王學(xué)林，曾 凱，柳 軍，謝金花，張玉龍，鄧 斌

(1 安徽省合肥市氣象局，安徽 合肥 230041;2 江西省農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，江西 南昌 330200)

水稻(OryzasativaL.)為一年生禾本科植物，是世界主要糧食作物之一，中國是水稻生產(chǎn)大國，水稻播種面積占全國糧食作物播種面積的1/4，產(chǎn)量則占糧食作物總產(chǎn)量的一半以上。長江中下游地區(qū)是中國雙季稻最重要的生產(chǎn)區(qū)域之一，該地區(qū)水稻種植面積大，產(chǎn)量高[1]。然而近年來，隨著全球氣候的變化，長江中下游雙季稻種植區(qū)熱量資源也發(fā)生了明顯的改變[2]，且全球變暖背景下極端高低溫天氣事件日益頻發(fā)，嚴(yán)重制約著早晚稻的正常生長發(fā)育及產(chǎn)量形成[3]。因此，明確氣候變化背景下該區(qū)域熱量資源變化情況及雙季稻各生育期溫度適宜與否，對長江中下游雙季稻產(chǎn)區(qū)應(yīng)對氣候變化及調(diào)整水稻熟制具有重要意義。

近年來，已有部分學(xué)者對長江中下游雙季稻種植區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候資源展開廣泛研究。李勇等[4]研究認(rèn)為，長江中下游地區(qū)早晚稻生育期有效降水量發(fā)生了明顯的反向變化特征，而需水量均表現(xiàn)為減少趨勢。謝遠(yuǎn)玉等[5]研究表明，近年來雙季稻溫度生長期及安全生長期的熱量資源均有明顯增多趨勢，雙季早稻安全播種期明顯提前，雙季晚稻安全齊穗期發(fā)生延后現(xiàn)象。張建平等[6]研究表明，氣候變化導(dǎo)致我國南方大部分地區(qū)雙季稻生長季有所縮短，雙季稻產(chǎn)量有所下降。葉清等[7]研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化背景下南方稻作區(qū)水稻潛在生長季長度呈先增后減的變化趨勢，且單季稻及雙季稻增長幅度有差異。艾治勇等[8]在研究長江中游地區(qū)雙季稻時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣候及雙季稻安全生產(chǎn)日期變化并不顯著。張彩霞等[9]研究表明，晚稻氣候適宜度、光照適宜度及溫度適宜度皆呈由東向西逐漸遞減的空間分布特征，降水適宜度空間分布特征不明顯，晚稻抽穗開花期的溫度、降水適宜度均較低。劉維等[10]分析認(rèn)為，氣候變暖背景下華南和江南地區(qū)提前移栽有利于提高早稻抽穗開花至乳熟成熟期溫度適宜度，同時(shí)降低高溫日數(shù)，有效避開高溫?zé)岷υ绲镜挠绊?。還有部分研究者針對安徽[11-13]、江蘇[14]、湖南[15-16]、湖北[17]、江西[18-20]等地雙季稻生產(chǎn)過程中熱量條件及溫度適宜度進(jìn)行了專門的研究與分析。但目前關(guān)于氣候變化對長江中下游地區(qū)雙季稻起止日期、活動積溫等熱量資源影響的研究較少，也缺乏對長江中下游雙季稻適種區(qū)的系統(tǒng)劃分。

本研究根據(jù)長江中下游地區(qū)各站點(diǎn)雙季早稻適播期情況，以及87個(gè)氣象觀測站1960―2012年的氣象觀測數(shù)據(jù)，將水稻全生育期分為6個(gè)階段，基于6個(gè)階段中各種氣象條件變化引起的各生育期氣候適宜性差異，研究長江中下游雙季稻區(qū)雙季稻生長季熱量資源的時(shí)空演變特征及溫度適宜度的變化規(guī)律，以期為合理調(diào)整雙季稻種植結(jié)構(gòu)提供重要的理論依據(jù)。

1 資料來源與分析方法

1.1 氣象資料來源

為系統(tǒng)分析近年來長江中下游地區(qū)雙季稻生長季熱量資源的變化情況，定量評價(jià)熱量資源是否滿足早晚稻生長發(fā)育的需求，選擇長江中下游地區(qū)常規(guī)氣象觀測站1960―2012年間逐日平均氣溫觀測資料作為研究對象，各站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心氣象資料室。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：(1)考慮雙季稻種植區(qū)所需要的地形及氣候特點(diǎn)，剔除海拔較高的站點(diǎn)(黃山、廬山等)。(2)對于數(shù)據(jù)資料長度不一致的站點(diǎn)予以剔除，即剔除起始年在1960年后、結(jié)束年不在2012年或者中間幾年缺測的站點(diǎn)；對于各年內(nèi)缺測值少于5 d的數(shù)據(jù)采用5日滑動平均法[21]予以訂正，缺測值多于5 d的數(shù)據(jù)予以剔除。經(jīng)過上述預(yù)處理，獲得長江中下游地區(qū)(安徽、江蘇、湖南、湖北、浙江、江西)均勻分布的87個(gè)站點(diǎn)(圖1)逐日平均溫度資料，用于后續(xù)分析。

圖1 長江中下游雙季稻種植區(qū)主要?dú)庀笥^測站點(diǎn)分布圖

1.2 雙季稻起止日序、生長期及活動積溫的計(jì)算

本研究采用5日滑動平均法[21]確定逐年穩(wěn)定通過10 ℃的初日作為早稻露天育秧的界限溫度，以穩(wěn)定通過15 ℃作為晚稻安全齊穗期的界限溫度，將早稻育秧期的起始日序與晚稻安全齊穗期終止日序間隔天數(shù)作為雙季稻安全生產(chǎn)期。生長季內(nèi)≥10 ℃的活動積溫反映了雙季早稻及晚稻全生育期對熱量條件的要求。對穩(wěn)定通過10 ℃的初日、穩(wěn)定通過15 ℃的終日及雙季稻安全生產(chǎn)期均按80%保證率取值。

1.3 溫度適宜度模型的構(gòu)建

溫度適宜度是溫度對水稻生長的適宜程度。根據(jù)馬樹慶[22]的研究，水稻不同生育期溫度適宜度模型可用下式進(jìn)行評價(jià)：

S(t)=[(T-T1)(T2-T)B]/[(T0-T1)(T2-T0)B]。

(1)

B=(T2-T0)/(T0-T1)。

(2)

式中：S(t)為溫度對作物生長發(fā)育的適宜程度；T為生育階段逐日平均溫度(℃)；T1、T2、T0分別為該日所對應(yīng)水稻某一生育期內(nèi)的下限溫度、上限溫度和最適宜溫度(℃)。當(dāng)T=T0時(shí)，S(t)=1，表明溫度對水稻生長發(fā)育促進(jìn)作用最大；當(dāng)T≥T2或者T≤T1時(shí)，S(t)=0，表明溫度直接限制水稻的生長發(fā)育；當(dāng)T1

表1 雙季稻各生育期的臨界溫度

1.4 早晚稻全生育期溫度適宜度

早晚稻全生育期溫度適宜度采用下式計(jì)算：

(3)

式中：S(T)為雙季稻全生育期溫度適宜度；ai為雙季稻不同生育階段溫度適宜度權(quán)重；Si(t)為雙季稻不同生育階段溫度適宜度值。本研究采用加權(quán)平均法確定雙季稻全生育期溫度適宜度。

1.5 雙季稻種植區(qū)溫度適宜度分區(qū)方法

本研究利用長江中下游地區(qū)87個(gè)氣象站點(diǎn)53年的逐日平均溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得各站點(diǎn)早晚稻全生育期溫度適宜度值，運(yùn)用反距離權(quán)重插值生成長江中下游地區(qū)早晚稻的溫度適宜度空間分布圖，再運(yùn)用ArcGis 10.0中空間分析模塊將兩者的空間適宜性進(jìn)行疊加分析，將長江中下游地區(qū)雙季稻溫度適宜度分為4個(gè)區(qū)域：最適宜區(qū)、適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季稻起止日序、安全生產(chǎn)期及生長季內(nèi)活動積溫的時(shí)空分布特征

2.1.1 空間分布 早稻穩(wěn)定通過10 ℃起始日序及晚稻穩(wěn)定通過15 ℃終止日序空間分布如圖2(a、b)所示。

圖2 長江中下游雙季稻種植區(qū)起止日序、安全生產(chǎn)期及生長季內(nèi)活動積溫的空間分布特征

圖2(a)表明，長江中下游地區(qū)早稻適播期從南到北逐漸延遲，具有明顯的帶狀分布特征。其中湖南零陵、衡陽一帶，江西宜春-樟樹-景德鎮(zhèn)-貴溪以南，浙江麗水附近適播期較早，約在2月中旬到3月上旬即可進(jìn)行育秧播種；江蘇大部分地區(qū)，安徽安慶-寧國沿線以北，湖北房縣、鐘祥以北以及浙江石浦以北早稻適播期較晚，約在3月中旬到4月上旬。近53年來，整個(gè)長江中下游地區(qū)早稻適播期在3月15日前后(表2)，分區(qū)域看，長江中下游地區(qū)適宜播期從早到晚依次為江西、湖南、浙江、湖北、安徽、江蘇，適播期分別為3月1日、3月8日、3月12日、3月16日、3月25日和4月1日。

表2 長江中下游雙季稻種植區(qū)起止日期、安全生產(chǎn)期及生長季內(nèi)活動積溫的變化情況

圖2(b)表明，雙季晚稻安全齊穗期空間分布格局與早稻育秧期呈現(xiàn)明顯相反趨勢，即早稻育秧時(shí)間越早，晚稻安全齊穗時(shí)間越晚，雙季稻生長季越長，熱量資源越豐富，越有利于水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量形成。其中湖南零陵、衡陽一帶，江西全境以及浙南地區(qū)雙季稻安全齊穗期較晚，而蘇北、皖北雙季稻安全齊穗期較早，較易受低溫影響，不利于水稻生長，大致上長江中下游晚稻成熟期80%保證率安徽最早，江蘇、湖北、湖南次之，江西、浙江最晚。

圖2(c)表明，長江中下游南部地區(qū)雙季稻安全生長期高于北部地區(qū)。其中湖南南部零陵、衡陽，江西宜春、漳州、波陽沿線以南一帶，浙江麗水附近水稻安全生產(chǎn)期較長，為249～278 d；而湖北房縣、老河口附近、安徽及江蘇地區(qū)水稻安全生產(chǎn)期為202～232 d；整個(gè)長江中下游地區(qū)雙季稻生長季平均約237 d，且各區(qū)域生長季長短不一。整個(gè)長江中下游地區(qū)雙季稻生長季內(nèi)熱量資源分布具有明顯的差異(圖2(d))，大致上從南到北熱量資源依次遞減，熱量資源的分布格局與雙季稻安全生長期較為相似，局部地區(qū)(如遂川、屯溪)熱量資源達(dá)到6 085 ℃以上。分區(qū)域看，江西、湖南、浙江熱量資源最為豐富，分別達(dá)到5 782.6，5 732.6和5 438 ℃，安徽、湖北次之，依次為5 168.6和5 121.6 ℃，江蘇熱量資源相對較少，約為4 725 ℃。

2.1.2 年際變化 1960-2012年長江中下游地區(qū)早稻育秧期、晚稻齊穗期、雙季稻安全生產(chǎn)期及安全期內(nèi)活動積溫值的年際變化見圖3。

圖3 長江中下游雙季稻種植區(qū)起止日序、安全生產(chǎn)期及生長季內(nèi)活動積溫年際變化情況

由圖3可知，近53年來雙季稻起止日序、安全生產(chǎn)期及活動積溫年際變化具有明顯的震蕩特點(diǎn)，在整個(gè)分析期內(nèi)，早稻育秧期起始日序具有明顯下降趨勢，而晚稻齊穗期及安全生產(chǎn)期具有明顯上升趨勢，雙季稻生長季內(nèi)活動積溫變化最為顯著。由圖3(a)可知，1960―2012年長江中下游地區(qū)早稻育秧起始日序年際變化為49～95 d，最大值出現(xiàn)在1988年，最佳適播期推遲到4月5日；2002年為最小值，育秧時(shí)間可提前到2月18日前后?？傮w上看，整個(gè)研究階段內(nèi)早稻育秧日期以2.7 d/10a的傾向率提前。雙季晚稻齊穗期年際變化幅度較大(圖3(b))，以1.3 d/10a的傾向率向后推遲，晚稻安全齊穗期時(shí)間約在9月24日-10月20日，分別對應(yīng)1981年、2012年。由圖3(c)和圖3(d)可知，雙季稻安全生產(chǎn)期以4 d/10a的傾向率逐漸延長，活動積溫以61 ℃/10a的速度增加，全球氣候變化在一定程度上有利于雙季稻的生長發(fā)育。

2.2 雙季稻溫度適宜度的時(shí)空變化趨勢

2.2.1 早稻各生育期溫度適宜度的空間分布 長江中下游地區(qū)早稻各生育期溫度適宜度值見圖4。

圖4 長江中下游雙季早稻各生育期溫度適宜度的空間分布特征

由圖4(a)可見，早稻秧苗期溫度適宜度的分布由西南向東北逐漸遞減，江西吉安、南城以南一帶適宜度最大；湖南東南部，江西北部，浙江衢州、金華、麗水一帶，湖北的巴東、宜昌附近次之；江蘇東北部一帶最低。整個(gè)長江中下游地區(qū)秧苗期早稻溫度適宜度值普遍較低，早稻秧苗期溫度過低，易造成爛秧，進(jìn)而削減種植面積，因此應(yīng)做好保溫工作。早稻返青期溫度適宜度(圖4(b))分布情況與秧苗期相似，適宜度數(shù)值明顯增加，其中江西南城、遂川一帶適宜度值已達(dá)到0.5以上，但整個(gè)長江中下游地區(qū)早稻返青期溫度適宜度仍然較低，易造成活株返青緩慢，生長不良。早稻分蘗期溫度適宜度(圖4(c))除數(shù)值較返青期有所增加外，整體分布情況與返青期類似，其中安徽，江蘇，浙江麗水、衢州以東，湖北的房縣、老河口、來鳳、恩施一帶，湖南的桑植、安化、芷江沿線以西適宜度值偏低，約在0.54以下，在水稻分蘗過程中會遇低溫天氣影響，易造成早稻僵苗不發(fā)、延長水稻發(fā)育進(jìn)程。早稻孕穗期溫度適宜度(圖4(d))較分蘗期有顯著提高，但分布情況與分蘗期無明顯變化，中部地區(qū)相對較高，東部地區(qū)及西部地區(qū)適宜度略低。孕穗期溫度低會造成穎花不育，推遲發(fā)育，降低水稻品質(zhì)及產(chǎn)量。早稻開花期溫度適宜度(圖4(e))值為0.54～0.85，溫度適宜度整體較好，溫度條件能較好地滿足水稻對熱量條件的需求。早稻成熟期溫度適宜度(圖4(f))則表現(xiàn)為由南向北遞增，適宜度的空間分布與開花期相反，適宜度值為0.53～0.90，熱量條件相對較好，有利于水稻的生長發(fā)育。

2.2.2 晚稻各生育期溫度適宜度的空間分布 長江中下游地區(qū)晚稻各生育期溫度適宜度值如圖5所示。

圖5 長江中下游雙季晚稻各生育期溫度適宜度的空間分布特征

由圖5(a)可見，晚稻秧苗期溫度適宜度高值區(qū)主要集中在湖北西北部，安徽霍山、巢湖、合肥沿線以北地區(qū)及江蘇大部分地區(qū)，低值區(qū)主要分布在湖南零陵、雙峰，江西宜春、景德鎮(zhèn)沿線以南以及浙江的衢州、麗水等局部地區(qū)，整體溫度適宜度均在0.89以上。晚稻返青期溫度適宜度(圖5(b))空間分布格局與晚稻秧苗期溫度適宜度較為相似，整體溫度適宜度值較秧苗期略有降低，適宜度值在0.75～0.98。晚稻分蘗期溫度適宜度(圖5(c))值均在0.90以上，適宜度較返青期增加，能充分滿足晚稻分蘗期對熱量條件的需求。晚稻孕穗期溫度適宜度值(圖5(d))自南向北逐漸降低，具有明顯的帶狀分布特征，湖南東南部、江西及浙江地區(qū)適宜度最高，湖北巴東、鐘祥，安徽的霍山、壽縣以北地區(qū)以及蘇北贛徐附近最低，適宜度值較分蘗期有所下降。晚稻開花期溫度適宜度(圖5(e))較孕穗期有明顯下降，適宜度值為0.28～0.79，但分布仍呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢，高值區(qū)集中于浙南、江西、湖南東南部地區(qū)，低值區(qū)多集中在湖北房縣、老河口，安徽阜陽、宿縣以北，江蘇徐贛地區(qū)，此時(shí)北方冷空氣南下溫度逐步降低，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生“寒露風(fēng)”災(zāi)害，造成穎花不育，空粒增加，導(dǎo)致減產(chǎn)。晚稻成熟期適宜度(圖5(f))與孕穗期適宜度分布相似，但適宜度值下降。

2.2.3 雙季稻全生育期溫度適宜度的空間分布 長江中下游地區(qū)雙季稻全生育期溫度適宜度值如圖6所示。

圖6 長江中下游雙季稻全生育期溫度適宜度的空間分布特征

由圖6(a)可見，早稻全生育期溫度適宜度自西南向東北遞減，受海陸地形分布的影響較大，東部地區(qū)氣溫較低，西部內(nèi)陸稍高，但整體而言依然偏低，適宜度值為0.40～0.68，不能很好滿足水稻的熱量需求，是早稻生長的一個(gè)重要限制條件。晚稻全生育期溫度適宜度(圖6(b))自南向北遞減，江西廣昌附近、浙江石浦玉環(huán)一帶最高，湖南武岡、衡陽、平江，江西修水、波陽，浙江衢州、杭州，江蘇吳縣、東山、呂泗沿線以北大部分地區(qū)次之，湖北房縣、老河口，安徽霍山、壽縣、宿縣以北以及徐贛地區(qū)最低，但整體而言溫度適宜度較高，有利于水稻生長發(fā)育期間熱量積累。

2.2.4 雙季稻各生育期適宜度年際變化 長江中下游地區(qū)早晚稻各生育期溫度適宜度及全生育期溫度適宜度年際變化結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可見，早稻從秧苗期到分蘗期溫度適宜度值普遍較低，溫度適宜度值隨著水稻發(fā)育進(jìn)程逐漸提高，1960―1990其適宜度值變化相對較穩(wěn)定，到20世紀(jì)90年代后期，其溫度適宜度值有顯著的上升趨勢，具有明顯的階段性特征。而早稻從孕穗期到成熟期溫度適宜度值普遍較高，為0.6～1.0，在整個(gè)研究期溫度適宜度值相對較穩(wěn)定，熱量條件能夠較好地滿足水稻后期生長需求。分析水稻全生育期溫度適宜度發(fā)現(xiàn)，其值在0.5上下波動，熱量條件相對較差，很難滿足水稻整個(gè)生長過程對熱量條件的需求，主要是由于早稻生長前期南方低溫天氣限制了水稻的生長發(fā)育進(jìn)程。從圖7(b)可知，在整個(gè)研究階段，晚稻除開花期及成熟期溫度適宜度值震蕩劇烈，且較低外，在晚稻發(fā)育早期溫度適宜度普遍較好，均處于0.8以上，且相對較為穩(wěn)定，熱量條件較好，其全生育期溫度適宜度值也穩(wěn)定在0.8左右波動，較易滿足晚稻生育期內(nèi)的熱量需求。

從圖7還可以發(fā)現(xiàn)，早晚稻溫度適宜度都在上升，晚稻溫度適宜度以0.004/10a的速度上升，而早稻溫度適宜度以0.015/10a的速度上升。所以，盡管早稻的溫度適宜度低于晚稻，但早稻溫度適宜度的上升趨勢要比晚稻快，由此可見，在氣候變暖的大背景下，雙季稻生長季均不同程度地增加了溫度適宜度，氣候變暖對早稻生長季各生育期的影響要大于晚稻生長季各生育期。

圖7 長江中下游雙季稻各生育期溫度適宜度年際變化

2.3 長江中下游地區(qū)雙季稻溫度適宜度分區(qū)

長江中下游地區(qū)雙季稻溫度適宜度分區(qū)見圖8。

圖8 長江中下游地區(qū)雙季稻溫度適宜度分區(qū)

由圖8可見，長江中下游雙季稻最適宜區(qū)主要分布在湖南零陵附近、江西大部分區(qū)域以及浙江麗水一帶。這一地區(qū)春季升溫較快，能充分保證早稻秧苗出苗分蘗和營養(yǎng)生長，而秋天溫度也滿足晚稻的安全齊穗期，安全生產(chǎn)期較長，雙季稻安全生產(chǎn)期內(nèi)活動積溫為5 638～6 531 ℃，符合水稻的熱量需求。湖南零陵、衡陽以北，湖北老河口、棗陽以南，安徽安慶以南，江西以北邊緣地帶以及浙江衢州、洪家西南部地區(qū)是雙季稻適宜區(qū)，該地區(qū)雙季稻安全生產(chǎn)期為233～248 d，安全生長期內(nèi)活動積溫為5 191～5 637 ℃，能基本滿足雙季稻對熱量條件的需求，但該區(qū)域在晚稻孕穗期易遭受北方冷空氣南下的影響，造成晚稻千粒質(zhì)量下降，空殼率增加，因此，要注意晚稻孕穗期由于冷空氣南下造成的“寒露風(fēng)”災(zāi)害。雙季稻次適宜區(qū)主要分布在湖北老河口以北，安徽安慶以北，浙江東北部以及江蘇的溧陽一帶，該區(qū)域雙季稻安全生長期內(nèi)活動積溫為4 744～5 190 ℃，不能很好滿足水稻生長對熱量的需求，尤其在晚稻孕穗及成熟期，易受低溫影響導(dǎo)致穎花不育，空粒增加。不適宜區(qū)主要位于江蘇東北部大部分地區(qū)，該地區(qū)春季升溫慢，雙季稻安全生長期內(nèi)活動積溫相對較低，早稻生長前期及晚稻生長后期易遭受低溫天氣影響，應(yīng)注意防止“小滿寒”及“寒露風(fēng)”災(zāi)害。

3 討論與結(jié)論

本研究以長江中下游地區(qū)均勻分布的87個(gè)氣象觀測站點(diǎn)1960―2012年的常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)為依托，系統(tǒng)研究了長江中下游地區(qū)雙季稻生產(chǎn)起止日序、安全生產(chǎn)期和生長季內(nèi)活動積溫的時(shí)空分布情況。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了雙季稻各生育期溫度適宜度模型，系統(tǒng)分析了雙季稻各生育期溫度適宜度的時(shí)空變化規(guī)律，并對雙季稻種植區(qū)進(jìn)行了劃分。研究結(jié)果表明，雙季稻種植起止日序存在明顯的南北差異，安全生產(chǎn)期和生長期內(nèi)活動積溫值從南到北減少，雙季稻生長季起止日序、各項(xiàng)熱量指標(biāo)以及全生育期溫度適宜度值均具有微弱的上升趨勢，表明全球氣候變化對雙季稻的安全生產(chǎn)具有一定促進(jìn)作用。此外，對雙季稻區(qū)進(jìn)行適宜度劃分發(fā)現(xiàn)，雙季稻適種區(qū)主要分布在江西、湖南以及湖北南部大部分區(qū)域。該研究結(jié)果對我國雙季稻區(qū)稻作制度的確定提供了科學(xué)依據(jù)。

但本研究也存在很多不足之處，首先，本研究區(qū)域相對較大，站點(diǎn)資料相對有限，站點(diǎn)與實(shí)際雙季稻種植區(qū)具有一定的距離，可能會導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)際存在部分偏差；其次，雙季稻生長過程中不僅受溫度影響，降雨及日照條件也是限制水稻發(fā)育過程中的關(guān)鍵氣象因子，因此今后需進(jìn)一步研究由光照、溫度及降水決定的雙季稻區(qū)氣候適宜度。