安徽稻油两熟制不同种植方式下气候资源配置和演变*

金文俊 ,陈小飞 ,陈金华 ,韦 志 ,雷伟侠 ,孔令聪 ,杜祥备**

(1.安徽省农业科学院作物研究所 合肥 230031;2.安徽省农业气象中心 合肥 230031)

长江中下游是我国重要的农业区,该区域充沛的光、温和水资源为多熟种植制度奠定了基础,如粮油轮作、棉油轮作和粮菜轮作等。水稻-油菜两熟制是长江中下游地区主要种植制度之一,也是响应我国粮油发展重大战略的重要种植模式,对提高单位面积产量、气候资源利用率和促进油料产业发展具有重要意义[1]。然而,长江中下游的安徽地区油菜种植面积从2003 年101.5 万hm2缩减至2021 年的37.3 万hm2[2-3],稻油复种模式逐渐向稻麦轮作模式转变[4]。这一方面是由于政策变化和经济效益等诸多原因导致农民种植积极性不高[5];另一方面,水稻收获期晚占用较多气候资源严重影响油菜种植。因此,合理分配稻-油复种模式中各生长季的气候资源是实现稻-油复种模式稳定发展的重要前提。

合理分配季节间气候资源在多熟制中已被广泛研究,比如麦-玉两熟系统下的“双晚”技术[6]和稻麦两熟系统的双季适时晚播技术[7]均可实现周年丰产和资源高效利用。但是,稻-油复种模式下季节间气候资源合理配置方式尚不清晰。对于安徽沿江地区来说,以水稻(Oryza sativa)生产为中心,提高气候资源分配可以实现稻麦周年增产和资源高效利用[8]。但油菜(Brassica napus)产量和品质与播期存在明显负相关关系[9-10],水稻季气候资源分配过多不利于油菜生产。减少水稻季资源分配可有效提高直播方式下油菜产量和光温生产效率,但是会导致水稻产量下降[11]。因此,为保证水稻生产中足够的气候资源,生产上常用移栽方式解决油菜季气候资源不足问题。移栽种植方式有利于衔接茬口,并通过秧田时期补充光温资源[12-13]。相对于移栽方式,直播方式可缩短作物生育期,同时也能保证产量和提高经济效益[14-15],在生产上同样被大量运用。然而,目前针对稻-油复种模式中移栽和直播方式下季节间光、温和降水资源配置的研究较少。

光、温和降水等气候资源是作物生产的重要因子,其变化对作物生长发育、生产具有重要影响[16-18]。受全球气候变化影响,长江中下游地区光资源逐年减弱[19],气温逐年升高、降水量逐年上涨[20],周年气候生产潜力呈下降趋势[21]。气候资源变化在未来可能成为限制农业生产的重要因素之一,但目前鲜有研究从气候变化角度分析两种种植方式面临的气候问题。因此,本研究通过分析安徽省沿江地区近30年的气象数据,明确稻-油复种模式中不同种植方式水稻季和油菜季气候资源分配、变化特征和面临的气候问题,为安徽沿江地区稻-油复种周年资源优化配置提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究以安徽省沿江地区近30 年气候数据为研究对象,选取1992—2022 年数据较完整的27 个气象站点数据(图1)。所有气象数据源于安徽省气象研究中心,包括总辐射、日照时数、积温、平均气温、平均日最高气温、平均日最低气温和降水量。

1.2 水稻、油菜不同种植方式下生育期界定

本文主要针对安徽沿江地区水稻-油菜复种模式中水稻季和油菜季移栽(T)与直播(D)两种种植方式下农业气候资源分配和演变特征。根据生产经验,安徽沿江地区稻油两熟制高产栽培模式下油菜需要在10 月15 日前播种,次年5 月20 日之前收获,油菜移栽时秧田期一般为30 d;水稻为单季稻,5 月30 日之前播种,一般选生育期为150 d 左右的水稻品种,直播方式下水稻生育期缩短8 d[14,22],水稻移栽时秧田期一般为15～20 d。根据高产栽培经验和资源不浪费原则,本研究中水稻移栽播种节点设为5 月10 日,收获节点设为10 月10日;水稻直播播种节点设为5月25 日,收获节点设为10 月17日;油菜直播播种节点设为10 月10 日,收获节点设为次年5 月20日;油菜移栽播种节点设为9 月15 日,收获节点设为次年5 月20 日。本研究从整体角度设定水稻和油菜播种和收获的平均日期,未考虑作物播期和生育期在不同纬度、海拔地区、作物品种和农事操作之间的细微差异。

1.3 数据分析

1.3.1 气候倾向率

将气候资源(辐射、温度、积温、降水和日照时数)与时间进行线性回归(Y=a+bX)。其中,b×10 为气候倾向率,即为每10 年气候因子变化率。

1.3.2 气候生产潜力

光合生产潜力根据邓根云等[23],采用温度函数[24]订正光合生产潜力得到。安徽沿江地区油菜季雨水基本满足生产,水稻季均需补充灌溉,除极端天气外降水量不会限制生产潜力,因此本文不采用水分函数继续订正光温生产潜力。相关计算公式如下:

光合生产潜力:

光温生产潜力:

式中:Yp为光合生产潜力,kg·hm-2;C为干物质发热量,水稻取16.9 MJ·kg-1,油菜取17.7 MJ·kg-1;F为光能利用率,取2%;E为经济系数(水稻: 0.5;油菜:0.35);Q为太阳总辐射(MJ·m-2);Ypt为光温生产潜力(kg·hm-2);T为平均温度(℃);Tmin、Ts和Tmax分别为作物三基点温度(水稻分别取10 ℃、30 ℃和42 ℃,油菜分别取4 ℃、20 ℃和30 ℃)[24-25]。

油菜季积温为平均温度≥0 ℃的温度总和,水稻季积温为平均温度≥10 ℃的温度总和。本文通过Excel 2021 和R 4.1.2 软件进行数据统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 稻油两熟制不同种植方式下季节间光资源分布特征

不同种植方式下水稻季和油菜季总辐射量和日照时数均呈下降趋势(图2)。水稻季移栽方式下总辐射和日照时数分别为1413.05～3033.77 MJ·m-2和294.50～1389.40 h,气 候倾 向率分别为-27.9 MJ·m-2·(10a)-1和-18.7 h·(10a)-1;水稻季 直播方 式下总 辐射和日 照时数 分别为1375.07～2869.26 MJ·m-2和321.20～1333.50 h,气 候倾 向率分别为-28.8 MJ·m-2·(10a)-1和-19.4 h·(10a)-1;油菜季移栽方式下总辐射和日照时数分别为1745.41～3849.33 MJ·m-2和527.90～2212.10 h,气候倾向率分别为-40.5 MJ·m-2·(10a)-1和-36.6 h·(10a)-1;油菜季直播方式下总辐射和日照时数分别在1369.25～3205.63 MJ·m-2和354.60～1843.10 h之间,气候倾 向率分别为-26.6 MJ·m-2·(10a)-1和-26.2 h·(10a)-1。水稻季和油菜季总辐射和日照时数最低值和最高值均出现在2019—2020 年的周年内,且分别在当涂和宣城两地。其中,水稻季和油菜季移栽方式下日照时数和总辐射量均高于直播方式。油菜季光资源分布高于水稻季,与其生育期较长有关。

图2 不同种植方式下稻油两熟制不同作物生长季光资源演变Fig.2 Evolution of light resources in each growing season of different crops in rice-oilseed rape double cropping system under different cultivation patterns

2.2 稻油两熟制不同种植方式下季节间热量资源分布特征

1992—2022 年,安徽沿江地区热量资源呈逐渐增加趋势,两季移栽方式下积温均高于直播方式(图3)。水稻季移栽和直播方式下平均气温倾向率分别为0.25 ℃·(10a)-1(P＜0.05)和0.21 ℃·(10a)-1,≥10 ℃积温倾向率为36.0 ℃·d·(10a)-1和28.7 ℃·d·(10a)-1;油菜季移栽和直播方式下平均气温倾向率分别为0.36℃·(10a)-1(P＜0.01)和0.39 ℃·(10a)-1(P＜0.01),≥0 ℃积温倾向率分别为85.6 ℃·d·(10a)-1(P＜0.01)和80.0℃·d·(10a)-1(P＜0.001)。水稻季平均气温和≥10 ℃积温最高值分别为27.60 ℃和4227.30 ℃·d (2022 年,铜陵),最低值分别为23.55 ℃ (1993 年,来安)和3453.50 ℃·d (2015 年,滁州);油菜季平均气温和≥0 ℃积温最高值分别为14.02 ℃和3406.90 ℃·d (2007 年,安庆),最低值分别为7.91 ℃和1727.90 ℃·d (1996 年,来安)。水稻季直播和移栽方式下平均气温无显著差别,而移栽方式下≥10 ℃积温高于直播方式。油菜季移栽方式下平均气温和≥0 ℃积温明显高于直播方式,移栽方式下平均气温较直播方式高0.96～1.43℃。近30 年,油菜季热量资源上升趋势明显强于水稻季。

图3 不同种植方式下稻油两熟制不同作物生长季热量资源演变Fig.3 Evolution of heat resources in each growing season of different crops in rice-oilseed rape double cropping system under different cultivation patterns

如图4 所示,水稻季平均日最高气温和最低气温在两种种植方式间无明显差别,移栽和直播方式下平均日最高气温倾向率分别为0.30 ℃·(10a)-1(P＜0.05)和0.24 ℃·(10a)-1,平均日最低气温倾向率分别为0.23 ℃·(10a)-1(P＜0.05)和0.21 ℃·(10a)-1(P＜0.05)。水稻季平均日最高气温最高值为32.70 ℃ (2022 年,青阳),平均日最低气温最低值为19.97 ℃ (1993 年,来安)。油菜季平均日最高气温和最低气温在两种种植方式间有明显差别,移栽方式下平均日最高气温和最低气温较直播方式分别高0.82～1.59 ℃和0.97～1.44 ℃。油菜季移栽和直播方式下平均日最高气温倾向率分别为0.37 ℃·(10a)-1(P＜0.01)和0.42℃·(10a)-1(P＜0.01),平均日最低气温倾向率分别为0.40 ℃·(10a)-1(P＜0.01)和0.41℃·(10a)-1(P＜0.01)。油菜季平均日最高气温最高值为19.19 ℃ (2007 年,冬至),平均日最低气温最低值为3.24 ℃ (1996 年,来安)。

图4 不同种植方式下稻油两熟制不同作物生长季平均日最高气温和最低气温变化Fig.4 Evolution of average daily maximum and minimum temperatures in each growing season of different crops in rice-oilseed rape double cropping system under different cultivation patterns

2.3 稻油两熟制不同种植方式下季节间降水资源分布特征

1992—2022 年,安徽沿江地区降水量呈逐渐增加趋势(图5)。水稻季移栽和直播方式下降水倾向率分别为45.4 mm·(10a)-1和55.7 mm·(10a)-1,油菜季分别为21.5 mm·(10a)-1和12.5 mm·(10a)-1。近30 年,降水量在地区与年际之间差异较大,水稻季降水量最低值 为166.50 mm (1994 年,滁 州),最大值 为1872.3 mm (1999 年,青阳);油菜季最低值为134.7 mm(2011 年,滁州),最高值为1197.2 mm (2016 年,望江)。

图5 不同种植方式下稻油两熟制不同作物生长季降水资源变化Fig.5 Evolution of precipitation resources in each growing season of different crops in rice-oilseed rape multiple cropping system under different cultivation patterns

2.4 稻油两熟制不同种植方式下作物生产潜力

近30 年,安徽沿江地区水稻季和油菜季光合生产潜力(Yp)呈下降趋势,光温生产潜力(Ypt)呈上升趋势,其中油菜直播方式下光温生产潜力每10 年显著上升170.2 kg·hm-2(表1)。水稻直播方式下光合生产潜力下降速度略高于移栽方式,而光温生产潜力上升速率低于移栽方式。油菜直播方式下光合生产潜力下降速率低于移栽方式,而光温生产潜力上升速率高于移栽方式。与直播方式相比,水稻移栽方式下平均光合生产潜力和光温生产潜力分别提高7.46%和7.26%,油菜移栽方式下光合生产潜力和光温生产潜力平均提高15.98%和36.61%。

表1 不同种植方式下水稻季和油菜季气候生产潜力Table 1 Climate production potential in rice season and oilseed rape season under different cultivation patterns

3 讨论与结论

近30 年,稻-油复种模式下水稻季和油菜季光资源(总辐射、日照时数)呈下降趋势(图2)。这与长江中下游流域光资源周年变化趋势一致[26],主要归因于阴天数增加和直接辐射量下降[19]。光资源的下降减少了作物可吸收光能,不利于作物生产。移栽方式可延长作物生育期,优化光资源配置和资源利用效率[13]。从光资源倾向率来看,水稻季移栽方式下总辐射和日照时数下降速率低于直播方式,而油菜季移栽方式下光资源下降速率高于直播方式。这可能是由于稻-油复种模式下水稻生长季主要处于春分至秋分之间,而油菜生长季主要处在秋分至春分之间。春分之后长江中下游地区光资源逐渐增强,当水稻生育期延长时便可获得更多更稳定的光资源,而油菜季与之相反。

近30 年,稻-油复种模式下水稻季和油菜季有效积温均呈上升趋势(图3),这归因于气候变暖导致的平均气温持续上升和气温≥10 ℃、≥0 ℃的天数增加[27]。水稻季移栽和直播两种方式下气温差异较小,移栽方式主要通过水稻生育期的延长增加积温。此外,李建等[28]研究发现水稻季高温天气的积温增加了部分积温,导致积温利用效率下降。本研究发现水稻季移栽方式下平均日最高气温以0.30 ℃·(10a)-1速度上升(P＜0.05),近几年平均日最高气温已超过30 ℃ (图4),这将对水稻生产产生不利影响[29-30]。对于油菜季,移栽方式下其平均气温、平均日最高气温和平均日最低气温均增加,致使其在移栽方式下积温更高。本研究中油菜季移栽方式下气温较直播方式的增加主要集中在生育前期的延长阶段(9—10 月)。虽然随着气温升高油菜季低温冻害发生次数和持续天数减少[31],但是油菜容易在冬前现蕾开花或苗期生长过旺进而不利于越冬和抵抗倒春寒。丛日环等[32]研究表明,长江中下游两熟区9—11 月平均气温每增加0.1 ℃,油菜产量减少53 kg·hm-2。由此看来,移栽方式可增加有效积温,但其伴随的气温上升也导致水稻和油菜生产面临其他重要问题。

光温生产潜力是指作物在其他条件不受限的情况下充分利用光、温资源的潜在生产力[33]。本研究发现稻-油复种模式下水稻季近30 年光温生产潜力变化幅度较小,油菜季光温生产潜力则明显上升(表1)。生产潜力变化趋势与罗海平等[34]研究相似,虽然光资源的下降降低了光合生产潜力,但是温度资源上升对气候生产潜力具有促进作用。水稻季气候生产潜力受光温综合影响显著[35],热量资源上升的影响与光资源下降的影响相当,导致光温生产潜力变化较小,移栽方式则通过延长水稻生育期补充光、热资源进而提高光温生产潜力。对于油菜季,气温上升的影响能够完全抵消光资源下降的影响并使光温生产潜力增加,而移栽方式通过延长生育期和提高平均气温增加光温生产潜力。

从气候变化角度来看,稻-油复种周年生产主要面临光资源持续下降和气温不断上升等问题。稻油两熟制下采用移栽方式可增加水稻季和油菜季光、温资源配置,提高光温生产潜力,在安徽沿江地区两季移栽方式将是应对气候变化且具有更高生产潜力的有效种植方式。但是,该方式下平均日最高气温呈显著上升趋势的现象值得被关注(图4)。随着全球增温,水稻花期高温热害[36]和油菜提前现蕾开花[37-38]等问题日益突出,可以借鉴稻-麦轮作模式中双季适时晚播技术[7]。油菜季移栽方式下适当晚播推迟移栽,一方面可以有效应对苗期气温升高,减少苗期由于生长过旺导致的冻害;另一方面将更多光温资源分配于水稻季,水稻季则可以选用生育期更长、增产潜力更大的品种,以便推迟水稻花期而避开高温热害。相比移栽方式,油菜季直播方式下光温生产潜力显著上升,播种期相对较晚可应对苗期气温升高问题,未来该方式在稻油两熟生产模式下更具有产量挖掘潜力。但直播方式下由于作物生育期缩短导致光、温资源配置较少,该方式下需要采用高光效品种和构建光资源高效利用群体。此外,基于直播方式下油菜产量与播期呈负相关[10]的前提,采用直播方式时应适当早播,但也不宜过早,防止冬前生长过旺、根颈上抬或过早抽薹,增加越冬冻害风险。

本研究仅从未来气候适应性和气候资源配置等角度探讨了稻-油复种周年内移栽方式和直播方式适配问题,而两种种植方式下还涉及到产量、养分利用效率、经济效益和作物抗性[10,39-42]等问题还需进一步权衡。此外,考虑到安徽沿江地区降水量较多且呈增加趋势,水资源相对充足,田间排水条件较好,本文仅对光合生产潜力与光温生产潜力的变化趋势进行了比较,未分析包括光、温和水等要素在内的气候生产潜力。然而,特大洪涝、高温和干旱等重大灾害对作物生长和气候生产潜力也具有严重影响,且播种季降雨资源的增加不利于直播方式进行。气候变化对农业生产的影响远不止于此,比如全球气候变暖改变作物播期和缩短作物生育期[43-44]、增加油菜病虫害发生[45-46]、CO2浓度升高产生CO2施肥效应[47-48]。因此,有关气候变化对长江中下游稻-油复种系统气候生产潜力和实际生产的影响有待于进一步研究。

总体来看,安徽沿江地区稻油两熟制中移栽方式较直播方式可获得更多光、温资源配置,并提高光温生产潜力,可作为应对未来光资源持续下降的首选种植方式。但移栽方式下平均日最高气温显著上升的问题不容忽视,油菜季应适当晚播推迟移栽应对苗期增温,水稻季采用耐高温和生育期较长品种并推迟移栽以避免花期高温热害。相比移栽方式,直播方式下光、温资源减少,该方式下需要采用高光效品种和构建光资源高效利用作物群体。