早春熱量資源變化及對雙季早稻早播的可行性分析

郭瑞鴿，蔡 哲，劉文英

（江西省農(nóng)業(yè)氣象中心，江西 南昌 330096）

【研究意義】水稻是我國最重要的糧食作物之一，在全球氣候變化背景下，農(nóng)業(yè)氣候條件變化尤其是熱量條件變化，對水稻生產(chǎn)帶來系列影響［1-2］。江西地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是我國雙季稻優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，在保障國家糧食安全方面占有極其重要的地位［3］。根據(jù)江西省農(nóng)業(yè)氣象中心實地調(diào)查，受氣候變化和栽培技術(shù)改革的雙重影響，多地的雙季稻種植大戶在春季提早了早稻播種期，取得了較好效果，包括錯峰種植降低勞工成本、降低第二茬晚稻寒露風(fēng)風(fēng)險等；但播種越早，低溫風(fēng)險越大，早春熱量資源能否滿足搶早播種的需要，早播可以提前多大幅度，需要利用長序列氣候資料進(jìn)行分析論證?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】我國是全球氣候變化影響顯著區(qū)之一，近20年是20世紀(jì)初以來的最暖時期［4］。氣候變化背景下全國或區(qū)域性的熱量資源變化特征受到諸多學(xué)者的關(guān)注，其中較多研究揭示了氣候變化對熱量資源分布的影響，分別針對不同區(qū)域的農(nóng)業(yè)界限溫度、積溫、氣溫日較差等氣候要素的變化趨勢開展了研究［5-9］。胡琦等［5］研究表明，1961—2010年全國平均氣溫、積溫等熱量資源呈增加趨勢；李建等［6］對長江中下游地區(qū)水稻生長季內(nèi)農(nóng)業(yè)氣候資源變化研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)1960—2016年熱量資源增加明顯，10年傾向率達(dá)47.76℃·d。對熱量條件的分析發(fā)現(xiàn)，氣溫升高和積溫增加使農(nóng)業(yè)熱量資源增加，有利于種植面積擴(kuò)大和增產(chǎn)，作物的生產(chǎn)潛力有增大趨勢［10-14］，也有利于調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、提高糧食產(chǎn)量［15-19］，其中播期調(diào)整問題也得到了關(guān)注［19-21］。張衛(wèi)建等［1］研究表明，溫度提高對不同農(nóng)作物的生產(chǎn)力與種植結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜影響，增溫有利于促使水稻產(chǎn)量增加。呂偉生等［19］研究表明，近年來雙季稻生產(chǎn)日期作了相應(yīng)調(diào)整，但與安全生產(chǎn)日期存在一定偏差，贛南實際生產(chǎn)季節(jié)偏遲、贛北早稻直播偏早?！颈狙芯壳腥朦c】以往研究多以全年為時間尺度，對于年內(nèi)特定時段的研究報道較少，其中對于江西早春時段農(nóng)業(yè)熱量資源變化特征及影響的研究尚未見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以平均氣溫、有效積溫、晴暖天頻率等為指標(biāo)，研究江西省早春熱量條件變化特征，綜合分析與判別早稻提前播種的氣候可行性，為合理利用早春熱量資源調(diào)整水稻播期安排、規(guī)避氣象災(zāi)害風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于江西省氣象信息中心。采用江西1960—2019年79個氣象站點地面氣象觀測資料，包括平均氣溫、日照時數(shù)、天氣現(xiàn)象等。

江西水稻熟制以雙季稻為主，雙季早稻播種分保溫育秧（簡稱保溫方式）和大田直播兩種方式（簡稱直播方式）。按傳統(tǒng)種植習(xí)慣，采用保溫方式的早稻大面積播種期一般始于3月中旬后期，少數(shù)早播的可提前至3月上旬；采用直播方式的早稻大面積播種期始于4月初，少數(shù)早播的可提前至3月下旬。因此，本研究以3月20日前采用保溫方式播種早稻，以3月31日前采用直播方式播種早稻為早播，并以3月1日至4月10日作為早春時段，研究江西早春熱量資源特征及變化特征。

雙季早稻播種期資料來源于江西省農(nóng)業(yè)氣象觀測站。早稻保溫方式播種在全省分布廣泛，直播方式大部分集中在鄱陽湖周邊區(qū)域，因此在贛北、贛南分別選擇南昌縣、南康區(qū)為代表站，分析保溫方式實際播種期與早播期的差異，在鄱陽湖周邊區(qū)域選取余干、余江縣為代表站，分析直播方式實際播種期與早播期的差異。站點分布見圖1。

1.2 指標(biāo)設(shè)置與判別方法

1.2.1 早春晴暖天 早春時段出現(xiàn)的持續(xù)晴暖天氣是早稻順利播種且出苗生長的必要氣象條件；熱量充足可保證稻谷正常萌發(fā)，光照多可使白天氣溫維持較高水平，并使保溫育秧棚內(nèi)氣溫大幅度上升，保障幼苗順利生長。根據(jù)江西水稻生產(chǎn)調(diào)查和農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)經(jīng)驗，3月1—20日期間10℃以上的晴暖天，是保溫方式早播的必要條件，3月11—31日期間12℃以上的晴暖天，是直播方式早播的必要條件。判別方法如下:

圖1 研究站點分布Fig.1 Distribution of observation station

（1）10℃以上晴暖天：3月1—20日，日均氣溫（TAVG）≥10℃持續(xù)5 d以上，且其中有3 d以上多云或晴天氣（日照時數(shù)≥1 h），判定為一次10℃以上晴暖天過程；

（2）12℃以上晴暖天：3月11—31日，日均氣溫≥12℃持續(xù)5 d以上，且其中有3 d以上多云或晴天氣（日照時數(shù)≥1 h），判定為一次12℃以上晴暖天過程。

1.2.2 早春低溫天 3—4月低溫是影響江西早稻播種出苗及幼苗生長的主要災(zāi)害性天氣。根據(jù)江西省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害指標(biāo)，8、12℃分別為保溫方式和直播方式播種的低溫受害界限溫度［16］。因此定義低溫天判別方法如下：

（1）8℃以下低溫天：3月1日至4月10日，日均氣溫≤8℃、持續(xù)天數(shù)≥5 d；

（2）12℃以下低溫天：3月11日至4月20日，日均氣溫≤12℃、持續(xù)天數(shù)≥5 d。

1.2.3 雙季早稻早播氣候可行性判別 根據(jù)江西省春播生產(chǎn)實地調(diào)查和氣象服務(wù)經(jīng)驗，結(jié)合前人有關(guān)早稻播種對天氣要求相關(guān)研究［3，19，22-23］，綜合分析認(rèn)為，搶早播種早稻需要同時滿足兩個條件：有連續(xù)晴暖天氣，使早稻谷種可以順利播種到田中；播種后不能有嚴(yán)重的低溫天氣，使秧苗可以順利生長。根據(jù)以上分析，構(gòu)建早播氣候可行性評價指標(biāo)。具體為：

（1）直播方式早稻早播氣候可行性：若某年份3月11—31日期間發(fā)生了平均氣溫≥12℃、持續(xù)天數(shù)≥5 d且有任意3 d日照≥1 h的晴暖天，且晴暖天結(jié)束后無日平均氣溫≤12℃、持續(xù)天數(shù)≥5 d的重度低溫天氣，則認(rèn)為該年份采用直播方式早播可行；若未出現(xiàn)上述晴暖天或晴暖天后再發(fā)生重度低溫天氣的，則認(rèn)為該年份采用直播方式早播不可行。若研究期內(nèi)發(fā)生多次晴暖天氣過程，以最晚的一次為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判別。

（2）保溫方式早稻早播氣候可行性：若某年份3月1—20日期間發(fā)生了平均氣溫≥10℃、持續(xù)天數(shù)≥5 d且有任意3 d日照≥1 h的晴暖天，且晴暖天結(jié)束后無日平均氣溫≤8℃、持續(xù)天數(shù)≥5 d的重度低溫天氣，則認(rèn)為該年份采用保溫方式早播可行；若未出現(xiàn)上述晴暖天或晴暖天后再發(fā)生重度低溫天氣的，認(rèn)為該年份采用保溫方式早播不可行。若研究期內(nèi)發(fā)生多次晴暖天氣過程，以最晚的一次為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判別。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用線性傾向估計、累積距平等對江西早春熱量資源因子的年際變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。采用反距離加權(quán)插值法進(jìn)行各指標(biāo)的空間特征分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 早春平均氣溫及有效積溫時間變化趨勢

計算早春時段逐年平均氣溫和10℃以上有效積溫，繪制年際動態(tài)變化圖。從圖2可以看出，1960—2019年，早春時段內(nèi)平均氣溫和有效積溫均呈顯著上升趨勢；平均氣溫、有效積溫的年際變化傾向率分別為0.3℃/10年、10.1℃/10年，60年平均氣溫升高1.8℃，有效積溫增加60.6℃·d，過去60年江西早春時段的變暖趨勢十分顯著。從累積距平序列的變化可以看出，早春平均氣溫和有效積溫累積距平的最小值均出現(xiàn)在1996年。1996年以前多為負(fù)距平，37年中70%的年份平均氣溫和有效積溫均為負(fù)距平；1997年及以后多為正距平，23年中分別有87%、78%的年份平均氣溫和有效積溫為正距平。

2.2 早春平均氣溫及有效積溫空間變化特征

從圖3各站點的變化趨勢來看，79個站點的平均氣溫和有效積溫均呈上升趨勢，其中通過0.05以上顯著性檢驗的站點分別為85%、87%，贛北的上升趨勢最為顯著，其次為贛中，贛南最低。從上升幅度看，贛北的中部地區(qū)為高值區(qū)，贛南為低值區(qū)，總體呈北高南低的分布。

圖2 1960—2019年江西早春平均氣溫及有效積溫變化趨勢Fig.2 Changing trend of early spring average temperature and effective accumulated temperature in Jiangxi from 1960 to 2019

圖3 江西早春平均氣溫（A）、有效積溫（B）變化氣候傾向率分布Fig.3 Distribution of climatic trend rates of early spring average temperature （A） and effective accumulated temperature （B） in Jiangxi

2.3 晴暖天發(fā)生頻率及變化特征

將研究期分為1960—1989年（前30年）和1990—2019年（近30年）兩個時段，分別統(tǒng)計晴暖天發(fā)生頻率，比較晴暖天發(fā)生頻率的變化。結(jié)果表明，近30年晴暖天的發(fā)生頻率較前30年明顯上升。前30年，10℃以上、12℃以上晴暖天發(fā)生頻率分別為69%、64%；近30年10、12℃晴暖天發(fā)生頻率分別為80%、73%。與前30年相比，近30年10℃以上晴暖天頻率上升11%、12℃以上晴暖天頻率上升9%。

兩個時期晴暖天頻率的空間分布見圖4。在空間分布上，近30年與前30年相比，10、12℃晴暖天發(fā)生頻率達(dá)80%以上的空間范圍明顯擴(kuò)大，發(fā)生頻率低于60%的區(qū)域明顯縮小。近30年，贛南、贛中東南部、贛東北地區(qū)的10℃晴暖天發(fā)生頻率均達(dá)80%以上，全省無低于60%的區(qū)域；而前30年，僅贛南東部和南部的少部分地區(qū)超過80%，贛西北山區(qū)低于60%。近30年，贛南大部分地區(qū)、贛中局部12℃晴暖天發(fā)生頻率達(dá)80%以上，僅贛北個別地區(qū)低于60%；而前30年，僅贛南中南部12℃晴暖天發(fā)生頻率超過80%，贛北地區(qū)除鄱陽、余干、萬年、貴溪外均低于60%。

圖4 1960—2019年江西晴暖天發(fā)生頻率比較Fig.4 Comparison of frequency of warm sunny days Jiangxi from 1960 to 2019

2.4 雙季早稻早播氣候可行性

2.4.1 早播可行年判別結(jié)果 根據(jù)1.2.3的方法，對江西歷年各站早播氣候可行性進(jìn)行判別，并根據(jù)可行站點的比例范圍劃分區(qū)域性早播可行性，結(jié)果見表1。由表1可知，對于雙季早稻保溫播種方式，過去60年中僅有2年全省氣候條件不適宜早播，分別發(fā)生在1970、1985年；經(jīng)查證，1970、1985年3月上中旬氣溫異常偏低，1～20日全省平均氣溫僅6.6、6.8℃，氣溫之低分別過去60年中的第1、2位。過去60年中有23年全省部分地區(qū)早播可行，占樣本總數(shù)的38%；有35年全省大部地區(qū)早播可行，占樣本總數(shù)的58%。對于直播方式，過去60年中有4年全省氣候條件不適宜早播，分別發(fā)生在1960、1976、1991、1996年；有4年全省局部地區(qū)早播可行；有20年全省部分地區(qū)早播可行，占樣本總數(shù)33%；有32年全省大部地區(qū)早播可行，占樣本總數(shù)53%。

分析早播不可行的原因，主要有3種情況：一是3月氣溫持續(xù)偏低，達(dá)不到搶早播種的熱量要求，如1970、1985年3月1—20日全省平均氣溫僅6.6、6.8℃，氣溫之低分別居過去60年的第1、2位，全省均不適宜早播。二是前暖后冷，發(fā)生倒春寒，如1960、1966年，3月下旬江西大部出現(xiàn)了持續(xù)多日的晴暖天氣，達(dá)到采用直播方式搶早播種的要求，但4月初出現(xiàn)劇烈降溫，因此前期雖有晴暖天氣但仍不能早播；1992年安福、鄱陽等站，3月9日起連日晴暖，氣溫急劇上升，15日平均氣溫達(dá)20℃，但受強(qiáng)冷空氣影響16日起急劇降溫，17—27日平均氣溫持續(xù)11 d低于8℃（圖5），最低4.2℃，不僅無法早播，還影響正常播期的雙季早稻播種育秧。三是陰雨偏多，日照不足，無法早播；特別是針對保溫方式早播，要求光照充足才能充分發(fā)揮保溫棚作用，使棚內(nèi)氣溫迅速上升，達(dá)到出苗的要求；如吉水、宜黃等站2000年3月3—8日、13—20日日平均氣溫達(dá)12℃左右，但累計日照僅9、3 h，20 d中有14 d全天無日照（圖6），雖然氣溫條件滿足要求但仍無法搶早播種。

2.4.2 早播可行年發(fā)生頻率空間分布 對1960—2019年79個站早播氣候可行性進(jìn)行逐年逐站判別，統(tǒng)計前30年和近30年早播氣候可行年的發(fā)生頻率并進(jìn)行對比，結(jié)果見圖7。

保溫方式：近30年，保溫方式早播氣候可行年的發(fā)生頻率全省平均為79%，其中贛南、贛北東部、贛中東南部為80%以上，10年內(nèi)有8年以上氣候條件對早播可行，適宜大力發(fā)展保溫方式早稻早播；贛北贛中個別地方為60%以下，早播氣候可行性較低，不適宜發(fā)展早播；其余地區(qū)為60%～80%，可適當(dāng)發(fā)展保溫方式早稻早播。與前30年比，保溫方式早播氣候可行年的發(fā)生頻率平均上升7%，上升幅度以贛東北地區(qū)最大。

表1 1960—2019年江西早播氣候可行年發(fā)生情況統(tǒng)計Table 1 Statistics of early sowing in feasible years from 1960 to 2019

圖5 1992年3月安福、鄱陽兩地氣溫變化Fig.5 Variation of daily temperature of Anfu and Poyang in March of 1992

圖6 2000年3月上、中旬吉水、宜黃兩地氣溫日照時數(shù)變化Fig.6 Variation of daily sunshine hours of Jishui and Yihuang in early to middle March of 2000

圖7 1960—2019年江西早稻早播氣候可行年份頻率Fig.7 Frequency of early sowing in feasible years in Jiangxi from 1960 to 2019

直播方式：近30年，直播方式早播氣候可行年的發(fā)生頻率全省平均為80%，其中贛南、贛北東部和中部、贛中東部等為80%以上,其余地區(qū)為70%～80%；即全省各地區(qū)10年內(nèi)均有7年以上氣候條件對早播可行，適宜大力發(fā)展直播方式早稻早播。與前30年比，直播方式早播氣候可行年的發(fā)生頻率平均上升24%。

從直播、保溫育秧兩種方式對比來看，直播方式早播氣候可行年發(fā)生頻率一般高于保溫育秧方式，說明全省適宜發(fā)展直播方式早播的區(qū)域更大。與前30年比，直播方式早播氣候可行性頻率上升更加明顯，說明早春氣候變化對發(fā)展直播方式早播的影響更大。

2.4.3 實際播期與搶早可播期差異 選取代表站，對比了過去10年雙季早稻實際播種期與搶早可播期的差異，結(jié)果見表2、表3。

由表2可知，過去10年，南昌縣和南康區(qū)采用保溫育秧方式播種早稻，實際播種期主要集中在3月21—30日，平均為3月24日、23日。南昌縣10年間有8年、南康區(qū)10年全部具備搶早播種條件，搶早可播期最早為3月1日，最晚為3月14日，平均為3月9日、7日。實際播期與搶早可播期相比，南昌縣平均偏遲18 d，南康區(qū)平均偏遲16 d。

表2 江西代表站雙季早稻保溫方式實際播種期與搶早可播期差異Table 2 Differences in actual and theory sowing dates under sowing with thermal shed in Jiangxi representative stations

表3 江西代表站雙季早稻直播方式實際播種期與搶早可播期差異Table 3 Differences in actual and theory sowing dates under direct sowing in Jiangxi representative stations

由表3可知，過去10年，余干縣和余江縣采用直播方式播種早稻，實際播種期大多集中在3月31日至4月10日，平均為4月3日。除余江縣2017年外其余年份兩站均具備搶早播種氣象條件，搶早可播期最早為3月11日，最晚為3月30日，平均為3月19日、21日。實際播期與搶早可播期相比，平均偏遲15 d。

3 討論

3.1 江西早春熱量資源的變化特征

李建等［6］研究表明，1960—2016年長江中下游地區(qū)水稻生長期內(nèi)≥10℃積溫以47.76℃·d/10年的速率呈增加趨勢；謝遠(yuǎn)玉等［17］研究表明，近1961—2012年雙季稻安全生長期的熱量資源呈顯著增加趨勢，氣候傾向率為44.0℃·d/10年；呂偉生等［19］研究表明，在早稻覆膜育秧和直播條件下≥10℃活動積溫均為增加趨勢，兩種方式下氣候變化傾向率分別為104.72、84.52℃·d/10年。本研究針對江西早春熱量資源變化趨勢的結(jié)論與上述研究基本一致；但本研究時段為早春時段，積溫變化選取了≥10℃的有效積溫指標(biāo)，因此積溫變化的氣候傾向率有所不同；本研究結(jié)果可以作為長江中下游地區(qū)水稻生長期內(nèi)熱量資源變化研究細(xì)補(bǔ)充。在空間分布上，本研究認(rèn)為早春時段積溫上升趨勢的顯著程度和上升幅度呈北高南低的趨勢，與呂偉生等［19］的研究結(jié)論一致。1960—2019年江西早春時段平均氣溫以0.3℃/10年的速率呈顯著增加趨勢，高于江西省的年平均氣溫上升趨勢（1961—2007年升溫率為0.13℃/10年）［24］。對于早春時段內(nèi)晴暖天發(fā)生頻率的研究，在他人研究成果中尚未見報道，但晴暖天頻率增加與呂偉生關(guān)于江西雙季早稻安全播種期提前的研究結(jié)論具有一致性［19］，說明春季氣候條件對江西雙季早稻提前播種總體是有利的。

3.2 利用早春熱量資源提前播種雙季早稻的氣候可行性

本研究中，近30年江西約有80%年份早春氣候條件可以滿足提早播種早稻的需要，這與當(dāng)前江西省不斷有早稻大戶嘗試提早播種雙季早稻的生產(chǎn)實際相符。根據(jù)調(diào)查，2016年以來，金溪、吉安兩地于3月初采用保溫育秧方式播種早稻，較傳統(tǒng)播期提前20 d左右；鄱陽、進(jìn)賢兩地于3月下旬初采用直播方式播種早稻，較傳統(tǒng)播種提前15 d左右；早播早稻產(chǎn)量表現(xiàn)與傳統(tǒng)播期無顯著差異，但因節(jié)約用工成本農(nóng)戶收益更高，且因提前收割早稻，第二茬晚稻可以選擇生育期更長的品種，產(chǎn)量和品質(zhì)更優(yōu)。但應(yīng)注意的是，20%～30%年份早春氣候條件不能滿足早播需要，早播并非年年可行；農(nóng)戶提早播種需根據(jù)氣候概率和當(dāng)年氣象預(yù)報合理安排，將低溫風(fēng)險降到最低。本文對于早播可行性的分析與呂偉生關(guān)于早稻安全生產(chǎn)期提前的趨勢一致［19］，但針對可行性概率的分析可以進(jìn)一步為生產(chǎn)者提供決策依據(jù)。

4 結(jié)論

1960—2019年江西早春時段的變暖趨勢顯著，平均氣溫和有效積溫分別以0.3℃/10年、10.1℃·d /10年的速率呈現(xiàn)顯著的上升趨勢；上升幅度北部大于南部。1990—2019年10℃以上、12℃以上晴暖天發(fā)生頻率分別達(dá)80%、73%，較1960—1989年分別上升11%、9%。過去60年，年均75%、68%的縣份具備采用保溫方式和直播方式早播的氣候可行性。1990—2019年與1960—1989年相比，保溫方式早播氣候可行年的發(fā)生頻率平均上升7%，直播方式早播氣候可行年的發(fā)生頻率平均上升24%。直播方式早播氣候可行性頻率上升更加明顯，說明早春氣候變化對發(fā)展直播方式早播的影響更大。