长江中下游地区双季稻生长季内热量资源的变化特征及温度适宜度分析

王学林，曾 凯，柳 军，谢金花，张玉龙，邓 斌

(1 安徽省合肥市气象局，安徽 合肥 230041;2 江西省农业气象试验站，江西 南昌 330200)

水稻(OryzasativaL.)为一年生禾本科植物，是世界主要粮食作物之一，中国是水稻生产大国，水稻播种面积占全国粮食作物播种面积的1/4，产量则占粮食作物总产量的一半以上。长江中下游地区是中国双季稻最重要的生产区域之一，该地区水稻种植面积大，产量高[1]。然而近年来，随着全球气候的变化，长江中下游双季稻种植区热量资源也发生了明显的改变[2]，且全球变暖背景下极端高低温天气事件日益频发，严重制约着早晚稻的正常生长发育及产量形成[3]。因此，明确气候变化背景下该区域热量资源变化情况及双季稻各生育期温度适宜与否，对长江中下游双季稻产区应对气候变化及调整水稻熟制具有重要意义。

近年来，已有部分学者对长江中下游双季稻种植区的农业气候资源展开广泛研究。李勇等[4]研究认为，长江中下游地区早晚稻生育期有效降水量发生了明显的反向变化特征，而需水量均表现为减少趋势。谢远玉等[5]研究表明，近年来双季稻温度生长期及安全生长期的热量资源均有明显增多趋势，双季早稻安全播种期明显提前，双季晚稻安全齐穗期发生延后现象。张建平等[6]研究表明，气候变化导致我国南方大部分地区双季稻生长季有所缩短，双季稻产量有所下降。叶清等[7]研究发现，气候变化背景下南方稻作区水稻潜在生长季长度呈先增后减的变化趋势，且单季稻及双季稻增长幅度有差异。艾治勇等[8]在研究长江中游地区双季稻时发现，气候及双季稻安全生产日期变化并不显著。张彩霞等[9]研究表明，晚稻气候适宜度、光照适宜度及温度适宜度皆呈由东向西逐渐递减的空间分布特征，降水适宜度空间分布特征不明显，晚稻抽穗开花期的温度、降水适宜度均较低。刘维等[10]分析认为，气候变暖背景下华南和江南地区提前移栽有利于提高早稻抽穗开花至乳熟成熟期温度适宜度，同时降低高温日数，有效避开高温热害对早稻的影响。还有部分研究者针对安徽[11-13]、江苏[14]、湖南[15-16]、湖北[17]、江西[18-20]等地双季稻生产过程中热量条件及温度适宜度进行了专门的研究与分析。但目前关于气候变化对长江中下游地区双季稻起止日期、活动积温等热量资源影响的研究较少，也缺乏对长江中下游双季稻适种区的系统划分。

本研究根据长江中下游地区各站点双季早稻适播期情况，以及87个气象观测站1960―2012年的气象观测数据，将水稻全生育期分为6个阶段，基于6个阶段中各种气象条件变化引起的各生育期气候适宜性差异，研究长江中下游双季稻区双季稻生长季热量资源的时空演变特征及温度适宜度的变化规律，以期为合理调整双季稻种植结构提供重要的理论依据。

1 资料来源与分析方法

1.1 气象资料来源

为系统分析近年来长江中下游地区双季稻生长季热量资源的变化情况，定量评价热量资源是否满足早晚稻生长发育的需求，选择长江中下游地区常规气象观测站1960―2012年间逐日平均气温观测资料作为研究对象，各站点气象数据来源于国家气象信息中心气象资料室。首先对数据进行预处理：(1)考虑双季稻种植区所需要的地形及气候特点，剔除海拔较高的站点(黄山、庐山等)。(2)对于数据资料长度不一致的站点予以剔除，即剔除起始年在1960年后、结束年不在2012年或者中间几年缺测的站点；对于各年内缺测值少于5 d的数据采用5日滑动平均法[21]予以订正，缺测值多于5 d的数据予以剔除。经过上述预处理，获得长江中下游地区(安徽、江苏、湖南、湖北、浙江、江西)均匀分布的87个站点(图1)逐日平均温度资料，用于后续分析。

图1 长江中下游双季稻种植区主要气象观测站点分布图

1.2 双季稻起止日序、生长期及活动积温的计算

本研究采用5日滑动平均法[21]确定逐年稳定通过10 ℃的初日作为早稻露天育秧的界限温度，以稳定通过15 ℃作为晚稻安全齐穗期的界限温度，将早稻育秧期的起始日序与晚稻安全齐穗期终止日序间隔天数作为双季稻安全生产期。生长季内≥10 ℃的活动积温反映了双季早稻及晚稻全生育期对热量条件的要求。对稳定通过10 ℃的初日、稳定通过15 ℃的终日及双季稻安全生产期均按80%保证率取值。

1.3 温度适宜度模型的构建

温度适宜度是温度对水稻生长的适宜程度。根据马树庆[22]的研究，水稻不同生育期温度适宜度模型可用下式进行评价：

S(t)=[(T-T1)(T2-T)B]/[(T0-T1)(T2-T0)B]。

(1)

B=(T2-T0)/(T0-T1)。

(2)

式中：S(t)为温度对作物生长发育的适宜程度；T为生育阶段逐日平均温度(℃)；T1、T2、T0分别为该日所对应水稻某一生育期内的下限温度、上限温度和最适宜温度(℃)。当T=T0时，S(t)=1，表明温度对水稻生长发育促进作用最大；当T≥T2或者T≤T1时，S(t)=0，表明温度直接限制水稻的生长发育；当T1

表1 双季稻各生育期的临界温度

1.4 早晚稻全生育期温度适宜度

早晚稻全生育期温度适宜度采用下式计算：

(3)

式中：S(T)为双季稻全生育期温度适宜度；ai为双季稻不同生育阶段温度适宜度权重；Si(t)为双季稻不同生育阶段温度适宜度值。本研究采用加权平均法确定双季稻全生育期温度适宜度。

1.5 双季稻种植区温度适宜度分区方法

本研究利用长江中下游地区87个气象站点53年的逐日平均温度数据，计算获得各站点早晚稻全生育期温度适宜度值，运用反距离权重插值生成长江中下游地区早晚稻的温度适宜度空间分布图，再运用ArcGis 10.0中空间分析模块将两者的空间适宜性进行叠加分析，将长江中下游地区双季稻温度适宜度分为4个区域：最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区。

2 结果与分析

2.1 双季稻起止日序、安全生产期及生长季内活动积温的时空分布特征

2.1.1 空间分布 早稻稳定通过10 ℃起始日序及晚稻稳定通过15 ℃终止日序空间分布如图2(a、b)所示。

图2 长江中下游双季稻种植区起止日序、安全生产期及生长季内活动积温的空间分布特征

图2(a)表明，长江中下游地区早稻适播期从南到北逐渐延迟，具有明显的带状分布特征。其中湖南零陵、衡阳一带，江西宜春-樟树-景德镇-贵溪以南，浙江丽水附近适播期较早，约在2月中旬到3月上旬即可进行育秧播种；江苏大部分地区，安徽安庆-宁国沿线以北，湖北房县、钟祥以北以及浙江石浦以北早稻适播期较晚，约在3月中旬到4月上旬。近53年来，整个长江中下游地区早稻适播期在3月15日前后(表2)，分区域看，长江中下游地区适宜播期从早到晚依次为江西、湖南、浙江、湖北、安徽、江苏，适播期分别为3月1日、3月8日、3月12日、3月16日、3月25日和4月1日。

表2 长江中下游双季稻种植区起止日期、安全生产期及生长季内活动积温的变化情况

图2(b)表明，双季晚稻安全齐穗期空间分布格局与早稻育秧期呈现明显相反趋势，即早稻育秧时间越早，晚稻安全齐穗时间越晚，双季稻生长季越长，热量资源越丰富，越有利于水稻生长发育及产量形成。其中湖南零陵、衡阳一带，江西全境以及浙南地区双季稻安全齐穗期较晚，而苏北、皖北双季稻安全齐穗期较早，较易受低温影响，不利于水稻生长，大致上长江中下游晚稻成熟期80%保证率安徽最早，江苏、湖北、湖南次之，江西、浙江最晚。

图2(c)表明，长江中下游南部地区双季稻安全生长期高于北部地区。其中湖南南部零陵、衡阳，江西宜春、漳州、波阳沿线以南一带，浙江丽水附近水稻安全生产期较长，为249～278 d；而湖北房县、老河口附近、安徽及江苏地区水稻安全生产期为202～232 d；整个长江中下游地区双季稻生长季平均约237 d，且各区域生长季长短不一。整个长江中下游地区双季稻生长季内热量资源分布具有明显的差异(图2(d))，大致上从南到北热量资源依次递减，热量资源的分布格局与双季稻安全生长期较为相似，局部地区(如遂川、屯溪)热量资源达到6 085 ℃以上。分区域看，江西、湖南、浙江热量资源最为丰富，分别达到5 782.6，5 732.6和5 438 ℃，安徽、湖北次之，依次为5 168.6和5 121.6 ℃，江苏热量资源相对较少，约为4 725 ℃。

2.1.2 年际变化 1960-2012年长江中下游地区早稻育秧期、晚稻齐穗期、双季稻安全生产期及安全期内活动积温值的年际变化见图3。

图3 长江中下游双季稻种植区起止日序、安全生产期及生长季内活动积温年际变化情况

由图3可知，近53年来双季稻起止日序、安全生产期及活动积温年际变化具有明显的震荡特点，在整个分析期内，早稻育秧期起始日序具有明显下降趋势，而晚稻齐穗期及安全生产期具有明显上升趋势，双季稻生长季内活动积温变化最为显著。由图3(a)可知，1960―2012年长江中下游地区早稻育秧起始日序年际变化为49～95 d，最大值出现在1988年，最佳适播期推迟到4月5日；2002年为最小值，育秧时间可提前到2月18日前后。总体上看，整个研究阶段内早稻育秧日期以2.7 d/10a的倾向率提前。双季晚稻齐穗期年际变化幅度较大(图3(b))，以1.3 d/10a的倾向率向后推迟，晚稻安全齐穗期时间约在9月24日-10月20日，分别对应1981年、2012年。由图3(c)和图3(d)可知，双季稻安全生产期以4 d/10a的倾向率逐渐延长，活动积温以61 ℃/10a的速度增加，全球气候变化在一定程度上有利于双季稻的生长发育。

2.2 双季稻温度适宜度的时空变化趋势

2.2.1 早稻各生育期温度适宜度的空间分布 长江中下游地区早稻各生育期温度适宜度值见图4。

图4 长江中下游双季早稻各生育期温度适宜度的空间分布特征

由图4(a)可见，早稻秧苗期温度适宜度的分布由西南向东北逐渐递减，江西吉安、南城以南一带适宜度最大；湖南东南部，江西北部，浙江衢州、金华、丽水一带，湖北的巴东、宜昌附近次之；江苏东北部一带最低。整个长江中下游地区秧苗期早稻温度适宜度值普遍较低，早稻秧苗期温度过低，易造成烂秧，进而削减种植面积，因此应做好保温工作。早稻返青期温度适宜度(图4(b))分布情况与秧苗期相似，适宜度数值明显增加，其中江西南城、遂川一带适宜度值已达到0.5以上，但整个长江中下游地区早稻返青期温度适宜度仍然较低，易造成活株返青缓慢，生长不良。早稻分蘖期温度适宜度(图4(c))除数值较返青期有所增加外，整体分布情况与返青期类似，其中安徽，江苏，浙江丽水、衢州以东，湖北的房县、老河口、来凤、恩施一带，湖南的桑植、安化、芷江沿线以西适宜度值偏低，约在0.54以下，在水稻分蘖过程中会遇低温天气影响，易造成早稻僵苗不发、延长水稻发育进程。早稻孕穗期温度适宜度(图4(d))较分蘖期有显著提高，但分布情况与分蘖期无明显变化，中部地区相对较高，东部地区及西部地区适宜度略低。孕穗期温度低会造成颖花不育，推迟发育，降低水稻品质及产量。早稻开花期温度适宜度(图4(e))值为0.54～0.85，温度适宜度整体较好，温度条件能较好地满足水稻对热量条件的需求。早稻成熟期温度适宜度(图4(f))则表现为由南向北递增，适宜度的空间分布与开花期相反，适宜度值为0.53～0.90，热量条件相对较好，有利于水稻的生长发育。

2.2.2 晚稻各生育期温度适宜度的空间分布 长江中下游地区晚稻各生育期温度适宜度值如图5所示。

图5 长江中下游双季晚稻各生育期温度适宜度的空间分布特征

由图5(a)可见，晚稻秧苗期温度适宜度高值区主要集中在湖北西北部，安徽霍山、巢湖、合肥沿线以北地区及江苏大部分地区，低值区主要分布在湖南零陵、双峰，江西宜春、景德镇沿线以南以及浙江的衢州、丽水等局部地区，整体温度适宜度均在0.89以上。晚稻返青期温度适宜度(图5(b))空间分布格局与晚稻秧苗期温度适宜度较为相似，整体温度适宜度值较秧苗期略有降低，适宜度值在0.75～0.98。晚稻分蘖期温度适宜度(图5(c))值均在0.90以上，适宜度较返青期增加，能充分满足晚稻分蘖期对热量条件的需求。晚稻孕穗期温度适宜度值(图5(d))自南向北逐渐降低，具有明显的带状分布特征，湖南东南部、江西及浙江地区适宜度最高，湖北巴东、钟祥，安徽的霍山、寿县以北地区以及苏北赣徐附近最低，适宜度值较分蘖期有所下降。晚稻开花期温度适宜度(图5(e))较孕穗期有明显下降，适宜度值为0.28～0.79，但分布仍呈现由南向北递减的趋势，高值区集中于浙南、江西、湖南东南部地区，低值区多集中在湖北房县、老河口，安徽阜阳、宿县以北，江苏徐赣地区，此时北方冷空气南下温度逐步降低，严重时发生“寒露风”灾害，造成颖花不育，空粒增加，导致减产。晚稻成熟期适宜度(图5(f))与孕穗期适宜度分布相似，但适宜度值下降。

2.2.3 双季稻全生育期温度适宜度的空间分布 长江中下游地区双季稻全生育期温度适宜度值如图6所示。

图6 长江中下游双季稻全生育期温度适宜度的空间分布特征

由图6(a)可见，早稻全生育期温度适宜度自西南向东北递减，受海陆地形分布的影响较大，东部地区气温较低，西部内陆稍高，但整体而言依然偏低，适宜度值为0.40～0.68，不能很好满足水稻的热量需求，是早稻生长的一个重要限制条件。晚稻全生育期温度适宜度(图6(b))自南向北递减，江西广昌附近、浙江石浦玉环一带最高，湖南武冈、衡阳、平江，江西修水、波阳，浙江衢州、杭州，江苏吴县、东山、吕泗沿线以北大部分地区次之，湖北房县、老河口，安徽霍山、寿县、宿县以北以及徐赣地区最低，但整体而言温度适宜度较高，有利于水稻生长发育期间热量积累。

2.2.4 双季稻各生育期适宜度年际变化 长江中下游地区早晚稻各生育期温度适宜度及全生育期温度适宜度年际变化结果如图7所示。由图7(a)可见，早稻从秧苗期到分蘖期温度适宜度值普遍较低，温度适宜度值随着水稻发育进程逐渐提高，1960―1990其适宜度值变化相对较稳定，到20世纪90年代后期，其温度适宜度值有显著的上升趋势，具有明显的阶段性特征。而早稻从孕穗期到成熟期温度适宜度值普遍较高，为0.6～1.0，在整个研究期温度适宜度值相对较稳定，热量条件能够较好地满足水稻后期生长需求。分析水稻全生育期温度适宜度发现，其值在0.5上下波动，热量条件相对较差，很难满足水稻整个生长过程对热量条件的需求，主要是由于早稻生长前期南方低温天气限制了水稻的生长发育进程。从图7(b)可知，在整个研究阶段，晚稻除开花期及成熟期温度适宜度值震荡剧烈，且较低外，在晚稻发育早期温度适宜度普遍较好，均处于0.8以上，且相对较为稳定，热量条件较好，其全生育期温度适宜度值也稳定在0.8左右波动，较易满足晚稻生育期内的热量需求。

从图7还可以发现，早晚稻温度适宜度都在上升，晚稻温度适宜度以0.004/10a的速度上升，而早稻温度适宜度以0.015/10a的速度上升。所以，尽管早稻的温度适宜度低于晚稻，但早稻温度适宜度的上升趋势要比晚稻快，由此可见，在气候变暖的大背景下，双季稻生长季均不同程度地增加了温度适宜度，气候变暖对早稻生长季各生育期的影响要大于晚稻生长季各生育期。

图7 长江中下游双季稻各生育期温度适宜度年际变化

2.3 长江中下游地区双季稻温度适宜度分区

长江中下游地区双季稻温度适宜度分区见图8。

图8 长江中下游地区双季稻温度适宜度分区

由图8可见，长江中下游双季稻最适宜区主要分布在湖南零陵附近、江西大部分区域以及浙江丽水一带。这一地区春季升温较快，能充分保证早稻秧苗出苗分蘖和营养生长，而秋天温度也满足晚稻的安全齐穗期，安全生产期较长，双季稻安全生产期内活动积温为5 638～6 531 ℃，符合水稻的热量需求。湖南零陵、衡阳以北，湖北老河口、枣阳以南，安徽安庆以南，江西以北边缘地带以及浙江衢州、洪家西南部地区是双季稻适宜区，该地区双季稻安全生产期为233～248 d，安全生长期内活动积温为5 191～5 637 ℃，能基本满足双季稻对热量条件的需求，但该区域在晚稻孕穗期易遭受北方冷空气南下的影响，造成晚稻千粒质量下降，空壳率增加，因此，要注意晚稻孕穗期由于冷空气南下造成的“寒露风”灾害。双季稻次适宜区主要分布在湖北老河口以北，安徽安庆以北，浙江东北部以及江苏的溧阳一带，该区域双季稻安全生长期内活动积温为4 744～5 190 ℃，不能很好满足水稻生长对热量的需求，尤其在晚稻孕穗及成熟期，易受低温影响导致颖花不育，空粒增加。不适宜区主要位于江苏东北部大部分地区，该地区春季升温慢，双季稻安全生长期内活动积温相对较低，早稻生长前期及晚稻生长后期易遭受低温天气影响，应注意防止“小满寒”及“寒露风”灾害。

3 讨论与结论

本研究以长江中下游地区均匀分布的87个气象观测站点1960―2012年的常规气象观测数据为依托，系统研究了长江中下游地区双季稻生产起止日序、安全生产期和生长季内活动积温的时空分布情况。在此基础上，进一步构建了双季稻各生育期温度适宜度模型，系统分析了双季稻各生育期温度适宜度的时空变化规律，并对双季稻种植区进行了划分。研究结果表明，双季稻种植起止日序存在明显的南北差异，安全生产期和生长期内活动积温值从南到北减少，双季稻生长季起止日序、各项热量指标以及全生育期温度适宜度值均具有微弱的上升趋势，表明全球气候变化对双季稻的安全生产具有一定促进作用。此外，对双季稻区进行适宜度划分发现，双季稻适种区主要分布在江西、湖南以及湖北南部大部分区域。该研究结果对我国双季稻区稻作制度的确定提供了科学依据。

但本研究也存在很多不足之处，首先，本研究区域相对较大，站点资料相对有限，站点与实际双季稻种植区具有一定的距离，可能会导致研究结果与实际存在部分偏差；其次，双季稻生长过程中不仅受温度影响，降雨及日照条件也是限制水稻发育过程中的关键气象因子，因此今后需进一步研究由光照、温度及降水决定的双季稻区气候适宜度。