來賓市水稻高溫熱害發生規律及風險分析

劉 武,熊文兵,甘皓月,吳鳳瑩,鄭傳偉

(1.廣西壯族自治區來賓市氣象局,廣西 來賓 546100;2.來賓市武宣縣氣象局,廣西 武宣 545900; 3.來賓市興賓區氣象局,廣西 來賓 546100)

水稻是我國的重要糧食作物，水稻的產量與品質關系著我國的糧食的產量與品質，但是在水稻的生育期中，存在多種影響水稻產量及品質的氣象災害及病蟲害，其中高溫熱害是最常見的農業氣象災害之一，對水稻的產量與品質的影響不容忽視，據報道高溫熱害通過影響水稻開花、授粉受精和籽粒灌漿結實能導致水稻大量減產和品質降低[1-6]。廣西作為我國的水稻主產區之一，是水稻高溫熱害的重災區，在全球氣候變暖的背景下，廣西水稻產區高溫熱害呈增多趨勢，高溫熱害嚴重影響著廣西水稻的產量及品質[7-9]。

來賓市位于華南區域，處于廣西中部地區，屬中亞熱帶至南亞熱帶氣候[10]，氣候溫暖，降雨充沛，是廣西雙季水稻種植區之一；同時廣西夏季高溫持續時間長，極端高溫事件偶發性高，對來賓市水稻生產造成不同程度的影響[11-12]。近年來，前人對我國水稻種植分布氣候響應，水稻“寒露風”、干旱的形成和變化規律，水稻種植氣候區劃，對東北、長江流域、西南等我國高溫熱害易發區的水稻高溫熱害分布特征等研究較多[13-21]，而針對廣西水稻高溫熱害時空變化規律的報道比較少見，按旬尺度精細分析水稻高溫熱害的研究更為少見。本研究運用線性回歸趨勢分析、M-K突變檢驗等數理統計方法，通過研究廣西來賓市水稻抽穗開花、灌漿期高溫熱害過程發生次數、高溫熱害過程天數分布情況，分析了來賓市水稻高溫熱害的時空分布特征，按旬統計分析了高溫熱害風險頻率，旨在豐富廣西水稻高溫熱害的研究，為廣西水稻高溫熱害的監測預警和水稻優化布局及防御技術對策研究提供科學參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料與統計方法

本研究區域位于廣西壯族自治區中部地區，氣象資料來源于來賓市國家氣象基本觀測站提供的1965～2017年的日最高溫度、日平均溫度等逐日氣溫資料；水稻農情資料來源于來賓市農業技術推廣站。本文采用基于最小二乘法的一元線性回歸、M-K突變檢驗、Morlet小波分析等方法[22-23]，利用MATLAB編程技術，分析來賓市出現水稻高溫熱害過程次數、總天數的年際變化趨勢、突變期及周期變化特征，按旬尺度統計分析水稻高溫熱害出現頻率。從時間和空間分布分析來賓市水稻抽穗開花、灌漿期高溫熱害分布規律特征及各旬風險頻率。

1.2 高溫熱害等級劃分方法

水稻高溫熱害是指環境溫度超過水稻適宜溫度上限，對水稻生長發育造成危害。高溫熱害通過影響水稻開花、授粉受精和籽粒灌漿結實而降低產量及降低稻米品質。當持續出現3 d以上日最高溫度高于35 ℃或日平均溫度達30 ℃以上時，會對水稻的開花、花藥開裂、花粉活力、花粉管伸長、受精等一系列生理生化過程產生影響，進而導致結實率降低[24-25]。

根據公開發布的國家標準和前期學者的研究結果，對水稻高溫熱害等級的劃分主要是根據水稻生育關鍵期出現3 d以上日最高氣溫≥35 ℃或日平均氣溫≥30 ℃的持續天數。本文參考張佳華等[26-27]提出的高溫熱害指標，選擇以日最高氣溫≥35 ℃或日平均氣溫≥30 ℃持續天數作為水稻高溫熱害等級的劃分指標(表1)，根據來賓市水稻(包括早、中、晚稻，下同)農情信息資料，水稻抽穗開花、灌漿期最早為5月21日，最遲為10月31日，因此，在5月21日至10月31日出現達到水稻高溫熱害等級指標的過程記為一次水稻高溫熱害過程，分等級統計來賓市歷年高溫熱害過程出現次數,高溫熱害過程持續天數之和為高溫熱害總天數。

表1 水稻高溫熱害等級指標

注：表中持續云數據指日最高氣溫≥35 ℃或日平均氣溫≥30 ℃的持續天數。

2 結果與分析

2.1 水稻高溫熱害的時間變化特征

2.1.1 年際變化

2.1.1.1 過程次數的年際變化 對1965～2017年來賓市水稻高溫熱害過程次數的統計分析顯示，來賓市歷年水稻高溫熱害過程平均次數為14站次(期間未出現高溫熱害過程的金秀縣除外，下同)，其中輕度熱害10站次，占71.4%；中度和重度熱害均為2站次，各占14.3%。由圖1可知，來賓市歷年水稻高溫熱害過程發生次數最多為28站次，出現在2011年；最少為1站次，出現在1974年；水稻高溫熱害過程總次數、輕度過程次數的年際變化比中度、重度的差異大。來賓市近53年水稻高溫熱害過程總次數總體呈增多趨勢，傾向率為1.135次/10 a，熱害過程次數的年代變化特征表現為：在20世紀60年代至70年代前期、80年代后期至90年代前期、21世紀00年代后期至10年代有3個偏多期，在20世紀70年代后期至80年代前期、90年代后期至21世紀00年代前期有2個偏少期；輕度、中度熱害過程次數與熱害過程次數相似，重度熱害過程次數的年代變化特征不明顯。

圖1 1965～2017年來賓市水稻高溫熱害過程次數(a)、輕度熱害(b)、中度熱害(c)和重度熱害(d)次數的年際變化

2.1.1.2 過程總天數的年際變化 對1965～2017年來賓市各縣歷年水稻高溫熱害過程累計天數的統計分析顯示，來賓市歷年水稻高溫熱害總天數平均為18 d，歷年總天數最多37 d，出現在1990年；歷年極端單次過程最長天數24 d，出現在1990年的武宣站。由圖2可知，來賓市歷年水稻高溫熱害總天數在53年期間有增多趨勢，傾向率為1.359 d/10 a，年代變化表現與過程次數的年際變化相似，但總天數的年際變化差異表現比熱害過程次數更加顯著，標準差分別為9.3和6.6 d。

圖2 1965～2017年來賓市水稻高溫熱害總天數的年際變化

2.1.2 突變分析 本文使用Mann-Kendall(M-K)法對來賓市1965～2017年水稻高溫熱害變化趨勢進行突變檢測(圖3)，給定的顯著水平α=0.05，M-K法中包括UFK和UBK兩條曲線，UFK的值大于0表示有上升趨勢，小于0表示有下降趨勢，當UFK線超過臨界直線(Z=±1.96)時，表示上升或下降趨勢達到0.05顯著性檢驗水平，如果兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻為突變開始的時間。由圖3可知，來賓市水稻高溫熱害過程次數有2個明顯增多期，分別為20世紀80年代后期至90年代前期、21世紀00年代后期至10年代，其中后者的增多趨勢于2015年達到0.05的顯著性檢驗水平，在2008年前后出現1個增多趨勢的突變期。來賓市水稻高溫熱害平均天數的突變檢驗情況與熱害過程次數特征相符。

2.1.3 周期變化特征 采用Morlet小波對來賓市1965～2017年水稻高溫熱害過程次數及平均天數序列進行連續小波變換，得到小波變換系數的實部等值線圖(圖4)和小波方差圖(圖5)。

由圖4、圖5可知，近53年來賓市水稻高溫熱害過程次數存在準2、5～6、8～10年等多個振蕩周期，以5～6年震蕩周期持續的時間最長、最明顯；在20世紀70年代至20世紀結束存在明顯的8～10年的振蕩周期。來賓市水稻高溫熱害平均天數的周期變化特征與熱害過程次數相近。

2.2 水稻高溫熱害的空間變化特征

由圖6可知，來賓市各縣(區)歷年平均水稻高溫熱害過程次數在3～4次之間，金秀縣高寒山區除外，歷年水稻高溫熱害平均天數在15～22 d之間。說明來賓市每年均可能發生水稻高溫熱害，其中以象州縣的4次/年、22 d/年最重，忻城縣的3次/年、15 d/年最輕，武宣縣和興賓區居中。

象州縣位于武宣縣北面，水稻高溫熱害比武宣縣重，來賓市水稻高溫熱害的空間分布并不完全與緯度相關，同時受海拔高度等其他因素的影響。

圖3 來賓歷年水稻高溫熱害過程次數M-K檢驗

圖4 來賓市水稻高溫熱害過程次數(a)、熱害平均天數(b)的小波變換實部

2.3 水稻高溫熱害風險分析

對1965～2017年來賓市各縣歷年水稻高溫熱害過程按旬統計，當一旬中有1 d以上出現水稻高溫熱害過程，則當年該旬發生水稻高溫熱害過程，計算該旬在53年中出現水稻高溫過程的頻率，以此頻率作為風險頻率指標，出現頻率高則風險大，反之則風險小。由圖7可知，來賓市各旬發生水稻高溫熱害過程的頻率變化曲線為單峰型，最小為1.0%，最大為65.3%，變化趨勢從6月中旬開始升高，到8月上旬達到最大，之后下降，10月上旬達到最小，各縣的水稻高溫熱害頻率變化特征相近，但同一旬各縣的頻率相差較大，差值范圍在1%～25%之間，以6月下旬至7月中旬、8月各旬相差最大；來賓市水稻高溫熱害風險頻率大于50%的旬有7月中旬至8月上旬，風險頻率在20%～50%之間的為6月中旬至7月中旬和8月中旬至9月上旬，其他旬的風險頻率小于20%；忻城縣各旬的風險頻率相對較小，象州縣各旬的風險頻率相對較大，興賓區、武宣縣居中。

圖5 來賓市水稻高溫熱害過程次數、平均天數的小波方差

圖6 來賓市水稻高溫熱害過程次數、總天數空間分布

圖7 來賓市各旬出現水稻高溫熱害過程的頻率

3 結論與討論

(1)來賓市每年均可發生水稻高溫熱害，歷年平均發生次數為14站次，主要為輕度、中度熱害過程，占71.4%。高溫熱害過程次數的年際差異性比較大，總體呈增多趨勢，傾向率為1.135次/10 a。年代變化特征表現為在20世紀60年代至70年代前期、80年代后期至90年代前期、21世紀00年代后期至10年代有3個偏多期，在20世紀70年代后期至80年代前期、90年代后期至21世紀00年代前期有2個偏少期。

(2)來賓市歷年水稻高溫熱害過程總天數平均為18 d，極端單次最長過程天數24 d，高溫熱害總天數與過程次數的年際變化相似。在研究高溫熱害的年代變化規律時，需同時考慮高溫熱害過程總天數及次數，即當發生重度高溫熱害過程時，會表現為高溫熱害過程次數不多，但是高溫熱害過程天數較多的情況，因此在分析高溫熱害時間變化規律時，高溫熱害過程總天數因子比高溫熱害過程次數更為顯著。

(3)來賓市水稻高溫熱害在2008年前后出現1個增多趨勢的突變期，增多趨勢達到顯著檢驗水平；近53年來賓市水稻高溫熱害存在準2、5～6、8～10年等多個振蕩周期，以5～6年振蕩周期持續的時間最長、最顯著。

(4)在全球氣候變化背景下，來賓市水稻高溫熱害受大氣候背景、地理環境等因素的共同影響，空間上沒有明顯的緯向或經向遞進規律，水稻高溫熱害發生程度由重到輕依次為象州縣、興賓區、忻城縣、武宣縣，金秀縣高寒山區無水稻高溫熱害發生。

(5)來賓市一年中有3旬水稻高溫熱害風險頻率大于50%，為7月中旬至8月上旬；有6旬水稻高溫風險頻率在20%～50%之間，為6月中旬至7月上旬和8月中旬至9月上旬。因此，應選擇合適播種期，建議盡量避免水稻抽穗開花、灌漿期落在高溫熱害風險頻率高的旬。

(6)本研究結果可為優化廣西水稻種植布局和防災減災技術對策的制定提供科學參考，也可通過水稻品種的改良推廣，生物調節劑的使用，以及栽培技術的提高等水稻高溫熱害防御措施，減輕水稻高溫熱害的影響和危害，達到水稻生產趨利避害、防災減災、豐產穩產優質的目標。