寧夏吳忠麥收復種水稻生育期熱量條件分析

趙斯文杜宏娟朱永寧魏月娥金飛

(1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川 750002)

引言

20世紀80年代以來，大量研究結果表明全球年平均地表溫度持續上升。在過去的100a，全球氣溫以0.1℃·10a-1的速度遞增，在不考慮氣候政策干預的情況下，未來20a仍將以此速度遞增[1]。在全球氣候變暖大背景下，光能、熱能和水分等農業氣候資源發生了明顯變化，對農業會造成一定影響[2]。

為更好地利用越來越多的熱量資源，解決“糧—飼”、“糧—糧”等征地的矛盾，發展復種，促進農牧業良性發展，寧夏吳忠市開展了麥收后復種水稻試驗。復種水稻前茬作物為冬小麥或“冬牧70”，播種時間在上年10月上旬，收獲時間分為2種，“冬牧70”的收獲時間為5月下旬，冬小麥的收獲時間為6月中旬；麥后迅速整地、灌水，6月下旬中期開始水稻移栽。有關麥后復種作物的品種、茬口和種植模式研究較多，產量和效益較好，但麥后復種水稻是寧夏灌區近年來種植制度改革的一種新嘗試。該模式不僅可實現引黃灌區1a2季“細糧”，而且可避開用水高峰，充分利用自然資源，節約水資源，提高復種指數，提高單產。熱量資源是制約水稻生長發育的重要因素,麥收后留給水稻的生長期十分有限，農作物的生長、發育和產量形成需要一定的熱量條件，這個熱量通常是用相應時段內逐日平均氣溫的累積值表示的，這個累計溫度稱為積溫[3]。活動積溫是指高于生物學下限溫度的日平均溫度的總和,本文旨在分析麥收后復種水稻期間積溫、≥10℃積溫終日、平均氣溫的變化特征以及氣候保證率，為麥后復種水稻提供理論支撐。

1 資料和方法

1.1 資料來源

所用資料為寧夏吳忠市國家氣象臺站1960—2019年期間每年小麥收獲后(6月中旬)的逐日平均氣溫，利用日平均氣溫的5d滑動平均法求算穩定通過10℃界限溫度終日，分析積溫氣候特征，以及氣候保證率。

1.2 分析方法

用線性傾向估計法分析氣候趨勢，用信噪比進行突變檢測。通過分組法繪制氣候保證率曲線圖。

1.2.1 線性傾向估計法

xi=a+bti(i=1，2，…，n)

(1)

式中，xi為氣候變量；ti為xi所對應的時間；n為樣本量。當回歸系數b>0時，說明隨時間t的增加x呈上升趨勢；當b<0時，說明隨時間t的增加x呈下降趨勢。b×10稱為氣候變化傾向率，表征某氣候要素上升或下降的速率，單位為某要素單位·10a-1。

1.2.2 突變檢驗

用累積距平法，制作≥10℃積溫累積距平折線圖，根據累積距平圖對轉折年進行初步判斷。以初步判斷出的轉折年為基準年，構造前后2段子序列，依據文獻[4-6]給出的氣候突變的信噪比方法，檢驗轉折年的突變情況。

(2)

為檢驗轉折是否達到氣候標準，對轉折年份計算信噪比。

(3)

1.2.3 平均絕對變率和氣候保證率

平均絕對變率是某個氣象要素多年絕對變率的平均值，反應該氣象要素多年平均的變動情況。

(4)

保證率是指某段時間內氣象要素值高于(或低于)某一界限指標頻率的總和。表示某氣象要素高于(或低于)某界限值的可靠程度。

確定組數N：5lgn≥N>2.5lgn，n為樣本總數。

確定頻數、頻率：找出資料內落入各組內次數，即頻數。計算各組頻數與樣本總數的百分比，即頻率。

保證率：將各組頻率從大到小依次累加，即累計保證率。

2 結果和分析

2.1 ≥10℃積溫歷年變化情況

利用氣溫資料對≥10℃積溫進行統計，近60a來平均值為2228.3℃·d，最多值為2512.7℃·d，最少值為1973.9℃·d，且不足2100℃·d的年數為11a；≥10℃積溫變化情況如圖1，從圖中可以看出，1960—1997年積溫距平以負為主，21世紀后，除2004年積溫略低于均值，其余均處于均值線以上，近60a，積溫呈增加趨勢，以64.102℃·10a-1的速率增多。

圖1 1960—2019年復種水稻生育期間≥10℃積溫變化趨勢

2.2 ≥10℃積溫年代際變化分析

對復種水稻生長季≥10℃積溫進行逐年代統計如表1。從表1中可以看出，近60a，年代際積溫總體呈增加趨勢，1970—1979年代積溫均值最小，熱量條件最差，2010—2019年積溫值均為最大，熱量條件最好。

表1 ≥10℃積溫年代際變化特征值

2.3 ≥10℃界限溫度終日變化特征

近60a≥10℃終日平均日期為10月6日，最早為9月24日(1982年)，最晚為10月10日(出現33a)，總體呈延后趨勢，速率為0.8d·10a-1。

表2是吳忠市≥10℃界限溫度終日變化情況。在20世紀60年代(此處指1960—1969年，下同)、70年代、90年代偏早，80年代與60年平均值一致，21世紀初偏晚。

表2 不同年代≥10℃界限溫度終日統計特征值

2.4 ≥10℃積溫突變分析

從≥10℃積溫累積距平折線圖(圖2)可以看出，積溫累積距平在1997年前后發生了轉折，之前呈現減少趨勢，之后呈現增加趨勢，表明≥10℃積溫的突變可能發生在1997年前后。根據距平累積曲線圖觀測到的轉折年為基準年，分別構造了前后2個積溫序列進行信噪比檢驗，結果表明，復種水稻生育期間≥10℃積溫S/N值為1.44，信噪比大于氣候突變標準1，確定≥10℃積溫在1997年發生了突變(圖2)。在突變前均為冷期，突變后為暖期。突變前≥10℃積溫為2133.1℃·d，與歷年同期相比減少95.2℃·d，突變后≥10℃積溫為2379.9℃·d，與歷年同期相比增加151.6℃·d。

圖2 ≥10℃積溫累計距平值

2.5 保證率

利用吳忠氣象觀測站≥10℃積溫序列資料，采用分組法進行積溫的保證率統計分析，繪制了保證率曲線圖，根據研究表明[7,8]，“黑粳9號”生育期所需的活動積溫為2100℃·d，活動積溫是從插秧期至成熟期≥10℃的積溫加200℃·d(黑龍江省種子管理局積溫統計標準[9])，吳忠市麥收復種水稻實驗移栽日期為6月20日左右，圖3顯示，按1900℃·d計算，近60a、50a、40a的氣候保證率均為100%。

圖3 氣候保證率

3 結論與討論

近60a來，吳忠市復種水稻生育期內≥10℃積溫呈增加趨勢，以64.404℃·10a-1的速率增多；≥10℃積溫年代際分布總體也呈遞增趨勢。

近60a來，吳忠市≥10℃界限溫度終日平均日期為10月6日，最早為9月24日(1982年)，最晚為10月10日，總體呈延后趨勢，以0.8d·10a-1的速率增多。

吳忠市復種水稻生育期間≥10℃積溫，近60a、50a、40a積溫突變點均在1997年，S/N比值分別為1.44、1.35、1.26，信噪比均大于氣候突變標準1，近20a積溫增長顯著。

氣候變化對農作物生長發育的影響是多方面的，積溫變化的影響是其中一個重要的因素，但不是唯一因素，如與水分、日照、土肥等因素結合考慮等。因此積溫在如實反映作物生長發育對熱量的需求上會存在一定局限性，有待于今后進一步探討和研究。

對于氣象要素等非正態分布數據突變特征的分析方法較多，本研究采取累積距平和信噪方法。而有的文章采取Mann-Kendall法等，方法不同，分析數據結果有差異。