遼寧水稻低溫冷害分布特征及危險性評估

李雨鴻，張微瑋，李琳琳，李 輯*，胡春麗，王 婷，張曉月

（1.遼寧省氣象科學研究所，遼寧沈陽110166；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，遼寧沈陽110866）

水稻是我國最主要的糧食作物之一，也是遼寧省第二大糧食作物，水稻產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展對遼寧省糧食安全具有重要作用[1]。因水稻屬于喜溫作物，在生長發(fā)育過程中受溫度條件的制約[2]，當生長季出現(xiàn)持續(xù)性低溫時，生長發(fā)育和灌漿成熟緩慢，則發(fā)生延遲型冷害；當生殖生長期出現(xiàn)短期強低溫天氣時，生殖生長活動受阻，結(jié)實率下降，則發(fā)生障礙型冷害[3]。目前，國內(nèi)外對冷害的研究主要涉及評價指標、分布規(guī)律、風險評估與區(qū)劃、對策及對農(nóng)業(yè)的危害機制和影響規(guī)律等[4]。受氣候變化影響，東北地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的時空分布發(fā)生了明顯變化[5-6]，作物生長季延長、生長季內(nèi)積溫增加，大于10℃積溫帶北移，促使東北水稻種植空間北移東擴。氣候資源的重新分配，給東北地區(qū)水稻生產(chǎn)帶來機遇的同時，也增加了水稻生產(chǎn)的風險[7]。近50年來，東北地區(qū)冷害發(fā)生頻率顯著下降，但冷害強度卻有所增加[8]，受低溫冷害影響，水稻產(chǎn)量表現(xiàn)出一定程度的下降[9]，低溫冷害無疑成為威脅水稻穩(wěn)定生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害。

近年來，國內(nèi)外開展了大量針對水稻低溫冷害風險評估方面的研究[10-14]，但大多數(shù)研究區(qū)域范圍較廣，精細化程度不夠。本研究基于自然災害風險理論，利用遼寧省36個站點1961—2015年逐日氣溫資料，構(gòu)建遼寧水稻低溫冷害危險性指數(shù)，利用ArcGIS軟件平臺進行空間分析及制圖，并加載全省鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界，疊加全省水田分布，剔除非水田部分，實現(xiàn)對遼寧省水稻低溫冷害的精細化至鄉(xiāng)鎮(zhèn)的危險性評估，以期對遼寧水稻安全生產(chǎn)、規(guī)避災害危險提供精細化的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 冷害指標

遼寧省水稻生育期一般為5—9月，根據(jù)中華人民共和國氣象行業(yè)標準（QX/T101—2009）《水稻、玉米冷害等級》規(guī)定[15]，選取當年5—9月平均氣溫和與同期多年平均值的距平為水稻延遲型冷害的致災因子。根據(jù)指標規(guī)定，當5—9月逐月平均氣溫和的多年平均值（T）為 95＜T≤100，距平值為 -3.8＜ΔT≤-2.4時，統(tǒng)計該年為一般延遲冷害年，當ΔT≤-3.8時，統(tǒng)計該年為嚴重延遲冷害年；當5—9月逐月平均氣溫和的多年平均值為100＜T≤105，距平值為-4.2＜ΔT≤-2.8時，統(tǒng)計該年為一般延遲冷害年，當ΔT≤-4.2時，統(tǒng)計該年為嚴重延遲冷害年。

選取水稻孕穗期（7月中旬至7月下旬）及抽穗開花期（8月上旬至中旬）日最低氣溫低于某一閾值的持續(xù)日數(shù)為水稻障礙型冷害發(fā)生的致災因子，當孕穗期日平均氣溫≤17℃（抽穗開花期日平均氣溫≤19℃）持續(xù)2 d為輕度冷害事件，持續(xù)3～4 d為中度冷害事件，持續(xù)5 d以上為重度冷害事件。

1.2 資料

氣象數(shù)據(jù)為遼寧省11個市（阜新、朝陽及葫蘆島除外）36個水稻種植站點1961—2015年逐日氣溫數(shù)據(jù)，來自沈陽區(qū)域氣候中心，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

1.3 方法

采用數(shù)理統(tǒng)計、距平、概率分布分析氣象數(shù)據(jù)。從農(nóng)業(yè)氣象災害風險的危險度概念出發(fā)，通過特定區(qū)域內(nèi)災害發(fā)生強度及其概率表示致災因子危險度，對研究區(qū)域特定時間內(nèi)不同變異程度的致災因子發(fā)生的可能性及區(qū)域分布進行危險性評估。統(tǒng)計遼寧省36個水稻種植站點1961—2015年發(fā)生一般型延遲冷害及嚴重型延遲冷害年份，利用ArcGIS反距離加權(quán)插值法（IDW），加載遼寧省鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界，疊加水田分布，剔除非水田部分，將已有數(shù)值插值到全省各稻區(qū)，實現(xiàn)精細化至鄉(xiāng)鎮(zhèn)的遼寧省水稻低溫冷害危險性評估。統(tǒng)計水稻抽穗開花期遼寧省36個水稻種植站點1961—2015年發(fā)生輕度、中度冷害年份，分別計算各站點這55年間發(fā)生各級冷害的概率。

延遲型冷害危險性指數(shù)Hx可表示為

式中：Pxi為延遲型冷害發(fā)生概率;為對應等級延遲型冷害年份5—9月平均氣溫和負距平的平均值。

各生育期內(nèi)障礙型冷害危險性指數(shù)表示為

式中：Pyi表示i生育期對應等級障礙型冷害發(fā)生概率表示i生育期對應冷害等級持續(xù)天數(shù)的平均值；i表示孕穗期或抽穗開花期。

水稻冷害綜合危險性指數(shù)H為

式中：Wi為冷害權(quán)重；Hi為冷害危險性指數(shù)的歸一化結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 時間變化特征分析

2.1.1 延遲型冷害時間變化特征。根據(jù)水稻延遲型冷害指標，統(tǒng)計遼寧省36個水稻種植站點1961—2015年歷年發(fā)生一般型延遲冷害及嚴重型延遲冷害站次，年際變化特征如圖1所示。整體來看，1961年以來，遼寧省水稻發(fā)生一般延遲冷害站次及嚴重延遲冷害站次均有線性下降趨勢。發(fā)生一般延遲型冷害站次標準差為5.6，變差系數(shù)為1.5，年際變化幅度較大，其中，冷害發(fā)生站次最多的年份為1987年（24站次），其次為1976年（20站次），整個遼寧地區(qū)未發(fā)生一般延遲冷害的年份共有26年，多集中在1996年以后；發(fā)生嚴重延遲型冷害站次標準差為8.0，變差系數(shù)為2.3，年際變化幅度大于一般延遲冷害變化幅度，其中，發(fā)生站次最多的年份為1976年（36站次），其次為 1972年（29站次），整個遼寧地區(qū)未發(fā)生嚴重延遲冷害的年份共有38年，多集中在1996年以后。由此可見，遼寧水稻發(fā)生延遲型冷害年際變化在20世紀90年代以前穩(wěn)定性較小，容易出現(xiàn)異常偏多年或無冷害年，20世紀90年代后期至今，發(fā)生延遲型冷害可能性明顯減小。

圖1 1961—2015年遼寧水稻延遲型冷害發(fā)生站次的年際變化

2.1.2 障礙型冷害時間變化特征。根據(jù)水稻障礙型冷害指標，統(tǒng)計遼寧省36個水稻種植站點孕穗期及抽穗開花期1961—2015年歷年發(fā)生輕度、中度及重度冷害站次。計算結(jié)果顯示，1961年以來，遼寧省水稻孕穗期障礙型冷害及抽穗開花期重度障礙型冷害極少發(fā)生，可以忽略，障礙型冷害主要為抽穗開花期輕度、中度冷害（下同），冷害發(fā)生站次年際變化如圖2所示。整體來看，1961年以來，遼寧水稻抽穗期發(fā)生輕度、中度冷害站次線性變化略有下降，但并不顯著。輕度冷害發(fā)生站次標準差為4.8，變差系數(shù)為1.6，年際變化幅度較大，其中，發(fā)生站次最多的年份為1976年（20站次），其次為1989年（17站次），整個遼寧地區(qū)未發(fā)生輕度障礙型冷害的年份共有26年，年代分布不均，年代際內(nèi)均有異常偏多年份及無冷害年；中度障礙型冷害發(fā)生站次標準差為2.7，變差系數(shù)為2.6，年際變化幅度小于輕度障礙型冷害變化幅度，其中，發(fā)生站次最多的年份為1977年（15站次），其次為1972年（10站次），整個遼寧地區(qū)未發(fā)生中度障礙型冷害的年份共有43年，多集中20世紀90年代。21世紀初發(fā)生中度障礙型冷害站次略有回升，2006年后再次出現(xiàn)連續(xù)無中度障礙型冷害年。由此可見，遼寧水稻障礙型冷害主要發(fā)生在抽穗開花期，多為輕度及中度冷害，年際變化不均勻，穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)異常偏多年或無冷害年。

圖2 1961—2015年遼寧水稻抽穗開花期障礙型冷害發(fā)生站次的年際變化

2.2 空間分布特征分析

2.2.1 延遲型低溫冷害空間分布特征。如圖3、圖4所示，遼寧省發(fā)生延遲型冷害的范圍較廣，遍布全省各稻區(qū)。一般延遲型冷害的發(fā)生概率為1%～20%，沈陽康平、大連部分、錦州部分、營口大石橋稻區(qū)發(fā)生概率較高，為13%～20%；沈陽南部、鞍山北部、遼陽及盤錦北部稻區(qū)發(fā)生概率較低，為1%～7%；其他稻區(qū)發(fā)生概率為7%～13%。嚴重延遲型冷害的發(fā)生概率為1%～22%，僅鐵嶺清原及撫順新賓稻區(qū)發(fā)生概率較高，為15%～22%；大連、丹東東南部、錦州黑山、營口及盤錦稻區(qū)發(fā)生概率較低，為1%～8%；其他稻區(qū)發(fā)生概率為8%～15%。

圖3遼寧省水稻一般延遲型冷害發(fā)生概率空間分布

圖4遼寧省水稻嚴重延遲型冷害發(fā)生概率空間分布

2.2.2 障礙型低溫冷害空間分布特征。如圖5、圖6所示，遼寧省水稻抽穗開花期發(fā)生障礙型冷害的稻區(qū)主要集中在遼寧中部及遼寧北部。輕度障礙型冷害的發(fā)生概率為1%～33%，鐵嶺東北部及撫順東部稻區(qū)發(fā)生概率最大，為22%～33%；沈陽東北部及撫順西部次之，發(fā)生概率為11%～22%；遼寧中部稻區(qū)發(fā)生概率略低，為1%～11%。丹東東南部稻區(qū)發(fā)生概率極小，可以忽略。中度障礙型冷害的發(fā)生概率為1%～17%，其中，遼寧南部的大連、鞍山大部、丹東東南部、錦州、遼陽南部、營口及盤錦稻區(qū)發(fā)生概率極小，可以忽略；鐵嶺東北部及撫順東部稻區(qū)發(fā)生概率較大，為9%～17%；其他稻區(qū)發(fā)生概率為1%～9%。

圖5遼寧省水稻輕度障礙型冷害發(fā)生概率空間分布

圖6遼寧省水稻中度障礙型冷害發(fā)生概率空間分布

2.3 低溫冷害危險性評估

2.3.1 延遲型冷害危險性評估。根據(jù)公式（1）計算遼寧水稻延遲型冷害危險性指數(shù)，利用ArcGIS繪圖，并疊加全省水田分布，將已有數(shù)值插值到全省各稻區(qū)。由圖7所示，遼寧省水稻延遲型冷害危險性指數(shù)為0.50～1.34，其中，遼寧中部地區(qū)的沈陽南部、鞍山北部、錦州北部、遼陽及盤錦稻區(qū)為低危險區(qū)，危險性指數(shù)為0.50～0.75；沈陽北部、鐵嶺西北部、撫順東部、丹東局部、營口中部及錦州南部稻區(qū)為高危險區(qū)，危險性指數(shù)為1.00～1.34；其他稻區(qū)危險性指數(shù)為0.75～1.00。

圖7遼寧水稻延遲型冷害危險性指數(shù)空間分布

2.3.2 障礙型冷害危險性評估。根據(jù)公式（2）計算遼寧水稻障礙型冷害危險性指數(shù)，如圖8所示。遼寧省水稻障礙型冷害危險性指數(shù)為0.00～1.30，高危險區(qū)主要發(fā)生在遼寧東北部地區(qū)的鐵嶺東部及撫順東部地區(qū)，指數(shù)為0.90～1.30；沈陽北部、鐵嶺西部、撫順西部及本溪地區(qū)為次高危險區(qū)，指數(shù)為0.45～0.90；其他大部稻區(qū)危險性較低，指數(shù)為0.00～0.45。

圖8遼寧水稻障礙型冷害危險性指數(shù)空間分布

2.3.3 綜合冷害危險性評估。根據(jù)公式（3）計算得到遼寧水稻低溫冷害綜合危險性指數(shù)，如圖9所示。遼寧省水稻低溫冷害綜合危險性指數(shù)為0.33～0.91，其中，高危險區(qū)主要分布在鐵嶺東部、撫順東部、錦州南部及營口大石橋稻區(qū)，指數(shù)為0.71～0.91；低危險區(qū)主要分布在遼寧中部，即沈陽南部、遼陽西部、鞍山北部、錦州北部、營口北部及盤錦稻區(qū)，指數(shù)為0.33～0.52；其他稻區(qū)危險性指數(shù)為0.52～0.71。

圖9遼寧水稻低溫冷害綜合危險性指數(shù)空間分布

3 討論與結(jié)論

1961年以來，遼寧水稻延遲型冷害發(fā)生站次呈顯著減少趨勢，其年際變化以20世紀90年代為界，在這之前穩(wěn)定性較差，20世紀90年代以后，發(fā)生延遲型冷害范圍明顯縮小；水稻孕穗期基本無障礙型冷害發(fā)生，障礙型冷害主要發(fā)生在抽穗開花期，且主要表現(xiàn)為輕度及中度冷害，發(fā)生站次略有下降趨勢，但并不顯著，年際變化不均勻，穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)異常偏多年或無冷害年。

遼寧各稻區(qū)發(fā)生延遲型冷害的范圍較廣，但大部分稻區(qū)發(fā)生概率較小，高概率風險區(qū)主要集中在遼寧東北部及營口局部地區(qū)。抽穗開花期障礙型冷害分布范圍主要集中在遼寧中部及北部，其中高風險區(qū)主要分布在遼寧東北部，遼南大部地區(qū)基本無中度障礙型冷害，且輕度障礙型冷害概率也較低。

遼寧水稻低溫冷害綜合危險性指數(shù)為0.33～0.91，其中高危險區(qū)主要分布在遼寧東北部及營口大石橋稻區(qū)，低危險區(qū)主要分布在遼寧中部。

本研究主要針對農(nóng)業(yè)氣象災害風險評估中致災因子危險性的單獨評價。事實上，災害風險評估應綜合考慮致災因子危險性、孕災環(huán)境、承載體暴露性及脆弱性、防災減災能力等因素，因此，在以后的研究中，應構(gòu)建以多種要素為指標的遼寧水稻低溫冷害風險評估指數(shù)。