气候变暖对长沙双季稻生育期的影响

龙志长，刘顺意，谢佰承

（1中国气象局气象干部培训学院湖南分院，湖南长沙410125；2邵阳市气象局，湖南邵阳42200；3湖南省气象科学研究所，长沙410118）

随着工业化、城市化进程的加快，人口的增多，导致温室气体浓度增加，气候变暖日趋明显。百年来，全球平均地表温度上升了0.74℃，中国年平均气温升高了0.5～0.8℃，增温速率约为 0.08℃／10 a［1～3］，略高于全球同期升温幅度平均值（0.6±0.2℃）［2，3］，为全球气候变暖最显著的国家之一。气候的变暖，致使平均气温和积温升高，水稻生产生长季节延长，而生育期缩短，生长量减少，可能会抵消全年生长季延长的效果［4，5］。有研究表明，水稻生育期平均气温每升高1.0℃，水稻生育期日数平均缩短7～8 d，从而减少了光合作用积累干物质的时间［5，6］。湖南省自20世纪80年代以来有明显增暖的趋势，1961年以来年平均气温上升了0.42℃，冬季增温更明显，增温趋势为0.3℃／10 a；年降水量总体呈上升趋势，90年代中期开始降水明显增多；年日照时数在60年代初至70年代末呈增加趋势，80年代初开始减少［7］。在平均温度升高的同时，极值最高、最低温度的出现频率增加，导致农业生产的不稳定性相应增加。

长沙地区的粮食作物主要是水稻。据长沙市统计局近5年统计，每年双季稻种植面积均在37万公顷以上，年产量超过260万吨［8］，在农业中的重要地位和粮食安全上具有举足轻重作用。在气候变暖背景下，长沙的温度及由温度引起的降水变化将影响水稻生育期、生长量的变化，从而导致水稻产量的不稳。笔者希望通过长沙地区36年（1979～2015年）的气象数据，统计每10年的年平均气温变化，日平均气温稳定通过8、10℃的初日及80%保证率的日期；计算双季稻生长季节≥10℃活动积温及稳定通过10℃初日到20℃或22℃终日间的活动积温；结合双季早、晚稻的播种期、生育期天数统计，研究气候变暖对本地双季稻生长及产量的影响，以为长沙地区双季稻高产、稳产、高效和粮食安全生产提供气象保障服务。

1 材料与方法

1.1 数据来源

气象数据来源于长沙站（113°05 E，28°12′N，海拔高度44.9 m，位于湖南省东部偏北，湘江下游，属亚热带季风气候，代表湖南湘东区域气候）1979～2015年（36年）的气象观测资料，包括逐日平均气温、降水量、日照时数等；双季早、晚稻发育期资料应用长沙农业气象试验站1979～2015年水稻物候观测数据。《水稻生产农业气象指标》以湖南省气象局地方标准为依据；水稻发育期标准以中国气象局《农业气象观测规范》（上册）为依据。水稻产量引用长沙市统计年鉴数据。

1.2 数据计算方法

1.2.1 界限温度起止日期、持续天数及活动积温的确定

水稻为喜温作物，≥10℃是水稻生长发育的起始界限温度（界限温度指作物生长发育的起始、终止及转折温度［9，10］，其起止日期指稳定通过某界限温度的起止日期或初、终日期，如双季晚稻抽穗扬花的最低界限温度是≥20℃或≥22℃）。因此，将≥10℃温度作为水稻生长活动期，并应用水稻活动期起止天数中的活动积温（全生育期内高于生物学起点温度的日平均气温的总和［11］）。为便于了解和分析双季稻生长期季内农业气象变化特点，将双季早、晚稻生长季节向两头作一定延伸，设定早稻生长季为3～7月，晚稻生长季为6～10月。具体方法见文献［12］。采用5日滑动平均法计算≥10℃活动积温、持续天数；在Excel 2007表格上进行年、月平均气温及≥20℃或≥22℃终止日期的数据处理分析。

1.2.2 气候倾向率

采用最小二乘法计算各气象要素的年趋势变化率及生长季的变化率，计算各气象要素与时间的线性回归系数a，使气象要素的变化可用一次线性方程表示［4，13］，即：

式中：y为气象要素拟合值，a为斜率，b为回归系数，用最小二乘法进行估计；其斜率以a的10倍作为气象要素倾向率（℃／10 a），表示气象要素每10年的变化速率。

2 结果与分析

2.1 长沙平均气温的变化

2.1.1 年平均气温变化

从长沙站1979～2015年（36年）年平均气温变化看：1979～1996年（17年）年平均气温17.0℃，1997～2015年（19年）年平均气温17.5℃。其中1980～1996年比1958～1979年的年平均气温17.2℃偏低0.24℃，为偏冷期；主要是1984、1989年是近58年来最冷的2年（1984年偏低0.8℃以上，为历史最低值）；而1997～2015年的年平均气温都是偏高的，无偏低年份，具有连续性，属偏暖期。总体上呈增暖趋势，且增幅显著，平均每10年增加0.2～0.3℃。参照MK检验法（气象学常用的气候突变检验法）及湖南省年平均气温历年变化曲线的线性趋势［14］，对长沙36年的年平均气温变化进行分析：

式中：y为36年来温度曲线变化，x为年份。

MK检验结果表明，长沙存在冷、暖气候波动，1997年为气候突变点，1997年开始增温较为显著，年平均气温明显偏高出现的频次增多（与全省变化趋势一致［15］）。这可能与长沙近20年来工业化、城市化的发展，及人口、汽车的增多有很大关联。

2.1.2 月平均气温变化

为便于分析比较长沙36年月平均气温变化趋势，设定1979～1996年为时段Ⅰ，1997～2015年为时段Ⅱ（下同）。时段Ⅱ与时段Ⅰ月平均气温按季节比（表1）：春季（3～5月）升温速度最快，平均升温0.6℃；其次为冬季（前年12月～2月），平均升温0.53℃；秋季（9～11月）排第三，平均升温0.37℃；升温最慢的为夏季（6～8月），平均升温0.23℃。从各月平均气温变化上看，2月平均气温升温速度最快（0.8℃），其他依次为4月（0.7℃）、5、11月（0.6℃）、3月（0.5℃）、1、12月（0.4℃）、10、6、7月（0.3℃），8、9月升温最慢，仅为 0.1～0.2℃，表明对年平均气温升高贡献较大的是2、4、5、11月。在双季稻生长季内（3～10月），早稻生长季内（3～7月）的平均气温、平均日最高气温、平均日最低气温的增温速率分别为0.20、0.20、0.22℃／10 a，均明显大于晚稻生长季内（6～10月）的增温速率（晚稻生长期内的平均气温、平均日最高气温、平均日最低气温的增加速率分别为0.09、0.03、0.17℃／10 a）。上述结果与前人在气候倾向率对双季稻生长季内月平均气温变化速率的研究结果［16］基本相同，表明随着气温的上升带来了积温的增加，使得双季稻生长季节得以延长；在有利于双季稻品种熟期的选择和增加产量潜力的同时，也有可能带来早稻乳熟至成熟期的高温逼熟和晚稻移栽至分蘖期高温、干旱的不利影响。

2.2 双季稻播期及主要生育期变化

按长沙农业气象试验站36年双季早、晚稻物候观测资料，每10年1个时段划分来看（表2）：双季早稻播种期在1979～1989年平均为4月4日，1990～1999年平均播种期为3月30日，2000～2009年平均播种期为3月26日，2010～2015年平均播种期为3月24日，即每10年平均提前3.06 d。80～90年代播种日期提前速度最快，90年代至2010年前次之，2010年至今维持在平均速度上。随着播期的提前，移栽期在36年里提前了16 d，平均每10年提前4.44 d，其中2000～2009年提前速度最快为10 d。抽穗扬花期、成熟期也相应提前，36年里分别提前11、10 d。从各年代全生育期看，大体在109.5 d左右，无多大变化。

从双季晚稻播种期各年代比较看，80年代末至90年代推迟1 d，2000年至今提前8 d；但移栽期则是从80年代的7月29日提早至2010后的7月18日，提早了11 d；最为关键的抽穗扬花期则从80年代的9月18日，提早至2010后的9月8日，36年提早10 d；成熟期变化不大，维持在10月20日左右；全生育期区别不大，基本维持在36年平均值121.8 d左右。

36年来双季稻各生育期的提前除与水稻生长季内（3～10月）气温升高和积温增加紧密相关外，也与水稻育秧方式、移栽方式、种植制度的变化密切相关。80～90年代早稻主要为大田温床水育秧，移栽方式为人工插秧；2000～2010年以大田温床软盘育秧和旱育秧为主，移栽方式为抛秧（晚稻仍为手插秧），该方式抢农时（人工抛秧可达0.27～0.4 hm2／d，比手插秧提高效率5～8倍［17］）、争积温，成熟期比人工插秧提前5 d左右［18］；2011年后推广软盘温床育秧、抛秧移栽（早晚稻）与工厂化大棚集中育苗，加上稻田直播（无拔秧植伤和栽后返青过程，生育期一般比同期移栽的水稻缩短5～7 d）、机械化插秧或抛秧等技术在双季稻生产上应用，加快了水稻育秧和移栽进程，促进了双季早稻早成熟，双季晚稻早移栽，保障了晚稻的安全齐穗。

综上所述，36年来，除双季稻播种至移栽期天数缩短外（早稻缩短5 d、晚稻缩短4 d），移栽至抽穗天数（早稻延长5 d、晚稻延长1 d）、抽穗至成熟天数（早稻延长1 d、晚稻延长5 d）都不同程度延长，由此可分析出双季稻生长季节略有延长。

2.3 界限温度及≥10℃日期和活动积温

水稻作为喜温作物，日平均气温≥10℃是其播种与生长发育的起始界限温度。时段Ⅰ（1997年以前）长沙稳定通过日平均气温≥10℃80%保证率的初日在3月30日，终日在11月21日，间隔日数为237 d，活动积温为5447℃；时段Ⅱ（1997年以后）长沙稳定通过日平均气温≥10℃80%保证率的初日在3月26日（图1），终日在11月22日，间隔日数为242 d，活动积温在5550℃。从此可看出：时段Ⅱ较时段Ⅰ≥10℃80%保证率的初日提前4 d，气候倾向率为-1.9 d／10 a；终日推迟1 d，气候倾向率为0.5 d／10 a；活动积温增加103℃，气候倾向率为51.5℃／10 a。

双季稻生长季在3～10月之间，时段Ⅰ活动积温一直是平缓增加，时段Ⅱ活动积温增加速率逐渐加快，尤期是2010年后增加趋势显著，目前≥10℃活动积温在5100℃以上。时段Ⅱ较时段Ⅰ活动积温每10年增加25～27℃。综上所述，≥10℃初始日的提前、终止日的推迟，促进了水稻生长期的延长，将对早稻播期的提前、早稻产量潜力的增加有利。2000年至今双季晚稻移栽期和安全齐穗期都提前，其成熟期时间变化不明显，将有利于双季稻生长季节的延长和双季稻稻谷总产量的增加。但≥10℃活动积温并不都是有利的，尤其是≥35℃的有效积温可能就是有害积温，既易出现高温热害加剧，夏秋干旱、极端气象灾害事件频率的增加，也会造成病虫危害加重；特别是早稻成熟期，可能导致高温逼熟，影响干物质积累、结实率与产量的提高。从当前生产实际来看，≥10℃活动积温增加特别是生育前期的增加对早稻产量潜力提高还是有利的。

日平均气温稳定通过20℃或22℃终日分别是双季常规晚稻和杂交晚稻安全齐穗的界限温度。长沙1997年后≥20℃或22℃的终日分别为9月18日左右、9月10日左右（图2）；10～20℃间隔天数和积温分别为176 d左右、4500℃左右，10～22℃间隔天数和积温分别为168 d、4250℃左右。1997年前≥20℃或22℃的终日分别为9月23日、9月14日左右；10～20℃间隔天数和积温分别为177 d、4420℃左右，10～22℃间隔天数和积温分别为168 d、4200℃左右。表明多年来平均气温稳定通过10℃初日与20℃（或22℃）终日间隔日数变化不明显，但期间的活动积温变化较明显，1997年后积温增加趋势明显，10～20℃平均每10年增加40℃，10～22℃平均每10年增加25℃，前者活动积温增加幅度要大于后者。

图1 长沙稳定通过10℃80%保证率的历年平均初日

图2 长沙稳定通过22℃80%保证率的历年平均终日

2.4 温度要素与双季稻播期及主要生育期

通过平均气温、界限温度及≥10℃日期和活动积温变化分析，结合双季稻播期及主要生育期变化，可得出：随着年、月平均气温的逐渐增温，双季稻播期及主要生育期也相应提前。从界限温度看，时段Ⅱ较时段Ⅰ日平均气温≥10℃80%保证率的初日提前4 d，其双季早稻播期也从3月30日提早至3月24日，提前6 d（2000年后采用大田温床软盘育秧方式，可在界限温度≥8℃播种，长沙稳定通过日平均气温8℃80%保证率的初日在3月22日）。尤其是4、5月2个月平均气温的显著增温（增幅达0.7、0.6℃），使双季早稻的移栽期从90年代中期的5月2日提早至现在的4月21日，提前11 d，属主要发育期提前幅度最高的。同样，抽穗扬花期、成熟期也相应提前，但幅度较低，分别提早6、9 d。从月平均气温影响看，近20年来，6、7月增温缓慢，为0.3℃。说明双季早稻生长季内随着日均温和积温的增加，各发育期也相应提前，为后续作物双季晚稻的生长发育和产量形成提供了有利的气象保障。

双季晚稻播种期和移栽期的提前（与70年代末比分别提早7、11 d），使齐穗期提早到9月上旬末，从而有效地降低了“寒露风”危害。从日平均气温稳定通过20℃或22℃终日及10～20℃或10～22℃的活动积温看，1997至今稳定通过20℃或22℃的终日分别在9月18日、9月10日，活动积温分别达4500、4250℃左右，比1979～1996年分别增加80、50℃。说明双季稻生长季内气温的升高使得积温增加有利于双季稻产量潜力的提高，日平均气温稳定通过20℃或22℃的终日时间能确保双季晚稻安全齐穗，其活动积温能满足双季早、晚稻生长和产量的需求。

2.5 其它气象因子及栽培因素

通过气象数据分析，结合艾治勇等提出的随着双季稻生长季内温度的升高，降水量变化并不大，但光照时数明显减少［16］的结论，时段Ⅱ（1996～2015年）长沙双季稻生长季内（3～10月）总降水量为1100 mm左右，总日照时数为1150 h左右，其增减速度与时段Ⅰ（1979～1996年）比，双季稻生长季内（3～10月）总降水量平均增速在1.0 mm／10 a以下，总日照时数平均减速在23～27 h／10 a，其中双季早稻日照时数气候倾向率平均为-12 h／10 a，双季晚稻日照时数气候倾向率平均为 -36 h／10 a。受双季稻生长季内日照时数减少趋势的影响，将造成光照不足，导致水稻光合作用降低，影响干物质积累（这种影响晚稻将大于早稻，主要为生长期间日照时数的显著下降），可能会影响到双季稻的产量与产量潜力。

根据长沙市统计资料，从近36年来双季稻单产变化看（图3），除5年双季稻平均单产呈阶段性减产外（2002～2006年），其它年份都为增产趋势；其中80年代至2001年双季稻单产呈快速增产趋势，平均单产从6000 kg／hm2增至6645 kg／hm2左右，这主要得力于三系杂交稻及栽培配套技术的推广应用。从双季早、晚稻单产变化看：1997年前双季早稻平均单产为5895 kg／hm2，2007～2011年平均单产为6114 kg／hm2，2012至今平均单产为6227.3 kg／hm2，双季早稻平均单产增幅明显，平均每10年增产203.9 kg／hm2；而双季晚稻2007～2011年平均单产为7412 kg／hm2，2012至今平均单产为7258 kg／hm2，平均单产则呈微弱的负增长。反映出早稻生长季内气温升高和积温增加对早稻提前播种、延长生长季节有利，为选用生育期长的品种创造了条件，从而促进了早稻产量与产量潜力的提高；而晚稻生长季内气温升高和积温增加均不如早稻生长季，同时，生长季内的日照时数下降速率明显大于早稻生长季（双季晚稻平均减速24 h／10 a），不利于群体光合作用和产量形成，有可能影响到晚稻的产量与产量潜力。

图3 近36年长沙双季稻单产变化趋势

3 结论与讨论

（1）36年来长沙年平均气温存在冷、暖气候波动，1997年为气候突变点，1997年前为偏冷期，年平均气温17.0℃（主要是1984、1989年是近58年来最冷的2年）；1997年开始增温较为显著，年平均气温17.5℃，平均每10年增加0.2～0.3℃，且年平均气温都偏高，无偏低年份，属偏暖期。

（2）按季节划分，月平均气温升温速度从快到慢依次为，春季（3～5月）、冬季（前年12月 ～2月）、秋季（9～11月）、夏季（6～8月）；按月份依次为 2、4、5、11、3、1、10、12、6、7、8、9月。分析结果显示，随着气温的上升，积温增加，1997年后（时段Ⅱ）较1997年前（时段Ⅰ）≥10℃80%保证率的初日提前4 d，气候倾向率为 -1.9 d／10 a；终日推迟1 d，气候倾向率为0.5 d／10 a；活动积温增加103℃，气候倾向率为51.5℃／10 a。上述结论与前人在气候倾向率对双季稻生长季内月平均气温变化速率的研究结果［16］基本相同，表明≥10℃活动积温增加，有利于双季稻生长季节的延长和双季稻稻谷总产的增加；同时也易出现高温热害加剧，夏秋干旱、极端气象灾害事件频率增加，并造成病虫危害加重。在双季稻生产上，可通过科学合理搭配早、晚稻品种，选择抗病虫、耐高温能力强的品种，完善水利设施建设，加强田间管理技术，提升气候资源的利用率，从而提高稻谷产量潜力。

（3）本研究结果表明，36年来双季早稻播种期每10年平均提前3.06 d，移栽期每10年平均提前4.44 d；双季晚稻播种期每10年平均提前2.23 d，移栽期每10年平均提前3.06 d，抽穗扬花期每10年平均提前2.78 d。上述生育期的提前除与气温和积温增加有关外，还与软盘温床育秧、工厂化大棚集中育苗、软盘抛秧、机插秧等技术在双季稻生产上的应用有关［17，18］。双季早、晚稻全生育期天数无多大变化，但各发育期间隔天数，除双季稻播种至移栽期天数缩短外，移栽至抽穗、抽穗至成熟天数都不同程度延长，表明双季稻生长季节略有延长。因此，应因地制宜制定水稻生产技术，科学安排适宜播栽期，发挥农业气候资源优势，发展集约化、高效化稻作生产模式。

（4）本研究显示，双季稻生长季内总降水量10年平均增速在1.0 mm以下，总日照时数10年平均减速在23～27 h，其中双季早稻日照时数气候倾向率10年平均为-12 h，双季晚稻日照时数气候倾向率10年平均为-36 h。表明降水量变化并不大，但日照时数明显减少。

（5）本研究结果表明，早稻生长季内气温升高和积温增加对早稻提前播种、延长生长季节有利，为选用生育期长的品种创造了条件，从而促进了早稻产量与产量潜力的提高；而晚稻生长季内气温升高和积温增加均不如早稻生长季，同时，生长季内的日照时数下降速率明显大于早稻生长季（双季晚稻大于双季早稻，10年平均减速24 h），不利于群体光合作用和产量形成，有可能影响到晚稻的产量与产量潜力。因此，在双季稻生产中做好气候变化应对措施的研究与应用，晚稻生产中选用熟期适中品种，以安全齐穗为准安排播栽期，采用群体早发和合理田间密度调控措施，促进群体光合作用和产量形成，以提升晚稻产量与产量潜力。