氣候變暖對廣西雙季稻安全生產(chǎn)期的影響

黃維 吳炫柯* 劉梅 何燕 劉永裕

(1 廣西柳州市農(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)

引言

氣候變暖已成為不容置疑的事實(shí)。政府間氣候變化委員會(huì)(IPCC)第5次報(bào)告指出，近100年內(nèi)，全球平均溫度已升高0.85 ℃，近60年上升尤其明顯[1-2]。根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《2020年中國氣候公報(bào)》,2020年中國年平均氣溫10.25 ℃，比常年(1981—2010年)平均偏高0.7 ℃，為1951年以來第8個(gè)最暖年。氣候變暖已對我國農(nóng)業(yè)氣候資源、農(nóng)作物氣候生產(chǎn)潛力和農(nóng)業(yè)種植制度等產(chǎn)生了一系列不可忽視的影響，其中對農(nóng)業(yè)氣候資源的影響主要表現(xiàn)為積溫增加、無霜期和作物安全生長季延長等[3-8]。

水稻是中國主要糧食作物，種植區(qū)域分布極廣，主要有華南雙季稻、華中雙季稻、西南高原單雙季稻、華北單季稻、東北早熟單季稻和西北干燥區(qū)單季稻6個(gè)稻作區(qū)[9]。廣西是華南雙季稻稻作區(qū)的重要種植區(qū)，主栽雜交秈稻，雙季稻常年種植面積約1.75×106hm2，占全區(qū)糧食總種植面積的63%[10]。該區(qū)域雙季早稻常年在3月播種，4月上中旬開始全面栽插，7月中下旬收割，雙季晚稻7月播種，10月下旬至11月上旬收獲，但由于全區(qū)南北氣候條件差異較大，雙季早晚稻生育期不盡相同[11]。在當(dāng)前氣候變暖背景下，廣西農(nóng)業(yè)氣候資源已發(fā)生顯著變化，全區(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，桂北和桂西水稻安全生育期顯著延長[12-13]。因此，在氣候變暖背景下如何安排早晚稻播期和選擇合理的雙季稻熟性搭配，從而既能充分利用光熱資源，又能在雙季稻前后茬口時(shí)間上完美銜接，是發(fā)展當(dāng)前水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)重點(diǎn)關(guān)注問題。

目前，有大量研究表明，受氣候變暖影響，水稻安全生產(chǎn)期已發(fā)生顯著變化。例如，江蘇、浙江溫州地區(qū)的水稻安全齊穗期普遍延遲[14-15]；江西1984—2013年早稻覆膜育秧安全播種期、安全直播期和安全移栽期提前2～10 d，晚稻安全成熟期延遲約8 d[16]；安徽1961—2017年早稻安全播種期和安全移栽期顯著提前等[17]。以上研究多集中在長江中下游單雙季稻稻作區(qū)，均為當(dāng)?shù)氐乃旧a(chǎn)提供了科學(xué)參考。早期涂方旭就廣西地區(qū)雙季稻安全生產(chǎn)期做了相關(guān)研究[18]，但后期跟進(jìn)研究卻鮮有報(bào)道。因此，本文利用1960—2019年廣西88個(gè)國家氣象觀測站逐日平均氣溫資料，以1989年為界線將研究時(shí)段分為2個(gè)階段，即P1階段(1960—1989年)和P2階段(1990—2019年)，通過比較P1和P2階段不同保證率下早稻安全播種期和安全移栽期、晚稻安全齊穗期和安全成熟期的差異，嘗試分析氣候變暖對廣西雙季稻安全生產(chǎn)期的影響。

1 資料與方法

1.1 資料及其來源

從廣西氣象局獲取1960—2019年廣西88個(gè)國家氣象觀測站逐日平均氣溫資料,觀測站空間分布如圖1所示。從國家基礎(chǔ)地理信息中心獲取廣西地區(qū)1∶25萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，包括省界和地市級行政矢量邊界等。氣象數(shù)據(jù)使用Matlab2017版本進(jìn)行編程處理，空間分布制圖均在ArcGIS10.3平臺(tái)進(jìn)行，制圖過程均采用WGS84地理坐標(biāo)系。

圖1 廣西88個(gè)國家氣象觀測站空間分布

1.2 安全生產(chǎn)期的界限溫度及計(jì)算方法

雙季稻安全生產(chǎn)期主要包括早稻安全播種期(簡稱為安全播種期，簡寫為S)、早稻安全移栽期(簡稱為安全移栽期，簡寫為T)、晚稻安全齊穗期(簡稱為安全齊穗期，簡寫為F)和晚稻安全成熟期(簡稱為安全成熟期，簡寫為M)。根據(jù)秈稻的界限溫度指標(biāo)，早稻播種界限溫度為12 ℃，早稻移栽的界限溫度為15 ℃，晚稻齊穗與成熟的界限溫度分別為22 ℃與15 ℃[16-18]。確定大于某一界限溫度的起始或終止日期，再以不連續(xù)出現(xiàn)3 d及以上低于該界限溫度的標(biāo)準(zhǔn)確定安全生產(chǎn)日期[14]。

1.3 不同保證率的安全生產(chǎn)期計(jì)算

用莫惠棟[19]提供的方法計(jì)算P1階段(1960—1989年)和P2階段(1990—2019年)80%和90%保證率的安全播種期、安全移栽期、安全齊穗期和安全成熟期。多年安全期的平均日期為50%保證率的安全期，安全播種期和安全移栽期平均日期向后(安全齊穗期和安全成熟期向前)推算0.84個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的日期即為80%保證率的日期；安全播種期和安全移栽期平均日期向后(安全齊穗期和安全成熟期向前)推算1.28個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的日期為90%保證率的日期。日期均取整數(shù),如有小數(shù)時(shí),將小數(shù)第1位四舍五入。

1.4 趨勢分析方法

采用直線回歸方法分析各安全生產(chǎn)期的時(shí)間變化趨勢[20]，即：

x=a0+a1t

(1)

式中，x為安全生產(chǎn)期的擬合值;a0為變量初始值；a1為趨勢系數(shù)；t為時(shí)間。a1為正值時(shí)表示x隨時(shí)間t呈增加趨勢，反之呈減少趨勢，a1×10為氣候傾向率，表示各安全生產(chǎn)期每10 a的變化率。

2 結(jié)果與分析

2.1 安全生產(chǎn)期1960—2019年線性變化傾向率

圖2為各安全生產(chǎn)期1960—2019年線性變化趨勢的空間分布，傾向率為負(fù)值即安全生產(chǎn)期提前，傾向率為正值即安全生產(chǎn)期推遲。

由圖2a可見，研究時(shí)段內(nèi)廣西安全播種期(S)均表現(xiàn)出不同程度提前的變化趨勢，其中每10 a提前2.0～3.1 d的觀測站占21.6%，主要分布在桂東北和桂西南地區(qū);每10 a提前1.0～1.9 d的觀測站占31.8%;而每10 a提前0.0～0.9 d的觀測站所占比例最大，占45.5%，分布地集中在河池、百色北部、柳州南部、貴港和玉林地區(qū)。總的來看，安全播種期在桂東北和桂西南變化傾向率較大,在研究區(qū)中部變化傾向率較小。

由圖2b可見，研究時(shí)段內(nèi)安全移栽期(T)表現(xiàn)出不同程度提前的變化趨勢，其中每10 a提前2.0～3.1 d的觀測站占15.9%，主要分布在桂林市和柳州市為主的桂北地區(qū);每10 a提前1.0～1.9 d的觀測站占43.2%，比例最大，主要分布于桂林南部、柳州南部、百色以及賀州、梧州、玉林等地;每10 a提前0.0～0.9 d的觀測站占34.1%，主要分布在河池西部、來賓、南寧和貴港等地;有6.8%觀測站的安全移栽期表現(xiàn)推遲趨勢，但變化傾向率不超過1.0 d/10a。總的來看，安全移栽期在桂東北變化傾向率較大，在其它區(qū)域變化傾向率相對較小。

由圖2c可見，研究時(shí)段內(nèi)安全齊穗期(F)表現(xiàn)出不同程度推遲的變化趨勢，而百色樂業(yè)、靖西和那坡的安全齊穗推遲最為明顯，每10 a推遲達(dá)4 d以上，其中，最大變化傾向率出現(xiàn)在樂業(yè)國家氣象觀測站，為5.1 d/10a。大部分氣象站的變化傾向率均在3.0 d/10a以下，其中，每10 a推遲2.1～3.0 d的觀測站占5.7%，分布在河池南丹、百色凌云、貴港平南、梧州岑溪和崇左憑祥;每10 a推遲1.1～2.0 d的觀測站占37.5%;每10 a推遲0.1～1.0 d的觀測站占45.5%，比例最大，各地市均有分布;河池、沙塘、金秀、荔浦、灌陽和資源安全齊穗期呈提前變化趨勢，占8.0%，但變化傾向率不超過0.9 d/10a?？偟膩砜矗饢|和桂西安全齊穗期變化傾向率較大，在桂中桂北一帶變化傾向率較小。

由圖2d可見，研究時(shí)段內(nèi)安全成熟期(M)表現(xiàn)出不同程度推遲的變化趨勢，變化傾向率最大值在金秀觀測站，為2.6 d/10a，其它觀測站變化傾向率均在2.0 d/10a以下，其中每10 a推遲1.1～2.0 d的觀測站占39.8%;每10 a推遲0.1～1.0 d的觀測站占55.7%，各地市均有分布;潿洲島、賀州、灌陽觀測站安全成熟期呈提前變化趨勢，但變化傾向率不超過0.9 d/10a?？偟膩砜矗珔^(qū)安全成熟期變化傾向率相對較小，區(qū)域差異不明顯。

圖2 1960—2019年廣西雙季稻安全生產(chǎn)期的線性變化傾向率

安全播種期和安全移栽期的變化傾向率大小主要與各地早春氣溫回升速率有關(guān)，而安全齊穗期和安全成熟期的變化傾向率大小與各地秋季氣溫回落速率有關(guān)，氣候變暖背景下，由于地理位置、地形地貌等因素的影響，研究區(qū)域內(nèi)的氣溫變化存在明顯的差異，桂東北和桂西等高海拔地區(qū)的氣溫對氣候變暖的響應(yīng)更為敏感，特別是在春季氣溫回升速率相對較快，為早稻的早播早栽提供了必要的氣候條件，而桂中桂南等低海拔地帶季節(jié)氣溫回升或回落速率對氣候變暖的響應(yīng)相對平緩，安全生產(chǎn)期在該地區(qū)變化傾向率較小。

2.2 80%和90%保證率安全生產(chǎn)期空間分布

2.2.1 安全播種期

圖3a、b和d、e分別為P1階段、P2階段80%和90%保證率安全播種期日序數(shù)的空間分布，可以看出，P1階段80%保證率安全播種期的日序數(shù)從第56～106 d不等，平均日序數(shù)為第80 d;P2階段80%保證率安全播種期的日序數(shù)從第46～99 d不等，平均日序數(shù)為第78 d；P1階段90%保證率安全播種期的日序數(shù)從第67～111 d不等，平均日序數(shù)為第86 d;P2階段90%保證率安全播種期的日序數(shù)從第56～104 d不等，平均日序數(shù)為第84 d。2個(gè)階段80%和90%安全播種期空間差異顯著，具體表現(xiàn)為從桂西南向桂北逐漸延后，其中安全播種期日序數(shù)在第76～90 d的區(qū)域所占比例最大。

圖3c、f為80%和90%保證率安全播種期在P1階段和P2階段差異的空間分布，可以看出，2個(gè)時(shí)段80%保證率安全播種期在同一地區(qū)有顯著變化，變化天數(shù)從提前10 d到延遲5 d不等;桂林興安、龍勝和資源，百色西林，南寧武鳴以及防城港東興等地P2階段比P1階段提前6～10 d;全區(qū)大部分地區(qū)提前1～5 d;河池東蘭、環(huán)江以北區(qū)域和柳州南部等地P2階段比P1階段推遲1～5 d。從圖3f可以看出，2個(gè)時(shí)段90%保證率安全播種期在同一地區(qū)有顯著變化，變化天數(shù)從提前10 d到延遲10 d不等;桂林興安、龍勝和資源，百色西林、平果，來賓武宣，南寧武鳴以及防城港東興等地P2階段比P1階段提前6～10 d，所占比例較小;全區(qū)大部分地區(qū)提前1～5 d;P2階段比P1階段推遲1～5 d的地域主要分布在百色、河池北部、柳州南部、貴港南部、梧州南部、玉林和北海;推遲6～10 d的地域僅分布在河池南丹縣。

圖3 1960—2019年廣西雙季稻P1和P2階段80%、90%保證率安全播種期日序數(shù)及變化天數(shù)的空間分布

以上分析可知，安全播種期在部分地區(qū)雖有延遲，但所占比例較小，全區(qū)總體表現(xiàn)為提前趨勢，提前1～5 d的區(qū)域所占比例最大，全區(qū)平均提前2 d，其中安全播種期在桂林北部提前天數(shù)最多，達(dá)6 d以上。

2.2.2 安全移栽期

圖4a、b和d、e分別為P1階段、P2階段80%和90%保證率安全移栽期日序數(shù)的空間分布，可以看出，P1階段80%保證率安全移栽期的日序數(shù)從第79～123 d不等，平均日序數(shù)為第96 d;P2階段80%保證率安全移栽期的日序數(shù)從第74～112 d不等，平均日序數(shù)為第94 d；P1階段90%保證率安全移栽期的日序數(shù)從第84～128 d不等，平均日序數(shù)為第101 d;P2階段90%保證率安全移栽期的日序數(shù)從第82～116 d不等，平均日序數(shù)為第99 d。2個(gè)階段80%和90%安全移栽期空間差異顯著，具體表現(xiàn)為從桂西南向桂北逐漸延后，其中80%保證率安全移栽期日序數(shù)在第84～93 d的區(qū)域所占比例最大，90%保證率安全移栽期日序數(shù)在第94～103 d的區(qū)域所占比例最大。

圖4c、f為80%和90%保證率安全移栽期在P1階段和P2階段差異的空間分布，從圖4c可以看出，2個(gè)時(shí)段80%保證率安全移栽期在同一地區(qū)有顯著變化，變化天數(shù)從提前10 d到延遲5 d不等;桂林北部地區(qū)、柳州北部、河池南丹和來賓金秀等地P2階段比P1階段提前6～10 d;百色北部、河池、柳州南部、桂林南部、賀州、來賓北部、貴港西部、梧州、玉林、欽州西部、防城港南部和北海P2階段比P1階段提前1～5 d;其它區(qū)域均延遲1～5 d。從圖4f可以看出，2個(gè)時(shí)段90%保證率安全播種期在同一地區(qū)有顯著變化，變化天數(shù)從提前12 d到延遲5 d不等，柳州和桂林的北部地區(qū)，河池南丹、羅城，來賓金秀，以及賀州昭平和玉林北流的小部分地區(qū)P2階段比P1階段提前6～10 d;P2階段比P1階段提前1～5 d的區(qū)域和80%保證率下的區(qū)域基本一致，其余地區(qū)的安全移栽期延遲1～5 d。

圖4 1960—2019年廣西雙季稻P1和P2階段80%、90%保證率安全移栽期日序數(shù)及變化天數(shù)的空間分布

以上分析可知，安全移栽期在桂西地區(qū)雖有延遲，但全區(qū)總體表現(xiàn)為提前趨勢，平均提前2 d，其中桂東北安全移栽期提前天數(shù)較多，達(dá)6 d以上。

2.2.3 安全齊穗期

圖5a、b和d、e分別為P1階段、P2階段80%和90%保證率安全齊穗期日序數(shù)的空間分布，可以看出，P1階段80%保證率安全齊穗期的日序數(shù)從第197～291 d不等，平均日序數(shù)為第270 d;P2階段80%保證率安全齊穗期的日序數(shù)從第203～294 d不等，平均日序數(shù)為第272 d；P1階段90%保證率安全齊穗期的日序數(shù)從第187～283 d不等，平均日序數(shù)為第265 d;P2階段90%保證率齊穗期的日序數(shù)從第191～287 d不等，平均日序數(shù)為第267 d。2個(gè)階段80%和90%安全齊穗期空間差異顯著，具體表現(xiàn)為從桂北向桂南逐漸延后，其中安全齊穗期日序數(shù)在第267～286 d的區(qū)域所占比例最大。

圖5c、f為80%和90%保證率安全齊穗期在P1階段和P2階段差異的空間分布，從圖5c可以看出，2個(gè)時(shí)段80%保證率安全齊穗期在同一地區(qū)仍有一定差異，變化天數(shù)從提前5 d到延遲17 d不等;桂林東北部、南部，柳州南部，河池南丹、宜州，來賓中部，貴港西部，南寧東部和玉林博白、陸川等地P2階段比P1階段提前1～5 d;全區(qū)大部分地區(qū)P2階段比P1階段推遲1～5 d;百色樂業(yè)、凌云和百色西部以及北海等地區(qū)P2階段比P1階段推遲6～10 d;P2階段比P1階段推遲11 d以上區(qū)域面積較小，主要分布在百色那坡、靖西。從圖5f可以看出，2個(gè)時(shí)段90%保證率安全齊穗期在同一地區(qū)的變化仍有一定差異，變化天數(shù)從提前5 d到延遲19 d不等;桂林大部分地區(qū)、柳州南部、河池宜州、來賓中北部、南寧東部、欽州北部和玉林南部P2階段比P1階段提前1～5 d;全區(qū)大部分地區(qū)P2階段比P1階段推遲1～5 d;P2階段比P1階段推遲6 d以上的區(qū)域主要分布在百色那坡、靖西，所占面積比例較小。

圖5 1960—2019年廣西雙季稻P1和P2階段80%、90%保證率安全齊穗期的日序數(shù)及變化天數(shù)空間分布

以上分析可知，安全齊穗期在部分地區(qū)雖有提前，但全區(qū)大部分地區(qū)呈推遲趨勢，平均推遲2 d，其中百色那坡、靖西地區(qū)安全齊穗期推遲天數(shù)最多，達(dá)6 d以上。

2.2.4 安全成熟期

圖6a、b和d、e分別為P1階段、P2階段80%和90%保證率安全成熟期日序數(shù)的空間分布，可以看出，P1階段80%保證率安全成熟期的日序數(shù)從第283～336 d不等，平均日序數(shù)為第313 d;P2階段80%保證率安全成熟期的日序數(shù)從第285～340 d不等，平均日序數(shù)為第318 d；P1階段90%保證率安全成熟期的日序數(shù)從第278～329 d不等，平均日序數(shù)為第308 d;P2階段90%保證率成熟期的日序數(shù)從第279～335 d不等，平均日序數(shù)為第314 d。2個(gè)階段80%和90%安全成熟期空間差異顯著，具體表現(xiàn)為從桂北向桂南逐漸延后，其中安全成熟期日序數(shù)在第308～322 d的區(qū)域所占比例最大。

圖6c、f為80%和90%保證率安全成熟期在P1階段和P2階段差異的空間分布，從圖6c可以看出，2個(gè)時(shí)段80%保證率安全成熟期在同一地區(qū)的變化差異顯著，變化天數(shù)從提前5 d到延遲10 d不等;百色隆安P2階段比P1階段提前1～5 d;百色、河池、柳州、桂林和賀州等大部分地區(qū)P2階段比P1階段推遲1～5 d;P2階段比P1階段推遲6～10 d區(qū)域所占比例最大，主要分布在柳州北部和桂林西部，以及百色以東，河池、柳州、桂林和賀州以南的大部分地區(qū)。從圖6f可以看出，2個(gè)時(shí)段90%保證率安全成熟期在同一地區(qū)的變化差異顯著，變化天數(shù)從提前5 d到延遲15 d不等;百色隆安等地P2階段比P1階段提前1～5 d;百色、河池西部、桂林北部和賀州北部P2階段比P1階段推遲1～5 d;P2階段比P1階段推遲6～10 d區(qū)域所占比例最大，主要分布在百色以東、桂林興安和賀州富川以南的大部分地區(qū);P2階段比P1階段推遲11～15 d區(qū)域面積較小，主要分布在南寧中部、防城港北部、欽州與玉林交匯等地。

圖6 1960—2019年廣西雙季稻P1和P2階段80%、90%保證率安全成熟期的日序數(shù)及變化天數(shù)空間分布

以上分析可知，安全成熟期在部分地區(qū)雖有提前，但全區(qū)大部分地區(qū)表現(xiàn)為推遲趨勢，80%和90%保證率安全成熟期平均推遲5 d和6 d，安全成熟期推遲6～10 d區(qū)域所占比例最大，空間差異相對較小。

3 結(jié)論與討論

(1)廣西1960—2019年雙季稻安全生產(chǎn)期呈明顯的變化趨勢,安全播種期和安全移栽期主要表現(xiàn)為提前變化趨勢,安全齊穗期和安全成熟期表現(xiàn)為推遲變化趨勢,這與長江中下游地區(qū)雙季稻安全生產(chǎn)期變化趨勢大體一致[14-17,21],但變化趨勢在空間分布上差異較大，安全播種期在桂西南和桂東北變化速率較大，安全移栽期在桂東北變化速率較大，安全齊穗期在桂西變化速率較大，而安全成熟期在整個(gè)研究區(qū)變化速率較為均勻。

(2)通過分析桂北、桂中和桂南不同保證率安全生產(chǎn)期變化特征可知，桂北地區(qū)安全播種期、安全移栽期和安全齊穗期提前，安全成熟期推遲，安全生長季延長，早稻在做好防寒保暖措施前提下，在該區(qū)域可提前7 d左右播種，以充分利用早期光溫資源，同時(shí)也能為晚稻盡早插播提供時(shí)間，從而避免生育后期氣溫過低對晚稻抽穗灌漿的不利影響；桂中地區(qū)安全播種期、安全移栽期總體來說提前天數(shù)相對較少；桂南地區(qū)安全播種期提前，安全移栽期、安全齊穗期和安全成熟期均推遲，安全生長季延長，目前，桂南地區(qū)由于經(jīng)驗(yàn)多習(xí)慣采用“中熟+中熟”的雙季稻搭配模式，為充分利用桂南地區(qū)的熱量資源，在合理安排雙季稻茬口的前提下，可向“中熟+晚熟”或“晚熟+晚熟”的搭配模式轉(zhuǎn)變。

近年來，受勞動(dòng)力成本提高、機(jī)械化推廣應(yīng)用等因素影響，直播技術(shù)和機(jī)械插秧等栽播方式在水稻種植中被廣泛應(yīng)用[22-23]。由于直播方式不經(jīng)過育秧和移栽，水稻全生育期縮短，播種時(shí)間常比移栽稻遲，因此溫光資源也遠(yuǎn)低于移栽稻，這極大制約了高產(chǎn)品種的氣候生產(chǎn)潛力。因此，在當(dāng)前氣候變暖背景下，廣西不宜盲目大面積發(fā)展直播稻。