1961—2010年南方双季稻区气候资源变化分析

李祎君，吕厚荃

(国家气象中心，北京100081)

1 引 言

中国是世界上最大的水稻生产国，水稻的播种面积仅次于印度，约占世界水稻总面积的1/6，平均单产量也远高于世界平均水平，水稻总产量更是居世界首位，占全球总产量的近1/3[1]。就全国范围而言，水稻面积占国内粮食种植面积的1/3左右，其产量已超过了谷物类总产，居国家第一位。中国稻区辽阔，南至海南省，北至黑龙江省，东至台湾省，西达新疆维吾尔族自治区。但主要稻区分布于秦岭淮河一线以南（主要在长江中下游平原、珠江三角洲、东南丘陵、云贵高原、四川盆地等），并以栽培籼稻为主，而在此以北则以粳稻为主。中国水稻主要有六大产区分别为：I. 华南双季稻作区；II. 华东、华中单双季稻作区；III. 西北干燥稻作区；IV. 华北单季稻作区；V. 东北早熟稻作区；VI. 西南高原稻作区。其中，华南双季稻作区，水稻面积占全国的18%；华中双季稻区是我国最大的稻作区，占全国水稻面积的68%[2]。本研究讨论的双季稻区就位于中国水稻最大的两大产区，并囊括主产省。

气候变化直接改变区域性的水热交换，进而影响水稻生长的环境；另一方面，气温变化还将通过影响水稻的生长季长短来间接影响水稻生产。水稻的生长从一定程度上说是温度和水分的累积效应。从局部而言，温度升高将增加水稻利用光热条件的机会，当然这种增加机会需要以降水充分为基础。有研究认为[3]，未来30 年的平均气温在中国地区上升较高，可达到1.0~1.5 ℃；而降水量变化则具有较大的地域性，总体而言中国地区的降水量增加5%左右。由于气候变化本身的区域性，以及中国水稻种植的地域性特征，气候变化给水稻生产带来的影响并不完全一致。有研究认为[4]华中和华东稻区气候变暖有利于种植条件改善和水稻生产，而气候变湿则对其不利；华南地区气温增暖较少有变湿的趋势，高温热害将会增加[5-6]。由此，了解气候变化背景下南方双季稻区气候资源演变特征及其可能对水稻生产的影响变得极为重要。然而，大多相关研究多是以省或者小区域为研究单元[7-14]，将南方双季稻区作为独立单元，研究其农业气候资源变化特征的报道，特别是双季稻生长期内的农业气候资源变化特征及其可能影响报道较少。因此，本文以此为切入点，着重研究中国南方双季稻区近50年气候资源的演变特征及其可能影响，以期为粮食生产安全提供可靠依据。

2 资料与方法

2.1 研究区域

本文的研究区域为江南双季稻区和华南双季稻区，江南双季稻区包括湖南、江西、浙江及湖北和淮南部分地区，华南双季稻区包括福建、广东、广西、海南等沿海省(区)（图1）。由此，南方双季稻区主要包括沪、浙、赣、湘、闽、粤、桂、琼。双季稻区地处我国纬度较低地区，属季风性气候，雨热同季，常年平均气温18~20 ℃，年累计雨量为1 200~1 900mm，年日照时长1 400~1 900 h（表1）。江南和华南区一年三熟，粮食种植均以双季稻为主，冬季可种植各种越冬蔬菜、花卉等，但种植规模较小不具代表性。江南早稻3 月下旬种植至7月下旬收获，晚稻6 月中旬种植至10 月下旬成熟；华南早稻2 月下旬种植至7 月下旬收获，晚稻6 月下旬种植至11月中旬成熟。

图1 研究区域示意图

表1 南方双季稻区气候要素时间变化特征

2.2 研究数据与方法

本研究气象要素数据来自研究区域内1961—2010 年275 个数据完整性较好的气象观测站点，包括逐日平均气温、最高/最低气温、日照时数、降水量等。根据研究区域双季稻种植特点分别对年、四季、生长季气候资源的时空分布演变特征进行分析。12 ℃和20 ℃是对双季稻区较为重要的两个界限温度，12 ℃是早稻传统露地秧播种育秧的适宜温度，20 ℃是晚稻抽穗扬花期是否遭遇寒露风的重要温度指标，10 ℃初终日之间的间隔天数可视为喜温作物的生长期，文中采用五日滑动平均法计算界限温度如10 ℃、12 ℃、20 ℃等的初终日。气候要素空间插值采用了2种方法[15]，对于空间连续性较好的要素如气温、日照等采用反距离权重插值法(Inverse Distance Weighting, IDW)，而对于空间连续性较差、受地形影响大的降水要素则采用Gressman 插值法[16]，能够更准确地反映实际的降水分布状况。

本文采用Mann-Kendall(M-K)方法[17]检测分析双季稻生长季积温和生长季长度时间序列的突变情况。在原假设H0气候序列没有变化的情况下，设此气候序列为x1，x2，……，xn，mi表示第i个样本xi大于xj(1≤j≤i)的累计数。定义一统计量:

在原序列的随机独立等假定下，dk的均值、方差分别为

将dk标准化:

式（3）中u(dk)为标准分布，其概率α1可以通过计算或查表获得。给定一显著性水平α0，当α1>α0时，接受原假设H0；当α1<α0时，则拒绝原假设，它表示此序列将存在一个强的增长或减少趋势。所有u(dk) (1≤k≤n)将组成一条曲线UF，通过显著性检验可知其是否有变化。

文中所有u(dk) (1≤k≤n)组成的曲线用 UF 表示，组成的曲线用UB 表示。当曲线UF 超过信度线，即表示存在明显的变化趋势时，如果曲线UF 和UB 的交叉点位于信度线之间，这点便是突变点的开始。

3 结果与分析

3.1 气候资源时空演变特征

3.1.1 气 温

研究区域近50 年年平均气温几乎以2 ℃/(10 a)的速度显著升高，尤其是1997 年之后年平均气温距平均为正距平，说明上世纪末开始变暖幅度明显增大（图2上），变暖之势愈演愈烈。为了更加详细地掌握该区域近50 年的气温演变特征，对气温进行了突变检验。

（1）1961—2010 年 50 年间区域气温存在增（1961—1966 年）-减（1967—1996 年）-增（1997—2010年）的变化趋势，且近十年这种增温趋势超过了显著水平0.05 临界线，甚至超过0.001 显著水平（U0.001=2.56），表明双季稻区气温上升的趋势十分显著。

（2）研究区域年平均气温存在突变。根据UF和UB 曲线焦点的位置确定研究区域年平均气温在1990 年代末期的增暖是一突变现象，且始于1997 年（图2 下）。1997 年之后年平均气温距平均为正值，平均为0.5 ℃，增温加剧。由此可知，研究区域正处于气温显著上升阶段，变暖明显。

图2 1961—2010年研究区域年平均气温及距平（上）和气温突变检验（下）

近50 年研究区域内最高、最低气温同平均气温一样存在明显上升趋势，最低气温在三类温度中增幅最大、变化也最为显著，其次为平均气温，最高气温的变化未达到显著水平；平均/最高/最低气温在不同季节其增幅及变率又略有不同，秋冬季三类气温增温幅度大于其他季节，夏季增幅最小（表2），但夏季最高气温和平均气温的升高均可能导致双季稻特别是早稻抽穗扬花期遭遇夏季高温热害的风险增大，在实际分析也发现，2000年以后早晚稻生长季内≥35 ℃的高温日数明显高于近50年均值，呈显著增多趋势，吕晓敏等的研究也表明2000年之后双季早稻开花期和灌浆期高温热害更为严重[18]。相对而言，气温变暖在冷季更为明显，而暖季由于本身基础温度较高，上升空间有限，因而增加趋势不显著，与类似研究结论一致[19]。

表2 不同季节平均气温、最高和最低气温变化幅度

从研究区域气温的空间分布来看，气温由西南至东北方逐渐降低，华南区年平均气温为18～22 ℃，江南区为16～18 ℃；从年代际气温空间分布变化来看，偏北地区增温幅度大于中南部地区，其中东北部气温由1960 年代的12～14 ℃升高至近10年的16～18 ℃，最南端的海南气温上升幅度较小由22～24 ℃升高至24～26 ℃。由此可见，双季稻区近50年空间上平均升温幅度也达到2 ℃以上，气候变暖由南至北十分明显，且受纬度影响江南区气温升高幅度略大于华南区。

3.1.2 降 水

从近50 年区域年降水量变化来看（图3），降水量年际波动较大，有弱的增加趋势，气候倾向率为17 mm/(10 a)，但未达到显著水平。同时，近50年降水量存在阶段性变化：1992—2002 年以正距平为主，气候倾向率为65 mm/(10 a)，说明此阶段降水充沛；此前此后降水波动大无明显一致性规律。对区域降水时间序列进行突变检验，发现降水也存在突变，突变发生时间较早，与该区域气候变化关系不大。另外，突变检验显示从1960 年代末至今，降水均有增多趋势，但未达到显著水平。由于降水连续性较差，受地形影响较大，长江中下游地区以平原为主，而华南丘陵山地较多，因此对江南和华南降水序列分别又进行了突变检验。结果显示，江南近50年降水呈先增多后减少的趋势，近10年降水的这种减少趋势达到0.001显著水平；而华南降水一直呈增多的趋势，与江南降水的变化反向。这与赵锦等[20]研究结果一致。尽管江南和华南纬度相差不大，但其降水变化却不尽相同，这也反映了影响降水要素的因素较多，其本身存在更大的复杂性。

图3 1961—2010年研究区域年降水及距平

研究区域水热同季，降水四季变化分明，春夏雨水较多，50 年平均分别为514 mm 和628 mm，远大于秋冬季雨量（表3）；其中华南夏季受台风影响较大，春季降水量（498 mm）远小于夏季的雨量（721 mm）；而江南与华南截然不同，春季平均降水量大于夏季，有些年份春季降水量甚至可以超过夏季200 mm，这个量几乎相当于当年夏季雨量的一半。这与江南盛夏高温少雨，易出现高温伏旱有很好的对应关系。从四季降水的年变化来看，夏季降水波动最大，有显著增加趋势，冬季降水波动较小，增加趋势不显著；而春秋季降水与冬夏降水变化趋势相反，有减少趋势且秋季更为明显，但均未达到显著水平。这与隋月等[19-20]研究结果一致，降水这种四季各有不同的变化趋势可能使得研究区域年内降水更为集中，干湿季更为分明，特别是秋季在增温显著的基础上降水减少，秋旱的风险将可能进一步增大，晚稻灌浆阶段遭遇干旱的风险也将随之增加，从而影响晚稻穗分化和授粉结实，致使最终产量下降。这与近10 年南方地区较频繁的季节性干旱的事实较一致。

表3 近50年江南和华南四季平均降水量

从研究区域年降水空间分布来看，由于距海远近不同降水量东西部差异明显，自西北向东南方逐渐递增，东南部降水量1 500～2 000 mm，西北部降水量仅有1 000～1 200 mm。从年代际降水空间变化来看，双季稻区西部降水呈年代际递减，由1960 年代的1 200~1 600 mm 减少为近10年的1 000~1 400 mm，而其余地区变化不明显；相对而言，西部降水量本身没有距海较近的东部丰沛，随着气候变暖又呈减少趋势，水稻以水为本，降水的这种变化可能使得西部的水资源出现不足，影响双季稻种植值得关注。

3.1.3 日 照

1961—2010 年50 年间双季稻区日照时数以53 h/(10 a)的速度逐渐减少（相关极显著P≤0.001），其中 1989—2002 年 14 年间日照时数均为负距平，且在1997 年达到近50 年最低值，该时段内日照条件为近50 年最差，2002 年之后又略有改善，但近年又持续偏差（图4）。对日照时数进行突变检验，自1980 年代以来其减少趋势达到显著水平，但这种减少趋势并无突变。日照时数的显著减少可能导致水稻光合速率降低、光合产物减少而减产[20]；同时也极大地影响着地面蒸发量及植被蒸腾，进而影响了区域生态系统水热循环，迫使区域气候也随之发生微变化。研究区域日照时数的空间分布与降水格局相似为东部多西部少；年代际日照时数空间变化显示近50年日照时数呈现先减少后增加的趋势，1980 年代为日照条件最差的时期，与区域的时间变化并不一致。

图4 1961—2010年研究区域年日照时数及距平

由此，近50 年研究区域平均气温呈明显升高趋势，尤其秋冬季变暖更为显著；降水是江南稻区呈减少趋势，而华南呈增加趋势。双季稻区气候资源的演变趋势在空间上存在较大的差异，其中华南稻区呈暖湿化，对于喜温好水的双季稻生产是利大于弊；而江南稻区则呈暖干化趋势，对于水稻的种植是不利的，同时也存在着秋旱威胁加大，特别是西部地区水资源可能出现不足，影响水稻种植[21-22]。

3.2 界限温度、积温变化特征

3.2.1 界限温度

稳定通过12 ℃的初日可以作为传统早稻露地育秧的适宜播种期，随着气候变暖研究区域12 ℃初日在平均初日3 月18 日上下波动，并没有明显的增减趋势。气温突变前后12 ℃初日空间分布却有差异，12 ℃初日在气温突变后明显提前，尤其是偏南和偏北地区提前日数多于其他地区。其中，气温突变前12 ℃初日为3 月31 日—4月10日区域，气温突变后几乎退出双季稻区，由初日为3月21—31日区域代替，提前了10 d左右；初日2 月9—19 日区域，气温突变之后南扩至百色-玉林-广州-漳州一线，也提前了10 d。气温突变后，研究区域早稻适播期提前，偏南和偏北地区均提前了一旬左右，江南地区早稻适播期平均提前6 d[23]，热量资源出现盈余可以适当提前早播，种植较晚熟的品种，从而获得更高的产量与品质；同时适时早播，在一定程度上可以避开灌浆期高温，从而达到避灾的目的[24]。

稳定通过10 ℃初日可以作为双季稻区早稻薄膜育秧的适宜播种期，随着研究区域气候变暖，特别是春季气温升高，10 ℃初日也出现了提前的趋势，但未达到显著水平。随着农业科技进步，早稻薄膜育秧逐渐普及，该项技术如今在双季稻区已被广泛认可和采用。因而，不同地域采用薄膜育秧技术后播期较传统育秧提前日数的空间分布规律，可为农业生产者适应新技术更好地掌握早稻播种期提供重要依据。从近10年两者日数之差的空间分布来看（图5），大部分区域差异在10 日以上，也就是说采用薄膜育秧方式早稻播种时间较传统育秧可提前一旬以上，此结果与吕伟生等[25]的结论一致；早稻本身生长期较短，各生育阶段间隔也短，提前播种一旬左右，将可使早稻的生长期大为延长[26-27]。近年来由于早稻品质不佳、口感较差，播种面积各省区均有不同程度减少，而播期提前生长季延长有利于种植品质较好的品种，可提高稻农的种植收益和积极性。

图5 近十年研究区域平均稳定通过10 ℃初日与稳定通过12 ℃初日之差

20 ℃是双季稻区常见灾害寒露风的一个重要温度指标，其终日愈晚那么稻区遭受寒露风灾害的风险愈低，反之则高。随着气候变暖20 ℃终日大幅的延后，若≤20 ℃的持续低温均出现在晚稻齐穗之后，则寒露风对晚稻产量的影响微乎其微，同时也利于产量与品质的提高。实际分析表明：由于研究区域秋季升温明显，20 ℃终日延后显著（P≤0.001，图6），50 年间延后了26 天，相当于延后了一个自然月的时长，平均每年延后0.5 d 左右。可见，双季稻区晚稻寒露风风险随着气候变暖已显著降低，可以适当种植晚熟的晚稻品种，更好地利用热量资源。

图6 近50年研究区域平均稳定通过20 ℃终日

3.2.2 积 温

≥10 ℃积温的多寡能够反映出双季稻生长期内热量条件的好坏，同时也是双季稻种植的重要温度界限指标之一。水稻属于喜温好湿短日照作物，一般而言≥10 ℃积温达到4 500~7 000 ℃·d的地区均可种植双季稻，但积温愈少的地区愈容易遭受低温灾害（五月寒、寒露风等），影响双季稻的安全成熟。近50 年研究区域≥10 ℃积温显著增加，尤其是1997 年之后均大于6 000 ℃·d，高于5 300 ℃·d 的双季稻安全种植界限。说明气温突变、增幅加大之后，研究区域内的热量条件完全可以满足双季稻生长的热量需求。从气温突变前后≥10 ℃积温空间分布变化来看，气温突变后偏北和偏南地区积温变幅大于中部地区，其中气温突变后积温为4 500~5 000 ℃·d 区域退出双季稻区，5 000~5 500 ℃·d 范围也大幅缩小，仅分布于江淮南部、湘西等丘陵山区；积温7 500~8 000 ℃·d 范围由华南沿海一带北扩至百色-南宁-肇庆-漳州一线；相对而言，6 000~7 500 ℃·d的范围变动最小（图7）。双季稻生长季≥10 ℃积温的增加，对早稻产量潜力的提高是有利的[23]。谢远玉等[23]的研究中也显示由于双季稻生长季热量资源增加，双季稻品种搭配也有之前的早熟早稻+中熟晚稻或中熟早稻+晚稻，转变为中熟早稻+晚熟晚稻。

图7 气温突变前后研究区域≥10 ℃积温

3.2.3 热量资源有效性

研究区域内稳定通过10 ℃初终日之间≥10 ℃积温、日照时数及降水量可以作为双季稻区生长季内主要气候资源要素。研究区域生长季≥10 ℃积温介于5 000~7 500 ℃·d，由南至北逐渐递减；气温突变之后，积温5 000~5 500 ℃·d 的范围迅速缩减北退，仅在双季稻区东北角和西北角仍有分布；而7 500~8 000 ℃·d 突变前仅分布于海南岛，气温突变后北扩至华南中南部，范围扩展较大；可以看到，生长季内积温的空间变化是南北两端的变动大于中部，与≥10 ℃积温的空间变化并不一致。双季稻区生长季降水量有1 000~1 800 mm，空间分布规律与积温相似，但气温突变前后降水格局变化不大，增减趋势不明显。双季稻区生长季内日照时数大部有1 000~1 800 h，气温突变前后日照时数空间格局变化也不显著。由此，双季稻区生长季内≥10 ℃积温与降水量的变化与该区域年变化相似，基本同步；但日照时数生长季变化与年变化不同，并未呈现显著的减少趋势，说明年日照时数的下降可能主要是由非双季稻生长季内日照时间缩短造成的，日照时数在非生长季的下降趋势可能更为明显。在双季稻生长季内，气候资源要素中仅热量资源变化显著，其他要素如降水、日照等变化不明显，因而双季稻区热量资源的变化为其气候资源变化的主要方面和主要特征，对于气候变暖背景下该区域气候资源的调整及再利用，可着重考虑热量资源的适用性。

研究区域热量资源增加，高温日数增多，尤其是2000 年之后早晚稻生长季高温日数远高于近30 年平均水平，早稻扬花灌浆阶段及晚稻苗期的热害风险也会随之增大，在实际种植调整中若忽略掉这类无效高温的话，可能将给水稻生产安全带来隐患。因而，本文中将双季稻区生长季内≥10 ℃有效积温扣除日平均气温≥30 ℃以上的无效 积 温 ，即 热 量 资 源 有 效 性 =作 为估算热量资源有效性的指标。结果发现，热量资源有效性的空间分布与热量资源的空间分布差异较大；江南热量资源的有效性总体低于华南，尤其是中部江西和湖南两省，热量有效性均小于85%，低于其他稻区；华南大部地区热量有效性均高于95%（图8）。由此可见，在调整种植结构时，首要考虑的应是热量资源的有效性，在气候变暖的背景下江西和湖南尽管热量资源增加但其有效性较低，说明无效高温对该地区水稻种植的影响很大，可采取适当提前播种早稻，以利于在早稻抽穗扬花阶段避开高温天气，或适当晚播晚稻，减轻高温影响。

图8 研究区域热量资源有效性

4 结论与讨论

气候变化背景下气候资源的演变规律在北方地区的研究更为广泛，南方大部分地区因其基础气温较高、降水量较大，气候敏感性低于北方，因而研究不多，且多以省为界进行分析探讨。南方双季稻区是中国主要产量基地，其水稻产量居全国之首，对该区域水稻生长季气候资源的分析研究具有重大意义。

本文探讨了中国南方双季稻区近50年气候资源的演变特征及其可能影响，首先，双季稻区近50年年平均气温呈显著上升趋势，变暖明显且区域年平均气温在1997年存在突变、气温增幅加大；研究区域降水年际波动较大，无明显增减趋势。气温增暖明显与前人的研究结果一致，但由于研究区域有所差异，气温突变点也各不相同，但大多集中在上世纪九十年代。另外，研究区域水热变化存在明显的季节差异，秋冬季增温比春夏更为显著；春秋降水有减少趋势，而冬夏有增加趋势，这将使年内降水分布更为集中。有研究认为最高气温持续升高会促进水稻产量增加，但最低气温升高则会导致未来水稻产量的下降[28]，因而可能还需要进一步对双季稻生长季内日最高和最低气温深入探讨分析。

其次，多数研究认为双季稻区具有较好灌溉能力，降水变化对水稻有一定影响，但没有气温关系密切，关注较少。而从本文的气候资源空间演变来看，双季稻区气候资源的演变趋势存在较大的地域差异，其中华南稻区呈暖湿化，对于喜温好水的双季稻生产是利大于弊；而江南稻区则呈暖干化趋势，对水稻生产不利；同时秋旱风险加大，尤其是西部地区以丘陵山地居多，本身库塘蓄水能力有限，将面临水资源减少、水稻种植用水不足的局面，需要警醒和高度关注。

双季稻区气候变暖，热量资源增加导致早稻适宜播种期提前、早晚稻生长季延长，品种更新以及薄膜育秧技术广泛应用等，都将使双季稻种植格局随之变化。为了追求更大的收益，农户可能选择生育期更长的中晚熟品种替代热量需求相对较低、生育期较短的早中熟品种，早、中熟品种可以被中、晚熟品种替代的面积越来越大，2000 年以后中熟早稻+晚熟晚稻可以种植的面积占研究区的一半以上。另外，以生育期长的中、晚熟品种替代生育期短的早、中熟品种，增加了生长季利用率，水稻的生物量明显增加［29］，可提高粮食产量［30］。热量资源增加的同时无效的热量也随之增多，本研究引入热量资源有效性指标，将双季稻区热量资源进一步细化，其中江南热量资源有效性总体低于华南，尤其是江西和湖南两省热量有效性均＜85%，华南大部地区热量有效性均高于95%，这也为各地可根据所处区域气候资源要素演变规律与热量有效分布，选取产量与品质更好的中晚熟品种种植提供理论依据，同时也可相应提高农户水稻种植积极性，对于早晚稻种植面积减少起到减缓作用。