长江中游地区双季稻安全生产日期的变化
艾治勇1, 郭夏宇1, 刘文祥1, 马国辉1, 青先国2,*
1杂交水稻国家重点实验室 / 湖南杂交水稻研究中心, 湖南长沙 410125
2湖南农业大学, 湖南长沙 410128
* 通讯作者(Corresponding author): 青先国, E-mail:qingxianguo@163.com

第一作者联系方式: E-mail:aizhiyongw@163.com

摘要

安全生产日期是品种和种植方式选择、温光资源高效利用和生产季节安全的重要基础。本文以长江中游地区47个气象台站的逐日日平均温度资料为基础, 分析了近50年(1960—2009)该地区50%和80%保证率的双季稻各安全生产期。发现生产中常用的80%保证率安全生产日期, 后25年(1985—2009)较前25年(1960—1984)早稻覆膜旱育秧安全播种期推迟了3 d, 早稻露地水育秧安全播种期提前了3 d, 早稻安全移栽期提前了4 d, 杂交晚籼稻安全齐穗期提前了3 d, 常规晚籼稻安全齐穗期推迟了1 d, 晚籼稻安全成熟期基本没有变化, 早稻覆膜旱育秧条件下的双季稻安全生产季节天数缩短了4 d, 早稻露地水育秧条件下的双季稻安全生产季节天数延长了1 d。本文列出了后25年各气象台站80%保证率的安全生产日期, 按就近指导原则可以作为各地双季稻生产季节安排、品种和种植方式选择的依据。对比东北、华北、黄淮等地区, 长江中游地区的气候及安全生产日期变化并不显著。除早稻露地水育秧安全播种期、早稻安全移栽期明显提前, 有利于早稻提早播种、增加产量潜力外, 其他安全生产日期的变化并不利于延长生长季节和增加产量潜力, 其中晚稻安全齐穗期还略有提前。因此, 从生产安全性的角度, 该地区不能盲目地推广直播稻, 机插稻也应重视安全生产日期的问题, 搞好品种选择和播期安排。

关键词: 长江中游; 双季稻; 安全生产日期; 气候变化
Changes of Safe Production Dates of Double-season Rice in the Middle Reaches of the Yangtze River
AI Zhi-Yong1, GUO Xia-Yu1, LIU Wen-Xiang1, MA Guo-Hui1, QING Xian-Guo2,*
1 State Key Laboratory of Hybrid Rice / Hunan Hybrid Rice Research Center, Changsha 410125, China
2 Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
Abstract

Safe production date is an important basis for varieties and planting patterns selection, high use efficiency of heat and light resources, and production season safety. In this study, the daily average temperatures during the 50 years (1960-2009) provided by 47 meteorological stations in the Middle Reaches of the Yangtze River were analyzed, and several safe production dates for double-season rice with 50% and 80% guarantee rates were provided. At the 80% guarantee rate of the safe dates generally used in the double-season rice production, compared with the first 25-year period, the safe sowing dates of early-season rice seedlings with film-mulching in dry nursery in the second 25-year period were three-day delay, but those of the seedlings without film-mulching in watered nursery were three-day ahead of time; the safe transplanting dates of the seedlings shifted to three days early. The safe production dates for the early rice with film-mulching in dry nursery shortened four days, but ones for the early rice in the watered nursery was one more day. The safe full heading dates for the late-season hybridindica rice were three days early, but those for the late-seasonindicarice were one day delay, and basically, its mature date as usual. The safe production dates with 80% guarantee rate during the second 25-year period were offered by meteorological stations, which can be referred in production arrangement, varieties and planting patterns for double-season rice in every regions to the nearest guiding principles. The changes of climate and safe production date were not more significant in the Middle Reaches of the Yangtze River than in the Northeast and the North China. The obvious advance of the safe production dates and safe planting dates for the early rice in the watered nursery facilitates early sowing, increasing yield potential except the rest of safe production dates. Therefore, sewers should reasonably arrange layout in these regions according to the safe production dates.

Keyword: The Middle reaches of the Yangtze River; Double-season rice; Safe production date; Climate change

充分利用温光资源和保证生产安全是种植制度的根本要求。长江中游地区水稻生长期的光合辐射强度较东北、西北、华北等地区低, 但生长季节相对长, 因此, 充分利用生长季节、延长光合时间是该地区双季稻增产的有效途径[ 1]。但是, 在充分利用生长季节的同时, 必须考虑安全生长期问题, 特别是合理安排早稻的播种期和晚稻的抽穗开花期, 早稻的播种期过早, 不能安全出苗, 过迟则会减少有效生长期影响产量; 晚稻抽穗开花期安排过早势必影响产量潜力, 过迟则易受后期“寒露风”等低温天气影响, 不能安全齐穗与成熟[ 2, 3, 4]。因此, 研究当前气候条件下双季稻安全生产日期问题对水稻种植业应对气候变化具有重要意义。

近年来全球气候变暖已成为不争的事实[ 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]。近100年来全球平均气温上升了0.74℃[ 8], 1906—2005年我国年平均气温上升(0.78±0.27)℃[ 11, 12], 湖南省年平均气温自1961年以来上升了0.42℃[ 13], 湖北省与江西省自20世纪90年代以来也增温明显[ 14, 15]。这种气候变化对农业生产特别是作物生产造成了不可忽视的影响[ 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27], 如江苏省近25年各地水稻的安全齐穗期较以前普遍延迟3~4 d[ 28], 玉米、小麦等作物的物候期也发生了明显变化。目前, 尚未见气候变化背景下长江中游地区双季稻安全生产季节变化的系统报道。

近年来洞庭湖地区出现双季晚稻直播, 同时, 双季晚稻机插也发展迅速。由于直播与机插较抛秧和手插的播期推迟15~30 d, 这使晚稻安全齐穗与安全成熟问题更加突出[ 28]。由于缺乏对该区域气候变化特点、安全生产期变化的全面分析, 也缺乏相应的安全生产的理论指导, 其生产安全性与产量稳定性已引起各部门的高度关注。本研究基于我国长江中游地区年度的47个气象台站1960—2009年的逐年日平均温度完整资料, 将1960— 2009年划分为1960—1984年(时段I)和1985—2009年(时段II) 2个时段[ 29], 分析近50年来该区域早稻安全播种期、早稻安全移栽期、晚稻安全齐穗期、晚稻安全成熟期等安全生产日期以及双季稻安全生产期天数变化及其对双季稻生产的可能影响, 以期为该区域当前双季稻生产合理选用品种、安排播期以及选择种植方式等提供依据与指导。

1 材料与方法
1.1 数据来源与整理

本文所用的逐日日平均温度来自中国气象局国家气象信息中心, 包括湖南、湖北和江西3省的63个气象台站(图1)。经整理剔除年代资料不完整的台站, 选取其中符合研究要求的47个气象台站的1960—2009年的逐日日平均温度资料分析研究。

图1 长江中游双季稻区气象台站及其海拔分布Fig. 1 Meteorological stations and altitude distribution in double- season rice planting area in the Middle Reach of the Yangtze River

1.2 数据计算方法

1.2.1 安全日期 采用5日滑动平均法对各气象台站的逐日日平均温度进行处理, 确定稳定通过某界限温度的日期, 再用不连续出现3 d以上不低于该界限温度的办法确定安全生产日期[ 30]。用稳定通过8℃以上, 不连续出现3 d以上日均温低于8℃的初始日期作为早稻覆膜旱育秧的安全播种期; 用稳定通过12℃以上, 不连续出现3 d以上日均温低于12℃的初始日期作为早稻露地水育秧的安全播种期; 用稳定通过15℃以上, 不连续出现3 d以上日均温低于15℃的初始日期作为早稻的安全移栽期; 用稳定通过23℃以上, 不连续出现3 d以上日均温低于23℃的终止日期作为杂交晚稻的安全齐穗期; 用稳定通过22℃以上, 不连续出现3 d以上日均温低于22℃的终止日期作为常规晚稻的安全齐穗期; 用稳定通过15℃以上, 不连续出现3 d以上日均温低于15℃的终止日期作为晚稻的安全成熟期[ 31, 32]

1.2.2 各保证率的安全日期 根据上述方法, 分别求得各生产季节的安全日期, 分近50年(1960—2009)、前25年(1960—1984)、后25年(1985—2009) 3个时段分别统计50%、80%保证率的安全日期, 50%保证率的安全日期即各时段内安全日期的平均值, 80%保证率的安全日期采用经验频率法计算[ 30]

1.2.3 双季稻安全生产季节天数 双季稻安全生产期天数以早稻安全播种日期至晚稻安全成熟日期的天数表示, 分别用50%、80%保证率的早稻安全播种期至晚稻安全成熟期之间的天数表示其安全生产期天数。

1.2.4 气候变化倾向率 采用最小二乘法, 计算安全生产日期与年度的线性回归系数a, 安全生产季节的变化可用一次线性方程表示[ 20, 33], 即

, t = 1, 2, …, n(年)

式中 为安全生产日期拟合值, a为回归系数。以 a×10为气候变化倾向率(单位: d 10a-1), 表示安全生产日期每10年的变化速率。

1.3 空间插值与图形绘制

采用ArcGIS9.2中Geostatistical Analyst模块, 用反距离权重插值方法(inverse distance weighting, IDW)对各安全生产期的气候变化倾向率以及安全生产期天数进行插值, 设定cell size参数为500 m, 生成空间栅格数据, 然后使用Spatial Analyst Tools编辑修改, 最后输出各安全生产期的气候变化倾向率以及安全生产季节天数的地理图[ 34, 35, 36]

2 结果与分析
2.1 早稻安全播种期

近50年来, 早稻无论是以覆膜旱育秧还是以露地水育秧的栽培方式, 安全播种期均提前, 露地水育秧的安全播种期提前幅度与区域面积均大于覆膜旱育秧。早稻覆膜旱育秧的安全播种期的变化倾向率在-3.2~0.4 d 10a-1之间, 平均为-0.9 d 10a-1, 提前区域面积占长江中游地区面积的87.2% (图2-A)。早稻露地水育秧的安全播种期变化倾向率在-2.9~2.4 d 10a-1之间, 平均为-1.6 d 10a-1, 提前区域面积占长江中游地区面积的97.9% (图2-B)。

图2 长江中游早稻安全播种期变化倾向率分布Fig. 2 Distribution of change trend rate of safe sowing date for early-season rice in the Middle Reaches of the Yangtze River

早稻覆膜旱育秧50%保证率安全播种期在3月11日左右, 后25年较前25年提前了约1 d左右, 80%保证率安全播种期在3月22日左右, 后25年较前25年推迟约2 d左右, 这可能与后25年的平均气温在早春稳定通过8℃的过程中表现为反复多变的特点有关。露地水育秧50%保证率安全播种期在3月31日左右, 后25年较前25年平均提前了约3 d, 80%保证率安全播种期在4月11日左右, 后25年较前25年平均提前了约3 d (表1)。露地水育秧后25年安全播种期比前25年提前的幅度大于覆膜旱育秧, 这可能是后25年早春温度稳定通过8℃以后, 迅速回升有关, 导致露地水育秧安全播种期提前。

表1 长江中游双季稻的安全生产日期及其变化 Table 1 Safe production dates and change of double-season rice in the Middle Reaches of the Yangtze River
2.2 早稻安全移栽期

近50年来, 早稻的安全移栽期呈提前趋势, 变化倾向率在-3.8~ -0.7 d 10a-1之间, 平均为-2.1 d 10a-1, 即平均每10年提前2 d。长江中游各地均有不同程度的提前, 以湖北中东大部、江西西北部、湖南西南部及西北小部的提前幅度较大(图3)。早稻50%保证率安全移栽期平均在4月16日左右, 后25年较前25年平均提前了4 d。早稻80%保证率安全移栽期平均在4月29日左右, 后25年较前25年平均提前了4 d (表1)。

图3 长江中游早稻安全移栽期变化倾向率分布Fig. 3 Distribution of change trend rate of safe transplanting date for early-season rice in the Middle Reaches of the Yangtze River

2.3 晚稻安全齐穗期

近50年来, 杂交晚籼稻安全齐穗期的变化倾向率在-2.9~1.0 d 10a-1之间, 平均-0.8 d 10a-1, 即平均每10年提前0.8 d, 提前的区域面积占长江中游地区面积的80.9%, 以湖北西部、湖南中北部与中西部提前趋势明显, 而其他区域提前不明显, 其中部分地区存在延迟趋势(图4-A)。常规晚籼稻安全齐穗期的变化倾向率在-1.8~2.0 d 10a-1之间, 平均0.01 d 10a-1, 湖北中西部和湖南中西部提前趋势明显, 而湖南中东部、湖北中东部以及江西大部延迟的趋势明显, 其中以武汉为中心的湖北中东部地区延迟趋势最为明显(图4-B)。

图4 长江中游晚稻安全齐穗期变化倾向率分布Fig. 4 Distribution of change trend rate of safe full heading date for late-season rice in the Middle Reaches of the Yangtze River

杂交晚籼稻50%保证率安全齐穗期平均在9月10日左右, 后25年较前25年平均提前了1 d, 由9月10日提前至9月9日。杂交晚籼稻80%保证率安全齐穗期平均在9月3日左右, 后25年较前25年平均提前了3 d, 由9月4日提前至9月1日。常规晚籼稻50%保证率安全齐穗期平均在9月16日左右, 后25年较前25年平均延迟了2 d, 由9月15日延迟至9月17日, 常规晚籼稻80%保证率安全齐穗期平均在9月8日左右, 后25年较前25年平均延迟了1 d, 由9月8日延迟至9月9日(表1)。

2.4 晚稻安全成熟期

晚籼稻的安全成熟期呈延迟趋势, 变化倾向率在-0.7~2.8 d 10a-1之间, 平均1.1 d 10a-1, 即平均每10年安全成熟期延迟1 d。延迟的区域面积占长江中游地区面积的97.9%, 以湖北中东大部和西北部、湖南大部延迟较明显, 而江西大部不明显(图5)。晚稻50%保证率安全成熟期平均在10月27日左右, 后25年较前25年平均延迟了1 d。晚稻80%保证率安全成熟期平均在10月14日左右, 后25年与前25年基本没有变化(表1)。

图5 长江中游晚稻安全成熟期变化倾向率分布Fig. 5 Distribution of change trend rate of safe maturity date for late-season rice in the Middle Reach of the Yangtze River

2.5 双季稻安全生长季天数

251671040从图6可以看出, 早稻覆膜旱育秧条件下双季稻安全生长季节天数的变化倾向率在-0.02~0.5 d 10a-1之间, 平均为0.2 d 10a-1, 即平均每10年增加0.2 d,前25年安全生长季天数在199~259 d之间, 平均为229 d, 后25年在207~262 d之间, 平均为230 d。早稻露地水育秧条件下双季稻安全生长季节天数的变化倾向率在0.05~ 0.5 d 10a-1之间, 平均为0.3 d 10a-1, 即平均每10年增加0.3 d, 前25年安全生长季天数在178~237 d之间, 平均为207 d, 后25年在186~236 d之间, 平均为211 d。

图6 长江中游双季稻安全生长季节天数的变化倾向率分布Fig. 6 Distribution of change trend rate of the days of safe growth season of double-season rice in the Middle Reach of the Yangtze River

早稻覆膜旱育秧条件下50%保证率双季稻安全生长季节天数平均为230 d左右, 后25年较前25年平均增加了1 d。80%保证率双季稻安全生长季节天数平均为214 d左右, 后25年较前25年平均减少了4 d。早稻露地水育秧条件下50%保证率双季稻安全生长季节天数平均为209 d左右, 后25年较前25年平均增加了4 d。80%保证率双季稻安全生长季节天数平均为195 d左右, 后25年较前25年平均增加了1 d (表2)。早稻覆膜旱育秧的双季稻安全生产季节天数减少, 而露地水育秧的双季稻安全生产季节天数增加, 主要是两种育秧方式的安全播种期的不同变化所致。

表2 长江中游双季稻各保证率的安全生产季节天数 Table 2 Days of safe growth season with different guarantee rate for double-season rice in the Middle Reaches of the Yangtze River (d)
2.6 双季稻安全生产日期

从温光资源高效利用以及生产安全两方面考虑, 以后25年各地80%保证率的安全日期, 再结合各地安全生产日期的变化倾向率插值图, 得到各地双季稻的安全生产日期(表3), 按就近原则用于指导当前各地的品种及种植方式选择、生产季节安排和品种搭配模式。在应用中, 就近指导原则可以避免非双季稻区结果的影响, 从而提高研究结果对生产指导的准确性。双季稻非适宜种植区的结果可能影响最终的平均结果, 类似湖南桑植、湖北房县、湖北枣阳等地, 按晚稻安全齐穗的温度指标计算, 其安全齐穗期出现在8月份, 实际上这些区域没有也不适宜于双季稻种植。但是, 本文结果反应出的变化趋势与适宜种植区是一致的, 不影响各地各安全生产日期的总体变化趋势。

表3 长江中游地区80%保证率下的双季稻安全生产日期 Table 3 Safe production date with 80% guarantee rate of double-season rice in the Middle Reaches of the Yangtze River (month/day)
表3 长江中游地区80%保证率下的双季稻安全生产日期 Continue Table 3 Safe production date with 80% guarantee rate of double-season rice in the Middle Reaches of the Yangtze River (month/day)
3 讨论
3.1 长江中游地区不能盲从气候变暖而选用安全性低的品种或种植方式

近年来, 长江中游地区直播和机插稻发展迅速, 甚至在洞庭湖还有晚稻直播的发展趋势, 该区域直播稻和机插稻发展迅速的原因当然与农村劳动力转移、种稻比较效益低、直播与机插轻简高效等因素有关, 其中也与全球气候变暖的认识导向有关。相关研究表明直播与机插较传统的抛秧和手插的播期要推迟15~30 d, 特别是直播可能要推迟更多, 这使晚稻安全齐穗与安全成熟问题更加突出[ 28]。如果在温光资源和生长季节天数没有显著增加的情况下, 直播稻可能会造成有限的温光资源浪费, 也很难取得与移栽稻或抛秧稻相当的产量。本研究表明, 长江中游地区早稻露地水育秧的安全播种期(可作为早稻直播的安全播种期)平均仅提前了3 d, 杂交晚籼稻的安全齐穗期不仅没有推迟还平均提前了3 d, 晚籼稻的安全成熟期也没有明显推迟, 这充分说明长江中游地区并没有像其他地区那样, 受全球气候变化大背景的影响, 温光资源与安全生长季节明显增加。特别是晚稻的安全齐穗期还略提前, 杂交晚稻的安全齐穗期提前更明显, 该结论基本符合该地区冬暖夏凉的气候变化事实, 也与该地区其他有关双季稻安全生产研究的结果基本吻合[ 13], 这更增加了晚稻生产的风险。因此, 长江中游地区并不具备发展双季稻种植制度下直播稻的气候资源条件, 在该地区发展直播稻应相当慎重, 不能盲从气候变暖的认识导向大力发展直播稻, 特别是晚稻直播, 其生产的安全性就更低, 决不能因为一年或二年的成功而盲目采用或推广。此外, 该地区晚稻机插秧以及移栽稻和抛秧均要根据实际情况合理选用品种、安排播期及搭配模式, 不能盲目以为气候变暖大力推广应用迟配迟的熟期搭配方式。

气候变化包括辐射、温度、水分、光照等多个气象因素, 对农业生产也是多个因素的综合影响。长江中游双季稻区为我国南方的三熟制区, 双季稻的安全生产季节主要受温度的影响, 因此, 本文主要研究了气候变化背景下温度的变化对长江中游双季稻关键生产时期的安全性影响。研究结果对双季稻的安全生产具有一定的指导作用, 但对某些不以温度为安全生产首要限制因子的地区, 应在考虑温度影响的同时, 因地制宜地考虑水分资源、品种改变、经济社会、政策等方面因素的影响。

3.2 杂交晚籼稻安全齐穗期明显提前对生产实践的指导意义有待探讨

长江中游双季稻区的气候变暖趋势已是事实, 在此背景下, 晚稻的安全齐穗期应当会延迟, 正如江苏省近50年粳稻安全齐穗期的变化那样, 普遍延迟[ 28]。然而, 在本研究中发现长江中游晚稻特别是杂交晚籼稻的安全齐穗期并没有普遍延迟。分析其原因, 可能与长江中游地区气候变暖以冬季为主的冬暖夏凉气候变化特点有关。笔者在分析中发现后25年安全齐穗期出现在8月份的频次显著高于前25年(图7), 这可能是导致后25年平均安全齐穗期提前以及安全齐穗期变异的标准差增大的原因。那么, 是否可以考虑8月份的低温对杂交晚籼稻安全齐穗没有影响或影响不大, 将出现在8月份的年份剔除, 在9月至10月确定其安全齐穗期?这一方法是否符合生产实践和调整之后的杂交晚籼稻安全齐穗期变化特点有待进一步讨论研究。

图7 主要双季稻区杂交晚籼稻安全齐穗温度指标出现在8月份的年份频次Fig. 7 Number of years existing the index temperature 23℃ in August for safe fill heading of late-season hybrid indica rice in main double-season rice planting area

3.3 双季晚稻品种的耐寒性及安全齐穗温度指标有待深入研究

本研究结果表明, 近25年来长江中游双季晚稻的安全齐穗期并未因气候变暖而明显延迟, 甚至略有提前, 此结果在黄晚华等[ 13]的研究中也得到了证实。然而, 大多数水稻科研工作者与技术推广人员认为近年来的“寒露风”越来越不明显, 因抽穗开花期低温导致的晚稻安全齐穗问题越来越少, 这一现象与晚稻安全齐穗期没有变化甚至略有提前的结论似乎有点不相符。这可能是由于该区域双季晚稻品种的耐寒性发生变化, 或安全齐穗温度指标不适用于当前品种。本文安全齐穗期分析所用的低温指标, 是借鉴30多年前, 由高亮之先生等界定的温度指标, 即常规籼稻22℃、杂交籼稻23℃。然而, 30多年来, 长江中游双季晚稻品种与全国一样, 不论是品种类型还是品种的生产特性均发生了巨大的变化。当前主体品种较30多年前品种的耐寒性是否发生了变化。以往品种安全齐穗的22℃、23℃温度指标是否适用于当前品种。均有待探讨, 以提出当前品种的安全齐穗温度指标。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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