到夏季低温影响的指标。

1.4数据处理根据上述方法计算115个气象台站各农业气象要素的统计量后，结果采用ArcGIS 9.3软件表达。趋势率显著性检验在SPSS19.0数据处理系统中进行，采用曲线回归估计模块里面的线性模型进行趋势拟合。

2结果与分析

2.1水稻生长季平均气温变化特征1971～2010年水稻生长季(4～9月)全省平均气温20.4 ℃，呈南高北低的分布特征，表现为滇西南>滇东南>滇西北≈滇中>滇东北。由图2和表1可见，全省平均气温呈极显著的增温趋势，平均增速为0.18 ℃/10a，5个区域中以滇西南增温趋势最明显，达0.23 ℃/10a，其余4个区域为0.16～0.18 ℃/10a；1971～2010年全省各站点水稻生长季平均气温气候倾向率为-0.13～0.46 ℃/10a，仅7个站点气候倾向率为负值，主要在滇中北部和滇东北北部金沙江河谷流域；增温明显的站点(>0.20 ℃/10a)多集中在滇中东部，共15站点，而滇东北地区有5个站点，滇东南有7个站点，滇西南有10个站点，滇西北有6个站点。

图2　1971～2010年水稻生长季(4～9月)平均气温气候倾向率Fig.2　Trend rates of average climate and temperature of rice growth season (April-September) from 1971 to 2010

2.2主要界限温度初、终日和持续日数变化特征

2.2.1稳定通过10 ℃初、终日变化特征。1971～2010年全省稳定通过10 ℃初日平均值为第49天，但各区域差别较大，滇西南为第12天，滇东南、滇中和滇西北为第49～55天，而滇东北为第81天(表1)。近40年全省及各区域稳定通过10 ℃初日呈提前趋势，但变化趋势不显著，以滇西北和滇东北的变化趋势较为明显；全省各站点稳定通过10 ℃初日的气候倾向率为-6.2～5.1 d/10a，60.9%的站点有提前趋势，其中27.8%的站点提前幅度为>2.1 d/10a。具有推后趋势的站点主要分布在滇中、滇西北、滇东北和滇东南地区，其中，仅13个站点的气候倾向率>2.1 d/10a(图3a)。

近40年全省及各区域稳定通过10 ℃终日差别不大，为第321～358天，且均具有推后趋势，滇西北变化趋势最小，仅0.9 d/10a，滇东北趋势率最大，为6.2 d/10a，其余地区趋势率2.2～2.8 d/10a，仅滇西南推后趋势显著(表1)；1971～2010年全省各站点稳定通过10 ℃终日气候倾向率为-2.1～5.4 d/10a，77.4%的站点有推后趋势，其中30.4%的站点趋势率>2.0 d/10a，呈提前趋势的站点主要分布在滇西北、滇中、滇东南和滇东北地区(图3b)。

表1　1971～2010年云南省水稻生长季热量指标变化特征

注：*表示变化趋势显著(P<0.05)，**表示变化趋势极显著(P<0.01)。

Note: * indicated significant variation tendency (P<0.05); and ** indicated extremely significant variation tendency (P<0.01).

2.2.2稳定通过20 ℃初、终日变化特征。1971～2010年全省及各区域稳定通过20 ℃初日平均值为第126～158天，除滇中和滇西北地区略有推后趋势外，全省平均及其他各区域均呈提前趋势，以滇西南和滇东南的趋势率最大，分别为-2.5和-1.3 d/10a，但各区域变化不显著(表1)。全省57.4%的站点稳定通过20 ℃初日呈提前趋势，其中30.4%的站点趋势率<-2.1 d/10a，主要分布在中部及以南地区；呈推后趋势的站点主要分布在中部及以北地区，其中18.3%的站点趋势率>2.0 d/10a(图4a)。

全省及各区域稳定通过20 ℃终日为第214～268天，呈推后趋势；滇东北和滇西北的趋势率最小，分别为1.6和1.8 d/10a，全省和其他区域趋势率为2.4～3.5 d/10a，以滇西南和滇东南变化最大，分别为3.5和3.1 d/10a，仅滇东南和全省变化显著(表1)。全省各站点稳定通过20 ℃终日趋势率为-6.6～15.0 d/10a，呈提前趋势的站点占27.8%，主要分布在滇西南西部、滇西北、滇中和滇东北地区；23.5%的站点趋势率>5.0 d/10a，主要分布在滇中东南部及其邻近地区，以及滇西南和滇西北的局部地区(图4b)。

2.2.3界限温度持续日数变化特征。

图3　1971～2010年云南省稳定通过10 ℃初日(a)和终日(b)气候倾向率变化(单位：d/10a)Fig.3　Variation of climate trend rate of first day (a) and terminal day (b) passed by 10 ℃ in Yunnan Province from 1971 to 2010

图4　1971～2010年云南省稳定通过20 ℃初日(a)和终日(b)气候倾向率变化(单位：d/10a)Fig.4　Variation of climate trend rate of first day (a) and terminal day (b) passed by 20 ℃ in Yunnan Province from 1971 to 2010

2.2.3.1稳定通过10 ℃持续日数。由表1和图5a可见，1971～2010年全省稳定通过10 ℃持续日数平均为284.5 d，以2.0 d/10a的速率增加。各区域中以滇西南持续日数最长(347.7 d)，而滇东北地区持续日数最短(228.2 d)，其余3个区域为271.6～290.1 d，与全省平均值相差不大。各区域持续日数也呈增加趋势，滇西南增加趋势显著，增幅为4.1 d/10a，其次为滇东南(2.8 d/10a),其他3个区域以滇东北增加趋势最弱，滇中和滇西北增加趋势略强。全省77.4%的站点稳定通过10 ℃持续日数呈增加趋势，其中15.7%的站点趋势率达5.0 d/10a以上，仅26站点呈减少趋势，主要分布在滇西北、滇中中北部及滇东北等地区。2.2.3.2稳定通过20 ℃持续日数。全省稳定通过20 ℃持续日数平均为86.6 d，以2.9 d/10a的速率显著增加。滇西南和滇东南持续日数较其他3个区域长，分别为142.3和99.6 d，滇西北次之，而滇中和滇东北最低，均为58.9 d。滇西南的增速最大，达6.0 d/10a，其次为滇东南和滇中，增速分别为4.8和2.4 d/10a，滇东北和滇西北增速最低，变化不显著(表1)。全省大部分站点稳定通过20 ℃持续日数呈增加趋势，滇东北北部、滇中西部、滇西北东北部和南部以及滇西南西部的部分站点略有减少趋势。26.1%的站点趋势率达5.0 d/10a以上，主要分布在滇西南、滇东南和滇中东南部等地区(图5b)。

2.2.3.310 ℃初日～20 ℃终日持续日数。10 ℃初日～20 ℃终日持续日数与稳定通过10 ℃持续日数在各区域之间的差异相似，较10 ℃持续日数少92.0～106.9 d。全省平均及各区域持续日数呈增加趋势，增速为2.1～5.4 d/10a，变化不显著(表1)。各站点10 ℃初日～20 ℃终日持续日数趋势率为-9.1～17.3 d/10a，呈减少趋势的站点有29个，主要分布在滇东北北部、滇中、滇西北和滇西南西部，其余多数站点呈较弱的增加趋势，趋势率为0.1～5.0 d/10a(图5c)。

2.3主要界限温度积温变化特征从表1可看出，全省稳定通过10和20 ℃活动积温平均值分别为5 293.1和1 931.4 ℃·d，分别以55.36和69.79 (℃·d)/10a的速率显著增加。各区域稳定通过10 ℃活动积温高低依次为滇西南>滇东南>滇西北>滇中>滇东北，而稳定通过20 ℃活动积温则滇中略小于滇东北。滇西南和滇东南稳定通过10 ℃活动积温分别以124.84和71.75 (℃·d)/10a的速率显著增加，其他3个区域的增加速率较低，为34.07～45.18(℃·d)/10a。滇西南和滇东南稳定通过20 ℃活动积温增速更大，分别为154.83和115.94 (℃·d)/10a，变化极显著，滇中地区增加趋势也显著，增速较稳定通过10 ℃活动积温大，滇东北和滇西北变化趋势较稳定通过10 ℃活动积温小，变化不显著。

图5　1971～2010年云南省≥10 ℃(a)、≥20 ℃(b)和10 ℃初日～20 ℃终日(c)持续日数气候倾向率变化(单位：d/10a)Fig.5　Variation of climate trend rate of the number of days passed by≥10 ℃ (a),≥20 ℃ (b) and from 10 ℃ first day to 20 ℃ terminal day (c) in Yunnan Province from 1971 to 2010

图6　1971～2010年云南省稳定通过10 ℃(a)和20 ℃(b)活动积温的气候倾向率变化[单位：(℃·d)/10a]Fig.6　Variation and distribution of 10 ℃ (a) and 20 ℃ (b) active accumulated temperature in Yunnan Province from 1971 to 2010

由图6可见，全省各站点稳定通过10 ℃活动积温气候倾向率为-118.1～279.1(℃·d)/10a，活动积温呈减少趋势的站点主要分布在滇西北、滇中北部和滇东北地区；滇中北部的金沙江河谷区是积温减少的中心区域，其中华坪、永仁、元谋和巧家4个站点气候倾向率<-50.0(℃·d)/10a；滇西南是积温增加的主要区域，仅1个站点趋势率低于50.0 (℃·d)/10a，滇东南和滇中南部多数站点趋势率也在50.0 (℃·d)/10a以上。全省各站点稳定通过20 ℃活动积温气候倾向率为-107.3～463.3(℃·d)/10a，活动积温呈减少趋势的站点主要分布在滇西北、滇中西部、滇西南和滇东北地区；滇西北北部—滇中北部—滇东北北部一线是积温减少趋势最明显的区域，9个站点的趋势率<-50.0 (℃·d)/10a；滇中南部和东部以及滇东南地区大部分站点趋势率在50.0 (℃·d)/10a以上，滇西南也有半数站点趋势率在200.0 (℃·d)/10a以上。2.4水稻生长季阶段性低温发生特征

2.4.1苗期低温。由图7a可见，水稻秧苗期(4月)低温发生频率大致以哀牢山为界，哀牢山以西的德宏、保山、临沧、普洱和西双版纳大部分站点没有低温发生，仅保山、普洱和西双版纳的部分站点出现10年1遇至50年1遇的低温；哀牢山以东和以北地区低温发生频率的分布以中部较低，西部和东部较高；滇中西部和南部、滇东南以及滇西北的大理大部分站点低温发生频率均在30%以下，而滇西北大理北部以北以及滇东北、滇中昆明东部低温发生频率在32.5%以上，高海拔地区甚至在90%以上。从全省发生的站次年际变化(图8a)来看，低温发生站次变化不明显，发生范围最广的为1991年，1972、1974、1982、1996、1997、2004、2007年也是发生范围较广的年份。

图7　1971～2010年云南省各站点4月低温(a)和夏季低温(b)发生频率分布(单位：%)Fig.7　Distribution of occurrence frequency of low temperature in April (a) and summer(b) in Yunnan Province from 1971 to 2010

图8　1971～2010年云南省4月低温(a)和夏季低温(b)发生站次变化Fig.8　Variation of station number of low temperature in April (a) and summer(b) in Yunnan Province from 1971 to 2010

2.4.2夏季低温。由图7b可见，滇西南地区仅4个站点出现2.5%～20.0%概率的夏季低温，其余站点没有夏季低温发生；滇中地区夏季低温发生频率多在12.5%～20.0%，滇西北地区除德宏、怒江和丽江的低海拔站点没有夏季低温出现外，其余站点均有不同频率的夏季低温出现；滇东南地区有一半的站点夏季低温的发生频率为12.5%～40.0%，仅有9个站点没有夏季低温出现；滇东北地区除北部5个低海拔的站点没有夏季低温出现外，8个站点的发生频率为42.5%～75.0%，另3个站点也为22.5%～40.0%。全省夏季低温发生的站次呈减少趋势，尤其是进入20世纪90年代以来，仅2002年发生站点较高，达53站次，其余年份在30站次以下；1971、1972、1974、1983和1989年发生站次均较高，为48～71站次(图8b)。3结论与讨论

(1)在全球变暖背景下，近40年云南水稻生长季热量资源有较明显的增加趋势，具体表现为水稻生长季平均气温、全省稳定通过10和20 ℃的日数和活动积温均有不同程度的升高或增多，其中滇西南增温趋势最明显。

(2)云南省水稻热量资源具有显著的区域性差异，水稻生长季(4～9月)全省平均气温20.4 ℃，呈南高北低的分布特征，表现为滇西南>滇东南>滇西北≈滇中>滇东北。全省稳定通过10和20 ℃活动积温平均值分别为5 293.1和1 931.4 ℃·d，分别以55.36和69.79 (℃·d)/10a的速率显著增加。各区域稳定通过10 ℃活动积温高低依次为滇西南>滇东南>滇西北>滇中>滇东北，而稳定通过20 ℃活动积温则滇中略小于滇东北，且各区域气候倾向率空间分布差异较大。

(3)云南水稻生长季苗期(4月)低温主要发生在哀牢山以东和以北地区，其分布以中部较低，西部和东部较高，高海波地区发生概率在90%以上。全省夏季低温发生的站次呈减少趋势，有利于减轻水稻抽穗扬花期受冷害的影响。

(4)加强水稻耐热育种研究，将耐热性与高产、优质、抗病虫害等水稻育种目标并重，选育出一批适应气候变化的水

稻新品种，增强农业适应气候变化的能力，促进农业可持续发展。

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中图分类号S 162.3;S 162.5+3

文献标识码A