近60年鄱阳湖流域作物生长季昼夜温度和降水时空变化特征及其对农业生产的影响

胡洵瑀 王斌 张爱英

摘 要：以鄱阳湖流域1961—2019年25个气象站点的逐日气象数据，结合14个早稻站点、13个晚稻站点和12个油菜站点的物候期数据，分析了近60年鄱阳湖流域主要作物生长季昼夜温度和降水的时空变化特征。结果显示：（1）鄱阳湖流域近60年年平均温度升高了0.20℃/10a，夜间增温0.25℃/10a，白天增温0.17℃/10a;年降水量增加了58.60mm/10a，白天和夜间年降水增量相当。（2）早稻生长季平均温度升高了0.24℃/10a，白天和夜间增温幅度相近。（3）晚稻生长季平均温度升高了0.16℃/10a，夜间增温主要发生在晚稻移栽后。（4）油菜生长季平均温度升高了0.29℃/10a，夜间温度增幅大于白天;50%的站点油菜生长季降水量增加33.42mm/10a。研究结果为鄱阳湖流域生态系统和农业生产应对气候变化提供了科学依据。

关键词：昼夜温度;降水;时空变化;作物生长季;鄱阳湖流域

中图分类号 S161.2;S161.6文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）06-0152-09

Spatial and Temporal Characteristics of Daytime/Nighttime Temperature and Precipitation During Crop Growing Season in Poyang Lake Basin in Recent 60 Years and Their Impacts on Agricultural Production

HU Xunyu1 et al.

（1East China Inventory and Planning Institute， National Forestry and Grassland Administration， Hangzhou 310019， China）

Abstract： Based on the daily meteorological data of 25 meteorological stations in Poyang Lake Basin from 1961 to 2019， combined with the phenological data of 14 early rice stations， 13 late rice stations， 12 rapeseed stations， the temporal and spatial characteristics of daytime/nighttime temperature and precipitation in the growing season of the main crops were analyzed. The results showed that： （1） the mean temperature in Poyang Lake Basin increased by 0.20℃/10a. Daytime and nighttime temperature increased by 0.17℃/10a and 0.25℃/10a， respectively. The precipitation increased by 58.60mm/10a. The increments of precipitation in daytime and nighttime were equal. （2） The mean temperature during early rice growing season increased by 0.24℃/10a. The increase range of daytime and nighttime was similar. （3） The mean temperature increased by 0.16℃/10a during the growing season of late rice. The increase of nighttime temperature mainly occurred after the transplanting date. （4） During the rapeseed growing season， the mean temperature increased by 0.29℃/10a. The increasing range of nighttime temperature was more than that in the daytime. The precipitation increased by 33.42mm/10a. The results provide a scientific basis for the ecosystem and agriculture production of Poyang Lake Basin to cope with climate change.

Key words： Daytime/nighttime temperature;Precipitation;Spatial and temporal characteristics;Crop growing seasons;Poyang lake basin

鄱陽湖是我国第一大淡水湖，鄱阳湖流域约占长江流域面积的9%，其湿地生态系统发挥着巨大的生态服务功能[1-2]。鄱阳湖流域也是我国九大商品粮基地之一，主要种植制度为冬油菜—双季稻一年三熟制或双季稻一年两熟制，保障该地的粮食产量对维护我国粮食安全具有重要作用。

1880—2012年全球地表温度升高了0.85℃[3]，气候变化已成为不争的事实。近年来，鄱阳湖流域温度升高[4]，极端降水强度增加[5]而天数减少[6]，风速降低[7]，参考作物蒸散量下降[8]，气候变化导致鄱阳湖流域旱涝急转事件多发[9]。全球气候变化多表现为非均衡型，季节、地域差异较大，昼夜非对称增温、降水变化也已在多地得到证实[10-13]。昼夜温度、降水变化对生态系统，尤其是农田生态系统具有较大影响。研究发现，夜间温度和白天温度升高对水稻的减产作用不同[14-15]。作物不同生长阶段内，气象要素变化特征也不同，中国水稻生殖生长期内的增温幅度大于营养生长期[16];华北平原冬小麦、夏玉米各生长阶段气象要素变化趋势亦存在差异[17-18]。因此，了解鄱阳湖流域昼夜非对称温度、降水变化特征以及主要作物生长季内的昼夜温度、降水变化特征，有助于理解该地区的气候变化，对进一步分析气候变化对鄱阳湖流域生态系统、农业生产的影响具有重要的参考价值，也可为鄱阳湖流域应对气候变化、合理安排作物生产提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况 鄱阳湖流域地处长江中下游右岸，东以怀玉山、武夷山脉与富水水系、闽江水系、韩江水系分界，南以大庾岭、九连山与珠江流域东江水系、北江水系分界，西以罗霄山脉与洞庭水系分界，北以幕阜山脉与长江干流为邻[19]，流域面积16.22×104km2，约占长江流域面积的9%[9]。鄱阳湖流域属亚热带湿润季风气候，四季分明，多年平均气温16.2～19.7℃，年降水量1596mm[19]。流域范围包括鄱阳湖环湖区、饶河流域、信江流域、抚河流域、修水流域和赣江流域，涵盖江西的大部分地区，以及安徽、浙江、福建、广东和湖南的一部分。其中，鄱阳湖环湖区为鄱阳湖主体湖泊所在地（图1），水域面积宽阔，具有典型的湖泊湿地特征，本研究将其视为典型湿地区;饶河流域、信江流域、抚河流域、修水流域视为北部非湿地区;赣江流域为南部非湿地区。

1.2 数据来源 鄱阳湖流域范围图来自中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院资源环境科学数据中心资源环境数据云平台（http：//www.resdc.cn/Default.aspx）。1960—2019年逐日气象数据来自国家气象科学数据中心（http：//www.nmic.cn/site/index.html）“中国地面气候资料日值数据集（V3.0）”，包括平均温度、最高温度、最低温度、20：00—20：00降水量、08：00—20：00降水量和20：00—08：00降水量，鄱阳湖流域共有气象站点25个。作物物候数据来自国家气象科学数据中心“中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据集”，选择鄱阳湖流域种植范围较广的农作物，对各站点进行作物多年平均物候期统计。鄱阳湖流域主要种植的作物有早稻、晚稻和油菜，多为一年三季，其中早稻和晚稻的物候期包括播种、出苗、移栽、抽穗和成熟期，油菜物候期包括播种、出苗、现蕾、开花和成熟期。鄱阳湖流域早稻站点14个，晚稻站点13个，油菜站点12个（图1）。1天中最高温度多出现在白天14：00左右，最低温度多出现在夜间02：00时，因此日最高温度、最低温度可作为昼夜温度的度量指标。相应地，08：00—20：00降水量和20：00—08：00降水量分别作为昼夜降水量的度量指标[20]。

1.3 数据处理 本研究统计1960—2019年鄱阳湖流域各站点全年及各月昼夜温度、降水的变化特征，以及流域内各站点早稻、晚稻和油菜生长季的昼夜温度、降水的时空变化特征。鄱阳湖流域各子流域的气象要素由子流域内所有气象站点各气象要素经过算术平均得到。1960—2019年每年作物物候期的起止时间统一采用1991—2013年物候期平均值代替。各气候要素年际间变化率采用线性倾向估计[21]得到，空间特征分布图采用ArcGIS 10.2软件绘制。湿地区和2个非湿地区的气象要素变化差异采用方差分析法，两两比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 鄱阳湖流域近60年昼夜温度和降水时空变化特征

2.1.1 昼夜温度 由图2a可知，鄱阳湖流域近60年年平均温度升高0.20℃/10a（P<0.05），白天增温0.17℃/10a（P<0.05），夜间增温0.25℃/10a（P<0.05）;各子流域年平均温度升高0.16～0.29℃/10a，白天增温0.14～0.20℃/10a，夜间增温0.18～0.41℃/10a;东北部的饶河流域增温幅度最大，为0.29℃/10a（P<0.05），其中夜间增温尤其明显，达0.41℃/10a（P<0.05）。由图3a可知，1960—2019年鄱阳湖流域各月平均温度升高了0.13～0.37℃/10a（P<0.05），夏季（6—8月）温度增幅最小，冬季（12月—次年2月）温度增幅最大;1月和12月白天温度无显著变化，其余各月白天温度升高了0.16～0.39℃/10a（P<0.05），夜间温度升高了018～0.43℃/10a（P<0.05）;白天温度和夜间温度的增幅均是冬季大、夏季小。

2.1.2 降水量 由图2b可知，鄱阳湖流域近60年降水量增加了58.60mm/10a（P<0.05），白天降水量增加29.14mm/10a（P<0.05），夜间降水量增加27.66mm/10a（P<0.05）;各子流域降水量增加了52.87～67.63mm/10a，鄱阳湖环湖区、饶河流域和抚河流域白天降水量增加26.14～30.81mm/10a，抚河流域和赣江流域夜间降水量增加了26.79～30.27mm/10a。由图3b可知，近60年鄱阳湖流域各月份月降水量增加了6.55～16.16mm/10a（P<0.05），夏季和冬季降水增加，春秋两季的降水量无显著变化;夏季和冬季白天（08：00—20：00）降水增加了3.21～10.74mm/10a（P<0.05）;7—8月和11—12月夜间（20：00—08：00）降水增加了3.35～8.34mm/10a（P<0.05）;7、8、11月白天和夜间降水量均有所增加（P<0.05）。

2.2 近60年早稻生长季昼夜温度和降水变化特征 由图4a、b、c可知，鄱阳湖流域早稻生长季平均温度升高了0.24℃/10a（P<0.05），白天和夜间增温幅度相同。播种至出苗期白天增温站点数较少而增温幅度大，其中夜间增温0.58℃/10a（P<0.05）;出苗至移栽期白天温度升高了0.60℃/10a（P<0.05），其增幅远大于夜间的0.32℃/10a（P<0.05），日平均温度升高了0.53℃/10a（P<0.05）;移栽至抽穗期昼夜增温幅度相近，日平均溫度升高了0.20℃/10a（P<0.05）;抽穗至成熟期温度升高主要发生在夜间，为0.22℃/10a（P<0.05），白天仅2个站点增温显著（表1）。早稻生长季昼夜增温幅度相近，出苗至移栽期白天增温明显，播种至出苗期和抽穗至成熟期白天增温站点数较少。早稻各生育阶段均存在夜间增温现象。早稻生长季降水量变化不显著（P>0.05）（图4d、e、f，表1）。

2.3 近60年晚稻生长季昼夜温度和降水变化特征 由图5a、b、c可知，近60年，晚稻生长季平均温度升高了0.16℃/10a（P<0.05），夜间增温幅度和增温站点数均大于白天，晚稻生长季白天温度升高了0.19℃/10a（P<0.05），夜间温度升高了0.21℃/10a（P<0.05）。晚稻播种至出苗期和出苗至移栽期温度升高的站点数较少;移栽至抽穗期增温主要发生在夜间，夜间温度升高了0.18℃/10a（P<0.05）;抽穗至成熟期夜间温度增幅大于白天，夜间增温0.32℃/10a（P<0.05），白天增温0.25℃/10a（P<0.05）（表2）。晚稻生长季夜间增温幅度大于白天，且夜间增温主要发生在移栽后。由图5d、e、f可知，大部分站点晚稻生长季降水量无显著变化（P>0.05），仅1个站点生长季降水量增加了21.64 mm/10a（P<0.05），2个站点白天降水量增加了12.12mm/10a（P<0.05），各站点夜间降水量均无显著变化（P>0.05）。

2.4 近60年油菜生长季昼夜温度和降水变化特征 由图6a、b、c可知，油菜生长季近60年平均温度升高了0.29℃/10a（P<0.05），夜间温度增幅为0.35℃/10a（P<0.05），大于白天温度的增幅0.24℃/10a（P<0.05）。油菜开花期前，夜间温度升高的站点较白天的多，且增温幅度也更大;出苗至现蕾期和现蕾至开花期夜间温度分别增加升高了0.33℃/10a和0.38℃/10a（P<0.05）;油菜开花至成熟期白天温度升高了0.41℃/10a（P<0.05），夜间温度升高了0.38℃/10a（P<0.05），白天和夜间温度增幅相近（表3）。50%的站点油菜生长季降水量增加了33.42mm/10a（P<0.05）（图6d、e、f，表3）。其中出苗至现蕾期降水量显著增加，增幅达20.72mm/10a（P<0.05）。白天和夜间降水量无显著变化趋势（P>0.05）。

2.5 主要湿地区与非湿地区昼夜温度和降水变化 方差分析结果显示，湿地区年平均温度、白天温度和夜间温度均与非湿地区无显著差异（P>0.05）。早稻、晚稻、油菜全生育期内平均温度、白天温度和夜间温度在湿地区和非湿地区之间亦无显著差异（P>0.05）。年降水量在湿地区和非湿地区间差异显著（P<0.05）。两两间比较结果显示，南部非湿地区年降水量与北部非湿地区差异显著（P<0.05），但2个非湿地区与湿地区的降水量均无显著差异（P>0.05）;湿地区白天降水量与北部非湿地区无显著差异（P>0.05），但与南部非湿地区差异显著（P<0.05）;夜间年降水量地区间无显著差异（P>0.05）（表4）。早稻全生育期内仅夜间降水量在湿地区与非湿地区间有差异（P<0.05），其余气象要素在湿地区和非湿地区之间均无差异（P>0.05）。晚稻、油菜生育期内各气象要素在湿地区和非湿地区之间均无显著差异（P>0.05）。

2.6 温度与降水变化对农业生产的影响 鄱阳湖流域早稻生长季白天和夜间增温幅度相近，晚稻生长季夜间温度增幅大于白天，生长季降水量无显著变化。气温升高使鄱阳湖流域双季稻安全生长季显著延长，早稻安全播种期和移栽期提前、晚稻安全成熟期推迟[22]。江西省水稻生长季温度升高使得双季稻营养生长期和全生育期缩短[23]。虽然温度升高使双季稻生长季内有效热量资源增加、冷害减少[23]，但也导致早稻热害相应增加[24]、晚稻高温逼熟的次数上升[25]。研究发现，温度、降水量与水稻产量呈“倒U型”关系[26]，水稻生长需要适宜的温度和水分，但温度过高、降水过多反而引起水稻减产。温度升高易引起水稻高温热害，降低其结实率，使水稻减产;抽穗至扬花期降水量过大，易发生洪涝、暴雨等自然灾害，不利于水稻开花授粉，最终影响水稻产量[27-28]。双季稻轮作系统夜间增温对早稻、晚稻生产的影响不同，在CO2浓度和温度升高的情况下，当前气候变化可提高双季稻轮作系统的生产力[29]，但也将导致稻米的精米率和整精米率下降，白垩增加，外观品质变差[30]。

鄱阳湖流域冬油菜开花前夜间温度增加的站点较白天更多，且增温幅度更大，开花后白天和夜间温度增幅相近。温度升高使得油菜越冬期和花蕾期的低温冻害减少[31]，有利于油菜生产。然而，张皓等[32]通过APSIM-Canola模型预测发现，长江流域冬油菜产量与蕾薹期、花期的温度呈显著负相关关系。油菜生育后期（3—5月）平均气温每升高0.1℃，油菜将减产40kg/hm2[33]。本研究中，大部分站点油菜生长季降水量增加，生产实践中需要关注开花期湿害对油菜生长的不利影响[34]。油菜苗期水分过多，根系和地上部分生物量均会受到影响，最终导致产量下降[35-37]。在气候变化的背景下，油菜生产的稳定性可能会有所降低[33]。

3 结论与讨论

3.1 结论 基于1960—2019年逐日气象数据和鄱阳湖流域主要作物多年平均物候期，分析近60年鄱阳湖流域主要作物生长季昼夜温度、降水时空变化特征，结果表明：（1）鄱阳湖流域近60年平均温度升高了0.20℃/10a（P<0.05），夜间增温（0.25℃/10a）大于白天（0.17℃/10a），且温度增幅冬季大、夏季小;东北部的饶河流域增温幅度大于其他子流域。鄱阳湖流域降水量增加了58.60mm/10a（P<0.05），白天和夜间降水增量相当;流域内夏季和冬季降水增加，春秋两季的降水量无显著变化。（2）早稻生长季平均温度升高0.24℃/10a（P<0.05），白天和夜间增温幅度相近，各生育阶段均存在夜间增温现象。生长季降水量无显著变化（P>0.05）。（3）晚稻生长季平均溫度升高了0.16℃/10a（P<0.05），夜间增温幅度和增温站点数均大于白天，且夜间增温主要发生在移栽后。大部分站点晚稻生长季降水量无显著变化（P>0.05）。（4）油菜生长季平均温度升高了0.29℃/10a（P<0.05），夜间温度增幅（0.35℃/10a）大于白天（0.24℃/10a）。50%的油菜站点生长季降水量增加了33.42mm/10a（P<0.05）。

3.2 讨论 研究结果显示鄱阳湖流域近60年平均温度升高了0.20℃/10a，这与关于江西省的研究结果相近。1951—2012年江西省气温升高了0.17℃/10a[38]，夜间增温幅度大于白天，与北半球增温规律一致[39]。鄱阳湖流域近60年降水量增加了58.60mm/10a（P<0.05），这与江西省降水量无显著变化的研究结果不同[38]。鄱阳湖流域气候与东亚季风[40]、厄尔尼诺/拉尼娜事件[41]密切相关。气候变暖加速了水循环过程，导致鄱阳湖流域1970—2000年年径流量增加了75.3～261.7mm，占流域径流量变化的105.0%～212.1%[42]。鄱阳湖流域冬季温度和降水均有所增加，有利于鄱阳湖流域植被总初级生产力提高[43]，但也导致实际蒸散量下降[44]。

本研究中作物物候期数据为20世纪90年代和21世纪初的数据，因此使用各站点作物物候期的多年平均值进行作物生长季气候要素的统计分析。但是，由于气候变化和农业管理措施变化，我国作物物候期也发生了明显变化[45]。1981—2009年长江中下游平原双季稻移栽期、抽穗期、成熟期均提前，以至于水稻营养生长期与全生育期缩短，生殖生长期延长[46];而另有研究发现，2000—2013年我国早稻、晚稻物候期总体呈推迟趋势，生长期长度随平均温度升高而缩短、随降水量增加而延长[47]。因此，生长季内气候变化以及气候变化对当地作物生育期的影响仍需进一步研究。本研究中，湿地区和非湿地区的界定相对主观，具体湿地区的界定指标还需进一步研究。由于各地地理环境相差较大，湿地区和非湿地区的气候变化特征差异也值得在更多的地区进行探讨。

高温和干旱缺水已成为我国农业生产健康发展的主要限制因素[48]，作物不同生育阶段对昼夜气候变化的响应不同。鄱阳湖流域夏季高温热害增加[31]而作物安全生长季延长，合理安排播期和选择耐高温水稻品种将是双季稻系统适应气候变化的主要措施。气候变化改变了作物的生长时段，影响当地的种植制度。对于冬油菜—双季稻系统，在湖南的研究表明，长期稻—稻—油轮作系统的土壤肥力高于稻—稻—闲系统，而且有助于提升水稻土养分的有效性[49-50]。稻田冬种油菜不仅有利于晚稻产量稳定性和可持续性的提高，油菜秸秆还田还能改善土壤肥力和增加水稻产量[51]。今后宜选育、选用迟播早熟或生育期较短的油菜品种以解决冬油菜—双季稻模式前后茬的时间矛盾[52]，充分利用鄱阳湖流域的热量资源;同时合理控制种植密度，以防高温阴雨引发病虫害[33]。

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（责编：徐世红）