氣候變化對(duì)廣西雙季稻種植布局的影響*

黃 維，吳炫柯**，劉永裕，何 燕，安佳君

氣候變化對(duì)廣西雙季稻種植布局的影響*

黃 維1，吳炫柯1**，劉永裕1，何 燕2，安佳君1

（1.柳州市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，柳州 545003；2.廣西氣象科學(xué)研究所，南寧 530022）

利用1960?2019年廣西91個(gè)氣象站逐日氣溫和日照時(shí)數(shù)資料，將研究時(shí)段分成前30a（P1：1960?1989年）和后30a（P2：1990?2019年）兩個(gè)階段，分析影響水稻種植布局的4個(gè)關(guān)鍵氣候因子即雙季稻安全生育期、安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫、全年日平均氣溫≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)和年平均氣溫的變化規(guī)律，采用等權(quán)重原則對(duì)兩個(gè)階段的關(guān)鍵氣候因子進(jìn)行評(píng)估打分，根據(jù)總得分將廣西雙季稻種植劃分為單季再生稻（S+R）、早中熟雙季稻（E+M）、中遲熟雙季稻（M+L）和遲熟雙季稻（L+L）4個(gè)氣候適宜區(qū)組合模式，并分析兩個(gè)階段內(nèi)雙季稻不同組合模式的空間分布特征及變化規(guī)律。結(jié)果表明：桂北和桂西水稻安全生育期顯著延長(zhǎng)，研究區(qū)大部分地區(qū)安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫和年平均氣溫顯著上升，而全年日平均氣溫≥10℃日照總時(shí)數(shù)顯著下降。熱量資源在空間上呈現(xiàn)向北向高海拔地區(qū)遞增趨勢(shì)，而日照時(shí)數(shù)由北向南減少，后30a（1990?2019年）單季再生稻和中遲熟雙季稻氣候適宜區(qū)面積較前30a（1960?1989年）分別提高2.1個(gè)和4.2個(gè)百分點(diǎn)，而早中熟雙季稻和遲熟雙季稻氣候適宜區(qū)面積較前30a（1960?1989年）分別下降了3.6個(gè)和2.7個(gè)百分點(diǎn)，變化顯著的區(qū)域主要分布在桂林陽(yáng)朔、荔浦地區(qū)，賀州市區(qū)周邊以及南寧馬山、隆安地區(qū)。

氣候變化；水稻；種植區(qū)劃；廣西

氣候變化已成為不容置疑的事實(shí)。政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）第五次報(bào)告指出，近100a內(nèi)，全球平均溫度已升高0.85℃，近60a上升尤其明顯[1?2]。中國(guó)氣候變化趨勢(shì)與全球氣候變化的總趨勢(shì)基本一致，近百年來(lái)地表年均氣溫升高0.5～0.8℃，北方地區(qū)增加幅度大于南方地區(qū)[3]，與此同時(shí)，日照時(shí)數(shù)呈總體減少趨勢(shì)，夏季下降幅度最大，秋季、冬季次之，春季最小[4]。這種以變暖為顯著特點(diǎn)的氣候變化，已對(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源、農(nóng)作物氣候生產(chǎn)潛力和氣候資源利用率、農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)種植制度和品種布局等產(chǎn)生了一系列不可忽視的影響[5?7]。其中，對(duì)農(nóng)業(yè)種植制度和品質(zhì)布局的影響主要體現(xiàn)在作物種植界線和多熟制種植界線北移高擴(kuò)[8?13]，作物品種布局和作物種植結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變[14?16]，作物復(fù)種指數(shù)大幅度提高[17]等方面。

水稻是中國(guó)主要糧食作物，種植區(qū)從北向南跨越了溫帶、亞熱帶及熱帶地區(qū)，分布很廣，種植制度主要包括一年一熟、一年兩熟、一年三熟、兩年三熟[18]。自1978年以來(lái)，中國(guó)大多數(shù)地區(qū)水稻種植面積縮減，特別是傳統(tǒng)的南方水稻主產(chǎn)區(qū)減少較多[19]。廣西位于中國(guó)南部的低緯度地區(qū)，氣候資源豐富，是南方地區(qū)重要的雙季稻種植區(qū)，水稻熟性搭配模式主要為單季再生稻、早中熟雙季稻、中遲熟雙季稻和遲熟雙季稻，其中單季再生稻熱量需求較小，主要分布在桂北桂西高海拔地區(qū)，遲熟雙季稻分布在安全生長(zhǎng)季較長(zhǎng)的桂南和右江河谷一帶，而早中熟雙季稻和中遲熟雙季稻主要分布在廣西中部[20?21]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年廣西水稻種植面積1.75×106hm2，占全區(qū)糧食總種植面積的63%，產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)的74%[22]，水稻生產(chǎn)在該區(qū)域糧食生產(chǎn)中占有十分重要的地位，但自1995年以來(lái)水稻種植面積呈連續(xù)下降趨勢(shì)，穩(wěn)定該地區(qū)水稻種植面積對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要意義。

在全球氣候變化的影響下，水稻種植制度及空間布局發(fā)生顯著變化。已有研究表明，中國(guó)東北地區(qū)水稻種植界限已北移4個(gè)緯度帶，南方水稻品種逐漸向北方擴(kuò)展[6]，早熟種植區(qū)面積減小而晚熟種植區(qū)面積擴(kuò)大[23]。廣西水稻產(chǎn)區(qū)年平均氣溫及各季節(jié)平均氣溫普遍呈上升趨勢(shì)，水稻發(fā)育期已發(fā)生顯著變化，農(nóng)業(yè)氣候資源配置格局改變[21]，但關(guān)于氣候變化對(duì)廣西雙季稻種植布局的影響卻鮮有探討，因此，本研究以1960?2019年氣象資料為數(shù)據(jù)源，分析影響廣西水稻布局關(guān)鍵氣候因子的變化趨勢(shì)，并將研究時(shí)段劃分為P1（1960?1989 年）和P2（1990?2019年）2個(gè)時(shí)段，分別對(duì)兩個(gè)時(shí)段的水稻種植布局進(jìn)行區(qū)劃，嘗試分析氣候變化對(duì)廣西雙季稻種植布局的影響，旨在為制定廣西地區(qū)水稻種植計(jì)劃和優(yōu)化生產(chǎn)布局提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 資料及其來(lái)源

從廣西氣象局獲取1960?2019年廣西91個(gè)氣象觀測(cè)站逐日氣象資料，包括日平均氣溫和日照時(shí)數(shù)，氣象觀測(cè)站空間分布如圖1所示。從國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心獲取廣西地區(qū)1:25萬(wàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，包括DEM數(shù)據(jù)和地市級(jí)行政矢量邊界等，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、重采樣和裁剪，提取出1km×1km空間分辨率的廣西DEM數(shù)據(jù)，并從DEM數(shù)據(jù)中提取經(jīng)度和緯度的柵格數(shù)據(jù)備用。另外從中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/）獲取20世紀(jì)80年代末期（1990年）和2018年共2期廣西土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)空間分辨率為1km×1km，并提取出水田類型區(qū)域，即有水源保證和灌溉設(shè)施，在一般年景能正常灌溉，用以種植水稻、蓮藕等水生農(nóng)作物的耕地，包括實(shí)行水稻和旱地作物輪種的耕地。數(shù)據(jù)處理均在ArcGIS10.3平臺(tái)進(jìn)行，制圖均采用阿伯斯投影坐標(biāo)系。

圖1 廣西91個(gè)氣象觀測(cè)站空間分布

1.2 關(guān)鍵氣候因子

選取雙季稻安全生育期天數(shù)（D）、安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫（AT）、全年日平均氣溫≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)（SH）和年平均氣溫（T）作為影響廣西雙季稻布局的關(guān)鍵氣候因子[20]。雙季稻安全生育期指早稻安全播種期?晚稻安全齊穗期的持續(xù)時(shí)間，早稻安全播種期為上半年日平均氣溫穩(wěn)定通過12℃的初日[21]，晚稻安全齊穗期為下半年日平均氣溫穩(wěn)定通過22℃終日，初終日均采用5日滑動(dòng)平均法計(jì)算[24?25]。

1.3 趨勢(shì)分析方法

采用直線回歸方法分析各因子的時(shí)間變化趨勢(shì)[26]，即

式中， xt為氣候因子變量的擬合值; a0為變量初始值；a1為趨勢(shì)系數(shù)；t為時(shí)間。a1正值表示x隨時(shí)間t呈增加趨勢(shì)，反之呈減少趨勢(shì)，a1×10為氣候傾向率，表示各氣候因子每10a的變化率，采用α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)趨勢(shì)系數(shù)的顯著性[27]。

1.4 氣候因子空間推算模型

利用91個(gè)氣象觀測(cè)站關(guān)鍵氣候因子的平均值，使用逐步回歸法建立其與經(jīng)度、緯度、高程的回歸方程，并計(jì)算殘差，采用反距離權(quán)重（IDW）插值法對(duì)殘差進(jìn)行插值。氣候因子與地理因子的關(guān)系模型可表示為[28?29]

式中，y為關(guān)鍵氣候因子，f(x1,x2,x3)為氣候因子推算值，ε為地理殘差。

1.5 區(qū)域劃分

由于關(guān)鍵氣候因子的單位不一致，為使其無(wú)量綱化，采用專家打分法對(duì)各關(guān)鍵氣候因子進(jìn)行分級(jí)打分，參考文獻(xiàn)[20]，依次將落在單季再生稻（S+R）、早中熟雙季稻（E+M）、中遲熟雙季稻（M+L）和遲熟雙季稻（L+L）氣候適宜區(qū)的氣候因子分別評(píng)為4分、8分、12分、16分，最后根據(jù)區(qū)域內(nèi)4個(gè)氣候因子總得分（G）將廣西稻區(qū)劃分為遲熟雙季稻氣候適宜氣候區(qū)（G=64分）、中遲熟雙季稻氣候適宜區(qū)（48 分≤G＜64 分）、早中熟雙季稻氣候適宜區(qū)（32 分≤G＜48 分）以及單季再生稻氣候適宜區(qū)（16分≤G＜32分），如表1所示。

表1 影響雙季稻布局關(guān)鍵氣候因子的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

注：S+R為單季再生稻，E+M為早中熟雙季稻，M+L為中遲熟雙季稻，L+L為遲熟雙季稻，D為雙季稻安全生育期，AT為安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫，SH為全年日平均氣溫≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)，T為年平均氣溫。下同。

Note: S+R is single cropping + ratooning. E+M is early maturing + medium maturing. M+L is medium maturing + late maturing. L+L is late maturing + late maturing. D is safe days of growth period of double cropping rice. AT is the active integrated temperature (≥10℃) during safe growth period. SH is the total sunshine hours during the period of daily average temperature above 10℃ in a year. T is annual average temperature. Each climatic factor is rated as 4 points, 8 points, 12 points and 16 points according to whether they meet corresponding climatic condition of S+R, E+M, M+L and L+L. The same as below.

2 結(jié)果與分析

2.1 影響雙季稻布局關(guān)鍵氣候因子的時(shí)間變化

2.1.1 線性變化趨勢(shì)

由圖2a可見，研究期內(nèi)（1960?2019年）91個(gè)氣象觀測(cè)站中45.6%站點(diǎn)的雙季稻安全生育期（D）表現(xiàn)出明顯的延長(zhǎng)趨勢(shì)，線性傾向率在2.4～5.5d·10a?1（P＜0.05），這些站點(diǎn)主要分布在桂西區(qū)域以及桂林市、柳州市北部為主的桂北，貴港市平南觀測(cè)站變化最快，桂林市龍勝觀測(cè)站變化最慢，百色、河池、來(lái)賓、梧州、南寧、北海也有一些站點(diǎn)延長(zhǎng)，其余54.4%氣象觀測(cè)站變化趨勢(shì)不顯著。

由圖2b可見，73.6%氣象觀測(cè)站的雙季稻安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫（AT）均表現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，其線性變化傾向率為54.2～172.3℃·d·10a?1（P＜0.05），主要分布在研究區(qū)東北部和西南部，防城港市防城觀測(cè)站增加最快，桂林市灌陽(yáng)觀測(cè)站增加最慢，其余26.4%氣象觀測(cè)站無(wú)顯著變化趨勢(shì)。

由圖2c可見，58.2%氣象觀測(cè)站的全年日平均溫度≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)（SH）變化趨勢(shì)明顯，其中北海市合浦觀測(cè)站的全年日平均溫度≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)（SH）呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，線性變化傾向率為0.3h·10a?1（P＜0.05），其余變化趨勢(shì)顯著的氣象站呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，研究區(qū)各地市均有分布，線性變化傾向率在21.6～76.6h·10a?1（P＜0.05），百色市右江觀測(cè)站下降速度最快，百色市凌云觀測(cè)站下降速度最慢，其余41.8%氣象觀測(cè)站無(wú)顯著變化趨勢(shì)。

由圖2d可見，94.5%氣象觀測(cè)站的年平均氣溫（T）呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，線性變化傾向率在0.1～0.4℃·10a?1（P＜0.05），與研究區(qū)中部相比，桂北、桂東、桂南、桂西上升速度較快，防城港觀測(cè)站上升速度最快，百色市右江觀測(cè)站上升速度最慢，其余5.5%氣象觀測(cè)站的年平均氣溫（T）變化趨勢(shì)不顯著。

可見，研究時(shí)段內(nèi)桂北和桂西水稻安全生育期顯著延長(zhǎng)，研究區(qū)大部分地區(qū)安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫和年平均氣溫顯著增加，而全年日平均氣溫≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)顯著下降，光熱資源的顯著變化為當(dāng)?shù)仉p季稻種植布局的調(diào)整提供了條件。

圖2 廣西91個(gè)氣象站1960?2019年4個(gè)關(guān)鍵氣候因子的線性變化傾向率

2.1.2 階段變化特征

將研究區(qū)91個(gè)氣象站1960?2019年的資料劃分為前30a（P1：1960?1989年）和后30a（P2：1990?2019年）兩個(gè)階段，分別計(jì)算兩個(gè)階段關(guān)鍵氣候因子1/4分位數(shù)（Q1）、中位數(shù)（Q2）、3/4分位數(shù)（Q3）和平均值，制作箱圖，并對(duì)兩個(gè)時(shí)段的平均值進(jìn)行t檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖可見，P2階段安全生育期（D）的Q1、Q2和Q3分別比P1階段長(zhǎng)8、6和11d（圖3a），安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫（AT）的Q1、Q2和Q3分別比P1階段多232、472和271℃·d（圖3b），全年日平均氣溫≥10℃日照總時(shí)數(shù)（SH）的Q1、Q2和Q3分別比P1階段少84、87和85h（圖3c），年平均氣溫（T）的Q1、Q2和Q3分別比P1階段高0.6、0.5和0.4℃（圖3d）。就兩階段各因子平均值而言，P2階段的安全生育期（D）、安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫（AT）和年平均氣溫（T）分別比P1階段大9d、254℃·d和0.5℃，均通過0.05水平顯著性檢驗(yàn)，而P2階段的全年日平均氣溫≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)（SH）比P1階段少84h，通過了0.01水平顯著性檢驗(yàn)。由以上分析可知，研究區(qū)前后兩時(shí)段的關(guān)鍵氣候因子均發(fā)生顯著變化，因此，制作P1階段和P2階段氣候因子的空間分布圖，比較兩個(gè)階段地域上的差異及變化規(guī)律，是分析氣候變化對(duì)廣西雙季稻種植布局影響的重要過程。

2.2 雙季稻布局關(guān)鍵氣候因子的空間變化

2.2.1 空間推算模型

利用各氣象觀測(cè)站的4個(gè)關(guān)鍵氣候因子分別在P1階段和P2階段的平均值，與經(jīng)度、緯度、高程進(jìn)行逐步回歸分析，采用反距離權(quán)重（IDW）插值法對(duì)殘差進(jìn)行插值計(jì)算，結(jié)果見表2。由表可知，P1階段和P2階段的雙季稻安全生育期（D）、安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫（AT）和年平均氣溫（T）的自變量包括經(jīng)度（x1）、緯度（x2）、高程（x3）全部進(jìn)入回歸模型，P1階段和P2階段全年日平均氣溫≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)（SH）的回歸模型中都剔除自變量經(jīng)度（x1），模型顯示日照時(shí)數(shù)的空間分布與經(jīng)度無(wú)關(guān)。上述關(guān)鍵氣候因子與經(jīng)緯度及高程的回歸系數(shù)均通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，模擬效果較好。

圖3 91個(gè)氣象站前30a（P1：1960?1989年）和后30a（P2：1990?2019年）4個(gè)關(guān)鍵氣候因子的統(tǒng)計(jì)分析

注：上、下兩根短線為極大值和極小值，“＋”為離群值，Q1為1/4分位數(shù)，Q2為中位數(shù)，Q3為3/4分位數(shù)。

Note: The upper and lower short lines are maximum and minimum. “+” is outlier. Q1 is 1/4 quantile. Q2 is median. Q3 is 3/4 quantile.

表2 P1階段和P2階段關(guān)鍵氣候因子的空間推算模型

注：x1、x2、x3表示經(jīng)度（°）、緯度（°）和海拔高度（m），R為相關(guān)系數(shù)，P為顯著性檢驗(yàn)。

Note: x1, x2and x3represent longitude (°), latitude (°) and elevation (m), respectively. R is correlation coefficient, P is significance test level.

2.2.2 空間分布特征

利用表2中模型計(jì)算得到P1和P2時(shí)段關(guān)鍵氣候因子的空間分布，結(jié)果見圖4。由圖可見，兩個(gè)階段影響雙季稻布局的關(guān)鍵氣候因子有一定差異。圖4a中，研究區(qū)內(nèi)滿足遲熟雙季稻（L+L）生產(chǎn)安全期條件即D≥225d的區(qū)域面積在P2階段占40.1%，而在P1階段僅占29.5%，P2比P1提高了10.6個(gè)百分點(diǎn)。具體分布上，P1階段D≥225d的區(qū)域主要分布在右江河谷一帶及研究區(qū)南部，P2階段明顯向中部擴(kuò)張，并延伸至來(lái)賓市和河池市南部，且由右江河谷向四周擴(kuò)大；滿足中遲熟雙季稻（M+L）生產(chǎn)安全期條件即205≤D＜225d的區(qū)域面積在P1階段占25.8%，P2階段占25.0%，兩個(gè)階段相差不大，但分布區(qū)域由P1階段的研究區(qū)中部包括崇左、南寧、貴港、梧州北部、來(lái)賓、柳州南部和河池中部以東地區(qū)，在P2階段明顯向北遷移，在河池中部以東繼續(xù)擴(kuò)大，同時(shí)延伸至柳州融安、融水一帶和桂林南部，并覆蓋賀州大部分地區(qū)；滿足早中熟雙季稻（E+M）生產(chǎn)安全期條件即185≤D＜205d的區(qū)域面積在P1階段占22.3%，在P2階段占20.6%，P2比P1降低了1.7個(gè)百分點(diǎn)，P1階段185≤D＜205d的區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部的低海拔地區(qū)，涉及百色南部，河池，柳州中北部和桂林中南部，以及賀州大部分地區(qū)，P2階段明顯向北、向高海拔地區(qū)遷移，主要分布地包括百色和河池高海拔地區(qū)，柳州中北部，以及桂林中部和興安、全州一帶；滿足單季再生稻（S+R）生產(chǎn)安全期條件即D＜185d的區(qū)域面積在P1階段占22.4%，P2階段占14.3%，P2比P1降低了8.1個(gè)百分點(diǎn)，P1階段D＜185d的區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部的高海拔地區(qū)，包括百色、河池、柳州和桂林北部，以及來(lái)賓東部，賀州部分高海拔地區(qū)，P2階段在P1階段基礎(chǔ)上大幅從高海拔區(qū)收縮?？梢?，后30a（P2：1990?2019年），由于氣候變化，滿足遲熟雙季稻（L+L）生產(chǎn)安全期條件的區(qū)域明顯向北擴(kuò)大，滿足早中熟雙季稻（E+M）和中遲熟雙季稻（M+L）生產(chǎn)安全期條件的區(qū)域面積變化不大，但整體向北向高海拔地區(qū)轉(zhuǎn)移，滿足單季再生稻（S+R）生產(chǎn)安全期條件的區(qū)域面積大幅度從北部和高海拔地區(qū)收縮。

從圖4b中可以看出，滿足遲熟雙季稻（L+L）生產(chǎn)的安全期≥10℃活動(dòng)積溫條件即AT≥5600℃·d的區(qū)域面積在P2階段占37.8%，在P1階段占27.7%，P2比P1提高10.1個(gè)百分點(diǎn)。P1階段AT≥5600℃·d的區(qū)域主要分布在右江河谷一帶及研究區(qū)南部，P2階段由研究區(qū)南部向中部擴(kuò)張，并延伸至來(lái)賓市北部和河池市南部，且在右江河谷的范圍擴(kuò)大；滿足中遲熟雙季稻（M+L）生產(chǎn)的安全期活動(dòng)積溫條件即5200≤AT＜5600℃·d的區(qū)域面積在P2階段占15.9%，在P1階段占17.3%，P2比P1降低了1.4個(gè)百分點(diǎn)，P1階段5200≤AT＜5600℃·d的區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部，南寧北部、來(lái)賓和柳州南部，P2階段明顯向北遷移，延伸至柳州市融安、融水一帶，在河池中部以東擴(kuò)大，桂林市南部和賀州市也有分布；滿足早中熟雙季稻（E+M）生產(chǎn)的安全期活動(dòng)積溫條件即4800≤AT＜5200℃·d的區(qū)域面積在P2所階段占14.7%，在P1階段占15.5%，兩階段面積比相差不大，P1階段4800≤AT＜5200℃·d的區(qū)域主要分布在河池中、東部，柳州中部和桂林南部，以及賀州等地，P2階段集中分布在柳州中、北部、桂林中部和賀州中、北部；滿足單季再生稻（S+R）生產(chǎn)的安全期活動(dòng)積溫條件即AT＜4800℃·d的區(qū)域面積在P2階段占31.6%，在P1階段占39.4%，P2比P1降低了7.8個(gè)百分點(diǎn)，P1階段AT＜4800℃·d的區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部，包括百色、河池、柳州和桂林北部地區(qū)，以及來(lái)賓東部，賀州部分高海拔地區(qū)，P2階段在P1階段所占區(qū)域的基礎(chǔ)上大幅度從北部和高海拔地區(qū)壓縮?？梢?，后30a（P2：1990?2019年），受氣候變暖影響，滿足遲熟雙季稻（L+L）生產(chǎn)的安全期活動(dòng)積溫條件的區(qū)域面積增加近10個(gè)百分點(diǎn)，增加面積主要集中在右江河谷和研究區(qū)中部；滿足早中熟雙季稻（E+M）和中遲熟雙季稻（M+L）生產(chǎn)的活動(dòng)積溫條件的區(qū)域面積變化不大，但整體向北遷移；滿足單季再生稻（S+R）生產(chǎn)的活動(dòng)積溫條件的區(qū)域面積大幅度從北部和高海拔地區(qū)縮減。

從圖4c中可以看出，滿足遲熟雙季稻（L+L）生產(chǎn)的全年日平均溫度≥10℃期間的年日照總時(shí)數(shù) SH≥1500h的區(qū)域面積在P2階段占31.5%，而在P1階段高達(dá)89.0%，P2比P1降低了57.5個(gè)百分點(diǎn)。P1階段SH≥1500h區(qū)域基本覆蓋整個(gè)研究區(qū)，而P2階段主要分布地區(qū)包括右江河谷地區(qū)及研究區(qū)南部、東南部等；滿足中遲熟雙季稻（M+L）、早中熟雙季稻（E+M）和單季再生稻（S+R）生產(chǎn)的全年日平均溫度≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)1300≤SH＜1500h、1100≤SH＜1300h和SH＜1100h的區(qū)域面積在P1階段所占比例均比較小，分別為9.5%、1.4%和0.1%，主要分布在研究區(qū)北部的高海拔高緯度地區(qū)，而1300≤SH＜1500h 的區(qū)域面積在P2階段占37.1%，比P1階段提高了27.6個(gè)百分點(diǎn)，主要分布在包括百色、南寧、來(lái)賓和賀州大部分地區(qū)，以及河池、柳州和桂林南部，1100≤SH＜1300h的區(qū)域面積在P2階段占25.0%，比P1階段提高了23.6個(gè)百分點(diǎn)，主要分布在研究區(qū)北部，SH＜1100h的區(qū)域面積在P2階段占6.5%，比P1階段提高了6.4%，主要分布在研究區(qū)北部的高海拔山區(qū)。從以上分析可知，后30a年（P2：1990?2019年）滿足遲熟雙季稻（L+L）生產(chǎn)的全年日平均氣溫≥10℃期間日照總時(shí)數(shù)的區(qū)域縮減至右江河谷和研究區(qū)南部一帶，而滿足中遲熟雙季稻（M+L）、早中熟雙季稻（E+M）和單季再生稻（S+R）生產(chǎn)日平均氣溫≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)的區(qū)域大幅增加，因此，日照時(shí)數(shù)的衰減成為限制遲熟雙季稻（L+L）北擴(kuò)的主要?dú)夂蛞蜃印?/p>

圖4 P1階段（1960?1989年）和P2階段（1990?2019年）4個(gè)關(guān)鍵氣候因子的空間分布

從圖4d中可以看出，滿足遲熟雙季稻（L+L）生產(chǎn)年平均氣溫T≥20.5℃的區(qū)域面積在P2階段占50.9%，在P1階段占36.3%，P2比P1提高了14.6個(gè)百分點(diǎn)。P1階段T≥20.5℃的區(qū)域主要分布在右江河谷一帶及研究區(qū)中、南部，P2階段明顯向北部擴(kuò)張，并延伸至河池市中部以東和柳州市南部，且由右江河谷向四周擴(kuò)大。滿足中遲熟雙季稻（M+L）生產(chǎn)年平均氣溫19.5≤T＜20.5℃的區(qū)域面積在P2階段占18.0%，在P1階段占17.7%，P2與P1所占比例相差不大。P1階段19.5≤T＜20.5℃的區(qū)域主要分布在研究區(qū)中北部，包括河池中部以東、柳州南部、桂林南部，以及百色、來(lái)賓、賀州部分地區(qū)，P2階段明顯向北、向高海拔地區(qū)遷移，延伸至柳州融安、融水一帶和桂林中部，并覆蓋賀州大部分地區(qū)。滿足早中熟雙季稻（E+M）生產(chǎn)年平均氣溫18.0≤T＜19.5℃的區(qū)域面積在P2階段占19.9%，在P1階段占21.6%，P2比P1降低了1.7個(gè)百分點(diǎn)。P1階段18.0≤T＜19.5℃的區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部、西部，涉及百色南部、河池、柳州北部和桂林南部，以及賀州中、北部地區(qū)，P2階段明顯向北、高海拔地區(qū)遷移，并延伸至北部的興安、全州一帶。滿足單季再生稻（S+R）生產(chǎn)年平均氣溫T＜18.0℃的區(qū)域面積在P2階段占11.2%，在P1階段占 24.4%，P2比P1下降了13.2個(gè)百分點(diǎn)。P1階段T＜18.0℃的區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部的高海拔地區(qū)，涉及百色、河池、柳州和桂林北部，以及來(lái)賓東部，賀州部分高海拔地區(qū)，P2階段T＜18.0℃的區(qū)域在P1階段所占區(qū)域的基礎(chǔ)上大幅從向高海拔地區(qū)收緊，主要分布在百色、河池和桂林北部的高海拔山區(qū)。從以上分析可知，后30a（P2：1990?2019年）滿足遲熟雙季稻（L+L）生產(chǎn)平均氣溫的區(qū)域面積占研究區(qū)面積近50%，較前30a年（P1：1960?1989年）提升幅度大，這為遲熟雙季稻（L+L）北擴(kuò)提供了豐富的熱量資源。

2.3 雙季稻種植組合的區(qū)域劃分

對(duì)影響雙季稻分布的4個(gè)關(guān)鍵氣候因子的空間分布圖層進(jìn)行運(yùn)算，分別疊加1990年和2018年廣西水田空間分布，制作P1階段和P2階段廣西雙季稻不同組合即單季再生稻（S+R）、早中熟雙季稻（E+M）、中遲熟雙季稻（M+L）和遲熟雙季稻（L+L）的氣候適宜性區(qū)劃圖，結(jié)果如圖5所示。從圖可以看出，單季再生稻（S+R）的氣候適宜區(qū)面積在P2階段占8.4%，在P1階段占6.3%，P1階段主要分布在百色那坡、西林、隆林和樂業(yè)等高海拔地區(qū)，以及河池南丹、天峨以北地區(qū)和桂林興安、全州和資源區(qū)域，P2階段仍分布在河池、桂林以北地區(qū)以及百色高海拔地區(qū)，變化幅度不大。早中熟雙季稻（E+M）的氣候適宜區(qū)面積在P2階段占18.6%，在P1階段占22.2%，P1階段主要分布在在百色靖西、德保和右江河谷一帶，以及河池巴馬、東蘭和河池中部以東地區(qū)，柳州中部，桂林中部、南部和賀州大部分區(qū)域，P2階段分布區(qū)域與P1階段大體一致，減少區(qū)域主要分布在桂林陽(yáng)朔、荔浦地區(qū)和賀州市區(qū)周邊。中遲熟雙季稻（M+L）的氣候適宜區(qū)面積在P2階段占34.7%，在P1階段占30.5%， P1階段主要分布在百色田東、平果區(qū)域，來(lái)賓市大部分地區(qū)，南寧賓陽(yáng)、上林地區(qū)以及崇左天等、大新區(qū)域，但P2階段的面積以來(lái)賓市為中心向四周擴(kuò)大，東部延伸至梧州北部，南至南寧橫縣，西至百色平果、隆安，北至桂林市南部的荔浦、平樂地區(qū)。遲熟雙季稻（L+L）的氣候適宜區(qū)面積在P2階段占38.3%，在P1階段占 41.0%，P1階段主要分布在研究區(qū)南部，以及百色右江河谷一帶，北界為南寧馬山—南寧賓陽(yáng)—貴港平南—梧州蒼梧一線，P2階段減少區(qū)域主要集中在南寧市和貴港市以及右江河谷一帶，其中右江河谷與隆安連片區(qū)域中斷，北界由南寧馬山地區(qū)回退至南寧隆安地區(qū)，貴港市遲熟雙季稻（L+L）的氣候適宜區(qū)面積在一定程度上縮減。以上分析可知，受氣候變化下光熱資源變化的影響，研究區(qū)后30a（1990?2019年）單季再生稻（S+R）和中遲熟雙季稻（M+L）氣候適宜區(qū)面積較前30a（1960?1989年）增加，而早中熟雙季稻（E+M）和遲熟雙季稻（L+L）氣候適宜區(qū)面積減少，晚熟雙季稻北移高擴(kuò)不明顯。

圖5 P1階段（1960?1989年）和P2階段（1990?2019年）雙季稻種植不同組合的區(qū)域劃分

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

指標(biāo)的選擇是水稻種植氣候區(qū)劃首要環(huán)節(jié)。目前多數(shù)學(xué)者首選熱量指標(biāo)進(jìn)行水稻種植氣候區(qū)劃，如凃方旭[30]以水稻安全生長(zhǎng)季作為區(qū)劃指標(biāo)對(duì)廣西水稻進(jìn)行區(qū)劃，但僅選擇單個(gè)因子作為農(nóng)作物氣候區(qū)劃指標(biāo)，區(qū)劃結(jié)果缺乏合理客觀性，因此以多個(gè)熱量因子為區(qū)劃指標(biāo)應(yīng)用更廣，如10～20℃有效積溫和抽穗?灌漿成熟期日平均氣溫≥27℃天數(shù)的組合指標(biāo)[31]，雙季稻安全生育期日數(shù)和≥10℃積溫的組合指標(biāo)[23]，以及通過10℃活動(dòng)積溫、水稻生長(zhǎng)期長(zhǎng)度和安全生育期天數(shù)的組合指標(biāo)[32]，組合指標(biāo)得到的區(qū)劃結(jié)果較單一因子更具有客觀性和全面性[20]。但以上區(qū)劃指標(biāo)均未考慮光照資源對(duì)水稻種植氣候區(qū)劃的影響，本研究在以往研究成果基礎(chǔ)上，參照何燕等[20，33?34]]的研究，引入日平均溫度≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)，既能充分發(fā)揮廣西熱量資源的優(yōu)勢(shì)，還能充分利用光照資源。除光熱指標(biāo)外，水分也是影響水稻生產(chǎn)的重要因子，但本研究未將降水量納入?yún)^(qū)劃指標(biāo)，主要考慮到廣西絕大部分水稻均種植在有水灌溉的地區(qū)，雨養(yǎng)稻田稀少，因此可通過廣西土地利用分類篩選出水田區(qū)域（水源保證和有灌溉措施），在理論上直接排除無(wú)灌溉條件區(qū)域以及水稻不宜種植的石山、林區(qū)、旱坡地、水域、城市居民用地等。

氣候變化下廣西大部分地區(qū)熱量資源顯著上升、光照資源下降，空間分布上熱量資源呈現(xiàn)向北向高海拔地區(qū)遞增的趨勢(shì)，而光照資源從北向南遞減，這與葉瑜等[35?36]關(guān)于廣西光熱資源變化趨勢(shì)研究基本一致。最終區(qū)劃結(jié)果為后30a（1990?2019年）單季再生稻（S+R）和中遲熟雙季稻（M+L）氣候適宜區(qū)面積較前30a（1960?1989年）增加，而早中熟雙季稻（E+M）和遲熟雙季稻（L+L）氣候適宜區(qū)面積減少，這與杜堯東等[23]研究所得的廣東晚熟＋晚熟區(qū)面積明顯擴(kuò)大和早熟＋晚熟區(qū)面積明顯減小的結(jié)論不一致，可能原因除了對(duì)水稻安全期的定義和活動(dòng)積溫的時(shí)間范圍上不一致外，是否考慮日照時(shí)數(shù)變化對(duì)水稻布局的影響和是否排除非水田區(qū)域面積所占比例有較大關(guān)系。根據(jù)桂林、柳州、南寧和玉林農(nóng)氣站以及廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的田間觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，桂林地區(qū)為有效避開春季倒春寒和秋季寒露風(fēng)影響，近60a一直沿用熟性搭配為早熟+早熟，早稻播種期均在清明前后，無(wú)明顯變化。柳州近10a早稻播種期均在春分前后，比1990s提早5d，熟性搭配已由1990s的早熟+中熟轉(zhuǎn)為中熟+中熟，且以柳州融安地區(qū)最為顯著，此外，根據(jù)柳州農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站2018?2019年分期播種試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，柳州南部早稻播種期適當(dāng)提前，采用中熟+晚熟搭配更能充分利用光熱資源和提高產(chǎn)量。玉林地區(qū)一直沿用中熟+中晚熟搭配，但早稻播種期由1990s的3月1日推遲至3月9日前后，主要原因是熱量條件的增加使中熟品種完成整個(gè)生育期的時(shí)間縮短。南寧熟性搭配為晚熟+晚熟或中熟+晚熟，各縣區(qū)均有種植，也無(wú)顯著變化。研究成果與上述各地實(shí)際情況有一定出入，一方面是由于本研究?jī)H從氣候資源的平均狀態(tài)分析，未考慮低溫冷害等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對(duì)研究區(qū)特別是桂北地區(qū)水稻生產(chǎn)的影響，另一方面由于各地水稻種植以經(jīng)驗(yàn)習(xí)慣為主，種植多沿用前人種植習(xí)慣。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，面臨重新調(diào)整熟性搭配時(shí)，不僅要考慮氣候變化下光熱資源的變化，還需綜合考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際生產(chǎn)情況以及農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害對(duì)水稻生產(chǎn)的影響，結(jié)合田間分期播種試驗(yàn)確定其可行性，最終獲取最優(yōu)熟性搭配。

3.2 結(jié)論

氣候變化背景下，桂北和桂西雙季稻安全生長(zhǎng)期顯著延長(zhǎng)，研究區(qū)大部分地區(qū)安全期內(nèi)≥10℃活動(dòng)積溫和年平均氣溫顯著上升，而全年日平均氣溫≥10℃期間的日照總時(shí)數(shù)顯著下降。區(qū)劃結(jié)果顯示，后30a（1990?2019年）單季再生稻和中遲熟雙季稻氣候適宜區(qū)面積較前30a（1960?1989年）增加，而早中熟雙季稻和遲熟雙季稻氣候適宜區(qū)面積較前30a（1960?1989年）減少，變化區(qū)域主要分布在桂林陽(yáng)朔、荔浦地區(qū)，賀州市區(qū)周邊以及南寧馬山、隆安地區(qū)。因此，充分考慮氣候變化下光熱資源變化，結(jié)合當(dāng)?shù)厮緦?shí)際生產(chǎn)情況，優(yōu)化雙季稻熟性搭配，是應(yīng)對(duì)氣候變化有效措施之一。

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Impact of Climate Change on Layout of Double Cropping Rice in Guangxi

HUANG Wei1, WU Xuan-ke1, LIU Yong-yu1, HE Yan2, AN Jia-jun1

(1.Liuzhou Agrometeorological Experimental Station, Liuzhou, Guangxi 545003, China; 2.Guangxi Institute of Meteorological Science, Nanning, Guangxi 530022)

Climate change has become an indisputable fact. According to the fifth report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), the global average temperature has increased by 0.85 ℃ in the past 100 years. Warming as the main feature of climate change has had a series of important impacts on cropping system and quality layout. Its concrete performance is as follows: crop planting boundaries moved to north and expanded to high altitude, crop variety layout and crop planting structure changed obviously, and multi-cropping indices increased significantly. Relevant researches revealed that annual and seasonal average temperature showed a roughly upward trend in paddy region of Guangxi. In addition, growth period and agricultural climate resources allocation pattern changed obviously in these areas. Layout of double cropping rice is sensitive to the change of agricultural resources. However, the impacts of climate change on the planting layout of double cropping rice in Guangxi was seldom discussed. In order to reveal the change characteristics of layout of double cropping rice under the background of climate change, meteorological data from Guangxi Meteorological Bureau and geographic data from National Geomatics Center of China were utilized in the study. Four climatic factors were selected as the key factors which affected the layout of rice planting .They were safe days of growth period of double cropping rice, active integrated temperature (≥10℃) during safe growth period, total sunshine hours during the period of daily average temperature above 10℃ in a year and annual average temperature respectively. In this paper they were abbreviated to D, AT, SH and T. Based on the daily temperature and sunshine hours of 91 meteorological stations in Guangxi from 1960 to 2019, changing trend of four key climatic factors were analyzed. The study period was divided into two phases, namely first 30 years (P1:1960?1989) and last 30 years (P2:1990?2019). The equal weight principle was used to evaluate and score each key climatic factor in the two phases. According to the total scores of four key climatic factors, double cropping rice planting zones were divided into four climatic suitable regions in Guangxi, namely regions of single cropping and ratooning rice (S+R), regions of early and medium maturing double cropping rice (E+M), regions of medium and late maturing double cropping rice (M+L) and regions of late maturing double cropping rice (L+L). Different combination patterns of double cropping rice mentioned above were determined by their demands for agricultural climatic resources. Generally speaking, demand of single cropping and ratooning rice for heat resources was small. It mainly distributed in the high altitude areas of north and west of Guangxi, while the late maturing double cropping rice distributed in south areas involved Youjiang river valley of Guangxi because of the great demand for heat resources and longer safe growth season. Early and middle maturing double cropping rice and middle and late maturing double cropping rice mainly distributed in the central areas of Guangxi. Their demands for agricultural climatic resources were between S+R and L+L. In the end, the spatial distribution characteristics and changing rules of different combination patterns of double cropping rice were analyzed in two phases. The results revealed that safe days of growth period of double cropping rice increased significantly in the north and west of Guangxi. Active integrated temperature(≥10℃) and annual average temperature increased significantly, while the total sunshine hours during the period of daily average temperature above 10℃ in a year decreased significantly in most study areas. The heat resources increased towards to the north and high altitude, while sunshine hours decreased from the north to the south. Comparing with the first 30 years (P1:1960?1989), climatic suitable areas of single cropping and ratooning rice and medium and late maturing double cropping rice increased by 2.1 and 4.2 percent point, while those of early and middle maturing double cropping rice and late maturing double cropping rice decreased by 3.6 and 2.7 percent point in the last 30 years (P2:1990?2019). The significantly changing areas mainly distributed in Yangshuo and Lipu regions of Guilin, the surrounding regions of Hezhou, Mashan and Longan regions of Nanning. The purpose of this research is to provide a scientific reference to make full use of the sunlight and heat resources under background of climate change and to optimize planting layout of double cropping rice in Guangxi.

Climate change; Rice; Planting regionalization; Guangxi

2020?04?30

吳炫柯，E-mail：378892370@qq.com

廣西科技重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科AB171195037）；廣西自然科學(xué)基金（2020GXNSFAA159028）；中國(guó)氣象局應(yīng)急減災(zāi)與公共服務(wù)司項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站冬小麥、水稻、玉米區(qū)域聯(lián)合試驗(yàn)”（氣減函2017-53）

黃維，E-mail：827643506@qq.com

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.09.001

黃維,吳炫柯,劉永裕,等.氣候變化對(duì)廣西雙季稻種植布局的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2020,41(9):539-551