干旱是世界性灾害, 世界上干旱、半干旱地区占可耕地的42.9%, 它给农牧业生产造成的威胁最大, 损失最严重, 它所导致的减产超过其他因素的总和^[1]。干旱是影响粮食产量的最主要灾害, 近30年我国平均每年受旱农田2085.1×10⁴ hm², 占全国各种气象灾害总受灾面积的62%, 因旱灾损失粮食1532.1×10⁸ kg, 占全国粮食损失总量的50% ^[2]。广西平均每1.5年就出现一次全区性干旱, 严重影响农业生产的稳产高产^[3]。然而, 解决干旱威胁并不能完全依赖灌溉工程, 选取耐旱、抗旱的作物类型或品种因地制宜地推行旱作农业、节水农业, 已成为世界农业发展的大趋势^[4]。因此, 在全球气候变暖、干旱加剧、水资源日益缺乏的情况下, 在人均耕地面积日趋减少、用水日渐紧张的状况下, 陆稻的开发和引进在农业生产中具有重要的现实意义。

广西属于亚热带季风气候区, 丰富的气候资源适宜陆稻的种植推广, 陆稻是传统的旱地粮食作物之一, 也是贫困山区群众细粮的主要来源, 但长期沿袭传统粗放的种植方式, 而陆稻品种存在品种老化、抗逆性差、产量低等特点, 严重制约了陆稻的发展, 也影响了长期以玉米为主食的山区人民生活的改善。基于这样情况, 再依据广西旱灾的频发性特点, 发展旱作型、节水型稻作农业已成为当务之急。因此, 为了解决贫困山区农民的温饱问题和改善其粮食结构, 也为促进广西农业朝旱作农业、节水农业方向发展, 1997年广西引种试种巴西陆稻IAPAR-9并获得成功, 多年的引种试验及示范推广表明, 该品种具有生育期适宜、适应性广、耐瘠、抗病能力强、抗旱等抗逆性好、高产、米质较优的特点^[5-7], 被广西确定为目前广泛推广的陆稻首选品种。

引种巴西陆稻IAPAR-9获得成功以来, 韦祖民等^[6]、覃守贵等^[7]主要对巴西陆稻的生育特性、产量性状和栽培进行了研究。目前针对巴西陆稻与气候关系的研究极少, 而气候条件是影响巴西陆稻生长发育和高产稳产的主要因素。因此, 为了充分合理利用广西气候资源, 因地制宜地发展巴西陆稻, 使其在广西推广发展获得丰产稳产优质, 避免在推广过程中由于盲目发展造成不必要的损失, 本文通过分析巴西陆稻与气候条件的关系, 采用先进的GIS地理信息技术^[8]及气候资源的小网格推算方法, 对巴西陆稻进行种植气候区划研究, 为广西发展巴西陆稻生产进行合理布局提供决策参考。

广西引种试种结果表明^[9]:巴西陆稻IAPAR-9属于粳稻类中熟品种, 可早季、中季、晚季种植巴西陆稻, 作早稻种植全生育期约120 d, 作中稻种植全生育期约110 d, 作晚稻种植全生育期约105 d, 灌浆结实期约30 d左右, 全生育期所需日平均气温≥10 ℃的活动积温约2800~3000 ℃; 作再生稻全生育期65 d左右, 再生稻生长到安全齐穗期至少需要35 d。此外, 巴西陆稻生育期与温度、水分及播种期等关系密切, 温度过低或水分不足, 生育迟缓、延迟成熟, 生育期延长。巴西陆稻只有在适宜的气候条件下才能获得丰产稳产优质, 播种出苗期及抽穗期是影响巴西陆稻生长发育及产量形成的关键期, 此时期的降雨量、温度是制约巴西陆稻生长和产量形成的关键气候因子^{[5, 9]}。如果巴西陆稻关键期特别是抽穗扬花期的水分、温度条件得不到满足, 会影响其正常抽穗开花及授粉, 易造成空秕率增多, 导致结实率、千粒重下降, 最终影响产量。

巴西陆稻和水稻一样需要一定的热量条件才能正常生长发育获取产量。其出苗生长要求日平均气温在10 ℃以上, 低温时分蘖少, 26 ℃以下分蘖迟缓, 17~20 ℃停止分蘖; 抽穗开花要求日平均气温在20 ℃以上, 适宜温度为30 ℃左右, 低于20 ℃易造成花粉不育, 影响结实率; 灌浆成熟期要求日平均气温15 ℃以上, 高温多湿且昼夜温差大, 则结实良好, 12 ℃以下会延迟成熟或结实不饱满, 影响产量。因此可把日平均气温≥10 ℃初日至日平均气温≥20 ℃终日期间的持续天数作为巴西陆稻的热量安全生长期^[9]。此外, 由于巴西陆稻单季稻全生育期要求日平均气温大于10 ℃的活动积温≥3000 ℃·d^{[5, 9]}, 由此可计算出巴西陆稻生育期内平均每天所需的活动积温, 再根据单季再生稻和双季稻的生育期长短, 可推算单季再生稻和双季稻全生育期要求的日平均气温大于10 ℃活动积温分别不低于4650 ℃·d和不低于5950 ℃·d, 达不到积温要求, 巴西陆稻就不能正常发育和成熟, 影响产量和品质。

巴西陆稻主要依靠自然降雨来满足其生长发育对水分的需求, 其产量的高低受水分的制约最大, 降雨量是决定巴西旱稻生长发育及产量的最关键气候因子。巴西陆稻出苗生长需要较充足的水分, 才能保证其顺利出苗, 否则直接影响基本苗数从而影响产量。孕穗至抽穗期要求有充足的水分条件, 出现干旱会影响其正常抽穗开花, 受精结实, 产量降低。据研究^[9], 旬内有2 d或以上日雨量≥5 mm且旬降雨量≥15 mm可满足巴西陆稻播种出苗的水分要求, 而旬内有3 d或以上日雨量≥5 mm且旬雨量≥25 mm可满足其正常抽穗扬花的水分条件。巴西陆稻播种出苗期及抽穗扬花期这两个关键期的水分条件得到满足, 即可满足其正常生长发育对水分条件的基本需求。因此可把旬内有2 d或以上日雨量≥5 mm且旬降雨量≥15 mm的首旬初日至旬内有3 d或以上日雨量≥5 mm且旬雨量≥25 mm的末旬终日的持续天数作为巴西陆稻的水分安全生长期。

根据上述气候条件分析可知, 日平均气温 (简称T, 下同) 10 ℃可表示巴西陆稻生长的临界温度, T≥10 ℃的活动积温可反映巴西陆稻生长期间的热量状况, T≥10 ℃至T≥20 ℃的持续天数表示巴西陆稻的热量安全生长期, 把旬内有2 d或以上日雨量≥5 mm且旬降雨量≥15 mm的首旬初日至旬内有3 d或以上日雨量≥5 mm且旬雨量≥25 mm的末旬终日的持续天数 (简称R_初日至R_终日的持续天数, 下同) 表示巴西陆稻的水分安全生长期。因此, 根据巴西陆稻对气候条件的要求, 综合以上气候条件分析结果, 结合其在广西的引种试种实际情况, 可选择T≥10 ℃活动积温、T≥10 ℃至T≥20 ℃的持续天数、R_初日至R_终日的持续天数, 作为广西是否适宜双季、单季种植巴西陆稻以及进行再生稻生产的气候区划指标 (表 1)。

表 1

表 1 巴西陆稻IAPAR-9的种植气候区划指标 Table 1 Index of climatic division for Brazilian Upland Rice (IAPAR-9) planting

表 1 巴西陆稻IAPAR-9的种植气候区划指标 Table 1 Index of climatic division for Brazilian Upland Rice (IAPAR-9) planting

广西地形地貌复杂, 海拔高差大, 由于经度、纬度、海拔及下垫面特性不同, 气候资源存在明显的空间分布差异, 在23.67×10⁴ km²的广西陆地面积上仅分布有90个气象观测站点, 平均每个站点气象观测资料相当于代表周围2630 km²区域面积上的气象资料, 因此全区气象站点的气象观测资料仅能代表平均区域的气候资源分布, 显然仅靠每县一站的气象观测资料难以真实客观地反映全县整个区域内气候资源变化情况。

由于目前气象台站的气象观测资料还不能充分描述气候资源的立体多样性特征, 而地理信息系统 (GIS) 的优势在于它的数据综合、地理模拟和空间分析能力, GIS为分析具有空间立体特征的气候资源提供了很好的分析工具。因此, 为了比较客观地反映广西不同地域的气候资源状况, 可应用GIS建立基于地理信息的小网格气候资源推算模型, 并通过推算模型模拟出广西无测站地区的气候资源要素值, 就能得到广西1 km×1 km每个网格点上 (包括无测站地区) 的气候资源立体变化分布情况。

为了客观地描述种植巴西陆稻的3个气候区划指标在广西的实际分布, 有必要建立区划指标的空间分析模型, 以此来推算气候区划指标在无测站地区的分布状况。气候要素与当地的经度、纬度、海拔等地理因子有着密切关系, 区划指标与地理因子的关系模型可表示为:

(1)

式 (1) 中, Y为气候区划指标; φ, λ, h分别代表纬度、经度、海拔高度等地理因子; 函数f(φ, λ, h) 称为区划指标的气候学方程; ε为余差项, 称为综合地理残差, 可认为φ, λ, h所拟合的气候学方程的残差部分, 即

(2)

把广西86个气象站1961—2000年气候观测资料及对应站点的经度、纬度、海拔等地理信息数据, 应用数理统计学中的回归分析方法, 建立气候要素与地理信息数据之间的统计模型, 将经度、纬度、海拔高度等地理因子作为自变量, 把∑T≥10 ℃活动积温、T≥10 ℃至T≥20 ℃期间持续天数、R_初日至R_终日期间持续日数分别作为因变量, 建立巴西陆稻气候区划指标要素的空间推算模型 (表 2)。

表 2

表 2 气候区划指标要素的空间推算模型 Table 2 Space calculating models of the climatic division index

表 2 气候区划指标要素的空间推算模型 Table 2 Space calculating models of the climatic division index

表 2中各区划指标推算模型的复相关系数在0.737~0.963之间, F值为34.173~363.023, 均通过α=0.01的显著性检验, 表明方程回归效果较好, 具有良好的统计学意义, 可利用它进行区划指标要素的小网格推算。

首先利用GIS软件从国家基础地理信息中心提供的1 : 250000广西基础地理信息数据库中提取出1 km×1 km网格的经度、纬度、海拔高度等网格数据和广西的省级、县级行政边界以及县级以上行政点等矢量数据; 然后将1 km×1 km网格的经度λ、纬度φ、海拔高度h等地理信息数据代入表 2中的各个气候区划因子推算模型方程, 推算出每个区划因子在1 km×1 km网格上的分布; 再利用反距离权重插值法以86个气象台站的残差值为样本内插出1 km×1 km网格的残差分布; 最后将区划因子推算值图与残差值图相叠加得到广西1 km×1 km网格的巴西陆稻气候区划指标分布图 (略)。

将上述各个气候区划指标分布图, 采用打分法, 按照表 1中的巴西陆稻气候区划的各项分级指标分别进行分级打分, 将每个区划指标图标准化成分数图, 并进行叠加处理得到总的分数图, 再根据分数的大小将广西种植巴西陆稻划分为双季稻适宜气候区、单季再生稻适宜气候区、单季稻适宜气候区和不适宜气候区等4个气候适宜种植区, 给不同的区域赋予不同的颜色, 并叠加广西的省级、县级行政边界以及县级以上行政点和经纬网, 制作图例等, 最后制作出广西种植巴西陆稻的气候区划专题图 (图 1)。

图 1

图 1. 基于GIS的广西种植巴西陆稻的气候区划专题图 Fig 1. Special map of climatic division for Brazilian Upland Rice planting in Guangxi

主要分布在桂东南, 即分布在桂平、玉林、北流、容县、陆川、博白、岑溪等县市的大部分区域和平南、藤县、梧州、苍梧、昭平、金秀、贺县、浦北、钦州、东兴、防城、上林、马山等县市的部分区域。本区热量丰富, 光照充足, 雨季来得较早, 降雨较充沛, 安全生长期长, 温光水资源匹配良好。总之本区种植巴西陆稻双季稻所需的热量、光照资源充足, 对于水资源而言, 早稻生产季节降雨丰沛, 而晚稻生产用水则不是很充足, 仅能满足双季稻生产的基本需求, 因此, 早、晚稻必须连作, 但生产季节紧张, 早稻应尽量适时早播, 早稻收获完毕, 应紧接晚稻生产, 尽可能减少“双抢”农耗时间, 农耗时间控制在一周左右为宜, 否则易延误季节, 致使晚稻抽穗开花期容易遇上秋旱, 影响晚稻正常生长发育, 造成产量下降。

主要分布在桂东、桂南为主的大部地区, 即分布在北海市、钦州、防港、贺州、桂林、柳州、来宾、南宁等市的大部区域和崇左、河池等市的部分区域以及梧州、百色两市的局部区域。本区热量资源南部较为充足, 北部稍差, 春季升温慢, 秋季降温较快, 选择适宜播种期内播种, 可避免或减轻春寒、寒露风的影响; 水资源北部较好, 南部稍差, 雨季来得较迟, 尤其是西南部易出现春旱, 选择适宜播种期种植, 可避免或减轻春旱危害。总之, 本区安全生长期较长, 温光水资源配合明显好于单季稻适宜区, 但不如双季稻适宜区, 因此进行单季再生稻生产时, 其播种时间的选择对再生稻安全生产很重要, 头季稻应尽量适时早播, 日平均气温稳定在10 ℃以上即可播种。此外, 应适时收割头季稻, 一般在九成熟应及时收获, 以保证再生稻安全齐穗, 为再生稻丰产奠定基础。

主要分布在桂西北和桂东北地区, 即分布在百色市大部和河池、桂林、崇左等市的部分区域以及南宁、来宾、柳州、贺州等市的局部区域。本区安全生长期短, 春秋季比较容易出现低温冷害, 总之温光水资源匹配不如再生稻适宜区, 但单季种植巴西陆稻的温光水资源是充裕的, 完全可满足其正常生长发育对气候条件的需求, 可早稻、中稻、晚稻单季种植, 但早稻和中稻种植时气象条件比较容易得到满足而获得高产, 晚稻种植时往往在孕穗至抽穗期遇到干旱导致产量较低, 因此本区应单季种植早稻或中稻为宜, 晚季单季种植则不太适宜, 仅限于适量种植。此外, 由于单季种植适宜播种期可选择的范围较宽, 可把巴西旱稻主要发育期安排在温光水相对集中期, 从而提高光温水的有效性, 对巴西陆稻进行光合作用十分有利, 利于高产与稳产。

资源、全州、龙胜、融水、隆林、西林等县高寒山区的极少数区域。主要是因为本区海拔较高, 热量不足, 春秋季低温冷害严重, 因此不适宜种植巴西陆稻。

1) 利用GIS技术进行的巴西陆稻种植气候区划, 其优势在于突破了以往气候因子只能描述其在水平方向变化的局限, 能够直观地反映出区划指标随地理位置和海拔高度的立体变化特征, 并使区划结果比传统气候区划更客观、更细致, 更符合广西种植巴西陆稻的实际情况, 对今后广西推广发展巴西陆稻生产获得高产稳产优质和优化布局更有指导意义。

2) 目前的巴西陆稻种植区划研究主要考虑巴西陆稻的生态气候条件, 还没有把广西范围的土壤类型、土壤现状、土地利用分布等环境条件信息融合进去。实际上巴西陆稻的推广种植除了受气候条件影响以外, 还受土壤类型、土壤肥力等其他生态环境因素的影响, 如果在实际生产布局中结合土壤等方面的综合信息, 将使巴西陆稻种植区划成果更实用。

在巴西陆稻实际生产过程中, 除了受气候、土壤等生态条件影响外, 还受地形地貌、水体、石山、城市居民用地等多种条件的制约, 因此, 并非气候条件适宜种植的地方就可用于巴西陆稻生产, 如巴西陆稻不宜种植在城市居民用地、水体、石山、林区等区域。因此, 进行农业气候区划时, 应在充分运用地理信息技术 (GIS) 的基础上, 再利用现代卫星遥感技术 (RS) 和全球定位技术 (GPS) 对广西的土地利用现状进行遥感分类, 即用各种卫星遥感资料, 结合GPS定点定位调查资料, 建立广西土地利用类型遥感解译标志, 根据遥感解译标志解译出广西土地利用类型^[10], 将GIS, RS与GPS三者结合起来, 运用到巴西陆稻气候区划中, 其区划结果将更为综合实用、客观、准确, 因此关于这些方面的综合研究值得进一步探讨和完善。