史艳姝 李军 谈建国 吴蔚 辛跳儿 周宇

1 上海市气候中心，上海 200030

2 中国气象局上海城市气候变化应对重点开放实验室，上海 200030

1 引言

在全球气候变化背景下，自20世纪以来，突发性持续降水事件发生频率逐年升高（IPCC,2014），并有加剧的趋势，农业生产脆弱性增加，上海地属亚热带地区，降水丰沛，是持续性降水多发区（贺芳芳和赵兵科,2009;史艳姝等,2020）。近年来，上海地区粮食总产量稳定在90万吨以上，单季晚稻作为上海最主要的粮食作物之一，在粮食生产中占有非常重要的地位。就上海地区单季晚稻生育期降水变化而言，过分集中的降水，会给单季晚稻发育带来不利的影响。史艳姝等（2019）的分析表明，上海地区1961～2015年近55年上海地区单季晚稻生长季年降水量随时间呈增加趋势，大雨和暴雨量的增加以及大雨和暴雨降水日数的增加造成单季晚稻需水分配合理利用的负担，生产面临的风险加大。

国内外很多研究学者在降水因子与水稻产量的关系方面做了许多研究，孔维财和尤明双（2021）研究发现，影响长江中下游水稻产量最主要的因子为降水；李茂芬等（2018）研究表明，10月上旬降水量、平均相对湿度为影响海口晚稻产量的主要限制因子；顾品强等（2009）研究表明，上海地区单季晚稻幼穗分化期遇水分不足会对产量产生不利的影响，可能与此时降水强度呈现增强的变化趋势有关，导致水分利用率偏低。这些研究都为分析单季晚稻产量与降水因子的关系提供了借鉴，在以往的研究中，多以简单的年、月、旬、季等平均降水量来分析降水时空分布特征，不能很好地反应降水量的时空分布特征非均匀分布特征，因此，本研究从上海市主要粮食作物——单季晚稻为切入点，着重分析单季晚稻生长季降水非均匀分布特征，各生育期需水分配情况及降水与产量之间的关系，明确上海单季晚稻生长期降水对关键生育期的影响程度，对着重关注单季晚稻生育期降水效应明确了新的方向。

基于气象因子对单季晚稻产量预测方法较多，本研究从降水因子角度，建立了降水影响下适用于上海的产量模拟模型，对2020～2045年上海地区单季晚稻气象产量正负效应进行预估。以此来丰富粮食产量评价和预报方法，稳定预报准确率，以期为单季晚稻生产过程中合理利用农业气候资源、农业气象防灾减灾和气候变化研究提供一定的技术依据。

2 资料与方法

2.1 数据资料

1971～2015年上海地区单季晚稻实际产量资料来源于上海市统计局。逐日降水资料来源于上海市气象信息与技术支持中心，以1971～2015年10个郊区气象站（闵行、宝山、嘉定、浦东、金山、松江、青浦、浦东惠南、奉贤和崇明）的平均降水量作为郊区降水量，上海地区单季晚稻生长季常年为6月11日至10月31日。

未来气候变化预估数据资料来源于采用CDF-T方法（Michelangeli et al.,2009）对8个适用于华东区域的CMIP5全球气候模式情景数据进行误差订正后（吴蔚等,2018），得到的2020～2045年年降水量数据。

上海地区单季晚稻关键生育期主要选取近年来降水对产量影响的主要时段，每年生育期波动存在年度差异，通过整理关键生育期记载资料，选取生育期普遍时期。所以本文选取单季晚稻生长季为6月中旬至10月下旬，分蘖期为6月21日至7月20日，孕穗期为8月1~31日，抽穗期为9月6~15日，成熟期为9月21日至10月20日。

2.2 研究方法

2.2.1 降水量集中度和集中期计算

采用Zhang and Qian（2003）定义的降水集中度（Precipitation Concentration Degree,PCD）和集中期（Precipitation Concentration Period,PCP），对单季晚稻生长季降水量分配特征进行分析。

其中，Rxi和Ryi分别为某站单季晚稻生长季内降水量在相互垂直的x轴和y轴上的分量；i代表年份（i=1971,1972,...,2015）；j代表日 序（j=1,2,...,143，即从6月11日至10月31日的序号，n=143）；rij为某日降水量；θj为各日对应的方位角（即143天看作一个圆周，方位角为360°）；PCD 和PCP分别为研究时段内降水量集中度和集中期。PCD可反映单季晚稻生长季内降水量的集中程度，取值范围在0.0～1.0，越小表示降水量越均匀；越大表示降水越集中。PCP为向量合成后重心指示的角度，反应单季晚稻生长季内日降水量最大出现时段。该方法排除单季晚稻生长季内日对应方位角0°和360°的降水集中情况。

2.2.2 气象产量提取

一般把作物的实际产量y分解为趋势产量yt、气象产量yw和随机误差因素造成的产量Δy（杨继武,1994），即

趋势产量主要是反映生产力发展水平的长周期产量分量，气象产量主要是受以气象要素为主的短周期变化因子影响的产量分量。由于Δy是一些偶然因素影响造成的产量随机变化，在作物产量中占的比例较小，一般在计算中可不考虑。

本研究采用二次多项式拟合得到上海地区1971～2015年单季晚稻趋势产量模型：

其中，Yt是本次研究的1971~2015年的趋势产量，i是年份序列（取值范围为1～45；1代表1971年，2 代表1972年，…，45代表2015年）。

表1 1971～2015年上海地区单季晚稻生长期降水量Table 1 Statistics of annual precipitation during the key growth period of single cropping late rice in Shanghai from 1971 to 2015

3 结果与分析

3.1 单季晚稻生长期的降水集中度和集中期

PCD和PCP能够较好地反应生长季内降水量的时空分布非均匀特征，PCD越大表示当年降水量越集中，越小表示当年降水量越均匀；PCP超过均值表示最大降水出现得较晚，低于均值表示最大降水提前。由图1可知，近45年单季晚稻生长季降水PCD趋势不显著，PCD均值为0.295，变化范围为0.119～0.537，其中有21年的PCD超过了均值，占0.467；1987～1990年和1995～1997年连续3年以上PCD超过均值，这些年份降水连续趋于集中；有5年PCD超过0.45，这些峰值年的PCD均值高达0.47，气象产量负效应大于正效应；有16年PCD介于0.295～0.4之间，气象产量正效应大于负效应；有17年PCD低于0.295，说明这17年降水较均匀，气象产量负效应大于正效应。近45a单季晚稻生长季的PCP主要集中在7月27日至9月11日，此阶段为单季晚稻生长孕穗期和抽穗期，均值在8月20日，最早与最迟相差47 d，当PCP高于45 a均值，则说明该年降水PCP出现的较晚，当PCP低于45 a均值，则说明该年PCP提前。

图1 1971～2015年上海地区单季晚稻生长季（a）降水集中度（PCD）和（b）降水集中期（PCP）年际变化Fig. 1 Interannual variations of (a) Precipitation Concentration Degree (PCD) and (b) Precipitation Concentration Period (PCP) in the crop growing season of the single cropping late rice in Shanghai from 1971 to 2015

3.2 单季晚稻生长期降水量与气象产量的关系

通过分析上海地区1971～2015年单季晚稻气象产量与降水量的关系（图2），得出在孕穗期和抽穗期，气象产量随着降水量的增加而下降。其中孕穗期降水量与单季晚稻气象产量的负相关达到显著水平（p=0.04），表明孕穗期降水量越多，减产越多。在单季晚稻全生育期、分蘖期、抽穗期和成熟期间，其降水量多少与气象产量间的相关性不显著，说明此时降水不是单季晚稻产量的主要制约因子。

图2 1971～2015年上海地区单季晚稻（a）分蘖期、（b）孕穗期、（c）抽穗期、（d）成熟期、（e）全生育期降水量与气象产量的关系Fig. 2 Relationships between the meteorological yield and annual precipitation during (a) tillering stage,(b) booting stage,(c) heading stage,(d)maturity stage,and (e) whole growth period of single cropping late rice in Shanghai from 1971 to 2015

3.3 单季晚稻生长期降水资源变化特征

上海单季晚稻生长关键期恰逢雨季，降水量直接影响单季晚稻的产量。通过分析上海地区单季晚稻各生育期1971～2015年的降水趋势（表1）可见，近45年来单季晚稻各生育期内降水变化相对平稳，分蘖期、孕穗期和成熟期降水量呈增加的趋势，增加趋势分别为1.1 mm/10 a、2.0 mm/10 a和0.3 mm/10 a，其中孕穗期降水量呈显著增加趋势，趋势相关系数为0.312；抽穗期降水量呈减少趋势。

在单季晚稻全生育期，1971～2015年，上海地区年际降水量变化范围是306.3～990.0 mm，年际差异大，45 a的平均值为609.7 mm；在单季晚稻各生育期，1971～2015年，分蘖期、孕穗期、抽穗期和成熟期的年际降水量变化范围分别为47.5～429.5 mm、31.8～390.8 mm、4.9～161.8 mm、10.7～250.5 mm，年际差异均较大，45 a平均值分别为182.0 mm、160.7 mm、43.3 mm、65.7 mm。从全生育期降水量的各生育期分配来分析，分蘖期降水量占全生育期总量的29.9%；孕穗期占26.2%；抽穗期占7.1%；成熟期占10.8%。由此可见，分蘖期和孕穗期降水占全生育期的1/2以上。这主要是由于孕穗期前正处上海夏季多雨水阶段，降水充沛，抽穗期后已过夏季主要降水时段，降水日渐减少。

3.4 未来气候变化情景下单季晚稻气象产量正负效应预估

3.4.1 单季晚稻气象产量预估模型的建立

水稻稳产增产以及水稻产量预估对我国农业政策调整和保障我国粮食安全问题具有重要意义。利用1971～1995年气象产量与降水量数据建立上海地区单季晚稻气象产量模拟模型：

其中x是降水量，1996～2015年数据作为测试集用于检验模型预测效果。从图3可看出，单季晚稻模拟效果较好，引入准确率检验回归模型准确性（李涵茂等,2015），准确率=（1－|模拟产量－实际产量|/实际产量）×100%。模型检验结果得出，预测准确率范围92.9%～100.0%，平均预测准确率97.0%，模型模拟效果可信度高。

图3 1971～2015年上海地区单季晚稻模拟产量与实际产量的对比Fig. 3 Comparison of the simulated yield and the actual yield of single cropping late rice in Shanghai from 1971 to 2015

3.4.2 未来气候变化情景下单季晚稻气象产量正负效应预估

近45年，随着单季晚稻全生育期降水量的增加气象产量呈下降趋势。基于建立的气象产量预估模型，利用CMIP5全球气候模式情景下预估的上海地区2020～2045年单季晚稻全生育期降水量资料，驱动上海地区单季晚稻气象产量预估模型，得到2020～2045年上海地区单季晚稻气象产量。从图4可看出，上海地区未来30年降水变化对单季晚稻产量的负效应略大于正效应，即减产作用大于增产作用。在近30年内，约有14年左右为减产年，占全部研究年份的53.8%左右。上海地区单季晚稻在CMIP5全球气候模式情景下减产年平均值为177.65 kg hm−2，增产年平均值为148.75 kg hm−2，减产年的减产幅度略大于增产年的增产幅度。

图4 上海地区在CMIP5全球气候模式情景下的单季晚稻气象产量Fig. 4 Meteorological yield of single cropping late rice in Shanghai using CMIP5 Global Climate Model

4 结论与讨论

根据1971～2015年单季晚稻全生育期降水非均匀分布特征的分析得出，上海地区单季晚稻生长季PCD变化趋势不显著，降水分布不均匀，1982～1990年和1995～1997年连续3年以上连续年份的降水趋于集中。当PCD处于峰值和谷值时，即PCD超过0.45和低于0.295时，气象产量负效应大于正效应；当PCD介于0.295～0.45之间，气象产量正效应大于负效应。单季晚稻生长季PCP主要集中在7月27日至9月11日，即孕穗期和抽穗期。通过对关键生育期降水量与单季晚稻气象产量的影响得出，降水影响上海单季晚稻气象产量的主要关键生育期是孕穗期和抽穗期。这与许多研究学者研究结果相似，如顾品强等（2009）研究发现，孕穗期降水过多导致上海地区单季晚稻不利颖壳容积增大，影响产量；孔维财和尤明双（2021）研究得出，降水是影响南京单季晚稻产量拔节—抽穗扬花期的的主要气象因子之一；吴红庭（1999）研究表明，孕穗期是早稻一生中对外界环境最敏感的时期，此时受淹会引起部分稻穗死亡以及无效穗的增加，且会产生大量的高位分蘖和分枝。近45年分蘖期、孕穗期和成熟期降水逐年呈增加趋势，其中孕穗期降水量增加趋势显著，抽穗期降水量呈减少趋势。通过对单季晚稻全生育期降水总量的各主要生育期分配进行分析得出，分蘖期的降水量占全生育期总量的29.9%，孕穗期占26.2%，抽穗期占7.1%，成熟期占10.8%，分蘖期和孕穗期降水占全生育期的1/2以上。上海地区未来近30年内降水变化对单季晚稻气象产量的负效应略大于正效应，减产年的减产幅度略大于增产年的增产幅度。利用1971～1995年气象产量与降水量数据建立的上海地区单季晚稻气象产量模拟模型，以实际产量对模拟模型进行检验，预测准确率范围92.9%～100.0%，平均预测准确率97.0%，结果表明，该模型适用于上海地区降水对单季晚稻气象产量的预测工作中。

光合作用是决定水稻生长发育和物质积累的重要因素。7～8月是上海地区的集中降雨时期，雨水导致田间涝渍和光照不足，均会使得水稻叶片光合能力下降，导致水稻结实率、千粒质量和籽粒产量降低（江晓东等,2019）。孕穗期降水过多，对幼穗分化十分不利，颖花退化，群体光合产物积累少，不利颖壳容积增大，影响大穗的形成（顾品强等,2009）。抽穗期遇降水过多会影响单季晚稻开花、受精和结实，主要表现在花药破裂，颖花退化增多及影响水稻的正常授粉，特别是单季晚稻扬花期间降水集中，不利于开颖受精，影响水稻的结实率。

本研究的预测模型只考虑降水因子对上海地区单季晚稻产量的影响，分析方法为经验统计模型，未考虑各气象因子之间相互的影响和叶片光合情况，与实际水稻生长的复杂性相比较为简单，对此需要进一步深入研究气象因子相互作用对单季晚稻产量的影响。