江蘇省冬小麥生產潛力氣候變化趨勢評估

商兆堂，張旭暉，商 舜，吳 靜

(1.江蘇省氣象局，江蘇南京 210009； 2.國家海洋環境預報中心，北京 100081； 3.上海海洋大學，上海 201300)

“國以民為本，民以食為天”。1976年聯合國糧食及農業組織(food and agriculture organization，簡稱FAO)在第一次世界糧食首腦會議上首次提出“食物安全”的概念，糧食安全問題成為世界熱點話題。我國是世界人口大國，隨著人們生活水平的提高，對保障糧食安全提出了更高的要求。因此，Yang等學者認為，全世界都關注我國糧食安全問題[1-3]。宋小青等研究認為，農民種糧積極性是影響糧食安全的關鍵因素[4]。在CCICCD(China National Committee for the Implementation of the United Nations Convention to Combat Desertification)中Bronw研究認為，在國家政策和土地數量一定的前提下，充分挖掘生產潛力是提高糧食產量的可行辦法[5]。因此，在現有政策和技術水平下，如何充分利用農業生產潛能，提高糧食產量和品質成為人們關注的熱點。聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC)評估報告(第1～5次)讓人們認識到近50年氣候有增暖現象，氣候變化對糧食安全構成危害[6-11]。因此，研究氣候變化對糧食安全的影響成為人們研究應對氣候變化的重點領域之一。糧食作物中小麥、水稻、玉米的產量占糧食總產量的50%以上，2015年全世界小麥產量達到7.18×108t，且80%以上可以食用。因此，研究氣候變化對小麥生產的影響成為研究糧食安全的重要內容之一。呂佳佳等研究認為，隨著氣候變化，小麥生產的脆弱性增加[12-19]。如何應對氣候變化引起的冬小麥生產脆弱性增加問題，許多學者也作了探索，如孫芳等研究認為，可以通過改良品種、合理栽培等技術措施來抑制冬小麥生產隨氣候變化脆弱性增加的趨勢[20]。還有不少學者從氣象防災減災的角度提出應對措施，如周曙東等提出通過人工措施改變冬小麥的生長環境來減輕氣候變化對冬小麥生產的影響[21]。因此，科學利用當地的氣候資源潛力，合理安排冬小麥生產，是減輕冬小麥生產隨氣候變化脆弱性增加，實現高產穩產的有效措施之一。

隨著精細化數值預報產品和農業栽培精細化技術的發展，作物生產潛力評估與作物生產發育微環境對其影響的監測評估有機結合，為農業生產和管理者提供綜合性監測、預報預測、評估、生產對策建議等的農用天氣預報服務成為農業氣象服務業務的發展趨勢[22]。據此，以江蘇省域內國家基本氣象觀測站觀測的資料為基礎，對江蘇冬小麥生產潛力的氣候變化趨勢進行分析，以期為科學應對氣候變化，實現冬小麥的穩定生產提供參考信息。

1 材料與方法

1.1 基本資料

以光溫生產模型為基礎進行冬小麥生產潛力計算，日照和溫度資料來自江蘇省域內具有代表性的39個站點觀測的氣象記錄月報表。輻射資料為淮安、呂泗、南京等3個站點的實測資料，其他站點數據由淮安、呂泗、南京、濟寧、莒縣、合肥、上海、杭州、寶山、慈溪等10個觀測輻射站點的觀測資料通過數值模擬獲取。具體資料由江蘇省氣象信息中心提供。

冬小麥生育期資料來源于江蘇省域內的10個氣象物候觀測站的作物觀測年報表。具體資料由江蘇省氣象信息中心提供。

1.2 資料處理

目前，氣象部門的氣象服務業務體系中，作物生長發育方面的農業氣候資源評估是以旬為單位的，因此，生育期資料統計以旬為單位，分別為上旬、中旬、下旬。據中國氣象局的《農業氣象觀測規范(上卷)》[23](1993年)，將冬小麥劃分成12個生育期，根據江蘇省10個氣象物候觀測站1980—2011年觀測資料統計得出小麥各生育期時段劃分的時間，具體見表1。

根據江蘇省的氣候、地理特征，將江蘇省分成全省、蘇北、蘇中、蘇南等4個主要區域類型，統計分析區域特征(圖1)。

表1 江蘇省冬麥生育時段劃分

2 結果與分析

2.1 生產潛力計算模型

冬小麥生產潛力計算主要是通過機制模型和經驗模型來實現的，由于冬小麥生長發育過程機制的復雜性，目前，全世界還沒有一個讓大家認同投入業務運行的機制模型，因此采用經驗模型。谷冬艷等系統分析國內外的經驗方法后認為，目前主要有光合生產潛力、光溫生產潛力、氣候生產潛力等3種模型[24]。賴榮生等綜合分析認為，光溫生產潛力是在其他條件處于理想狀態下，僅有光溫影響的產量，即產量的理論上限[25]。本研究主要研究以變暖為主要特征的氣候變化對冬小麥生產潛力的影響，因此，利用這種模型對江蘇省冬小麥生產潛力進行計算分析。計算公式為

WPRT=WPC×F(t)。

(1)

式中：WPRT表示冬小麥光溫生產潛力；WPC為光合生產潛力；F(t)為溫度影響系數。

陳浩等研究認為，光合生產潛力可用公式(2)進行計算[26]。

(2)

式中：F為光能利用率，Loomis等研究認為，光能利用率的理論上限為5%～6%[27]；李繼由研究認為，生產管理水平較高的地區，光能利用率可達到3%左右，江蘇省冬小麥生產管理水平居全國中上等，因此F=3%[28]。E為經濟系數，李白鴿研究認為，江蘇江淮地區小麥經濟系數一般取0.4，即E=0.4[29]。C為能量轉換系數，取值為18.75 kJ/g。Q為太陽總輻射能(MJ/m2)，買苗等研究認為，只有日照時數觀測的站點采用公式(3)進行計算，其中，Q0為天文輻射值；S為日照百分率(%)；a和b為系數[30]。利用濟寧、昌縣、合肥、杭州、慈溪、上海、寶山、淮安、呂泗、南京等10個站點的實際觀測輻射值，采用線性回歸方法計算出各月的a、b值，并采用反距離權重法插值獲得江蘇省域內a、b空間分布，得到江蘇域內所有氣象觀測站點的a、b系數。

Q=Q0(a+b×S)。

(3)

喜涼作物的F(t)可用公式(4)進行計算[29]。

(4)

式中：T表示年份。

據此，由公式(1)～公式(4)可計算出各個觀測站點冬小麥不同生育期的生產潛力。

2.2 生產潛力現狀分析

利用全省39個站點(圖1)1961—2013年觀測資料，利用公式(1)～公式(4)計算出各站點每年各生育階段的光溫生產潛力(圖2)。

由圖2-a可見，江蘇省冬小麥全生育期光溫生產潛力為155 451.9～223 079.2 kg/hm2，總體趨勢是由北向南明顯減小，區域分布特征明顯。全省光溫生產潛力平均值為 191 769.2 kg/hm2，其中，蘇北平均值為206 144.2 kg/hm2，蘇中平均值為 192 894.6 kg/hm2，蘇南平均值為172 718.5 kg/hm2，蘇中僅占蘇北的93.6%，蘇南僅占蘇中的89.5%。蘇北北部區域為高值區域，蘇北中南部到蘇中中部以中東部為中心向西向東遞減，蘇中中南部到蘇南由東向西和西南方向遞減，即蘇南南部、西南、西部區域數值相對較低。

由圖2-b可知，江蘇省冬小麥各生育期光溫生產潛力隨著生育期變化呈現高-低階段性變化特征。最高峰在冬季，營養生長階段明顯高于生殖生長階段。這就要求在因小麥生長期明顯延長而造成冬小麥生長期明顯縮短的情況下，充分利用好冬季氣候資源，提高冬小麥的冬季生長量，保障全生育階段的生長量相對穩定，實現高產優質的栽培目標。

2014年江蘇全省小麥實際單產平均為5 372.0 kg/hm2，蘇北平均值為5 862.2 kg/hm2，蘇中平均值為5 981.0 kg/hm2，蘇南平均值為5 413.1 kg/hm2，分別占其光溫生產潛力的2.80%、2.84%、3.10%、3.13%。說明江蘇冬小麥的生產現狀還有增產近1倍的潛力，因此要研究通過改變株型結構、栽培模式等來提高冬小麥的光溫利用率的實用技術，實現優質栽培。

2.3 氣候變化趨勢

2.3.1 氣候變化趨勢計算方法 商兆堂等研究認為，氣候變化趨勢常用氣候傾向率(climate change rate，簡稱CTR)來表示[31]。因此，WPRT可以表述成：

WPRT=a+b×T。

(5)

則：

CTR=10×b。

(6)

式中：CTR表示未來10年冬小麥光溫生產潛力隨氣候變化的改變量。由江蘇省氣象臺站1961—2013年觀測氣象資料得出的冬小麥各生育階段光溫潛力數據從而計算得出氣候傾向率(圖3)。

2.3.2 氣候變化趨勢分析 經過統計分析以及由圖3-a可知，江蘇省冬小麥全生育期光溫生產潛力的氣候傾向率為-7 233.01～1 504.94 kg/hm2，全省平均值為 -2 679.82 kg/hm2，其中，蘇北平均值為-4 433.30 kg/hm2，蘇中平均值為-1 736.09 kg/hm2，蘇南平均值為-1 629.89 kg/hm2；總趨勢是全省大部分區域都在減小，僅有蘇中中南部沿海到蘇南中部一個帶狀區域和蘇中西部邊界地區是增大區域。蘇北的減少量約是蘇中和蘇南的2.5倍，而蘇北是江蘇省冬小麥主產區，也是全國黃淮冬小麥主產區的重要組成部分，且目前蘇北的光溫利用率低于蘇中和蘇南，因此，研究蘇北應對氣候變化的冬小麥栽培技術中要增加提高其光溫利用率的研究內容，通過提高利用減緩快速減少帶來的不利影響，保障高產穩產。

由圖3-b可知，光溫生產潛力氣候傾向率減小主要發生在營養生長期，增大主要出現在生殖生長期，這種變化趨勢對形成足穗是不利的，但對實現大穗是有利的，即利于提高小麥品質。鄭建敏等認為，穗粒結構對產量的貢獻率表現為穗數>粒數>粒質量，因此，要研究通過增加基本苗等保障足穗的栽培技術措施，實現高產優質[32]。

中國氣象局規定，以當年產量與平均值(近5年)的增減百分比將年景分成豐年、平偏豐、持平略增、持平略減、平偏歉、歉年[33]。因此，用氣候變化引起光溫生產潛力的改變量與正常年景光溫生產潛力的百分比(設為PER，%)來評定氣候變化對冬小麥光溫生產潛力的影響，具體劃分標準見表2。由此計算得出的數據繪制圖4。由圖4-a可知，除蘇北中部到蘇中北部有1個區域的光溫生產潛力氣候傾向率占平均值的比例<-3%以外，其他區域均在-3%～3% 之間，即大部分區域基本持平(略增或略減)，少部分區域屬于平偏減。由圖4-b可知，各生育期百分比的絕對值均小于5%，且絕大部分生育階段的值在3%以內。因此認為，氣候變化并沒有引起江蘇省冬小麥生產潛力明顯變化，其隨氣候變化范圍屬于正常年景間因氣象條件引起的漂移。

3 結論與討論

通過計算分析認為，江蘇省冬小麥生育階段的光溫生產潛力隨著氣候變化有減小的變化趨勢，但這種趨勢在正常氣候年景的年際間波動的范圍值之內。因此，只要通過選育氣候適宜性廣、光能利用率高的新品種，通過適當增加播種量，提高基本苗數量，測土施肥等栽培技術措施可以減緩氣候變化對冬小麥生產的影響，實現高產穩定優質栽培目標。

表2 氣候變化引起冬小麥生產潛力變化評定標準

目前，由于觀測資料有限，主要表現為氣象輻射資料只有部分臺站觀測、大部分臺站靠公式推導獲取等；觀測氣象資料在標準觀測場進行，而有時田間實際環境與之相差很多，造成氣象資料的代表性差。冬小麥生長發育狀態主要為人工觀測其生長發育期、株高、葉面積等表象資料，通過儀器觀測生理生化過程沒有業務化，因此，各種機制模型的運算效果并不理想，不同人建立的經驗公式之間計算的生產潛力數據也有差異，但其隨氣候變化的總體結論基本趨同，即冬小麥生產的脆弱性增加。因此，要加強應對冬小麥生產脆弱性增加的栽培技術措施研究，保障冬小麥的穩定生產，確保糧食安全。