2022, Vol. 48 
2. 气象防灾减灾湖南省重点实验室，长沙 410118
2. Key Laboratory of Hunan Meteorological Disaster Prevention and Mitigation, Changsha 410118
双季稻为充分利用气候资源、增加水稻产量提供了有效途径，在粮食安全中占有重要地位。但生产上需要考虑其安全生长，尤其要科学安排早稻播种期和晚稻齐穗期(马国辉，2000；吕伟生等，2016)。早稻播种过早，容易遭遇低温，影响出苗，导致出苗时间延长或烂种、烂秧; 过迟则会减少有效生长期。晚稻齐穗期安排过早，影响产量潜力；过迟则易遭遇寒露风, 不利齐穗与成熟。为保障双季稻安全生产，有必要掌握双季稻安全生长期。
界限温度是表明某些重要物候现象或农业活动开始和终止的温度(冯秀藻和陶炳炎, 1994)，由合理的界限温度和界限温度日期统计方法所确定的界限温度日期、持续日数，在农业气候分析、作物可能生长期评价及指导农业生产中具有重要意义(韩湘玲和孔杨庄, 1984；张运福等, 2009；郭芬芬等，2016)。
在双季稻安全生长期研究方面，艾治勇等(2014)、吕伟生等(2016)、岳伟等(2019)以日平均气温8℃为早稻覆膜育秧界限温度，以日平均气温12℃为露天育秧安全播种界限温度，以日平均气温22℃或23℃为晚稻安全齐穗界限温度，以早稻安全播种期至晚稻安全成熟期日数作为双季稻安全生长期，分别研究了长江中游地区(湖南、湖北和江西)、江西、安徽双季早稻播种期、晚稻齐穗期及双季稻安全生长期；黄维等(2020)以日平均气温稳定通过12℃为早稻安全播种界限温度，以日平均气温稳定通过22℃为晚稻安全齐穗界限温度，以早稻安全播种期至晚稻安全齐穗期日数作为双季稻安全生长期，研究了广西双季早稻播种期、晚稻齐穗期及双季稻安全生长期；曹秀霞等(2014)以气温10℃为界限温度，研究了湖北省早稻适宜播种期；陆魁东等(2007)研究了湖南日平均气温分别稳定通过8℃和10℃初日至稳定通过22℃终日间的持续日数。目前，双季稻安全生长期研究存在界限温度不一致，安全生长期确定标准不统一，统计方法复杂等现象。本文以双季籼稻主产区长沙为例，从统计方法、界限温度、安全生长期确定标准等方面，对双季稻安全生长期研究方法择优改良，以期为客观评价双季稻安全生长期，科学安排早稻播种期和晚稻齐穗期，规避早稻生长前期、晚稻生长后期等低温危害，保障双季稻安全生产提供更加科学的依据。
1 材料与方法 1.1 数据来源资料来源于长沙农业气象试验站，包括1961—2020年逐日日平均气温和1996—2020年双季稻发育期等。
1.2 界限温度日期和安全生长期统计采用曲曼丽(1990)的五日滑动平均法(简称滑动统计法)和王树廷(1982)的三日连续偏低法(简称连续统计法)统计日平均气温(简称气温，本文所指温度均为气温，下同)为8、10、12℃等早稻播种界限温度初日和20℃、22℃等晚稻齐穗界限温度终日。其中，滑动统计法先对气温做五日滑动处理，以处理后的滑动平均值为分析依据，连续统计法不对气温做处理，以气温原始值为分析依据，统计上半年气温连续3 d及以上≥8℃且其后无连续3 d及以上＜8℃的初日日期(简称8℃初日)，连续3 d及以上≥10℃且其后无连续3 d及以上＜10℃的初日日期(简称10℃初日)，连续3 d及以上≥12℃且其后无连续3 d及以上＜12℃的初日日期(简称12℃初日)；下半年第一次出现气温连续3 d及以上＜22℃的前一个≥22℃的日期为终日日期(气温连续3 d及以上≥22℃的终日日期，简称22℃终日)，下半年第一次出现气温连续3 d及以上＜20℃的前一个≥20℃的日期为终日日期(气温连续3 d及以上≥20℃的终日日期，简称20℃终日)。以大于等于早稻播种界限温度初日日期为早稻界限温度播种期，以晚稻齐穗界限温度终日日期为晚稻安全齐穗期，以早稻界限温度播种期至晚稻安全齐穗期日数为双季稻安全生长期。
1.3 保证率计算安全生长期保证率计算采用经验频率法(曲曼丽，1990)。计算公式为：
| $ P_m=m /(n+1) \times 100 \% $ |
式中：m为初(终)日按日期迟早顺序排列的序号，n为统计年数(即资料年数)，Pm为序号m的保证率，保证率≥80%的序号所对应的日期，为80%保证率日期。
1.4 气候变化率分析采用最小二乘法(魏凤英，2007)，将早稻播种界限温度初日日期、晚稻安全齐穗期、双季稻安全生长期等因变量随时间的变化趋势拟合成一元线性方程y=at+b，式中：y为因变量，a表示因变量变化倾向率，b为回归常数，t为年份时间序列，a×10表示因变量每10年的气候变化率。
用Microsoft Excel 2010进行保证率计算和图表绘制，用DPS数据处理系统19.05高级版进行气候变化倾向率等回归分析。
2 结果与分析 2.1 连续统计法与滑动统计法合理性验证为了研究连续统计法与滑动统计法在界限温度日期统计中的合理性，本文以气温8、10、12℃为界限温度，分析了两种方法得出的界限温度初日差异。结果表明，以气温8℃为界限温度，初日平均日期相差2 d，80%保证率日期相差1 d；以气温10℃为界限温度，初日平均日期相差2 d，80%保证率日期相差0 d；以气温12℃为界限温度，初日平均日期相差1 d，80%保证率日期相差1 d(表 1)。说明连续统计法与滑动统计法得出的界限温度初日平均日期及80%保证率日期相差很小，都可用于界限温度日期统计。考虑连续统计法统计简便的优势(王树延，1982)，除特别说明外，本文采用连续统计法统计界限温度日期。
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表 1 1961—2020年基于不同统计方法的长沙早稻界限温度初日日期 Table 1 Changsha boundary temperature first day date of early rice based on different statistical methods in Changsha from 1961 to 2020 |
早稻播种大多以气温8℃或10℃为界限温度，也有以12℃为界限温度。研究表明，以气温8℃为播种界限温度，≥8℃初日平均日期为3月9日，80%保证率日期为3月21日；以气温10℃为播种界限温度，≥10℃初日平均日期为3月22日，80%保证率日期为3月29日；以气温12℃为播种界限温度，≥12℃初日平均日期为3月30日，80%保证率日期为4月10日(表 1)，以气温8℃为播种界限温度，其界限温度初日比10℃、12℃为界限温度早。说明以不同气温为播种界限温度，界限温度初日不同，界限温度提高，播种初日推迟。
2.2.2 不同播种界限温度及其初日日期适应性准确的播种界限温度及其初日日期是安排播种的重要依据。为了研究早稻播种界限温度及其初日日期与早稻实际播种期的适应性，本文分析了1996—2020年逐年早稻覆膜育秧实际播种期与对应年份不同播种界限温度初日日期差异，差值由式(1)得出，同时引入式(2)计算得到适用度指标。
| $ D=D_1-D_2 $ | (1) |
| $ A=a / n \times 100 \% $ | (2) |
式中：D为实际播种期(D1)与初日日期(D2)差值。D≥0 d，实际播种在初日日期当天或之后，表示初日日期适用; D＜0 d，实际播种在初日日期之前，表示初日日期不适用。A为适用度，a为适用次数，n为样本量。
由表 2可见, 分别以气温8、10、12℃为播种界限温度，初日日期与实际播种期适用度依次降低，以10℃、12℃为播种界限温度，其初日日期对覆膜育秧早稻播种的指导作用不如以8℃为界限温度的效果。
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表 2 1996—2020年长沙早稻实际播种期与不同播种界限温度初日日期差值 Table 2 The actual sowing date of early rice and first day date at different sowing boundary temperatures in Changsha from 1996 to 2020 |
为了进一步探究不同播种界限温度及其初日日期与早稻实际播种期的适应性，按照生产上常用的早稻播种应在播种界限温度80%保证率日期当天或以后的要求，分析了1996—2020年长沙逐年早稻实际播种期与对应年份大于等于不同播种界限温度80%保证率日期差异。其差值由式(3)得出。
| $ d=d_1-d_2 $ | (3) |
式中：d为实际播种期(d1)与大于等于播种界限温度80%保证率日期(d2)差值。d≥0 d，实际播种期在大于等于播种界限温度80%保证率日期当天或之后；d＜0 d，实际播种期在大于等于播种界限温度80%保证率日期之前。
分析表明，全部实际播种期与≥8℃界限温度80%保证率日期(3月21日)相比，d≥0 d的有62次，比例为82.7%，d＜0 d的有13次，比例为17.3%，即82.7%的早稻在80%保证率日期当天或之后播种，说明该80%保证率日期符合生产实际；全部实际播种期与≥10℃界限温度80%保证率日期(3月29日)相比，差值d≥0 d的有11次，比例为14.7%，d＜0 d的有63次，比例为85.3%，即14.7%的早稻在80%保证率日期当天或之后播种，说明该80%保证率日期不符合生产实际；全部实际播种期与≥12℃界限温度80%保证率日期(4月10日)相比，d≥0 d的有0次，比例为0.0%, 即所有早稻在80%保证率日期之前播种，说明该80%保证率日期不符合生产实际。综上所述，≥8℃的80%保证率日期，比≥10℃及≥12℃的80%保证率日期对覆膜育秧早稻播种的指导性更强，更符合生产实际需求。
2.3 不同界限温度安全齐穗期及双季稻安全生长期 2.3.1 不同界限温度晚稻安全齐穗期及适用性气温20℃、22℃是晚稻安全齐穗界限温度(中国气象局，2008；2013)。研究表明，以气温22℃为安全齐穗界限温度，晚稻安全齐穗期(22℃终日)最早日期为9月2日，最迟日期为10月11日，相差39 d，平均日期为9月19日，80%保证率日期为9月9日；以20℃为安全齐穗界限温度，晚稻安全齐穗期(20℃终日)最早日期为9月2日，最迟日期为10月23日，相差51 d，平均日期为10月2日，80%保证率日期为9月26日。以22℃为齐穗界限温度，晚稻安全齐穗期比以20℃为齐穗界限温度早。
为比较22℃安全齐穗期和20℃安全齐穗期适用性。定义实际齐穗期早于或等于安全齐穗期，安全齐穗期适用，记为“T”，否则，安全齐穗期不适用，记为“F”，适用度由式(2)计算得出。分析表明，以22℃为安全齐穗界限温度，其安全齐穗期适用17次，适应度为68%，以20℃为安全齐穗界限温度，其安全齐穗期适用21次，适应度为84%(表 3)。但这不能说明以20℃为安全齐穗界限温度更适用籼稻，因为20℃是粳稻安全齐穗界限温度。
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表 3 1996—2020年长沙晚稻齐穗期和生长期及其适用性 Table 3 Full heading date, growth period and applicability of late rice in Changsha from 1996 to 2020 |
分析表明，以气温8℃为早稻安全播种界限温度，以气温22℃为晚稻安全齐穗界限温度，双季稻安全生长期(8℃初日至22℃终日)最少有164 d，最多为251 d，相差87 d，平均为194.5 d，80%保证率日数≥179 d；以气温10℃为早稻安全播种界限温度，以气温22℃为晚稻安全齐穗界限温度，双季稻安全生长期(10℃初日至22℃终日)最少有152 d，最多为212 d，相差60 d，平均为182.2 d，80%保证率日数≥170 d；以12℃为安全播种界限温度，以22℃为安全齐穗界限温度，双季稻安全生长期(12℃初日至22℃终日)最少有138 d，最多为209 d，相差71 d，平均为173.6 d，80%保证率日数≥164 d(表 4)。从表 4可以看出，界限温度标准不同，双季稻安全生长期不同，以气温8℃为播种界限温度，双季稻安全生长期平均日数、80%保证率日数比以气温10℃、12℃为播种界限温度多，以20℃为安全齐穗界限温度，双季稻安全生长期平均日数比以22℃为安全齐穗界限温度多。
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表 4 1961—2020年长沙不同界限温度双季稻安全生长期(单位：d) Table 4 Safe growth period of double cropping rice at different boundary temperatures in Changsha from 1961 to 2020 (unit: d) |
为比较不同界限温度安全生长期适用性。定义实际生长期少于或等于安全生长期，安全生长期适用，记为“T”；否则，安全生长期不适用，记为“F”。适用度由式(2)计算得出。分析表明，1996—2020年, 以22℃为安全齐穗界限温度，分别以8、10、12℃为播种界限温度，其安全生长期适应次数依次为25、24、20次，适应度分别为100.0%、96.0%、80.0%(表 3)。说明在安全齐穗界限温度相同的情况下，以8℃为播种界限温度，安全生长期适用性比以10℃、12℃为播种界限温度好。因实际生长期数据来自籼稻，本文未对以20℃为安全齐穗界限温度的安全生长期做适用性分析。
2.4 长沙双季稻安全生长期湖南是典型籼稻区(邓文等，2016)，由上所述，本文以8℃为早稻播种界限温度，以22℃为安全齐穗界限温度，研究长沙双季稻安全生长期，下文进一步研究其气候变率及变化规律。
2.4.1 早稻播种界限温度≥8℃播种期气候变率及其规律研究表明，1961—2020年长沙早稻播种界限温度≥8℃的播种期总体呈提前趋势，气候变率为每10年提前约2.2 d，且通过了P=0.05显著性水平检验(P=0.0129)。深入分析发现，早稻播种界限温度≥8℃播种期变化不是简单的直线趋势，变化趋势可用y1=-0.0096x12+37.939x1+6729.5表示(图 1)，式中：y1为播种界限温度≥8℃播种期，x1为年份，经显著性水平检验，曲线变化趋势显著(P=0.0105)。
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图 1 1961—2020年长沙早稻播种界限温度≥8℃播种期变化 Fig. 1 Sowing date variation trend of sowing limit temperature ≥8℃ of early rice in Changsha from 1961 to 2020 |
研究表明，1961—2020年以气温22℃为长沙晚稻齐穗界限温度，晚稻安全齐穗期呈推迟趋势，气候变率为每10年推迟1.2 d，但未通过显著性水平检验(P=0.1045)。由图 2可见，晚稻安全齐穗期变化规律可用曲线y2=0.0046x22-18.114x2+62363表示，式中：y2为安全齐穗日期，x2为年份，但趋势不明显(P=0.1727)。
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图 2 1961—2020年长沙晚稻安全齐穗期变化趋势 Fig. 2 Variation trend of safe full heading stage of late rice in Changsha from 1961 to 2020 |
以气温8℃为早稻安全播种界限温度，以气温22℃为晚稻安全齐穗界限温度，长沙双季稻安全生长期呈增加趋势，气候变率为每10年增加3.4 d，增加趋势达极显著水平(P=0.0047)。进一步分析发现，双季稻安全生长期呈曲线变化(图 3)，变化趋势可表达为y3=0.0142x32-56.053x3+55 634，式中：y3为安全生长期，x3为年份，经显著性水平检验，曲线变化趋势极显著(P=0.0031)。
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图 3 1961—2020年长沙双季稻安全生长期变化趋势 Fig. 3 Varination trend of safe growth period of double cropping rice in Changsha from 1961 to 2020 |
(1) 不同的气象业务和研究，经常采用不同的统计方法(汪玲瑶等, 2018；黄文彦等, 2019)。农业界限温度日期统计方法有二倍偏差法、五日滑动平均法、三日连续偏低法、直方图法等，且各有所长(王树廷, 1982；韩湘玲和孔杨庄, 1984)。本研究表明，采用连续统计法(三日连续偏低法)得出的界限温度初日日期与滑动统计法(五日滑动平均法)得出的界限温度初日日期相差很小甚至相同，结论与王树廷(1982)一致。与三日连续偏低法相比，五日滑动平均法比较复杂，在气候分析中还会因五日平均值相差0.1℃或0.2℃，出现近百甚至几百摄氏度积累(积温)的舍弃(浪费)等不足(王树廷, 1982)。综合来看，这两种统计方法都能较好地反映界限温度“稳定通过”的统计要求，但连续统计法具有统计简便的优势，在春播、寒露风等气象服务中也广泛被采用，可用于双季稻安全生长期研究。
(2) 气温10℃为喜温作物开始播种的临界温度(郭芬芬等, 2016)，也是长江中下游早稻露天育秧播种界限温度(王学林等, 2021；段里成等, 2021)。在热量资源丰富的广西，露天育秧播种界限温度为12℃(黄维等，2020)。随着育秧技术的改良，中国南方双季稻主产区普遍使用薄膜育秧(叶清等, 2013；段里成等, 2021)，如湖南80%左右的早稻采取薄膜育秧(包括工厂化育秧)，由于薄膜覆盖的增温效应，这些地区将8℃作为播种界限温度(刘敏等, 2011；艾治勇等，2014；吕伟生等, 2016；岳伟等, 2019)。综合来看，播种界限温度跟地域和育秧方式有关，以气温12℃为播种界限温度，适用于热量资源丰富、双季稻生长季节“富余”的华南双季稻区(梅方权等，1988)及其邻近双季稻区，可采用露天育秧和直播方式；以气温10℃为播种界限温度，理论上适用于南方地区的露天育秧，但育秧期间有遭遇气温小于12℃天气的风险，出现烂种烂秧(余学知等，2006)，从降低风险出发，最好采用覆膜育秧；以8℃为播种界限温度，适用于热量资源略显不足的双季稻区的覆膜育秧，而不适用于露天育秧。
(3) 以不同界限温度为依据安排播种，各有利弊。长沙以气温8℃为界限温度，播种早，双季稻安全生长期长，气候资源利用率高，但播种后遭遇低温危害风险大。以气温10℃或12℃为界限温度，播种迟，可以降低播种后遭遇低温危害的风险，但双季稻安全生长期短，气候资源利用率降低。仅考虑早稻播种，以气温10℃或12℃为界限温度，比以气温8℃为界限温度有利。从全年水稻生产和气候资源利用考虑，以气温8℃为播种界限温度更有积极意义且符合生产实际。事实上，在长沙地区，≥10℃的80%保证率日期前播种的早稻，不仅比例超过80%，且播种后生长正常，而且不存在≥12℃的80%保证率日期之后播种的早稻。
(4) 能否安全齐穗是衡量晚稻安全生产的一个重要标志。双季晚稻安全齐穗通常以气温20℃或气温22℃为界限温度，以气温22℃为晚籼稻安全齐穗界限温度已得到普遍认可。本文以早稻播种界限温度初日日期至晚稻安全齐穗期日数为双季稻安全生长期，与梁平等(2007)、黄维等(2020)思路一致，也符合水稻安全生产要求。
(5) 在气候变化大背景下, 有些地区主要农业生长季气候资源变暖(黄中艳和朱勇，2009)，对物候的影响颇为显著(蔡榕硕和付迪，2018)，北半球生长季的开始日期提前、结束日期推迟(秦大河，2014；吴蓓蕾等，2021)，中国不同地区代表性植物春季物候期呈提前趋势(中国气象局气候变化中心，2021)，作物生长季增加，植被生长季有延长趋势(陈怀亮等，2011)。本研究表明，以8℃为界限温度，早稻播种期呈提前趋势，以22℃为界限温度，安全齐穗期呈推迟趋势，整个双季稻安全生长期增加，结论与刘敏等(2011)、谢远玉等(2016)相同，安全生长期等非直线变化结论，与叶清等(2013)结论一致。随着气候变暖，早稻播种期提前是一种趋势。但由于早稻播种期间天气复杂，播种应灵活掌握，春季温度回升早的年份，可适当提前，春季温度回升慢的年份，应相应推迟。
在科研和业务中，研究指标和方法择优一直受科研人员关注，并取得了较好效果(赵俊虎等，2018；程丛兰等，2019；陆静文等，2020)。本文采用的界限温度、界限温度日期统计方法、安全生长期确定标准等用于研究以覆膜育秧为主的长沙双季籼稻安全生长期，具有较高可信度和适用性，对其他双季籼稻区覆膜育秧有一定借鉴作用，但需进一步验证。
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