金文俊 ,陳小飛 ,陳金華 ,韋 志 ,雷偉俠 ,孔令聰 ,杜祥備**

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所 合肥 230031;2.安徽省農(nóng)業(yè)氣象中心 合肥 230031)

長江中下游是我國重要的農(nóng)業(yè)區(qū),該區(qū)域充沛的光、溫和水資源為多熟種植制度奠定了基礎(chǔ),如糧油輪作、棉油輪作和糧菜輪作等。水稻-油菜兩熟制是長江中下游地區(qū)主要種植制度之一,也是響應我國糧油發(fā)展重大戰(zhàn)略的重要種植模式,對提高單位面積產(chǎn)量、氣候資源利用率和促進油料產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義[1]。然而,長江中下游的安徽地區(qū)油菜種植面積從2003 年101.5 萬hm2縮減至2021 年的37.3 萬hm2[2-3],稻油復種模式逐漸向稻麥輪作模式轉(zhuǎn)變[4]。這一方面是由于政策變化和經(jīng)濟效益等諸多原因?qū)е罗r(nóng)民種植積極性不高[5];另一方面,水稻收獲期晚占用較多氣候資源嚴重影響油菜種植。因此,合理分配稻-油復種模式中各生長季的氣候資源是實現(xiàn)稻-油復種模式穩(wěn)定發(fā)展的重要前提。

合理分配季節(jié)間氣候資源在多熟制中已被廣泛研究,比如麥-玉兩熟系統(tǒng)下的“雙晚”技術(shù)[6]和稻麥兩熟系統(tǒng)的雙季適時晚播技術(shù)[7]均可實現(xiàn)周年豐產(chǎn)和資源高效利用。但是,稻-油復種模式下季節(jié)間氣候資源合理配置方式尚不清晰。對于安徽沿江地區(qū)來說,以水稻(Oryza sativa)生產(chǎn)為中心,提高氣候資源分配可以實現(xiàn)稻麥周年增產(chǎn)和資源高效利用[8]。但油菜(Brassica napus)產(chǎn)量和品質(zhì)與播期存在明顯負相關(guān)關(guān)系[9-10],水稻季氣候資源分配過多不利于油菜生產(chǎn)。減少水稻季資源分配可有效提高直播方式下油菜產(chǎn)量和光溫生產(chǎn)效率,但是會導致水稻產(chǎn)量下降[11]。因此,為保證水稻生產(chǎn)中足夠的氣候資源,生產(chǎn)上常用移栽方式解決油菜季氣候資源不足問題。移栽種植方式有利于銜接茬口,并通過秧田時期補充光溫資源[12-13]。相對于移栽方式,直播方式可縮短作物生育期,同時也能保證產(chǎn)量和提高經(jīng)濟效益[14-15],在生產(chǎn)上同樣被大量運用。然而,目前針對稻-油復種模式中移栽和直播方式下季節(jié)間光、溫和降水資源配置的研究較少。

光、溫和降水等氣候資源是作物生產(chǎn)的重要因子,其變化對作物生長發(fā)育、生產(chǎn)具有重要影響[16-18]。受全球氣候變化影響,長江中下游地區(qū)光資源逐年減弱[19],氣溫逐年升高、降水量逐年上漲[20],周年氣候生產(chǎn)潛力呈下降趨勢[21]。氣候資源變化在未來可能成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一,但目前鮮有研究從氣候變化角度分析兩種種植方式面臨的氣候問題。因此,本研究通過分析安徽省沿江地區(qū)近30年的氣象數(shù)據(jù),明確稻-油復種模式中不同種植方式水稻季和油菜季氣候資源分配、變化特征和面臨的氣候問題,為安徽沿江地區(qū)稻-油復種周年資源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以安徽省沿江地區(qū)近30 年氣候數(shù)據(jù)為研究對象,選取1992—2022 年數(shù)據(jù)較完整的27 個氣象站點數(shù)據(jù)(圖1)。所有氣象數(shù)據(jù)源于安徽省氣象研究中心,包括總輻射、日照時數(shù)、積溫、平均氣溫、平均日最高氣溫、平均日最低氣溫和降水量。

1.2 水稻、油菜不同種植方式下生育期界定

本文主要針對安徽沿江地區(qū)水稻-油菜復種模式中水稻季和油菜季移栽(T)與直播(D)兩種種植方式下農(nóng)業(yè)氣候資源分配和演變特征。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,安徽沿江地區(qū)稻油兩熟制高產(chǎn)栽培模式下油菜需要在10 月15 日前播種,次年5 月20 日之前收獲,油菜移栽時秧田期一般為30 d;水稻為單季稻,5 月30 日之前播種,一般選生育期為150 d 左右的水稻品種,直播方式下水稻生育期縮短8 d[14,22],水稻移栽時秧田期一般為15～20 d。根據(jù)高產(chǎn)栽培經(jīng)驗和資源不浪費原則,本研究中水稻移栽播種節(jié)點設(shè)為5 月10 日,收獲節(jié)點設(shè)為10 月10日;水稻直播播種節(jié)點設(shè)為5月25 日,收獲節(jié)點設(shè)為10 月17日;油菜直播播種節(jié)點設(shè)為10 月10 日,收獲節(jié)點設(shè)為次年5 月20日;油菜移栽播種節(jié)點設(shè)為9 月15 日,收獲節(jié)點設(shè)為次年5 月20 日。本研究從整體角度設(shè)定水稻和油菜播種和收獲的平均日期,未考慮作物播期和生育期在不同緯度、海拔地區(qū)、作物品種和農(nóng)事操作之間的細微差異。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 氣候傾向率

將氣候資源(輻射、溫度、積溫、降水和日照時數(shù))與時間進行線性回歸(Y=a+bX)。其中,b×10 為氣候傾向率,即為每10 年氣候因子變化率。

1.3.2 氣候生產(chǎn)潛力

光合生產(chǎn)潛力根據(jù)鄧根云等[23],采用溫度函數(shù)[24]訂正光合生產(chǎn)潛力得到。安徽沿江地區(qū)油菜季雨水基本滿足生產(chǎn),水稻季均需補充灌溉,除極端天氣外降水量不會限制生產(chǎn)潛力,因此本文不采用水分函數(shù)繼續(xù)訂正光溫生產(chǎn)潛力。相關(guān)計算公式如下:

光合生產(chǎn)潛力:

光溫生產(chǎn)潛力:

式中:Yp為光合生產(chǎn)潛力,kg·hm-2;C為干物質(zhì)發(fā)熱量,水稻取16.9 MJ·kg-1,油菜取17.7 MJ·kg-1;F為光能利用率,取2%;E為經(jīng)濟系數(shù)(水稻: 0.5;油菜:0.35);Q為太陽總輻射(MJ·m-2);Ypt為光溫生產(chǎn)潛力(kg·hm-2);T為平均溫度(℃);Tmin、Ts和Tmax分別為作物三基點溫度(水稻分別取10 ℃、30 ℃和42 ℃,油菜分別取4 ℃、20 ℃和30 ℃)[24-25]。

油菜季積溫為平均溫度≥0 ℃的溫度總和,水稻季積溫為平均溫度≥10 ℃的溫度總和。本文通過Excel 2021 和R 4.1.2 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻油兩熟制不同種植方式下季節(jié)間光資源分布特征

不同種植方式下水稻季和油菜季總輻射量和日照時數(shù)均呈下降趨勢(圖2)。水稻季移栽方式下總輻射和日照時數(shù)分別為1413.05～3033.77 MJ·m-2和294.50～1389.40 h,氣 候傾 向率分別為-27.9 MJ·m-2·(10a)-1和-18.7 h·(10a)-1;水稻季 直播方 式下總 輻射和日 照時數(shù) 分別為1375.07～2869.26 MJ·m-2和321.20～1333.50 h,氣 候傾 向率分別為-28.8 MJ·m-2·(10a)-1和-19.4 h·(10a)-1;油菜季移栽方式下總輻射和日照時數(shù)分別為1745.41～3849.33 MJ·m-2和527.90～2212.10 h,氣候傾向率分別為-40.5 MJ·m-2·(10a)-1和-36.6 h·(10a)-1;油菜季直播方式下總輻射和日照時數(shù)分別在1369.25～3205.63 MJ·m-2和354.60～1843.10 h之間,氣候傾 向率分別為-26.6 MJ·m-2·(10a)-1和-26.2 h·(10a)-1。水稻季和油菜季總輻射和日照時數(shù)最低值和最高值均出現(xiàn)在2019—2020 年的周年內(nèi),且分別在當涂和宣城兩地。其中,水稻季和油菜季移栽方式下日照時數(shù)和總輻射量均高于直播方式。油菜季光資源分布高于水稻季,與其生育期較長有關(guān)。

圖2 不同種植方式下稻油兩熟制不同作物生長季光資源演變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 稻油兩熟制不同種植方式下季節(jié)間熱量資源分布特征

1992—2022 年,安徽沿江地區(qū)熱量資源呈逐漸增加趨勢,兩季移栽方式下積溫均高于直播方式(圖3)。水稻季移栽和直播方式下平均氣溫傾向率分別為0.25 ℃·(10a)-1(P＜0.05)和0.21 ℃·(10a)-1,≥10 ℃積溫傾向率為36.0 ℃·d·(10a)-1和28.7 ℃·d·(10a)-1;油菜季移栽和直播方式下平均氣溫傾向率分別為0.36℃·(10a)-1(P＜0.01)和0.39 ℃·(10a)-1(P＜0.01),≥0 ℃積溫傾向率分別為85.6 ℃·d·(10a)-1(P＜0.01)和80.0℃·d·(10a)-1(P＜0.001)。水稻季平均氣溫和≥10 ℃積溫最高值分別為27.60 ℃和4227.30 ℃·d (2022 年,銅陵),最低值分別為23.55 ℃ (1993 年,來安)和3453.50 ℃·d (2015 年,滁州);油菜季平均氣溫和≥0 ℃積溫最高值分別為14.02 ℃和3406.90 ℃·d (2007 年,安慶),最低值分別為7.91 ℃和1727.90 ℃·d (1996 年,來安)。水稻季直播和移栽方式下平均氣溫無顯著差別,而移栽方式下≥10 ℃積溫高于直播方式。油菜季移栽方式下平均氣溫和≥0 ℃積溫明顯高于直播方式,移栽方式下平均氣溫較直播方式高0.96～1.43℃。近30 年,油菜季熱量資源上升趨勢明顯強于水稻季。

圖3 不同種植方式下稻油兩熟制不同作物生長季熱量資源演變Fig.3 Evolution of heat resources in each growing season of different crops in rice-oilseed rape double cropping system under different cultivation patterns

如圖4 所示,水稻季平均日最高氣溫和最低氣溫在兩種種植方式間無明顯差別,移栽和直播方式下平均日最高氣溫傾向率分別為0.30 ℃·(10a)-1(P＜0.05)和0.24 ℃·(10a)-1,平均日最低氣溫傾向率分別為0.23 ℃·(10a)-1(P＜0.05)和0.21 ℃·(10a)-1(P＜0.05)。水稻季平均日最高氣溫最高值為32.70 ℃ (2022 年,青陽),平均日最低氣溫最低值為19.97 ℃ (1993 年,來安)。油菜季平均日最高氣溫和最低氣溫在兩種種植方式間有明顯差別,移栽方式下平均日最高氣溫和最低氣溫較直播方式分別高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氣溫傾向率分別為0.37 ℃·(10a)-1(P＜0.01)和0.42℃·(10a)-1(P＜0.01),平均日最低氣溫傾向率分別為0.40 ℃·(10a)-1(P＜0.01)和0.41℃·(10a)-1(P＜0.01)。油菜季平均日最高氣溫最高值為19.19 ℃ (2007 年,冬至),平均日最低氣溫最低值為3.24 ℃ (1996 年,來安)。

圖4 不同種植方式下稻油兩熟制不同作物生長季平均日最高氣溫和最低氣溫變化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 稻油兩熟制不同種植方式下季節(jié)間降水資源分布特征

1992—2022 年,安徽沿江地區(qū)降水量呈逐漸增加趨勢(圖5)。水稻季移栽和直播方式下降水傾向率分別為45.4 mm·(10a)-1和55.7 mm·(10a)-1,油菜季分別為21.5 mm·(10a)-1和12.5 mm·(10a)-1。近30 年,降水量在地區(qū)與年際之間差異較大,水稻季降水量最低值 為166.50 mm (1994 年,滁 州),最大值 為1872.3 mm (1999 年,青陽);油菜季最低值為134.7 mm(2011 年,滁州),最高值為1197.2 mm (2016 年,望江)。

圖5 不同種植方式下稻油兩熟制不同作物生長季降水資源變化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 稻油兩熟制不同種植方式下作物生產(chǎn)潛力

近30 年,安徽沿江地區(qū)水稻季和油菜季光合生產(chǎn)潛力(Yp)呈下降趨勢,光溫生產(chǎn)潛力(Ypt)呈上升趨勢,其中油菜直播方式下光溫生產(chǎn)潛力每10 年顯著上升170.2 kg·hm-2(表1)。水稻直播方式下光合生產(chǎn)潛力下降速度略高于移栽方式,而光溫生產(chǎn)潛力上升速率低于移栽方式。油菜直播方式下光合生產(chǎn)潛力下降速率低于移栽方式,而光溫生產(chǎn)潛力上升速率高于移栽方式。與直播方式相比,水稻移栽方式下平均光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力分別提高7.46%和7.26%,油菜移栽方式下光合生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力平均提高15.98%和36.61%。

表1 不同種植方式下水稻季和油菜季氣候生產(chǎn)潛力Table 1 Climate production potential in rice season and oilseed rape season under different cultivation patterns

3 討論與結(jié)論

近30 年,稻-油復種模式下水稻季和油菜季光資源(總輻射、日照時數(shù))呈下降趨勢(圖2)。這與長江中下游流域光資源周年變化趨勢一致[26],主要歸因于陰天數(shù)增加和直接輻射量下降[19]。光資源的下降減少了作物可吸收光能,不利于作物生產(chǎn)。移栽方式可延長作物生育期,優(yōu)化光資源配置和資源利用效率[13]。從光資源傾向率來看,水稻季移栽方式下總輻射和日照時數(shù)下降速率低于直播方式,而油菜季移栽方式下光資源下降速率高于直播方式。這可能是由于稻-油復種模式下水稻生長季主要處于春分至秋分之間,而油菜生長季主要處在秋分至春分之間。春分之后長江中下游地區(qū)光資源逐漸增強,當水稻生育期延長時便可獲得更多更穩(wěn)定的光資源,而油菜季與之相反。

近30 年,稻-油復種模式下水稻季和油菜季有效積溫均呈上升趨勢(圖3),這歸因于氣候變暖導致的平均氣溫持續(xù)上升和氣溫≥10 ℃、≥0 ℃的天數(shù)增加[27]。水稻季移栽和直播兩種方式下氣溫差異較小,移栽方式主要通過水稻生育期的延長增加積溫。此外,李建等[28]研究發(fā)現(xiàn)水稻季高溫天氣的積溫增加了部分積溫,導致積溫利用效率下降。本研究發(fā)現(xiàn)水稻季移栽方式下平均日最高氣溫以0.30 ℃·(10a)-1速度上升(P＜0.05),近幾年平均日最高氣溫已超過30 ℃ (圖4),這將對水稻生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響[29-30]。對于油菜季,移栽方式下其平均氣溫、平均日最高氣溫和平均日最低氣溫均增加,致使其在移栽方式下積溫更高。本研究中油菜季移栽方式下氣溫較直播方式的增加主要集中在生育前期的延長階段(9—10 月)。雖然隨著氣溫升高油菜季低溫凍害發(fā)生次數(shù)和持續(xù)天數(shù)減少[31],但是油菜容易在冬前現(xiàn)蕾開花或苗期生長過旺進而不利于越冬和抵抗倒春寒。叢日環(huán)等[32]研究表明,長江中下游兩熟區(qū)9—11 月平均氣溫每增加0.1 ℃,油菜產(chǎn)量減少53 kg·hm-2。由此看來,移栽方式可增加有效積溫,但其伴隨的氣溫上升也導致水稻和油菜生產(chǎn)面臨其他重要問題。

光溫生產(chǎn)潛力是指作物在其他條件不受限的情況下充分利用光、溫資源的潛在生產(chǎn)力[33]。本研究發(fā)現(xiàn)稻-油復種模式下水稻季近30 年光溫生產(chǎn)潛力變化幅度較小,油菜季光溫生產(chǎn)潛力則明顯上升(表1)。生產(chǎn)潛力變化趨勢與羅海平等[34]研究相似,雖然光資源的下降降低了光合生產(chǎn)潛力,但是溫度資源上升對氣候生產(chǎn)潛力具有促進作用。水稻季氣候生產(chǎn)潛力受光溫綜合影響顯著[35],熱量資源上升的影響與光資源下降的影響相當,導致光溫生產(chǎn)潛力變化較小,移栽方式則通過延長水稻生育期補充光、熱資源進而提高光溫生產(chǎn)潛力。對于油菜季,氣溫上升的影響能夠完全抵消光資源下降的影響并使光溫生產(chǎn)潛力增加,而移栽方式通過延長生育期和提高平均氣溫增加光溫生產(chǎn)潛力。

從氣候變化角度來看,稻-油復種周年生產(chǎn)主要面臨光資源持續(xù)下降和氣溫不斷上升等問題。稻油兩熟制下采用移栽方式可增加水稻季和油菜季光、溫資源配置,提高光溫生產(chǎn)潛力,在安徽沿江地區(qū)兩季移栽方式將是應對氣候變化且具有更高生產(chǎn)潛力的有效種植方式。但是,該方式下平均日最高氣溫呈顯著上升趨勢的現(xiàn)象值得被關(guān)注(圖4)。隨著全球增溫,水稻花期高溫熱害[36]和油菜提前現(xiàn)蕾開花[37-38]等問題日益突出,可以借鑒稻-麥輪作模式中雙季適時晚播技術(shù)[7]。油菜季移栽方式下適當晚播推遲移栽,一方面可以有效應對苗期氣溫升高,減少苗期由于生長過旺導致的凍害;另一方面將更多光溫資源分配于水稻季,水稻季則可以選用生育期更長、增產(chǎn)潛力更大的品種,以便推遲水稻花期而避開高溫熱害。相比移栽方式,油菜季直播方式下光溫生產(chǎn)潛力顯著上升,播種期相對較晚可應對苗期氣溫升高問題,未來該方式在稻油兩熟生產(chǎn)模式下更具有產(chǎn)量挖掘潛力。但直播方式下由于作物生育期縮短導致光、溫資源配置較少,該方式下需要采用高光效品種和構(gòu)建光資源高效利用群體。此外,基于直播方式下油菜產(chǎn)量與播期呈負相關(guān)[10]的前提,采用直播方式時應適當早播,但也不宜過早,防止冬前生長過旺、根頸上抬或過早抽薹,增加越冬凍害風險。

本研究僅從未來氣候適應性和氣候資源配置等角度探討了稻-油復種周年內(nèi)移栽方式和直播方式適配問題,而兩種種植方式下還涉及到產(chǎn)量、養(yǎng)分利用效率、經(jīng)濟效益和作物抗性[10,39-42]等問題還需進一步權(quán)衡。此外,考慮到安徽沿江地區(qū)降水量較多且呈增加趨勢,水資源相對充足,田間排水條件較好,本文僅對光合生產(chǎn)潛力與光溫生產(chǎn)潛力的變化趨勢進行了比較,未分析包括光、溫和水等要素在內(nèi)的氣候生產(chǎn)潛力。然而,特大洪澇、高溫和干旱等重大災害對作物生長和氣候生產(chǎn)潛力也具有嚴重影響,且播種季降雨資源的增加不利于直播方式進行。氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響遠不止于此,比如全球氣候變暖改變作物播期和縮短作物生育期[43-44]、增加油菜病蟲害發(fā)生[45-46]、CO2濃度升高產(chǎn)生CO2施肥效應[47-48]。因此,有關(guān)氣候變化對長江中下游稻-油復種系統(tǒng)氣候生產(chǎn)潛力和實際生產(chǎn)的影響有待于進一步研究。

總體來看,安徽沿江地區(qū)稻油兩熟制中移栽方式較直播方式可獲得更多光、溫資源配置,并提高光溫生產(chǎn)潛力,可作為應對未來光資源持續(xù)下降的首選種植方式。但移栽方式下平均日最高氣溫顯著上升的問題不容忽視,油菜季應適當晚播推遲移栽應對苗期增溫,水稻季采用耐高溫和生育期較長品種并推遲移栽以避免花期高溫熱害。相比移栽方式,直播方式下光、溫資源減少,該方式下需要采用高光效品種和構(gòu)建光資源高效利用作物群體。