早春热量资源变化及对双季早稻早播的可行性分析

郭瑞鸽，蔡 哲，刘文英

（江西省农业气象中心，江西 南昌 330096）

【研究意义】水稻是我国最重要的粮食作物之一，在全球气候变化背景下，农业气候条件变化尤其是热量条件变化，对水稻生产带来系列影响［1-2］。江西地处亚热带季风气候区，是我国双季稻优势产区，在保障国家粮食安全方面占有极其重要的地位［3］。根据江西省农业气象中心实地调查，受气候变化和栽培技术改革的双重影响，多地的双季稻种植大户在春季提早了早稻播种期，取得了较好效果，包括错峰种植降低劳工成本、降低第二茬晚稻寒露风风险等；但播种越早，低温风险越大，早春热量资源能否满足抢早播种的需要，早播可以提前多大幅度，需要利用长序列气候资料进行分析论证。【前人研究进展】我国是全球气候变化影响显著区之一，近20年是20世纪初以来的最暖时期［4］。气候变化背景下全国或区域性的热量资源变化特征受到诸多学者的关注，其中较多研究揭示了气候变化对热量资源分布的影响，分别针对不同区域的农业界限温度、积温、气温日较差等气候要素的变化趋势开展了研究［5-9］。胡琦等［5］研究表明，1961—2010年全国平均气温、积温等热量资源呈增加趋势；李建等［6］对长江中下游地区水稻生长季内农业气候资源变化研究发现，该地区1960—2016年热量资源增加明显，10年倾向率达47.76℃·d。对热量条件的分析发现，气温升高和积温增加使农业热量资源增加，有利于种植面积扩大和增产，作物的生产潜力有增大趋势［10-14］，也有利于调整种植结构、提高粮食产量［15-19］，其中播期调整问题也得到了关注［19-21］。张卫建等［1］研究表明，温度提高对不同农作物的生产力与种植结构产生复杂影响，增温有利于促使水稻产量增加。吕伟生等［19］研究表明，近年来双季稻生产日期作了相应调整，但与安全生产日期存在一定偏差，赣南实际生产季节偏迟、赣北早稻直播偏早。【本研究切入点】以往研究多以全年为时间尺度，对于年内特定时段的研究报道较少，其中对于江西早春时段农业热量资源变化特征及影响的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】本研究以平均气温、有效积温、晴暖天频率等为指标，研究江西省早春热量条件变化特征，综合分析与判别早稻提前播种的气候可行性，为合理利用早春热量资源调整水稻播期安排、规避气象灾害风险提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

气象数据来源于江西省气象信息中心。采用江西1960—2019年79个气象站点地面气象观测资料，包括平均气温、日照时数、天气现象等。

江西水稻熟制以双季稻为主，双季早稻播种分保温育秧（简称保温方式）和大田直播两种方式（简称直播方式）。按传统种植习惯，采用保温方式的早稻大面积播种期一般始于3月中旬后期，少数早播的可提前至3月上旬；采用直播方式的早稻大面积播种期始于4月初，少数早播的可提前至3月下旬。因此，本研究以3月20日前采用保温方式播种早稻，以3月31日前采用直播方式播种早稻为早播，并以3月1日至4月10日作为早春时段，研究江西早春热量资源特征及变化特征。

双季早稻播种期资料来源于江西省农业气象观测站。早稻保温方式播种在全省分布广泛，直播方式大部分集中在鄱阳湖周边区域，因此在赣北、赣南分别选择南昌县、南康区为代表站，分析保温方式实际播种期与早播期的差异，在鄱阳湖周边区域选取余干、余江县为代表站，分析直播方式实际播种期与早播期的差异。站点分布见图1。

1.2 指标设置与判别方法

1.2.1 早春晴暖天 早春时段出现的持续晴暖天气是早稻顺利播种且出苗生长的必要气象条件；热量充足可保证稻谷正常萌发，光照多可使白天气温维持较高水平，并使保温育秧棚内气温大幅度上升，保障幼苗顺利生长。根据江西水稻生产调查和农业气象服务经验，3月1—20日期间10℃以上的晴暖天，是保温方式早播的必要条件，3月11—31日期间12℃以上的晴暖天，是直播方式早播的必要条件。判别方法如下:

图1 研究站点分布Fig.1 Distribution of observation station

（1）10℃以上晴暖天：3月1—20日，日均气温（TAVG）≥10℃持续5 d以上，且其中有3 d以上多云或晴天气（日照时数≥1 h），判定为一次10℃以上晴暖天过程；

（2）12℃以上晴暖天：3月11—31日，日均气温≥12℃持续5 d以上，且其中有3 d以上多云或晴天气（日照时数≥1 h），判定为一次12℃以上晴暖天过程。

1.2.2 早春低温天 3—4月低温是影响江西早稻播种出苗及幼苗生长的主要灾害性天气。根据江西省农业气象灾害指标，8、12℃分别为保温方式和直播方式播种的低温受害界限温度［16］。因此定义低温天判别方法如下：

（1）8℃以下低温天：3月1日至4月10日，日均气温≤8℃、持续天数≥5 d；

（2）12℃以下低温天：3月11日至4月20日，日均气温≤12℃、持续天数≥5 d。

1.2.3 双季早稻早播气候可行性判别 根据江西省春播生产实地调查和气象服务经验，结合前人有关早稻播种对天气要求相关研究［3，19，22-23］，综合分析认为，抢早播种早稻需要同时满足两个条件：有连续晴暖天气，使早稻谷种可以顺利播种到田中；播种后不能有严重的低温天气，使秧苗可以顺利生长。根据以上分析，构建早播气候可行性评价指标。具体为：

（1）直播方式早稻早播气候可行性：若某年份3月11—31日期间发生了平均气温≥12℃、持续天数≥5 d且有任意3 d日照≥1 h的晴暖天，且晴暖天结束后无日平均气温≤12℃、持续天数≥5 d的重度低温天气，则认为该年份采用直播方式早播可行；若未出现上述晴暖天或晴暖天后再发生重度低温天气的，则认为该年份采用直播方式早播不可行。若研究期内发生多次晴暖天气过程，以最晚的一次为标准进行判别。

（2）保温方式早稻早播气候可行性：若某年份3月1—20日期间发生了平均气温≥10℃、持续天数≥5 d且有任意3 d日照≥1 h的晴暖天，且晴暖天结束后无日平均气温≤8℃、持续天数≥5 d的重度低温天气，则认为该年份采用保温方式早播可行；若未出现上述晴暖天或晴暖天后再发生重度低温天气的，认为该年份采用保温方式早播不可行。若研究期内发生多次晴暖天气过程，以最晚的一次为标准进行判别。

1.3 数据统计分析

采用线性倾向估计、累积距平等对江西早春热量资源因子的年际变化数据进行分析。采用反距离加权插值法进行各指标的空间特征分析。

2 结果与分析

2.1 早春平均气温及有效积温时间变化趋势

计算早春时段逐年平均气温和10℃以上有效积温，绘制年际动态变化图。从图2可以看出，1960—2019年，早春时段内平均气温和有效积温均呈显著上升趋势；平均气温、有效积温的年际变化倾向率分别为0.3℃/10年、10.1℃/10年，60年平均气温升高1.8℃，有效积温增加60.6℃·d，过去60年江西早春时段的变暖趋势十分显著。从累积距平序列的变化可以看出，早春平均气温和有效积温累积距平的最小值均出现在1996年。1996年以前多为负距平，37年中70%的年份平均气温和有效积温均为负距平；1997年及以后多为正距平，23年中分别有87%、78%的年份平均气温和有效积温为正距平。

2.2 早春平均气温及有效积温空间变化特征

从图3各站点的变化趋势来看，79个站点的平均气温和有效积温均呈上升趋势，其中通过0.05以上显著性检验的站点分别为85%、87%，赣北的上升趋势最为显著，其次为赣中，赣南最低。从上升幅度看，赣北的中部地区为高值区，赣南为低值区，总体呈北高南低的分布。

图2 1960—2019年江西早春平均气温及有效积温变化趋势Fig.2 Changing trend of early spring average temperature and effective accumulated temperature in Jiangxi from 1960 to 2019

图3 江西早春平均气温（A）、有效积温（B）变化气候倾向率分布Fig.3 Distribution of climatic trend rates of early spring average temperature （A） and effective accumulated temperature （B） in Jiangxi

2.3 晴暖天发生频率及变化特征

将研究期分为1960—1989年（前30年）和1990—2019年（近30年）两个时段，分别统计晴暖天发生频率，比较晴暖天发生频率的变化。结果表明，近30年晴暖天的发生频率较前30年明显上升。前30年，10℃以上、12℃以上晴暖天发生频率分别为69%、64%；近30年10、12℃晴暖天发生频率分别为80%、73%。与前30年相比，近30年10℃以上晴暖天频率上升11%、12℃以上晴暖天频率上升9%。

两个时期晴暖天频率的空间分布见图4。在空间分布上，近30年与前30年相比，10、12℃晴暖天发生频率达80%以上的空间范围明显扩大，发生频率低于60%的区域明显缩小。近30年，赣南、赣中东南部、赣东北地区的10℃晴暖天发生频率均达80%以上，全省无低于60%的区域；而前30年，仅赣南东部和南部的少部分地区超过80%，赣西北山区低于60%。近30年，赣南大部分地区、赣中局部12℃晴暖天发生频率达80%以上，仅赣北个别地区低于60%；而前30年，仅赣南中南部12℃晴暖天发生频率超过80%，赣北地区除鄱阳、余干、万年、贵溪外均低于60%。

图4 1960—2019年江西晴暖天发生频率比较Fig.4 Comparison of frequency of warm sunny days Jiangxi from 1960 to 2019

2.4 双季早稻早播气候可行性

2.4.1 早播可行年判别结果 根据1.2.3的方法，对江西历年各站早播气候可行性进行判别，并根据可行站点的比例范围划分区域性早播可行性，结果见表1。由表1可知，对于双季早稻保温播种方式，过去60年中仅有2年全省气候条件不适宜早播，分别发生在1970、1985年；经查证，1970、1985年3月上中旬气温异常偏低，1～20日全省平均气温仅6.6、6.8℃，气温之低分别过去60年中的第1、2位。过去60年中有23年全省部分地区早播可行，占样本总数的38%；有35年全省大部地区早播可行，占样本总数的58%。对于直播方式，过去60年中有4年全省气候条件不适宜早播，分别发生在1960、1976、1991、1996年；有4年全省局部地区早播可行；有20年全省部分地区早播可行，占样本总数33%；有32年全省大部地区早播可行，占样本总数53%。

分析早播不可行的原因，主要有3种情况：一是3月气温持续偏低，达不到抢早播种的热量要求，如1970、1985年3月1—20日全省平均气温仅6.6、6.8℃，气温之低分别居过去60年的第1、2位，全省均不适宜早播。二是前暖后冷，发生倒春寒，如1960、1966年，3月下旬江西大部出现了持续多日的晴暖天气，达到采用直播方式抢早播种的要求，但4月初出现剧烈降温，因此前期虽有晴暖天气但仍不能早播；1992年安福、鄱阳等站，3月9日起连日晴暖，气温急剧上升，15日平均气温达20℃，但受强冷空气影响16日起急剧降温，17—27日平均气温持续11 d低于8℃（图5），最低4.2℃，不仅无法早播，还影响正常播期的双季早稻播种育秧。三是阴雨偏多，日照不足，无法早播；特别是针对保温方式早播，要求光照充足才能充分发挥保温棚作用，使棚内气温迅速上升，达到出苗的要求；如吉水、宜黄等站2000年3月3—8日、13—20日日平均气温达12℃左右，但累计日照仅9、3 h，20 d中有14 d全天无日照（图6），虽然气温条件满足要求但仍无法抢早播种。

2.4.2 早播可行年发生频率空间分布 对1960—2019年79个站早播气候可行性进行逐年逐站判别，统计前30年和近30年早播气候可行年的发生频率并进行对比，结果见图7。

保温方式：近30年，保温方式早播气候可行年的发生频率全省平均为79%，其中赣南、赣北东部、赣中东南部为80%以上，10年内有8年以上气候条件对早播可行，适宜大力发展保温方式早稻早播；赣北赣中个别地方为60%以下，早播气候可行性较低，不适宜发展早播；其余地区为60%～80%，可适当发展保温方式早稻早播。与前30年比，保温方式早播气候可行年的发生频率平均上升7%，上升幅度以赣东北地区最大。

表1 1960—2019年江西早播气候可行年发生情况统计Table 1 Statistics of early sowing in feasible years from 1960 to 2019

图5 1992年3月安福、鄱阳两地气温变化Fig.5 Variation of daily temperature of Anfu and Poyang in March of 1992

图6 2000年3月上、中旬吉水、宜黄两地气温日照时数变化Fig.6 Variation of daily sunshine hours of Jishui and Yihuang in early to middle March of 2000

图7 1960—2019年江西早稻早播气候可行年份频率Fig.7 Frequency of early sowing in feasible years in Jiangxi from 1960 to 2019

直播方式：近30年，直播方式早播气候可行年的发生频率全省平均为80%，其中赣南、赣北东部和中部、赣中东部等为80%以上,其余地区为70%～80%；即全省各地区10年内均有7年以上气候条件对早播可行，适宜大力发展直播方式早稻早播。与前30年比，直播方式早播气候可行年的发生频率平均上升24%。

从直播、保温育秧两种方式对比来看，直播方式早播气候可行年发生频率一般高于保温育秧方式，说明全省适宜发展直播方式早播的区域更大。与前30年比，直播方式早播气候可行性频率上升更加明显，说明早春气候变化对发展直播方式早播的影响更大。

2.4.3 实际播期与抢早可播期差异 选取代表站，对比了过去10年双季早稻实际播种期与抢早可播期的差异，结果见表2、表3。

由表2可知，过去10年，南昌县和南康区采用保温育秧方式播种早稻，实际播种期主要集中在3月21—30日，平均为3月24日、23日。南昌县10年间有8年、南康区10年全部具备抢早播种条件，抢早可播期最早为3月1日，最晚为3月14日，平均为3月9日、7日。实际播期与抢早可播期相比，南昌县平均偏迟18 d，南康区平均偏迟16 d。

表2 江西代表站双季早稻保温方式实际播种期与抢早可播期差异Table 2 Differences in actual and theory sowing dates under sowing with thermal shed in Jiangxi representative stations

表3 江西代表站双季早稻直播方式实际播种期与抢早可播期差异Table 3 Differences in actual and theory sowing dates under direct sowing in Jiangxi representative stations

由表3可知，过去10年，余干县和余江县采用直播方式播种早稻，实际播种期大多集中在3月31日至4月10日，平均为4月3日。除余江县2017年外其余年份两站均具备抢早播种气象条件，抢早可播期最早为3月11日，最晚为3月30日，平均为3月19日、21日。实际播期与抢早可播期相比，平均偏迟15 d。

3 讨论

3.1 江西早春热量资源的变化特征

李建等［6］研究表明，1960—2016年长江中下游地区水稻生长期内≥10℃积温以47.76℃·d/10年的速率呈增加趋势；谢远玉等［17］研究表明，近1961—2012年双季稻安全生长期的热量资源呈显著增加趋势，气候倾向率为44.0℃·d/10年；吕伟生等［19］研究表明，在早稻覆膜育秧和直播条件下≥10℃活动积温均为增加趋势，两种方式下气候变化倾向率分别为104.72、84.52℃·d/10年。本研究针对江西早春热量资源变化趋势的结论与上述研究基本一致；但本研究时段为早春时段，积温变化选取了≥10℃的有效积温指标，因此积温变化的气候倾向率有所不同；本研究结果可以作为长江中下游地区水稻生长期内热量资源变化研究细补充。在空间分布上，本研究认为早春时段积温上升趋势的显著程度和上升幅度呈北高南低的趋势，与吕伟生等［19］的研究结论一致。1960—2019年江西早春时段平均气温以0.3℃/10年的速率呈显著增加趋势，高于江西省的年平均气温上升趋势（1961—2007年升温率为0.13℃/10年）［24］。对于早春时段内晴暖天发生频率的研究，在他人研究成果中尚未见报道，但晴暖天频率增加与吕伟生关于江西双季早稻安全播种期提前的研究结论具有一致性［19］，说明春季气候条件对江西双季早稻提前播种总体是有利的。

3.2 利用早春热量资源提前播种双季早稻的气候可行性

本研究中，近30年江西约有80%年份早春气候条件可以满足提早播种早稻的需要，这与当前江西省不断有早稻大户尝试提早播种双季早稻的生产实际相符。根据调查，2016年以来，金溪、吉安两地于3月初采用保温育秧方式播种早稻，较传统播期提前20 d左右；鄱阳、进贤两地于3月下旬初采用直播方式播种早稻，较传统播种提前15 d左右；早播早稻产量表现与传统播期无显著差异，但因节约用工成本农户收益更高，且因提前收割早稻，第二茬晚稻可以选择生育期更长的品种，产量和品质更优。但应注意的是，20%～30%年份早春气候条件不能满足早播需要，早播并非年年可行；农户提早播种需根据气候概率和当年气象预报合理安排，将低温风险降到最低。本文对于早播可行性的分析与吕伟生关于早稻安全生产期提前的趋势一致［19］，但针对可行性概率的分析可以进一步为生产者提供决策依据。

4 结论

1960—2019年江西早春时段的变暖趋势显著，平均气温和有效积温分别以0.3℃/10年、10.1℃·d /10年的速率呈现显著的上升趋势；上升幅度北部大于南部。1990—2019年10℃以上、12℃以上晴暖天发生频率分别达80%、73%，较1960—1989年分别上升11%、9%。过去60年，年均75%、68%的县份具备采用保温方式和直播方式早播的气候可行性。1990—2019年与1960—1989年相比，保温方式早播气候可行年的发生频率平均上升7%，直播方式早播气候可行年的发生频率平均上升24%。直播方式早播气候可行性频率上升更加明显，说明早春气候变化对发展直播方式早播的影响更大。