早稻抽穗开花至成熟期气候适宜度对气候变暖与提前移栽的响应

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

刘维, 李祎君, 吕厚荃. 早稻抽穗开花至成熟期气候适宜度对气候变暖与提前移栽的响应[J]. 中国农业科学, 2018, 51(1): 49-59 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.005
LIU Wei, LI YiJun, LÜ HouQuan. Responses of Heading to Flowering to Maturity of Early Rice to Climate Change and Different Transplant Periods[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(1): 49-59 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.01.005

0 引言

【研究意义】气候变暖已经成为全球性关注的热点问题,根据政府间气候变化专门委员会IPCC 第五次评估报告,过去100年中全球地表温度上升了0.85℃,中国则上升了0.91℃;在中国降水则没有明显的变化趋势,但降水年代与年代之间存在显著差异。众多****研究表明,南方大部地区气温增温明显^[1-5];降水没有显著的变化趋势^[6-7];日照则呈现下降趋势,夏季和冬季下降最明显^[8-9]。气候变化已经对人类社会和作物生产产生了深远的影响,人类社会应提前应对气候变化对粮食安全生产的潜在危机。水稻是中国重要的粮食作物之一,南方双季稻又是重要的水稻生产区域。研究指出,20世纪90年代以来,水稻种植格局已经出现了南减北增的现象,种植区域呈现向北扩张的趋势,除了政策等原因以外,气候变化也是导致这一情况发生的重要因素^[10-14]。【前人研究进展】气候变化引起气温、降水、日照等因子的变化,众多****就此开展了作物生育期气候资源、气候生态适应等研究,取得了诸多阶段性进展。相关研究认为,气候变暖导致早稻生育期≥10℃初日提前^[15],早稻适播期呈现“推迟-推迟-大幅提前”的趋势^[16],水稻气候适宜度提高^[17-18],种植制度^[19-22]等出现变化,对水稻产量^[23-25]也有一定影响;同时李琪^[26]、王连喜^[27]等利用CERES模型和CMIP3数据模拟未来播期调整对水稻孕穗抽穗期高温热害和产量的影响,表明未来天气情境下高温会导致水稻产量下降,但调整播期有利于减缓这种趋势。【本研究切入点】近年来,随着工厂化集中育秧技术的提高,温度条件对早稻播种育秧期的影响减小,使得提前进行播种育秧和移栽变成可能^[28-30]。然而,移栽期提前势必引起早稻后期的生育期变化,早稻的气象条件适宜性也发生变化,这种移栽期提前的农业措施对早稻生产究竟有利有弊尚未清楚。【拟解决的关键问题】本文采用已有的气候适宜度评价指标,从1961年以来温度要素着手,分析由早稻移栽期调整所引起的水稻关键生育期（抽穗开花至乳熟成熟）逐候的温度适宜度变化,明确气候变化背景下不同移栽期的水稻关键生育期温度适宜度,结合不同移栽期下关键生育期高温日数的变化,以此反映早稻不同时段移栽对气候变化的响应,为定量评价双季早稻种植变化和趋利避害安排生产布局提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

研究区域为长江以南双季稻主产区,研究内容包括1961—2015年研究区域中双季早稻农业气象观测站气象要素和2000—2015年水稻生育期观测资料,气象要素包括站点逐日平均气温和最高气温,生育期观测资料为早稻整个发育期时间;按照站点16年平均发育期时间将南方早稻区划分为海南（区域1）、华南（区域2）、广西北部（区域3）和江南（区域4）4个研究区域,研究区域及站点资料分布见图1。气象和发育期数据资料均来源于国家气象中心农业气象中心。

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图1南方双季早稻研究区域
-->Fig. 1Research regions of early rice in southern China
-->

1.2 研究方法

1.2.1 生育期划分根据南方双季稻观测站点资料,统计2000—2015年双季早稻农业气象站16年平均生育期,再将生育期按候尺度划分,例如分区4中湖南省早稻移栽返青期为4月中旬至4月下旬,则该生育期内有4候（表1）,按年内计算为第21—24候。本文研究时段为移栽返青期后,因此未标注播种出苗期时段,下文中关键期指抽穗开花期和乳熟成熟期两个生育阶段,全生育期指移栽至成熟期整个生育阶段。
Table 1
表1
表1南方早稻多年平均生育期（候序）
Table 1The average dates of growth stage of early rice in southern China (pentad number)

区域 Region	移栽返青期 Transplanting to turning green	分蘖期 Tillering	拔节孕穗期 Jointing to booting	抽穗开花期 Heading to flowering	乳熟成熟期 Milk ripe and maturity
1	14-16	17-18	19-28	29-30	31-37
2	18-22	23-27	28-32	33-34	35-40
3	21-23	24-28	29-35	36-39	40-43
4	21-24	25-28	29-33	34-36	37-40

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1.2.2 温度适宜度前人研究表明^[17-18],气候适宜度在一定程度上能够反映气候条件对水稻种植制度、方式的影响,且在不同地区得到普遍的应用,并取得较好的研究成果。但是当前多数的研究都是基于作物生育期尺度或旬尺度或日尺度,而常见早稻农业气象灾害包括春季倒春寒、夏季高温热害等,现阶段农业气象业务中的倒春寒和高温热害指标都是以持续3—5 d来评价灾害影响的,旬尺度的适宜度往往会降低3—5 d灾害的影响;而日尺度的适宜度则不能反映持续3—5 d的灾害的影响,无法解释灾害影响。因此本文选择以候尺度为研究时段,规避旬尺度和日尺度对灾害反应的不足之处。
根据马树庆^[31]的研究,气温对农作物生长发育的适宜度可用函数表示,温度适宜度公式如下：
$\text{S}(T)=\frac{(T-{{T}_{\min }}){{({{T}_{\max }}-T)}^{B}}}{({{T}_{0}}-{{T}_{\min }}){{({{T}_{\max }}-{{T}_{0}})}^{B}}}$
B= (T_max-T₀)/ (T₀-T_min) （1）
式中,S(T)为早稻生育期温度适宜度,T为早稻生育期候平均气温,T_min、T_max、T₀分别为水稻在不同生育期所需的下限温度、上限温度和最适温度^[32]。
1.2.3 移栽期划分计算正常移栽期（即16年平均）下早稻不同生育时期的积温;以此为基础,计算早稻移栽返青期提前1候和2候移栽下的全生育期积温,用以调整移栽返青期后的早稻生育时段,以满足早稻正常成熟（表2）。在积温限制的前提下,区域4中乳熟成熟期只提前了1候,而非2候。在此基础上计算提前1候和2候移栽下的早稻关键生育期温度适宜度。
Table 2
表2
表2南方早稻提前2候移栽的生育期（候序）
Table 2The average dates of growth stage of early rice in southern China (pentad number)

区域 Region	移栽返青期 Transplanting to turning green	分蘖期 Tillering	拔节孕穗期 Jointing to booting	抽穗开花期 Heading to flowering	乳熟成熟期 Milk ripe and maturity
1	12-14	15-16	17-26	27-28	29-35
2	16-20	21-25	26-30	31-32	33-38
3	19-21	22-26	27-33	34-37	38-41
4	19-22	23-26	27-31	32-34	35-39

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1.2.4 关键期温度适宜度计算移栽后至成熟期全生育期积温,并计算不同生育期积温占总积温的比例。为便于计算关键期温度适宜度,用抽穗开花期权重比上乳熟成熟期权重,得到这两者之间的比例,并归一化得到抽穗开花期和乳熟成熟期占关键生育期的权重比,以此构建单站关键生育期温度适宜度SS(T)：

（2）

（3）

（4）
式中,s(i)为不同生育期积温占全生育期的权重,Tsum(i)为不同生育期积温,i为移栽返青至乳熟成熟发育期个数,n=5;q(j)为抽穗开花和乳熟成熟各占两者之和的比重（表3）,j=4、5;SS(T)为早稻关键生育期温度适宜度,S(T)_k为早稻第k个生育期温度适宜度,k=2。
Table 3
表3
表3南方早稻关键生育期权重因子
Table 3The weighting factors in critical growth stage of early rice

区域 Region	抽穗开花 Heading to flowering	乳熟成熟 Milk ripe and maturity
1	0.22	0.78
2	0.24	0.76
3	0.50	0.50
4	0.40	0.60

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2 结果

2.1 早稻区温度变化

图2给出1961年以来南方早稻移栽至成熟期年平均温度变化情况,由图可知,4个区域平均温度呈现缓慢升高的态势,进入21世纪后升温明显,但在2010年前后,温度有一个明显的下降趋势,随后又开始升高。区域1和4气候倾向率为0.192℃·(10a)^-1和0.186℃·(10a)^-1,远高于区域2和3,而区域3中倾向率仅为0.097℃·(10a)^-1,其中区域1、2、4都通过0.01的显著性水平,区域3通过0.05显著性水平。统计不同区域每10a平均值发现,20世纪60—80年代早稻生长季平均温度基本稳定,没有明显的变化;在20世纪80年代区域2、3、4都处于年代际最低值,表明20世纪80年代是温度的一个低值区;进入20世纪90年代后,不同区域平均温度明显提高,尤其是进入21世纪后,平均温度较20世纪80年代提高都在0.5℃以上,升温显著。以区域4中早稻抽穗开花至乳熟成熟关键生育期高温日数为例（图3）,20世纪80年代之前每10a高温日数较稳定,20世纪90年代处于历史低值区,进入21世纪后高温日数明显上升,从20世纪90年代的7.8 d上升到12.2 d,表明进入21世纪后水稻抽穗开花到成熟期出现高温热害的风险在提高。

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图2早稻不同区域移栽至成熟期年平均温度
-->Fig. 2Annual temperature from transplant to Maturity in different regions of early rice
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图3区域4早稻关键生育期高温日数年变化
-->Fig. 3The annual variation of high temperature days in critical growth stage of early rice in region 4
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2.2 早稻关键期温度适宜度空间变化

图4给出早稻抽穗开花至乳熟成熟期温度适宜度时空变化,由图可知,关键生育期温度适宜度SS(T)在不同年代中以区域3为最高,区域4基本处于年代低值区。20世纪60—80年代,区域2和4中 SS(T)基本都小于0.8;20世纪90年代为整个时期SS(T)的高值年代,SS(T)小于0.8的分布最少,只在浙江和江西两省,这与图3中20世纪90年代高温日数最少密切相关;进入21世纪后,SS(T)变化基本稳定,浙江和江西低,广西西北部和福建较高。而区域1内关键期温度适宜度SS(T)空间变化不明显,呈西南高东北低的趋势。

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图4早稻关键生育期温度适宜度时空变化分布
-->Fig. 4The spatial and temporal distribution of temperature suitability in critical growth stage of early rice
-->

2.3 不同移栽期下关键期温度适宜度年代际变化

表4给出1961年以来不同区域早稻每10a关键生育期温度适宜度SS(T)分布,由表可知,区域1中,正常移栽期下,早稻关键生育期温度适宜度处于缓慢下降的趋势,20世纪60年代最高,21世纪前10a最低;提前1候和2候移栽下,关键生育期温度适宜度SS(T)都比正常移栽高,说明对于区域1来说,提前移栽有利于提高适宜度。对于区域3来说,提前移栽除了20世纪90年代能提高其适宜度外,其余时段SS(T)都低于正常移栽下的适宜度,说明该区域提前移栽不利于适宜度的提高。在区域2和4中,除了个别时期提前移栽SS(T)低于正常移栽下的适宜度以外,其余时段SS(T)都等于或高于正常移栽下的适宜度,表明在这两个区域中,提前移栽是有利于提高水稻关键期适宜度的。此外在20世纪90年代,区域2和4中SS(T)都为年代最高值,进入21世纪后,正常移栽SS(T)都有所下降,提前移栽反而是有利于提高其适宜度。
Table 4
表4
表4早稻关键生育期温度适宜度SS（T）年代分布
Table 4The decade distribution of temperature suitability in critical growth stage of early rice

区域 Region	不同移栽期 Different transplanting date	1961-1970	1971-1980	1981-1990	1991-2000	2001-2010	2011-2015
1	正常Normal	0.797	0.783	0.758	0.747	0.728	0.730
	提前1候 5 days advance	0.805	0.783	0.765	0.753	0.734	0.733
	提前2候 10 days advance	0.810	0.786	0.779	0.758	0.735	0.744
2	正常Normal	0.759	0.758	0.751	0.769	0.727	0.744
	提前1候 5 days advance	0.770	0.763	0.752	0.780	0.732	0.741
	提前2候 10 days advance	0.790	0.769	0.756	0.791	0.756	0.763
3	正常Normal	0.851	0.864	0.855	0.848	0.852	0.851
	提前1候 5 days advance	0.835	0.859	0.847	0.852	0.849	0.848
	提前2候 10 days advance	0.825	0.851	0.834	0.862	0.843	0.840
4	正常Normal	0.736	0.766	0.745	0.770	0.733	0.734
	提前1候 5 days advance	0.749	0.760	0.758	0.778	0.734	0.734
	提前2候 10 days advance	0.754	0.770	0.748	0.784	0.730	0.752

Gray means temperature suitability less than the suitability in normal transplanting灰色表示温度适宜度小于正常移栽期温度适宜度

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总体来看,区域1、2、4提前移栽有利于提高早稻关键生育期的温度适宜度,但在区域3则相反,不适宜于提前移栽。

2.4 关键生育期高温日数变化

表5给出不同移栽期下不同区域内乳熟成熟期高温日数,由表5可知,区域1不同移栽期下高温日数稳定,但年际间变化显著,每10a高温日数增加明显,最多增加了近11 d,表明随着气候变暖,该区域内发生高温热害的风险加大。对于区域 2、3、4来说,除个别年代外,提前移栽均能减少早稻抽穗开花至乳熟成熟关键期高温日数。
Table 5
表5
表5南方早稻关键生育期高温日数年代分布
Table 5The decade distribution of high temperature days in critical growth stage of early rice

区域 Region	不同移栽期 Different transplanting date	1961-1970	1971-1980	1981-1990	1991-2000	2001-2010	2011-2015
1	正常Normal	4.1	6	7	8.8	11.6	15
	提前1候 5 days advance	4.1	6.5	7	8.2	11.9	15
	提前2候 10 days advance	4.3	6.6	7.1	8.3	11.8	16.2
2	正常Normal	7.5	8.8	8.7	7.2	10.5	10.6
	提前1候 5 days advance	6.8	7.8	8	7.2	9.5	11.2
	提前2候 10 days advance	6.1	7.2	7.5	7.3	7.7	9.6
3	正常Normal	8	7.6	7.5	5.8	9.2	9.4
	提前1候 5 days advance	7.9	6.8	6.9	4.6	8.1	7.6
	提前2候 10 days advance	7.5	6.2	6.9	3.7	7.2	7.2
4	正常Normal	8.9	9.1	9.6	7.8	12.2	11
	提前1候 5 days advance	6.6	8	7.4	6.3	10.3	10.6
	提前2候 10 days advance	6.5	7.8	7.5	6.1	10.6	10.4

Gray means high temperature days less than the days in normal transplanting灰色表示高温日数少于正常移栽期高温日数

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从抽穗开花期和乳熟成熟期分段来看,以区域4为例（图5）,随着气候变暖,抽穗开花期正常移栽下出现高温日数从2.3 d提高到3.4 d,花期遭受高温热害风险提高,易造成水稻空粒数的增加^[23,33-34],导致产量下降;提前移栽能有效减少花期出现高温日数。在乳熟成熟期中,21世纪之前提前移栽能减少高温日数;但进入21世纪后,提前2候移栽效果不如抽穗开花期明显。综合来看,除了区域1以外,区域提前移栽后早稻关键期高温日数均有不同程度下降,花期出现最高温度≥35℃的天数将减小,有利于早稻生长。此外,整体来看,由于乳熟成熟期比抽穗开花期生育时间长,不同年代高温日数都多1倍以上。

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图5区域4不同移栽期抽穗开花期（上）和乳熟成熟期（下）高温日数
-->Fig. 5High temperature days in heading and flowering (up) and milk ripe and Maturity (down) in different transplanting dates in region 4
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图6给出1961年以来区域2中代表站广东梅县关键生育期温度适宜度和高温日数统计,可以看出,在正常移栽期下,20世纪60年代开始早稻关键生育期温度适宜度SS(T)呈现“下降-升高-再下降”的特点,进入2000年后降幅明显;相反高温日数则呈现上升的特点,从20世纪60年代的9.6 d到2011年以后的17.2 d。这表明气候变暖背景下早稻关键生育期温度适宜度在下降,同时高温影响在上升。从不同移栽期来看,提前移栽状态下SS(T)都高于正常移栽期,而高温日数则小于正常移栽,这表明梅县站提前移栽有利于提高早稻温度适宜度,同时降低高温对早稻的影响。

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图6区域2代表站梅县关键期温度适宜度（上）和高温日数（下）
-->Fig. 6Temperature suitability (up) and high temperature days (down) in Meixian in region 2
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3 讨论

建立逐候的温度适宜度指数,相对于逐旬或者逐日的适宜度指数,能够定量化反应以3—5 d为尺度的农业气象灾害,能较为准确的提高对水稻农业气象灾害的评估能力。基于工厂化育秧下,对早稻提前移栽期进行模拟,能够反映出气候变暖背景下早稻温度适宜度和关键期高温日数的变化规律,降低关键生育期尤其是花期遭遇高温热害的风险,这与前人的研究结果基本一致^[26-27],同时表明在华南和江南地区早稻提前移栽具有一定的优势,这也与艾治勇^[28]、陈新光^[29]、邢志鹏^[30]等结论一致,此外提前移栽可能增加华南双季稻播种间隔的天数,为播种季节性蔬菜提供生产用地。区域1中海南省作为水稻一年三熟的地区,独特的气候特征使其南北不同站点早稻播种期相隔时间较长,不同移栽期对其实际生长来说影响并不大。广西北部与南岭相连,地势高于东南部,平均温度与东南部差异较大,且春季气温有明显的下降趋势^[35],因此提前移栽易导致温度适宜度的下降,该区域不适合提前移栽。
由于气候变暖中温度要素变化最明显,降水和日照没有明显的变化特征,因此本文仅考虑了由移栽期变化所导致的温度适宜度的变化,存在一定的局限性。同时确定的平均生育期是在多年全省平均的基础上,并没有考虑品种、种植方式等因素的改变,有一定的不足性,需要从更长时段、针对不同站点的生育期进行分析考虑。此外,早稻生育期过程中,除了抽穗开花和乳熟成熟期高温灾害以外,连阴雨、倒春寒等都对早稻有影响,这也是本文没有考虑的地方。

4 结论

本研究考虑南方早稻工厂化育秧的大趋势,低温将不再是早稻提前播种的限制因素,加之在气候变暖的背景下,提前移栽成为一种可能的趋势。本文在统计南方多年早稻平均生育期的基础上,建立基于候尺度的南方早稻温度适宜度函数;同时分析早稻生育期中高温日数变化情况,计算南方早稻正常移栽、提前1候和2候移栽3种不同情况下的早稻抽穗开花至乳熟成熟期的温度适宜度和高温日数,分析其变化后发现：
（1）移栽至成熟期不同区域内早稻生长季温度均呈现缓慢升高的态势,气候倾向率分布在0.097℃·(10a)^-1至0.192℃·(10a)^-1之间;20世纪90年代为早稻抽穗开花至乳熟成熟期高温日数最少的年代,21世纪则为最多的年代。（2）从空间上来说,早稻关键生育期内,不同年代内区域3温度适宜度都为最高,区域4为最低;20世纪90年代适宜度高值区分布大于其他年代。（3）区域1、2、4提前移栽有利于提高早稻关键生育期的温度适宜度,但在区域3则相反;区域 2、3、4提前移栽均能减少稻抽穗开花至乳熟成熟关键期高温日数;区域1中提前移栽高温日数增多。（4）代表站梅县20世纪60年代开始早稻关键生育期温度适宜度SS(T)呈现“下降-升高-再下降”的趋势,进入2000年后降幅明显;而高温日数则呈现上升的趋势;同时表明提前移栽能够提高适宜度,减少高温日数。总的来说,华南和江南提前移有利于提高抽穗开花至乳熟成熟期温度适宜度,同时降低高温日数,能够有效避开高温热害对早稻的影响。
（责任编辑杨鑫浩）
The authors have declared that no competing interests exist.