雙季秈稻安全生長期研究方法擇優(yōu)與應(yīng)用
——以長沙為例*

宋忠華 解 娜

1 湖南長沙農(nóng)業(yè)氣象試驗站，長沙 410125 2 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室，長沙 410118

提 要：利用長沙1961—2020年逐日日平均氣溫和1996—2020年雙季稻發(fā)育期等觀測資料，通過不同統(tǒng)計方法、不同界限溫度等適用性對比分析，優(yōu)選了雙季秈稻安全生長期研究方法，并應(yīng)用于長沙雙季稻安全生長期研究。結(jié)果表明：界限溫度日期統(tǒng)計采用連續(xù)統(tǒng)計法，以氣溫8℃為早稻播種界限溫度，以22℃為晚稻齊穗界限溫度，以氣溫連續(xù)3 d≥8℃初日至連續(xù)3 d≥22℃終日日數(shù)為雙季稻安全生長期，該結(jié)果適用于長沙雙季稻安全生長期研究，或可適用于覆膜育秧的其他雙季秈稻區(qū)；長沙地區(qū)，≥8℃的80%保證率日期是3月21日，界限溫度≥8℃播種期顯著提前；晚稻安全齊穗80%保證率日期是9月9日，安全齊穗期推遲但不明顯；雙季稻安全生長80%保證率日數(shù)超過179 d，安全生長期極顯著增加。

引 言

雙季稻為充分利用氣候資源、增加水稻產(chǎn)量提供了有效途徑，在糧食安全中占有重要地位。但生產(chǎn)上需要考慮其安全生長，尤其要科學(xué)安排早稻播種期和晚稻齊穗期(馬國輝，2000；呂偉生等，2016)。早稻播種過早，容易遭遇低溫，影響出苗，導(dǎo)致出苗時間延長或爛種、爛秧;過遲則會減少有效生長期。晚稻齊穗期安排過早，影響產(chǎn)量潛力；過遲則易遭遇寒露風,不利齊穗與成熟。為保障雙季稻安全生產(chǎn)，有必要掌握雙季稻安全生長期。

界限溫度是表明某些重要物候現(xiàn)象或農(nóng)業(yè)活動開始和終止的溫度(馮秀藻和陶炳炎,1994)，由合理的界限溫度和界限溫度日期統(tǒng)計方法所確定的界限溫度日期、持續(xù)日數(shù)，在農(nóng)業(yè)氣候分析、作物可能生長期評價及指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義(韓湘玲和孔楊莊,1984；張運福等,2009；郭芬芬等，2016)。

在雙季稻安全生長期研究方面，艾治勇等(2014)、呂偉生等(2016)、岳偉等(2019)以日平均氣溫8℃為早稻覆膜育秧界限溫度，以日平均氣溫12℃為露天育秧安全播種界限溫度，以日平均氣溫22℃或23℃為晚稻安全齊穗界限溫度，以早稻安全播種期至晚稻安全成熟期日數(shù)作為雙季稻安全生長期，分別研究了長江中游地區(qū)(湖南、湖北和江西)、江西、安徽雙季早稻播種期、晚稻齊穗期及雙季稻安全生長期；黃維等(2020)以日平均氣溫穩(wěn)定通過12℃為早稻安全播種界限溫度，以日平均氣溫穩(wěn)定通過22℃為晚稻安全齊穗界限溫度，以早稻安全播種期至晚稻安全齊穗期日數(shù)作為雙季稻安全生長期，研究了廣西雙季早稻播種期、晚稻齊穗期及雙季稻安全生長期；曹秀霞等(2014)以氣溫10℃為界限溫度，研究了湖北省早稻適宜播種期；陸魁東等(2007)研究了湖南日平均氣溫分別穩(wěn)定通過8℃和10℃初日至穩(wěn)定通過22℃終日間的持續(xù)日數(shù)。目前，雙季稻安全生長期研究存在界限溫度不一致，安全生長期確定標準不統(tǒng)一，統(tǒng)計方法復(fù)雜等現(xiàn)象。本文以雙季秈稻主產(chǎn)區(qū)長沙為例，從統(tǒng)計方法、界限溫度、安全生長期確定標準等方面，對雙季稻安全生長期研究方法擇優(yōu)改良，以期為客觀評價雙季稻安全生長期，科學(xué)安排早稻播種期和晚稻齊穗期，規(guī)避早稻生長前期、晚稻生長后期等低溫危害，保障雙季稻安全生產(chǎn)提供更加科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

資料來源于長沙農(nóng)業(yè)氣象試驗站，包括1961—2020年逐日日平均氣溫和1996—2020年雙季稻發(fā)育期等。

1.2 界限溫度日期和安全生長期統(tǒng)計

采用曲曼麗(1990)的五日滑動平均法(簡稱滑動統(tǒng)計法)和王樹廷(1982)的三日連續(xù)偏低法(簡稱連續(xù)統(tǒng)計法)統(tǒng)計日平均氣溫(簡稱氣溫，本文所指溫度均為氣溫，下同)為8、10、12℃等早稻播種界限溫度初日和20℃、22℃等晚稻齊穗界限溫度終日。其中，滑動統(tǒng)計法先對氣溫做五日滑動處理，以處理后的滑動平均值為分析依據(jù)，連續(xù)統(tǒng)計法不對氣溫做處理，以氣溫原始值為分析依據(jù)，統(tǒng)計上半年氣溫連續(xù)3 d及以上≥8℃且其后無連續(xù)3 d及以上<8℃的初日日期(簡稱8℃初日)，連續(xù)3 d及以上≥10℃且其后無連續(xù)3 d及以上<10℃的初日日期(簡稱10℃初日)，連續(xù)3 d及以上≥12℃且其后無連續(xù)3 d 及以上<12℃的初日日期(簡稱12℃初日)；下半年第一次出現(xiàn)氣溫連續(xù)3 d及以上<22℃的前一個≥22℃的日期為終日日期(氣溫連續(xù)3 d及以上≥22℃的終日日期，簡稱22℃終日)，下半年第一次出現(xiàn)氣溫連續(xù)3 d及以上<20℃的前一個≥20℃的日期為終日日期(氣溫連續(xù)3 d及以上≥20℃的終日日期，簡稱20℃終日)。以大于等于早稻播種界限溫度初日日期為早稻界限溫度播種期，以晚稻齊穗界限溫度終日日期為晚稻安全齊穗期，以早稻界限溫度播種期至晚稻安全齊穗期日數(shù)為雙季稻安全生長期。

1.3 保證率計算

安全生長期保證率計算采用經(jīng)驗頻率法(曲曼麗，1990)。計算公式為：

Pm=m/(n+1)×100%

式中：m為初(終)日按日期遲早順序排列的序號，n為統(tǒng)計年數(shù)(即資料年數(shù))，Pm為序號m的保證率，保證率≥80%的序號所對應(yīng)的日期，為80%保證率日期。

1.4 氣候變化率分析

采用最小二乘法(魏鳳英，2007)，將早稻播種界限溫度初日日期、晚稻安全齊穗期、雙季稻安全生長期等因變量隨時間的變化趨勢擬合成一元線性方程y=at+b，式中：y為因變量，a表示因變量變化傾向率，b為回歸常數(shù)，t為年份時間序列，a×10表示因變量每10年的氣候變化率。

用Microsoft Excel 2010進行保證率計算和圖表繪制，用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)19.05高級版進行氣候變化傾向率等回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)統(tǒng)計法與滑動統(tǒng)計法合理性驗證

為了研究連續(xù)統(tǒng)計法與滑動統(tǒng)計法在界限溫度日期統(tǒng)計中的合理性，本文以氣溫8、10、12℃為界限溫度，分析了兩種方法得出的界限溫度初日差異。結(jié)果表明，以氣溫8℃為界限溫度，初日平均日期相差2 d，80%保證率日期相差1 d；以氣溫10℃為界限溫度，初日平均日期相差2 d，80%保證率日期相差0 d；以氣溫12℃為界限溫度，初日平均日期相差1 d，80%保證率日期相差1 d(表1)。說明連續(xù)統(tǒng)計法與滑動統(tǒng)計法得出的界限溫度初日平均日期及80%保證率日期相差很小，都可用于界限溫度日期統(tǒng)計?？紤]連續(xù)統(tǒng)計法統(tǒng)計簡便的優(yōu)勢(王樹延，1982)，除特別說明外，本文采用連續(xù)統(tǒng)計法統(tǒng)計界限溫度日期。

表1 1961—2020年基于不同統(tǒng)計方法的長沙早稻界限溫度初日日期

2.2 雙季早稻播種界限溫度及界限溫度初日日期

2.2.1 不同播種界限溫度初日平均日期和80%保證率日期

早稻播種大多以氣溫8℃或10℃為界限溫度，也有以12℃為界限溫度。研究表明，以氣溫8℃為播種界限溫度，≥8℃初日平均日期為3月9日，80%保證率日期為3月21日；以氣溫10℃為播種界限溫度，≥10℃初日平均日期為3月22日，80%保證率日期為3月29日；以氣溫12℃為播種界限溫度，≥12℃初日平均日期為3月30日，80%保證率日期為4月10日(表1)，以氣溫8℃為播種界限溫度，其界限溫度初日比10℃、12℃為界限溫度早。說明以不同氣溫為播種界限溫度，界限溫度初日不同，界限溫度提高，播種初日推遲。

2.2.2 不同播種界限溫度及其初日日期適應(yīng)性

準確的播種界限溫度及其初日日期是安排播種的重要依據(jù)。為了研究早稻播種界限溫度及其初日日期與早稻實際播種期的適應(yīng)性，本文分析了1996—2020年逐年早稻覆膜育秧實際播種期與對應(yīng)年份不同播種界限溫度初日日期差異，差值由式(1)得出，同時引入式(2)計算得到適用度指標。

D=D1-D2

(1)

A=a/n×100%

(2)

式中：D為實際播種期(D1)與初日日期(D2)差值。D≥0 d，實際播種在初日日期當天或之后，表示初日日期適用;D<0 d，實際播種在初日日期之前，表示初日日期不適用。A為適用度，a為適用次數(shù)，n為樣本量。

由表2可見,分別以氣溫8、10、12℃為播種界限溫度，初日日期與實際播種期適用度依次降低，以10℃、12℃為播種界限溫度，其初日日期對覆膜育秧早稻播種的指導(dǎo)作用不如以8℃為界限溫度的效果。

表2 1996—2020年長沙早稻實際播種期與不同播種界限溫度初日日期差值

為了進一步探究不同播種界限溫度及其初日日期與早稻實際播種期的適應(yīng)性，按照生產(chǎn)上常用的早稻播種應(yīng)在播種界限溫度80%保證率日期當天或以后的要求，分析了1996—2020年長沙逐年早稻實際播種期與對應(yīng)年份大于等于不同播種界限溫度80%保證率日期差異。其差值由式(3)得出。

d=d1-d2

(3)

式中：d為實際播種期(d1)與大于等于播種界限溫度80%保證率日期(d2)差值。d≥0 d，實際播種期在大于等于播種界限溫度80%保證率日期當天或之后；d<0 d，實際播種期在大于等于播種界限溫度80%保證率日期之前。

分析表明，全部實際播種期與≥8℃界限溫度80%保證率日期(3月21日)相比，d≥0 d的有62次，比例為82.7%，d<0 d的有13次，比例為17.3%，即82.7%的早稻在80%保證率日期當天或之后播種，說明該80%保證率日期符合生產(chǎn)實際；全部實際播種期與≥10℃界限溫度80%保證率日期(3月29日)相比，差值d≥0 d的有11次，比例為14.7%，d<0 d的有63次，比例為85.3%，即14.7%的早稻在80%保證率日期當天或之后播種，說明該80%保證率日期不符合生產(chǎn)實際；全部實際播種期與≥12℃界限溫度80%保證率日期(4月10日)相比，d≥0 d的有0次，比例為0.0%,即所有早稻在80%保證率日期之前播種，說明該80%保證率日期不符合生產(chǎn)實際。綜上所述，≥8℃的80%保證率日期，比≥10℃及≥12℃的80%保證率日期對覆膜育秧早稻播種的指導(dǎo)性更強，更符合生產(chǎn)實際需求。

2.3 不同界限溫度安全齊穗期及雙季稻安全生長期

2.3.1 不同界限溫度晚稻安全齊穗期及適用性

氣溫20℃、22℃是晚稻安全齊穗界限溫度(中國氣象局，2008；2013)。研究表明，以氣溫22℃為安全齊穗界限溫度，晚稻安全齊穗期(22℃終日)最早日期為9月2日，最遲日期為10月11日，相差39 d，平均日期為9月19日，80%保證率日期為9月9日；以20℃為安全齊穗界限溫度，晚稻安全齊穗期(20℃終日)最早日期為9月2日，最遲日期為10月23日，相差51 d，平均日期為10月2日，80%保證率日期為9月26日。以22℃為齊穗界限溫度，晚稻安全齊穗期比以20℃為齊穗界限溫度早。

為比較22℃安全齊穗期和20℃安全齊穗期適用性。定義實際齊穗期早于或等于安全齊穗期，安全齊穗期適用，記為“T”，否則，安全齊穗期不適用，記為“F”，適用度由式(2)計算得出。分析表明，以22℃為安全齊穗界限溫度，其安全齊穗期適用17次，適應(yīng)度為68%，以20℃為安全齊穗界限溫度，其安全齊穗期適用21次，適應(yīng)度為84%(表3)。但這不能說明以20℃為安全齊穗界限溫度更適用秈稻，因為20℃是粳稻安全齊穗界限溫度。

表3 1996—2020年長沙晚稻齊穗期和生長期及其適用性

2.3.2 不同界限溫度雙季稻安全生長期及適用性

分析表明，以氣溫8℃為早稻安全播種界限溫度，以氣溫22℃為晚稻安全齊穗界限溫度，雙季稻安全生長期(8℃初日至22℃終日)最少有164 d，最多為251 d，相差87 d，平均為194.5 d，80%保證率日數(shù)≥179 d；以氣溫10℃為早稻安全播種界限溫度，以氣溫22℃為晚稻安全齊穗界限溫度，雙季稻安全生長期(10℃初日至22℃終日)最少有152 d，最多為212 d，相差60 d，平均為182.2 d，80%保證率日數(shù)≥170 d；以12℃為安全播種界限溫度，以22℃為安全齊穗界限溫度，雙季稻安全生長期(12℃初日至22℃終日)最少有138 d，最多為209 d，相差71 d，平均為173.6 d，80%保證率日數(shù)≥164 d(表4)。從表4可以看出，界限溫度標準不同，雙季稻安全生長期不同，以氣溫8℃為播種界限溫度，雙季稻安全生長期平均日數(shù)、80%保證率日數(shù)比以氣溫10℃、12℃為播種界限溫度多，以20℃為安全齊穗界限溫度，雙季稻安全生長期平均日數(shù)比以22℃為安全齊穗界限溫度多。

表4 1961—2020年長沙不同界限溫度雙季稻安全生長期(單位：d)

為比較不同界限溫度安全生長期適用性。定義實際生長期少于或等于安全生長期，安全生長期適用，記為“T”；否則，安全生長期不適用，記為“F”。適用度由式(2)計算得出。分析表明，1996—2020年,以22℃為安全齊穗界限溫度，分別以8、10、12℃為播種界限溫度，其安全生長期適應(yīng)次數(shù)依次為25、24、20次，適應(yīng)度分別為100.0%、96.0%、80.0%(表3)。說明在安全齊穗界限溫度相同的情況下，以8℃為播種界限溫度，安全生長期適用性比以10℃、12℃為播種界限溫度好。因?qū)嶋H生長期數(shù)據(jù)來自秈稻，本文未對以20℃為安全齊穗界限溫度的安全生長期做適用性分析。

2.4 長沙雙季稻安全生長期

湖南是典型秈稻區(qū)(鄧文等，2016)，由上所述，本文以8℃為早稻播種界限溫度，以22℃為安全齊穗界限溫度，研究長沙雙季稻安全生長期，下文進一步研究其氣候變率及變化規(guī)律。

2.4.1 早稻播種界限溫度≥8℃播種期氣候變率及其規(guī)律

圖1 1961—2020年長沙早稻播種界限溫度≥8℃播種期變化

2.4.2 晚稻安全齊穗期氣候變率及其規(guī)律

圖2 1961—2020年長沙晚稻安全齊穗期變化趨勢

2.4.3 雙季稻安全生長期氣候變率及其規(guī)律

圖3 1961—2020年長沙雙季稻安全生長期變化趨勢

3 結(jié)論與討論

(1)不同的氣象業(yè)務(wù)和研究，經(jīng)常采用不同的統(tǒng)計方法(汪玲瑤等,2018；黃文彥等,2019)。農(nóng)業(yè)界限溫度日期統(tǒng)計方法有二倍偏差法、五日滑動平均法、三日連續(xù)偏低法、直方圖法等，且各有所長(王樹廷,1982；韓湘玲和孔楊莊,1984)。本研究表明，采用連續(xù)統(tǒng)計法(三日連續(xù)偏低法)得出的界限溫度初日日期與滑動統(tǒng)計法(五日滑動平均法)得出的界限溫度初日日期相差很小甚至相同，結(jié)論與王樹廷(1982)一致。與三日連續(xù)偏低法相比，五日滑動平均法比較復(fù)雜，在氣候分析中還會因五日平均值相差0.1℃或0.2℃，出現(xiàn)近百甚至幾百攝氏度積累(積溫)的舍棄(浪費)等不足(王樹廷,1982)。綜合來看，這兩種統(tǒng)計方法都能較好地反映界限溫度“穩(wěn)定通過”的統(tǒng)計要求，但連續(xù)統(tǒng)計法具有統(tǒng)計簡便的優(yōu)勢，在春播、寒露風等氣象服務(wù)中也廣泛被采用，可用于雙季稻安全生長期研究。

(2)氣溫10℃為喜溫作物開始播種的臨界溫度(郭芬芬等,2016)，也是長江中下游早稻露天育秧播種界限溫度(王學(xué)林等,2021；段里成等,2021)。在熱量資源豐富的廣西，露天育秧播種界限溫度為12℃(黃維等，2020)。隨著育秧技術(shù)的改良，中國南方雙季稻主產(chǎn)區(qū)普遍使用薄膜育秧(葉清等,2013；段里成等,2021)，如湖南80%左右的早稻采取薄膜育秧(包括工廠化育秧)，由于薄膜覆蓋的增溫效應(yīng)，這些地區(qū)將8℃作為播種界限溫度(劉敏等,2011；艾治勇等，2014；呂偉生等,2016；岳偉等,2019)。綜合來看，播種界限溫度跟地域和育秧方式有關(guān)，以氣溫12℃為播種界限溫度，適用于熱量資源豐富、雙季稻生長季節(jié)“富余”的華南雙季稻區(qū)(梅方權(quán)等，1988)及其鄰近雙季稻區(qū)，可采用露天育秧和直播方式；以氣溫10℃為播種界限溫度，理論上適用于南方地區(qū)的露天育秧，但育秧期間有遭遇氣溫小于12℃天氣的風險，出現(xiàn)爛種爛秧(余學(xué)知等，2006)，從降低風險出發(fā)，最好采用覆膜育秧；以8℃為播種界限溫度，適用于熱量資源略顯不足的雙季稻區(qū)的覆膜育秧，而不適用于露天育秧。

(3)以不同界限溫度為依據(jù)安排播種，各有利弊。長沙以氣溫8℃為界限溫度，播種早，雙季稻安全生長期長，氣候資源利用率高，但播種后遭遇低溫危害風險大。以氣溫10℃或12℃為界限溫度，播種遲，可以降低播種后遭遇低溫危害的風險，但雙季稻安全生長期短，氣候資源利用率降低。僅考慮早稻播種，以氣溫10℃或12℃為界限溫度，比以氣溫8℃為界限溫度有利。從全年水稻生產(chǎn)和氣候資源利用考慮，以氣溫8℃為播種界限溫度更有積極意義且符合生產(chǎn)實際。事實上，在長沙地區(qū)，≥10℃的80%保證率日期前播種的早稻，不僅比例超過80%，且播種后生長正常，而且不存在≥12℃的80%保證率日期之后播種的早稻。

(4)能否安全齊穗是衡量晚稻安全生產(chǎn)的一個重要標志。雙季晚稻安全齊穗通常以氣溫20℃或氣溫22℃為界限溫度，以氣溫22℃為晚秈稻安全齊穗界限溫度已得到普遍認可。本文以早稻播種界限溫度初日日期至晚稻安全齊穗期日數(shù)為雙季稻安全生長期，與梁平等(2007)、黃維等(2020)思路一致，也符合水稻安全生產(chǎn)要求。

(5)在氣候變化大背景下, 有些地區(qū)主要農(nóng)業(yè)生長季氣候資源變暖(黃中艷和朱勇，2009)，對物候的影響頗為顯著(蔡榕碩和付迪，2018)，北半球生長季的開始日期提前、結(jié)束日期推遲(秦大河，2014；吳蓓蕾等，2021)，中國不同地區(qū)代表性植物春季物候期呈提前趨勢(中國氣象局氣候變化中心，2021)，作物生長季增加，植被生長季有延長趨勢(陳懷亮等，2011)。本研究表明，以8℃為界限溫度，早稻播種期呈提前趨勢，以22℃為界限溫度，安全齊穗期呈推遲趨勢，整個雙季稻安全生長期增加，結(jié)論與劉敏等(2011)、謝遠玉等(2016)相同，安全生長期等非直線變化結(jié)論，與葉清等(2013)結(jié)論一致。隨著氣候變暖，早稻播種期提前是一種趨勢。但由于早稻播種期間天氣復(fù)雜，播種應(yīng)靈活掌握，春季溫度回升早的年份，可適當提前，春季溫度回升慢的年份，應(yīng)相應(yīng)推遲。

在科研和業(yè)務(wù)中，研究指標和方法擇優(yōu)一直受科研人員關(guān)注，并取得了較好效果(趙俊虎等，2018；程叢蘭等，2019；陸靜文等，2020)。本文采用的界限溫度、界限溫度日期統(tǒng)計方法、安全生長期確定標準等用于研究以覆膜育秧為主的長沙雙季秈稻安全生長期，具有較高可信度和適用性，對其他雙季秈稻區(qū)覆膜育秧有一定借鑒作用，但需進一步驗證。