兩湖地區(qū)水稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷r(shí)空分布*

郭建茂，白瑪仁增，梁衛(wèi)敏，申雙和,3，江曉東

?

兩湖地區(qū)水稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷r(shí)空分布*

郭建茂1,2，白瑪仁增1，梁衛(wèi)敏1，申雙和1,3，江曉東1,2

（1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044；2.江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；3.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044）

根據(jù)兩湖地區(qū)(湖北省和湖南省)34個(gè)氣象站1961?2017年逐日氣象資料和早、中稻各28個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站1981?2011年生育期觀測(cè)資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、線性回歸法、ArcGIS的反距離權(quán)重（IDW）空間分析功能，對(duì)兩湖地區(qū)各省早、中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空分布進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）湖北省、湖南省早稻高溫?zé)岷θ諗?shù)和頻次在21世紀(jì)00年代最多，20世紀(jì)60年代、2010?2017年次之，80年代最少；兩省中稻高溫?zé)岷θ諗?shù)和頻次在70年代最多，60年代、21世紀(jì)00年代、2010?2017年次之，80年代最少。（2）早稻高溫?zé)岷θ諗?shù)和頻次高值區(qū)分布在鄂東南、湘南，低值區(qū)分布在鄂西南、湘西；中稻高溫?zé)岷θ諗?shù)和頻次的高值區(qū)分布在鄂東北、鄂東南、鄂西南、湘西、湘南，低值區(qū)分布在鄂西北、湘西。（3）各級(jí)別早、中稻高溫?zé)岷υ诤薄⒑蟽墒〉陌l(fā)生頻數(shù)表現(xiàn)為輕度＞中度＞重度，且湖南省發(fā)生程度比湖北嚴(yán)重；兩省均表現(xiàn)為中稻高溫?zé)岷Πl(fā)生比早稻嚴(yán)重。

湖北；湖南；水稻高溫?zé)岷Γ怀樗腴_(kāi)花期；時(shí)空分布

根據(jù)有關(guān)研究[1?2]，生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)溫度每升高1℃，水稻單產(chǎn)將下降4%～10%，若結(jié)實(shí)期溫度增加1～2℃，產(chǎn)量減少將達(dá)到10%～20%。當(dāng)前氣候變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)[3?6]，受全球變暖的影響，水稻將面臨更高的高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)。已有研究顯示，水稻抽穗開(kāi)花期高溫主要影響結(jié)實(shí)率和千粒重[7]，且還會(huì)影響稻米的品質(zhì)[8]，因此，研究氣候變化背景下水稻高溫?zé)岷︼@得十分重要。

前人對(duì)高溫?zé)岷Φ难芯恐饕性诟邷責(zé)岷?duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量的影響[9]，高溫?zé)岷庀笾笜?biāo)和生理指標(biāo)、品種的耐熱性等[10]。近幾年來(lái)對(duì)水稻高溫?zé)岷r(shí)空分布規(guī)律的研究越來(lái)越多，沙修竹等[11]研究了長(zhǎng)江中下游地區(qū)一季稻高溫?zé)岷︼L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃；楊炳玉等[12]研究了江西省水稻高溫?zé)岷Φ陌l(fā)生規(guī)律；萬(wàn)素琴等[13]研究了氣候變化背景下湖北省水稻高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空分布。但以往對(duì)湖北省水稻高溫?zé)岷r(shí)空分布的數(shù)據(jù)資料局限于2010年之前，且尚未見(jiàn)湖南省水稻高溫?zé)岷Φ膱?bào)道，兩湖地區(qū)是華中地區(qū)重要的水稻生產(chǎn)基地，已有研究難以為該區(qū)域水稻高溫?zé)岷Ψ烙鸵?guī)避提供科學(xué)依據(jù)，因此，本研究利用最新數(shù)據(jù)資料分別研究湖北、湖南省早、中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷Φ臅r(shí)空分布規(guī)律，進(jìn)一步系統(tǒng)分析并總結(jié)兩湖地區(qū)水稻高溫?zé)岷r(shí)空分布規(guī)律，提出早、中稻高溫?zé)岷χ攸c(diǎn)發(fā)生時(shí)段和區(qū)域，以期為兩湖地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)，有利于保障糧食生產(chǎn)安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取湖北省16個(gè)氣象站、湖南省18個(gè)氣象站57a（1961?2017年）逐日氣象資料，包括最高、最低氣溫、平均氣溫，缺測(cè)數(shù)據(jù)采用5d滑動(dòng)平均法進(jìn)行插補(bǔ)，所選站點(diǎn)氣象資料時(shí)間較長(zhǎng)，地理位置均勻分布；選取兩省早、中稻各28個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站1981?2011年生育期觀測(cè)資料，包括播種、出苗、移栽、返青、分蘗、拔節(jié)、孕穗、抽穗、乳熟和成熟的普遍期日期。氣象資料和水稻生育期資料均來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。研究區(qū)內(nèi)氣象站點(diǎn)和農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)和農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究時(shí)段

水稻最易受高溫?zé)岷τ绊懙臅r(shí)段為抽穗開(kāi)花期，資料顯示，開(kāi)花期在抽穗后第2天出現(xiàn)，通常為7～10d，此間正值夏季高溫頻發(fā)時(shí)段，因此，將研究時(shí)段定為一般抽穗期前3d?后11d，共15d。兩湖地區(qū)早稻抽穗開(kāi)花期一般在6月中旬?7月上旬，中稻抽穗開(kāi)花期一般在7月下旬?8月下旬，對(duì)生育期資料完整的站點(diǎn)，采用多年抽穗期的平均值作為當(dāng)?shù)氐囊话愠樗肫冢粚?duì)于資料缺失的地區(qū)，參考文獻(xiàn)[14]，考慮地形、氣候等有關(guān)因素，結(jié)合空間插值結(jié)果定義當(dāng)?shù)匾话愠樗肫冢_定兩湖地區(qū)各地的研究時(shí)段。所有站點(diǎn)的早稻、中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷τ绊憰r(shí)段見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)早、中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷τ绊憰r(shí)段（月.日）

1.3 高溫?zé)岷Φ燃?jí)指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水稻高溫?zé)岷χ笜?biāo)進(jìn)行了大量研究，但由于試驗(yàn)的限制條件差別，得到的高溫?zé)岷χ笜?biāo)也不一樣。徐云碧等[15]認(rèn)為抽穗后3d平均最高溫度≥35℃是早稻結(jié)實(shí)率明顯下降的臨界指標(biāo)；湯昌本等[16]研究認(rèn)為，連續(xù)5d以上日最高溫度≥35℃可作為早稻抽穗揚(yáng)花期高溫傷害及灌漿期高溫逼熟指標(biāo)；王志剛等[17]認(rèn)為，水稻抽穗開(kāi)花期日平均溫度大于30℃或日最高氣溫大于35℃會(huì)造成結(jié)實(shí)率下降。本研究根據(jù)大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果，把日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃連續(xù)3d及以上作為水稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷Πl(fā)生的基礎(chǔ)指標(biāo)，并將持續(xù)3d及以上的高溫作為一次高溫過(guò)程，參考前人研究[18]，依據(jù)早、中稻抽穗開(kāi)花期日平均氣溫（Tmean）≥30℃或日最高氣溫（Tmax）≥35℃連續(xù)日數(shù)將高溫?zé)岷Τ潭葎澐譃?個(gè)等級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)于跨旬跨月的情況，也看作連續(xù)的日數(shù)來(lái)統(tǒng)計(jì)高溫?zé)岷Γ?月31?8月2日滿足高溫?zé)岷Πl(fā)生的條件，則統(tǒng)計(jì)為一次輕度高溫?zé)岷Α?/p>

表2 研究區(qū)早、中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷Φ燃?jí)指標(biāo)

Note: Tmax is the daily maximum temperature, Tmean is the average daily temperature.

1.4 研究方法

氣候傾向率可以定量表示氣候要素隨時(shí)間的變化特征。本研究用氣候傾向率來(lái)分析兩湖地區(qū)各省早、中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)的年際變化趨勢(shì)。運(yùn)用ArcGIS工具中反距離權(quán)重插值（IDW）法進(jìn)行空間插值，用自然斷點(diǎn)分級(jí)法將水稻高溫?zé)岷θ諗?shù)和高溫?zé)岷Τ潭冗M(jìn)行分級(jí)，采用ArcGIS分析手段，揭示兩湖地區(qū)早、中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷Φ姆植继卣鳌?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 早中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷Φ臅r(shí)間分布

2.1.1 高溫?zé)岷θ諗?shù)

分別對(duì)湖北16個(gè)、湖南18個(gè)站點(diǎn)1961?2017年早、中稻抽穗開(kāi)花期內(nèi)日平均氣溫≥30℃或日最高氣溫≥35℃并持續(xù)3d及以上的高溫?zé)岷^(guò)程進(jìn)行提取，統(tǒng)計(jì)每年每次高溫?zé)岷Τ掷m(xù)日數(shù)進(jìn)行分析。由圖2、圖3可見(jiàn)，57a中，湖北早稻、湖南早稻、湖北中稻、湖南中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)年際變化波動(dòng)較大，但整體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，氣候傾向率分別達(dá)到0.15（P＜0.01）、0.18（P＜0.01）、0.17（P＜0.01）和0.29d·10a?1（P＜0.05）。湖北省早稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)最多的年份為2005年，16個(gè)站點(diǎn)受高溫?zé)岷Φ目側(cè)諗?shù)達(dá)121d，平均每站高溫?zé)岷θ諗?shù)為7.6d，其次是1961年（圖2a）；湖南省早稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)最多為186d（1961年），18個(gè)站點(diǎn)的平均高溫日數(shù)為10.3d，其次是2006年（圖2b）；兩省早稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)在21世紀(jì)00年代（2000s）最多，20世紀(jì)60年代（1960s）、2010?2017年次之，80年代最少（1980s）。

湖北省中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)最多的年份為2013年，16個(gè)站點(diǎn)受高溫?zé)岷Φ目側(cè)諗?shù)達(dá)158d，平均每站高溫?zé)岷θ諗?shù)達(dá)9.9d，其次為2016年（圖3a）；湖南省中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)最多的年份也是2013年，18個(gè)站點(diǎn)總共受高溫?zé)岷Φ娜諗?shù)達(dá)214d，平均每站有11.9d發(fā)生高溫?zé)岷Γ浯螢?966年（圖3b）；兩省中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)在1970s最多，1960s、2010?2017年次之，1980s最少。

圖2 早稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)的年際變化（1961?2017年）

圖3 中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)的年際變化（1961?2017年）

2.1.2 高溫?zé)岷︻l次

分別統(tǒng)計(jì)兩省1961?2017年早、中稻抽穗開(kāi)花期不同程度高溫?zé)岷Πl(fā)生的頻次，結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。統(tǒng)計(jì)顯示，湖北省57a中有37a早稻抽穗開(kāi)花期遭遇了高溫?zé)岷Γ▓D4a），機(jī)率為64.9%，而湖南省有46a遭遇高溫?zé)岷Γ▓D4b），機(jī)率為80.7%，可見(jiàn)湖南省早稻抽穗開(kāi)花期遭遇高溫?zé)岷Φ目赡苄愿蟆母邷責(zé)岷Φ湫湍昕矗笔≡绲靖邷責(zé)岷Πl(fā)生最嚴(yán)重的是2005年，輕、中、重度高溫?zé)岷Ψ謩e為16、6、4次，全年總計(jì)26次，2005年同時(shí)也是研究期內(nèi)輕度和重度高溫?zé)岷︻l次均為最多的年份，而1961年為中度高溫?zé)岷︻l次最多的年份，達(dá)7次；而湖南省早稻高溫?zé)岷Πl(fā)生最嚴(yán)重的是1961年，輕、中、重度高溫?zé)岷Ψ謩e為14、7、9次，全年總計(jì)30次，1961年同時(shí)也是研究期內(nèi)輕、中、重度高溫?zé)岷︻l次最多的年份。總的來(lái)說(shuō)，湖北、湖南省早稻總頻次年際變化波動(dòng)較大，兩省早稻高溫?zé)岷︻l次的高值區(qū)在2000s，1960s、2010?2017年較高，1980s最少，兩省輕、中、重度高溫?zé)岷︻l次與總頻次的變化趨勢(shì)較一致，其重度高溫?zé)岷Πl(fā)生的年 份和頻次都較少，輕度高溫?zé)岷Φ念l次遠(yuǎn)大于中度和重度。

由圖5可知，研究期內(nèi)中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷Τ撕笔∮?a（1980、1982、1993年）未發(fā)生之外，其它年份兩省每年都有發(fā)生。從高溫?zé)岷Φ湫湍昕矗笔≈械境樗腴_(kāi)花期高溫?zé)岷ψ顕?yán)重的是2016年，輕、中、重度高溫?zé)岷Ψ謩e為7、10、9次，全年總計(jì)26次，輕、中、重度高溫?zé)岷ψ顕?yán)重的年份分別出現(xiàn)在1961年（為14次）、1966年（為12次）、2013年（為14次）；湖南省中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷ψ顕?yán)重的是2010年，其輕、中、重度高溫?zé)岷Ψ謩e為9、11、10次，全年總計(jì)30次，輕、中、重度高溫?zé)岷ψ顕?yán)重年份分別出現(xiàn)在2004年（為19次）、1967年（為14次）、1966年（為17次）。總的來(lái)說(shuō)，兩省中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷傤l次年際變化波動(dòng)較大，高溫?zé)岷傤l次的高值區(qū)在1970s，1960s、2000s、2010?2017年較高，1980s最少，兩省輕、中、重度頻次與總頻次的變化趨勢(shì)基本一致，重度、中度高溫?zé)岷Πl(fā)生的年份和頻次都較少，而輕度高溫?zé)岷Φ念l次遠(yuǎn)大于中度和重度。

圖4 早稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷︻l次的年際變化（1961?2017年）

圖5 中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷︻l次的年際變化（1961?2017年）

2.2 早中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷Φ目臻g分布

2.2.1 早稻高溫?zé)岷θ諗?shù)

兩湖地區(qū)57a來(lái)各省早稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)的空間分布如圖6。由圖可見(jiàn)，湖北省內(nèi)呈現(xiàn)出從鄂東南向四周逐漸減小的趨勢(shì)，而湖南省內(nèi)呈現(xiàn)出從湘南向湘西減少的趨勢(shì)。其中鄂西南的恩施、五峰、來(lái)鳳，鄂中南的荊州，鄂東北的英山，湘西的吉首、芷江、通道和湘中的邵陽(yáng)、武岡等地高溫?zé)岷θ諗?shù)較少，研究期內(nèi)高溫?zé)岷θ諗?shù)集中在4～42d，年平均高溫?zé)岷θ諗?shù)不到1d，兩省高溫?zé)岷θ諗?shù)高值區(qū)主要分布在鄂東南的嘉魚(yú)、武漢、黃石湘南的郴州、衡陽(yáng)等地，高溫?zé)岷θ諗?shù)集中在144～213d，即每年至少有2.5d的高溫?zé)岷θ諗?shù)，郴州高溫?zé)岷θ諗?shù)達(dá)到兩湖地區(qū)之最，高溫?zé)岷θ諗?shù)達(dá)213d，年均3.7d。據(jù)統(tǒng)計(jì)，湖北省平均每站每年高溫?zé)岷θ諗?shù)為1.2d，湖南省為1.3d，表明湖南比湖北省早稻高溫?zé)岷θ諗?shù)略高。

圖6 早稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷側(cè)諗?shù)的空間分布（1961?2017年）

2.2.2 中稻高溫?zé)岷θ諗?shù)

由圖7可知，1961?2017年兩省中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷θ諗?shù)高值區(qū)分布在鄂西南的巴東、鄂東南的黃石、鄂東北的麻城、湘南的衡陽(yáng)、郴州、湘中的安化、雙峰和湘西的沅陵，高溫?zé)岷θ諗?shù)集中在256～360d，年平均高溫?zé)岷θ諗?shù)超過(guò)4d，其中衡陽(yáng)高溫日數(shù)為360d，年均6.3d，為兩湖地區(qū)最高，鄂西北的房縣、老河口、棗陽(yáng)、鄂西南的五峰、來(lái)鳳、鄂中南的荊州、鐘祥、天門(mén)和湘西的通道等地高溫?zé)岷θ蛰^少，高溫?zé)岷θ諗?shù)集中在13～142d，年均高溫?zé)岷θ諗?shù)在2.5d以下，衡陽(yáng)高溫?zé)岷θ諗?shù)為360d，年均6.3d，為兩湖地區(qū)最高。高溫?zé)岷θ諗?shù)在湖北省內(nèi)呈現(xiàn)鄂東北、鄂東南、鄂西南向鄂西北逐漸減少；湖南省內(nèi)呈現(xiàn)湘南、湘中向四周逐漸減小的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，湖北省平均每站每年高溫?zé)岷θ諗?shù)為2.9d，湖南省平均每站每年高溫?zé)岷θ諗?shù)為3.9d，并且高溫?zé)岷θ諗?shù)高值區(qū)大部分落在湖南省內(nèi)，而低值區(qū)大部分落在湖北省內(nèi)，表明湖南省中稻高溫?zé)岷θ諗?shù)比湖北省更高。

圖7 中稻抽穗開(kāi)花期高溫?zé)岷側(cè)諗?shù)的空間分布（1961?2017年）