氣候變暖和降水分配變化導致盤錦地區水稻早熟增產

張美玲 周莉 周廣勝

（1盤錦市大洼區氣象局，遼寧 盤錦124200；2中國氣象科學研究院，北京100081；#共同第一作者；

*通訊作者：zhougs@cma.gov.cn）

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告指出，1880—2012年全球平均地表溫度升高了0.85℃，并且溫度增加趨勢將會在未來的50年內繼續延續[1]。農業是氣候變化影響的敏感行業[2-3]，氣候變化對糧食生產的影響已經引起了社會各界的廣泛關注[4-6]；物候是作物響應區域氣候變化最敏感的指標之一，它不僅反映作物的生長發育狀況，其變化也影響作物產量。物候對氣候變化的響應研究是近年來氣候學家和生態學家共同關注的熱點領域[7-10]。

水稻是世界主要糧食作物，在我國有65%以上的人口以稻米為主食[11]。氣候變化背景下作物生長發育的熱量條件發生了改變。1981—2006年我國水稻生長期內單季稻氣溫的變化趨勢為0.33~0.45 °C/10 a、早稻為0.28~0.96 °C/10 a、晚稻為0.33~0.75 °C/10 a[12]；水稻的播種和移栽期以提前為主[9，12-14]，成熟期的變化趨勢因熟性、地區間差異而不同[6，15]。華南潮州早稻的成熟期在1985—2005年間顯著提前，而晚稻成熟期則呈推遲趨勢[16]；東北地區單季稻的成熟期在1992—2001年明顯提前（4.5 d/10 a），而在2002—2012年則呈明顯推遲趨勢（2.0 d/10 a）[13]。氣候變暖導致作物生育期普遍縮短。水稻生長期間氣溫每升高1℃，水稻生育期將縮短7~8 d[17-18]，其中，水稻營養生長期的縮短比生殖生長期明顯[11-12，19]。水稻對保障我國糧食安全具有極其重要的作用，關于我國水稻生育期的變化趨勢及其對氣候變化的響應已經開展了大量研究，由于我國水稻種植區從北到南跨越了溫帶、亞熱帶及熱帶地區，且氣候變化本身的區域性和季節性差異，使得氣候變化對水稻生產的影響并不完全一致[20]。目前水稻物候變化的研究方法主要有田間試驗觀測、統計分析、模型模擬、遙感反演等[21]。水稻物候變化研究對象多集中在某個生育期上，對水稻營養生長期、生殖生長期的整體研究較少。溫度、光照和降水都是影響水稻生育期的重要因子[10，22]，氣候因子通過影響水稻營養生長期和生殖生長期進而影響到產量的研究很少。盤錦位于遼寧省西部，地處環渤海陸-海-氣綜合觀測區，屬北溫帶大陸性半濕潤季風氣候。盤錦是全國重要的優質粳稻主產區，從2003年起，水稻糧食總產量實現了“十三連增”。2016年，盤錦水稻總產量達118.7萬t，約占遼寧省水稻總產量的1/5，這對于保障全省及全國糧食安全都具有舉足輕重的作用。本文利用1980—2018年盤錦地區水稻生育期資料及對應的氣象數據，從氣候變化角度探討水稻生育期的變化，及此變化對產量的影響情況，旨在從另一個角度為盤錦水稻種植應對氣候變化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1980—2018年盤錦地區水稻生育期資料來源于大洼國家基本氣象站，包括播種期、出苗期、分蘗期、抽穗期、成熟期。通過將生育期數據轉換為日序，計算獲得水稻各個生育期（播種期S0、播種至出苗期S1、出苗至分蘗期S2、分蘗至抽穗期S3、抽穗至成熟期S4）以及全生育期S的天數。水稻發育期觀測方法按《農業氣象觀測規范（上）》進行[23]。1980—2018年逐日氣象數據（平均氣溫、降水量、日照時數）來源于大洼國家基本氣象站。

1.2 研究方法

1.2.1 氣候傾向率

用xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程：xi=a+bti，i=1，2，…，n。其中，a為回歸常數，b為回歸系數，a和b可以用最小二乘法進行估計。

1.2.2 累積距平

累積距平是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對于序列，某一時刻的累積距平表示為=，t=1，2，…，n，其中。

1.2.3 Mann—Kendall法

曼-肯德爾（Mann—Kendall）法（后面簡稱M-K）是一種非參數統計檢驗方法，其優點是不需要樣本遵從一定的分布、也不受少數異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便。本文用DPS（Data Processing System）數據處理系統軟件實現M—K檢驗[24]。

1.2.4 降水分配指數的計算

降水貢獻率（簡稱CP）表示某一分類情況下的降水量占總降水量的比值[25]。水稻生育期降水分配格局體現在雨量如何分配在各生育期。水稻生育期降水分配指數（簡稱PDI），分別為播種-出苗期、出苗-分蘗期、分蘗-抽穗期、抽穗-成熟期這4個生育期總降水量對全生育期總降水量的貢獻率。在此基礎上，提取計算了水稻生育期降水分配指數的逐年序列，并對PDI進行了M-K趨勢檢驗。

1.2.5 水稻產量與PDI的相關分析

為了剔除非氣象因素對產量的影響，僅考慮氣象因素與水稻產量的相關性，采用一階差分來分析水稻產量與某個生育期降水分配指數的關系[4，26-27]。分別對水稻產量（y）和某個生育期降水分配指數（x）進行處理，計算當前數據與前一年數據的差值，即：

△yt=yt-yt-1；

△xt=xt-xt-1。

式中，△yt為產量差，△xt為PDI差，t為年份。然后通過計算△yt與不同生育期的△xt之間的Person相關系數，研究水稻產量與PDI的關系。

2 結果與分析

2.1 水稻生長季氣候特征

2.1.1 氣溫

盤錦地區1980—2018年的年平均氣溫M-K突變檢驗表明，氣溫不存在突變。圖1表明，1980—2018年，盤錦地區年平均氣溫9.5℃，呈緩慢上升趨勢，氣候傾向率為0.29℃/10 a。水稻生育期內平均氣溫為18.6℃，氣候傾向率為0.41℃/10 a，大于年氣候傾向率。水稻生育期內的平均最高氣溫23.1℃，氣候傾向率為0.36℃/10 a；平均最低氣溫為14.6℃，氣候傾向率為0.48℃/10 a。水稻生育期內平均最低氣溫氣候傾向率大于平均最高氣溫氣候傾向率0.12℃/10 a，表明水稻生長期間的夜間增溫幅度高于白天增溫幅度，存在明顯的晝夜不對稱增溫。水稻播種至出苗期、出苗至分蘗期、分蘗至抽穗期、抽穗至成熟期的平均氣溫分別為11.0℃、17.6℃、24.3℃、21.7℃，氣候傾向率分別為0.92℃/10 a、0.35℃/10 a、0.20℃/10 a、0.21℃/10 a；氣候傾向率呈播種至出苗期＞出苗至分蘗期＞抽穗至成熟期＞分蘗至抽穗期，反映出盤錦地區水稻生育期溫度的氣候傾向率隨生育期推進呈減弱趨勢。

2.1.2 積溫

盤錦地區1980—2018年平均全年積溫3 502.8℃，氣候傾向率為95.3℃/10 a。水稻全生育期積溫為3 367.6℃（占全年積溫96.1%），氣候傾向率為47.4℃/10 a，小于年積溫氣候傾向率。從圖2可見，1980—2018年水稻全生育期積溫可以分為2個階段，即1980—1997年的偏冷階段（水稻全生育期積溫78%年份為負距平）和1998—2018年的增溫階段（水稻全生育期積溫76%年份為正距平）。1980—2018年期間，水稻全生育期積溫最大正距平值（197.4℃）出現在2007年，最小距平值（-242.5℃）出現在1980年，兩者相差439.9℃。1980—2018年水稻各生育階段平均積溫呈分蘗至抽穗期＞抽穗至成熟期＞出苗至分蘗期＞播種至出苗期，分蘗至成熟期的積溫占全生育期的69.4%。其中，播種至出苗期、出苗至分蘗期、分蘗至抽穗期、抽穗至成熟期的積溫分別為88.1℃、944.7℃、1 255.0℃、1 079.8℃，氣候傾向率分別為7.9℃/10 a、-45.6℃/10 a、43.6℃/10 a（占全生育期積溫的37.3%）、38.0℃/10 a（占全生育期積溫的32.1%）。這表明，盤錦地區水稻出苗至分蘗期可能是低溫冷害多發期。

圖1 1980—2018年盤錦地區平均氣溫特征

圖2 1980—2018年盤錦地區水稻全生育期積溫累積距平

圖3 1980—2018年盤錦地區水稻全生育期的降水量特征

圖4 1980—2018年盤錦地區水稻生育期變化

2.1.3 降水量

盤錦地區1980—2018年全年總降水量630.8 mm，氣候傾向率為-33.2 mm/10 a。水稻全生育期總降水量為522.7 mm，占全年總降水量82.9%。從圖3可見，水稻全生育期降水負距平的年份占59%，即大多數年份的水稻全生育期降水量小于多年平均值，反映出盤錦地區年際間降水分配不均衡。盤錦地區水稻全生育期總降水量總體呈減少趨勢，氣候傾向率為-37.1 mm/10 a。播種至出苗期、出苗至分蘗期、分蘗至抽穗期、抽穗至成熟期的降水量分別為11.6 mm、93.6 mm、251.1 mm（占全生育期的48.2%）、164.3 mm（占全生育期的31.6%）。分蘗至成熟期的降水量占全生育期的79.8%，占全年降水量的66.1%。盤錦地區水稻播種至出苗期和分蘗至抽穗期的降水量變化不顯著，出苗至分蘗期和抽穗至成熟期的降水量呈減少趨勢，氣候傾向率分別-11.2 mm/10 a和-28.7 mm/10 a。

2.1.4 日照時數

盤錦地區全年總日照時數2 636.6 h，氣候傾向率為-40.9 h/10 a。水稻全生育期總日照時數為1 231.4 h，占全年總日照時數46.7%，總體呈減少趨勢，氣候傾向率為-12.3 h/10 a。水稻各生育階段的日照時數呈出苗至分蘗期＞抽穗至成熟期＞分蘗至抽穗期＞播種至出苗期，其中播種至出苗期、出苗至分蘗期、分蘗至抽穗期、抽穗至成熟期的日照時數分別為70.2 h、448.6 h、342.1 h、370.6 h，氣候傾向率分別為-1.2 h/10 a、3.3 h/10 a、-19.3 h/10 a、4.6 h/10 a。

圖5 盤錦地區水稻產量與PDI的關系

2.2 水稻生育期變化

從圖4可見，1980—2018年，盤錦地區水稻最早播種期為4月4日，出現在1980年；最晚播種期為4月20日，出現在1994年；最早出苗期為4月12日，出現在1986年；最晚出苗期為4月28日，出現在1990年和2010年；最早分蘗期為6月7日，出現在2002年；最晚分蘗期為6月27日，出現在1985年；最早抽穗期為8月1日，出現在1997年；最晚抽穗期為8月12日，出現在2003年；最早成熟期為9月19日，出現在1980年；最晚成熟期為10月3日，出現在2013年。盤錦地區的水稻播種期、出苗期和成熟期均呈推遲趨勢，推遲速率分別為0.19 d/a、0.18 d/a、0.08 d/a，而水稻分蘗期和抽穗期呈提前趨勢，提前速率分別為0.21 d/a、0.07 d/a，反映出水稻營養生長期呈縮短趨勢，而生殖生長期呈增加趨勢。

1980—2018年，盤錦地區水稻平均播種期為104 d（4月13日），平均生育期長為168 d，水稻全生育期呈縮短趨勢，縮短速率為1.1 d/10 a。播種至出苗期、出苗至分蘗期、分蘗至抽穗期和抽穗至成熟期所需時間平均分別為9 d、54 d、56 d和52 d。播種至出苗期和出苗至分蘗期（即營養生長階段）呈縮短趨勢，縮短速率分別為0.1 d/10 a和3.9 d/10 a；分蘗至抽穗期和抽穗至成熟期（即生殖生長階段）呈延長趨勢，延長速率分別為1.4 d/10 a和1.5 d/10 a。

2.3 水稻生育期與氣候因子的關系分析

分析1980—2018年水稻播種期、播種至出苗期、出苗至分蘗期、分蘗至抽穗期、抽穗至成熟期及全生育期與相應水稻生長季的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、積溫、降水量、日照時數、平均相對濕度、平均風速的相關性，結果（表1）表明，水稻全生育期與平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫呈顯著負相關，即氣溫升高，水稻全生育期縮短。氣溫每升高1℃，水稻全生育期縮短0.11 d。水稻全生育期與日照時數呈顯著正相關，即日照時數減少，水稻生育期縮短。水稻全生育期與積溫、降水量、平均相對濕度和平均風速無顯著相關。這表明，水稻全生育期的水分和熱量足夠，主要受溫度和光照影響。

播種期與平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、積溫呈顯著正相關，與降水量、平均相對濕度呈顯著負相關。氣溫升高、降水量少和平均相對濕度小會使水稻播期推遲。氣溫每升高1℃，播種期推遲0.19 d。這表明，水稻播種期的光照足夠，主要受水分、溫度和熱量的影響。

播種至出苗期與平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、積溫、降水量呈顯著負相關。播種至出苗期氣溫升高和降水量增多，播種至出苗期縮短，水稻生育進程加快。氣溫每升高1℃，播種至出苗期縮短0.01 d。這表明，該階段光照足夠，主要受水分、溫度和熱量的影響。

出苗至分蘗期與積溫、降水量、日照時數、平均相對濕度呈顯著正相關。積溫、降水量和日照時數減小，出苗至分蘗期縮短。這表明，該階段受光、水分、溫度和熱量的影響。

分蘗至抽穗期和抽穗至成熟期分別與積溫和日照時數呈顯著正相關，與平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降水量均無顯著相關。積溫和日照時數增加，分蘗至抽穗期和抽穗至成熟期延長。這表明，水稻分蘗至抽穗期和抽穗至成熟期的水分與溫度足夠，主要受光照和熱量的影響。

水稻各生育期與風速均無顯著相關，但各生育期的主導影響因子不同，反映出不同的災害風險。

2.4 水稻生育期降水分配變化對水稻產量的影響

在一階差分預處理的基礎上，計算了單季稻產量與各生育期降水分配指數的相關系數，用來分析生育期降水分配格局變化對單季稻產量的影響（圖5）。結果表明，水稻播種至抽穗期的降水分配指數與產量呈正相關，抽穗至成熟期降水分配指數與產量呈負相關。營養生長期降水量的增加有利于水稻產量的提高，而生殖生長期降水量減少，則有利于水稻產量的增加。

3 結論與討論

3.1 氣候變化對水稻生育期的影響

盤錦地區水稻全生育主要受氣溫影響，氣溫升高1℃，全生育期縮短0.11 d；生育階段主要受降水量的影響，降水量主要影響著水稻營養生長階段。全生育期的溫度升高和播種；出苗期的充分水分和出苗至分蘗期的降水減少導致了水稻全生育期縮短，體現在營養生長期縮短、生殖生長期延長，從而促進水稻早熟增產。許多學者研究了氣溫、降水量對水稻生育期的影響[28]。侯雯嘉等[29]研究表明，氣候變暖和新育成品種是近20年東北三省水稻生育期延長的主要因素。而盤錦水稻生育期呈縮短趨勢，特別是2006—2018年栽培品種鹽豐47的生育期縮短幅度更大。1980—2018年盤錦水稻生育期內氣溫呈升高趨勢，然而水稻生殖期卻呈延長趨勢，可見并不能簡單的用溫度升高來解釋水稻生育進程縮短。研究表明，氣候條件的改變、品種更新、管理措施均對實際生產中水稻的生育期產生直接影響[30-31]。HU等[32]研究表明，在氣候變暖背景下品種和播種日期變化調節了作物生育期長度。對于單季稻和早稻，品種變化使生育期分別每10年延長了6.1±1.0 d、1.7±0.6 d，而對于晚稻，品種變化使生育期每10年縮短了4.1±1.6 d[33]。不同地區不同水稻品種生育期適應氣候變化也不盡相同，今后應在同一地區不同水稻品種或不同地區同一水稻品種適應氣候變化上進行深入的研究，細化各個水稻品種生育期與氣候變化的關系，定量分析品種、氣候條件、管理措施等對水稻生育期的影響。

3.2 氣候變化對水稻產量的影響

眾多學者從氣候變化的角度研究了氣溫和降水趨勢對水稻產量的貢獻。ZHANG等[34]研究表明，氣候變化對水稻產量的貢獻為-16%~10%。BAI等[33]研究表明，氣候變化導致水稻產量變幅為-17.4%~1.5%。朱珠等[26]認為，江蘇省近30年來平均氣溫的增長趨勢和降水量變化趨勢總體上對水稻的生長是有利的。本文研究水稻產量的變化主要從兩方面：一是氣候變化對水稻生育期的影響，進而影響到產量，生殖生長期的延長有利于產量的提高；二是生育期降水分配指數對產量的影響。生育期降水分配指數與水稻產量的相關性不顯著，可能是由于水稻生長發育所需水分是通過灌溉來滿足的，生育期降水分配如何定量的影響水稻產量還有待于進一步研究。水稻生長發育期夜間增溫幅度大于白天增溫幅度。營養生長期間，夜間增溫可以促進葉片生長、花后葉面積增加[35]，且水稻生殖生長期的延長，有利于干物質的積累形成?？偟膩碚f，盤錦地區水稻生長季平均氣溫升高和降水量減小后仍處于水稻適宜生長范圍內，對水稻產量提高是有利的。