双季早晚稻不同发育阶段日数对温度变化的敏感性比较*

王治海，金志凤，邬定荣，毛智军，陈中赟



双季早晚稻不同发育阶段日数对温度变化的敏感性比较*

王治海1，金志凤1，邬定荣2**，毛智军3，陈中赟4

（1．浙江省气候中心，杭州 310017；2．中国气象科学研究院，北京 100081；3．龙游县气象局，衢州 324400；4．湖州市气象局，湖州 313000）

基于1981-2010年长江中下游地区38个农业气象观测站双季早、晚稻发育期及同期逐日气象数据，结合水稻特性将发育期划分为出苗-移栽、移栽-返青、返青-孕穗、孕穗-成熟4个主要发育阶段，比较双季早、晚稻不同发育阶段日数对温度变化的相对敏感性，以探究不同作物、不同发育期对气候变化响应的差异。结果表明：水稻各发育阶段日数随温度升高基本呈减少趋势，但相对敏感性差异较大。早稻返青-孕穗期日数对温度变化最敏感，相对敏感性平均为−0.094个点·℃−1（P<0.05），晚稻孕穗-成熟期日数对温度变化最不敏感，相对敏感性平均为−0.045个点·℃−1（P<0.05）。相同发育阶段内，返青前晚稻对温度变化更敏感，返青后早稻更敏感。除移栽-返青期外，两种作物其它营养生长阶段敏感性均强于生殖生长。相对敏感性与阶段日数变异系数呈负相关关系，日数波动越大，阶段日数随温度升高而减少越明显，尤以早稻返青-孕穗期相关系数达−0.761（P<0.001）。

气候变暖；发育阶段日数；相对敏感性；水稻；长江中下游地区

IPCC第五次评估报告指出，1880-2012年全球平均地表温度上升了0.85℃，1951-2012年增温速率接近1880年以来的两倍[1]。气候变暖使作物生长季内的光温水等气候资源发生变化，进而影响作物的生长发育和产量形成[2-3]。作物生长模型是研究气候变化对作物产量影响的主要工具，但不同模型在模拟产量时存在较大的不确定性，其生育期模块采用的温度响应曲线的差异是不确定性的主要来源[4]。因此，科学分析作物发育期对气候变化的响应机制是提高作物生长模型预测产量精度的关键，对制定农业发展策略、保障粮食安全具有重要意义。

目前，围绕气候变暖对大宗作物物候的影响研究取得了不少成果。针对水稻作物，李正国等[5-6]分别在东北、华北稻区的研究表明，温度升高引起水稻播种和移栽日期提前、生育期延长的趋势；但也有学者在纬度较低的华中[7]、华南[8]以及江淮地区[9]研究发现，水稻生育期因增温而缩短，但缩短速率存在区域差异。围绕麦类作物，肖登攀等[10]发现华北冬小麦营养生长阶段以7.4d·10a−1的速率缩短，而生殖生长阶段以1.7d·10a−1的速率延长，即气候变化对不同发育阶段日数的影响不同；蒋菊芳等[11]对河西走廊春小麦的物候研究也有类似结论，三叶-抽穗、拔节-开花期分别以0.3d·10a−1、0.26d·10a−1的速率缩短，而孕穗-乳熟期以0.23d·10a−1的速率延长。对于玉米作物，孟林等[12]指出，平均气温每升高1℃，华北夏玉米全生育期和生殖生长期分别缩短2.7d、1.1d。以上研究均通过发育阶段绝对变化日数，反映不同粮食作物物候期对气候变化的响应情况。但受地域、品种、种植制度差异的影响，不同地区、不同作物的不同发育期对气候变暖的响应不一致。温度每升高1℃，经历天数较多的发育阶段其绝对变化日数可能比天数短的发育期更多。此外，各地区为适应气候变暖对作物播期的调整也可引起生育期天数的变化。因此，基于绝对速率的敏感性不适于直接比较不同地区、不同作物、不同生育期的温度敏感性。对此，高静等[13]提出相对敏感性的概念，分析了华北冬小麦不同发育阶段日数对温度变化的敏感性。理论上，该指标可用于比较不同作物、不同发育阶段之间的温度敏感性。

水稻是中国最重要的粮食作物之一，长江中下游地区是中国最大的水稻产区[14]。水稻因种植制度不同，可分为双季早稻和双季晚稻，两者生长发育对温度变化的敏感性可能存在一定差异。此外，水稻移栽容易导致秧苗根系损伤，推迟整个发育进程，这种影响也可能会在温度敏感性上体现。因此，本研究拟以长江中下游移栽双季稻为研究对象，利用相对敏感性分析方法，比较双季早、晚稻不同发育阶段日数对温度变化的相对敏感性及其区域性差异，以期为气候变化背景下作物生育期管理、合理布局和制定适应性政策等提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

长江中下游地区包括江苏、安徽、浙江、江西、湖北、湖南、上海7省（市），地势西高东低，以平原和低山丘陵为主。地处亚热带温暖湿润季风气候区，雨热同期且降水充沛，年平均气温14～18℃，年降水量1000～1500mm，无霜期210～270d，10℃以上活动积温达4500～5000℃·d[15]。根据水稻种植区划[16]，整个区域在1981-2010年内以双季稻为主[17]。

1.2 资料

选取1981-2010年长江中下游地区连续10a以上有双季早、晚稻移栽种植的38个农业气象观测站（图1），各站早稻和晚稻均有25a观测记录。发育期资料包括双季稻出苗、移栽、返青、孕穗、成熟日期；气象资料为与农业气象观测站对应的38个气象站1981-2010年的逐日平均气温。发育期和气象数据均来源于国家气象信息中心。

1.3 方法

多数作物的全生育期一般可分为营养生长（出苗-孕穗）和生殖生长（孕穗-成熟）两个阶段，但与直播作物不同的是，移栽水稻的营养生长阶段增加了移栽和返青两个生育期。移栽可以延长水稻生育期，并通过控制田间密度以保证穗粒数，利于提高产量。但移栽也可引起水稻根系损伤，损伤程度因秧苗特性和天气条件的不同而异，轻则水分失衡重则死亡[18]。移栽后下一个生育阶段为返青，移栽-返青阶段水稻生长对低温环境敏感，温度过低容易延迟秧苗返青甚至不能返青[19]。由此可见，移栽和返青是移栽水稻对环境温度要求较为特别的生育期，需要从营养生长阶段单独划分出来进行分析。本研究将移栽水稻整个生育期划分为4个主要阶段，依次为出苗-移栽（E-T）、移栽-返青（T-R）、返青-孕穗（R-B）、孕穗-成熟（B-M）。前3个阶段是营养生长阶段，后1个是生殖生长阶段。

图1 长江中下游地区38个双季稻农业气象观测站点分布

以往研究中，作物发育期的温度敏感性多以阶段日数受温度影响的绝对变化量来表达[20]。但绝对变化速率受该发育阶段长度影响，无法用于不同作物、不同发育期之间的温度敏感性比较。为此，高静等[13]提出了相对敏感性的概念，即发育阶段相对日数与同期日平均气温的线性回归关系，计算式为

式中，D为某站水稻完成某发育阶段日数（d），Daver为该站水稻完成该发育阶段日数的多年平均值（d），T为同期日平均气温（℃），a、b为待定参数，其中b值为该发育阶段日数对温度变化的相对敏感性（个点·℃-1）。由于采用的是发育日数的相对值，理论上该指标可用于比较不同作物以及同一作物不同发育阶段之间的温度敏感性差异。

利用C#计算机编程语言,统计各站点4个主要发育阶段日数及同期日平均气温，基于最小二乘法拟合式（1）中的参数b。借用SPSS软件进行显著性检验分析，基于ArcGIS软件绘制各站点的平均气温、阶段日数以及相对敏感性的空间分布图。

2 结果与分析

2.1 双季早稻、晚稻主要发育阶段平均气温的变化

1981-2010年统计结果显示，长江中下游地区双季早稻整个生育期（4-7月）历年平均气温在22.2～24.7℃。由图2a1-a4可见，出苗-移栽期（4-5月）历年平均气温在16.1～20.0℃，平均18.2℃，相对较低；移栽-返青期（5月）历年平均气温在18.5～22.7℃，平均21.2℃；返青-孕穗期（5-6月）历年平均气温在22.1～24.9℃，平均23.5℃；孕穗-成熟期（6-7月）历年平均气温在26.3～28.7℃，平均27.6℃。分析各站点关键生育期平均气温线性变化趋势可知，34.2%的站点双季早稻孕穗-成熟期平均气温呈显著升高趋势，这些站点平均增温速率为1.11℃·10a−1（P<0.05），其它生育期内也有不同比例站点的平均气温呈现显著线性升高趋势，其中出苗-移栽期和返青-孕穗期显著增温的站点比例分别为21.1%（P<0.05）、15.8%（P<0.05），而移栽-返青期仅有5.3%的站点增温趋势显著（P<0.05）。

双季晚稻整个生育期（6-10月）历年平均气温在23.4～27.1℃。由图2b1-b4可见，出苗-移栽期（6-7月）历年平均气温在27.0～29.7℃，平均28.4℃；移栽-返青期（7月）历年平均气温在28.0～31.0℃，平均29.2℃；返青-孕穗期（7-9月）历年平均气温在26.3～29.4℃，平均28.0℃；孕穗-成熟期（9-10月）历年平均气温在18.7～23.9℃，平均22.1℃，相对较低。分析各站点双季晚稻关键生育期平均气温线性变化趋势可知，63.2%的站点孕穗-成熟期增温趋势显著，气温平均升高速率为1.05℃·10a−1（P<0.05），该阶段变暖特征最明显；出苗-移栽期次之，36.8%的站点平均气温呈显著升高趋势，平均增温速率为0.89℃·10a−1（P<0.05）；返青-孕穗期和移栽-返青期增温趋势通过0.05水平显著性检验的站点仅占13.2%和2.6%。

2.2 双季早稻、晚稻主要发育阶段持续日数的变化

1981-2010年统计结果表明，长江中下游地区双季早稻全生育期持续日数在97.6～117.7d，平均104.6d。由图3a1-a4可见，返青-孕穗期持续日数最长，平均40.2d；孕穗-成熟期次之，平均34.0d；出苗-移栽期持续日数平均为25.8d；移栽-返青期最短，平均4.6d。分析区域内各关键发育阶段持续日数随时间的变化趋势可知，28.9%的站点出苗-移栽期持续日数呈显著减少趋势，平均线性倾向率为-4.57d·10a−1（P＜0.05）；而返青-孕穗期有26.3%站点的持续日数呈显著增加趋势，平均线性倾向率为5.84d·10a−1（P＜0.05）；孕穗-成熟期和移栽-返青期持续日数显著变化的站点比例为34.2%、29.0%，其线性倾向率变化范围分别为-10.00～4.32d·10a−1（P＜0.05）、-2.64～1.61d·10a−1（P＜0.05），其中为正值的站点分别占61.5%、36.4%，即这两个阶段的持续日数有增加也有减少趋势，但无明显的区域分布特征。

图2 1981-2010年双季早稻、晚稻4个关键发育阶段各站点平均气温及其线性变化趋势

Note: E-T is the stage from emergence to transplanting, T-R is the stage from transplanting to reviving, R-B is the stage from reviving to booting and B-M is the stage from booting to mature. The same as below

双季晚稻全生育期日数为106.6～135.5d，平均119.8d。由图3b1-b4可见，孕穗-成熟期持续日数最长，平均48.5d；返青-孕穗期次之，平均38.7d；出苗-移栽期持续日数平均为28.7d；移栽-返青期最短，平均3.9d。分析各站点关键发育阶段持续日数的线性变化趋势可知，63.2%的站点出苗-移栽期持续日数呈显著减少趋势，平均线性倾向率为−5.83d·10a−1（P<0.05）；孕穗-成熟期内有36.8%的站点持续日数减少趋势显著，平均线性倾向率为−4.10d·10a−1（P<0.05）；而在返青-孕穗期，34.2%的站点持续日数呈显著增加趋势，平均线性倾向率为3.84d·10a−1（P<0.05）；移栽-返青期持续日数的线性变化趋势通过显著性检验站点比例达42.1%，线性倾向率在−1.71～1.10d·10a−1（P<0.05），为负值的站点约占50%，即该阶段日数有缩短也有延长趋势，但无明显的区域分布特征，这与各地移栽时间差异较大有关。

2.3 早晚稻发育阶段持续日数对温度变化的相对敏感性分析

2.3.1 相对敏感性比较

由图4可见，多数通过显著性检验站点的各生育阶段日数对温度变化的相对敏感性均为负值，主要是温度升高加快了作物发育速率，导致发育阶段日数随之减少。但同一作物不同发育阶段相对敏感性大小各不相同，同一发育期内不同作物的相对敏感性也存在一定差异。早稻返青-孕穗期相对敏感性最强，区域波动较大，39.5%的站点通过显著性检验，这些站点的相对敏感性在−0.204～−0.042个点·℃−1（P<0.05），平均−0.094个点·℃−1（P<0.05），即温度每升高1℃，阶段日数平均减少9.4%；晚稻出苗-移栽期有42.1%的站点通过显著性检验，相对敏感性在−0.162～−0.040个点·℃−1（P<0.05），平均−0.093个点·℃−1（P<0.05）；早稻出苗-移栽期内，52.6%的站点通过显著性检验，相对敏感性在−0.123～0.048个点·℃−1（P<0.05），平均−0.061个点·℃−1（P<0.05），其中仅浙江嘉兴相对敏感性为正值（P<0.05）；早稻移栽-返青与孕穗-成熟期相对敏感性平均值相近，在−0.053个点·℃−1左右（P<0.05），但通过显著性检验站点比例不同，分别为31.6%、60.5%，相对而言，早稻移栽-返青期相对敏感性在区域内较不稳定；晚稻孕穗-成熟期68.4%的站点通过显著性检验，相对敏感性在−0.110～−0.021个点·℃−1（P<0.05），平均−0.045个点·℃−1（P<0.05），相对敏感性较弱，区域内波动较小；晚稻返青-孕穗期相对敏感性通过显著性检验站点的比例为18.4%，相对敏感性在−0.072～0.141个点·℃−1（P<0.05），平均0.021个点·℃−1（P<0.05），其中仅江西的宜丰和樟树、浙江的椒江和金华相对敏感性为正值（P<0.05）；而晚稻移栽-返青期内仅浙江绍兴站相对敏感性通过了0.05水平的显著性检验。

图3 1981-2010年双季早稻、晚稻4个关键发育阶段各站点持续日数及其线性变化趋势

从全区平均情况看，早稻返青-孕穗期阶段日数对温度变化最敏感，晚稻孕穗-成熟期最不敏感。晚稻移栽-返青期和返青-孕穗期的相对敏感性通过显著性检验的站点比例较小，敏感性在区域内均不稳定。针对同一作物，移栽-返青期较其它阶段相对敏感性最不稳定，期间水稻生长发育对低温敏感[21]，加上该阶段日数较短且受农户决策影响较大，因此，温度升高对该阶段日数的影响相对较小。

2.3.2 相对敏感性差异分析

为探究不同作物、不同发育阶段对温度变化相对敏感性差异的原因，统计双季早稻、晚稻相对敏感性通过显著性检验站点的不同发育阶段日数的变异系数，分析相对敏感性与变异系数的相关关系。

图4 双季早晚、晚稻4个关键发育阶段日数对温度变化相对敏感性的空间分布

注： ∆表示相对敏感性通过0.05水平的显著性检验

Note: ∆ is P<0.05

如图5所示，除早稻移栽-返青期外，各阶段相对敏感性均与持续日数变异系数呈显著负相关关系，即持续日数波动越大，相对敏感性为负的绝对值越大，阶段日数随温度升高而减少越明显。这种关系以早稻返青-孕穗期最突出，相关系数绝对值最大，回归关系通过了0.001水平的显著性检验，变异系数较大，平均为0.14（P<0.05）；早稻和晚稻的出苗-移栽期次之，相关系数在−0.60左右（P<0.05）；早稻和晚稻的孕穗-成熟期相关系数约−0.50（P<0.05），日数变异系数在0.10左右（P<0.05），波动较小。晚稻移栽-返青及返青-孕穗期的相对敏感性通过显著性检验的站点较少，区域稳定性很弱，相关系数也均未通过显著性检验。

由上可见，各发育阶段对温度变化的相对敏感性与阶段日数变异系数的相关性从强到弱排序为返青-孕穗期＞出苗-移栽期＞孕穗-成熟期，这与其相对敏感性的对比结果基本一致。因此，各发育阶段日数的变化差异可以在一定程度反映发育阶段间的相对敏感性差异。这主要因为温度条件的区域差异可引起不同站点内同一作物同一发育阶段日数的不同，而发育阶段日数的差异反过来影响该阶段的平均温度。早稻和晚稻的移栽-返青期相对敏感性与阶段日数变异系数相关性均未通过显著性检验，但该阶段日数变异系数大于其它阶段，表明该阶段相对敏感性可能还受别的因素影响。移栽是水稻种植的关键环节，适宜的移栽期有利于提高有效穗数和产量。水稻适宜移栽期除了受温度的直接影响外，还受降水和日照影响。此外，土壤特性、品种更替、灾害防御等因素也可造成各地移栽期的不同[22]。因此，该阶段敏感性是环境、品种、农户决策等多种因素综合作用的结果。

图5 双季早稻、晚稻不同发育阶段相对敏感性与阶段日数变异系数的相关性分析

注： 图中所有站点相对敏感性均通过0.05水平的显著性检验。晚稻移栽-返青及返青-孕穗相对敏感性通过显著性检验站点较少，且相关性不显著（图略）

Note: The relative sensitivity of the stations was significant (P<0.05). There existed few staions whose relative sensitivity was significant (P<0.05) during T-R and R-B of late rice and its relationship was not significant (Figure was omitted)

3 结论与讨论

（1）历史资料统计分析表明，长江中下游地区双季早、晚稻4个关键发育阶段平均气温随时间均呈升高趋势，但增温特征不均匀。早稻和晚稻的孕穗-成熟期增温最明显，气温平均升高速率均超过1.0℃·10a−1，水稻移栽前后增暖不明显。气候变化背景下，早稻和晚稻的出苗-移栽持续日数呈线性减少趋势，这与同类研究成果基本一致[23]。而早稻和晚稻的返青-孕穗期持续日数均呈增加趋势，这可能是由不同品种生长的最适宜温度的差异所致。同一温度条件下，有的品种最适宜生长，生长速度快，阶段日数减少，但同样温度条件有可能就超出了其它品种的最适温度范围，导致发育速率随温度升高而降低，完成该发育阶段所需日数反而增加[24]。

（2）不同作物、不同发育阶段的持续日数对温度变化的相对敏感性存在一定差异，其中早稻返青-孕穗期对温度变化最敏感，相对敏感性平均为−0.094个点·℃−1（P<0.05），晚稻孕穗-成熟期最不敏感，相对敏感性平均为−0.045个点·℃−1（P<0.05）。在同一发育阶段，返青前晚稻更敏感，返青后早稻敏感性更强；对于同一作物，除移栽-返青期外，其它营养生长阶段日数对温度变化的敏感性均强于生殖生长，这与前人研究结果一致[25]。由此可见，基于相对敏感性可以较准确地反映双季早稻、晚稻不同阶段日数对温度变化的敏感性差异，印证了该方法在比较不同作物、不同发育阶段对温度变化的敏感性中的可行性。

（3）双季早稻、晚稻主要发育阶段相对敏感性与持续日数变异系数呈负相关关系，持续日数波动越大，相对敏感性为负的绝对值越大，阶段日数随温度升高而减少越明显，这种关系以早稻返青-孕穗期最突出。影响阶段日数变化的因素除了温度条件，可能还包括品种更替和农户决策等。从灾害防御实践上看，双季早稻有秧田期低温和孕穗抽穗期高温，双季晚稻有孕穗抽穗期低温和灌浆成熟期高温。通过调整播期可以避免低温影响，针对高温危害防御，水稻种植则可移向高海拔山区或选择耐高温型晚熟品种[26]，由此造成同一阶段日数的区域差异。与此同时，阶段日数的不同也反过来影响发育期温度条件的区域差异。因此，环境、品种、农户决策等多种影响因素的共同相互作用可能是相对敏感性无明显空间分布特征的原因。

晚稻返青-孕穗期的相对敏感性统计结果表明，该生育阶段日数随温度升高而增加的现象在研究区域不普遍，但与其它发育阶段相比仍较突出，这可能与品种更替适应气候变化有关。随着气候变暖，各地种植的水稻品种逐渐由早熟型向晚熟型方向转变。水稻品种更替可以降低作物营养生长阶段的基本早熟性，抵消温度升高对水稻生育期的负面影响，稳定或延长了水稻的生育期天数[27]，引起该阶段日数对温度变化敏感性不明显。对于晚稻移栽-返青期，仅1个站点相对敏感性通过了显著性检验，区域内该阶段日数对温度变化不敏感。在水稻模型ORYZA2000的发育期模块中，移栽后水稻生长将停滞一段时间，期间发育速率定为0℃·d，该阶段秧苗发育进程对温度变化不敏感[28]，本研究结果与之符合。此外，移栽期受农户决策影响较大，使得移栽-返青期温度敏感性不显著且不稳定。

准确刻画作物生长发育对温度变化的响应是提高作物生长模型对产量模拟精准度的关键。Wang等[29]指出，大多数作物生长模型对产量模拟的不确定可用发育速率与温度变化的关系来解释，通过改进作物生长发育对温度变化的响应机制，产量模拟误差可明显降低。光温水条件、种植制度、品种分布等在时空上发生了不同程度的变化，影响着作物生长发育对气候变化的响应[30]。本研究仅考虑了平均气温这一主要环境因子，尚不能充分反映品种、地形、土壤、气候等因素对作物发育期的综合影响。因此，作物发育期对气候变化的敏感性研究还需要结合多种因子的影响进一步完善，为提高作物模型模拟精度和农业生产适应能力提供科学参考。

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Comparison of Temperature Sensitivity During Different Development Stages for Double-season Early and Late Rice

WANG Zhi-hai1, JIN Zhi-feng1, WU Ding-rong2, MAO Zhi-jun3, CHEN Zhong-yun4

(1. Zhejiang Climate Center, Hangzhou 310017, China; 2. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081；3. Meteorological Bureau of Longyou, Quzhou 324400; 4. Meteorological Bureau of Huzhou, Huzhou 313000)

In order to explore responses of different crops’ different development stages to climate change, the relative sensitivities of growth duration to temperature of early and late rice in 38 agrometeorological observation stations during 1981-2010 in the Middle-Lower Yangtze Plain were calculated. Both early and late rice’s growth stages were divided into four stages, i.e., emergence to transplanting(E-T), transplanting to reviving(T-R), reviving to booting(R-B) and booting to mature(B-M). Results showed that growth duration decreased with temperature increasing, but its relative sensitivity varied much between all the four stages. The R-B period of early rice was the most sensible to temperature with average relative sensitivity value of −0.094 point·℃−1(P<0.05). The B-M period was less sensible than others, with average value of −0.045 point·℃−1(P<0.05). For the same stage, duration of late rice was more sensible to temperature than early rice before reviving, but was less sensible after reviving. For the two crops, the vegetative growth was more sensible than reproductive growth except T-R period. Further analysis showed that the relative sensitivity was negatively correlated with variation coefficient of duration, indicating in such stations where growth duration varied substantially, the duration would decreased more sharply under warmer condition, especially in the R-B period of early rice, whose correlation coefficient was −0.761 (P<0.001).

Warming; Growth duration; Relative sensitivity to temperature; Rice; Middle-Lower Yangtze Plain

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.03.006

王治海,金志凤,邬定荣,等.双季早晚稻不同发育阶段日数对温度变化的敏感性比较[J].中国农业气象,2018,39(3):185-194

收稿日期：2017-07-07

通讯作者。E-mail:wudr@camscma.cn

浙江省重点科技专项（2015C02048）；浙江省气象局重点专项（2016ZD09）；华东区域气象科技协同创新基金（QYHZ201609）

王治海（1988-），硕士，工程师，主要从事农业气象服务相关工作。E-mail:shan_huhai@163.com