海南水稻生育期的时空变化特征及对气候变暖的响应

2017-05-30王斌陈小敏钟曼茜邹海平钱昆刘少军

热带作物学报 2017年3期

王斌陈小敏钟曼茜邹海平钱昆刘少军

摘要基于海南6个农业气象观测站点的水稻生育期资料和1961～2014年历史气象数据，分析了海南不同地区水稻生育期的時空分布特征，以及气候变暖对海南水稻生育期的影响。结果表明，近54 a海南水稻生长季内平均气温呈上升趋势，早稻气候倾向率为0.21～0.3 ℃/10 a，以苗期最为明显，晚稻为0.18～0.24 ℃/10 a，以成熟期最为明显。不同地区水稻生育期差异较大，东部地区早于西部地区，早稻播种时间最大相差55 d，早稻收获和晚稻播种最大间隔42 d，降水和高温可能是造成这一差异的主要原因。随着气候变暖，海南大部分地区早稻生育期提前，晚稻生育期延迟，苗期和成熟期持续时间缩短，与该阶段平均气温呈负相关，但全生育期持续时间变异较大，部分站点略有延长。在未来气候变暖背景下，海南早稻播期可适当提前，晚稻播期可适当延迟，并选用耐高温和抗干旱品种，以减轻高温的不利影响。

关键词气候变暖；双季稻；平均气温；生育期；海南

中图分类号 S511 文献标识码 A

Abstract Based on historical meteorological data from 1961 to 2014 and rice（Oryza sative L.）growth observations from 6 agro-meteorological stations in Hainan， the impacts of climate warming on double rice growth period and its spatiotemporal variations were analyzed. The results indicated that the mean temperature during rice growing season increased in last 54 years in Hainan， with a rate of 0.21-0.3 ℃/10 a in early rice（especially for seedling stage）， and a rate of 0.18-0.24 ℃/10 a in late rice（especially for mature stage）. The rice growth periods in different areas varied significantly， the sowing date of early rice in eastern region was earlier than that in western region with a maximum interval of 55 days. After the harvest of early rice， it lasted 42 days at most when late rice began sowing. The precipitation and high temperature might be an explanation for the variation of rice sowing time. With temperature increased， the growth periods of early rice in most stations advanced， while the growth periods of late rice delayed. The duration of seedling stage and mature stage presented a shorten trend and had a negative correlation with the increased mean temperature. But the whole growth duration presented a slightly prolonged trend in some stations and a large variation existed. On the background of climate warming， the sowing date for early rice and late rice in Hainan may further advance and delay respectively in the future， rice varieties resistance to high temperature and drought are favored， which is benefit to relieving the heat injury.

Key words climate warming； double rice； mean temperature； growth period； Hainan

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.005

气候变暖已成为不争的事实，IPCC第五次评估报告明确指出2011年全球平均温度比工业革命前提高了0.85 ℃[1]。中国是变暖最显著的国家之一，1952～2001年全国地表年平均温度增加1.1 ℃，增温速率为0.22 ℃/10 a[2]。海南作为中国最具代表性的热带省份，其增温速率高于全国平均值，达到0.28 ℃/10 a[3]，变暖趋势更为明显。农业是对气候变暖最为敏感的行业之一[4]，温度升高对作物生长的影响不容忽视，特别是生育期的变化。水稻是中国主要粮食作物，围绕气候变暖对水稻生长的影响前人做了大量的研究工作，通常认为温度升高会缩短水稻生育期天数[5-8]，然而近20 a的实际观测数据表明温度升高对不同地区水稻生育期的影响并不一致[9]。海南地处热带，光温条件优越，全年可种植水稻[10-11]，双季稻是当地主要稻作模式，但由于不同市县播种育秧时间存在差别，海南水稻生育期的时空分布与其他省份相比差异巨大，气候变暖对其影响也区别于其他稻作区。

目前已有研究中海南只是选取一个水稻种植站点作为华南稻作区的代表[12-13]，不能满足当地水稻种植如何合理利用气候資源和应对气候变化的精确分析要求，而关于海南不同市县双季稻生育期时空变化特征的研究鲜有报道，早稻和晚稻不同生长季的气温变化特征也少有提及，且缺乏对水稻生育期与气温变化关系进行整合分析。本研究采用海南省6个不同市县农业气象观测站水稻生育期历史资料以及气温和降水数据，分析早稻和晚稻不同生育期内气温升高趋势以及生育期长短变化趋势，讨论水稻生育期存在较大地域差异的原因，得出海南水稻生育期对气候变暖的响应特征，以期为当地稻作栽培提供指导作用，并为热带地区水稻生产适应气候变化的策略制定提供一定参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

海南岛（18°10′～20°10′N，108°37′～111°03′E）位于中国最南端，属热带季风气候，长夏无冬，年平均气温23.1～27.0 ℃，年降水量940.8～2 388.2 mm，年日照时数为1 827.6～2 810.6 h，光热充足，气温年较差小，干季、雨季明显，种植制度可一年三熟[14]。

1.2 材料

水稻生育期资料来自海南省6个农业气象观测站，包括早稻和晚稻播种、移栽、乳熟和成熟日期，具体分布位置及经纬度如图1所示。其中，海口代表北部地区，水稻品种均属杂交籼稻中熟，数据为1983～2014年；琼海代表东部地区，水稻品种主要为杂交籼稻中熟，数据为1990～2014年；琼中代表中部地区，早稻品种主要为杂交籼稻晚熟，晚稻为杂交籼稻中熟，数据为1991～2014年；儋州代表西部地区，水稻品种均属杂交籼稻中熟，数据为1989～2014年；陵水代表东南地区，水稻品种均属杂交籼稻早熟，数据为1997～2014年；乐东代表西南地区，水稻品种主要为杂交籼稻中熟，数据为1992～2014年。气象资料来自海南省气象信息中心，包括以上6个市县国家气象基本站1961～2014年的逐日平均气温、最高气温和降水量。

1.3 数据处理

水稻观测资料时间跨度为18～32 a，不同站点水稻品种存在差异，同一品种连续种植年长不超过5 a。本研究主要针对气温变化与水稻生育期关系进行分析，因此无法全面考虑品种对生育期带来的影响。部分年份水稻为直播未移栽，该年的数据不计入观测样本数N。

海南不同地区早稻和晚稻生育期时间跨度不一致，且差异较大，为分析不同时段气温变化对其影响，根据研究需要将水稻生长季区分为苗期（播种到移栽阶段）、成熟期（乳熟到成熟阶段）和全生育期（播种到成熟阶段）3个时段。生育期的多年平均值根据日期进行日序值转化求出。线性回归方法用于分析气温、生育期日期及持续时间的随着多年时间序列的变化趋势，气候倾向率或年际变化率（10 a计）即为线性回归率的10倍，Person相关分析法用于分析水稻生育期变化与该时段气温变化的相关关系，二者均需进行p<0.05的显著性检验[15]。数据计算和分析使用Excel 2007和SPSS 18.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 海南水稻生育期的月平均气温变化

根据海南省6个农业气象观测站点早稻和晚稻不同生育期的时间跨度（以月计），计算出1961～2014年水稻生长季所在月份的平均气温及气候倾向率（表1），可看出海南水稻生长季气温变暖趋势显著。各地早稻苗期平均气温为17～20.3 ℃，气候倾向率为0.21～0.38 ℃/10 a，以海口、儋州变暖趋势最明显；晚稻苗期平均气温为26.9～28.6 ℃，气候倾向率为0.14～0.3 ℃/10 a，以琼中变暖最明显，但整体变暖趋势低于早稻。早稻成熟期平均气温为26.1～28.4 ℃，气候倾向率为0.12～0.29 ℃/10 a，以儋州变暖最明显；晚稻成熟期平均气温为23.3～27.9 ℃，气候倾向率为0.21～0.31 ℃/10 a，以海口变暖最明显，整体变暖趋势也高于早稻。就全生长季而言，晚稻平均气温比早稻高2.0～5.7 ℃，气候倾向率略低于早稻，但二者均以琼中变暖趋势最明显。对不同生长阶段而言，早稻苗期和晚稻的成熟期的变暖趋势更为明显。

2.2 海南水稻生育期的时空分布及年际变化

海南不同站点水稻主要生育期及持续时间的历史平均值如表2和表3所示，年际变化趋势如表4和表5所示（负值表示提前，正值表示推迟）。不同地区间水稻种植时间差异巨大，早稻以东部的琼海播种最早，西部的儋州最晚，二者平均播种日期相差55 d；而成熟日期以陵水最早，儋州最迟，相差45 d。早稻各生育期空间分布整体呈现出东南向西北推迟的趋势。因为播种时间差异较大，不同站点生育期持续时间也存在较大变异，早稻苗期平均持续时间为22～40 d，成熟期为14～19 d，全生育期为124～147 d。从年际变化来看，除儋州和乐东生育期出现延迟外，其余站点生育期均呈现不同程度的提前，以陵水最为明显，播种日期提前12.9 d/10 a，移栽提前11.5 d/10 a，成熟日期提前了8.9 d/10 a。大部分站点早稻苗期和成熟期持续天数缩短，但全生育期天数变化不一致，其中琼中、琼海和陵水有所延长。

晚稻播种和成熟日期均以琼海最早，乐东最迟，分别相差45 d和56 d，晚稻各生育期从东向西逐渐推迟。晚稻苗期平均持续时间为17～24 d，成熟期为15～22 d，全生育期为107～123 d，均低于早稻。从年际变化来看，大部分站点生育期均有所延迟，以陵水最为明显，移栽延迟6.8 d/10 a，成熟日期提前4.5 d/10 a。大部分站点晚稻苗期持续天数缩短，成熟期和全生育期变异较大，但主要表现为缩短的趋势。

综上所述，海南双季稻种植与国内其他双季稻作区相比存在较大的差异，主要体现在早稻播种时间极大地提前，在早稻收获后与晚稻播种时间间隔较大（表2），其中以乐东间隔最长（42 d）。而早稻和晚稻生育期的年际变化特征也表现出较大的不一致性，早稻种植的农事时间整体倾向于提前，晚稻倾向于延迟；大部分站点水稻苗期和成熟期持续时间呈现缩短的趋势，但全生育期持续时间变异较大，部分站点呈现延长的趋势。

2.3 气温对水稻生育期的影响

海南水稻各生育期持续时间与该阶段平均气温主要表现为负相关关系（表6），其中早稻階段琼海的苗期和乐东的全生育期表现出显著负相关，晚稻阶段琼海的苗期、海口和陵水的成熟期表现出显著负相关。总体而言，气候变暖对海南水稻生育期的影响具有较大的空间变异性，随着气温升高，大部分站点水稻的苗期和成熟期会呈现不同程度的缩短趋势，但对全生育期而言不同站点的响应特征不一致，特别是早稻的全生育期。

3 讨论

3.1 海南水稻生育期的时空变异性

海南岛地势中间高耸，四周低平，中部地区气温低于四周，北部地区低于南部，同纬度下西部地区低于东部地区[14]。通常认为水稻最低生长温度为10 ℃[16]，这也是种子发芽所需温度，而海南最冷月（1月）平均气温17.4～23.5 ℃[14]，均大于10 ℃，可见温度不是影响早稻播期的主要限制因素。从降水来看，海南降水总量多，但时空分布不均，旱雨季分明，降水量东多西少[14]。通过对海南省6个农气观测站点历史降水量的统计（1961～2014年），海口、儋州和乐东12月、1月和2月的平均降水量为10.3～37.3 mm，低于其他站点，但进入3月和4月后雨量逐渐增多。根据海南岛干湿气候区划结果[17]，12～2月海南岛易发生冬旱，此时西部处于干旱状态，农业用水主要依靠水库蓄水，北部和南部处于半湿润半干旱状态，东部和中部依然保持较高的湿润度。水稻生长需要消耗大量水分，特别是移栽后返青和分蘖阶段，因此水分的亏缺可能是导致海南西部和北部早稻播期迟于东部的原因。从表2可以看出，儋州和海口早稻移栽日期在3月，此时降水增多，充沛的雨量有助于早稻的返青和分蘖。综上所述，早稻播期的不同导致了后续生育期的不一致，而降水能较好地解释这一差异变化。

海南最热月份一般出现在6月，月平均气温为26.4～29.6 ℃，西部地区最高，南部次之，但日最高气温大于35℃出现频次较多[14]，高温能一定程度解释海南早稻收获后与晚稻播种间隔较长的原因。水稻种子发芽温度一般要求不超过40 ℃，而日最高气温大于35℃会对水稻生长造成不利影响[18-19]，为了避开早稻收获后的高温热害对秧苗的不利影响，西部和南部地区晚稻的播种时间相比东部有所推迟，除琼海外，其余站点均在7月份以后才开始晚稻移栽，这与中国其他双季稻种植区早稻收获后半月内完成晚稻移栽差异巨大。台风也是影响晚稻生长的重要因素，海南台风季主要集中在7月中旬到10月上旬[14]，晚稻播种推迟后可在10月中下旬成熟收获，能较好避开台风对成熟期水稻的不利影响。此外，海南不同站点种植水稻早中晚熟品种不一致，品种的不同也会导致生育期的差异。

3.2 海南稻作栽培的气候适应性

海南水稻生长季气温升高趋势明显，除西部地区外早稻播种时间均有所提前，对应的成熟时间也提前。随着气候变暖，海南5～7月日最高气温大于35 ℃日数明显增多，最高可达30频次以上，显著提高了早稻遭受高温热害的风险，而该时期海南早稻处于扬花灌浆阶段，容易导致颖花不育和灌浆受阻，不利产量形成[20]。针对气温升高选择提前播种，在一定程度上有助于避开后期成熟阶段高温的不利影响，这是海南早稻应对气候变化的一种适应措施。但西部地区（儋州和乐东）由于12～2月处于干旱状态，随着气候变暖该阶段降水量呈减少的趋势，但3～7月降水量呈增多趋势[14]，可能是因为水分的限制不宜选择提前播种，为了保证早稻移栽后的水分需求而选择进一步延迟播期。对于晚稻而言，大部分站点播种期均有所延迟，这主要也是为了避开秧苗期和移栽后的高温影响。总体而言，海南大部分站点早稻生育期提前，晚稻生育期推迟，这与广东潮州地区早稻和晚稻受气温升高影响所表现的趋势基本一致，但生育期持续时间变化与之不同[21]。

随着气温升高，海南大部分站点的水稻苗期和成熟期持续时间表现出不同程度的缩短趋势，但对全生育期而言变异性较大，部分站点呈现出延长的趋势。这与中国其他区域水稻生育期对气候变暖的响应特征有所差别，一般认为气候变暖导致水稻积温增加，加快生长发育从而缩短生育期长度[5-8，21-22]，同时气候变暖导致高温日数增多，对水稻生殖生长表现为不利影响，出现高温催熟，缩短成熟期[19，22]。海南地处热带，水稻生长季一直维持较高气温，适合本地栽培的水稻品种具备一定的耐高温性，在气候变暖的影响下其全生育期持续时间变化可能不如中国温带或者亚热带稻作区域敏感，从而呈现不同的响应特征，品种的差异可能是造成这一现象的原因。此外，随着育种技术的进步，各站点采用的水稻品种每隔3～5 a会进行正常的更替，不同品种对气候变暖的响应特征难以定量化说明，这也是后续研究需要关注的重要方面。而且海南部分站点农业气象观测起步较晚，实测数据年限较短，更为准确的结论仍需进一步的数据积累。

4 结论

海南不同地区水稻生育期空间分布不一致，东部地区早于西部地区，早稻和晚稻种植间隔较大，降水和高温可能是造成这一差异的主要原因。基于当前观测年限的数据分析表明，随着水稻生长季气温的升高，海南大部分地区早稻生育期提前，晚稻生育期推迟，苗期和成熟期持续时间缩短，但全生育期持续时间变异较大。在未来气候变暖背景下，海南稻作栽培应选用耐高温和抗干旱的品种，早稻可适当提前播种，晚稻可适当延迟播种，这有利于避开关键生育期的高温热害。

致谢感谢海南省气象信息中心吴名杰和蔡宇凌在资料收集和分析过程中给予的帮助！

参考文献

[1] IPCC. Climate change 2013： The physical science basis. Working group I contribution to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M]. UK： Cambridge University Press， 2014.

[2] 丁一汇，任国玉，石广玉，等. 气候变化国家评估报告Ⅰ：中国气候变化的历史和未来趋势[J]. 气候变化研究进展， 2006， 2（1）： 3-8.

[3] 张明洁，张京红，刘少军，等. 海南岛1961～2011年气候变化特征分析[J]. 热带作物学报， 2014， 35（12）： 2 488-2 495.

[4] Wreford A， Moran D， Adger N. Climate change and agriculture[M]. OECD， 2010.

[5] 崔读昌. 气候变暖对水稻生育期影响的情景分析[J]. 应用气象学报， 1995， 6（3）： 361-365.

[6] 葛道阔，金之庆，石春林，等. 气候变化对中国南方水稻生产的阶段性影响及适应性对策[J]. 江苏农业学报， 2002， 18（1）： 1-8.

[7] 许信旺，孙满英，方宇媛，等. 安徽省气候变化对水稻生产的影响及应对[J]. 农业环境科学学报， 2011， 30（9）： 1 755-1 763.

[8] 叶清，杨晓光，解文娟，等. 气候变暖背景下中国南方水稻生长季可利用率变化趋势[J]. 中国农业科学， 2013， 46（21）： 4 399-4 415.

[9] Tao F， Yokozawa M， Xu Y， et al. Climate changes and trends in phenology and yields of field crops in China， 1981-2000[J]. Agricultural & Forest Meteorology， 2006， 138（s1-4）： 82-92.

[10] 谭伟瑞. 海南岛气候与稻作[J]. 中国农业气象， 1980， 1（4）： 30-34.

[11] 邹海平，张京红，陈小敏，等. 海南岛农业气候资源的时空变化特征[J]. 中国农业气象， 2015， 36（4）： 417-427.

[12] 杨修，孙芳，林而达，等. 我国水稻对气候变化的敏感性和脆弱性[J]. 自然灾害学报， 2004， 13（5）： 85-89.

[13] 姚凤梅，张佳华，孙白妮，等. 气候变化对中国南方稻区水稻产量影响的模拟和分析[J]. 气候与环境研究， 2007， 12（5）： 659-666.

[14] 王春乙. 海南气候[M]. 北京：气象出版社， 2014.

[15] 魏凤英. 现代气候统计诊断预测技术[M]. 北京：气象出版社， 1999： 69-73.

[16] 谢佰承，罗伯良，殷剑敏，等. 我国南方水稻孕穗期适宜温度和全生育期≥10 ℃积温指标鉴定[J]. 安徽农业科学， 2008， 36（32）： 14 014-14 015.

[17] 李伟光，易雪，车秀芬，等. 海南岛干湿概况与干旱发生特征[J]. 气象研究与应用， 2011， 32（2）： 62-63.

[18] 张克勤，冯玉强，吴荣梁，等. 不同水稻品种种子在高温高湿条件下的发芽率变化[J]. 中国稻米， 2011， 17（6）： 49-52.

[19] 任义方，高苹，王春乙. 江苏高温热害对水稻的影响及成因分析[J]. 自然灾害学报， 2010， 19（5）： 101-107.

[20] 況慧云，徐立军，黄英金. 高温热害对水稻的影响及机制的研究现状与进展[J]. 中国水稻科学， 2006， 20： 219-222.

[21] 丁丽佳，谢松元. 气候变暖对潮州水稻主要生育期的影响和对策[J]. 中国农业气象， 2009， 30（S1）： 97-102.