田麗, 崔耀平, 秦耀辰, 劉素潔, 李楠

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我國(guó)雙季稻物候特征及其與水熱條件的關(guān)系研究

田麗1, 崔耀平2*, 秦耀辰2, 劉素潔2, 李楠2

1. 華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200241 2. 河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 開封 475004

水稻生長(zhǎng)發(fā)育過程受到氣候條件的影響, 而其又可以有效反映水熱氣候條件的變化情況。選取我國(guó)雙季稻(早稻和晚稻)2000—2013年的物候觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù), 總結(jié)了雙季稻物候期的變化趨勢(shì)和空間分布, 并分析了雙季稻各生長(zhǎng)期(營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、繁殖生長(zhǎng)期、總生長(zhǎng)期)與對(duì)應(yīng)水熱條件的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn), 物候期呈推遲趨勢(shì)的站點(diǎn)數(shù)往往要多于呈提前趨勢(shì)的站點(diǎn)數(shù); 有別于全球變暖的大背景, 早稻晚稻總生長(zhǎng)期期間平均溫和降水量均無顯著性變化, 但各生長(zhǎng)期長(zhǎng)度普遍與平均溫呈負(fù)相關(guān)、與降水量呈正相關(guān)關(guān)系。此外, 分農(nóng)業(yè)區(qū)量化了平均溫和降水變化對(duì)各生長(zhǎng)期的影響, 結(jié)果表明溫度對(duì)生長(zhǎng)期長(zhǎng)度的影響更大。最后, 利用輪作站點(diǎn)探討了用年值氣候數(shù)據(jù)替代生長(zhǎng)期氣候數(shù)據(jù)分析水稻物候?qū)夂虻捻憫?yīng)特征的合理性問題。

水稻; 物候期; 氣候變化; 輪作; 中國(guó)農(nóng)業(yè)

1 前言

自20世紀(jì)以來, 地球氣溫上升已經(jīng)是“不爭(zhēng)的”事實(shí), 氣候變化是世界各國(guó)共同面臨的嚴(yán)峻問題[1]。在全球氣候變化背景下, 近50年來中國(guó)年平均氣溫增加了0.6—1.1℃, 降水呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分異, 這對(duì)作為對(duì)氣候變化反應(yīng)最為敏感部門之一的農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了重要影響[2]。氣溫和降水的變動(dòng)不僅影響了農(nóng)作物的種植范圍和產(chǎn)量, 還直接影響了其整個(gè)發(fā)育過程[3–4]。具體到水稻而言, 水稻是我國(guó)三大糧食作物之一, 其播種面積占全國(guó)糧食總播種面積的四分之一以上, 產(chǎn)量達(dá)到糧食總產(chǎn)量的三分之一以上, 氣候變化對(duì)水稻影響較大。

氣候變化通過影響氣候資源的時(shí)空分布, 進(jìn)而影響到水稻的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程。作物物候期是重要的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特征之一, 其時(shí)間的變化會(huì)影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量, 是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、田間管理、計(jì)劃決策等的重要依據(jù)[5]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣候變化對(duì)物候期及生長(zhǎng)期的影響的研究, 一般采用歷史數(shù)據(jù)分析或結(jié)合氣候和作物模式模擬氣候和生長(zhǎng)期變化趨勢(shì), 極少量化作物生長(zhǎng)期對(duì)氣候變化的響應(yīng)[6–12]。有研究認(rèn)為, 由于氣候變暖, 植物花期提前, 生育時(shí)間延長(zhǎng)[6–7,13]。Lobell等和Carbone等利用作物模型研究了氣候變化對(duì)農(nóng)作物生育期的潛在影響[14–15]。Pearson等在探討加拿大地區(qū)作物產(chǎn)量變化時(shí)發(fā)現(xiàn), 不同氣候情景下, 作物生長(zhǎng)季將延長(zhǎng)5—7周[16]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)氣候變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)期的影響也進(jìn)行了很多研究。孫雯對(duì)過去40年的氣候和物候數(shù)據(jù)加以分析, 發(fā)現(xiàn)水稻生長(zhǎng)季變長(zhǎng), 且播種期的提前比成熟期的推遲對(duì)生長(zhǎng)季延長(zhǎng)的貢獻(xiàn)大[8]; 鄧振鏞等和劉曉光等認(rèn)為氣候變暖使春播作物物候期提前, 秋播作物物候期推遲, 但其生殖生長(zhǎng)期和全生長(zhǎng)期都延后[9–10]; 在低緯度地區(qū), 增溫將促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育, 使生育期縮短, 而在高緯度地區(qū), 東北水稻出苗期提前、成熟期推后, 生育期呈延長(zhǎng)趨勢(shì)[11–12]。這說明氣候變化對(duì)水稻物候期的影響具有地區(qū)分異和復(fù)雜性的特征, 而區(qū)域性的研究往往無法體現(xiàn)出全國(guó)尺度下早稻和晚稻物候期對(duì)氣候變化的響應(yīng)特征。

此外, 氣候變化對(duì)全國(guó)水稻物候期各階段的影響研究還不夠明確。氣候條件除了直接影響水稻生長(zhǎng)過程, 還通過影響土壤墑情對(duì)人為耕作管理產(chǎn)生影響, 從而間接地影響人為進(jìn)行水稻播種、移栽等的時(shí)間。并且, 近十多年來氣候變化的趨勢(shì)與2000年以前相比有所不同, 氣溫上升趨緩甚至停滯, Knight等最早發(fā)現(xiàn)了該現(xiàn)象[17], 之后, Fyfe等和Knutson等報(bào)道了21世紀(jì)初全球變暖趨緩的事實(shí)[18–19], 已有的研究也證實(shí)了近十幾年以來中國(guó)氣溫上升趨勢(shì)趨緩甚至降溫[3]。長(zhǎng)時(shí)間的氣候變化下物候特征的分析[8–10], 難以反映這段特殊時(shí)期的物候變化情況, 當(dāng)前也缺乏該氣候條件下相應(yīng)的水稻物候變化的研究。本研究針對(duì)2000年以來的氣候條件, 專注于探討氣候與雙季稻物候的關(guān)系。選取雙季稻作為研究對(duì)象, 采用農(nóng)業(yè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)物候數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的臨近氣象站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù), 綜合研究水熱條件變化下的雙季稻物候變化情況。

2 數(shù)據(jù)與處理方法

本文的數(shù)據(jù)有2000—2013年的農(nóng)業(yè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)和氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集, 采用的指標(biāo)有站點(diǎn)信息、物候期及其日期。首先, 選取有連續(xù)觀測(cè)物候值的站點(diǎn); 其次, 將物候期日期轉(zhuǎn)換為儒歷日(DOY); 然后, 按站點(diǎn)和年份篩選各物候期的DOY值; 最后, 分析播種期到成熟期的總生長(zhǎng)期(growth period, GP)、播種期到抽穗期的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期(vegetative growth period, VGP)、抽穗期到成熟期的繁殖生長(zhǎng)期(reproductive growth period, RGP)的線性趨勢(shì)特征。氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集, 主要指標(biāo)有站點(diǎn)信息、日平均溫和降水。首先, 選取與農(nóng)業(yè)站點(diǎn)對(duì)應(yīng)或最臨近的氣象站點(diǎn); 然后按年份整理逐日平均溫和降水量并計(jì)算其趨勢(shì)值; 之后, 計(jì)算三個(gè)生長(zhǎng)期的總降水量和平均溫; 最后, 對(duì)各生長(zhǎng)期長(zhǎng)度與平均溫和降水量進(jìn)行相關(guān)和回歸分析。

我國(guó)幅員遼闊, 各地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)存在明顯的地域分異。本研究基于《中國(guó)綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃》將研究區(qū)劃分為三個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū): 長(zhǎng)江中下游區(qū)、華南區(qū)和西南區(qū)(圖1)。相比單項(xiàng)區(qū)劃, 綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃綜合評(píng)價(jià)了農(nóng)業(yè)自然條件和自然資源, 特別是水、熱、土等條件[20]。

圖1 研究區(qū)示意圖

3 研究結(jié)果

3.1 早稻的物候特征及其與水熱因子的關(guān)系

3.1.1 早稻物候期時(shí)空分布特征及趨勢(shì)變化

我國(guó)早稻分布在長(zhǎng)江中下游區(qū)和華南區(qū)。播種期共選出63個(gè)有效站點(diǎn), 以在3月和4月的為主, 平均值為89 d。3月的站點(diǎn)有45個(gè), 分布在廣西省、廣東省、湖南省的東北部以及江西省; 4月的站點(diǎn)有14個(gè)。播種期變化趨勢(shì)的平均值為0.30 d·yr–1, 但呈推遲趨勢(shì)的站點(diǎn)只比呈提前趨勢(shì)的站點(diǎn)多1個(gè)。研究期內(nèi)共選出64個(gè)抽穗期的站點(diǎn), 平均值為167 d。抽穗期在3月初至7月初之間, 跨度大, 但集中在6月, 6月的有55個(gè)站點(diǎn); 4月、5月的站點(diǎn)共6個(gè), 且主要在海南省。對(duì)抽穗期的變化趨勢(shì)分析表明, 其平均值為0.43 d·yr–1, 呈推遲、提前趨勢(shì)的分別有39、25個(gè)。成熟期共選出65個(gè)站點(diǎn), 整體上在5月初至8月初之間, 平均值為194 d。其中7月中旬的站點(diǎn)最多, 有38個(gè), 分布在江南丘陵、洞庭平原和鄱陽平原; 7月下旬至8月初的站點(diǎn)有13個(gè), 分布在皖南、湘南及桂北地區(qū)。成熟期變化趨勢(shì)的平均值為0.09 d·yr–1, 呈提前趨勢(shì)的站點(diǎn)有34個(gè), 比呈推遲趨勢(shì)的站點(diǎn)多3個(gè)。

3.1.2 早稻生長(zhǎng)期及其對(duì)應(yīng)水熱條件的變化趨勢(shì)

早稻VGP共有61個(gè)站點(diǎn)。整體上看, 沒有呈現(xiàn)以某種趨勢(shì)為主的現(xiàn)象, 平均值為0.02 d·yr–1。VGP時(shí)期內(nèi)的平均溫以降溫為主, 平均趨勢(shì)值為–0.01 ℃·yr–1, 呈下降和上升趨勢(shì)的站點(diǎn)分別有38、23個(gè)。VGP期間降水量的平均趨勢(shì)值為–1.57 mm·yr–1, 但呈增加趨勢(shì)的站點(diǎn)比呈減少趨勢(shì)的還要多1個(gè)?？偟膩砜? VGP長(zhǎng)度和該階段平均溫表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性, 呈負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)有45個(gè), 達(dá)到90%顯著負(fù)相關(guān)的共33個(gè); 但呈正相關(guān)的仍有16個(gè)。VGP長(zhǎng)度與降水量之間的相關(guān)性以正相關(guān)為主, 有46個(gè), 其中達(dá)到顯著水平的有34個(gè)。

早稻RGP共選出63個(gè)站點(diǎn)。整體上, 沒有呈現(xiàn)出明顯的縮短或延長(zhǎng)的趨勢(shì), 平均值為0.003 d·yr–1。RGP期間平均溫變化趨勢(shì)的平均值為0.01 ℃·yr–1, 呈上升和下降趨勢(shì)的站點(diǎn)分別有33、30個(gè)。降水量的變化趨勢(shì)沒有明顯特征, 平均值為0.46 mm·yr–1, 呈增加趨勢(shì)的站點(diǎn)共32個(gè), 比呈減少趨勢(shì)的多1個(gè)。RGP長(zhǎng)度與平均溫呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān), 呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)的站點(diǎn)數(shù)之比為11.6: 1, 其中50個(gè)站點(diǎn)顯著正相關(guān)。RGP長(zhǎng)度與降水量普遍為正相關(guān), 呈正相關(guān)的站點(diǎn)是負(fù)相關(guān)的8倍, 達(dá)到90%顯著正相關(guān)的站點(diǎn)有47個(gè), 而達(dá)到顯著負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)只有1個(gè)。

早稻GP階段共選出62個(gè)站點(diǎn), 其長(zhǎng)度變化呈延長(zhǎng)趨勢(shì)的站點(diǎn)有33個(gè), 平均值為–0.10 d·yr–1。早稻GP期間溫度變化趨勢(shì)的平均值為–0.01 ℃·yr–1, 其中, 呈增溫趨勢(shì)的站點(diǎn)有31個(gè), 集中在華南區(qū)和長(zhǎng)江中下游區(qū)東南部; 呈下降趨勢(shì)的也有31個(gè)。對(duì)應(yīng)的總降水量平均變化趨勢(shì)值為–6.47 mm·yr–1, 呈減少趨勢(shì)的站點(diǎn)比增加趨勢(shì)的多16個(gè)。GP長(zhǎng)度和平均溫之間普遍表現(xiàn)出負(fù)相關(guān), 呈負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)是正相關(guān)的6.75倍, 其中39個(gè)站點(diǎn)顯著負(fù)相關(guān)。62個(gè)站點(diǎn)中則有40個(gè)站點(diǎn)顯示降水和GP長(zhǎng)度呈正相關(guān), 27個(gè)達(dá)到了顯著水平。

圖2 早稻物候期的分布及變化趨勢(shì)

圖3 早稻VGP和其氣候要素的變化趨勢(shì)及兩者的相關(guān)性

圖4 早稻RGP和其氣候要素的變化趨勢(shì)及兩者的相關(guān)性

圖5 早稻GP和其氣候要素的變化趨勢(shì)及兩者的相關(guān)性

3.2 晚稻的物候特征及其與水熱因子的關(guān)系

3.2.1 晚稻物候期時(shí)空分布特征及趨勢(shì)變化

與早稻分布類似, 晚稻也集中在長(zhǎng)江中下游區(qū)和華南區(qū)。播種期共65個(gè)站點(diǎn), 平均值為183 d, 總體上在5月底至7月底期間。其中, 5月底到6月中上旬的站點(diǎn)有8個(gè), 6月下旬的站點(diǎn)25個(gè), 主要位于湖南省和江西省; 7月上旬的站點(diǎn)15個(gè), 主要在廣東省和廣西省北部; 7月中下旬的站點(diǎn)17個(gè), 分布在廣東省沿海和廣西省大部分地區(qū)。整體上來看, 從北到南播種期有明顯的延后特征。播種期以推遲趨勢(shì)為主, 呈推遲趨勢(shì)的站點(diǎn)有41個(gè), 平均趨勢(shì)為0.18 d·yr–1。抽穗期選出67個(gè)站點(diǎn), 分布在9月和10月上旬, 平均值為264 d。其中, 9月上旬的站點(diǎn)有7個(gè), 9月中旬的站點(diǎn)32個(gè), 主要在湖南、江西及其以北地區(qū); 10月上旬的站點(diǎn)有19個(gè), 分布在兩廣地區(qū)。抽穗期平均變化趨勢(shì)為–0.07 d·yr–1, 呈推遲趨勢(shì)的站點(diǎn)有40個(gè)。從圖6(c)可以看出抽穗期的平均值從北到南大致遞增。成熟期共有66個(gè)站點(diǎn), 在10月中旬至11月上半月之間, 平均值為299 d。其中, 10月中旬的站點(diǎn)有24個(gè), 10月下旬的站點(diǎn)22個(gè), 分布在湖南省和江西省; 11月上旬的站點(diǎn)15個(gè), 11月中旬的站點(diǎn)5個(gè), 集中在東南沿海省份。成熟期的平均變化趨勢(shì)為0.17 d·yr–1, 呈推遲、提前趨勢(shì)的站點(diǎn)分別有41、25個(gè)。

3.2.2 晚稻生長(zhǎng)期及其對(duì)應(yīng)水熱條件的變化趨勢(shì)

晚稻VGP共選出65個(gè)站點(diǎn), 其長(zhǎng)度變化趨勢(shì)的平均值為–0.08 d·yr–1, 但是呈縮短趨勢(shì)的站點(diǎn)只比延長(zhǎng)趨勢(shì)的多1個(gè)。VGP內(nèi)的平均溫以增溫為主, 平均趨勢(shì)值為0.05 ℃·yr–1, 其中呈增溫和降溫趨勢(shì)的站點(diǎn)分別有48、17個(gè)。本階段降水量的平均趨勢(shì)值為–4.82 mm·yr–1, 呈上升、下降趨勢(shì)的站點(diǎn)分別有32、33個(gè)。VGP長(zhǎng)度與平均溫之間普遍為負(fù)相關(guān), 呈負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)約是正相關(guān)的2倍, 顯著負(fù)相關(guān)的有33個(gè)。VGP長(zhǎng)度與該階段的降水量則表現(xiàn)出普遍的正相關(guān)性, 其中呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)分別有47、18個(gè), 在0.1水平上顯著的分別有34、9個(gè)。

晚稻RGP共選出66個(gè)站點(diǎn), 其變化趨勢(shì)的平均值為–0.04 d·yr–?, 呈縮短和延長(zhǎng)趨勢(shì)的站點(diǎn)個(gè)數(shù)相同。RGP期間的溫度平均趨勢(shì)值為–0.02 ℃·yr–1, 呈降溫和升溫趨勢(shì)的站點(diǎn)分別有36、30個(gè)。降水量變化趨勢(shì)的平均值為3.05 mm·yr–?, 但呈下降趨勢(shì)的站點(diǎn)比增加趨勢(shì)的多2個(gè)。66個(gè)站點(diǎn)中有50個(gè)站點(diǎn)顯示RGP長(zhǎng)度和平均溫呈負(fù)相關(guān), 其中41個(gè)站點(diǎn)在0.1水平上顯著。RGP長(zhǎng)度與降水量之間的相關(guān)性分析結(jié)果顯示: RGP長(zhǎng)度與該階段的降水量之間以正相關(guān)關(guān)系為主, 呈正相關(guān)、負(fù)相關(guān)的站點(diǎn)分別有57、9個(gè), 其中在0.1水平上顯著負(fù)相關(guān)的只有3個(gè)。

晚稻GP共選出 64個(gè)站點(diǎn), 其長(zhǎng)度變化趨勢(shì)的平均值為0.20 d·yr–1, 呈延長(zhǎng)趨勢(shì)的站點(diǎn)有41個(gè)。本階段內(nèi)平均溫變化趨勢(shì)的平均值為–0.01 ℃·yr–1,呈下降趨勢(shì)的站點(diǎn)比上升趨勢(shì)的多12個(gè)。GP長(zhǎng)度與平均溫之間多為負(fù)相關(guān)關(guān)系, 呈負(fù)相關(guān)的有49個(gè), 達(dá)到90%顯著水平的有48個(gè)。GP期間降水總量變化趨勢(shì)的平均值為3.88 mm·yr–?, 呈增加趨勢(shì)的站點(diǎn)比減少趨勢(shì)的多8個(gè)。GP長(zhǎng)度與降水量之間多為正相關(guān)關(guān)系, 呈正相關(guān)的站點(diǎn)是負(fù)相關(guān)的3倍, 40個(gè)站點(diǎn)達(dá)到了顯著正相關(guān)水平。

3.3 雙季稻生長(zhǎng)期與水熱因子的偏相關(guān)和多元回歸分析

由于降水和溫度本身具有一定的自相關(guān)性, 我們對(duì)早稻和晚稻不同生長(zhǎng)期的長(zhǎng)度及平均溫、降水進(jìn)行了偏相關(guān)分析(表1)?？梢钥闯? 不考慮平均溫的影響, 生長(zhǎng)期長(zhǎng)度與平均溫之間的相互關(guān)系較小; 不考慮降水量的影響, 生長(zhǎng)期長(zhǎng)度與降水量之間的相互關(guān)系也較為不密切, 但相對(duì)平均溫, 其偏相關(guān)程度稍小一些。偏相關(guān)系數(shù)都不高的原因可能是其他因素的干擾大, 因此后續(xù)要對(duì)典型站點(diǎn)尺度展開分析, 并對(duì)具體相關(guān)系數(shù)值進(jìn)行探討。

為進(jìn)一步量化雙季稻VGP、RGP和GP的長(zhǎng)度()與其期間平均溫()、降水量()之間的關(guān)系, 這里采用多元回歸分析(表2)。

早稻晚稻三個(gè)生長(zhǎng)期的長(zhǎng)度均表現(xiàn)出隨溫度升高而縮短的現(xiàn)象。對(duì)早稻而言, 在全國(guó)來看, 平均溫每升高1.0 ℃, VGP、RGP、GP的長(zhǎng)度分別縮短1.85 d、1.91 d、3.68 d。不同農(nóng)業(yè)區(qū)的縮短幅度存在區(qū)別,如早稻RGP長(zhǎng)度在長(zhǎng)江中下游區(qū)、華南區(qū)的平均縮短幅度分別為2.05 d·℃–1、1.63 d·℃–1。至于晚稻, 總體上來說, 其三個(gè)生長(zhǎng)期長(zhǎng)度的縮短幅度為1.33 d·℃–1、0.55 d·℃–1、3.27 d·℃–1。不同于早稻, 晚稻有三個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū), 但不同農(nóng)業(yè)區(qū)的變化也有差異。以晚稻GP為例, 平均溫每升高1.0 ℃, 長(zhǎng)江中下游區(qū)、華南區(qū)、西南區(qū)的GP長(zhǎng)度分別縮短3.59 d、2.60 d、4.18 d。此外, 降水量增加起到延長(zhǎng)早稻晚稻VGP、RGP和GP長(zhǎng)度的作用, 但是相對(duì)溫度而言, 影響較小。

圖6 晚稻物候期的分布及變化趨勢(shì)

圖7 晚稻VGP和其氣候要素的變化趨勢(shì)及兩者的相關(guān)性

圖8 晚稻RGP和其氣候要素的變化趨勢(shì)及兩者的相關(guān)性

圖9 晚稻GP和其氣候要素的變化趨勢(shì)及兩者的相關(guān)性

表1 早稻晚稻偏相關(guān)分析

A. 生長(zhǎng)期長(zhǎng)度與平均溫的偏相關(guān)系數(shù)；B. 生長(zhǎng)期長(zhǎng)度與降水量的偏相關(guān)系數(shù)

表2 早稻晚稻多元回歸分析

注:指平均溫(℃),指降水量(mm),指生長(zhǎng)期長(zhǎng)度(d)。

4 討論

不同于自然植被的生長(zhǎng)過程和物候特征[21], 除了氣候因素外, 農(nóng)作物的物候特征還受其他因素的干擾, 如: 品種特性、生產(chǎn)方式、農(nóng)民意愿等[22]。本研究結(jié)果顯示: 在過去的十多年里, 早稻的播種期推遲, 這與鄧振鏞等和劉曉光等的結(jié)論不同[9–10]; 其抽穗期也推遲, 而成熟期基本不變。對(duì)于晚稻而言, 類似于前人的研究, 播種期有輕微的推遲[9–10]; 抽穗期基本不變, 而成熟期確又出現(xiàn)了推遲的情況。VGP和RGP長(zhǎng)度基本保持不變; 而不同于已有的GP長(zhǎng)度縮短的研究[4], 研究期GP長(zhǎng)度的變化幅度不大。這說明了本研究時(shí)間段內(nèi)早稻和晚稻物候期和生長(zhǎng)期變化特征的特殊性。溫度與生長(zhǎng)期長(zhǎng)度的關(guān)系密切, 降水對(duì)其也有一定的作用, 造成這種物候差異的氣候原因可能是早稻和晚稻生長(zhǎng)期間溫度和降水趨勢(shì)的差異性。但是, 本研究還無法否認(rèn)其他因素的干擾, 在用觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示出這種特征之后, 未來仍需綜合考慮多因素的影響, 進(jìn)一步探究水稻物候的變化原因。

考慮到作物物候?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)和指示作用[23], 對(duì)應(yīng)著同時(shí)期水熱條件的變化, 我們不難發(fā)現(xiàn)研究時(shí)間段的升溫趨勢(shì)不明顯, 甚至降溫趨勢(shì)的站點(diǎn)多于升溫的站點(diǎn)數(shù)。這說明研究期內(nèi)的升溫趨勢(shì)不明顯, 甚至有降溫的趨勢(shì), 與之前的研究結(jié)論相一致[3,24]。鑒于氣候變化的長(zhǎng)時(shí)間尺度性, 本文限于篇幅和主旨, 暫不對(duì)氣候變化做過多解讀和分析, 但是其在研究期內(nèi)呈現(xiàn)的新特征已比較明確。每一個(gè)站點(diǎn)都可以代表周邊一定范圍內(nèi)的氣象因子和作物生育過程, 本文也主要基于站點(diǎn)數(shù)量分析了趨勢(shì)變化和相關(guān)程度, 并保留了全部的特征, 未來仍需進(jìn)一步對(duì)每個(gè)站點(diǎn)的物候和對(duì)應(yīng)氣候的過程變化加以細(xì)究, 以期可以在站點(diǎn)所在位置和所代表的一定空間上, 深化理解氣候變化趨緩條件下雙季稻物候的響應(yīng)特征。同時(shí), 考慮到研究期處于氣候變暖的停滯期, 我們不建議采納本研究結(jié)果的量化值, 因?yàn)榇私Y(jié)果僅能代表該特殊時(shí)期下水稻發(fā)育的實(shí)際變化情況。

此外, 研究生產(chǎn)對(duì)氣候變化的響應(yīng)時(shí), 不能僅考慮氣象因子的年變化特征, 還需重視其在生長(zhǎng)期的變化特征。本文中氣候變化是指早稻和晚稻生長(zhǎng)期間對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)的氣候因子的變化, 其趨勢(shì)和年值變化趨勢(shì)存在著一定差異[25]。為了探討這種差異性, 我們選出59個(gè)早稻晚稻輪作站點(diǎn), 分別對(duì)輪作站點(diǎn)總生長(zhǎng)期的平均溫和降水?dāng)?shù)據(jù)與年值數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明: 生長(zhǎng)期平均溫與年均溫、生長(zhǎng)期降水量與年降水量之間呈正相關(guān)的分別有52、56個(gè)(表3)。輪作作物總生長(zhǎng)期的跨度基本為年的大部分時(shí)間, 盡管如此, 兩者還是存在一些不同, 說明在大樣本量的情況下, 可以用年值數(shù)據(jù)分析其對(duì)水稻生育的影響, 而樣本量較少或者僅分析早稻或晚稻時(shí), 采用年值數(shù)據(jù)可能有較大的誤差。

5 結(jié)論

本研究基于站點(diǎn)數(shù)據(jù)分析了2000—2013年雙季稻物候和生長(zhǎng)期變化特征及其與水熱氣候條件的關(guān)系。以比對(duì)站點(diǎn)數(shù)為主, 以具體的趨勢(shì)值為輔, 可以反映出結(jié)果的空間性, 同時(shí)又避免了極值對(duì)平均趨勢(shì)值的影響。得到的基本結(jié)論有:

(1)早稻和晚稻物候期的平均變化趨勢(shì)都是推遲的, 但不同物候期呈推遲趨勢(shì)的站點(diǎn)所占比例又有不同。早稻物候期中, 推遲站點(diǎn)個(gè)數(shù)較多的是抽穗期, 64個(gè)站點(diǎn)中呈推遲趨勢(shì)的有39個(gè); 晚稻則是播種期和抽穗期, 呈推遲趨勢(shì)的分別有41、40個(gè)。

(2)在本研究時(shí)期內(nèi), 各生長(zhǎng)期長(zhǎng)度變化較小, 期間平均溫、降水量沒有顯著變化, 但各生長(zhǎng)期長(zhǎng)度與平均溫普遍呈負(fù)相關(guān)、與降水量普遍呈正相關(guān), 不同生長(zhǎng)期的相關(guān)性又有差別。早稻以RGP最為突出, 63個(gè)站點(diǎn)中50個(gè)與平均溫顯著負(fù)相關(guān), 47個(gè)與降水量顯著正相關(guān); 晚稻RGP和GP都較為突出。

(3)各生長(zhǎng)期長(zhǎng)度都隨著平均溫的升高而縮短、隨著降水量的增加而稍微延長(zhǎng), 且溫度的作用更大。平均溫每升高1 ℃, 早稻GP和晚稻GP分別縮短3.68 d、3.27 d; 降水量每增加10 mm, 早稻GP和晚稻GP分別延長(zhǎng)0.01 d、0.08 d。

表3 輪作站點(diǎn)生長(zhǎng)期氣象數(shù)據(jù)與年值氣象數(shù)據(jù)相關(guān)性

(4)雙季稻輪作站點(diǎn)總生長(zhǎng)期的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)與年值數(shù)據(jù)相關(guān)性極好。相對(duì)而言, 總生長(zhǎng)期的氣溫與年均溫相關(guān)性稍差, 而兩個(gè)降水?dāng)?shù)據(jù)的相關(guān)性較好。

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Research on phenology characteristic of double cropping rice and its relationship with corresponding hydro-thermal conditions in China

TIAN Li1, CUI Yaoping2*, QIN Yaochen2, LIU Sujie2, LI Nan2

1.Key Laboratory of Geographic Information Science, East China Normal University, Ministry of Education, Shanghai 200241, China 2. College of Environment and Planning, Henan University, Kaifeng 475004, China

The process of rice growth and development is affected by climatic conditions. And this process in turn can reflect the variation of climatic conditions. Based on phenological and meteorological observation data of double rice in China during 2000-2013, this paper studied the changing trends and spatial distribution of rice phenophase, and relationships between the growth period lengths (vegetative growth period, reproductive growth period, and the whole growth period) of double rice and the corresponding hydro-thermal conditions. The results showed that the numbers of delayed stations were always more than those of advanced stations for most phenophase. Different from the general phenomenon of global warming, there was no significant change in average temperature and total precipitation during growth period from 2000 to 2013. Meanwhile, the length of growth period was negatively correlated with average temperature, and positively correlated with total precipitation. In addition, our study quantified the impact of temperature and precipitation on the length of each growth period in different agricultural areas, and showed the result that temperature played a more important role than precipitation. With selecting rotation stations, the reasonability of using annual climate data to climatic data during growth period substitute to study the characteristic of rice phenology was also discussed.

rice; phenophase; climate change; crop rotation; Chinese agriculture

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.001

P49; S511

A

1008-8873(2018)04-001-15

2017-09-22;

2017-10-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(41401504, 41671425); HU-CPGIS國(guó)際合作基金(JOF201701); 河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(16IRTSTHN012)資助

田麗(1996—), 女, 河南濮陽人, 碩士, 主要從事地理計(jì)算研究, E-mail: tianli_jing@163.com

崔耀平, 男, 河南周口人, 主要從事土地利用和氣候變化研究, E-mail: cuiyp@lreis.ac.cn

田麗, 崔耀平, 秦耀辰, 等. 我國(guó)雙季稻物候特征及其與水熱條件的關(guān)系研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(4): 1-15.

TIAN Li, CUI Yaoping, QIN Yaochen, et al. Research on phenology characteristic of double cropping rice and its relationship with corresponding hydro-thermal conditions in China[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 1-15.