综述：江苏省气候资源的时空演变及其对单季水稻生产的影响：一项为期60年的物候学分析

《Journal of Environmental Management》：Spatiotemporal evolution of climatic resources and their impacts on single-rice production in Jiangsu Province: A 60-year phenological analysis

　　

姜玉林|罗世一

中国南京信息科学技术大学气候系统预测与风险管理国家重点实验室，南京，210044

摘要

全球气候变化显著改变了区域农业资源，给作物生产带来了复杂挑战。本研究量化了1961年至2020年间江苏省单季水稻六个物候阶段的气候资源的时空演变，旨在阐明其对产量的具体和综合影响。时空分析显示，该地区存在显著且加速的升温趋势，表现为高温带的持续扩张和向北移动。这种升温促进了作物在早期生长期和后期灌浆阶段的生长。太阳辐射经历了普遍且严重的十年间减弱现象，尤其是在早期生长期，尽管这种辐射减少对最终产量的负面影响被部分抵消了。此外，有效降水量总体呈上升趋势，但空间极化现象加剧，特别是在南部的分蘖期。这些发现突显了水稻对当前气候变化的高度复杂和特定物候阶段的响应。本研究为优化区域种植系统、减轻复合气候极端事件的风险以及培育具有气候适应性的水稻品种以确保区域粮食安全提供了关键的科学见解。

引言

粮食安全是人类生存、社会经济发展和地球可持续性的关键前提。然而，由于人口增长、土地退化和资源短缺等多重压力的叠加，确保稳定的粮食供应已成为全球治理的复杂挑战（Jiang et al., 2023a; Jin and Xu, 2025a）。至关重要的是，气候变化正在以前所未有的速度改变地球的生物物理系统，给农业生产带来了系统性不确定性。根据IPCC的第六次评估报告（AR6），2011-2020年的全球平均表面温度比工业化前水平升高了1.1°C（IPCC, 2023）。尽管技术有所进步，但这种升温以及日益频繁的极端天气事件仍然是全球粮食不安全的主要驱动因素（FAO and UNICEF, 2024）。最新报告显示，虽然全球谷物产量可能达到创纪录的水平，但气候变异性对全球粮食供应链仍构成持续风险（FAO, 2025）。在这种背景下，中国面临严峻挑战；预计到2030年，粮食供需缺口将达到峰值（Jiang et al., 2023b; Tan et al., 2023）。由于水稻（Oryza sativa L.）占中国总播种面积的约30%，并养活了超过60%的人口，因此水稻产量的稳定性是国家粮食安全的基本支柱（Deng et al., 2019; Jiang et al., 2019; Jin and Xu, 2025b）。江苏省是中国南方最大的水稻生产区，也是重要的国家生产中心。其产量的稳定性直接关系到长江流域乃至整个国家的粮食安全（Chen et al., 2025; Li et al., 2024）。然而，水稻农业生态系统对气候变化非常敏感（Ling et al., 2019; Saud et al., 2022）。研究表明，在1.5°C的升温情景下，中国的平均水稻产量可能下降7.49%，超过60%的种植面积面临减产风险（Li et al., 2021）。鉴于多个主要生产区已经出现因升温导致的产量损失，详细评估演变中的气候资源如何影响江苏省的水稻生产是制定本地化适应策略的前提。

农业气候资源，如太阳辐射、热能和降水量，是生产的基本能源和物质来源。在整个水稻生命周期中，生理过程与气象条件紧密耦合，但对这些资源的敏感性在不同物候阶段存在显著差异（Sánchez et al., 2013）。例如，单季水稻对净温升的反应在生长期和生殖期之间存在显著差异（Huang et al., 2025; Sun et al., 2025）。因此，仅关注整个生长季节的研究可能会掩盖在特定敏感时期（如开花或灌浆期）气候变异性带来的关键影响。这需要在目标种植区域内进行细致的、特定阶段的定量分析。

气候变化与水稻产量之间的关系也是农业气象学的一个核心课题。现有研究主要利用作物模型或计量经济学方法来评估国家或跨区域的产量响应（Jones et al., 2017）。这些研究表明，长江流域的单季水稻面临热胁迫和太阳辐射减少的加剧威胁（Zhang et al., 2017）。然而，由于中国地域辽阔且种植系统多样，水稻对气候变化的响应存在显著的空间异质性（Saud et al., 2022; Yang et al., 2014）。虽然最近的研究阐明了升温及极端天气的一般影响（Wang et al., 2024; Yu et al., 2024），但在特定地理区域内不同生长阶段对气候因素的差异敏感性仍存在关键认识空白。

因此，本研究聚焦于江苏省的单季水稻生产。利用1961年至2020年24个气象站的日数据，我们将水稻生长季节划分为六个关键物候阶段。本研究旨在：（1）系统分析过去60年间这些阶段的气候资源的时空演变；（2）量化气象因素与产量之间的阶段特定关联；（3）确定影响产量的关键生长阶段和气候驱动因素。研究结果将为优化种植结构、改进农业气象灾害预警系统以及制定适应气候的栽培策略提供理论和实证基础。

章节摘录

研究区域

江苏省（北纬30°45′-35°08′，东经116°21′-121°56′）位于中国大陆东海岸，处于长江下游平原，总面积约为107,200平方公里（图1）。该省位于东亚季风气候区，处于暖温带和亚热带之间的地理过渡带。北部地区具有暖温带湿润季风气候，而南部地区则

水稻生长季节的气候资源时间趋势

1961年至2020年间，整个水稻生长季节的平均温度呈显著上升趋势，十年增幅为0.21°C（p < 0.001水平）（表S1）。十年间分析显示，这种升温模式发生了突变。1961至1990年间，温度十年增幅为-0.16°C，而在随后的30年（1991至2020年）转变为快速且显著的升温阶段，十年增幅为0.37°C（图2）。同时，累积

水稻生长季节的气候资源变化

研究表明，1961年至2020年间，江苏省的水稻生长季节经历了显著的气候变化，主要表现为加速升温和太阳辐射减弱的同时发生。这一趋势在过去30年里尤为明显，与长江流域和全球的宏观气候模式一致（Gu et al., 2017; Tao et al., 2013; Ye et al., 2020）。作为中国经济最发达的地区之一，江苏省

结论

本研究量化了1961年至2020年间江苏省单季水稻六个物候阶段的气候资源的时空演变，并阐明了其对产量的具体影响。平均温度呈现显著加速升温趋势，高温带持续扩张并向北移动。这种升温在早期生长期和后期灌浆阶段促进了作物生长，但在极端高温条件下会严重抑制产量形成

CRediT作者贡献声明

姜玉林：概念构思、数据管理、项目协调、资源获取、监督、验证、可视化、撰写——审阅与编辑。罗世一：正式分析、调查、方法论、软件应用、可视化、撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了南京信息科学技术大学引进人才研究启动基金（编号：2025r050）和江苏省高等学校基础科学研究一般计划（编号：25KJB210010）的财政支持。我们感谢所有审稿人和编辑的建议，这些建议极大地改进了手稿的质量。