气候变暖对广西双季稻安全生产期的影响

黄维 吴炫柯* 刘梅 何燕 刘永裕

(1 广西柳州市农业气象试验站，柳州 545003； 2 广西气象科学研究所，南宁 530022)

引言

气候变暖已成为不容置疑的事实。政府间气候变化委员会(IPCC)第5次报告指出，近100年内，全球平均温度已升高0.85 ℃，近60年上升尤其明显[1-2]。根据中国气象局发布的《2020年中国气候公报》,2020年中国年平均气温10.25 ℃，比常年(1981—2010年)平均偏高0.7 ℃，为1951年以来第8个最暖年。气候变暖已对我国农业气候资源、农作物气候生产潜力和农业种植制度等产生了一系列不可忽视的影响，其中对农业气候资源的影响主要表现为积温增加、无霜期和作物安全生长季延长等[3-8]。

水稻是中国主要粮食作物，种植区域分布极广，主要有华南双季稻、华中双季稻、西南高原单双季稻、华北单季稻、东北早熟单季稻和西北干燥区单季稻6个稻作区[9]。广西是华南双季稻稻作区的重要种植区，主栽杂交籼稻，双季稻常年种植面积约1.75×106hm2，占全区粮食总种植面积的63%[10]。该区域双季早稻常年在3月播种，4月上中旬开始全面栽插，7月中下旬收割，双季晚稻7月播种，10月下旬至11月上旬收获，但由于全区南北气候条件差异较大，双季早晚稻生育期不尽相同[11]。在当前气候变暖背景下，广西农业气候资源已发生显著变化，全区大部分地区安全期内≥10 ℃活动积温和年平均气温显著上升，桂北和桂西水稻安全生育期显著延长[12-13]。因此，在气候变暖背景下如何安排早晚稻播期和选择合理的双季稻熟性搭配，从而既能充分利用光热资源，又能在双季稻前后茬口时间上完美衔接，是发展当前水稻优质高产重点关注问题。

目前，有大量研究表明，受气候变暖影响，水稻安全生产期已发生显著变化。例如，江苏、浙江温州地区的水稻安全齐穗期普遍延迟[14-15]；江西1984—2013年早稻覆膜育秧安全播种期、安全直播期和安全移栽期提前2～10 d，晚稻安全成熟期延迟约8 d[16]；安徽1961—2017年早稻安全播种期和安全移栽期显著提前等[17]。以上研究多集中在长江中下游单双季稻稻作区，均为当地的水稻生产提供了科学参考。早期涂方旭就广西地区双季稻安全生产期做了相关研究[18]，但后期跟进研究却鲜有报道。因此，本文利用1960—2019年广西88个国家气象观测站逐日平均气温资料，以1989年为界线将研究时段分为2个阶段，即P1阶段(1960—1989年)和P2阶段(1990—2019年)，通过比较P1和P2阶段不同保证率下早稻安全播种期和安全移栽期、晚稻安全齐穗期和安全成熟期的差异，尝试分析气候变暖对广西双季稻安全生产期的影响。

1 资料与方法

1.1 资料及其来源

从广西气象局获取1960—2019年广西88个国家气象观测站逐日平均气温资料,观测站空间分布如图1所示。从国家基础地理信息中心获取广西地区1∶25万基础地理数据，包括省界和地市级行政矢量边界等。气象数据使用Matlab2017版本进行编程处理，空间分布制图均在ArcGIS10.3平台进行，制图过程均采用WGS84地理坐标系。

图1 广西88个国家气象观测站空间分布

1.2 安全生产期的界限温度及计算方法

双季稻安全生产期主要包括早稻安全播种期(简称为安全播种期，简写为S)、早稻安全移栽期(简称为安全移栽期，简写为T)、晚稻安全齐穗期(简称为安全齐穗期，简写为F)和晚稻安全成熟期(简称为安全成熟期，简写为M)。根据籼稻的界限温度指标，早稻播种界限温度为12 ℃，早稻移栽的界限温度为15 ℃，晚稻齐穗与成熟的界限温度分别为22 ℃与15 ℃[16-18]。确定大于某一界限温度的起始或终止日期，再以不连续出现3 d及以上低于该界限温度的标准确定安全生产日期[14]。

1.3 不同保证率的安全生产期计算

用莫惠栋[19]提供的方法计算P1阶段(1960—1989年)和P2阶段(1990—2019年)80%和90%保证率的安全播种期、安全移栽期、安全齐穗期和安全成熟期。多年安全期的平均日期为50%保证率的安全期，安全播种期和安全移栽期平均日期向后(安全齐穗期和安全成熟期向前)推算0.84个标准差的日期即为80%保证率的日期；安全播种期和安全移栽期平均日期向后(安全齐穗期和安全成熟期向前)推算1.28个标准差的日期为90%保证率的日期。日期均取整数,如有小数时,将小数第1位四舍五入。

1.4 趋势分析方法

采用直线回归方法分析各安全生产期的时间变化趋势[20]，即：

x=a0+a1t

(1)

式中，x为安全生产期的拟合值;a0为变量初始值；a1为趋势系数；t为时间。a1为正值时表示x随时间t呈增加趋势，反之呈减少趋势，a1×10为气候倾向率，表示各安全生产期每10 a的变化率。

2 结果与分析

2.1 安全生产期1960—2019年线性变化倾向率

图2为各安全生产期1960—2019年线性变化趋势的空间分布，倾向率为负值即安全生产期提前，倾向率为正值即安全生产期推迟。

由图2a可见，研究时段内广西安全播种期(S)均表现出不同程度提前的变化趋势，其中每10 a提前2.0～3.1 d的观测站占21.6%，主要分布在桂东北和桂西南地区;每10 a提前1.0～1.9 d的观测站占31.8%;而每10 a提前0.0～0.9 d的观测站所占比例最大，占45.5%，分布地集中在河池、百色北部、柳州南部、贵港和玉林地区。总的来看，安全播种期在桂东北和桂西南变化倾向率较大,在研究区中部变化倾向率较小。

由图2b可见，研究时段内安全移栽期(T)表现出不同程度提前的变化趋势，其中每10 a提前2.0～3.1 d的观测站占15.9%，主要分布在桂林市和柳州市为主的桂北地区;每10 a提前1.0～1.9 d的观测站占43.2%，比例最大，主要分布于桂林南部、柳州南部、百色以及贺州、梧州、玉林等地;每10 a提前0.0～0.9 d的观测站占34.1%，主要分布在河池西部、来宾、南宁和贵港等地;有6.8%观测站的安全移栽期表现推迟趋势，但变化倾向率不超过1.0 d/10a。总的来看，安全移栽期在桂东北变化倾向率较大，在其它区域变化倾向率相对较小。

由图2c可见，研究时段内安全齐穗期(F)表现出不同程度推迟的变化趋势，而百色乐业、靖西和那坡的安全齐穗推迟最为明显，每10 a推迟达4 d以上，其中，最大变化倾向率出现在乐业国家气象观测站，为5.1 d/10a。大部分气象站的变化倾向率均在3.0 d/10a以下，其中，每10 a推迟2.1～3.0 d的观测站占5.7%，分布在河池南丹、百色凌云、贵港平南、梧州岑溪和崇左凭祥;每10 a推迟1.1～2.0 d的观测站占37.5%;每10 a推迟0.1～1.0 d的观测站占45.5%，比例最大，各地市均有分布;河池、沙塘、金秀、荔浦、灌阳和资源安全齐穗期呈提前变化趋势，占8.0%，但变化倾向率不超过0.9 d/10a。总的来看，桂东和桂西安全齐穗期变化倾向率较大，在桂中桂北一带变化倾向率较小。

由图2d可见，研究时段内安全成熟期(M)表现出不同程度推迟的变化趋势，变化倾向率最大值在金秀观测站，为2.6 d/10a，其它观测站变化倾向率均在2.0 d/10a以下，其中每10 a推迟1.1～2.0 d的观测站占39.8%;每10 a推迟0.1～1.0 d的观测站占55.7%，各地市均有分布;涠洲岛、贺州、灌阳观测站安全成熟期呈提前变化趋势，但变化倾向率不超过0.9 d/10a。总的来看，全区安全成熟期变化倾向率相对较小，区域差异不明显。

图2 1960—2019年广西双季稻安全生产期的线性变化倾向率

安全播种期和安全移栽期的变化倾向率大小主要与各地早春气温回升速率有关，而安全齐穗期和安全成熟期的变化倾向率大小与各地秋季气温回落速率有关，气候变暖背景下，由于地理位置、地形地貌等因素的影响，研究区域内的气温变化存在明显的差异，桂东北和桂西等高海拔地区的气温对气候变暖的响应更为敏感，特别是在春季气温回升速率相对较快，为早稻的早播早栽提供了必要的气候条件，而桂中桂南等低海拔地带季节气温回升或回落速率对气候变暖的响应相对平缓，安全生产期在该地区变化倾向率较小。

2.2 80%和90%保证率安全生产期空间分布

2.2.1 安全播种期

图3a、b和d、e分别为P1阶段、P2阶段80%和90%保证率安全播种期日序数的空间分布，可以看出，P1阶段80%保证率安全播种期的日序数从第56～106 d不等，平均日序数为第80 d;P2阶段80%保证率安全播种期的日序数从第46～99 d不等，平均日序数为第78 d；P1阶段90%保证率安全播种期的日序数从第67～111 d不等，平均日序数为第86 d;P2阶段90%保证率安全播种期的日序数从第56～104 d不等，平均日序数为第84 d。2个阶段80%和90%安全播种期空间差异显著，具体表现为从桂西南向桂北逐渐延后，其中安全播种期日序数在第76～90 d的区域所占比例最大。

图3c、f为80%和90%保证率安全播种期在P1阶段和P2阶段差异的空间分布，可以看出，2个时段80%保证率安全播种期在同一地区有显著变化，变化天数从提前10 d到延迟5 d不等;桂林兴安、龙胜和资源，百色西林，南宁武鸣以及防城港东兴等地P2阶段比P1阶段提前6～10 d;全区大部分地区提前1～5 d;河池东兰、环江以北区域和柳州南部等地P2阶段比P1阶段推迟1～5 d。从图3f可以看出，2个时段90%保证率安全播种期在同一地区有显著变化，变化天数从提前10 d到延迟10 d不等;桂林兴安、龙胜和资源，百色西林、平果，来宾武宣，南宁武鸣以及防城港东兴等地P2阶段比P1阶段提前6～10 d，所占比例较小;全区大部分地区提前1～5 d;P2阶段比P1阶段推迟1～5 d的地域主要分布在百色、河池北部、柳州南部、贵港南部、梧州南部、玉林和北海;推迟6～10 d的地域仅分布在河池南丹县。

图3 1960—2019年广西双季稻P1和P2阶段80%、90%保证率安全播种期日序数及变化天数的空间分布

以上分析可知，安全播种期在部分地区虽有延迟，但所占比例较小，全区总体表现为提前趋势，提前1～5 d的区域所占比例最大，全区平均提前2 d，其中安全播种期在桂林北部提前天数最多，达6 d以上。

2.2.2 安全移栽期

图4a、b和d、e分别为P1阶段、P2阶段80%和90%保证率安全移栽期日序数的空间分布，可以看出，P1阶段80%保证率安全移栽期的日序数从第79～123 d不等，平均日序数为第96 d;P2阶段80%保证率安全移栽期的日序数从第74～112 d不等，平均日序数为第94 d；P1阶段90%保证率安全移栽期的日序数从第84～128 d不等，平均日序数为第101 d;P2阶段90%保证率安全移栽期的日序数从第82～116 d不等，平均日序数为第99 d。2个阶段80%和90%安全移栽期空间差异显著，具体表现为从桂西南向桂北逐渐延后，其中80%保证率安全移栽期日序数在第84～93 d的区域所占比例最大，90%保证率安全移栽期日序数在第94～103 d的区域所占比例最大。

图4c、f为80%和90%保证率安全移栽期在P1阶段和P2阶段差异的空间分布，从图4c可以看出，2个时段80%保证率安全移栽期在同一地区有显著变化，变化天数从提前10 d到延迟5 d不等;桂林北部地区、柳州北部、河池南丹和来宾金秀等地P2阶段比P1阶段提前6～10 d;百色北部、河池、柳州南部、桂林南部、贺州、来宾北部、贵港西部、梧州、玉林、钦州西部、防城港南部和北海P2阶段比P1阶段提前1～5 d;其它区域均延迟1～5 d。从图4f可以看出，2个时段90%保证率安全播种期在同一地区有显著变化，变化天数从提前12 d到延迟5 d不等，柳州和桂林的北部地区，河池南丹、罗城，来宾金秀，以及贺州昭平和玉林北流的小部分地区P2阶段比P1阶段提前6～10 d;P2阶段比P1阶段提前1～5 d的区域和80%保证率下的区域基本一致，其余地区的安全移栽期延迟1～5 d。

图4 1960—2019年广西双季稻P1和P2阶段80%、90%保证率安全移栽期日序数及变化天数的空间分布

以上分析可知，安全移栽期在桂西地区虽有延迟，但全区总体表现为提前趋势，平均提前2 d，其中桂东北安全移栽期提前天数较多，达6 d以上。

2.2.3 安全齐穗期

图5a、b和d、e分别为P1阶段、P2阶段80%和90%保证率安全齐穗期日序数的空间分布，可以看出，P1阶段80%保证率安全齐穗期的日序数从第197～291 d不等，平均日序数为第270 d;P2阶段80%保证率安全齐穗期的日序数从第203～294 d不等，平均日序数为第272 d；P1阶段90%保证率安全齐穗期的日序数从第187～283 d不等，平均日序数为第265 d;P2阶段90%保证率齐穗期的日序数从第191～287 d不等，平均日序数为第267 d。2个阶段80%和90%安全齐穗期空间差异显著，具体表现为从桂北向桂南逐渐延后，其中安全齐穗期日序数在第267～286 d的区域所占比例最大。

图5c、f为80%和90%保证率安全齐穗期在P1阶段和P2阶段差异的空间分布，从图5c可以看出，2个时段80%保证率安全齐穗期在同一地区仍有一定差异，变化天数从提前5 d到延迟17 d不等;桂林东北部、南部，柳州南部，河池南丹、宜州，来宾中部，贵港西部，南宁东部和玉林博白、陆川等地P2阶段比P1阶段提前1～5 d;全区大部分地区P2阶段比P1阶段推迟1～5 d;百色乐业、凌云和百色西部以及北海等地区P2阶段比P1阶段推迟6～10 d;P2阶段比P1阶段推迟11 d以上区域面积较小，主要分布在百色那坡、靖西。从图5f可以看出，2个时段90%保证率安全齐穗期在同一地区的变化仍有一定差异，变化天数从提前5 d到延迟19 d不等;桂林大部分地区、柳州南部、河池宜州、来宾中北部、南宁东部、钦州北部和玉林南部P2阶段比P1阶段提前1～5 d;全区大部分地区P2阶段比P1阶段推迟1～5 d;P2阶段比P1阶段推迟6 d以上的区域主要分布在百色那坡、靖西，所占面积比例较小。

图5 1960—2019年广西双季稻P1和P2阶段80%、90%保证率安全齐穗期的日序数及变化天数空间分布

以上分析可知，安全齐穗期在部分地区虽有提前，但全区大部分地区呈推迟趋势，平均推迟2 d，其中百色那坡、靖西地区安全齐穗期推迟天数最多，达6 d以上。

2.2.4 安全成熟期

图6a、b和d、e分别为P1阶段、P2阶段80%和90%保证率安全成熟期日序数的空间分布，可以看出，P1阶段80%保证率安全成熟期的日序数从第283～336 d不等，平均日序数为第313 d;P2阶段80%保证率安全成熟期的日序数从第285～340 d不等，平均日序数为第318 d；P1阶段90%保证率安全成熟期的日序数从第278～329 d不等，平均日序数为第308 d;P2阶段90%保证率成熟期的日序数从第279～335 d不等，平均日序数为第314 d。2个阶段80%和90%安全成熟期空间差异显著，具体表现为从桂北向桂南逐渐延后，其中安全成熟期日序数在第308～322 d的区域所占比例最大。

图6c、f为80%和90%保证率安全成熟期在P1阶段和P2阶段差异的空间分布，从图6c可以看出，2个时段80%保证率安全成熟期在同一地区的变化差异显著，变化天数从提前5 d到延迟10 d不等;百色隆安P2阶段比P1阶段提前1～5 d;百色、河池、柳州、桂林和贺州等大部分地区P2阶段比P1阶段推迟1～5 d;P2阶段比P1阶段推迟6～10 d区域所占比例最大，主要分布在柳州北部和桂林西部，以及百色以东，河池、柳州、桂林和贺州以南的大部分地区。从图6f可以看出，2个时段90%保证率安全成熟期在同一地区的变化差异显著，变化天数从提前5 d到延迟15 d不等;百色隆安等地P2阶段比P1阶段提前1～5 d;百色、河池西部、桂林北部和贺州北部P2阶段比P1阶段推迟1～5 d;P2阶段比P1阶段推迟6～10 d区域所占比例最大，主要分布在百色以东、桂林兴安和贺州富川以南的大部分地区;P2阶段比P1阶段推迟11～15 d区域面积较小，主要分布在南宁中部、防城港北部、钦州与玉林交汇等地。

图6 1960—2019年广西双季稻P1和P2阶段80%、90%保证率安全成熟期的日序数及变化天数空间分布

以上分析可知，安全成熟期在部分地区虽有提前，但全区大部分地区表现为推迟趋势，80%和90%保证率安全成熟期平均推迟5 d和6 d，安全成熟期推迟6～10 d区域所占比例最大，空间差异相对较小。

3 结论与讨论

(1)广西1960—2019年双季稻安全生产期呈明显的变化趋势,安全播种期和安全移栽期主要表现为提前变化趋势,安全齐穗期和安全成熟期表现为推迟变化趋势,这与长江中下游地区双季稻安全生产期变化趋势大体一致[14-17,21],但变化趋势在空间分布上差异较大，安全播种期在桂西南和桂东北变化速率较大，安全移栽期在桂东北变化速率较大，安全齐穗期在桂西变化速率较大，而安全成熟期在整个研究区变化速率较为均匀。

(2)通过分析桂北、桂中和桂南不同保证率安全生产期变化特征可知，桂北地区安全播种期、安全移栽期和安全齐穗期提前，安全成熟期推迟，安全生长季延长，早稻在做好防寒保暖措施前提下，在该区域可提前7 d左右播种，以充分利用早期光温资源，同时也能为晚稻尽早插播提供时间，从而避免生育后期气温过低对晚稻抽穗灌浆的不利影响；桂中地区安全播种期、安全移栽期总体来说提前天数相对较少；桂南地区安全播种期提前，安全移栽期、安全齐穗期和安全成熟期均推迟，安全生长季延长，目前，桂南地区由于经验多习惯采用“中熟+中熟”的双季稻搭配模式，为充分利用桂南地区的热量资源，在合理安排双季稻茬口的前提下，可向“中熟+晚熟”或“晚熟+晚熟”的搭配模式转变。

近年来，受劳动力成本提高、机械化推广应用等因素影响，直播技术和机械插秧等栽播方式在水稻种植中被广泛应用[22-23]。由于直播方式不经过育秧和移栽，水稻全生育期缩短，播种时间常比移栽稻迟，因此温光资源也远低于移栽稻，这极大制约了高产品种的气候生产潜力。因此，在当前气候变暖背景下，广西不宜盲目大面积发展直播稻。