安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害分布規律

郭建茂， 李淑婷， 謝曉燕， 吳　越， 王錦杰， 申雙和

(南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/江蘇省農業氣象重點實驗室/南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇南京 210044)

IPCC第五次評估報告指出，過去百余年來，全球幾乎所有地區都經歷了升溫過程，1880—2012年全球地表平均溫度已升高0.85 ℃，未來全球氣候變暖趨勢仍將持續，21世紀末全球平均地表溫度在1986—2005年基礎上將升高0.3～4.8 ℃[1-2]。鄭國光指出，全球氣候變暖將導致我國主要糧食作物生產潛力下降、不穩定性增加，如果不采取有效措施，到21世紀后半期，我國主要農作物年產量最多下降可達37%[3]。在全球氣候變暖的背景下，我國水稻主產區高溫熱害發生的頻次和強度均顯著增加，尤其是長江流域水稻產區，熱害已嚴重影響了當地水稻的安全生產[4]。

安徽省位于長江中下游地區，以淮河附近為界進行劃分，淮河以北屬暖溫帶半濕潤季風氣候，以南屬北亞熱帶濕潤季風氣候[5]。安徽省水稻主產區分布在沿江、江淮和沿淮地區，水稻生產雖多種熟制并存，但以種植一季稻為主，并且安徽省是本流域單季中稻的集中產區之一[4，6]。水稻高溫熱害是指環境溫度超過水稻適宜溫度的上限，對水稻的生長發育造成危害，從而導致產量降低的自然災害[7]。水稻對高溫的響應在不同的發育時期表現不同，營養生長期遇35 ℃高溫，地上部和地下部的生長受到抑制，會發生葉鞘變白和失綠等癥狀，分蘗減少、株高增加緩慢；生殖生長期受高溫脅迫的影響要遠大于營養生長期，穗分化期遇35 ℃以上高溫，會降低花藥開裂率及花粉育性而降低結實率[8-10]，抽穗開花期為水稻生殖生長最敏感的時期，高溫熱害對其影響在于阻礙了花粉成熟與花藥開裂，并阻礙花粉在柱頭上發芽、花粉管伸長，從而影響受精，導致不育[11-12]。安徽省夏季受副熱帶高壓影響，易出現高溫天氣，而高溫熱害對水稻的危害由其強度與持續日數決定。前人對高溫熱害時空分布的研究主要集中在高溫熱害發生次數、持續時間等方面[13-14]，而對于高溫熱害發生強度時空變化研究較少。本研究以危害積溫表示高溫熱害強度，運用數理統計方法及ArcGIS技術，通過研究安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害發生次數、高溫熱害發生期間高溫天數、危害熱積溫分布情況，分析安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害時間和空間分布，并揭示一季稻抽穗開花期高溫熱害分布特征，旨在為安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害預測及防御提供科學依據。

1　材料與方法

1.1　材料

研究區域主要位于安徽省沿淮、江淮及沿江區域等一季稻主產區，氣象資料為安徽省江淮流域1960—2014年24個氣象站點逐日氣象數據，包括日最高氣溫、日最低氣溫等，數據來源于安徽省氣象局氣候中心及中國氣象數據網。水稻發育期資料為1980—2007年安徽省江淮流域農業氣象站(滁州市、六安市、壽縣、天長市、五河縣)一季稻全生育期資料，包括分蘗期、拔節期、孕穗期、抽穗期、乳熟成熟期等，數據來源于安徽省氣象局氣象科學研究所。

線性傾向估計中傾向值的大小反映變量上升或下降的速率，滑動平均擬合相當于低通濾波，可以用確定時間序列的平滑值來顯示變化趨勢[15]。本研究運用線性趨勢和5年滑動平均分析高溫熱害頻次、天數及危害積溫年際趨勢變化，并運用Morlet小波分析高溫熱害頻次周期變化特征；通過反距離權重法(IDW)對高溫熱害發生次數、高溫熱害發生天數、危害熱積溫進行要素插值，采用ArcGIS分析手段，從時間和空間分布揭示安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害分布特征。

1.2　研究方法

1.2.1高溫熱害等級劃分現有的長江中下游地區的水稻研究文獻中，采用日平均氣溫界定高溫熱害指標的值多有不同，因此本研究采用日最高氣溫≥35 ℃作為研究指標，并根據持續天數劃分高溫熱害等級[16-17]，如表1所示。根據安徽省江淮流域生育期資料，一季稻抽穗始期最早為7月25日，最晚為9月1日；抽穗末期最早為7月31日，最晚為9月10日。因此，將7月下旬至9月上旬日最高氣溫≥35 ℃連續 3 d 及以上記為1次一季稻抽穗開花期高溫熱害過程，分別根據持續高溫時間確定熱害等級。

表1　安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害等級指標

1.2.2危害積溫危害積溫是指作物受高溫危害過程中，逐時高于臨界溫度的有害溫度累積值。危害積溫綜合考慮了水稻所受熱害持續時間和熱害強度，以高溫累積來表征水稻所受到的傷害，被認為是作物高溫引起熱害的農業氣象災害指標[18]。本研究以危害積溫表示高溫熱害強度。1 d內危害熱積溫是當天每1 h危害積溫的累加。根據公式(1)、(2)[19]計算日危害積溫Td(℃)。

(1)

式中：Th表示1 h的溫度(℃)，h=1，2，…，24；Tmin、Tmax分別表示日最低溫度、日最高溫度(℃)。

因此日危害熱積溫Td的計算公式如下：

(2)

式中，Th>35 ℃，35表示危害積溫閾值(℃)。當Th≤35 ℃時，(Th-35)以0計。

在分析時間和周期變化時，其時間序列長度為55年，以全省共24個市(縣)的一季稻抽穗開花期高溫熱害的相關要素年累積或其平均進行計算分析，反映的是安徽省作為一個整體的情況；而在空間變化時是以24個市縣每個站點55年的累積或平均的數據為基礎進行計算，反映的是各站點之間的空間分布情況。

2　結果與分析

2.1　時間變化

2.1.1不同等級高溫熱害次數變化圖1為1960—2014年安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害累積次數[共24個市(縣)]年際變化。由圖1-a可知，1960—2014年安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害發生總次數表現為20世紀80年代之前高溫熱害發生較為頻繁，20世紀80年代到90年代中期一季稻抽穗開花期高溫熱害發生次數較少，1993年后高溫熱害總次數又開始增加。20世紀80年代之前，輕度高溫熱害發生較為頻繁，20世紀80年代到90年代中期為近55年來抽穗開花期輕度高溫熱害發生的低值期，1993—2002年為增長期，之后次數呈下降趨勢(圖1-b)。20世紀70年代末期至90年代初為中度高溫熱害低值期，2000年后呈增長趨勢(圖1-c)。由圖1-d可知，20世紀90年代之后，重度高溫熱害發生次數增加，尤其在進入2000年后，出現了幾次嚴重的水稻高溫熱害；55年來重度高溫熱害發生次數總體呈上升趨勢；相比較其他等級，重度高溫熱害往往造成水稻顯著減產。

2.1.2高溫熱害發生天數及危害積溫20世紀80年代之前，安徽省一季稻抽穗開花期年均高溫熱害發生天數較多；20世紀80年代至90年代初為55年來高溫天數低值期；1997年以來高溫熱害發生天數呈極顯著增加趨勢(P<0.01)，傾向率為0.427 d/年，18年間累計增加天數7.7 d；55年中，高溫熱害發生天數較多的年份有1966年、1967年、1976年、1978年、2003年、2013年，高溫熱害發生天數超過55年平均值的有22年，占統計年份的40%(圖2-a)。20世紀60年代高溫熱害危害積溫累積較大，80年代為危害積溫低值時期，1999年后，危害積溫呈顯著增長趨勢(P<0.05)，這說明進入21世紀后高溫熱害強度增強；危害積溫偏高的年份包括1966年、1967年、2003年、2013年，2013年為55年來的最大值(圖2-b)。

2.1.3年代際變化由圖3可以看出，安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害發生次數年代際變化均呈現出“上升-下降-上升”趨勢，而高溫日數及危害積溫均呈先下降后上升趨勢，三者均在20世紀80年代達到最小，這說明20世紀80年代高溫熱害發生頻率、天數及強度均達到歷史統計最低時期。除20世紀80年代外，高溫熱害發生次數均高于55年平均值，并且20世紀70年代高溫熱害發生最為頻繁(圖3-a)；高溫熱害天數在20世紀70年代之前及21世紀初期均高于55年平均值(圖3-b)；危害積溫值在20世紀60年代、21世紀初期均高于55年平均值，并且在進入21世紀后迅速增加(圖3-d)。從圖3明顯可以看出，20世紀80年代以來，高溫熱害發生頻率、天數及強度呈增加趨勢，尤其是進入21世紀后，單站點一季稻抽穗開花期高溫熱害發生次數、高溫熱害天數及危害積溫均高于55年平均值，這說明21世紀高溫熱害發生更為頻繁。

由圖1、圖2、圖3可以看出，從重度高溫熱害次數、高溫熱害發生天數、熱害危害積溫以及熱害年代際變化，均可以看出21世紀以來高溫熱害發生更多、更嚴重，換言之，在全球變暖的氣候背景下極端高溫事件增多，水稻高溫熱害發生更加頻繁，嚴重的水稻高溫熱害更易發生，加之其持續天數及強度趨勢增加明顯，這對水稻生產乃至糧食安全的影響將會更大。

2.2　周期變化

為了研究安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害周期變化，以每年24站高溫熱害次數平均值構成時間序列數據，利用Morlet小波變換進行研究，小波分析結果見圖4。圖4-a中，橫坐標表示年份，縱坐標表示時間尺度，虛線表示負的小波系數實部等值線(表示偏少)，實線表示正的小波系數實部等值線(表示偏多)，分界線用標有“0”的實線表示。由圖4-b可知，小波方差存在4個較為明顯的峰值，分別對應準19、13、9、4年時間尺度，其中準13年時間尺度對應的峰值最大，表明其周期振蕩最強，為安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害變化的第一主周期。由圖4-a可以看出，13年時間尺度上周期振蕩明顯，存在6個偏少中心，7個偏多中心，并且2014年小波系數等值線(實線)未閉合，說明未來在該時間尺度下一季稻抽穗開花期高溫熱害發生次數將繼續偏多；準19年時間尺度周期振蕩在20世紀80年代末期之前表現明顯，之后振蕩信號呈減弱趨勢；準9年時間尺度周期振蕩在1973年之前以及1987—1996年期間表現明顯，其他時段振蕩信號比較弱；準4年時間尺度在20世紀80年代之前及2003年之后周期振蕩較為明顯，之間的振蕩信號則比較弱。

2.3　空間變化

2.3.1不同等級高溫熱害頻次變化由圖5-a可以看出，安徽省一季稻主產區抽穗開花期各站高溫熱害年均分布總體表現為北少南多的空間分布格局。高溫熱害總頻次分布由南到北逐漸遞減，南北頻次相差近3.1倍，其中長江以南地區高溫熱害發生較為頻繁。宣城市高溫熱害發生最為頻繁，安慶市、貴池市、六安市、合肥市及巢湖地區次之。天長市、五河縣、壽縣年均發生高溫熱害次數較其他地區少。一季稻主產區抽穗開花期高溫熱害年代際傾向率變化為-0.08～0.22次/10年，總體而言傾向率呈現由南向北遞減趨勢，沿江地區高溫熱害有增加趨勢，而沿淮地區高溫熱害有下降趨勢。當涂和無為地區高溫熱害增加傾向率較為明顯，定遠、潁上、蚌埠地區較其他區域下降趨勢較為明顯(圖5-b)。

2.3.2高溫熱害發生天數及危害積溫由圖6-a知，安徽省一季稻主產區抽穗開花期高溫熱害累積日數(1960—2014年)總體表現為東南地區高溫日數多，東北地區少，呈現由南向北遞減趨勢。高溫累積日數變化范圍為176～669 d，高值區與低值區相差3.8倍。宣城地區高溫熱害累積日數高達669 d，相當于平均每年一季稻抽穗開花期期間有12.2 d是高溫天數。高溫日數年代際傾向率變化分布表明，無為地區高溫日數增加趨勢較為明顯，當涂、和縣、天長地區次之，而蚌埠、六安、定遠、潁上地區則為下降趨勢(圖6-b)。

危害積溫也表現為由南向北遞減趨勢，說明高溫熱害強度也由南向北降低(圖6-c)。危害積溫高值區與低值區相差5.1倍。高值區主要在宣城、貴池、六安地區，低值區主要在壽縣、天長及五河地區。由圖6-d可以看出，總體而言危害積溫年代際傾向率變化南大北小，沿江地區高溫熱害強度有增加趨勢，無為、和縣、蕪湖、馬鞍山、當涂地區危害積溫增加趨勢較為明顯，說明這些地區高溫熱害強度增加趨勢較為明顯，而蚌埠、潁上地區高溫熱害強度降低較為明顯。

3　結論與討論

本研究表明，55年來安徽省一季稻主產區抽穗開花期高溫熱害年際變化表現為1993年后高溫熱害次數呈增加趨勢，不同等級高溫熱害發生次數呈現出輕度高溫熱害發生最為頻繁。進入21世紀以來，輕度高溫熱害發生呈下降趨勢，而中度及重度高溫熱害發生次數增加。20世紀80年代以來，安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害發生頻率、天數及強度均有所增加，尤其是進入21世紀后高溫熱害發生更為頻繁，高溫熱害天數增加，高溫熱害強度增強較為明顯。安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害存在4個時間尺度的周期變化，分別為準19、13、9、4年時間尺度。準13年時間尺度周期振蕩最強，為安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害變化的第一主周期，并且在該尺度下高溫熱害發生次數將繼續偏多。安徽省一季稻主產區抽穗開花期各站年均高溫熱害發生次數、55年累積高溫日數及累積危害積溫總體而言表現為北少南多的空間分布格局，高溫熱害空間分布具有較明顯的地域性，并且沿江地區各站年均高溫熱害發生次數、累積高溫日數及累積危害積溫55年來有增加趨勢，沿淮地區有減少趨勢。

氣候變化背景下，我國近地面氣溫上升是從20世紀80年代中期開始的，安徽省自20世紀90年代以來處于偏暖的氣候環境[20-21]。本研究發現，安徽省一季稻抽穗開花期高溫熱害頻次、天數及高溫熱害強度在20世紀90年代以來均有所增加，這與許多學者研究結論[22-23]一致。本研究還發現，進入21世紀以來，安徽省中度及重度高溫熱害發生次數增加，高溫熱害天數及危害積溫增加趨勢明顯，這說明更嚴重的水稻高溫熱害發生更為頻繁，同時這也反映了區域變化對氣候變暖的積極響應。

本研究還發現，僅從氣象角度例如以溫度要素展開水稻高溫熱害的研究并不全面，還應該綜合考慮水稻的作物特性，例如不同品種對高溫的抗性強弱。本研究結果顯示，2013年研究區域高溫發生程度相較2003年更嚴重，而實際生產情況中水稻高溫危害卻以2003年的更嚴重，其中一個重要原因就是2013年種植的水稻品種對高溫的抗性較強，考慮到近些年高溫日益嚴重的趨勢，農戶在水稻品種上多選擇有較強高溫抗性的品種。不同地區或相同區域內，水稻高溫熱害指標標準各異，且多以氣溫作為界定基準，目前對于以葉溫、危害積溫等為基準進行定量研究水稻高溫熱害研究較少，這可能是未來進一步研究的方向。

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